JP2018198247A

JP2018198247A - 発光装置及び車両用灯具

Info

Publication number: JP2018198247A
Application number: JP2017101797A
Authority: JP
Inventors: 喜郎佐藤; Yoshio Sato
Original assignee: Ichikoh Industries Ltd
Current assignee: Ichikoh Industries Ltd
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-12-13
Also published as: WO2018216674A1

Abstract

【課題】低コスト且つ高精度なものであって、レーザーダイオードのパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができる発光装置及び車両用灯具を提供する。
【解決手段】発光装置１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の（１００）面に実装され、光を出力するレーザーダイオード２１と、シリコン基板１１の｛１１１｝面に形成され、レーザーダイオード２１から出力される光を反射するリフレクター３１と、リフレクター３１の上方に設けられ、シリコン基板１１と一体的に形成されるレンズ４１と、を備えるものである。発光装置１は、シリコン基板１１、レーザーダイオード２１、及びレンズ４１がパッケージされている構造体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置及び車両用灯具に関する。

従来、レーザーダイオード等の発光素子がステムに実装され、ステムがヒートシンクを兼ねるパッケージ構造の発光装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平０６−１６９１３６号公報

特許文献１に記載のような従来技術は、レーザーダイオードの出力に起因して生じる熱をステムより放熱させるものである。レーザーダイオードは出力が弱いものであればレーザーダイオードの出力に伴い生じるジュール熱も低いものであるため、ステムから放熱させる構造であってもパッケージに悪影響を与えることはない。

しかし、近年、レーザーダイオードの出力は増加傾向にある。レーザーダイオードは出力が強いものであればレーザーダイオードの出力に伴い生じるジュール熱も高いものとなるため、ステムから放熱させる構造では、パッケージに悪影響を与える状況が生じる恐れがある。

また、上記従来技術のように、ステム、レーザーダイオード、レーザーダイオードを実装しているサブマウント、及びレンズ等のような複数の部材を合わせてパッケージとして発光装置を製造する場合、ステム及びサブマウントは機械加工による金属片であるため、高精度にはできない状況である。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高精度なものであって、レーザーダイオードのパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができるようにするものである。

本開示の第１の側面である発光装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板の（１００）面に実装され、レーザー光を出力するレーザーダイオードと、前記シリコン基板の｛１１１｝面に形成され、前記レーザーダイオードから出力されるレーザー光を反射するリフレクターと、前記リフレクターの上方に配置され、前記シリコン基板と一体的に形成されるレンズと、を備え、前記シリコン基板、前記レーザーダイオード、及び前記レンズがパッケージされている構造体である。

発光装置は、レーザーダイオードがシリコン基板の（１００）面に実装され、リフレクターがシリコン基板の｛１１１｝面に形成され、レンズがシリコン基板と一体的に形成されているものである。シリコン基板の（１００）面及び｛１１１｝面は、高精度加工されて形成されるものである。リフレクターはシリコン基板の｛１１１｝面に形成されるため、５４．７°傾斜面の傾斜角に固定されるものである。よって、レーザーダイオードから出力されるレーザー光は、リフレクターにより上方向に精度良く出射される。

また、発光装置は、シリコン基板、レーザーダイオード、及びレンズがパッケージされている構造体である。シリコン基板は熱伝導率が高いものであるため、熱抵抗が低く、放熱性に優れている。レーザーダイオードはシリコン基板の（１００）面に実装されており、パッケージされている構造体となっている。よって、レーザーダイオードのパッケージ構造は放熱性に優れたものとなる。

したがって、発光装置は、レーザーダイオードがシリコン基板の（１００）面に実装され、リフレクターがシリコン基板の｛１１１｝面に形成され、パッケージされている構造体であることにより、リフレクターの傾斜角が固定され、レーザーダイオードで発生する熱がシリコン基板を介して拡散されやすいため、高精度なものであって、レーザーダイオードのパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができる。

また、前記シリコン基板の裏面側は、光学研磨されているものであって、算術平均粗さＲａが１０Å以下である、ことが好ましい。

また、前記リフレクターは、前記レーザーダイオードを通電させる電極パターンが形成されているものである、ことが好ましい。

また、前記シリコン基板は、前記レンズを成型する樹脂が注入されるスルーホールが形成されているものである、ことが好ましい。

また、前記シリコン基板は、前記樹脂が注入されるレンズ配置穴が形成されているものである、ことが好ましい。

また、異方性エッチングにより前記シリコン基板の（１００）面及び前記シリコン基板の｛１１１｝面のそれぞれの結晶方位面が形成されているものである、ことが好ましい。

また、本開示の第２の側面である車両用灯具は、上記に記載の発光装置を含む、ものであり、発光装置の場合と同様に、高精度なものであって、レーザーダイオードのパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができる。

本開示の第１及び第２の側面によれば、高精度なものであって、レーザーダイオードのパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができる。

本開示を適用した発光装置１の全体構成例を示す図である。

以下、図面に基づいて本開示の実施形態を説明するが、本開示は以下の実施形態に限られるものではない。

図１は、本開示を適用した発光装置１の全体構成例を示す図である。図１に示すように、発光装置１は、シリコン基板１１と、レーザーダイオード２１と、リフレクター３１と、レンズ４１と、を備えるものである。発光装置１は、シリコン基板１１、レーザーダイオード２１、及びレンズ４１が一体的に形成されるものである。

レーザーダイオード２１は、シリコン基板１１の（１００）面に実装され、レーザー光を出力するものである。レーザーダイオード２１は、発光素子の一つとして、近年、車両用灯具として用いられる発光ダイオードに代わる光源としての使用が試みられているものである。レーザーダイオード２１は、波長及び位相を揃えたコヒーレント光を出力できる点が、発光ダイオードと異なる。

シリコン基板１１の（１００）面は、結晶方位面であり、異方性エッチングにより形成されるものである。異方性エッチングは、アルカリ性溶液でエッチングするものであり、例えば、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド）溶液、ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）、及びＮ_２Ｈ_４・Ｈ_２Ｏ（水和ヒドラジン）溶液等がある。なお、シリコン基板１１の（１００）面の両面は、光学研磨が施されるものであるため、算術平均粗さＲａは１０Å以下となり、鏡面加工された結晶方位面となる。よって、シリコン基板１１の裏面側は、光学研磨されているものであって、算術平均粗さＲａが１０Å以下となるものである。

リフレクター３１は、シリコン基板１１の（１１１）面に形成され、レーザーダイオード２１から出力されるレーザー光を反射するものである。シリコン基板１１の（１１１）面は、（１００）面と同様に、異方性エッチングにより形成されるものである。シリコン基板１１の（１１１）面は、異方性エッチングにより５４．７°傾斜面の傾斜角で形成されてから、再度熱酸化膜で覆われるものである。シリコン基板１１の（１１１）面は、熱酸化膜で覆われてから電極パターンが形成されることにより、レーザーダイオード２１を通電させるための回路パターンの機能と、反射膜の機能とが実現される。その２つの機能が実現されるリフレクター３１にレーザーダイオード２１はマウントされ、レーザーダイオード２１が金ワイヤー３３によりシリコン基板１１の一部と電気的に接続されることにより、金ワイヤー３３を介してレーザーダイオード２１に給電が可能となる。レーザーダイオード２１から出力されるレーザー光は、出力方向Ａでリフレクター３１に衝突し、５４．７°傾斜面となるシリコン基板１１の（１１１）面で向きが変えられることにより、出射方向Ｂで外部に出力されるものである。

なお、上記の説明では、リフレクター３１がシリコン基板１１の（１１１）面に形成される一例について説明したが、シリコン基板１１の（１１１）面と等価な面であればよい。つまり、リフレクター３１は、シリコン基板１１の｛１１１｝面に形成されればよいものである。

レンズ４１は、リフレクター３１の上方に配置され、シリコン基板１１と一体的に形成されるものである。具体的には、シリコン基板１１は、スルーホール１２１が形成されている。スルーホール１２１は、金型を用いて、レンズ４１を成型する樹脂が注入されるものである。なお、スルーホール１２１は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で形成されるのが好ましい。

シリコン基板１１は、レンズ配置穴１２３が形成されている。レンズ配置穴１２３は、レンズ４１を成型する樹脂が注入されるものであり、異方性エッチングにより形成されればよい。レンズ配置穴１２３は、レンズ４１のアンカー効果をより強固なものとするために形成されているものである。

つまり、発光装置１は、シリコン基板１１と、レンズ４１とが一体成型でパッケージされている構造体である。よって、パッケージの裏面は、シリコン基板１１の裏面であるため、上記で説明したように、光学研磨されており、算術平均粗さＲａが１０Å以下となっているものである。

なお、発光装置１は、上記で説明したように、発光ダイオードの代替部材の車両用灯具としての使用が試みられているものであり、例えば、自動車ヘッドランプ又はリアコンビランプ等への使用が試みられている。また、発光装置１は、照明器具としての使用も試みられている。発光装置１は、さらに、光通信用の機器への実装、又はパワーモジュール全般等への各種使用が試みられるものである。

以上の説明から、発光装置１は、レーザーダイオード２１がシリコン基板１１の（１００）面に実装され、リフレクター３１がシリコン基板１１の｛１１１｝面に形成され、レンズ４１がシリコン基板１１と一体的に形成されているものである。シリコン基板１１の（１００）面及び｛１１１｝面は、高精度加工されて形成されるものである。リフレクター３１はシリコン基板１１の｛１１１｝面に形成されるため、傾斜面の傾斜角は一定に固定されるものである。よって、レーザーダイオード２１から出力されるレーザー光は、リフレクター３１により上方向に精度良く出射される。

また、発光装置１は、シリコン基板１１、レーザーダイオード２１、及びレンズ４１がパッケージされている構造体である。シリコン基板１１は熱伝導率が高いものであるため、熱抵抗が低く、放熱性に優れている。レーザーダイオード２１はシリコン基板１１の（１００）面に実装されており、パッケージされている構造体となっている。よって、レーザーダイオード２１のパッケージ構造は放熱性に優れたものとなる。

したがって、発光装置１は、レーザーダイオード２１がシリコン基板１１の（１００）面に実装され、リフレクター３１がシリコン基板１１の｛１１１｝面に形成され、パッケージされている構造体であることにより、リフレクター３１の傾斜角が精度良く固定され、レーザーダイオード２１で発生する熱がシリコン基板１１を介して拡散されやすいため、高精度なものであって、レーザーダイオード２１のパッケージ構造を放熱性に優れたものとすることができる。

また、シリコン基板１１の裏面側は、算術平均粗さＲａが１０Å以下に光学研磨されている。よって、シリコン基板１１の裏面側は、鏡面加工されていることになるため、発光装置１と、不図示のヒートシンクとの間をグリスレスとすることができる。したがって、グリスが存在しない分だけ熱抵抗を下げることができるため、特に顕著に放熱性を高めることができる。

また、リフレクター３１は、レーザーダイオード２１を通電させる電極パターンが形成されている。よって、リフレクター３１は、単なる反射膜としてだけではなくレーザーダイオード２１を通電させるための回路としても機能する。したがって、別途電極パターンを形成する必要がないため、発光装置１を小型化することができる。

シリコン基板１１は、レンズ４１を成型する樹脂が注入されるスルーホール１２１が形成されている。よって、レンズ４１と、リフレクター３１と、レーザーダイオード２１との位置合わせに伴う実装公差を小さくすることができる。したがって、発光装置１から出射されるレーザー光の色の収差を小さくすることができるため、発光装置１を高品質な光源として利用することができる。

また、シリコン基板１１は、樹脂が注入されるレンズ配置穴１２３が形成されている。よって、レンズ配置穴１２３は、レンズ４１のアンカー効果を高めることができる。したがって、シリコン基板１１と、レンズ４１との一体性を高めることができるため、発光装置１から出射されるレーザー光の色の収差を特に顕著に小さくすることができる。

また、シリコン基板１１は、異方性エッチングにより（１００）面及び｛１１１｝面の結晶方位面が形成されている。よって、シリコン基板１１の（１００）面と、シリコン基板１１の裏面との間の厚みＬを１００μｍ程度まで薄くすることができるため、高い放熱性を実現することができる。また、シリコン基板１１の｛１１１｝面の傾斜角度を５４．７°に固定できるため、レーザーダイオード２１から出力方向Ａに出力されたレーザー光の出射方向Ｂを特に顕著に精度良くすることができる。

以上、本開示を適用した発光装置１を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、図１においては、シリコン基板１１にレーザーダイオード２１が１つ実装されている一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、レーザーダイオード２１が複数実装される構造であってもよい。この場合、レーザーダイオード２１ごとにリフレクター３１がシリコン基板の（１１１）面に形成されていればよい。つまり、レーザーダイオード２１及びリフレクター３１の組みが隣接したものとなっていればよい。

１発光装置
１１シリコン基板
１２１スルーホール
１２３レンズ配置穴
２１レーザーダイオード
３１リフレクター
３３金ワイヤー
４１レンズ
Ａ出力方向
Ｂ出射方向
Ｌ厚み

Claims

シリコン基板と、
前記シリコン基板の（１００）面に実装され、レーザー光を出力するレーザーダイオードと、
前記シリコン基板の｛１１１｝面に形成され、前記レーザーダイオードから出力されるレーザー光を反射するリフレクターと、
前記リフレクターの上方に配置され、前記シリコン基板と一体的に形成されるレンズと、
を備え、
前記シリコン基板、前記レーザーダイオード、及び前記レンズがパッケージされている構造体である、
発光装置。
前記シリコン基板の裏面側は、
光学研磨されているものであって、算術平均粗さＲａが１０Å以下である、
請求項１に記載の発光装置。
前記リフレクターは、
前記レーザーダイオードを通電させる電極パターンが形成されているものである、
請求項１又は２に記載の発光装置。
前記シリコン基板は、
前記レンズを成型する樹脂が注入されるスルーホールが形成されているものである、
請求項１〜３の何れか一項に記載の発光装置。
前記シリコン基板は、
前記樹脂が注入されるレンズ配置穴が形成されているものである、
請求項４に記載の発光装置。
異方性エッチングにより前記シリコン基板の（１００）面及び前記シリコン基板の｛１１１｝面のそれぞれの結晶方位面が形成されているものである、
請求項１〜５の何れか一項に記載の発光装置。
請求項１〜６の何れか一項に記載の発光装置を含む、
車両用灯具。