JP5225273B2 - 光学要素と位置合わせされた電子−光学部品の取り付け - Google Patents

Description

本発明は、電子−光学部品及び担体基板にそれぞれに供された半田付け用のパッドを用いて、当該光学要素に対し固定して配置された前記担体基板上に、前記電子−光学部品を半田付けすることを含む、光学要素に対して正確な位置に電子−光学部品を取り付ける方法に関する。

LEDなどの電子−光学部品が関与するアプリケーションでは、これらの部品の正確な位置合わせを光学要素に対して保証することが時に重要である。

特に、「面積がクリチカルな」、即ち最小開口寸法で最大効率が必要とされるアプリケーションでは、これは真実である。これらのアプリケーションの例は、（ビデオ又は写真）カメラのフラッシュ、スポットライト、及び内視鏡などの医療アプリケーション用の光ファイバシステムである。別の例は、例えば自動車のヘッドライトでの使用のためにコリメータ（集光器）内で、LEDが光源として用いられる場合である。

電子−光学部品と光学要素とがお互いに精密に位置合わせされることが重要なので、取り付けプロセスでは大変高い精度が必要とされる。満足できる位置合わせは実現可能であるが、例えば取り付けプロセスの順序に関する制限によって、それは高くつく。

光学要素と電子−光学部品の位置合わせを改善するための一つの試みは、当該光学要素を、基板が取り付けられたモジュールの一体化部品にすることであった。しかしながら、この方法は正確な位置決めの問題を解消していない。一般に、電子−光学部品が光学要素に対して大変正確に置かれるような態様で担体基板がモジュールに取り付けられる一方で、電子−光学部品は担体基板上に半田付けされている。このプロセスでは各ステップが、ステップ自身に付随する公差をもち、これらの公差は加算され、最終的に位置決めの不確実さとなる。多数の事例で、この不確実さは大き過ぎる。例えば、コリメータ内で光源として使われるLEDの場合、光学的な見地からは最大限でも0.05mmの位置の不確実さ（公差）が望ましい。斯様な精度は、上で説明された公差の連鎖では実現可能ではない。

必要とされる公差内で、光学要素に対して正確な位置に電子−光学部品を取り付ける方法を供することが本発明の目的である。

本発明の第1の態様によれば、この目的は、前記電子−光学部品及び担体基板のそれぞれに供された半田付け用のパッドを用いて、当該光学要素に対し固定して配置された担体基板上に、前記電子−光学部品を半田付けすることを含む、光学要素と位置合わせされた電子−光学部品を取り付けるための方法によって実現される。前記電子−光学部品が当該パッドに半田付けされるとき、前記光学要素へと向かう方向に働く力が当該電子−光学部品上に生成され、当該光学要素に接するように当該電子−光学部品が前記方向に移動することを可能にするよう、当該半田付け用パッドが配置される。

本発明の第2の態様によれば、この目的は、光学要素と位置合わせされて取り付けられるべき電子−光学部品を有する取り付け構造体によって実現される。当該電子−光学部品は少なくとも1個の半田付け用のパッドを具備し、少なくとも1個の半田付け用のパッドを具備している担体基板は前記光学要素に関して固定して配置されている。前記電子−光学部品が当該パッドに半田付けされるとき、前記光学要素へと向かう方向に働く力が当該電子−光学部品上に生成され、当該光学要素に接するように当該電子−光学部品が半田付けの間、前記方向に移動することを可能にするよう、当該半田付け用パッドが配置される。例として、半田付けの間、電子−光学部品が前記光学要素と隣接させるよう水平方向に移動できるように、取り付け構造体が設計されている。

本発明は、電子部品、特に表面実装装置（SMD）用部品の半田付けプロセスの際、当該部品は溶融半田内を、表面張力の法則に支配される、ある適宜規定された終端位置に向かって「流れる」との事実に基づいている。本発明によれば、基板上の半田付け用パッドは、当該電子−光学部品を光学要素に接触させ、これにより当該電子−光学部品と光学要素との間の正確な相対位置合わせを保証するよう配置される。

斯様な自己位置合わせ効果は、例えば英国特許公報GB 2276492で説明されており、当該公報は、光学要素の取り付け構造体を開示しており、光学部品は基板上の位置決め要素に位置合わせされる。当該位置決め要素が垂直方向の正確な位置合わせを保証し、半田付け用パッドそのものの位置が、水平方向の正確な位置合わせを保証している。

この自己位置合わせの効果は本発明で更に明らかになり、前記電子−光学部品は、別個の位置決め要素とではなく、前記光学要素自身と水平方向に自己位置合わせされる。機能的に関連する物体間、即ち光学要素と電子−光学部品との間での斯様な自己位置合わせは、英国特許公報GB 2276492では開示されていない。

本発明の好ましい実施例によれば、電子−光学部品及び/又は光学要素は、光学要素に接触させるとき電子−光学部品を位置合わせするのに適した形をもっている。

従って、自己位置合わせする際、光学要素に対する電子−光学部品の要求された位置決め精度を実現するよう、前記電子−光学部品及び/又は光学要素が設計される。

担体基板上に配置された半田付け用パッドは、電子−光学部品の対応するパッドに対して水平に移動される（ずらされる）ことが可能である。これは半田付けの間、移動（ずらされた）方向に力を作りだす。

好ましくは、担体基板上の半田付け用パッドは、自己位置合わせの全プロセスの間、電子−光学部品上の対応するパッドを完全にサポートするような延在部をもつ。言い換えれば、光学要素に対する電子−光学部品の接触によって、何時自己位置合わせが妨げられるかに拘わらず、半田付け用パッドは完全な接触をもち、従って満足のいく電気的な接続を保証する。

電子−光学部品上の対応するパッドの外側に延在する半田付け用パッドのエリアは、半田材のバッファを具備していることがある。これが、満足のいく電気的な接触を更に保証する。

電子−光学部品が、サブマウント上に配置された電子−光学部品のダイ（Die）であることがある。当該サブマウントは、その後、担体基板上の半田付け用パッド上に取り付けられる。

この場合、当該サブマウント又はダイの何れか（又はその両方）が、光学要素に接触させられることがある。

両者の寸法及び形状は異なっていそうであり、どれを光学要素に接触させるものに選ぶかは、アプリケーションに依存する。一般に、サブマウントの方がよりロバストであり、これゆえ、接触位置合わせ部品として用いるのにより適している。

光学要素は、照明装置内のコリメータであることがある。本発明は斯様に、例えば乗り物のヘッドライトモジュールでの使用に適している。

電子−光学部品は、リフロー半田付けプロセスを用いて半田付けされることがある。斯様な半田付けプロセスは、自己位置合わせの条件を作り出すのに好都合であり得る。

本発明の他の実施例が以下の詳細な開示から明らかになり、添付の図面同様、添付の従属する請求項から明らかになろう。

本発明は、添付の図面から、より明らかになり、当該添付の図面は限定されることのない、例の態様にて供されている。

図1aから図1cは、電子−光学部品1を光学要素6に対して正確に取り付けるための取り付け構造体、即ち部品の集合物を示している。

当該電子−光学部品1はLED又はフォトダイオードであり、一般には「セラミック上のダイ」(DoC)タイプの部品、即ちPCBなどの担体基板上に後で取り付けるために、サブマウント上に取り付けられたダイである。図1aでは、当該電子−光学部品1は、サブマウント8上にLEDのダイ7を有する。この電子−光学部品は勿論、一つより多くのLEDを有することがある。

参照番号2は担体基板を示し、その上に「フットプリント」とも呼ばれる半田付け用パッド3が配されている。このフットプリントは複数の目的に役立つことができ、例えば電気的な接続に限定されないばかりか、機械的な接続及び熱的な接続、並びにこれらのどのような組み合わせにも役立つ。対応する半田付け用パッド4がDoC１上に供され、半田材5が前記半田付け用パッド3と4との間に置かれる。当該半田材は、半田ペースト、事前処理された半田（基板上に既に有る）、ガルバニック半田、又は所謂事前形成された形態での半田であることができる。

光学要素6は、電子−光学部品と位置合わせを必要とする何らかのタイプの光学系、例えばコリメータ、ディフューザ、又は反射器である。図に例示されている実施例では、当該光学要素6は、電子−光学部品が取り付けられねばならない基板と同じ基板2上に配置されている。

DoC部品1は、ここではリフロー半田付け処理を用いて基板2上に取り付けられる。基板2上の半田付け用パッド3、及びDoC 1の半田付け用パッド4は、後の半田ペースト5の溶融の際に、DoC 1の側方への移動を生じる自己位置合わせ効果が生じるよう更に設計され配置されている。例示された例では、二つのパッド3が、二つのパッド4に対して水平方向に移動して（ずれて）配置されている。この半田付け用パッド3の水平方向の移動量（ずれ）は、各々の半田付け用パッド3で同一であることは必ずしも必要としない。それどころか、図1aに例示されているように、移動量（ずれ）は、個々に異なってもよい。半田ペースト5の溶融の間に所望する自己位置合わせ効果が生じる限り、基板2及び/又はDoC１の、他のパッド数を含む他のパッドの構成も可能である。

例示された例では、基板2上の半田付け用パッド3は、DoC部品1の対応するパッド4よりも、より大きな水平方向の延在を更に有する。自己位置合わせ効果を作り出すためには必要とされないが、DoC１が最初に基板上に置かれたときに、パッド3のより大きな延在部は、パッド4を広く担持するフットプリントを依然として供すると同時に、水平方向の自己位置合わせを可能にする。結果として、自己位置合わせの全プロセスの間、良好な電気的な接続を堅持して、パッド3は半田付け用パッド4の十分な担持を保証することができる。

DoC部品1を基板3上に置くとき、DoC部品1の半田付け用パッド4は半田ペースト5に接触することのみを必要とする。半田付けの際、当該半田ペースト5が後続して溶融されるとき、パッド3、4の具体的な配置に起因して、表面張力が当該DoC部品1を光学要素6に向かってx方向に引張るであろう。当該部品1が表面張力の法則に支配されて適宜規定された最終位置に到達する前に、部品1の一部、ここではサブマウント8が当該光学要素6に接するように、当該パッド3、4が配置されている。

DoCが光学要素6に接触させられることを保証するために、半田付け用パッド3は、光学要素6の突き出し部9の下に、好ましくは延在する。

図1bは、半田付けのプロセスがDoC部品１のサブマウント8を光学要素6に接した後の、図1aの構造体を示している。

代替的には、及び図1cに示されるように、光学要素6は、サブマウント8が当該光学要素6の突き出し部9の下へ一部スライドすることができるように形成されることがある。これは、LEDの成型品7を光学要素6に近接させることを可能にし、幾つかのアプリケーションで必要とされるかも知れない。

原理的には、光学要素6と接触させるのがサブマウント8ではなく、成型品7であるように、当該突き出し部9を形成させることが可能である。しかしながら一般的には、サブマウント8は電子−光部品1の、よりロバストな部品であり、隣接させるのに、より適している。

図2に示すように、本発明の第2の実施例では光学要素6は、上部に担体基板2が配されているモジュール6'の一部分にて形成されている。言い換えれば図1に示されるように、光学要素6と電子−光学部品1とを同一の基板2に取り付ける代わりに、基板2は光学要素を形成しているモジュール6'自身に配置される。基板2は、半田付け又は接着剤を含む従来の取り付け技術を用いて取り付けることができるが、しかし代替的には、適切な固定手段を用いて機械的に固定してもよい。

更に図2では、DoC部品１及び/又は光学要素6は、正しい相対的な位置合わせを保証するために、幾何学的に設計されている。斯様な設計は、水平方向xのみならず、基板2の面の他の次元yにも正確な位置合わせを実現することができる。当該設計は垂直方向zにさえも、幾らかの位置合わせを実現することができるが、しかし斯様な位置合わせは半田ペースト5の接着力によって限定されよう。

例で示されているように、幾何学的な設計は、例えば光学要素6のV字溝10と電子−光学部品1のノッチ11との形態の照合システムで実現されることができる。ここで電子−光学部品1が光学要素6と接触させられるとき、当該溝10は、当該ノッチの先端を案内し、従って水平（x方向）同様、当該部品１の側方（y方向）にも位置合わせする。垂直方向zの微調整も可能である。

図3は、上で説明された幾何学的な設計の改良型を例示しており、電子−光学部品1と光学要素6とが、両者がお互いに接したとき、接触点12が事前に決めた面での位置合わせを保証するよう、3個の接触点12を規定している。例示的な例では、当該接触点12はサブマウント8の表面に有る3個の隣接部12にて実現され、光学要素6は接触部12と接触するための平面13を供する。半田付けの間、3個の接触部12の全てが平面13と接触し、従って事前に決めた面で部品が正確に位置合わせするまで、電子−光学部品1は光学要素6を押すであろう。

本発明のアプリケーションの例として、図2のモジュール10は乗り物のヘッドライトシステムのベース部分なことがあり、その上にコリメータの一部として動作する反射層が、光学要素を形成するために取り付けられている。光源として使われるべきLED照明要素が上で説明されたように取り付けられ、従って、反射面の縁と大変正確な位置合わせを実現することができる。

ここで説明された実施例の様々な変更が、添付の請求項の範囲内で可能である。例えば、複数の電子−光学部品が、説明された自己位置合わせ法を用いて組み立てられることができ、この結果、全てのこれらの電子−光学部品が光学要素に対して位置合わせされる。更に、光学要素及び電子−光学部品の構成は、上で説明されたものとは異なってもよい。

半田付けの前の状態の、本発明の第1の実施例による取り付け構造体の概観的な例示を示す。 半田付けをした後の状態の、図1aの取り付け構造体の概観的な例示を示す。 半田付けをした後の状態の、図1aの取り付け構造体の改良型の概観的な例示を示す。 本発明の第2の実施例の概観的な例示を示す。 本発明の実施例の斜視図を示し、光学要素と電子−光学部品とは規定された接触点をもっている。

Claims (13)

1. 光学要素と位置合わせされて取り付けられるべき電子−光学部品と、
   前記光学要素に対して固定して配置された担体基板とを有し、
   前記担体基板及び前記電子−光学部品の各々が少なくとも１個の半田付け用パッドを具備する取り付け構造体において、
   前記電子−光学部品は、サブマウント上に配された電子−光学ダイを有し、
   前記電子−光学部品が前記半田付け用パッドに半田付けされる場合、前記光学要素に向かう方向に、溶融した半田の表面張力に基づいて前記電子−光学部品に働く力が生成されるよう前記半田付け用パッドが配置され、
   半田付けの際、前記サブマウントが前記光学要素に接するよう前記方向に移動することを可能にするよう前記取り付け構造体が設計されることを特徴とする、取り付け構造体。
2. 前記サブマウント及び/又は前記光学要素は、前記サブマウントが前記光学要素に接するようにされる場合、前記電子−光学部品を位置合わせするのに適する幾何学的形状をもつ、請求項1に記載の取り付け構造体。
3. 前記サブマウント及び前記光学要素が、お互いに接する場合、接触点が事前に決めた面での位置合わせを保証するよう、両者が3箇所の接触点を規定する、請求項2に記載の取り付け構造体。
4. 前記サブマウント及び前記光学要素が接する場合、お互いに嵌合するよう、両者が突起機構及び溝機構を有して形成される、請求項2に記載の取り付け構造体。
5. 前記サブマウントの一部が前記光学要素の突き出し部の下にスライドできるよう、前記光学要素が形成されている、請求項2に記載の取り付け構造体。
6. 前記担体基板上に供された前記半田付け用パッドが、前記担体基板上に配された前記半田付け用パッドに対応する前記電子−光学部品の半田付け用パッドに対して水平方向にずれて配置されている、請求項１ないし5の何れか一項に記載の取り付け構造体。
7. 前記担体基板上に配された前記半田付け用パッドが、前記担体基板上に配された前記半田付け用パッドに対応する前記電子−光学部品の半田付け用パッドよりも大きな延在部をもつ、請求項1ないし6の何れか一項に記載の取り付け構造体。
8. 前記担体基板上に配された前記半田付け用パッドが、前記光学要素の突き出し部の下に延在する、請求項7に記載の取り付け構造体。
9. 前記光学要素が照明装置内のコリメータである、請求項1ないし8の何れか一項に記載の取り付け構造体。
10. 電子−光学部品と担体基板の各々に供された半田付け用パッドを用いて、前記電子−光学部品が光学要素に対して固定して配置されるよう、前記担体基板上へ前記電子−光学部品を半田付けするステップを有する、光学要素と位置合わせされた電子−光学部品を取り付ける方法であって、前記電子−光学部品は、サブマウント上に配された電子−光学ダイを有している、方法において、
    前記電子−光学部品が前記担体基板に半田付けされる場合、前記光学要素に向かう方向に、溶融した半田の表面張力に基づいて前記電子−光学部品に働く力が生成されるように前記半田付け用パッドをお互いに位置決めし、
    半田付けの際、前記サブマウントが前記光学要素に接するよう前記方向に移動することを可能にすることを特徴とする、電子−光学部品を取り付ける方法。
11. 前記半田付け用パッドの位置決めが、前記担体基板上に配された前記半田付け用パッドに対応する前記電子−光学部品の半田付け用パッドに対して、前記担体基板上に供された半田付け用パッドを水平方向にずらすことを有する、請求項10に記載の方法。
12. 半田付けの際に、前記電子−光学部品が前記光学要素の突き出し部の下にスライドする、請求項10又は11の何れか一項に記載の方法。
13. 前記電子−光学部品がリフロー半田付けプロセスを用いて半田付けされる、請求項10ないし12の何れか一項に記載の方法。

Images