JP2023086322A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023086322000001
【課題】発光素子と光学素子との相対位置の位置ずれを抑制する。
【解決手段】発光装置１００は、光軸を有する一以上の発光素子１１と、一以上の発光素子１１を、第一ランドパターン１２上に載置した実装基板１０と、一以上の発光素子１１が発する光を外部に出射させるための、光軸を有する一以上の光学素子２１と、一以上の光学素子２１の光軸と、一以上の発光素子１１の光軸とを一致させるように、一以上の光学素子２１と一以上の発光素子１１の相対位置を規定するための金属製の位置決め部材３０と、実装基板１０上に形成された、位置決め部材３０の一面を固定するための第二ランドパターン１４と、第二ランドパターン１４と、位置決め部材３０とを固定する接合部材４０とを備える。第二ランドパターン１４は、溝部１５を隔てて複数に分割されている。
【選択図】図１６

Description

本開示は、発光装置とその製造方法に関する。
中型や大型のＦＰＤ露光装置には、従来より光源として高圧水銀ランプが使用されている。近年の環境問題への対応として、人体に有害となる物質の削減を推進する観点から水銀レス化に取り組む必要があり、従来の高圧水銀ランプの代替光源としてＬＥＤ（ＵＶ－ＬＥＤ）光源への置換えが検討されている。
従来の高圧水銀ランプによる出力と照射形状を、ＬＥＤを用いて得るためには、マイクロレンズアレイ等の光学素子が必要となる。また、これらの構成による発光装置において所望の性能を得るためには、ＬＥＤの光軸とマイクロレンズアレイの光軸の位置精度が重要となってくる。
ＬＥＤは電源供給のために実装基板に実装された状態となるため、ＬＥＤとマイクロレンズアレイの位置精度は、実装基板とマイクロレンズアレイの組付け精度に大きく影響されることになる。
実装基板とマイクロレンズアレイの組付け方法として、実装基板に取り付け穴を設けておき、マイクロレンズアレイに設けた取り付け用のピンと嵌合させる方法が考えられる。
しかしながら、実装基板のＬＥＤ実装精度、穴の位置精度、穴径の精度、マイクロレンズアレイのピンの位置精度、ピン径の精度等の公差を積み重ねると、必要となる組付け精度を得ることが困難になるという問題があった。
特開２０１９－１９２７８９号公報
本開示の目的の一つは、実装基板に固定されるＬＥＤ等の発光素子と、マイクロレンズアレイ等の光学素子との相対位置の位置ずれを抑制した発光装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一実施形態に係る発光装置は、光軸を有する一以上の発光素子と、前記一以上の発光素子を、第一ランドパターン上に載置した実装基板と、前記一以上の発光素子が発する光を外部に出射させるための、光軸を有する一以上の光学素子と、前記一以上の光学素子の光軸と、前記一以上の発光素子の光軸とを一致させるように、前記一以上の光学素子と前記一以上の発光素子の相対位置を規定するための金属製の位置決め部材と、前記実装基板上に形成された、前記位置決め部材の一面を固定するための第二ランドパターンと、前記第二ランドパターンと、前記位置決め部材とを固定する接合部材と、を備える発光装置であって、前記第二ランドパターンが、溝部を隔てて複数に分割されている。
また、本発明の他の実施形態に係る発光装置の製造方法は、光軸を有する一以上の発光素子と、前記一以上の発光素子を載置した実装基板と、前記一以上の発光素子が発する光を外部に出射させるための、光軸を有する一以上の光学素子と、前記一以上の光学素子の光軸と、前記一以上の発光素子の光軸とを一致させるように、前記一以上の光学素子と前記一以上の発光素子の相対位置を規定するための金属製の位置決め部材と、を備える発光装置の製造方法である。この発光装置の製造方法は、前記実装基板の上面に、前記一以上の発光素子を実装するための第一ランドパターンと、前記位置決め部材の一面を固定するための、溝部を隔てて複数に分割された第二ランドパターンを形成する工程と、前記実装基板の第一ランドパターンに接合部材を配置し、該接合部材上に前記一以上の発光素子を配置する工程と、前記実装基板の第二ランドパターンに接合部材を配置し、該接合部材上に、前記位置決め部材を配置する工程と、前記一以上の発光素子と、前記位置決め部材を、前記接合部材を溶融して実装する工程とを含む。
本発明の一実施形態に係る発光装置によれば、複数に分割された第二ランドパターンによって、位置決め部材を実装基板に固定する接合部材が分散される結果、接合部材の流動や偏りが抑制されて位置決め精度が向上される。
実施形態１に係る発光装置の分解斜視図である。 図１の発光装置の要部拡大図である。 実施形態２に係る発光装置の平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 図３のＶ－Ｖ線における断面図である。 図３の実装基板の平面図である。 図７Ａは実施形態３に係る発光装置の平面図、図７Ｂは図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線における断面図、図７ＣはＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ線における断面図である。 図８Ａは実施形態４に係る発光装置の平面図、図８Ｂは図８ＡのＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線における断面図、図８ＣはＶＩＩＩＣ－ＶＩＩＩＣ線における断面図である。 図９Ａは実施形態５に係る発光装置の平面図、図９Ｂは図９ＡのＩＸＢ－ＩＸＢ線における断面図、図９ＣはＩＸＣ－ＩＸＣ線における断面図である。 図１０Ａは実施形態６に係る発光装置の平面図、図１０Ｂは図１０ＡのＸＢ－ＸＢ線における断面図、図１０ＣはＸＣ－ＸＣ線における断面図である。 図１１Ａは実施形態７に係る発光装置の平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＸＩＢ－ＸＩＢ線における断面図、図１１ＣはＸＩＣ－ＸＩＣ線における断面図である。 図１２Ａは実施形態８に係る発光装置の平面図、図１２Ｂは図１２ＡのＸＩＩＢ－ＸＩＩＢ線における断面図、図１２ＣはＸＩＩＣ－ＸＩＩＣ線における断面図である。 実施形態９に係る発光装置の平面図である。 実施形態１０に係る発光装置の平面図である。 実施形態１１に係る発光装置の平面図である。 実施形態１に係る発光装置で位置決め部材を第二ランドパターンに固定する様子を示す分解斜視図である。 図１６の模式断面図である。 比較例１に係る発光装置で位置決め部材を第二ランドパターンに固定する様子を示す分解斜視図である。 図１８の第二ランドパターンを示す模式断面図である。 図１９の第二ランドパターンに位置決め部材を固定する理想状態を示す模式断面図である。 図１９の第二ランドパターンに位置決め部材が傾斜して固定された状態を示す模式断面図である。 図２２Ａ～図２２Ｊは実施例１～１０に係る発光装置の第二ランドパターンを、図２２Ｋは比較例１に係る発光装置の第二ランドパターンを、それぞれ示す平面図である。 実施形態１に係る発光装置の製造方法を示す工程図である。 比較例１及び実施例３に係る発光装置のリフロー工程による位置決め部材の位置精度を示すグラフである。 比較例１及び実施例３に係る発光装置の位置決め部材の高さ方向の精度を測定した結果示すグラフである。 リフロー工程の前後で位置決め部材の回転の有無を観察する写真である。 図２７Ａは比較例１に係る発光装置の位置決め部材のリフロー工程前、図２７Ｂはリフロー工程後、図２７Ｃは実施例３に係る発光装置の位置決め部材のリフロー工程前、図２７Ｄはリフロー工程後の、写真である。
本発明の実施形態は、以下の構成によって特定されてもよい。
前記光学素子は、前記位置決め部材と対応する位置決め受け部を備えていてもよい。
前記位置決め受け部は、前記位置決め部材を挿入する穴部であってもよい。
前記位置決め部材は、前記実装基板に固定される一面の外接円の直径よりも長く延長された柱状であってもよい。
前記位置決め部材は、円柱状、又は角柱状であってもよい。あるいは前記位置決め部材は、円錐状、又は角錐状であってもよい。
前記第二ランドパターンは、前記位置決め部材の一面の輪郭と対応する輪郭に形成されていてもよい。
前記溝部は、前記第二ランドパターンの輪郭の中心を通る位置で、該第二ランドパターンを分割していてもよい。
前記第二ランドパターンは、複数に分割された各領域が同じ面積となるように分割されていてもよい。
前記第二ランドパターンは、該第二ランドパターンの輪郭の中心に島状に分離された領域を含んでいてもよい。
前記第二ランドパターンは、点対称に分割されていてもよい。
前記第二ランドパターンは、３分割以上に分割されていてもよい。上記構成により、実装基板側に、マイクロレンズアレイ取り付け用の金属製の位置決めピンを、リフロー工程を用いて実装することが可能となる。
前記一以上の発光素子は、複数の発光素子であってもよい。
前記一以上の光学素子は、複数の光学素子を備えた光学素子集合体であってもよい。
前記光学素子集合体は、マイクロレンズを連結したマイクロレンズアレイであってもよい。
本発明の一実施形態に係る発光装置の製造方法において、前記位置決め部材は、金属製であってもよい。
また前記接合部材は、クリーム半田であってもよい。
前記一以上の発光素子と前記位置決め部材を、前記接合部材を溶融して実装する工程が、共通のリフローで行われてもよい。
以下、図面に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
［実施形態１］
実施形態１に係る発光装置の分解斜視図を図１に、図１の発光装置の要部拡大図を図２に、それぞれ示す。また実施形態２に係る発光装置の平面図を図３に、図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図を図４に、図３のＶ－Ｖ線における断面図を図５に、図３の実装基板の平面図を図６に、それぞれ示す。これらの図に示す発光装置は、一以上の発光素子１１を載置した実装基板１０と、一以上の光学素子２１で構成される。
（発光素子１１）
各発光素子１１は、出射光を出力する光軸を有している。このような発光素子１１には、ＬＥＤやＬＤ等の半導体発光素子が好適に利用できる。ＬＥＤは、発光部を備える半導体積層体（以下、単に「半導体積層体」ともいう）、あるいは半導体積層体の表面に波長変換層を１層又は複数層配置しているものが使用できる。半導体積層体は、発光特性を有し、このような半導体積層体は、液相成長法、ＨＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法により基体上にＺｎＳ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体層を複数層積層し、いずれかの半導体層に発光層を形成したものが用いられる。半導体層の材料やその混晶比の選択により、発光部の発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。特に、野外でも好適に利用することができる表示装置とするときには、高輝度発光可能な半導体積層体が求められる。そこで、緑色系及び青色系の高輝度に発光する発光部の材料として、窒化物半導体を選択することが好ましい。例えば、発光部の材料として、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）等が利用できる。また、このような半導体積層体と、その発光により励起されて、半導体積層体の発光波長と異なる波長を有する光を発する種々の蛍光体からなる波長変換層とを組み合わせたＬＥＤとすることもできる。複数の蛍光体を用いる場合、複数の蛍光体を１層内に配置してもよいし、複数層の各層に振り分けてもよい。赤色系に発光する半導体積層体の材料として、ＧａＡｌＡｓ系の半導体やＡｌＩｎＧａＰ系の半導体を選択することが好ましい。なお、カラー表示装置とするためには、赤色系の発光波長が６１０ｎｍから７００ｎｍ、緑色系の発光波長が４９５ｎｍから５６５ｎｍ、青色の発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍの半導体積層体を組み合わせることが好ましい。
（実装基板１０）
実装基板１０は、図１～図５に示すように一以上の発光素子１１を実装すると共に、上面に一以上の光学素子２１を、位置決め部材３０を介して位置決めした状態にて固定する。このため実装基板１０には、図６の平面図に示すように、発光素子１１を実装する第一ランドパターン１２と、位置決め部材３０を実装する第二ランドパターン１４を形成している。このような構成により、実装基板１０側に位置決め部材３０を、リフロー工程を用いて実装することが可能となる。このような実装基板１０としては、放熱性に優れた絶縁性の基板が好適に利用できる。例えばセラミック基板が利用でき、この例ではアルミナセラミック基板を利用している。また、ガラスエポキシ基板、窒化アルミ基板等も適宜利用できる。
第一ランドパターン１２は、ＬＥＤ等の発光素子１１毎に設けられ、各発光素子１１を実装し、機械的に固定すると共に電気接続を実現する。このため第一ランドパターン１２は、導電性の部材で構成され、駆動回路等と発光素子１１を電気的に接続するための導電経路の一部を構成する。各第一ランドパターン１２は、発光素子１１の電極の位置と対応させた形状に形成される。図６の例では、離間して設けられたＬＥＤの正負の電極に応じて、離間した矩形状に形成されている。
（光学素子集合体２０）
一以上の光学素子２１は、図３～図５に示すように、複数の光学素子２１の集合体として構成できる。以下、複数の光学素子２１を連結した部材を光学素子集合体２０と呼ぶ。光学素子集合体２０は、好ましくはその外形を、平面視において実装基板１０の外形に対応させる。図１の例では、長方形状の実装基板１０の一部を露出させた状態で、光学素子集合体２０を実装基板１０の輪郭に一致させるように重ね合わせている。また図４、図５に示すように、光学素子集合体２０の外周は、Ｌ字状に折曲されて、Ｌ字状に折曲された端縁を実装基板１０に接するようにして、実装基板１０上に配置される。
光学素子集合体２０は、複数の光学素子２１を結合した状態に一体的に形成される。このような光学素子集合体２０は、アクリル樹脂、ポリカーボネートやシリコーン樹脂などの透光性の樹脂で構成される。
各光学素子２１は、発光素子１１が発する光を外部に出射させるための部材である。光学素子２１は発光素子１１の出射光を屈折して拡散し、あるいは集光して所定の配光パターンで外部に放射する。各光学素子２１は、発光素子１１と光学的に結合して、発光素子１１の光を外部に出力するための光軸を有する。典型的には、光学素子２１は凸レンズや凹レンズ等のレンズである。また、微小なレンズであるマイクロレンズが利用できる。この場合、光学素子集合体２０は、複数のマイクロレンズを連結したマイクロレンズアレイが利用できる。
一の発光素子に対して、一の光学素子を対応させることが好ましい。複数の発光素子を用いる場合は、図１、図３～図５に示すように発光素子１１の光軸と、光学素子２１の光軸とを１：１で一致させる。ただ、複数の発光素子に対して、一の光学素子を対応させても良い。このような例を実施形態３に係る発光装置３００として、図７Ａ～図７Ｃに示す。この例では、４個の発光素子１１Ｃを格子状に配置し、その上部に一の光学素子２１Ｃを配置している。この例では一の光学素子２１Ｃで、光学素子集合体２０Ｃを構成している。あるいは光学素子に複数の光軸を持たせ、複数の光軸のいずれかを発光素子の光軸と一致させてもよい。
また発光素子を一個とし、光学素子を一個としてもよい。このような例を実施形態４に係る発光装置４００として、図８Ａ～図８Ｃに示す。この例では、平面視で発光素子１１Ｄの外形が含まれるように、光学素子２１Ｄが配置される。このように光学素子集合体２０Ｄは、光学素子２１Ｄが１個の場合も含む。
あるいは発光素子一個に対して、光学素子を複数個設けてもよい。このような例を実施形態５に係る発光装置５００として、図９Ａ～図９Ｃに示す。この例では、長方形状の大きな発光素子１１Ｅに対して、複数個の光学素子２１Ｅ、ここでは２行×７列の計１４個の光学素子２１Ｅを光学素子集合体２０Ｅに設けている。以上の通り、発光素子や光学素子の数や配置は、任意の形態が利用できる。
さらに、以上の例では光学素子として、ドーム状の凸レンズを用いた例を説明したが、上述の通り光学素子はこのような凸レンズに限らず、様々な形態のものを用いることができる。一例として、中央をドーム状とし、周辺をこれよりも突出した円錐状で囲むように形成したレンズを用いた発光装置６００を、実施形態６として図１０Ａ～図１０Ｃに示す。この光学素子２１Ｆは、断面視において中央の凸レンズの両側を突出した直角三角形状で挟んだ形状のＴＩＲレンズとしており、発光素子１１Ｆの出射光の範囲を絞る機能を有する。
また同様の形状の光学素子は、上述した実施形態４のような発光素子一個に対して光学素子一個の場合の他、複数の発光素子に対して一個の光学素子を対応させる態様や、複数の発光素子に対して複数の光学素子を対応させる態様にも適用できることは、いうまでもない。例えば図１１Ａ～図１１Ｃに示す実施形態７に係る発光装置７００は、２行×２列の計４個の発光素子１１Ｇを格子状に実装した実装基板１０上に、一個の光学素子２１Ｇを設けた光学素子集合体２０Ｇを配置している。また図１２Ａ～図１２Ｃに示す実施形態８に係る発光装置８００は、横並びに配置した３個の発光素子１１Ｈを実装した実装基板１０上に、３個の光学素子２１Ｈを設けた光学素子集合体２０Ｈを配置している。
（位置決め部材３０）
位置決め部材３０は、一以上の光学素子２１と一以上の発光素子１１の相対位置を規定するための部材である。図１の例では、光学素子２１と発光素子１１の光軸とを１：１で一致させるように、発光素子１１を実装した実装基板１０と、光学素子２１を設けた光学素子集合体２０とを、位置決め部材３０でもって位置決めする。
（位置決め受け部２２）
光学素子集合体２０は、位置決め部材３０を受ける位置決め受け部２２を備えている。位置決め受け部２２は、位置決め部材３０の形状や形態に応じて形成される。図２の例では、位置決め部材３０を、円柱状の位置決めピンとしている。これに応じて光学素子集合体２０に形成される位置決め受け部２２は、位置決めピンを挿入する穴部２２Ａとしている。このような構成により、位置決めピンを穴部２２Ａに挿入して、光学素子集合体２０を実装基板１０に対し位置決めしている。位置決め部材３０は、矩形状の実装基板１０の隅部に４箇所設けられ、また穴部２２Ａは、位置決め部材３０に対応して、光学素子集合体２０の四隅の近傍に設けられる。なお位置決め部材３０や穴部２２Ａの数は、４個に限らず、３個以下、あるいは５個以上としてもよい。
各位置決め部材３０は、実装基板１０に固定される一面の外接円の直径よりも長く延長された柱状とすることが好ましい。細長い形状とすることで、限られたスペースで位置決め機能を奏することが可能となる。また位置決め部材３０を、円柱状、角柱状、円錐状、又は角錐状とすることができる。
なお、一以上の光学素子２１と一以上の発光素子１１の相対位置を規定する位置決め部材３０と位置決め受け部２２は、上述した位置決めピンと、穴部の組み合わせに限られない。例えば、図１３に示す実施形態９に係る発光装置の例では、位置決め部材３０として位置決めピンを使用しつつ、位置決め受け部２２として、光学素子集合体２０の周囲に部分的に形成された窪み２２Ｉとしている。この構成では、位置決めピンを光学素子集合体２０の外形に応じて、光学素子集合体２０の側壁の一部と接する位置に固定している。また光学素子集合体２０は、その側壁の一部で、位置決めピンと対応する位置に、半円状の窪み２２Ｉを設けている。
また、光学素子集合体に、位置決め受け部を設けることなく、位置決め部材のみで位置決めを行うことも可能である。例えば図１４に示す実施形態１０に係る発光装置１０００の例では、位置決め部材３０として位置決めピンを、光学素子集合体２０の外周に沿って複数個設けている。このような構成であれば、光学素子集合体２０側に特定の形状の位置決め受け部を設けずとも、光学素子集合体２０の外縁に当接するように位置決め部材３０を配置することで、位置決めが実現される。この場合は、光学素子集合体２０の外縁の一部が、位置決め受け部の機能を果たしていると捉えることもできる。
さらに位置決め部材は、複数個設けることを要さず、一個のみで位置決めを行うこともできる。このような例を実施形態１１に係る発光装置１１００として、図１５に示す。この図に示す発光装置は、位置決め部材３０として、角柱３０Ｋを実装基板の一箇所に固定している。また位置決め受け部２２として、光学素子集合体２０の、角柱３０Ｋと対応する位置に、角柱３０Ｋの外形と相似形状となる角穴２２Ｋを形成している。このように位置決め部材３０の外形を、円柱状のピンのように、中心軸を回転軸とした回転方向の位置が定まらない形状でなく、角柱状のように、回転角度を規定可能な形状とすることで、一個の位置決め部材であっても位置決めが可能となる。なお、位置決め部材が１個の場合は、図１５において角柱３０Ｋと角穴２２Ｋとの間のクリアランスが大きいと、位置ずれが生じ得る。このため、位置決め部材と位置決め受け部との間のクリアランスを少なくすることが好ましい。また位置決め受け部２２を設ける位置は、光学素子集合体２０の隅部よりも内側に近い位置であることが好ましい。
さらに位置決め部材として螺子とナットや、タッピング螺子を利用することもできる。また位置決め部材を壁状とし、位置決め受け部として、光学素子集合体に設けたスリットに差し込む構成としてもよい。あるいは、位置決め部材を段差部状とし、位置決め受け部として光学素子集合体に形成した窪みに嵌合させる構成としてもよい。あるいはまた、光学素子集合体に位置決め受け部を設けない場合は、位置決め部材を、光学素子集合体の外縁に沿って当接させるＬ字状の位置決めガイドとして設けてもよい。
各位置決め部材３０は、図１７に示す接合部材４０を後述する半田等を用いて固定する場合に、アルミニウム、銅、鉄、ステンレス等の金属製とすることが好ましい。図１、図２の例では、位置決めピンを銅製とし、ニッケルの下地に金めっきを施している。
（接合部材４０）
位置決め部材３０は、その一面を実装基板１０の第二ランドパターン１４に固定される。第二ランドパターン１４は、銅箔等の金属膜で、第一ランドパターン１２と共に実装基板１０の実装面にパターニングされる。位置決め部材３０を第二ランドパターン１４に固定する接合部材４０は、第二ランドパターン１４や位置決め部材３０に対して濡れ性のよい材質、例えば半田等が利用できる。特に、リフローに適したクリーム半田が好ましい。
（第二ランドパターン１４）
第二ランドパターン１４は、図１６の分解斜視図及び図１７の模式断面図に示すように、溝部１５を隔てて複数に分割されている。溝部１５を設けた領域は、第二ランドパターン１４を構成する金属膜が存在せず、実装基板１０の表面が露出されている。このため、第二ランドパターン１４上に塗布される接合部材４０が、溝部１５の部分には存在しないことになる。このような構成により、複数に分割された第二ランドパターン１４によって、位置決め部材３０を実装基板１０に固定する半田等の接合部材４０が分散される結果、接合部材４０の流動や偏りが抑制されて位置決め精度が向上される。
マイクロレンズアレイ等の光学素子集合体を実装基板に位置決めするために、位置決めピンと穴部を利用する構成においては、図１８の分解斜視図及び図１９の模式断面図に示すように、実装基板９１０上に、円形の開口９１６を設けたレジストパターン９１３を形成し、レジストパターン９１３の開口９１６に離間させて、開口９１６よりも一回り小さい円形の第二ランドパターン９１４を形成し、位置決めピン９３０を半田９４０で固定することが考えられる。このような半田９４０を用いた固定は、ＬＥＤ等の発光素子を実装基板９１０に実装するのと同じプロセスで行うことで、製造工程の効率化が図られる。例えば半田ペーストに位置決めピン９３０を配置して、リフロー炉に流すことで半田９４０を溶融させるリフロープロセスが挙げられる。これにより、理想的には図２０の模式断面図に示すように実装基板９１０上に位置決めピン９３０を、半田９４０を介して垂直姿勢に固定できる。
しかしながら、実際の製造工程においては、第二ランドパターン９１４に塗布された半田９４０が流動して、厚さが不均一になることがある。特に第二ランドパターン９１４の片側に半田９４０が集中して盛り上がる結果、図２１の模式断面図に示すように、位置決めピン９３０が角度α、傾いた姿勢で固定される事態が生じ得ること、また半田９４０が溶融状態でドーム状になったときに、表面張力で位置決めピン９３０が偏ったまま固化されることで位置精度が悪くなることを、本発明者らは見出した。このように位置決めピン９３０が傾斜姿勢で固定されると、この位置決めピン９３０を挿入して連結される光学素子集合体が位置ずれした状態で固定されることになり、光学素子と発光素子との光軸のずれにより本来の光学設計通りの性能が発揮されない事態を生じ得る。特に、位置決めピン９３０が縦方向に長くなるほど、傾斜による位置ずれの影響が大きくなる。
そこで本実施形態においては、図１６に示すように第二ランドパターン１４を複数に分割する構成を採用している。このような構成とすることで、位置決め部材３０の軸方向への傾きが抑制されることが、本願発明者らの試験により確認された。その理由は、半田等の接合部材４０が個々に塗布される面積が小さくなることで、より均一に分散され易くなることや、図１７の模式断面図に示すように、位置決め部材３０で接合部材４０が押圧される際に、接合部材４０の余剰分が溝部１５に押し出されることで、接合部材４０が部分的に盛り上がる事態を抑制しているものと推測される。また、位置決め部材３０の水平方向への位置ずれや回転も抑制される。加えて、位置決め部材３０の高さ方向への変位も抑制される。
第二ランドパターン１４は、位置決め部材３０の一面の輪郭と対応する輪郭に形成することが好ましい。例えば位置決め部材３０の接合面３１が、図１６の分解斜視図で示すように円形の場合は、第二ランドパターン１４の外形の輪郭も円形状とする。また位置決め部材３０の接合面３１が多角形状の場合は、第二ランドパターン１４の外形の輪郭もこれに応じて多角形状とする。
また第二ランドパターン１４を複数に分割する溝部１５は、第二ランドパターン１４の輪郭の中心を通る位置に設けることが好ましい。これにより、第二ランドパターン１４を均一に分散し易くできる。
ここで第二ランドパターン１４の例を、図２２Ａ～図２２Ｋに示す。図２２Ａ～図２２Ｊは実施例１～１０に係る発光装置の第二ランドパターン１４を、図２２Ｋは比較例１に係る発光装置の第二ランドパターン９１４を、それぞれ示している。具体的に図２２Ａに示す実施例１に係る発光装置の第二ランドパターン１４Ａは２分割した例を、図２２Ｂ、図２２Ｄ、図２２Ｆに示す実施例２、４、６に係る発光装置の第二ランドパターン１４Ｂ、１４Ｄ、１４Ｆは３分割した例を、図２２Ｃ、図２２Ｅ、図２２Ｇに示す実施例３、５、７に係る発光装置の第二ランドパターン１４Ｃ、１４Ｅ、１４Ｇは４分割した例を、それぞれ示している。分割数を多くするほど、より均一に接合部材４０を分散できる。その一方で第二ランドパターン１４が複雑化する。好ましくは第二ランドパターン１４を３分割以上に分割する。
また第二ランドパターン１４を分割する溝部１５は、図２２Ａ～図２２Ｃに示すように、等幅のライン状に構成する他、幅を変化させてもよい。例えば図２２Ｄ～図２２Ｇに示す実施例４～７の第二ランドパターン１４では、第二ランドパターン１４の中心に向かって幅狭となる溝部１５でもって第二ランドパターン１４が分割されている。また分割された第二ランドパターン１４は、図２２Ｆ、図２２Ｇに示す実施例６、７のように隅部を面取りしてもよい。これにより溝部１５の幅が広がることで半田内部のボイドが減少する効果が得られる。また溝部が等幅の場合と比べて、分割後の第二ランドパターン１４が小さくなるので、半田の流動抑制効果が得られる。
さらに第二ランドパターン１４は、複数に分割された各分割領域が同じ面積となるように形成されることが好ましい。これにより、各第二ランドパターン１４の各分割領域に接合部材４０を均等に分割し易くできる。例えば第二ランドパターン１４を、点対称に分割することができる。
あるいは第二ランドパターン１４が、図２２Ｈ～図２２Ｊに示す実施例８～１０のように、その外形の輪郭の中心に島状に分離された分割中央領域１４ｂを含んでいてもよい。このように第二ランドパターン１４の中心に分割中央領域１４ｂを設けることで、より位置決め部材３０が安定的に実装基板１０に固定されると同時に接合強度の確保も可能となる。
また、分割中央領域１４ｂの周囲を囲むように同心円状に第二ランドパターン１４を分割させた分割同心円領域１４ｃを設けてもよい（上記図２２Ｈ～図２２Ｊ）。このような構成とすることで、位置決め部材３０の傾きをさらに抑制できる。
さらに溝部１５の幅を、部位によって異ならせてもよい。例えば図２２Ｈ～図２２Ｊに示す実施例８～１０では、分割中央領域１４ｂと、その周囲に形成された同心円状の分割同心円領域１４ｃとを隔てる第一溝部１５ａと、分割同心円領域１４ｃを複数の分割同心円細分領域１４ｄに分割する第二溝部１５ｂとで、溝幅のサイズを異ならせている。ここでは、第一溝部１５ａを、第二溝部１５ｂよりも幅広としている。溝幅を幅広とすることで、上述の通りボイドの減少や、分割後の第二ランドパターン１４を小さくすることによる半田の流動抑制効果が得られる。一方で溝幅を幅狭とすることで、相対的に第二ランドパターン１４を大きくして物理的な接合強度を向上することができる。さらにこのように幅広と幅狭の溝部をそれぞれ設けることで、両方の利点を享受することもできる。
（レジストパターン１３）
実装基板１０の表面は、レジストパターン１３で被覆される。レジストパターン１３に被覆されない領域に、第一ランドパターン１２や第二ランドパターン１４を設ける。レジストパターン１３は、半田等の接合部材４０を弾く部材で構成される。例えばレジストパターン１３として、光反射性のソルダーレジスト等の絶縁性の材料を利用できる。
［発光装置の製造方法］
以上の発光装置の製造方法は、図２３に示すように、以下の工程を含むことができる。
まずステップＳ２３０１において、実装基板１０を準備する。実装基板１０の上面には、第一ランドパターン１２と第二ランドパターン１４が形成される。第一ランドパターン１２は、一以上の発光素子１１を実装するためのパターンである。また第二ランドパターン１４は、位置決め部材３０の一面を固定するためのパターンであり、溝部１５を隔てて複数に分割されている。
次にステップＳ２３０２において、これら第一ランドパターン１２と第二ランドパターン１４に、接合部材４０を配置する。接合部材４０としては半田が利用できる。半田は、第一ランドパターン１２と第二ランドパターン１４上に印刷で設けることができる。半田の印刷は、例えば実装基板１０の表面に半田ペーストを塗布する。半田ペーストは、実装基板の全面に塗布することなく、発光素子１１を固定する第一ランドパターン１２の領域と、位置決め部材３０を配置する第二ランドパターン１４の領域に塗布する。この工程において、半田ペーストの塗布量で接合部材４０の高さを調整できる。
次にステップＳ２３０３において、発光素子１１と位置決め部材３０を配置する。具体的には、実装基板１０の第一ランドパターン１２に配置された接合部材４０上に、一以上の発光素子１１をマウントし、接合部材４０に発光素子１１の電極を接合して、発光素子１１を仮止めする。一方で、実装基板１０の第二ランドパターン１４に配置された接合部材４０上に、位置決め部材３０を配置する。
さらにステップＳ２３０４において、一以上の発光素子１１と、位置決め部材３０を、接合部材４０を溶融して実装する。ここでは、発光素子１１を接合している半田ペーストを加熱して溶融して、発光素子１１を実装基板１０の定位置に半田付けすると共に、第二ランドパターン１４に塗布された半田ペーストを溶融し、硬化させて位置決め部材３０を固定するこの工程は、共通のリフローで行うことができる。これにより、実装基板１０に位置決め部材３０を固定する工程を別途設けることなく、既存のリフロー工程でまとめて処理することが可能となり、製造工程を増やすことなく位置決め部材３０を固定できる。
このようにして、複数に分割された第二ランドパターン１４によって、位置決め部材３０を実装基板１０に固定する接合部材４０が分散される結果、接合部材４０の流動や偏りが抑制されて位置決め精度が向上される。
［比較試験１：水平方向及び軸方向］
以上の実施例３に係る発光装置の第二ランドパターン１４を用いた発光装置と、比較例１に係る発光装置を試作し、位置決め部材３０の変位の抑制効果を確認した結果を、図２４のグラフに示す。ここでは、位置決め部材３０として位置決めピンをリフローで固定するに際して、リフロー工程の前後で位置決めピンのＸ方向、Ｙ方向への移動量を測定し、プロットしている。この移動量は、位置決めピンの水平方向への移動と、軸方向の傾きによる位置ずれが合算された結果を示していると捉えられる。なおリフローは、使用した半田の推奨条件で行った。また位置決めピンの変位量の測定は、ＴＲＩ製ＴＲ７５００ＬＳＩＩＩを用いて行った。ここでは比較例１、実施例３のサンプルをそれぞれ９個作成し、各サンプルにつき位置決めピンのＸ方向、Ｙ方向への移動量を図２４のようにグラフ上にプロットした。またＸ方向、Ｙ方向への移動量の最大値と平均値をそれぞれ演算したところ、以下の表１の結果となった。表１において、
ΔＸ＝［リフロー工程後のピン位置のＸ座標］－［リフロー工程前のピン位置のＸ座標］
ΔＹ＝［リフロー工程後のピン位置のＹ座標］－［リフロー工程前のピン位置のＹ座標］
ＭＡＸ：最大移動量｜ΔＸ｜の最大値ｏｒ｜ΔＹ｜の最大値
ＡＶＥ：平均移動量｜ΔＸ｜の平均値ｏｒ｜ΔＹ｜の平均値
を、それぞれ示している。
Figure 2023086322000002
図２４及び表１に示すように、比較例１では位置決めピンの変位量が大きいのに対し、実施例３ではＸ方向、Ｙ方向とも変位量を抑えることができ、位置決め部材３０の変位量の抑制効果が確認された。
［比較試験２：高さ方向］
また、位置決めピンの高さ方向の変動を、同様に測定した結果を、図２５及び表２に示す。ここでも、上述した比較試験１と同様、比較例１と実施例３のサンプルをそれぞれ９個作成し、各サンプルの高さ方向の変位量を測定し、図２５のようにグラフ上に示すと共に、各サンプルの高さ方向の変位量と、その最大値、平均値、最小値、３σをそれぞれ算出し、表２に示した。測定には、ＴＲＩ製ＴＲ７５００ＬＳＩＩＩを用いた。表２において、
Ｚ：実装後のピン高さ（基準高さ：レジストの上面）
ＭＡＸ：最大値
ＡＶＥ：平均値
ＭＩＮ：最小値
３σ ：標準偏差×３
を示している。また比較試験２において、設計値は、
設計値＝ピン単体＋銅箔－レジスト＋はんだ＝２．６０［ｍｍ］
とした。なお、位置決めピン、銅箔、レジストにはそれぞれ公差があり、また接合部材４０である半田の塗布量にもばらつき等がある。
Figure 2023086322000003
図２５及び表２に示すように、比較例１では分散が大きく、平均値も高めなのに対し、実施例３では分散が半分以下に抑えられ、平均値も減少し、位置決め部材３０の高さ方向の変動も抑制できることが確認された。これは、第二ランドパターン１４を分割したことで、図１７で示したように、余分な半田が溝部１５の領域に移動し、半田内のボイドも軽減され、位置決め部材３０の高さが安定したものと推測される。
［比較試験３：回転方向］
さらに、位置決めピンの回転方向の変動についても測定した。特に位置決め部材３０が図１６に示した円柱状のような、中心軸を回転軸として回転しても輪郭が変化しないものでなく、角柱状や角錐状のように、回転によって輪郭に変化が生じる場合には、位置決め部材３０が回転する結果、所期の姿勢に光学素子集合体２０を固定できなくなることから、回転の抑制が重要となる。
そこで比較試験３として、比較例１、実施例３に係る発光装置をそれぞれ作成し、位置決め部材３０の回転角度を測定することで、回転抑制効果の有無を確認した。比較試験３では、リフロー前後の画像を取得した。ここでは図２６に示すように、円柱状の位置決めピンの平面写真をリフロー工程の前後で撮像し、反時計回りを＋方向、時計回りを－方向として、回転角度θを、Ｎｉｋｏｎ社製ＶＭＺ－Ｒ６５５５で撮像した画像を基に測定した。また回転角度θは、撮像した画像中で、リフロー工程の前後で変化の無い、実装基板１０の第二ランドパターン１４である銅箔を基準に測定した。ここで、比較例１、実施例３について、リフロー工程前後の位置決め部材３０を撮像した写真を、図２７Ａ～図２７Ｄに示す。これらの図において、図２７Ａは比較例１に係る発光装置の位置決め部材３０のリフロー工程前の写真、図２７Ｂはリフロー工程後の写真、図２７Ｃは実施例３に係る発光装置の位置決め部材３０のリフロー前の写真、図２７Ｄはリフロー工程後の写真を、それぞれ示している。
そしてリフロー工程後の画像を透過させる形で、２枚の画像を重ね、事前に付けた印を参考にリフロー工程後の画像を回転させる。その上で、リフロー工程後の画像を何度回転させたかを確認し、これを回転角度θとした。なお比較試験３では、比較例１について６個のサンプル、実施例３について９個のサンプルについて、回転角度θを測定した。各サンプルの回転角度と、最大値、平均値を、表３に示す。表３において、θはリフロー工程前を０°としてリフロー工程後の回転角度を示している。またＭＡＸは｜θ｜の最大値を、ＡＶＥは｜θ｜の平均値を、それぞれ示している。
Figure 2023086322000004
表３に示すとおり、比較例１では、いずれのサンプルでも回転の発生が確認された。最大では４２°もの回転が発生していることが確認された。その一方で、実施例３では回転の発生が認められなかった。以上から、第二ランドパターン１４を分割することで、リフロー工程で溶融された半田の移動が抑制され、リフロー工程の前後で位置決め部材３０の回転が抑制されることが確認された。
本発明の発光装置及びその製造方法は、ＬＥＤの出射光を光学素子で屈折して拡散し、あるいは集光して所定の配光パターンで外部に放射する発光装置として、例えば中型や大型のＦＰＤ露光装置の光源、工場の照明灯や街路灯、車両のヘッドライト等に好適に使用できる。
１００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００…発光装置
１０…実装基板
１１、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ…発光素子
１２…第一ランドパターン
１３…レジストパターン
１４…第二ランドパターン；１４ｂ…分割中央領域；
１４ｃ…分割同心円領域；１４ｄ…分割同心円細分領域
１５…溝部；１５ａ…第一溝部；１５ｂ…第二溝部
２０、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ…光学素子集合体
２１、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ、２１Ｇ、２１Ｈ…光学素子
２２…位置決め受け部；２２Ａ…穴部；２２Ｉ…窪み；２２Ｋ…角穴
３０…位置決め部材；３０Ｋ…角柱
３１…接合面
４０…接合部材
９１３…レジストパターン
９１４…第二ランドパターン
９１６…開口
９３０…位置決めピン
９４０…半田

Claims (17)

  1. 光軸を有する一以上の発光素子と、
    前記一以上の発光素子を、第一ランドパターン上に載置した実装基板と、
    前記一以上の発光素子が発する光を外部に出射させるための、光軸を有する一以上の光学素子と、
    前記一以上の光学素子の光軸と、前記一以上の発光素子の光軸とを一致させるように、前記一以上の光学素子と前記一以上の発光素子の相対位置を規定するための金属製の位置決め部材と、
    前記実装基板上に形成された、前記位置決め部材の一面を固定するための第二ランドパターンと、
    前記第二ランドパターンと、前記位置決め部材とを固定する接合部材と、
    を備える発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、溝部を隔てて複数に分割されてなる発光装置。
  2. 請求項１に記載の発光装置であって、
    前記光学素子が、前記位置決め部材と対応する位置決め受け部を備えてなる発光装置。
  3. 請求項２に記載の発光装置であって、
    前記位置決め受け部が、前記位置決め部材を挿入する穴部である発光装置。
  4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記位置決め部材が、前記実装基板に固定される一面の外接円の直径よりも長く延長された柱状である発光装置。
  5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記位置決め部材が、円柱状、又は角柱状である発光装置。
  6. 請求項１～４のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記位置決め部材が、円錐状、又は角錐状である発光装置。
  7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、前記位置決め部材の一面の輪郭と対応する輪郭に形成されてなる発光装置。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記溝部が、前記第二ランドパターンの輪郭の中心を通る位置で、該第二ランドパターンを分割してなる発光装置。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、複数に分割された各領域が同じ面積となるように分割されてなる発光装置。
  10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、該第二ランドパターンの輪郭の中心に島状に分離された領域を含んでなる発光装置。
  11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、点対称に分割されてなる発光装置。
  12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記第二ランドパターンが、３分割以上に分割されてなる発光装置。
  13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の発光装置であって、
    前記一以上の発光素子が、複数の発光素子であり、
    前記一以上の光学素子が、複数の光学素子を備えた光学素子集合体である発光装置。
  14. 請求項１３に記載の発光装置であって、
    前記光学素子集合体が、マイクロレンズを連結したマイクロレンズアレイである発光装置。
  15. 光軸を有する一以上の発光素子と、
    前記一以上の発光素子を載置した実装基板と、
    前記一以上の発光素子が発する光を外部に出射させるための、光軸を有する一以上の光学素子と、
    前記一以上の光学素子の光軸と、前記一以上の発光素子の光軸とを一致させるように、前記一以上の光学素子と前記一以上の発光素子の相対位置を規定するための金属製の位置決め部材と、
    を備える発光装置の製造方法であって、
    前記実装基板の上面に、
    前記一以上の発光素子を実装するための第一ランドパターンと、
    前記位置決め部材の一面を固定するための、溝部を隔てて複数に分割された第二ランドパターンを形成する工程と、
    前記実装基板の第一ランドパターンに接合部材を配置し、該接合部材上に前記一以上の発光素子を配置する工程と、
    前記実装基板の第二ランドパターンに接合部材を配置し、該接合部材上に、前記位置決め部材を配置する工程と、
    前記一以上の発光素子と、前記位置決め部材を、前記接合部材を溶融して実装する工程と、
    を含む発光装置の製造方法。
  16. 請求項１５に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記位置決め部材が、金属製である発光装置の製造方法。
  17. 請求項１５又は１６に記載の発光装置の製造方法であって、
    前記接合部材が、クリーム半田であり、
    前記一以上の発光素子と前記位置決め部材を、前記接合部材を溶融して実装する工程が、共通のリフローで行われてなる発光装置の製造方法。
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