JP5276455B2

JP5276455B2 - 光半導体装置モジュール

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Publication number: JP5276455B2
Application number: JP2009012819A
Authority: JP
Inventors: 隆照酒井
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP2010171234A

Description

本発明は光半導体装置モジュール、特に、ヘッドランプ等の車載用の光半導体装置モジュールに関する。

一般に、車載用の光半導体装置モジュールたとえば発光ダイオード（LED）モジュールは、チップ抵抗、コンデンサ等の電子部品のモジュールと同様に、LEDをリード線取出用のカプラと共に実装基板（以下、LED搭載基板）に搭載して固定させることにより構成される。

すなわち、図７に示すように、LED１０１をLED搭載基板１０２に搭載し、LED１０１のリードフレーム（導電端子）（図示せず）をボンディングワイヤもしくはウェッジ（図示せず）によりLED搭載基板１０２上の電極パターン層１０２ａ、１０２ｂに接続する。また、リード線１０３ａ、１０３ｂを有するカプラ（コネクタ）１０３もLED搭載基板１０２上に搭載して固定される。

図８に示すように、カプラ１０３の導電端子１０３ｃ、１０３ｄははんだ１０４ａ、１０４ｂによってLED搭載基板１０２に固定されている。

尚、カプラ１０３の導電端子１０３ｃ、１０３ｄはねじ、抵抗加熱あるいはレーザ加熱によってもLED搭載基板１０２に固定できる。

しかしながら、図８に示すごとく、はんだ１０４ａ、１０４ｂによるカプラ１０３の固定においては、ヒートショック試験の結果、カプラ１０３とLED搭載基板１０２との線膨張係数の相違からはんだ１０４ａ、１０４ｂの接合部にはんだクラックが発生する。また、エンジンに近い位置に取付けられた場合、高温環境下で導電端子１０３ｃ、１０３ｄとはんだ１０４ａ、１０４ｂとの間で金属拡散が発生して金属間化合物が形成される。この金属間化合物は一般的に脆弱であるので、振動、衝撃、さらにリード線１０３ａ、１０３ｂの撓みによりはんだ１０４ａ、１０４ｂの接合部にはんだクラックが発生する。この結果、給電不良による不灯、また、放熱性の劣化、さらに、カプラ１０３の脱落を招くおそれがある。尚、鉛フリー化が進む車載部品においても、はんだフリー化が進んでいる。

また、ねじによるカプラ１０３の固定においては、ねじの回転トルクが導電端子１０３ｃ、１０３ｄにかかり、導電端子１０３ｃ、１０３ｄが変形し、不灯を招くおそれがある。

さらに、抵抗加熱もしくはレーザ加熱によるカプラ１０３の固定においては、非常に強固な接合が行えるが、はんだ１０４ａ、１０４ｂによる固定、ねじによる固定に比較して、カプラ１０３の交換が非常に困難である。

このように、カプラ１０３の導電端子１０３ｃ、１０３ｄを直接加工もしくは変形させるカプラ１０３の固定は，導電端子１０３ｃ、１０３ｄの接合部におけるはんだクラック、導電端子１０３ｃ、１０３ｄの変形、カプラ１０３の脱落を招くおそれがあった。

上述のカプラの導電端子の直接加工もしくは変形させる固定に代るものとして、近年、LED搭載基板（もしくはヒートシンク）を挟み込んで固定するカプラ（コネクタ）が採用されている。すなわち、オス端子とメス端子の結合で固定するカプラ（参照：特許文献１）、クリップで挟み込んで固定するカプラ（参照：特許文献２）、アタッチメントで挟み込んで固定するカプラ（参照：特許文献３）、あるいは板ばねで固定するカプラ（参照：特許文献４）がある。いずれも固定と給電とを同時に行う。

さらに、バスバ相互間の電気的接続を確実にするために、一方に凹部を設け、他方に凸部を設け、これらの金属弾性変形を利用して固定と給電とを同時に行うバスバ接続装置（参照：特許文献５）、また、基板の導体のエッジ部の取付穴に電子部品の端子をリベット加締めて電気的接触を行い、固定と給電とを同時に行う端子固着方法（参照：特許文献６）が知られている。

特開２００７−１９４１７２号公報特開２００７−２０７５９４号公報特開２００７−２４２２６７号公報特開２００７−２００６９７号公報特開平６−３１０１８７号公報特開昭６２−６２３０３号公報

しかしながら、オス端子、メス端子の結合によるカプラ固定では、接合面積を大きくできず、この結果、オス端子、メス端子の抜き差しによりLED搭載基板側のオス端子が剥れることがある。また、クリップによるカプラ固定もしくはアタッチメントによるカプラ固定においては、エンジン振動によりクリップもしくはアタッチメントが振動して給電が絶たれる。さらに、板ばねによるカプラ固定では、板ばねは高温環境下で脆弱となり、しかも一点接触のために、経時的変化すると接点不良を起こして給電が絶たれる。いずれの場合も、点灯／不灯の繰り返しが発生し、車両事故につながる可能性があるという課題がある。

また、上述のバスバ接続装置あるいは端子固着方法を光半導体装置に適用しても、金属のばね性が高温環境下で脆弱となり、従って、振動、衝撃により接点不良を起こして給電が絶たれることがある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置モジュールは、上面に発光部を有する光半導体装置と、光半導体装置を搭載し、光半導体装置に接続される第１の電極パターン層を有する光半導体装置搭載基板と、第２の電極パターン層を有する通電基板と、通電基板を光半導体装置搭載基板に固定するための押え部材とを具備し、第１、第２の電極パターン層の一方に突起を設けると共に第１、第２の電極パターン層の他方に穴を設け、突起を穴に圧入することにより第１の電極パターン層と第２の電極パターン層とを接合させるようにしたものである。これにより、第１の電極パターン層と第２の電極パターン層との通電が可能となる。また、押え部材により通電基板と光半導体装置搭載基板との固定が強固となる。

さらに、突起の表面上及び穴の表面上に同一の金属皮膜たとえば金（Au）皮膜を設けてある。これにより、金属の拡散接合が促進される。

本発明によれば、光半導体装置搭載基板と通電基板との接合が安定となるので、点灯／不灯の繰り返しを防止できる。

本発明に係る光半導体装置モジュールの実施の形態を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は組立斜視図である。図１の通電基板、LED搭載基板及び押え部材を説明するための図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。図１の通電基板のLED搭載基板への組立を説明するための断面図である。図１の電極パターン層間の耐振性後の接触抵抗を説明するグラフである。図２の通電基板及びLED搭載基板の第１の変更例を示す断面図である。図２の通電基板及びLED搭載基板の第２の変更例を示す断面図である。従来の光半導体装置モジュールを示す断面図である。図７のカプラの固定を説明する断面図である。

図１は本発明に係る光半導体装置モジュールの実施の形態を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は組立斜視図である。

図１において、LED１１は上面に発光部を有し、その両端にアノード、カソードのためのリードフレーム１２ａ、１２ｂを有する。

LED搭載基板２１は、LED１１を搭載するものであり、その上に、絶縁層２２、レジスト層２３及び電極パターン層２４ａ、２４ｂが形成される。LED搭載基板２１は加工性、量産性からたとえばCu、Al等の金属よりなるが、ガラスエポキシ基板（FR-4基板）あるいはセラミック基板でもよい。この場合には、絶縁層２２を省略できる。電極パターン層２４ａ、２４ｂはレジスト層２３の開口された箇所に形成される。

また、LED搭載基板２１には、後述のねじ１４ａ、１４ｂを挿入するための螺穴２５ａ、２５ｂ及び後述の通電基板６ａ、６ｂを挿入するための貫通孔２６ａ、２６ｂが設けられている。

LED搭載基板２１にはLED１１を搭載し易くするために搭載位置のレジスト層２３を開口してあり、この搭載位置に熱伝導性接着剤（シリコーン放熱性グリース層）２７を塗布してからLED１１をLED搭載基板２１に搭載する。

板ばね１３ａ、１３ｂ（図１の（Ａ）に図示せず、図１の（Ｂ）に図示）はLED１１をLED搭載基板２１に固定すると共に、給電するために導電性を有する。この板ばね１３ａ、１３ｂは絶縁加工されたねじ１４ａ、１４ｂによってLED搭載基板２１の螺穴２５ａ、２５ｂに固定される。このとき、LED１１の配光特性を変化させないために、板ばね１３ａ、１３ｂはLED１１の発光部より下側に位置し、また、ばね作用をさせるために、板ばね１３ａ、１３ｂ特にばね作用をする部分は薄い方が好ましい。しかし、LED搭載基板２１の固定方法は板ばね１３ａ、１３ｂ以外にも、AuワイヤーやAlワイヤーによるワイヤーボンディングでもよい。

LED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂは通電基板６ａ、６ｂまで延びており、通電基板６ａ、６ｂの電極パターン層６１（図１に図示せず、図２に図示）とLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂとを接合することにより電源からの給電が可能となる。

通電基板６ａ、６ｂをLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂに強固に固定するために、押え部材７によって通電基板６ａ、６ｂをLED搭載基板２１に押え込む。押え部材７は、LED搭載基板２１の貫通孔２６ａ、２６ｂを通り、LED搭載基板２１の裏面で引っかかる突起（もしくは凹み）７ａ、７ｂを有する。

このように、通電基板６ａ、６ｂとLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂとの通電と、通電基板６ａ、６ｂのLED搭載基板２１への固定とを別個に行うことにより信頼性高い通電を行うことができる。つまり、押え部材７が振動等によって外れても、通電基板６ａ、６ｂとLED搭載基板２１との接合により通電が確保でき、他方、通電基板６ａ、６ｂがLED搭載基板２１から外れても、通電基板６ａ、６ｂは押え部材７によって外れない。

図２は図１の通電基板６ａ、６ｂ、LED搭載基板２１及び押え部材７を説明するための図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。

通電基板６ａ、６ｂはヘッドランプに適するポリイミド樹脂よりなるフレキシブル基板である。尚、フレキシブル基板の代りに、ガラスエポキシ基板（FR-4基板）、金属基板、セラミック基板でもよい。また、組立を容易にするために、通電基板６ａ、６ｂを絶縁性基板で構成した場合、これらの先端部分を押え部材７の下側で結合して一体としてもよい。

LED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂには楕円形穴２４１が形成され、他方、各通電基板６ａ、６ｂの電極パターン層６１には突起６１１が形成されている。これらの楕円形穴２４１及び突起６１１は金属のエッチングあるいは削り加工によって形成できる。

LED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂ及び通電基板６ａ、６ｂの電極パターン層６１は厚さ35μm以上の無酸素銅あるいはりん青銅、黄銅等のNi、Si添加の厚さ35μm以上のCu合金箔に金属皮膜たとえば同一の金（Au）メッキを施したものである。尚、他の元素を添加して高温時のばね性劣化を防止することもできる。つまり、突起６１１の表面上及び楕円形穴２４１の表面上には同一の金（Au）皮膜が形成されている。

押え部材７は耐熱性のポリフェニレン硫化物（PPS）、ポリカーボネート等の樹脂、あるいは弾力性があるAlもしくはCuの合金よりなる。

図３は図１の通電基板６ｂ（６ａ）のLED搭載基板２１への組立を説明する断面図である。

始めに、図３の（Ａ）を参照すると、通電基板６ｂ（６ａ）の電極パターン層６１の突起６１１をLED搭載基板２１の電極パターン層２４ｂ（２４ａ）の楕円形穴２４１に挿入する。

次に、図３の（Ｂ）を参照すると、上から圧力を加えて突起６１１を楕円形穴２４１に圧入すると、通電基板６ｂ（６ａ）の電極パターン層６１の突起６１１はCu合金箔よりなり、従って、軟らかく変形し易いので、突起６１１は変形してLED搭載基板２１の電極パターン層２４ｂ（２４ａ）の楕円形穴２４１に埋め込まれる。

引き続き、圧力を加えていくと、図２の（Ｃ）に示すごとく、最終的に、通電基板６ｂ（６ａ）の電極パターン層６１はLED搭載基板２１の電極パターン層２４ｂ（２４ａ）に完全に接着することになる。

尚、通電基板６ｂ（６ａ）のLED搭載基板２１への圧力は専用の加圧治具を用いて加えて、その後、押え部材７で固定してもよいが、押え部材７で固定する際に、押え部材７で加圧してもよい。

このように、通電基板６ｂ（６ａ）の電極パターン層６１の突起６１１がつぶれてLED搭載基板２１の電極パターン層２４ｂ（２４ａ）の楕円形穴２４１に拡がる。この結果、拡がった突起６１１は楕円形穴２４１の面に1点以上で接することになり、通電が可能となる。

また、電極パターン６ｂ（６ａ）の突起６１１の表面上及び電極パターン層２４ｂ（２４ａ）の楕円形穴２４１の表面上にはAuメッキのAu皮膜が施されているので、Auの拡散接合が容易に行われる。つまり、突起６１１及び楕円形穴２４１が変形してもこれらの表面の一部に必ずAuが残存しているので、電極パターン６ｂ（６ａ）の突起６１１が電極パターン層２４ｂ（２４ａ）の楕円形穴２４１に圧入されると、摩擦熱が発生してAuの拡散接合が促進される。このとき、加圧治具で圧力を加えると、上述のAuの拡散接合はさらに促進される。

上述の通電基板６ｂ（６ａ）のLED搭載基板２１への圧入後に、たとえば、約150℃で数時間の熱履歴を加えることにより、上述のAuの拡散接合をさらに促進させることができる。約150℃としたのはAuの再結晶温度が約120℃だからである。また、数時間を超えると、LED１１の劣化が進むからである。尚、熱履歴の代りに、抵抗加熱、レーザ加熱による拡散接合の促進も可能である。

Auの拡散接合によりLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂと各通電基板６ａ、６ｂの電極パターン層６１とのより強固な接合が可能となる。また、Auの単体同士の拡散接合のために、接合性の低下は少なく、さらに、高温環境下やLED駆動時の熱によりAuの拡散接合が促進される。さらに、Auの特性として非常に軟らかくヒートショック等によるクラックも低減できる。たとえば、図４に示すごとく、振動条件として43.1m/s²（4.5G）を与え、初期接触荷重（初期接圧）を変化させても耐振性後の接触抵抗はほとんど変化しない。

このように、通電基板６ａ、６ｂの電極パターン層２４ａ、２４ｂに突起６１１を設けると共にLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂに楕円形穴２４１を設けることにより、加圧するだけで接合でき、通電が可能となる。また、Auの拡散接合が容易に行うことができ、より安定した電気的接続が可能となる。さらに、通電基板６ａ、６ｂとLED搭載基板２１との固定は押え部材７によって強固となり、また、常に加圧状態となるので、Auの拡散接合が促進される。すなわち、本発明によれば、電気的接続機能と基板同士の固定機能とを別々にすることにより、接点不良及び脱落を回避でき、より高い信頼性の給電を可能とする。

図５は図２の第１の変更例を示す断面図である。図５のLED搭載基板２１の電極パターン層２４ａ、２４ｂにおいては、図２の楕円形穴２４１の代りに、四角形穴２４１’を設けてある。楕円形穴２４１の加工より四角形穴２４１’の加工の方が容易であり、従って、製造コストを低減できる。

図６は図２の第２の変更例を示す断面図である。図６のLED搭載基板２１の各電極パターン層２４ａ、２４ｂに突起２４２を設け、他方、通電基板６ａ、６ｂの各電極パターン層６１に楕円形穴６１２を設けてある。これにより、通電基板６ａ、６ｂが少し厚くなるが、図２の場合と同様の効果が期待できる。

尚、図６においても、図５の楕円形穴６１２の代りに、四角形穴を設けてもよい。これにより、製造コストを低減できる。

上述の実施の形態においては、通電基板６ａ、６ｂを押え部材７で固定しているが、通電基板６ａ、６ｂとLED搭載基板２１との接合だけで満足な固定ができれば、押え部材７を省略できる。また、電極パターン層２４ａ、２４ｂ及び電極パターン層６１を大きくすることにより、また、突起及び楕円形穴（あるいは四角形穴）の数を多くしあるいは大きくすることにより、通電基板６ａ、６ｂとLED搭載基板２１との接合面積を大きくでき、より強固な接合が可能となる。

１１：LED
１２ａ、１２ｂ：リードフレーム
１３ａ、１３ｂ：板ばね
１４ａ、１４ｂ：ねじ
２１：LED搭載基板
２２：絶縁層
２３：レジスト層
２４ａ、２４ｂ：電極パターン層
２４１：楕円形穴
２４１’：四角形穴
２４２：突起
２５ａ、２５ｂ：螺穴
２６ａ、２６ｂ：貫通孔
２７：熱伝導性接着剤
６ａ、６ｂ：通電基板
６１：電極パターン層
６１１：突起
６１２：楕円形孔
７：押え部材

Claims

上面に発光部を有する光半導体装置と、
該光半導体装置を搭載し、該光半導体装置に接続される第１の電極パターン層を有する光半導体装置搭載基板と、
第２の電極パターン層を有する通電基板と、
該通電基板を前記光半導体装置搭載基板に固定するための押え部材と
を具備し、
前記第１、第２の電極パターン層の一方に突起を設けると共に該第１、第２の電極パターン層の他方に穴を設け、
前記突起を前記穴に圧入することにより前記第１の電極パターン層と前記第２の電極パターン層とを接合させるようにした光半導体装置モジュール。
前記押え部材が前記光半導体装置搭載基板の貫通孔を通り該光半導体装置搭載基板の裏面で引っかかるようにした請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
前記突起の表面上及び前記穴の表面上に同一の金属皮膜を設けてある請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
前記金属皮膜が金（Au）よりなる請求項３に記載の光半導体装置モジュール。