JP6971441B2 - 光源モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リードを有する光半導体が搭載された光源モジュールおよびその製造方法に関するものである。

特許文献１には、光源の放熱性を向上させる技術を提供することが記載されている。特許文献１の光源モジュールは、発光素子、当該発光素子を支持するステム、及び一端側が発光素子に電気的に接続される端子を有する光源と、端子の他端側が電気的に接続され、端子を外部給電端子に電気的に接続するための配線基板と、ステム及び配線基板の間に配置され、発光素子に熱的に接続される熱拡散部材と、を備えることが記載されている。

特開２０１６−１７０９０５号公報

例えば自動車用途などの光源モジュールにおいては、放熱性のみならず、所定の温度範囲における機械的および電気的な安定性も要望される。

本発明の一態様は、リードを有する光半導体と、光半導体を機械的に接続する台座と、光半導体を電気的に接続する配線基板とを有する光源モジュールである。台座は、上側に光半導体が載置され、リードが貫通する第１の孔を有する第１の部分と、第１の部分から両側下方に延びた脚部とを備えた本体を含む。配線基板は、第１の部分から下方に離れ、かつ、脚部同士の間に形成される第１の空間内に配置されており、さらに、リードが貫通する第２の孔が形成されたフレキシブル基板と、フレキシブル基板を支持する、フレキシブル基板よりも剛性の高い支持基板であって、第２の孔に対向する領域に第２の孔より大きな第３の孔が形成された支持基板とを含む。

本開示によれば、所定の温度範囲における機械的および電気的な安定性を向上することができる。

光源モジュールを斜め上方から見た様子を示す図。 光源モジュールを斜め下方から見た様子を示す図。 光源モジュールを部品に展開して示す図。 光源モジュールの平面図。 図４のＶ−Ｖ線における光源モジュールの断面図。 光源モジュールの製造過程の一部を示す図であって、図６（ａ）は光半導体を台座の本体の上面に搭載し、四隅が反り返った押さえ板を取り付けた状態を示し、図６（ｂ）は押さえ板の四隅を上面に取り付けて押さえ板を本体の上面と平行にした状態にして光半導体を台座に取り付けた状態を示す図。 図７（ａ）は押さえ板の平面図、図７（ｂ）は押さえ板の側面図。

図１に、本発明の一形態となる光源モジュール１を、上側から見た斜視図により示している。また、図２に、光源モジュール１を下側から見た斜視図により示し、図３に、光源モジュール１を各部品に展開して示している。さらに、図４に、光源モジュール１を上側から見た平面で示し、図５に、図４で示した線Ｖ−Ｖにおける断面を示している。

光源モジュール１は、リード１１を有する光半導体１０と、光半導体１０を機械的に接続する台座２０と、光半導体１０を電気的に接続する配線基板３０とを有する。台座２０は、本体２３を有し、本体２３は、上側２の面２１ａに光半導体１０が載置され、リード１１が貫通する第１の孔２５を有する第１の部分２１と、第１の部分２１から両側下方３に延びた一対の脚部２２とを含む。配線基板３０は、本体２３の第１の部分２１の下側３の面２１ｂから下方に離れ、かつ、両側の一対の脚部２２同士の間に形成される空間（第１の空間）５内に配置されている。配線基板３０は、リード１１が貫通する第２の孔４２が形成されたフレキシブル基板４０と、フレキシブル基板４０を上側２に支持する、フレキシブル基板４０よりも剛性の高い支持基板５０とを含む。支持基板５０は、さらに、フレキシブル基板４０の第２の孔４２に対向する領域に設けられた、第２の孔４２より大きな第３の孔５３を含む。支持基板５０は、フレキシブル基板４０を下側３に支持するものであってもよい。

本明細書において、上側（上方）２とは、台座２０の本体２３に対して光半導体１０が搭載されている方向を示し、下側（下方）３とは上側２と反対の方向を示す。したがって、上側２および下側３は、鉛直方向に沿った上下方向であってもよく、鉛直方向とは無関係な、前後、左右あるいは、適当な第１の方向と、反対側の第２の方向との組み合わせであってもよい。

台座２０の本体２３は、光半導体１０を、不図示の放熱基板（ヒートシンク）またはその他の支持基板、例えば車両用ライトの支持基板に機械的に取り付け、光半導体１０からの熱を放熱基板などに放熱する、機械的および熱的なインターフェースとしての機能を含んでもよい。台座２０の本体２３は、機械的剛性が高く、熱伝導性もよい材料、例えば金属、典型的にはアルミニウムまたはその他の複数の成分を含む合金で形成されている。台座２０の本体２３は、上側２から見た形状がほぼ長方形で、光半導体１０を搭載する第１の部分２１と、配線基板３０を取り付ける第２の部分２７とが長手方向４に連結した形状となっている。

本体２３は、第１の部分２１の両側に設けられた脚部２２の下側３に、さらに、脚部２２から外側に張り出した機械的接続部（接合部）２４を含み、ヒートシンクなどに台座２０の本体２３を取り付けられるようになっている。接合部２４には、ねじまたはリベット等を取り付けるための複数の孔２４ａが設けられている。台座２０の本体２３の第１の部分２１の長手方向４に直交する方向の断面は、第１の部分２１、両側の脚部２２および張り出した接合部２４からなる略Ω状または略逆Ｕ字状で、内部に配線基板３０を設置するための空間５が形成されている。

第１の部分２１の長手方向４に繋がった第２の部分２７は、第１の部分２１に対して長手方向４に直交する方向の長さ（幅）が広い、幅広の部分であって、配線基板３０を主に支持する部分である。第２の部分２７は、後述するコネクタ４８が収まる切り欠き２８と、切り欠き２８の両側に設けられた取付孔２９とを含み、配線基板３０をねじ３９またはリベットなどにより取付孔２９を介して本体２３に固定できる。

第１の部分２１の上面２１ａには、円形に、周囲の面から若干突き出た状態で平らな面を形成するための載置台２１ｃが設けられており、載置台２１ｃに、キャップ１２と、ステム１３とを備えた全体が円筒状のキャンパッケージタイプの光半導体１０が搭載されている。リード１１が貫通する第１の孔２５は、載置台２１ｃを第１の部分２１を含めて貫通するように設けられており、光半導体１０は、リード１１が第１の孔２５を通り、ステム１３の裏面が載置台２１ｃに密着するように搭載される。

光源モジュール１は、さらに、光半導体１０を第１の部分２１の上面２１ａ、具体的には載置台２１ｃに固定するための押さえ板６０を有する。光半導体１０は、ねじ６５またはリベットにより、押さえ板６０を介して台座２０の本体２３の第１の部分２１に固定される。押さえ板６０は略正方形で、中央に設けられた、光半導体１０のキャップ１２が貫通する孔６１と、その孔６１の周囲に設けられた筒状の押さえ部６２とを含む。押さえ部６２は、ステム１３の上端に係るように、押さえ板６０から上方２に突き出た円形または円筒状の部分である。押さえ板６０は、さらに、四隅６４のそれぞれに設けられた押さえ孔６３を含み、ねじ６５またはリベットを押さえ孔６３に取り付けて、四隅６４を本体２３、具体的には第１の部分２１に取り付ける。この際、押さえ板６０の四隅６４が第１の面２１ａとほぼ平行となるように取り付けられてもよい。

台座２０の下側３に取り付けられる配線基板３０は、全体として略Ｔ字型で、本体２３の下側３に形成され、長手方向４に延びた第１の空間５に配置される幅狭部３１と、幅狭部３１につながる幅広部３２とを含む。幅広部３２は、本体２３の第２の部分２７と対応しており、幅広部３２の両端近傍に設けられた取付用の孔３３と、本体２３の幅広の第２の部分２７の両端近傍に設けられた取付孔２９とを用いて、ねじ３９またはリベットにより配線基板３０と本体２３とを固定できる。

配線基板３０の幅狭部３１の先端近傍、すなわち、幅広部３２と反対側にも取付用の孔３４が設けられている。本体２３の第１の部分２１には、取付用の孔３４と対向する位置に取付孔２６が設けられており、これらの取付孔３４および２６を用いて、ねじ３９またはリベットにより、配線基板３０と本体２３とを固定できる。したがって、配線基板３０と、台座２０の本体２３とは、長手方向４の一方の端の１か所（取付孔３４および２６）と、他方の端の直交する２か所（取付孔３３および２９）の合計３か所で固定される。

配線基板３０は、周辺の形状が略Ｔ字型で同一のフレキシブル基板４０と支持基板５０との２層構造となっている。フレキシブル基板４０と支持基板５０とは、耐熱性の樹脂、例えばエポキシ樹脂などにより接着され、フレキシブル基板４０が支持基板５０により裏打ちされている。フレキシブル基板４０は支持基板５０により全体（全面）が裏打ちされていてもよく、部分的に、特に、リード１１が通過する支持基板５０の孔（第３の孔）５３の周囲が裏打ちされていてもよい。

支持基板５０は、フレキシブル基板４０よりも剛性が高く、熱伝導性も高い部材で構成され、機械的にフレキシブル基板４０を支持するとともに、フレキシブル基板４０から熱を放出するヒートシンクとしての機能も果たす。支持基板５０の一例は、本体２３と同じ金属、例えば、アルミニウム製の基板である。支持基板５０は、本体２３の熱膨張に合わせて伸び縮みするように、本体２３と実質的に同じ熱膨張率（線膨張率）を備えていてもよい。本体２３と同一材料である金属製の基板は、支持基板５０として適している。

フレキシブル基板（フレキシブルプリント基板）４０は、ポリイミドなどの絶縁性の薄い樹脂に所定の回路４５が形成された柔軟性の高い回路基板であり、フレキシブル基板４０の幅狭部３１に接続される光半導体１０と、フレキシブル基板４０の幅広部３２に搭載されるコネクタ４８とを電気的に接続する機能を果たす。このフレキシブル基板４０には、幅狭部３１の先端近傍に温度をモニタリングするためのサーミスタ４９が搭載されており、回路４５は、光半導体１０とコネクタ４８とを接続する回路４５ａと、サーミスタ４９とコネクタ４８とを接続する回路４５ｂとを含む。光半導体１０とコネクタ４８とを接続する回路４５ａは、光半導体１０の一対のリード１１と対応するように幅狭部３１に沿って延びた一対の電極４６を含み、それぞれの電極４６の先端には、光半導体１０のリード１１が貫通する孔（第２の孔）４２が設けられている。

フレキシブル基板４０と支持基板５０とは同じ位置に設けられた取付用の孔３３および３４を含む。一方、支持基板５０は、フレキシブル基板４０のリード１１を取り付ける一対の第２の孔４２に対向した位置に、一対の第２の孔４２を囲むように、第２の孔４２よりも大きな、面積の広い第３の孔５３を含む。したがって、支持基板５０の第３の孔５３に重なる、フレキシブル基板４０の第２の孔４２の周りの部分は、支持基板５０に裏打ちされておらず、第３の孔５３の範囲内で、比較的柔軟に変形（歪み、撓み）する。一方、支持基板５０の第３の孔５３を除いた部分は、フレキシブル基板４０は支持基板５０に裏打ちされており、剛性が高く、本体２３と機械的に高い強度で接続されている。したがって、フレキシブル基板４０とリード１１との接合部分は、全体として機械強度が高く、局所的には柔軟性があり、特にリード１１のアキシャル方向の柔軟性がある構造となっている。

支持基板５０に設けられる第３の孔５３の径は、リード１１をフレキシブル基板４０に半田付けする際に形成される半田フィレット４３の径よりも大きいことが望ましい。半田フィレット４３と支持基板５０との干渉を防止でき、フレキシブル基板４０の柔軟性を活かすことができる。

また、支持基板５０は本体２３と合わせてほぼ同様に、温度により伸び縮みするので、支持基板５０により裏打ちされたフレキシブル基板４０も、全体として本体２３と合わせて伸び縮みする。このため、フレキシブル基板４０においてリード１１が貫通する第２の孔４２の位置と、本体２３に搭載された光半導体１０の位置とは、温度の上下によりほぼ同じように移動する。フレキシブル基板４０の熱膨張率（線膨張率）は金属製の本体２３に対して一般的に大きく、リード１１とフレキシブル基板４０との間に応力が発生しやすいが、支持基板５０でフレキシブル基板４０を裏打ちすることにより、温度によるリード１１のラジアル方向の動きにフレキシブル基板４０の動きを略一致させることができ応力の発生を抑制できる。

図５に、断面を用いて示すように、キャンパッケージタイプの光半導体１０においては、半導体素子がステム１３上に配置された放熱台１８上に搭載されており、封止ガラス１９で固定されたリード１１が、ステム１３の底から突き出している。本例の光源モジュール１においては、フレキシブル基板４０の接続用の孔（第２の孔）４２に接続端子であるリード１１が挿通され半田付けによって半田フィレット４３ができ、裏打ち板である支持基板５０にはその半田フィレット４３の径より大きな第３の孔５３が設けられている。したがって、第３の孔５３の内側では、フレキシブル基板４０は柔軟性のある薄膜として、接続端子であるリード１１の軸方向（アキシャル方向）に僅かな移動が可能となっている。この構造により、台座２０の本体２３と、リード１１と、封止ガラス１９と、ステム（放熱台）１３との線膨張率差（熱膨張率差、熱膨張係数差）による封止ガラス１９への応力を低減でき、光半導体１０が熱応力により破損されることを抑制できる。さらに、リード１１の先端部のラジアル方向の動きをフレキシブル基板４０により抑制できるので、振動による封止ガラス１９の破壊を抑制することも可能となる。

一方、フレキシブル基板４０はフレキシブルでありながら支持基板５０により裏打ちされ、平面を保つことができる。このため、光源モジュール１を製造する際に、リード１１とフレキシブル基板４０の接続用の第２の孔４２との位置関係を精度よく設定でき、位置合わせが容易となる。このため、この構造は、光源モジュール１の自動組立にも有効である。

さらに、台座２０の本体２３と、裏打ちの支持基板５０が同種金属で、線膨張率が同じであれば、リード１１のラジアル方向に対しての温度変化によるずれが少なくなり、光半導体１０の封止ガラス１９への応力をさらに低減できる。このため、光半導体１０が熱応力により破損されることをさらに抑制できる。

気密封止が必要なキャンパッケージタイプの光半導体１０は、接続端子であるリード１１が突き出る部分において、ステム１３との隙間を埋めるようにリード１１が封止ガラス１９により固定されている。光半導体１０と、それを固定する台座２０と、台座２０の本体２３を挟んで光半導体１０と半田接続される配線基板３０を含む光源モジュール１において、高い信頼性が求められる、例えば自動車用途の温度保証範囲や、振動条件に対して封止ガラス１９の破損を防いで気密を確保するとともに、自動機での組立に対応するフレキシブル基板構造を得ることは重要であり、上記の構造を採用することにより、フレキシブル基板４０を採用しながら封止ガラス１９の破損を抑制できる。

図６に、光源モジュール１の製造方法において、光半導体１０を台座２０の本体２３の第１の部分２１の上面２１ａに、押さえ板６０を介して、ねじ６５により搭載する工程を抜き出して示している。ねじ６５はリベットであってもよい。

図７に示すように、押さえ板６０は、略正方形で、中央に設けられた筒状の押さえ部６２であって、キャップ１２が貫通し、光半導体１０のステム１３の上端に係る形状となった押さえ部６２と、四隅６４に設けられた押さえ孔６３とを含み、四隅６４が中心に対して上側に反り返った形状となるように形成されている。押さえ孔６３同士の間隔（ピッチ）Ｌと、反り返り量Ｓとは以下の条件（１）を満たしてもよい。
０＜Ｓ＜０．０２×Ｌ ・・・（１）

図６（ａ）に示すように、光源モジュール１の製造過程においては、台座２０の本体２３の第１の部分２１の上側の第１の面２１ａに光半導体１０を搭載する際に、四隅６４が第１の面２１ａと反対側に反り返った状態の押さえ板６０を、筒状の押さえ部６２がキャップ１２を通り、ステム１３の上端に押さえ部６２の内側に突き出た上端が係るように取り付ける。

次に、図６（ｂ）に示すように、押さえ孔６３に挿入されたねじ６５を締めて押さえ板６０を介して光半導体１０を本体２３に固定する際に、四隅６４が本体２３の第１の面２１ａとほぼ平行になるまで、ねじ６５を本体２３に締め込む。筒状の押さえ部６２は、第１の面２１ａに対して上方に反り返った四隅６４が第１の面２１ａと平行になるまで変形すると、それに追従して筒状の押さえ部６２が下側に引っ張られながら変形し、ステム１３の上端を円周に沿ってほぼ全体を本体２３に向かって下側に加圧する。したがって、押さえ板６０により安定して光半導体１０を本体２３の上側の第１の面２１ａに搭載し、ステム１３と本体２３とが密着した状態で固定することができる。

近年、光半導体１０を含む光源モジュール１の重要な用途の１つである自動車用途では、使用環境が一般の灯具とは違い、環境温度、振動条件は過酷であり、線膨張率の異なる材質の組合せや振動による破損対策が急務であった。また、不良率の低減や光半導体１０を含む光源モジュール１を組み立てる際には作業者の目の安全性を考慮する必要から自動組立は必須となっており、その対策も必要であった。

この光源モジュール１においては、押さえ板６０により、台座２０の本体２３に光半導体１０を、ステム１３と本体２３とが密着した状態で安定して取り付けできる。また、本体２３とＴ字型の配線基板３０とは、配線基板３０にリード１１が取り付けられる第２の孔４２を前後に挟んだ三か所に設けられた取付孔２６および３４、２９および３３の組み合わせにより、本体２３に対して配線基板３０が振動しないように安定して取り付けることができる。したがって、光半導体１０のリード１１と配線基板３０とを過酷な振動条件であっても、比較的動きの少ない状態で安定して取り付けることができる。

さらに、配線基板３０としては、補強板である支持基板５０に裏打ちさたフレキシブル基板４０が採用され、光半導体１０のリード１１が挿入される領域は、支持基板５０が除かれて、リード１１はフレキシブル基板４０の可動領域で半田接続されている。このため、台座２０の本体２３と、リード１１との熱膨張率（線膨張率）の差による、アキシャル方向の伸縮は、支持基板５０の裏打ちが除かれたフレキシブル基板４０の領域がアキシャル方向にフレキシブルに伸縮して吸収される。したがって、リード１１を固定する封止ガラス１９に熱膨張率の差による応力の影響が及ぶのを抑制できる。さらに、リード１１の先端部のラジアル方向の動きをフレキシブル基板４０の弾性によって抑制されるため、振動による封止ガラス１９の根本破壊を防ぐことができる。

また、本体２３と同じ金属製の支持基板５０によりフレキシブル基板４０を裏打ちすることにより、リード１１のラジアル方向の熱膨張率の差による応力の発生を抑制することができる。さらに、放熱性の高い支持基板５０によりフレキシブル基板４０を裏打ちすることにより、リード１１を通して光半導体１０で発生した熱を逃がすことが容易となる。このため、放熱性が良好で、広い温度範囲で安定して性能を発揮でき、さらに、耐振性も高い光源モジュール１を提供できる。

さらに、フレキシブル基板４０が支持基板５０により裏打ちされているので、リード１１を挿入するフレキシブル基板４０の第２の孔４２の位置を、製造時にも安定して保持でき、自動機での組立にも対応できる光源モジュール１を提供できる。

１ 光源モジュール
１０ 光半導体、 １１ リード、 １２ キャップ、 １３ ステム
２０ 台座、 ２１ 光半導体を搭載する第１の部分、 ２２ 脚部、 ２３ 本体
３０ 配線基板、 ４０ フレキシブル基板、 ４５ａ 回路、 ４５ｂ 回路、
５０ 支持基板
６０ 押さえ板、 ６１ 孔、 ６２ 押さえ部

Claims (9)

1. リードを有する光半導体と、
   前記光半導体を機械的に接続する台座と、
   前記光半導体を電気的に接続する配線基板とを有し、
   前記台座は、上側に前記光半導体が載置され、前記リードが貫通する第１の孔を有する第１の部分と、前記第１の部分から両側下方に延びた脚部とを備えた本体を含み、
   前記配線基板は、前記第１の部分から下方に離れ、かつ、前記脚部同士の間に形成される第１の空間内に配置されており、
   前記リードが貫通する第２の孔が形成されたフレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板を支持する、前記フレキシブル基板よりも剛性の高い支持基板であって、前記第２の孔に対向する領域に前記第２の孔より大きな第３の孔が形成された支持基板とを含む、光源モジュール。
2. 請求項１において、
   前記配線基板は、前記第１の空間に配置される幅狭部と、前記幅狭部につながる幅広部とを含み、
   前記本体は、前記幅広部の両端に対応する第２の部分を含み、
   前記配線基板は前記本体に対し、前記幅狭部の先端近傍および前記第１の部分と、前記幅広部の両端近傍および前記第２の部分との少なくとも３か所で固定されている、光源モジュール。
3. 請求項１または２において、
   前記フレキシブル基板及び前記支持基板はＴ字型である、光源モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記支持基板は、前記フレキシブル基板よりも熱伝導性が高い、光源モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記支持基板の熱膨張率は、前記本体の熱膨張率と実質的に同一であり、前記フレキシブル基板が、少なくとも前記第３の孔の周囲で前記支持基板により裏打ちされている、光源モジュール。
6. 請求項５において、
   前記支持基板は、前記本体と同一材料の基板である、光源モジュール。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、さらに、
   前記光半導体を前記第１の部分の上側の第１の面に、ねじまたはリベットを介して固定する押さえ板を有する、光源モジュール。
8. 請求項７において、さらに、
   前記光半導体は、キャップと、ステムとを含み、
   前記押さえ板は略正方形で、中央に設けられた筒状の押さえ部であって、前記キャップが貫通し、前記ステムの上端に係る押さえ部と、
   前記押さえ板の四隅に設けられた前記ねじまたはリベットを通す押さえ孔とを含み、前記ねじまたはリベットにより前記本体に前記四隅が前記第１の面とほぼ平行に取り付けられている、光源モジュール。
9. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光源モジュールの製造方法であって、
   前記光源モジュールは、さらに、前記光半導体を前記第１の部分の上側の第１の面に、ねじまたはリベットを介して固定する押さえ板を有し、
   前記光半導体は、キャップとステムとを含み、
   前記押さえ板は略正方形で、中央に設けられた筒状の押さえ部であって、前記キャップが通過し、前記ステムの上端に係る押さえ部と、
   前記押さえ板の四隅に設けられた前記ねじまたはリベットを通す押さえ孔とを含み、
   当該製造方法は、前記本体の前記第１の部分に前記光半導体を搭載する際に、前記四隅が前記第１の面と反対側に反り返った状態の前記押さえ板を前記ねじまたはリベットにより前記本体に固定し、前記四隅が前記第１の面とほぼ平行にすることを含む、製造方法。

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