JP2017208383A - Ｌｅｄ光源およびｌｅｄ光源の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】共通基板上に配置した複数の発光ダイオードユニットの相対的位置の変動を抑制する。【解決手段】ＬＥＤ光源は、共通基板１と、共通基板上に並んで配置された複数の発光ダイオードユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと、隣接配置された前記複数の発光ダイオードユニットの対の間に配置されたスペーサ５と、を含む。【選択図】図２
Description
本発明は、ＬＥＤ光源およびＬＥＤ光源の製造方法に関し、特に、複数のＬＥＤ素子を含むＬＥＤ光源と複数のＬＥＤ素子を含むＬＥＤ光源の製造方法に関する。
近年、車両用前照灯において、前方の状況、即ち対向車や前走車等の有無及びその位置に応じて配光形状をリアルタイムで制御する技術（ＡＤＢ adaptive driving beam等と呼ばれる）が注目されている。この技術によれば、例えば走行用の配光形状すなわちハイビームで走行中に、対向車を検出した場合に、前照灯に照射される領域の内、当該対向車の領域に向う光のみをリアルタイムで低減することが可能となる。ドライバに対しては常にハイビームに近い視界を与え、その一方で対向車に対して眩惑光（グレア）を与えることを防止できる。
また、ハンドルの舵角に合わせて進行方向の配光を調整する前照灯システム（ＡＦＳ adaptive front-lighting system 等と呼ばれる）が一般化されつつある。配光形状を、ハンドルの舵角に合わせて、左右方向に移動させることにより、進行方向の視界を広げることができる。
このような配光可変型の前照灯システムは、例えば多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）をアレイ状に並置した発光ダイオード装置を作成し、各発光ダイオードの導通／非導通（オン／オフ）並びに導通時の投入電流（従って輝度）をリアルタイムで制御することによって実現することができる。所望の輝度分布を実現するには、所定の発光特性、放熱特性を有する多数のＬＥＤ素子が所定の位置に配置されることが望まれる。そこで、多数のＬＥＤ素子を、高精度に実装することが重要課題となっている。
例えば、複数のＬＥＤ素子を搭載した中間基板を形成し、共通基板上に複数の中間基板を配置する構成がある。中間基板を共通基板上に実装するには、通常、Ａｇフィラー含有樹脂やＡｕＳｎペースト等の熱伝導性の高い接合剤を介して共通基板上に中間基板を接合したり、接合剤が塗布された共通基板上にフラックスを塗布し中間基板をフラックス膜の上に配置する工程等が用いられる。中間基板をＬＥＤ素子に置き換えることも可能である。以下、中間基板とＬＥＤ素子とをまとめて発光ダイオード(ＬＥＤ)ユニットと呼ぶことがある。
接合剤やフラックスに一定の流動性が求められる。所定の温度に加熱して接合をする際には流動性が高くなる。特に、ＡｕＳｎを利用した共晶接合においては共晶温度に達したＡｕＳｎが液体になるため流動性が高くなる。フラックスの作用で気泡が生じると、流動性を増したＡｕＳｎがさらに動く。
複数のＬＥＤユニットを所定の間隔で並べる際、接合部の流動性が増すと、隣接するＬＥＤユニットの間隔が動くこともある。その間隔が一定の値よりも狭くなると、流動化したＡｕＳｎを介して隣接素子が接触する現象が確認されている。隣接素子が接触して間隔が狭くなると、接触しなかったＬＥＤユニットの間隔は広がることとなる。全体としてＬＥＤユニットの間隔がばらつく要因となる。
共通基板側、ないしＬＥＤユニット側に切り欠き等を作成し、溶融した接合剤等を所定方向に収容して、ＬＥＤユニットの位置の変動を防ぐ提案もされている。隣接するＬＥＤユニット間に熱硬化性樹脂が流れ出ないように、ＬＥＤユニットの底面に溝を形成して、隣接ユニット以外の方向に樹脂を流れ出させる提案もある(例えば特許文献１)。接着層が溝より内側の領域に限定されるので、接着面積は狭くなる。良好な放熱性を得るためには、接着面積はＬＥＤユニット底面のなるべく広い面積に配置されることが望ましい。
広い接着面積を有しつつ、ＬＥＤユニットの位置の変動を抑制できるＬＥＤ光源を提供する。
実施例によるＬＥＤ光源は、
共通基板と、
前記共通基板上に並んで配置された複数の発光ダイオードユニットと、
隣接配置された前記複数の発光ダイオードユニットの対の間に配置されたスペーサと、
を含む。
共通基板と、
前記共通基板上に並んで配置された複数の発光ダイオードユニットと、
隣接配置された前記複数の発光ダイオードユニットの対の間に配置されたスペーサと、
を含む。
隣接する発光ダイオードユニットの間隔が、スペーサによって規制される。
１ 共通基板、 ２ ガイド、 ３、４ 接着剤、
５ スペーサ、 ６ 支持部 ７ 側面凸部、 ８ 発光素子、 １０ ＬＥＤユニット、 ２０ 中間基板。
５ スペーサ、 ６ 支持部 ７ 側面凸部、 ８ 発光素子、 １０ ＬＥＤユニット、 ２０ 中間基板。
配光分布を任意に制御できる、ＡＤＢ可能な光源として、平面上に多数のＬＥＤを分布させたＬＥＤ光源が研究開発されている。例えば、垂直方向に数行、水平方向に数十列程度のＬＥＤをマトリクス配置したＬＥＤ光源が所望される。
本発明者らは、共通基板上に複数の中間基板を配列し、各中間基板上に複数のＬＥＤ素子を配置する構造を開発対象とした。所定の条件を満たす中間基板を作成し、面積の広い共通基板上に複数の中間基板を配置することにより、歩留まりの向上等が期待できるであろう。例えば中間基板上に２〜４列、４〜１０行のＬＥＤをマトリクス配置し、共通基板上に数個から十数個の中間基板を配列し、所望数の発光素子をマトリクス状に配置した光源を作成する。
図１Ａは、開発対象としたＬＥＤ光源の構成を概略的に示す平面図である。例えばＡｌＮ共通基板１の上に、４〜１０個、例えば４個の中間基板１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが水平方向(図中横方向)に配列され、各中間基板１０上に２〜４列、例えば２列、各列に４〜１０行、例えば５行のＬＥＤ素子８が配置される。中間基板１０の数が４個、各中間基板１０上に２(列)×５(行)のＬＥＤ素子８を配する場合を図示する。４個の中間基板１０は、同一の垂直方向位置で、水平方向に等間隔で配列される。
例えば、共通基板１の上面は厚さ２μｍ〜２０μｍのＡｕＳｎ導電膜で覆われ、各中間基板１０の底面には厚さ２μｍ〜２０μｍのＡｕＳｎ導電膜が形成されている。共通基板１のＡｕＳｎ導電膜上に、ロジン系フラックスを塗布し、中間基板１０を所定位置に配置し、加熱処理を経て、中間基板１０のＡｕＳｎ導電膜を共通基板１のＡｕＳｎ導電膜に接続、固定する。
図１Ｂは、得られたＬＥＤ光源の状態を概略的に示す平面図である。左端の中間基板１０Ａと右隣の中間基板１０Ｂとの間の距離は短くなり、２番目の中間基板１０Ｂと３番目の中間基板１０Ｃとの間の距離は広くなっている。右端の中間基板１０Ｄは反時計方向に傾き、左上端がほぼ左隣の中間基板１０Ｃの右側面に接する位置にある。このように、中間基板１０Ａ〜１０Ｄの位置が勝手に変化してしまうと、発光素子の位置が変化してしまい、所望の配向の実現が困難になる。
共通基板上の中間基板(発光素子)の位置の変化を抑制することが望まれる。中間基板が接してしまうことを防止するため、スペーサを用いることにする。例えば球形のスペーサをフラックス中に混合する。スペーサをＡｕＳｎ等の接着剤中に混合してもよい。シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁体球形粒子、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，ＡｕＳｎ等の導電性金属球形粒子、アクリル、スチレン等の樹脂球形粒子、樹脂休の表面にＣｕ，Ｎｉ等の金属皮膜を施したものなどを用いることが可能である。なお、スペーサの形状は球形に限らないが、積層、堆積を防ぐためには、球形、楕円球形が好ましい。
中間基板底面と共通基板上面とを電気的に接続すると、配線構造を簡略化できる。金属球体、金属被覆球体等の導電性スペーサを配線として利用してもよい。絶縁性スペーサを用いるときは接着剤を導電性金属とすることが好ましい。電気的接続にＡｕＳｎ共晶を利用する場合、共晶時の最高温度は３１５℃であり、温度のばらつきを考慮すると、３５０℃以上の耐熱性を備えることが好ましい。耐熱性からは、金属、金属酸化物を用いることが好ましい。
図２Ａはフラックスないし接着剤３中にスペーサ５を混合して４個の中間基板１０Ａ−１０Ｄを共通基板１上に接続した状態を示す断面図である。図２Ｂは同じ状態を示す上面図である。スペーサ５を混合したフラックスないし接着剤３が共通基板１と中間基板１０の間、および隣接する中間基板１０間に配置される。スペーサ５はその両側の部材をスペーサ５の径以上の距離に保つ機能を果たす。隣接部材間の距離をｄ、スペーサの径をｒとするとき、０．５ｄ＜ｒ≦ｄの関係が成立するように選択するのがよい。隣接部材間に１つのスペーサは入るが、２つ以上は並んで入れず、隣接部材間の距離の均一化に寄与する。隣接する中間基板１０の対向する側面間の異なる位置に複数個のスペーサが配されると、これら対向側面間の距離は、スペーサの径以上に規定される。
図３Ａ〜３Ｃを参照して、図２Ａ，２Ｂに示すＬＥＤ光源の製造方法を説明する。ＡｕＳｎ導電膜とロジン系フラックスとを用いる場合を説明する。図３Ａに示すように、スペーサ５を混合したフラックス３を共通基板１上に塗布する。例えばガラス球のスペーサを２０体積％−７０体積％、例えば約５０体積％フラックスに混合する。共通基板１表面にはＡｕＳｎ導電層が形成されている。例えば、スペーサ５の径が１０μｍである場合、フラックス３の塗布厚は、スペーサ５の径より大きく、例えば３０μｍとする。ＬＥＤユニットが共通基板１と良好な熱的結合を形成するように、フラックスはＬＥＤユニット底面全面に行き渡るように塗布する。また、スペーサ５の機能は、隣接するＬＥＤユニット１０間に入り込んで、その間の距離を保つことであり、スペーサ５を含むフラックス３が少なくとも隣接するＬＥＤユニット間領域を覆うように塗布する。
図３Ｂに示すように、ダイボンダを用い、ＬＥＤユニット１０Ａを共通基板１上の所定位置に搭載する。ＬＥＤユニット１０は、上側にｎ型層、下側にｐ型層を含むＧａＮ系発光素子部８とｐ型Ｓｉ支持部６を含む。Ｓｉ支持部６は発光素子部と電気的に接続され、底面にＡｕＳｎ導電層を形成している。ＬＥＤユニット１０Ａの底面全体にフラックス３が行き渡り、隣接するＬＥＤユニットとの中間領域にもフラックスが供給されるようにする。
図３Ｃに示すように、新たなＬＥＤユニット１０Ｂをダイボンダを用い、先に搭載したＬＥＤユニット１０Ａから例えば１５μｍの位置に搭載する。新たなＬＥＤユニット１０Ｂの底面に押されたフラックス３は、ＬＥＤユニット１０Ｂの周囲に流れ、隣接するＬＥＤユニット１０Ａ，１０Ｂ間の領域のフラックス液面は上昇する。フラックス３と共に、スペーサ５も隣接するＬＥＤユニット１０Ａ，１０Ｂ間の領域を上昇する。
図３Ｄに示すように、ＬＥＤユニット１０Ａ，１０ＢのＳｉ支持部６と共通基板１との間の距離は、スペーサ５の径によって規制され、隣接ＬＥＤユニット１０Ａ、１０Ｂの支持部６間の距離もスペーサ５の径によって規制され、スペーサ５の径以下になることはない。図１Ｂに示したような、ＬＥＤユニット１０の配置の乱れを抑制できる。
ＡｕＳｎ導電層とロジン系フラックスを用いる場合を説明したが、ＡｕＳｎ導電層に換えてＡｕ導電層、フラックスに換えてＡｕＳｎペーストを用いてもよい。Ａｕ導電層は、例えば厚さ０．３〜５μｍのＡｕ層で形成する。ＡｕＳｎペーストは、フラックス中にスペーサ、ＡｕＳｎを含む。例えば、スペーサは径１０μｍのガラス球、ＡｕＳｎは径１５μｍのＡｕＳｎ球状粒子である。加熱処理によって、共通基板側Ａｕ層、ペースト中のＡｕＳｎ粒子、ＬＥＤユニット側Ａｕ層が、スペーサを含むＡｕＳｎ合金を形成する。
加熱処理は、接着剤であるＡｕ，ＡｕＳｎの融点以上かつスペーサの融点未満で行われる。尚、図３においてフラックス３は各ＬＥＤユニット１０Ａ，１０Ｂ間で不連続であるようにしたが、これに限らず連続していても構わない。
図４Ａ〜４Ｄを参照して、図２Ａ，２Ｂに示すＬＥＤ光源の製造方法の他の例を説明する。図４Ａに示すように、スペーサ５を混合したフラックス３を準備し、Ｓｉ支持部６上にＧａＮ系発光部８を搭載したＬＥＤユニット１０の支持部６下部をフラックス３に浸漬する。
図４Ｂに示すように、ＬＥＤユニット１０を引き上げ、支持部６の下部表面がスペーサ５を含むフラックス３Ａに覆われたＬＥＤユニット１０Ｘを得る。図４Ｃに示すように、フラックスを乾燥させ、薄くなったフラックス膜３Ｂがスペーサ５を保持するＬＥＤユニット１０Ｘを作る。
別にスペーサ５を含まないフラックスも準備し、図４Ａ〜４Ｃ同様のプロセスを経て、図４Ｄに示すようにＳｉ支持部６の下部表面がスペーサを含まないフラックス４で覆われたＬＥＤユニット１０Ｙを得る。
図４Ｅに示すように、基板１上に、スペーサを含まない、適量のフラックス４を塗布する。例えば、各ＬＥＤユニットを配置する位置にフラックス４を塗布する。ダイボンダを用い、スペーサ５を含むフラックス３Ｂを塗布したＬＥＤユニット１０Ｘと、スペーサを含まないフラックス４を塗布したＬＥＤユニット１０Ｙを交互に基板１上に配置する。隣接するＬＥＤユニット１０Ｘ，１０Ｙの間にはスペーサを含むフラックスが１層配置される。ＬＥＤユニット１０ＹのＳｉ支持部６の下部表面を覆うフラックスはスペーサを含まないので、ＬＥＤユニット間で複数のスペーサがぶつかることは抑制できる。ＬＥＤユニット１０ＹのＳｉ支持部６の下部表面を覆うフラックスは省略してもよい。
共通基板上で、ＬＥＤユニットの位置を規制する手段を設けることも考えられる。例えば、共通基板の表面にスペーサの高さ以上の直線状ガイドを設け、ＬＥＤユニットのＳｉ支持部側面に当接させることが考えられる。
図５Ａは、２つのガイド２Ａ，２Ｂを備えた基板１Ａを示す。図の構成においては、基板１Ａの左端に縦方向に延在する直線状のガイド２Ａが配置され、基板１Ａの上端に横方向に延在する直線状のガイド２Ｂが配置されている。
図５Ｂは、これらのガイド２Ａ，２Ｂを用いて、ＬＥＤユニット１０を基板１Ａ上に配列した状態を示す。２方向のガイド２Ａ，２Ｂを利用することにより、ＬＥＤユニット１０を所定の位置に配列し易くなる。勿論ダイボンダを用いることはできる。
図６は、ＬＥＤユニット１０のＳｉ支持部６上部に凸部７を設けて、下側表面より上側表面を広くし、発光素子部８の面積も拡大した場合を示す。Ａｉ支持部の凸部７の下側では、隣接するＳｉ支持部６間の距離が広がる。例えば、径２０μｍのガラス球スペーサを用い、Ｓｉ支持部６の凸部７の高さを５μｍとすると、Ｓｉ支持部間の間隔は３０−（５＋５）＝２０μｍとなる。隣接するＳｉ支持部上面間の距離をスペーサのサイズよりも小さくすることができる。発光素子間の距離を減少させ、光源間隔を狭くすることが可能となる。
以上実施例に沿って説明したが、説明中に用いた数値や材料は例示であり、制限的なものではない。要求される特性に応じて、種々の変更、置換等を行ってもよい。公知の均等物を置換してもよい。例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を半導体レーザとしてもよい。半導体レーザもダイオードであるので、ＬＥＤはレーザを含む概念とする。その他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
Claims (10)
- 共通基板と、
前記共通基板上に並んで配置された複数の発光ダイオードユニットと、
隣接配置された前記複数の発光ダイオードユニットの対の間に配置されたスペーサと、
を含むＬＥＤ光源。 - 前記共通基板と前記発光ダイオードユニットとの間、および隣接配置された前記発光ダイオードユニットの間に配置された接着剤をさらに含み、
前記接着剤が前記共通基板と前記発光ダイオードユニットとの間、および隣接配置された前記発光ダイオードユニットの間に一重に配置された前記スペーサを含む構造である、請求項１に記載のＬＥＤ光源。 - 前記複数の発光ダイオードユニットの隣接対の間の間隔がｄ、前記スペーサの径がｒであるとした時、（ｄ／２） ＜ ｒ ＜ ｄ の関係が成立する、請求項１又は２に記載のＬＥＤ光源。
- 前記接着剤が、ＡｕＳｎ，Ａｕの少なくとも１つを含み、前記スペーサが球形ないし楕円球形を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源。
- さらに、前記共通基板上に配置され、前記発光ダイオードユニットの配置を規制する少なくとも１つのガイドを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源。
- 共通基板上に、スペーサを含む接着剤を所定量塗布し、
前記接着剤の一部の上方から１つの発光ダイオードユニットを押し下げ、前記共通基板と前記１つの発光ダイオードユニットとの間に前記スペーサが一重に挟まれ、前記１つの発光ダイオードユニットの側面上にも前記接着剤が延在する構成を形成し、
前記１つの発光ダイオードユニットに隣接する位置で、前記接着剤の他の一部の上方から他の発光ダイオードユニットを押し下げ、前記共通基板と前記他の発光ダイオードユニットとの間に前記スペーサが一重に挟まれ、前記１つの発光ダイオードユニットと前記他の発光ダイオードユニットとの間に前記スペーサが一重に挟まれた構成を得る、
ことを含むＬＥＤ光源の製造方法。 - スペーサを混合した接着剤を準備し、
前記接着剤の上方から１つの発光ダイオードユニットを押し下げ、下部表面上に前記スペーサを含む接着剤が塗布されたスペーサ保持発光ダイオードユニットを形成し、
共通基板上に、接着剤を所定量塗布し、
前記共通基板上の接着剤塗布領域上に前記スペーサ保持発光ダイオードユニットを配置し、前記共通基板と前記スペーサ保持発光ダイオードユニットとの間に前記スペーサが一重に挟まれた構成を形成し、
前記スペーサ保持発光ダイオードユニットに隣接する位置で、他の発光ダイオードユニットを押し下げ、隣接する発光ダイオードユニットの間に前記スペーサが一重に配置された構成を得る
ことを含むＬＥＤ光源の製造方法。 - 前記共通基板が少なくとも１つのガイドを有し、
前記１つの発光ダイオードユニットを位置づける際、前記ガイドを利用する、
請求項６又は７に記載のＬＥＤ光源の製造方法。 - 前記発光ダイオードユニットを配置した前記基板を加熱し、前記接着剤を溶融、硬化することを含む請求項６〜８のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源の製造方法。
- 前記接着剤が、ＡｕＳｎ，Ａｕの少なくとも１つを含み、前記スペーサが球形ないし楕円球形を有する、請求項６〜９のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源の製造方法。
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