JP3246494B2 - 半導体発光モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、小型・薄型且つ高
出力の半導体発光モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複数の半導体発光装置又は半導体発光素
子が単一の外囲体に組み込まれて成る半導体発光装置を
構成する所謂半導体発光モジュールは公知である。図２
０に示す従来の半導体発光モジュールは、プリント基板
（1）と、プリント基板（1）に実装された複数個の発光
ダイオード（2）と、発光ダイオード（2）を包囲してプ
リント基板（1）に取り付けられた外囲体（3）から成
り、複数個の発光ダイオード（2）をそれぞれの配光方
向を揃えて一体に形成される。発光ダイオード（2）
は、外部リード（4）と、外部リード（4）の端部に固定
されたレンズ（5）とを有する。図示しないが、外部リ
ード（4）はヘッダ（皿状支持電極体）を備え、レンズ
（5）は外部リード（4）のヘッダに固着された発光ダイ
オード素子を封止する。また、道路交通を円滑にして安
全性を向上するために、カーナビゲーションシステムに
通信機能を付加して車両に対しリアルタイムで交通情報
を送受信するＶＩＣＳ（Vehicle Information Communic
ation System）が提案され、平成８年４月より一部の地
域で運用が開始されている。図１９に示すように、ＶＩ
ＣＳでは走行中の車両に設置されたカーナビゲーション
システムを含む車載機と道路脇に設置された地上機との
間で双方向光通信が行われ、ＶＩＣＳの通信媒体である
光ビーコンの光源には半導体発光モジュールとして集合
ランプ形の赤外発光ダイオードモジュールが使用され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光通信を目
的として自動車に搭載される半導体発光モジュールにお
いては、特にモジュールが小面積（小型）であり且つ薄
型であることが要求される。ここで、図２０の半導体発
光モジュールでは、外部リード（4）を備え且つ個別に
完成した樹脂封止型の発光ダイオード（2）を回路基板
（1）に配置した構成となっており、レンズ（5）の横幅
Ｌ及び高さＨが比較的大きいため、このような要求を満
足することができない。そこで、本発明は、光通信用等
の光源として最適で、小型・薄型且つ高出力化が可能な
半導体発光モジュールを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
モジュールは、回路基板（11）と、回路基板（11）に固
着された複数の半導体発光装置（12）と、回路基板（1
1）に取り付けられ且つ複数の半導体発光装置（12）か
ら照射される光の散乱を抑制するアウタレンズ（15）と
を備え、半導体発光装置（12）の各々は、発光素子基板
（22）と、発光素子基板（22）に設けられた発光素子配
線導体（25、26）と、発光素子基板（22）の一方の主面
（22a）に固着された半導体発光素子（23）と、光透過
性樹脂から成る角錐台形状の発光素子レンズ（24）とを
備えるチップ型発光ダイオード（12）により構成され
る。アウタレンズ（15）は透光性材料により板状に形成
されたレンズ本体（15c）と、レンズ本体（15c）に一体
に形成され且つレンズ本体（15c）の一方の主面（15a）
から突出する外面を有する複数のレンズ部（33）と、レ
ンズ本体（15c）の他方の主面（15b）から突出し且つ回
路基板（11）に装着される脚部（15d）とを備えてい
る。また、発光素子レンズ（24）は、発光素子配線導体
（25、26）上に形成された一対の第１の側面（24a）
と、一対の第１の側面（24a）に跨って形成された一対
の第２の側面（24b）を備えている。本発明では、発光
素子レンズ（24）の第１の側面（24a）は、回路基板（1
1）の一方の主面（11a）に対して発光素子レンズ（24）
の第２の側面（24b）よりも小さな角度で傾斜し、発光
素子レンズ（24）はアウタレンズ（15）のレンズ部（3
3）と整列して配置され、発光素子レンズ（24）の第１
の側面（24a）を介して光が通過するアウタレンズ（1
5）のレンズ部（33）の部分は曲率が大きく、発光素子
レンズ（24）の第２の側面（24b）を介して光が通過す
るアウタレンズ（15）のレンズ部（33）の部分は曲率が
小さい。本発明による半導体発光モジュールは、外部リ
ードを必要としない角錐台形状の発光素子レンズ（24）
を備えるチップ型発光ダイオード（12）を用いるため、
モジュール全体の小型化・薄型化が可能となる。また、
発光素子レンズ（24）の比較的小さな角度で傾斜する第
１の側面（24a）を介して光が通過するアウタレンズ（1
5）のレンズ部（33）の部分の曲率を大きく、発光素子
レンズ（24）の比較的大きな角度の第２の側面（24b）
を介して光が通過するアウタレンズ（15）のレンズ部
（33）の部分の曲率を小さく形成するので、発光素子レ
ンズ（24）の第１の側面（24a）及びアウタレンズ（1
5）を介して導出される光を上方に有効に導き、発光効
率を増大し、光指向性を高めることができる。

【０００５】本発明の実施の形態では、レンズ部（33）
は非球面のほぼ半エッグ表面を有し、短軸（33a）及び
長軸（33b）に沿う半径の大きさ比が２：２.１〜２：５
の範囲である。レンズ本体（15c）の他方の主面（15b）
に反射壁（13）を形成してもよい。アウタレンズ（15）
の一部から成る反射壁（13）をチップ型発光ダイオード
（12）の側面に配置することにより、チップ型発光ダイ
オード（12）の発光素子レンズ（24）から側方に放射さ
れた光を反射壁（13）で上方に反射させ、アウタレンズ
（15）を介して外部に取り出せるので、さらに発光効率
の増大を図ることができる。また、脚部（15d）の先端
に爪部（15e）を形成し、回路基板（11）に形成された
開口部（61）に挿入し且つ開口部（61）の周壁（62）に
係止してもよい。これによりアウタレンズ（15）を回路
基板（11）にはめ込み取付できるので、組立の容易なモ
ジュールを実現できる。更に、脚部（15d）の間に形成
された突起（15f）を回路基板（11）の孔部（63）に装
着し、レンズ本体（15c）を正確な位置に保持すること
ができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、発光ダイオードモジュール
に適用した本発明による半導体発光モジュールの実施の
形態を図１〜図１８について説明する。図１に示す発光
ダイオードモジュールは、回路基板（11）、半導体発光
装置としてのチップ型発光ダイオード（表面実装型発光
ダイオード）（12）及び反射壁（13）が一体に形成され
たアウタレンズ（15）から構成される。回路基板（11）
は例えばエポキシ樹脂等から成る。図２に示すように、
回路基板（11）の一方の主面（11a）には複数本の帯状
の接続用配線導体（16）と電極端子（17）とが形成さ
れ、両者は連絡配線導体（17a）で電気的に接続され
る。また、図３に示すように、回路基板（11）の他方の
主面（11b）にも接続用配線導体（18）が形成される。
一方の主面（11a）側に形成された接続用配線導体（1
6）は、回路基板（11）の一方の側面（11c）から他方の
側面（11d）の方向に向かう第１の方向に延伸し、延伸
方向の途中に複数の間欠領域（19）が設けられる。

【０００７】チップ型発光ダイオード（12）は、図５に
示すように、発光素子基板（22）と、この一方の主面
（22a）に固着された半導体発光素子としての発光ダイ
オード素子（23）と、光透過性樹脂から成る角錐台形状
の発光素子レンズ（24）とを備える。発光素子基板（2
2）の一方の主面（22a）には互いに離間した２つの発光
素子配線導体（25、26）が形成され、一方の配線導体
（25）の主面には発光ダイオード素子（23）の裏面に形
成された電極が固着される。他方の配線導体（26）には
リード細線（27）を介して発光ダイオード素子（23）の
上面に形成された電極が電気的に接続される。図６に示
すように、発光素子基板（22）の長手方向の両端には切
り欠き部（28、29）が形成される。発光素子配線導体
（25、26）の一方端はそれぞれ切り欠き部（28）及び
（29）を通じて発光素子基板（22）の他方の主面まで延
伸する。発光素子基板（22）の他方の主面には互いに離
間した２つの接続電極（30、31）が形成され、それぞれ
一方又は他方の発光素子配線導体（25、26）の一方端に
繋がっている。発光素子レンズ（24）は周知のトランス
ファモールドで形成され、発光ダイオード素子（23）及
びリード細線（27）を封止する。図１及び図４に示すよ
うに、アウタレンズ（15）の反射壁（13）に対向しない
発光素子レンズ（24）の第１の側面（24a）は回路基板
（11）の一方の主面（11a）に対して第１の角度で傾斜
し、反射壁（13）に対向する発光素子レンズ（24）の第
２の側面（24b）は、回路基板（11）の一方の主面（11
a）に対して第１の角度よりも大きい第２の角度で傾斜
する。

【０００８】発光素子レンズ（24）のアウタレンズ（1
5）側の主面（以下、発光素子レンズの上面という）に
はインナレンズ（24d）が形成される。即ち、発光素子
レンズ（24）の上面の外縁に沿って平坦部（24e）が形
成され、平坦部（24e）の内側に環状の溝部（24f）が形
成され、溝部（24f）の内側にその底部から半球状に突
出する球面状のインナレンズ（24d）が設けられる。イ
ンナレンズ（24d）の頂部は平坦部（24e）とほぼ同一の
平面上に位置する。また、溝部（24f）は平坦部（24e）
の内縁からインナレンズ（24d）の底部へ傾斜する環状
の傾斜面（24g）を有する。傾斜面（24g）はインナレン
ズ（24d）の側部と対向する。平坦部（24e）は、チップ
型発光ダイオード（12）を回路基板（11）の一方の主面
（11a）上に実装する際に、吸着治具がチップ型発光ダ
イオード（12）を吸着するための面として作用する。ま
た、傾斜面（24g）を設けることにより、チップ型発光
ダイオード（12）の製造工程において、トランスファモ
ールド法等によって発光素子レンズ（24）を金型成形し
た後、発光素子レンズ（24）を金型から容易に離脱でき
る。さらに、発光素子（23）から放射されてインナレン
ズ（24d）の側部を通過する光の一部は、図５に示すよ
うに傾斜面（24g）において反射された結果、上方、即
ちアウタレンズ（15）側に光路Ａを変えるので、半導体
発光モジュールの高輝度化を図ることができる。

【０００９】図１及び図２に示すように、チップ型発光
ダイオード（12）は、回路基板（11）上の接続用配線導
体（16）に対してその間欠領域（19）を架橋するように
固着される。即ち、チップ型発光ダイオード（12）の一
方の接続電極（30）と他方の接続電極（31）は、それぞ
れ間欠領域（19）の一方の側の接続用配線導体（16）と
他方の側の接続用配線導体（16）に固着される。図１の
発光ダイオードモジュールでは、１本の接続用配線導体
（16）に間欠領域（19）に対応してそれぞれ４個のチッ
プ型発光ダイオードが固着されて互いに直列に電気的に
接続され、４本の接続用配線導体（16）に合計１６個の
チップ型発光ダイオード（12）が配設されている。この
実施形態では、外部リードを必要としないチップ型発光
ダイオード（12）を用いるためモジュール全体の小型化
・薄型化が可能となる。また、チップ型発光ダイオード
（12）にインナレンズ（24d）を形成することにより、
インナレンズ（24d）とアウタレンズ（15）との組み合
わせによって、適正な光指向性が実現されると共に、光
出力の増大が達成される。発光素子レンズ（24）の第２
の側面（24b）から導出された光はアウタレンズ（15）
の反射壁（13）によってレンズ部（33）側に向きを変え
られるので、発光ダイオード素子（23）から放出された
光を有効にモジュールの外部に導出できる点においても
光出力の増大を図ることができる。

【００１０】本発明による半導体発光モジュールのアウ
タレンズ（15）は、複数の半導体発光装置（12）を固着
した回路基板（11）に取り付けられ且つ複数の半導体発
光装置（12）から照射される光の散乱を抑制する。アウ
タレンズ（15）は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネ
ート若しくはアクリル・グリコール・カーボネート樹脂
（ＣＲ３９）等の樹脂又はガラス等の透光性材料により
板状に形成されたレンズ本体（15c）を備えている。図
４に示すように、アウタレンズ（15）の他方の主面（15
b）は平面であり、さらに反射壁（13）が一体に形成さ
れる。図７及び図８に示すように、レンズ本体（15c）
の一方の主面（15a）から突出する複数のレンズ部（3
3）がレンズ本体（15c）に一体に形成される。レンズ部
（33）の個数は発光ダイオード（12）の数と対応するの
が好ましく、本実施形態ではチップ型発光ダイオード
（12）の個数と等しい１６個のレンズ部（33）が設けら
れる。レンズ部（33）は、図１に示すように、発光素子
レンズ（24）の第１の側面（24a）を介して光が通過す
る部分は曲率が大きく、図４に示すように、発光素子レ
ンズ（24）の第２の側面（24b）を介して光が通過する
部分は曲率が小さく形成される。レンズ部（33）は、平
面的に見て、図２に示す第１の方向に長く、これに直交
する第２の方向に短く形成されている。第２の方向に長
手に形成すると、反射壁（13）で上方に偏位されにくい
発光素子レンズ（24）の第１の側面（24a）を介して導
出される光を上方に導く効果が損なわれるからである。
詳細には、図１２〜図１６に示すように、レンズ部（3
3）は非球面のほぼ半エッグ表面を有し、短軸（33a）及
び長軸（33b）に沿う半径の大きさ比が２：２.１〜２：
５の範囲である。レンズ部（33）の曲率は図１７のグラ
フに示す設計値に基づいて決定することができる。例え
ば、レンズ部（33）の断面は、長軸（33b）方向が曲率
２.９mm、短軸（33a）方向が曲率１.９mmである。各レ
ンズ部（33）の接続面は、長軸（33b）−短軸（33a）に
対し４.５mm×３.０mmまでサイドカットした状態で連続
して繋がっている。レンズ本体（15c）の最小肉厚は０.
５mmである。一般公差は±０.１で、アウタレンズ（1
5）の一方の主面（15a）及び他方の主面（15b）は鏡面
仕上げ（５Ｓレベル）である。

【００１１】本発明による半導体発光モジュールのアウ
タレンズ（15）では、レンズ本体（15c）の他方の主面
（15b）から突出し且つ回路基板（11）に装着される脚
部（15d）が形成される。図７〜図１１に示すように、
この実施形態では、脚部（15d）はレンズ本体（15c）の
両側に各２本、合計４本設けられる。脚部（15d）の先
端には爪部（15e）が形成され、爪部（15e）は回路基板
（11）に形成された開口部（61）に挿入され且つ開口部
（61）の周壁（62）に係止される。脚部（15d）の先端
に形成された爪部（15e）を回路基板（11）に形成され
た開口部（61）に挿入することにより、スナップ作用を
利用してワンタッチでアウタレンズ（15）を回路基板
（11）に取り付けることができる。また、図１及び図８
に示すように、レンズ本体（15c）の片側の脚部（15d）
は湾曲形状に形成される。アウタレンズ（15）の取り付
けに際しては、まず直線形状の脚部（15d）を回路基板
（11）の一方の開口部（61）に挿入して爪部（15e）を
開口部（61）の周壁（62）に係止させ、この係止部分を
支点として弧を描く要領で湾曲形状の脚部（15d）を他
方の開口部（61）に挿入するため、脚部（15d）に過剰
な応力を加えることなく容易にアウタレンズ（15）を回
路基板（11）に取り付けることができる。回路基板（1
1）の開口部（61）は両側に各２箇所、左右対称に形成
され、レンズ本体（15c）を１８０度回転した状態でも
回路基板（11）の開口部（61）に装着できる。さらに、
脚部（15d）の間に脚部（15d）と同一の向きに突出する
突起（15f）が設けられ、突起（15f）は回路基板（11）
の孔部（63）に装着され、レンズ本体（15c）を正確な
位置に保持する。従って、回路基板（11）の開口部（6
1）をアウタレンズ（15）の脚部（15d）よりも大きく形
成できるため、脚部（15d）を開口部（61）へ無理なく
容易に挿入できる。

【００１２】本実施形態のアウタレンズ（15）は、レン
ズ本体（15c）の他方の主面（15b）から突出する脚部
（15d）を回路基板（11）に装着できるため、外囲体が
不要で取り付け容易であり且つ半導体発光モジュールの
小型化・薄型化が可能となる。レンズ部（33）は非球面
のほぼ半エッグ表面を有し、短軸（33a）及び長軸（33
b）に沿う半径の大きさ比が２：２.１〜２：５の範囲で
あるため、正面光出力を大きく損なわずに且つ地上機の
矩形の通信エリアに要求された横長の指向特性を得るこ
とができる。また、レンズ本体（15c）の他方の主面（1
5b）に反射壁（13）を形成することにより発光効率の増
大が可能となる。

【００１３】本発明の実施形態による作用効果を列挙す
れば、次の通りである （1） 外部リードを必要としないチップ型発光ダイオ
ードを用いるため、モジュール全体の小型化・薄型化が
可能となる。 （2） アウタレンズが取り付けられているので、チッ
プ型発光ダイオードから放射された光を外部に良好に取
り出すことができ、発光効率及び光指向性を高めること
ができる。 （3） アウタレンズは回路基板にはめ込み取り付けで
きるので、組立が容易なモジュールを実現できる。 （4） アウタレンズの一部から成る反射壁がチップ型
発光ダイオードの側面に配されるので、チップ型発光ダ
イオードの発光素子レンズから側方に放射された光をこ
の反射壁で上方に反射させ、アウタレンズから外部に取
り出せるので、この点でも発光効率の増大に有利であ
る。 （5） アウタレンズは回路基板へはめ込みによって取
り付けられ、且つアウタレンズの一部が反射壁を兼ねる
ので、取り付けが容易である。 （6） チップ型発光ダイオードの側面に配される反射
壁を有するので、発光効率の増大が図ることができる。

【００１４】

【実施例】回路基板（11）の一方の主面（11a）に図１
８の点線Ａ部分に相当する発光回路部を形成し、他方の
主面（11b）に図１８の点線Ｂ部分に相当するスイッチ
ング回路等の部分を形成する形態とすることにより、更
に小型化・高集積化が達成できる。図１８において、
（41）はＦＥＴ、（42）はトランジスタ、（43）はツェ
ナダイオード、（44）はコンデンサ、（45）は電解コン
デンサ、（46）はダイオード、（47）〜（49）は抵抗を
示す。

【００１５】

【発明の効果】前記の通り、本発明によれば、小型且つ
高輝度で、加えて最適な光指向性及び光出力の増大が達
成できる半導体発光モジュールが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による半導体発光モジュールの断面図

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図

【図３】 図１の底面図

【図４】 図２のＢ−Ｂ線断面図

【図５】 図１の半導体発光モジュールに適用される半
導体発光装置の断面図

【図６】 図５の平面図

【図７】 アウタレンズの平面図

【図８】 アウタレンズの正面図

【図９】 アウタレンズの底面図

【図１０】 アウタレンズの側面図

【図１１】 図８のＣ−Ｃ線断面図

【図１２】 図７の部分拡大図

【図１３】 図１２のＤ−Ｄ線断面図

【図１４】 図１２のＥ−Ｅ線断面図

【図１５】 図１２のＦ−Ｆ線断面図

【図１６】 図１２のＧ−Ｇ線断面図

【図１７】 レンズ部の曲率の設計値を示すグラフ

【図１８】 本発明の実施例を示す回路図

【図１９】 ＶＩＣＳにおける双方向光通信を示す概念
図

【図２０】 従来の半導体発光モジュールの断面図

【符号の説明】

（11）・・回路基板、 （12）・・発光ダイオード（半
導体発光装置）、 （13）・・反射壁、 （15）・・ア
ウタレンズ、 （15a）・・一方の主面、 （15b）・・
他方の主面、 （15c）・・レンズ本体、 （15d）・・
脚部、 （15e）・・爪部、 （15f）・・突起、 （3
3）・・レンズ部、 （33a）・・短軸、（33b）・・長
軸、 （61）・・開口部、 （62）・・周壁、 （63）
・・孔部、

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−231117（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104488（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−148972（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−103802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−181002（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−7160（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−92504（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−38268（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 G02B 3/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板と、該回路基板に固着された複
   数の半導体発光装置と、前記回路基板に取り付けられ且
   つ前記複数の半導体発光装置から照射される光の散乱を
   抑制するアウタレンズとを備え、 前記半導体発光装置の各々は、発光素子基板と、該発光
   素子基板に設けられた発光素子配線導体と、前記発光素
   子基板の一方の主面に固着された半導体発光素子と、光
   透過性樹脂から成る角錐台形状の発光素子レンズとを備
   えるチップ型発光ダイオードにより構成され、 前記アウタレンズは透光性材料により板状に形成された
   レンズ本体と、該レンズ本体に一体に形成され且つ該レ
   ンズ本体の一方の主面から突出する外面を有する複数の
   レンズ部と、前記レンズ本体の他方の主面から突出し且
   つ前記回路基板に装着される脚部とを備えた半導体発光
   モジュールにおいて、 前記発光素子レンズは、前記発光素子配線導体上に形成
   された一対の第１の側面と、前記一対の第１の側面に跨
   って形成された一対の第２の側面を備え、 前記第１の側面は、前記回路基板の一方の主面に対して
   前記第２の側面よりも小さな角度で傾斜し、 前記発光素子レンズは前記アウタレンズのレンズ部と整
   列して配置され、 前記発光素子レンズの第１の側面を介して光が通過する
   前記アウタレンズのレンズ部の部分は曲率が大きく、前
   記発光素子レンズの第２の側面を介して光が通過する前
   記アウタレンズのレンズ部の部分は曲率が小さいことを
   特徴とする半導体発光モジュール。
2. 【請求項２】 前記レンズ部は非球面のほぼ半エッグ表
   面を有し、短軸及び長軸に沿う半径の大きさ比が２：
   ２.１〜２：５の範囲である請求項１に記載の半導体発
   光モジュール。
3. 【請求項３】 前記レンズ本体の他方の主面に反射壁を
   形成した請求項１又は２に記載の半導体発光モジュー
   ル。
4. 【請求項４】 前記脚部の先端に形成された爪部は、前
   記回路基板に形成された開口部に挿入され且つ該開口部
   の周壁に係止される請求項１〜３のいずれか１項に記載
   の半導体発光モジュール。
5. 【請求項５】 前記脚部の間に形成された突起は前記回
   路基板の孔部に装着され、前記レンズ本体を正確な位置
   に保持する請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体
   発光モジュール。