JP2017162575A - 光源ユニットの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光源ユニットから回路基板への伝熱量を増やし、半導体発光素子の放熱効率を高め、光源ユニットの寿命を延長する。
【解決手段】光源ユニット４に、ＬＥＤ３の発熱を回路基板２側に取り出す放熱部２２，２３を設ける。回路基板２に、ＬＥＤ３に電力を供給する配線パターン１４と、ＬＥＤ３の発熱を放熱部２２，２３から受け取る受熱部１７とを設ける。放熱部２２，２３と受熱部１７の間に熱伝導性部材２０を介装する。配線パターン１４の一部に形成された端子孔１６は受熱部として機能し、端子孔１６に圧入されるプレスフィット端子２５が放熱部として機能する。車両用灯具において、回路基板に立体基板を使用し、立体基板上に複数の光源ユニットを三次元配置することもできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子を備えた光源ユニットにおいて、半導体発光素子が発生した熱を回路基板側に放出するための放熱構造に関する。

従来、光源ユニットの実装に使用するろう材を利用して半導体発光素子の発熱を回路基板に取り出す放熱構造が知られている。例えば、図９に示す放熱構造８１では、ＬＥＤ８２を備えた光源ユニット８３が半田８４で回路基板８５上の配線パターン８６に装着され、ＬＥＤ８２の発熱を半田８４に伝えて配線パターン８６に取り出し、回路基板８５から周囲に放出するようになっている。特許文献１には、半田を用いた放熱構造において、半田リフローに伴うＬＥＤの位置ずれを防止する技術が提案されている。

特開２０１５−５６２２８号公報

従来の放熱構造によると、光源ユニット実装用のろう材を放熱に利用できる利点がある。しかし、ろう材自体の接合面積は比較的狭いため、光源ユニットから回路基板への伝熱量が限られ、蓄熱によって光源ユニットの寿命が短くなるという問題点があった。また、伝熱量を増加させるためにろう材の使用量を増やすことも考えられるが、そうするとリフローに伴って光源ユニットの実装位置がずれやすくなるという別の問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、光源ユニットの位置ずれを招くことなく放熱効率を高め、光源ユニットの寿命を延ばすことができる放熱構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の放熱構造は、半導体発光素子が設けられた光源ユニットと、光源ユニットを支持する回路基板とを備え、光源ユニットが半導体発光素子の発熱を回路基板側に放出する放熱部を含み、回路基板が半導体発光素子に電力を供給する給電部と、半導体発光素子の発熱を放熱部から受け取る受熱部とを含むことを特徴とする。

ここで、光源ユニット側の放熱部および回路基板側の受熱部は特定の形状や構成に限定されない。例えば、光源側端子を放熱部として用い、基板側端子を受熱部として使用し、光源側端子と基板側端子の少なくとも一方に、他方との接触により弾性変形される圧接部を設け、この圧接部の弾性復元力によって光源ユニットを回路基板上に保持するように構成することができる。こうすれば、放熱部および受熱部を伝熱手段のみならず実装手段として兼用し、回路基板上に光源ユニットを簡単かつ高い位置精度で実装することができる。

また、より高い放熱効率が得られるように、光源ユニットの放熱部と回路基板の受熱部との間に熱伝導性部材を介装するのが好ましい。放熱構造を安価に提供できる点では、回路基板にプリント基板を使用し、プリント基板の配線パターン中に給電部と受熱部を含ませるのも望ましい。この場合、配線パターンの一部に形成された端子孔を回路基板の受熱部として機能させ、端子孔に圧入されるプレスフィット端子を光源ユニットの放熱部として機能させることができる。

回路基板としては、特定の基板に限定されず、例えば、リジッド基板、フレキシブル基板、平面基板、立体基板など、光源ユニットの用途に応じた各種基板を使用できる。例えば、灯室内に複数の光源ユニットが三次元的に配置されるような車両用灯具の場合には、各ユニットを高精度かつ容易に位置決めできるように、回路基板として、複数の光源ユニットを異なる位置に支持する立体基板を使用し、この立体基板に、少なくとも２つの光源ユニットに共通する配線パターンを設け、この配線パターンに光源ユニット毎の受熱部を設けることができる。

本発明の放熱構造によれば、半導体発光素子の発熱を光源ユニットの放熱部から回路基板の受熱部に導くように構成したので、光源ユニットから回路基板への伝熱量を増やし、半導体発光素子の放熱効率を高め、光源ユニットの寿命を延長できるという優れた効果を奏する。また、放熱のために半田等のろう材を使用する必要がなくなるので、リフローに伴う光源ユニットの位置ずれを防止することもできる。

本発明の一実施形態を示す照明モジュールの平面図である。 実施例１の放熱構造を示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 光源ユニットの平面および立面図である。 光源側端子の変形例を示す立面図である。 実施例２の放熱構造を示す斜視図である。 実施例２の放熱構造を示す断面図である。 実施例３の放熱構造を示す斜視図である。 実施例３の放熱構造を示す断面図である。 従来の放熱構造を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示す照明モジュール１は、例えば、車両用灯具の灯具ボディ（図示略）内に装備される回路基板２を備えている。回路基板２上には、半導体発光素子としてのＬＥＤ３を備えた複数の光源ユニット４が装着されるとともに、車載バッテリー等の外部電源（図示略）に接続されるコネクタ、例えばカードエッジコネクタ５が設けられている。カードエッジコネクタ５は回路基板２上の配線パターン１４（図２参照）を介して各光源ユニット４のＬＥＤ３に電気接続され、回路基板２が外部電源から入力した電力を複数のＬＥＤ３に供給するようになっている。

なお、回路基板２として、図１には次に説明する実施例１の平面基板が代表的に示されているが、実施例２，３で説明する立体基板を使用することもできる。また、照明モジュール１は、車両用灯具に限定されず、住宅用の照明装置などに使用することもできる。光源ユニット４の半導体発光素子には、ＬＥＤ３のほかに、半導体レーザーを使用することもできる。以下に、光源ユニット４の放熱構造について、幾つかの実施例を挙げて詳細に説明する。

まず、本発明の実施例１を図２、図３、図４に基づいて説明する。図２に示すように、実施例１の放熱構造１１では、回路基板２が絶縁材料で平面状に形成され、回路基板２の表面に光源ユニット４が装着され、回路基板２の裏面に放熱シート１２を介して放熱板１３が組み合わされている。回路基板２はリジッドなプリント基板であって、その表裏両面に給電部としての配線パターン１４が銅メッキにより形成され、配線パターン１４の大部分が電気絶縁材料からなるレジスト１５で被覆されている。

光源ユニット４は、ＬＥＤ（チップ）３を収容する樹脂製のパッケージ１９を備えている。ＬＥＤ３は蛍光材混入樹脂２１でパッケージ１９の内側に封入され、パッケージ１９の底部にＬＥＤ３の熱を逃がす開口部１９ａが形成されている。開口部１９ａにはＬＥＤ３の電極つまりカソード２２およびアノード２３が露出し、これらはＬＥＤ３の発熱を回路基板２側に放出する放熱部として機能するようになっている。

回路基板２のレジスト１５は、光源ユニット４が装着される領域およびその周辺領域から除去されている。除去された部分の配線パターン１４には、複数の端子孔１６と受熱用銅箔部１７が設けられ、これらはＬＥＤ３の発熱を光源ユニット４側の放熱部から受け取る受熱部として機能する。なお、端子孔１６は、内面が配線パターン１４と同じ銅メッキで被覆されたスルーホールであり、配線パターン１４を介してカードエッジコネクタ５に電気接続されている。

光源ユニット４の開口部１９ａには、放熱パッドまたは放熱グリスからなる熱伝導性部材２０が設けられている。熱伝導性部材２０は、開口部１９ａの周面により移動が規制された状態で、ＬＥＤ３の電極２２，２３と受熱用銅箔部１７との間に介装されている。そして、ＬＥＤ３の発熱の一部が電極２２，２３から熱伝導性部材２０を介して受熱用銅箔部１７に伝導され、受熱用銅箔部１７から回路基板２の配線パターン１４および放熱シート１２を介して放熱板１３に伝えられ、照明モジュール１の周囲に放出される。

なお、熱伝導性部材２０としては、回路基板２よりも高い熱伝導率の材料を使用でき、好ましくは、一般的なガラス・エポキシ樹脂基板（ＦＲ−４）よりも高い０．２Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導率を有する固形または液状材料を使用できる。より好ましくは、熱伝導性部材２０を金属材料で形成することができる。ＬＥＤ３の電極であるカソード２２やアノード２３と熱伝導性部材２０の間に放熱性接着剤を介在させ、ＬＥＤ３の発熱を熱伝導性部材２０に伝え、熱伝導性部材２０と回路基板２の受熱用銅箔部１７の間に放熱性接着剤を介在させ、熱伝導性部材２０の熱を配線パターン１４に伝えるように構成してもよい。また、配線パターン１４を被覆するレジスト１５にも、熱伝導性部材２０と同程度の熱伝導率を有する材料を好ましく使用できる。パッケージ１９の裏面側で短絡が発生しないように、ＬＥＤ３の電極位置に合わせて受熱用銅箔部１７を二分割し、双方間に０．１ｍｍ以上のマイグレーション防止用の間隙を設定したり、レジストを介在させたりしてもよい。

ＬＥＤ３の電極つまりアノード２３およびカソード２２は、それぞれ光源ユニット２側の端子であるプレスフィット端子２５に接続され、この光源側端子２５が電極２２，２３と共にＬＥＤ３の発熱を回路基板２側に放出する放熱部として機能する。図３（ａ）に示すように、プレスフィット端子２５は、光源ユニット４の装着に際して極性を誤認しないように、パッケージ１９の相対する２辺に異なる本数で下向きに突出形成され、回路基板２の端子孔１６に圧入される。また、この実施例１のプレスフィット端子２５は、半導体パッケージと同様にＬ字形またはＵ字形のリードフレーム構造を備え、回路基板２への装着時に、パッケージ１９が直接加圧されないように、リードフレームの肩部がパッケージ１９から外側へ飛び出す構造となっている。

図３（ｂ）に示すように、各プレスフィット端子２５の先端または下端には圧接部２６が細長い環状に形成されている。そして、プレスフィット端子２５を端子孔１６に圧入した状態で、圧接部２６が端子孔１６の内面（銅メッキ部分）と接触して、光源ユニット４の装着方向Ｐと直交する方向へ弾性変形し、装着後の光源ユニット４（図２参照）が圧接部２６の弾性復元力によって回路基板２に保持されるとともに、ＬＥＤ３の発熱の一部が光源ユニット４からプレスフィット端子２５を介して回路基板２に伝えられるようになっている。なお、圧接部２６は、その下端が端子孔１６から回路基板２の下側にはみ出さないように設けるのが好ましく、回路基板２の下側に放熱板１３を設置する場合は、基板２の下面から０．１ｍｍ以上端子孔１６の内側に収まるように設けるのが望ましい。

具体的には、図４（ａ）に示すように、プレスフィット端子２５の基部に、圧接部２６の挿入限度位置を決めるストッパ２７を設けることができる。また、圧接部２６の形状は、環状に限定されず、図４（ｂ）に示すように、一部が開いた略Ｕ字形としてもよい。さらに、回路基板２とパッケージ１９の熱膨張差を吸収するために、図４（ｃ）に示すように、プレスフィット端子２５の基部に屈曲部２８を切り欠き、熱膨張差による光源ユニット４の位置ずれを防止することもできる。

以上のように構成された実施例１の放熱構造１１によれば、ＬＥＤ３の発熱をその電極２２，２３およびプレスフィット端子２５から受熱用銅箔部１７および端子孔１６に導いているため、従来のろう材接合による放熱構造と比較し、光源ユニット４から回路基板２への伝熱量を増加させ、放熱効率を大幅に高めることができる。また、放熱部でもあるプレスフィット端子２５が圧接部２６の弾性復元力によって光源ユニット４を回路基板２上に強固に保持しているので、半田等のろう材を使用しなくても、光源ユニット４の位置ずれを確実に防止できるという利点もある。

次に、本発明の実施例２を図５、図６に基づいて説明する。実施例２の放熱構造３１では、照明モジュールの回路基板として立体基板３２が用いられている。ヘッドランプやリアランプ等の車両用灯具では、立体基板３２として樹脂製のＭＩＤ ( Molded Interconnect Device）基板を好ましく使用でき、この基板３２に複数の光源支持部３４がそれぞれ異なる高さとなるように形成されている。そして、各光源支持部３４に光源ユニット３５が支持され、プレスフィット端子３６によって立体基板３２上に保持されている。

光源ユニット３５は、リジッドなＰＣＢ（プリント回路基板）３７上にＬＥＤパッケージ３８と電子部品３９（コンデンサ、抵抗等）を実装して構成されている。ＰＣＢ３７の表裏両面には光源側配線パターン４５が形成され、その２箇所に光源側端子としてのスルーホール４０が設けられている。また、光源側配線パターン４５の裏面側部分には、ＬＥＤパッケージ３８の発熱を立体基板３２側に放出する放熱部４６（図６参照）が設けられている。

立体基板３２の各光源支持部３４には、プレスフィット端子３６を介して光源側スルーホール４０に電気接続される基板側端子としての複数のスルーホール４１が貫設されるとともに、各スルーホール４１に電力を供給する基板側配線パターン４２が形成されている。基板側配線パターン４２には、光源ユニット３５の放熱部４６と相対する部位に受熱部としての銅箔部４７が形成され、この受熱用銅箔部４７の上に熱伝導性部材２０が配置されている。

一方、プレスフィット端子３６には、光源側スルーホール４０に圧入される第１圧接部４３と、基板側スルーホール４１に圧入される第２圧接部４４とが設けられ、両圧接部４３，４４の弾性復元力によって光源ユニット３５が立体基板３２上に保持される。そして、図示例では、配線パターン４２が３つの光源ユニット３５に共通する給電部として機能し、受熱用銅箔部４７および熱伝導性部材２０が各光源ユニット３５に別々に設けられ、光源支持部３４毎に光源ユニット３５から立体基板３２への放熱が行われるようになっている。

したがって、実施例２の放熱構造３１によれば、ＬＥＤパッケージ３８の発熱を光源側配線パターン４５に含まれる放熱部４６から熱伝導性部材２０を介して基板側配線パターン４２に含まれる受熱用銅箔部４７に導き、光源ユニット３５から立体基板３２への熱伝導量を増やし、ＬＥＤパッケージ３８を効率よく冷却することができる。また、プレスフィット端子３６が圧接部２６の弾性復元力によって光源ユニット３５を立体基板３２上に強固に保持しているので、複数のＬＥＤパッケージ３８をそれぞれ異なる位置に精度よく三次元配置することができる。しかも、光源ユニット３５毎に放熱を行うため、高度の放熱機能を備えた光源ユニット３５を標準部品化し、大量生産による部品コストの削減を図ることができる。

続いて、本発明の実施例３を図７、図８に基づいて説明する。実施例３の放熱構造５１では、実施例２と同様、回路基板に立体基板３２が用いられ、立体基板３２の光源支持部３４に複数の光源ユニット５２がそれぞれ異なる高さ位置に支持されている。光源ユニット５２は、実施例２と異なり、下面が開放した薄箱形の樹脂ベース５３を備え、樹脂ベース５３の内部に一対の板バネ５４の基端部が埋設されている。板バネ５４は銅合金等の導電性材料で形成され、その基端部がＬＥＤパッケージ３８の一対の電極部（図示略）に電気接続され、先端露出部に光源側端子５５が設けられ、板バネ５４の中間部がＬＥＤパッケージ３８の発熱を立体基板３２側に放出する放熱部６０（図８参照）となっている。

一方、立体基板３２の各光源支持部３４には、光源側端子５５に別々に電気接続される基板側端子５６が形成されるとともに、各基板側端子５６に電力を供給する給電部としての配線パターン５７が形成されている。配線パターン５７には、光源ユニット５２の放熱部６０と相対する部位に受熱部としての銅箔部６１が形成され、この受熱用銅箔部６１の上に熱伝導性部材２０が配置されている。

基板側端子５６と光源支持部３４には開口５９が設けられ、開口５９内に挿入可能な圧接部５８が光源側端子５５の内側に折り曲げて形成されている。そして、光源ユニット５２のベース５３を立体基板３２の光源支持部３４に冠着し、基板側端子５６との接触により圧接部５８を弾性変形させて開口５９に掛止し、圧接部５８の弾性復元力によって光源ユニット５２を立体基板３２上に保持し、この状態で、ＬＥＤパッケージ３８の発熱を放熱部６０から熱伝導性部材２０および受熱用銅箔部６１を介して立体基板３２に導き出すように構成されている。

したがって、実施例３の放熱構造５１によれば、実施例２と同様の放熱効果に加え、光源側端子５５の圧接部５８を基板側端子５６の開口５９に掛止することによって、光源ユニット５２を立体基板３２に強固に保持し、複数のＬＥＤパッケージ３８をそれぞれ異なる位置に精度よく三次元配置することができるとともに、標準化された光源ユニット５２を立体基板３２の複数位置に高精度かつ安価に実装することもできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、光源ユニット４の放熱部や回路基板２の受熱部の形状を適宜に変更したり、立体基板３２の光源支持部３４の角度、向きまたは個数を変更したりするなど、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状ならびに構成を適宜変更して実施することも可能である。

１ 照明モジュール
２ 回路基板
３ ＬＥＤ
４ 光源ユニット
１１ 光源ユニットの放熱構造（実施例１）
１４ 配線パターン
１６ 端子孔
１７ 受熱用銅箔部
２０ 熱伝導性部材
２５ プレスフィット端子
２６ 圧接部
３１ 光源ユニットの放熱構造（実施例２）
３２ 立体基板
３５ 光源ユニット
３６ プレスフィット端子
３８ ＬＥＤパッケージ
４０ 光源側スルーホール
４１ 基板側スルーホール
４２ 基板側配線パターン
４５ 光源側配線パターン
４６ 放熱部
４７ 受熱用銅箔部
５１ 光源ユニットの放熱構造（実施例３）
５２ 光源ユニット
５４ 板バネ
５５ 光源側端子
５６ 基板側端子
５７ 配線パターン
６０ 放熱部
６１ 受熱用銅箔部

Claims (6)

1. 半導体発光素子が設けられた光源ユニットと、該光源ユニットを支持する回路基板とを備え、前記光源ユニットが、半導体発光素子の発熱を回路基板側に放出する放熱部を含み、前記回路基板が、半導体発光素子に電力を供給する給電部と、前記半導体発光素子の発熱を前記放熱部から受け取る受熱部とを含むことを特徴とする放熱構造。
2. 前記光源ユニットの放熱部と前記回路基板の受熱部との間に熱伝導性部材が介装されている請求項１記載の放熱構造。
3. 前記回路基板がプリント基板を含み、前記給電部および受熱部がプリント基板の配線パターンに含まれている請求項１又は２記載の放熱構造。
4. 前記回路基板の受熱部が前記配線パターンの一部に形成された端子孔を含み、前記光源ユニットの放熱部が端子孔に圧入されるプレスフィット端子を含む請求項３記載の放熱構造。
5. 前記回路基板の受熱部が前記配線パターンの一部に形成された基板側端子を含み、前記光源ユニットの放熱部が基板側端子に弾性接触する光源側端子を含む請求項３記載の放熱構造。
6. 前記回路基板が、複数の光源ユニットを異なる位置に支持する立体基板を含み、該立体基板が少なくとも２つの光源ユニットに共通する配線パターンを備え、該配線パターンが光源ユニット毎に別々の受熱部を含む請求項１〜５の何れか一項に記載の放熱構造。

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