JP2017017146A - 発光装置および発光システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で放熱効果の高い発光装置を提供する。【解決手段】金属からなり、一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂを有するベース２０と、ベース２０に搭載された半導体発光素子１１と、半導体発光素子１１に電力を供給する一対のリード１５ａおよび１５ｂであって、ベース２０を、半導体発光素子１１が搭載された搭載側から反対側の実装側に貫通孔２４ａおよび２４ｂを挿通した一対のリード１５ａおよび１５ｂとを有する発光装置である。ベース２０は、実装側に、一対のリード１５ａおよび１５ｂを、貫通孔２４ａおよび２４ｂからベース２０の外周端に達する一対の溝２５ａおよび２５ｂを含み、一対のリード１５ａおよび１５ｂは、一対の溝２５ａおよび２５ｂから一部が実装側に露出した状態で、貫通孔２４ａおよび２４ｂから一対の溝２５ａおよび２５ｂのそれぞれに沿って配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子を有する発光装置および発光システムに関するものである。

特許文献１には、高い放熱効果を有し、高出力でレーザ光を出射可能な半導体レーザ装置が開示されている。この半導体レーザ装置は、ブロック部と、ブロック部が上面上に設けられたアイレット部とを含むステムと、ブロック部に搭載され、高出力で青紫色レーザ光を出射可能な半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を覆うようにアイレット部の上面上に固定されたキャップと、アイレット部に保持されたリードと、半導体レーザ素子からの熱を放熱するための放熱器とを備えている。そして、上記放熱器は、アイレット部の下面におけるブロック部の真下に位置する領域全面を含む広い領域と熱接触している。

特開２０１１−１８８００号公報

簡易な構造で、放熱効果が高い、表面実装型の発光装置が要望されている。

本発明の一態様は、金属からなり、一対の貫通孔を有するベースと、ベースに搭載された半導体発光素子と、半導体発光素子に電力を供給する一対のリードであって、ベースを、半導体発光素子が搭載された搭載側から反対側の実装側に貫通孔を挿通した一対のリードとを有する発光装置である。ベースは、実装側に、一対のリードを、貫通孔からベースの外周端に達する一対の溝を含み、一対のリードは、一対の溝から一部が実装側に露出した状態で、貫通孔から一対の溝のそれぞれに沿って配置されている。

簡易な構成で、ベースの実装側にリードを配置でき、プリント配線板に搭載できる表面実装型の発光装置を提供できる。また、リードを用いた放熱効果の高い発光装置を提供できる。

図１（ａ）は発光装置がプリント配線板に搭載された発光システムの概要を示し、図１（ｂ）はプリント配線板を示す斜視図。 発光装置の概要を示す斜視図。 発光装置の実装側を示す底面図。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図。 異なる発光装置の実装側を示す底面図。 異なる発光システムの概要を示す斜視図

図１（ａ）に、発光装置を搭載した発光システムの一例を示している。この発光システム１は、プリント配線板３０と、プリント配線板３０に搭載された発光装置１０とを含む。発光装置１０は、半導体発光素子として半導体レーザ１１を内蔵した表面実装型の装置であり、ベース２０の実装側２１に一対の溝２５ａおよび２５ｂを有し、一対の溝２５ａおよび２５ｂを通って一対のリード１５ａおよび１５ｂが現れている。プリント配線板３０は、実装側の面３１に、一対の溝２５ａおよび２５ｂに対向した位置に一対の配線３５ａおよび３５ｂを有し、一対のリード１５ａおよび１５ｂがそれぞれ一対の配線３５ａおよび３５ｂに接続されている。プリント配線板３０には、さらに、一対の配線３５ａおよび３５ｂに繋がったコネクター３６と、放熱用に配線と同一のプロセスでプリントされた放熱領域３３とが設けられている。

図１（ｂ）に、発光装置１０を搭載する前のプリント配線板３０を示している。プリント配線板３０の発光装置１０を搭載するエリアでは、一対の配線３５ａおよび３５ｂは、発光装置１０のほぼ中心に向かって並列に形成されており、放熱領域３３は半円形状で、配線３５ａおよび３５ｂとは若干の隙間を開けて絶縁された状態で配線３５ａおよび３５ｂに隣接して形成されている。放熱領域３３は、ベース２０の実装側２１に現れるリード１５ａおよび１５ｂとの接続を避けるように、配線３５ａおよび３５ｂと対峙する位置に、半円形の凹３４ａおよび３４ｂを設けている。

図２に発光装置１０の外観を示し、図３に発光装置１０のベース２０の実装側２１の構成を示し、図４に発光装置１０の概略構成を断面図により示している。なお、図３には、プリント配線板３０の配線３５ａおよび３５ｂと放熱領域３３とを破線で参考に示している。また、図４は、発光装置１０をプリント配線板３０に搭載した状態を断面図により示している。

発光装置１０はキャンタイプであり、半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の出射方向に配置されたレンズ１７と、半導体レーザ１１を支持するベース（ステム、アイレット）２０と、半導体レーザ１１と一対（一組）のボンディングワイヤー１６（一組のうち一方は、サブマウント１８に接続され、半導体レーザ１１と通電する）により電気的および熱的に接続された一対（一組）のリード１５ａおよび１５ｂと、ベース２０に固定され、半導体レーザ１１およびレンズ１７を覆う円筒状のハウジング１３とを有する。ベース２０は、半導体レーザ１１が搭載された表面実装用の基体であって、半導体レーザ１１が搭載された搭載側２２から実装側２１にベース２０をほぼ垂直に貫通する一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂを含む。

ベース２０は金属製で、たとえば、銅製またはアルミニウム製であってよく、本例のベース２０は、ほぼ円形の下部２０ａと、半導体レーザ１１を支持するために上方に伸びた上部２０ｂとを含む。ベース２０の構成は、支持する半導体レーザ１１の構造、ハウジング１３の形状などの要素により様々な形状を取り得る。ベース２０は、実装側２１に、一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂからベース２０の外周端２３に向かって直線的に延びた一対の溝２５ａおよび２５ｂを含む。

半導体レーザ１１に電力を供給する一対のリード１５ａおよび１５ｂは、ベース２０の貫通孔２４ａおよび２４ｂを、ベース２０の搭載側２２から実装側２１へ挿通し、一対の溝２５ａおよび２５ｂの内部で溝２５ａおよび２５ｂに沿い、一部（下端）１５ｃが実装側２１に露出する状態になるように曲がり、ベース２０の外周端２３の外側まで達している。一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂを通る一対のリード１５ａおよび１５ｂと金属製のベース２０とは、貫通孔２４ａおよび２４ｂに注入された絶縁材あるいは絶縁性の樹脂２９により電気的に絶縁される。本例の発光装置１０においては、一対のリード１５ａおよび１５ｂがベース２０を搭載側２２から実装側２１へ最短距離で貫通するように、一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂは、搭載側２２から実装側２１へほぼ垂直に、直線的に延びており、一対のリード１５ａおよび１５ｂは、実装側２１へ現れた後に一対の溝２５ａおよび２５ｂの内部でほぼ直角に曲げられている。一対のリード１５ａおよび１５ｂの曲げ角は、貫通孔２４ａおよび２４ｂの角度、溝２５ａおよび２５ｂの深さなどの条件により変えてもよい。

半導体レーザ１１をベース２０の中心Ｘに設置する場合、一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂは、ベース２０の中心Ｘと異なる位置（中心Ｘに対して偏心した位置）に形成されてもよい。本例の発光装置１０においては、中心Ｘから偏心した位置に設けられた一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂから、距離が近い方の外周端２３に向かって同一方向に、一対の溝２５ａおよび２５ｂが並列（平行）して延びている。

ベース２０の実装側２１には段差が設けられており、一対の溝２５ａおよび２５ｂが形成された部分（エリア）２８と、その部分２８に対して実装側２１に突き出た部分２７とを含む。一対の溝２５ａおよび２５ｂのそれぞれが延びた方向と反対側に設けられた突き出た部分２７は、一対のリード１５ａおよび１５ｂの、一対の溝２５ａおよび２５ｂから下側に露出した部分の下端１５ｃと面一となっている。すなわち、一対のリード１５ａおよび１５ｂは、突き出た部分２７と下端１５ｃとが面一となるように一対の溝２５ａおよび２５ｂの内部で曲げられている。なお、ここでいう面一とは、両者が完全に同一面に位置するものだけでなく、両者が実質的に同一面に位置するものも含むものとする。

したがって、図４に示すように、発光装置１０をプリント配線板３０に搭載すると、一対の溝２５ａおよび２５ｂの中に、下端１５ｃが露出するように配置された一対のリード１５ａおよび１５ｂは、一対の配線３５ａおよび３５ｂに半田などにより接続されるとともに、ベース２０の突き出た部分２７は放熱領域３３に半田またはビス締めなどにより接される。半導体レーザ１１で発生した熱は、ベース２０を介してプリント配線板３０の放熱領域３３に放熱される。それとともに、一対のリード１５ａおよび１５ｂを介してプリント配線板３０の一対の配線３５ａおよび３５ｂに放熱される。

一対のリード１５ａおよび１５ｂは、ベース２０の実装側２１に設けられた一対の溝２５ａおよび２５ｂに下端１５ｃが露出した状態で配置されているので、一対の配線３５ａおよび３５ｂを一対のリード１５ａおよび１５ｂがベース２０を最短距離で貫通した位置まで延ばすことができる。したがって、半導体レーザ１１により加熱された一対のリード１５ａおよび１５ｂを配線３５ａおよび３５ｂで放熱されるまでの距離を短くすることができ、一対の溝２５ａおよび２５ｂに沿って配線３５ａおよび３５ｂを設けることにより、一対の配線３５ａおよび３５ｂと一対のリード１５ａおよび１５ｂとの接触面積（接触長さ）を確保できる。このため、一対のリード１５ａおよび１５ｂを介した放熱効果を大幅に向上でき、半導体レーザ１１の冷却効果を向上できるとともに、半導体レーザ１１に対する電力供給系の信頼性も向上できる。

この発光装置１０においては、ベース２０の実装側２１に一対の溝２５ａおよび２５ｂを設けて、その中に一対のリード１５ａおよび１５ｂを半露出状態で収納し、ベース２０の外周端２３まで一対のリード１５ａおよび１５ｂを導く。ベース２０を貫通する一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂは、それぞれの溝２５ａおよび２５ｂの内部に表れ、リード１５ａおよび１５ｂは、ベース２０を単純に貫通することによりベース２０の実装側２１に導かれる。このため、ベース２０に一対のリード１５ａおよび１５ｂを埋設して外周端まで導く必要はなく、簡易な構成のベース２０とリード１５ａおよび１５ｂとで発光装置１０を形成できる。さらに、一対の溝２５ａおよび２５ｂに一対のリード１５ａおよび１５ｂを収納することによりベース２０とリード１５ａおよび１５ｂとを電気的に絶縁させた状態で、リード１５ａおよび１５ｂをベース２０の中心近傍で露出させることが可能となり、リード１５ａおよび１５ｂを介した放熱効果を向上できる。

また、ベース２０をプリント配線板３０に搭載するために必要な領域（面積）を用いて一対のリード１５ａおよび１５ｂと、一対の配線３５ａおよび３５ｂとの接続長（接触長）を長く確保できる。このため、熱的な接触性を向上できるとともに、電気的な接触性も向上でき、より信頼の高い発光システム１を提供できる。

図５にベース２０の異なる例を示している。図５（ａ）は、一対の溝２５ａおよび２５ｂを、中心Ｘと異なる位置に設けられた一対の貫通孔２４ａおよび２４ｂから中心Ｘの近傍に向かって延びるように形成している。このような構成を採用することにより、一対の溝２５ａおよび２５ｂを長くでき、一対のリード１５ａおよび１５ｂがベース２０の実装側２１に露出する距離をさらに長くできる。したがって、一対のリード１５ａおよび１５ｂを介してプリント配線板３０の配線３５ａおよび３５ｂに接する距離を長くでき、リード１５ａおよび１５ｂを介した放熱性能を向上できる。

図５（ｂ）は、一対の溝２５ａおよび２５ｂを１８０度反対の方向に延ばして形成した例を示している。したがって、一対のリード１５ａおよび１５ｂも、１８０度反対の方向に延びており、プリント配線板３０に１８０度反対の方向に設けられた一対の配線３５ａおよび３５ｂと接続される。プリント配線板３０に複数の発光装置１０を搭載し、直列にまたは並列に接続する場合など、配線３５ａおよび３５ｂを異なる方向に形成した方が、搭載効率が上がることがあり、このベース２０を備えた発光装置１０は適している。一対の溝２５ａおよび２５ｂが延びた方向は１８０度反対でなくてもよく、９０度異なる方向に延びていてもよく、他の適当な角度の異なる方向に延びていてもよい。

図６に、発光システムの異なる例を示している。この発光システム１では、プリント配線板３０の上に複数の発光装置１０が搭載されている。これらの発光装置１０は、表面実装型なので、プリント配線板３０の実装面３１に形成される配線パターンにより直列および／または並列に接続することができる。したがって、極めて簡易な構成で、複数の発光装置１０を搭載した発光システム１を提供できる。また、各発光装置１０の熱をプリント配線板３０を介して放出することが可能であり、プリント配線板３０を大型化することにより放熱効果をさらに高めることができる。

以上のように、本例における発光装置においては、リードが、金属からなるベースを貫通し、ベースの実装側に設けられた溝の内部を、リードの一部が実装側に露出した状態で、ベースの外周端に達するように配置される。リードは、ベースを搭載側から実装側に貫通し、ベースの実装側に設けられた溝を通過することにより、ベースと絶縁された状態でベースの実装側に、ベースに沿った状態で露出する。したがって、簡易な構成で、ベースの実装側にリードを配置でき、プリント配線板に搭載できる表面実装型の発光装置を提供できる。また、リードの搭載側に位置する、発熱源である半導体発光素子と電気的および熱的に接続されたリードを、ベースを貫通することにより短距離でベースの外に導き、ベースの実装側に沿って露出させてプリント配線板と接触させることが可能であり、リードを用いた放熱効果の高い発光装置を提供できる。

なお、上記の例では円筒状のハウジング１３を備えたキャンタイプの発光装置１０を説明したが、ハウジングは角筒状であってもよく、また、ハウジングを含まない発光装置であってもよい。ハウジング１３内における半導体レーザ１１の固定方法は、上記に限定されず、ベース（ステム、アイレット）２０の搭載側２２の平面に半導体レーザ１１が固定されたものであってもよく、その他の搭載方法を採用したものであってもよい。また、半導体発光素子は半導体レーザに限定されず、高出力のＬＥＤなどであってもよい。

１ 発光システム、 １０ 発光装置、 １１ 半導体レーザ
１５ａ、１５ｂ リード、 ２０ ベース、 ２４ａ、２４ｂ 貫通孔
２５ａ、２５ｂ 溝、 ３０ プリント配線板、 ３５ａ、３５ｂ 配線

Claims (10)

1. 金属からなり、一対の貫通孔を有するベースと、
   前記ベースに搭載された半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子に電力を供給する一対のリードであって、前記ベースを、前記半導体発光素子が搭載された搭載側から反対側の実装側に前記貫通孔を挿通した一対のリードとを有し、
   前記ベースは、前記実装側に、前記一対のリードを、前記貫通孔から前記ベースの外周端に達する一対の溝を含み、
   前記一対のリードは、前記一対の溝から一部が前記実装側に露出した状態で、前記貫通孔から前記一対の溝のそれぞれに沿って配置されている発光装置。
2. 請求項１において、
   前記ベースは、前記一対のリードの下端と面一になる部分を含む、発光装置。
3. 請求項１または２において、前記一対のリードは、前記ベースを最短距離で貫通し、前記一対の溝のそれぞれに表れている、発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記一対の溝は平行に形成されている、発光装置。
5. 請求項４において、前記一対の溝は、同じ方向に延びている、発光装置。
6. 請求項５において、前記一対のリードは前記ベースの中心と異なる位置を貫通し、前記一対の溝は、前記ベースの中心近傍に向かって延びている、発光装置。
7. 請求項４において、前記一対の溝は、反対方向に延びている、発光装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記半導体発光素子を覆い、前記ベースに固定されたハウジングを有する発光装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の発光装置と、
   前記発光装置が搭載されたプリント配線板とを有し、
   前記プリント配線板は、前記一対の溝に対向した位置に一対の配線を有し、前記一対のリードがそれぞれ一対の前記配線に接続されている発光システム。
10. 請求項９において、
    複数の前記発光装置を有する、発光システム。

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