JP5931410B2 - 発光モジュールとその製造方法及び車両用灯具 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子をパッケージングした発光モジュールに関し、特に半導体発光素子の給電部の信頼性を高めた発光モジュールとその製造方法、及び当該発光モジュールを用いた車両用灯具に関するものである。

近年の自動車では、光源にＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発光素子を用いたヘッドランプやその他のランプが提供されている。この種のランプでは、半導体発光素子をランプ内に組み込むに際しては、半導体発光素子を支持部材に一体的に組み立てるとともに外部からの給電を行うための給電部を一体的に組み込んだ発光モジュールを構成し、この発光モジュールをランプ内に光源として組み込んでいる。このような発光モジュールとして、特許文献１では、ＬＥＤ素子を放熱基板上に搭載したＬＥＤユニットを光源台座上に支持させた上で、これらＬＥＤユニットと光源台座をクリップ等により挟持して一体化する構成を採用している。また、放熱基板にはＬＥＤ素子に電気接続される導電ランド（接点）を設け、一方光源台座には弾性金属からなる導電ブラシ（ばね端子）を設けており、ＬＥＤユニットを光源台座上に支持させたときに光源台座の導電ブラシをＬＥＤユニットの導電ランドに弾接させて電気的な接触を行うことで光源台座を介して外部電力をＬＥＤユニットに給電する構成を採用している。

特許第４３５０６１７号公報

特許文献１の発光モジュールでは、ＬＥＤユニットの導電ランドと光源台座の導電ブラシとの弾接によって給電を行っているため、自動車の走行に伴う衝撃や振動によって接触不良が生じ、両者間での導電性が損なわれるおそれがある。また、導電ブラシの腐食、発錆等の経時変化によって導電ランドに対する導電性が劣化されるおそれがある。導電性の信頼度を高めるためには導電ブラシのサイズを大きくすればよいが、これでは発光モジュールが大型化することになる。そこで、ＬＥＤユニットと光源台座とを金属ワイヤを用いたワイヤボンディングにより電気接続することが考えられる。このワイヤボンディングによれば、両者の確実な電気接続が実現でき、しかも金属ワイヤが占めるスペースは少なく済むため発光モジュールの小型化には有効である。しかし、金属ワイヤは極細であるため機械的な強度が低く、外部振動や衝撃によって金属ワイヤが変形してボンディングが破壊され、あるいは断線するおそれがあり、耐衝撃性を改善することはできない。また、外気の湿気や水分が金属ワイヤに付着して発錆し、耐久性が劣化することもある。そのため、自動車用の発光モジュールへの適用は躊躇せざるを得ないものとなっている。

本発明の目的は車両用灯具の光源に用いて好適な発光モジュールであって、ワイヤボンディングを採用した発光モジュールにおける導電ワイヤでの電気接続の信頼性を高めた発光モジュールとその製造方法及び当該発光モジュールを用いた車両用灯具を提供するものである。

本発明は、半導体発光素子を搭載し、当該半導体発光素子に対して金属ワイヤで給電を行う構成の発光モジュールであって、金属ワイヤを封止する第１樹脂と、第１樹脂の外周の少なくとも一部を囲む第２樹脂とを備え、半導体発光素子は第１樹脂及び第２樹脂で封止されていないことを特徴とする。ここで、第１樹脂は第２樹脂に比較して低粘度、低弾性率である。本発明の発光モジュールは、車両用灯具の光源として構成される。

また、本発明は、半導体発光素子を搭載し、当該半導体発光素子に対して金属ワイヤで給電を行う構成の発光モジュールの製造方法であって、金属ワイヤを囲む領域の少なくとも一部に第２樹脂でダム壁を形成する工程と、第２樹脂のダム壁で囲まれる領域又は当該第２樹脂のダム壁の一部を含むダム壁で囲まれる領域に第２樹脂よりも低粘度、低弾性率の第１樹脂を充填して半導体発光素子を第１樹脂及び第２樹脂で封止しないで金属ワイヤを封止する工程を含むことを特徴とする。

本発明の発光モジュールによれば、半導体発光素子に給電するための金属ワイヤを第１樹脂で封止しているので、外力は第１及び第２樹脂により緩衝されて直接金属ワイヤに加わることがなく、金属ワイヤの機械的な強度が高められる。特に、第１樹脂の外周の少なくとも一部を相対的に粘度及び弾性率の高い第２樹脂で囲んでいるので、第１樹脂の形状を保持し、金属ワイヤの封止状態を保持することができる。また、金属ワイヤが外気に露呈されることがなく、腐食や発錆が抑制できモジュールの耐久性等、信頼性が向上する。さらに、第１樹脂は低粘度であるので金属ワイヤを封止する際に金属ワイヤが変形されることはなく、かつ低弾性率であるので金属ワイヤに対する熱応力の影響は殆どない。

本発明の発光モジュールの製造方法は、金属ワイヤを囲む領域の少なくとも一部に第２樹脂でダム壁を形成し、その上で第２樹脂のダム壁で囲まれる領域又は当該第２樹脂のダム壁の一部を含むダム壁で囲まれる領域に第２樹脂よりも低粘度、低弾性率の第１樹脂を充填して金属ワイヤを封止しているので、金属ワイヤを低粘度、低弾性率の第１樹脂で確実に封止し、かつその封止状態を保持した発光モジュールが製造できる。

本発明の発光モジュールの実施形態の外観斜視図。 発光モジュールの一部の縦断面図及び参照縦断面図。 封止材（第１樹脂）及びダム壁（第２樹脂）の製造工程を説明する外観図。 ダム壁及び封止材の変形例１の平面図。 ダム壁及び封止材の変形例２の平面図。 ダム壁及び封止材の変形例３の平面図。 ダム壁及び封止材の変形例４の平面図。 発光モジュールを用いた自動車用ヘッドランプの一例の断面図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明を自動車用ランプの発光モジュールＬＭとして構成した外観斜視図、図２（ａ）はその一部の縦断面図である。この自動車用ランプは、ここでは図８に概略構成を示すように、自動車用ヘッドランプＨＬとして構成しており、ランプボディ１０１と前面カバー１０２とで構成されるランプハウジング１００内に疑似リフレクタ（エクステンション）１０３、点灯制御回路１０４を内装すると共にランプユニット２００を内装している。前記ランプユニット２００は、ベース体２０４上に支持された回転楕円面を基礎としたリフレクタ２０２と、このリフレクタ２０２内において前記ベース体２０４上に支持された光源２０１と、この光源２０１から出射されて前記リフレクタ２０２で反射された光を前方に向けて照射する照射レンズ２０３とを含んで構成されており、当該光源２０１として図１に示した発光モジュールＬＭが用いられている。前記光源２０１、すなわち発光モジュールＬＭは給電ケーブル１０５によって前記点灯制御回路１０４に接続されており、この点灯制御回路１０４からの給電によって発光するようになっている。この点灯制御回路１０４は図示を省略した車載バッテリに接続されている

前記光源ユニットＬＭは、図１及び図２を参照すると、例えば樹脂等の絶縁材料で全体として矩形の厚板状に形成されたベース１を備えており、このベース１の上面の中央領域には後述するように発光素子ユニット２を内装するための長方形をした内装凹部１１が形成されている。また、この内装凹部１１の長手方向の両端にはベース１の上面を所要の浅い深さで両外側に後退させた溝部１２が設けられており、この溝部１２の底面領域は給電ランド１３として構成されている。この給電ランド１３は、例えば前記ベース１を成形する際に銅等の導電性の高い金属からなる導電板１３ａ（図２（ａ）参照）を一体成形し、ベース１内に埋設した当該導電板１３ａの一部を前記溝部１２の底面に露呈させることによって形成することが可能である。この導電板１３ａの他部は、図示は省略するが前記ベース１内に設置されたコネクタまたは点灯回路の近傍まで延長された上でこれらコネクタや点灯回路に導線によって接続されており、これらコネクタや点灯回路を介して図８に示した給電ケーブル１０５によって点灯制御回路１０４に接続されるようになっている。

前記ベース１の内装凹部１１には発光素子ユニット２が内装されている。この発光素子ユニット２は、ここではＬＥＤ（発光ダイオード）ユニットとして構成されており、伝熱性の高い絶縁性の無機材料で矩形板状に形成された放熱基板２１と、この放熱基板２１の上面の中央領域に搭載されて放熱基板２１よりも一回り小さい矩形板状に形成されたサブマウント２２と、このサブマウント２２上に搭載された半導体発光素子としてのＬＥＤ素子２３を備えている。前記放熱基板２１は前記ベース１の内装凹部１１の内底面上に配置され、放熱基板２１の底面は内装凹部１１の内底面に接着剤等によって固定されている。また、放熱基板２１の上面には所要のパターンをした導電層からなる電極ランド２４が形成されており、この電極ランド２４は後述するように前記ベース１の給電ランド１３との間でワイヤボンディングによって電気接続される。この電極ランド２４は、ここでは長手方向に絶縁分離された２つの電極ランド２４ａ，２４ｂで構成されており、一方は正極ランド２４ａとして、他方は負極ランド２４ｂとして構成されている。

前記ＬＥＤ素子２３は直列に配置された４つのチップ状ＬＥＤ素子からなり、これらのＬＥＤ素子２３はそれぞれの上面が発光面として構成され、その裏面において前記サブマウント２２上に固着されている。このサブマウント２２には図には表れないが所要の回路パターンが形成されており、この回路パターンは搭載した各ＬＥＤ素子２３の正負の各電極に電気接続されている。また、サブマウント２２は前記放熱基板２１の上面にマウントされているが、サブマウント２２に設けられた回路パターンが前記放熱基板２１の正極ランド２４ａと負極ランド２４ｂに電気接続されている。これにより、各ＬＥＤ素子２３はサブマウント２２を介して放熱基板２１の正極ランド２４ａと負極ランド２４ｂに電気接続され、これらの電極ランド２４を通して所要の電流が印加され、発光するように構成されている。

その上で、前記正極ランド２４ａと負極ランド２４ｂはベース１の長手方向の両側に設けられた前記溝部１２の底面の給電ランド１３にそれぞれ金（Ａｕ）ワイヤ３を用いたワイヤボンディングによって電気接続されている。このワイヤボンディングには、いわゆるボールボンディングが採用されているが、ここでは金ワイヤ３を最初に接続する第１ボンディング１ｓｔをベース１の給電ランド１３に対して行い、次に接続する第２ボンディング２ｎｄをＬＥＤユニット２の電極ランド２４に対して行っている。すなわち、この実施形態では図２（ａ）から判るように、ＬＥＤユニット２の各電極ランド２４はベース１の給電ランド１３よりも高い位置にあり、金ワイヤ３をワイヤボンディングする際には低い位置にある給電ランド１３に対するボンディングを第１ボンディング１ｓｔとし、高い位置にある電極ランド２４に対するボンディングを第２ボンディング２ｎｄとしている。

このようにワイヤボンディングの第１ボンディング１ｓｔと第２ボンディング２ｎｄの順序を特定することにより、第１ボンディング１ｓｔを行った後に金ワイヤ３を第２ボンディング位置にまで延長する際に金ワイヤ３に生じるワイヤループが上方に湾曲することを抑制し、金ワイヤ３の高さをＬＥＤ素子２３の表面高さよりも低くすることができる。因みに、図２（ｂ）に参照図示するように、第１ボンディング１ｓｔを電極ランド２４にすると、第１ボンディング１ｓｔを行った後に金ワイヤ３を高さの低い給電ランド１３に第２ボンディング２ｎｄする際の金ワイヤ３のワイヤループの高さはＬＥＤ素子２３の表面高さよりも高くなってしまう。この実施形態では、前述のようにボンディング順序を特定することにより金ワイヤ３の高さを低くでき、発光モジュールＬＭの全体の高さ寸法が大きくなることを防止し、薄型の発光モジュールが構成できる。

さらに、前記ベース１の内装凹部１１と溝部１２には前記金ワイヤ３を完全に覆い隠すように低弾性率、低粘度の第１樹脂からなる封止材４が配設されるとともに、この第１樹脂の封止材４の周囲を第１樹脂よりも相対的に高弾性率、高粘度の第２樹脂からなるダム壁５で囲っている。前記第１樹脂は、例えば弾性率が０．０１〜２（ＭＰａ）で粘度が８０（Ｐａｓ）程度のシリコーンゲルであり、前記第２樹脂は、例えば弾性率が１０〜１２（ＧＰａ）で粘度が１００〜２００（Ｐａｓ）程度のエポキシが用いられる。これらの樹脂はいずれも加熱によって硬化するが、前記した粘度は硬化前の値であり、弾性率は硬化後の値である。

前記第２樹脂からなるダム壁５は前記金ワイヤ３の周囲を囲むように前記ベース１の内装凹部１１から溝部１２の領域にわたる無端状（リング状）、ここでは楕円形ないし長円形に形成されている。例えば、図３（ａ）に外観図を示すように、移動制御可能なノズルＮ１から第２樹脂を少しずつ吐出させながら金ワイヤ３の周囲に沿ってループを描くように当該ノズルＮ１を移動させることによって無端状の低い高さの壁を形成し、これを繰り返し行うことにより第２樹脂を順次高さ方向に重畳して所要の高さ寸法のダム壁５を形成することができる。この第２樹脂のダム壁５の高さ寸法は前記ＬＥＤ素子２３の発光面の高さよりも高くならない高さ寸法に形成することが肝要であり、ここでは金ワイヤ３の最も高い部位の高さよりも多少低い高さ寸法にしている。

前記第１樹脂からなる封止材４は前記第２樹脂のダム壁５で囲まれた領域に充填されており、この第１樹脂によって金ワイヤ３を完全に埋設した状態に封止する。図３（ｂ）に示すように、第１樹脂の封止材４はノズルＮ２から吐出させるポッティングの技術で良く、ノズルＮ２から吐出された封止材４は低粘度であるために吐出時に金属ワイヤ３への外力を低減して金ワイヤ３の変形を防止する。また、封止材４は低粘度であるが第２樹脂のダム壁５によってせき止められて周囲に流れ出ることはない。第１樹脂は自身の表面張力によって中央領域の高さが周辺領域の高さよりも高くなるので、第２樹脂のダム壁５の高さが金ワイヤ３の高さよりも低くても金ワイヤ３を完全に封止することが可能である。また、このようにして金ワイヤ３を封止した場合には第１樹脂はＬＥＤ素子２３の発光面よりも高くならない高さに形成されることになる。特に、金ワイヤ３は前記したように第１ボンディング１ｓｔがベース１の給電ランド１３に対して行われており、そのワイヤループの高さが抑制されてＬＥＤ素子２３の発光面の高さよりも低くされているので、第１樹脂からなる封止材４の高さを当該発光面の高さよりも確実に低くすることができる。

この発光モジュールＬＭによれば、図８に示した自動車用ヘッドランプＨＬの光源２０１として当該ランプ内に配設されたときにはベース１に設けられている給電ランド１３は前記したように点灯制御回路１０４に電気接続された状態となる。そのため、当該給電ランド１３に金ワイヤ３で接続されている放熱基板２１に設けた電極ランド（正極ランド２４ａと負極ランド２４ｂ）２４にまで給電が行われ、さらに当該電極ランド２４にサブマウント２２を介して接続されている４つのＬＥＤ素子２３はそれぞれ給電されて発光されることになる。

このように自動車用ヘッドランプＨＬに対して発光モジュールＬＭを配設する際、あるいは当該ヘッドランプＨＬに配設した後に外部要因によって発光モジュールＬＭに様々な外力が加えられることがあるが、ベース１の給電ランド１３とＬＥＤユニット２の電極ランド２４とを金ワイヤ３で電気接続しているので、特許文献１のように導電ブラシで接触させた構成において生じるような接触不良が防止できる。そのため、導電性を確保するために大きなサイズの導電ブラシを使用する必要はなく、発光モジュールＬＭの小型化が実現できる。また、金ワイヤ３は第１樹脂からなる封止材４によって周囲が覆われた状態で物理的に封止されているので外力が直接的に金ワイヤ３に加えられることはなく、また封止材４によって気密かつ液密に封止されているので外気の湿気や水分が影響することもなく、腐食や発錆が防止でき、信頼性を向上することができる。封止材４に熱が伝達された場合でも、封止材４を構成している第１樹脂は低弾性率であるので封止材４自身が変形し、金ワイヤ３に加えられる熱応力は小さく、金ワイヤ３の変形や、金ワイヤ３の給電ランド１３からの剥離が防止される。

また、第１樹脂からなる封止材４と第２樹脂からなるダム壁５を形成して金ワイヤ３を封止しても、これらの樹脂はベース１の内装凹部１１と溝部１２の各内部においてのみ配設されているので発光モジュールＬＭの外形寸法を拡大することはなく、発光モジュールＬＭの小型化の障害になることはない。さらに、封止材４は金ワイヤ３を封止する最小限の高さに形成し、ダム壁５は封止材４が周囲に流れ出すことを防止するのに必要な高さに形成しており、いずれもＬＥＤ素子２３の発光面よりも高くない高さ寸法であるので、発光したＬＥＤ素子２３から出射される光のうち、水平方向に出射される光が封止材４やダム壁５によって遮光されることはなく、光の出射角度の大きな発光モジュールＬＭが実現できる。したがって、種々の配光特性が要求される車両用灯具の光源としての汎用性が高い発光モジュールＬＭとして構成できる。

前記実施形態では第２樹脂のダム壁５を楕円形ないし長円形にして金ワイヤ３の全周囲を囲んでいるが、ダム壁５は封止材４が周囲に流れ出ないようにする機能を有するものであるので、第２樹脂のダム壁５は必ずしも金ワイヤ３の全周囲にわたって形成されなくてもよい。例えば、図４に変形例１の平面図を示すように、サブマウント２２の長手方向の端面２２ａをダム壁の一部として構成し、この端面２２ａを除く領域に第２樹脂のダム壁５Ａを形成し、この端面２２ａからなるダム壁と第２樹脂のダム壁５Ａで金ワイヤ３を囲み、この囲まれた領域に第１樹脂の封止材４を充填するようにしてもよい。

あるいは、図５に変形例２の平面図を示すように、サブマウント２２の長手方向の端面２２ａと、ベース１の溝部１２に臨んでいるコ字型の内側面１２ａをそれぞれダム壁の一部として構成し、これら端面２２ａと内側面１２ａを除く領域に第２樹脂のダム壁５Ｂを形成し、端面２２ａ及び内側面１２ａからなるダム壁と第２樹脂のダム壁５Ｂによって金ワイヤ３を囲み、この囲まれた領域に第１樹脂の封止材４を充填するようにしてもよい。

さらには、図６に変形例３の平面図を示すように、サブマウント２２の前記端面２２ａとベース１の内装凹部１１の内側面１１ａと溝部１２に臨む内側面１２ａをそれぞれダム壁の一部として構成し、これら端面２２ａと内側面１１ａ，１２ａの存在しない領域にのみ第２樹脂のダム壁５Ｃを形成して金ワイヤ３を囲み、この囲まれた領域に第１樹脂の封止材４を充填するようにしてもよい。

この場合、図７に変形例４の平面図を示すように、サブマウント２２の前記端面２２ａはダム壁として利用せず、ベース１の内装凹部１１の内側面１１ａと溝部１２に臨む内側面１２ａのみをそれぞれダム壁の一部として構成し、これら内側面に対向する位置において内装凹部１１の全幅にわたって第２樹脂のダム壁５Ｄを形成して金ワイヤ３を囲み、この囲まれた領域に第１樹脂の封止材４を充填するようにしてもよい。

ここで、第２樹脂によるダム壁５（５Ａ〜５Ｄ）の形成に際しては、図３（ａ）に示したようなノズルＮ１を移動させる方法の他に、図示は省略するがベース１の上面側に内枠と外枠からなる型枠を載置し、この型枠内に第２樹脂を注入してダム壁５を形成する方法を採用することもできる。このような型枠を利用する場合には、ダム壁５が完全に硬化する前に内枠のみを取り外し、外枠を残してダム壁５の形状を保持したまま第１樹脂の充填を行って封止材４で金ワイヤ３を封止するようにしてもよい。この場合には、ダム壁５が硬化するまで封止材４を充填することを待つ必要がなく、封止材４とダム壁５の硬化を同時に待つだけでよいので製造時間の短縮に有効となる。

なお、実施形態では金ワイヤ３をボールボンディングによって電極ランド２４と給電ランド１３に接続しているが、超音波を利用したウェッジボンディングを利用してもよい。特に、ウェッジボンディングは金ワイヤ３を上方に持ち上げる高さを低くできるので、金ワイヤ３に生じるワイヤループの高さをより低いものとし、封止材４及びダム壁５の高さ寸法をより小さくして発光モジュールの薄型化を図る上で有効である。

実施形態では半導体発光素子としてＬＥＤ素子を用いた発光モジュールとして構成しているが、半導体発光素子はレーザダイオードやその他の発光素子であってもよい。また、実施形態では半導体発光素子をサブマウントに搭載しているが、このサブマウントを省略し、例えば放熱基板の表面に直接半導体発光素子を搭載するようにしてもよい。

本発明は半導体発光素子を搭載し、ワイヤボンディングによって当該半導体発光素子に対する給電を行うようにした発光モジュールに採用することが可能である。

ＬＭ 発光モジュール
１ ベース
２ ＬＥＤユニット
３ 金ワイヤ
４ 封止材（第１樹脂）
５，５Ａ〜５Ｄ ダム壁（第２樹脂）
１１ 内装凹部
１２ 溝部
１３ 給電ランド
２１ 放熱基板
２２ サブマウント
２３ ＬＥＤ素子
２４（２４ａ，２４ｂ） 電極ランド
Ｎ１，Ｎ２ ノズル

Claims (4)

1. 半導体発光素子を搭載し、当該半導体発光素子に対して金属ワイヤで給電を行う構成の発光モジュールであって、前記金属ワイヤを封止する第１樹脂と、前記第１樹脂の外周の少なくとも一部を囲む第２樹脂とを備え、前記半導体発光素子は前記第１樹脂及び前記第２樹脂で封止されていないことを特徴とする発光モジュール。
2. 前記第１樹脂は前記第２樹脂に比較して低粘度、低弾性率であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の発光モジュールで構成される光源を含むことを特徴とする車両用灯具。
4. 半導体発光素子を搭載し、当該半導体発光素子に対して金属ワイヤで給電を行う構成の発光モジュールの製造方法であって、前記金属ワイヤを囲む領域の少なくとも一部に第２樹脂でダム壁を形成する工程と、前記第２樹脂のダム壁で囲まれる領域又は当該第２樹脂のダム壁を一部に含むダム壁で囲まれる領域に前記第２樹脂よりも低粘度、低弾性率の第１樹脂を充填して前記半導体発光素子を前記第１樹脂及び前記第２樹脂で封止しないで前記金属ワイヤを封止する工程を含むことを特徴とする発光モジュールの製造方法。

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