JP2015185560A

JP2015185560A - 半導体発光モジュール

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Publication number: JP2015185560A
Application number: JP2014058065A
Authority: JP
Inventors: 和亮川崎; Kazuaki Kawasaki; 陽大石; Hiromi Oishi; 紀博檜山; Norihiro Hiyama
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP6317147B2

Abstract

【課題】半導体発光装置の点灯時の発熱を効率良く放熱して該半導体発光装置の自己発熱による温度上昇を抑制することができる半導体発光モジュールを提供することにある。
【解決手段】複数のリードピン３１、３２の先端面上に第１の基板１０を接合すると共に中間位置に第２の基板２０を接合してなるステム５０の第１の基板１０上に半導体発光装置２を接合し、バルブ６０の封着空間６２内に半導体発光装置２が接合されたステム５０を収容してリードピン３１、３２が封着空間６２から外部に導出するようにした。第１の基板１０は、内部に導電性及び熱伝導性が高い部材が充填されてなる複数のフラットスルーホールを有し、複数のフラットスルーホールの夫々の上面と半導体発光装置２の複数の電極パターン３ａ、３ｂの夫々、及び複数のフラットスルーホールの夫々の下面と複数のリードピン３１、３１の夫々の先端面がはんだ接合されている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、半導体発光モジュールに関するものであり、詳しくは、密閉空間内に光源の半導体発光装置を収容してなる半導体発光モジュールに関する。

従来、この種の半導体発光モジュールとしては、例えば、特許文献１に「発光ダイオード」として開示されたものがある。

開示された発光ダイオード８０は、図１１（概略断面図）にあるように、基板８１上に第１の導体パターン８２と第２の導体パターン８３が形成され、第１の導体パターン８２はＬＥＤチップ８４がダイボンディングされて該ＬＥＤチップ８４の下部電極(図示せず)と第１の導体パターン８２が電気的に接続されると共に基板８１の貫通孔８５に挿通された第１のリード端子８６の先端部８６ａに接続されている。

第２の導体パターン８３は、一端部がＬＥＤチップ８４の上部電極（図示せず）に接合されたボンディングワイヤ８７の他端部が接合されて該ＬＥＤチップ８４の上部電極と第２の導体パターン８３がボンディングワイヤ８７を介して電気的に接続されると共に基板８１の貫通孔８８に挿通された第２のリード端子８９の先端部８９ａに接続されている。

そして、基板８１、ＬＥＤチップ８４、第１のリード端子８６の上端及び第２のリード端子８９の上端の夫々が気密容器９０と封止部９１で形成された気密空間９２内に収容されると共に、第１のリード端子８６の下端８６ｂ及び第２のリード端子８９の下端８９ｂが封止部９１を気密に貫通して外部に導出されている。

特開２００５−１０８９３６号公報

ところで、上記構成の発光ダイオード８０は、ＬＥＤチップ８４の点灯時（発光時）の発熱は、その一部が、ＬＥＤチップ８４がダイボンディングされた第１の導体パターン８２及び第１のリード端子８６を伝導して外部に放散され、一部が、ＬＥＤチップ８４が実装された基板８１及び第１のリード端子８６及び第２のリード端子８９を伝導して外部に放散され、一部が、気密空間９２内に放散されて第１のリード端子８６及び第２のリード端子８９に伝達され、第１のリード端子８６及び第２のリード端子８９を伝導して外部に放散される。

その場合、第１の導体パターン８２は３５μｍ程度の厚みで形成されているために断面積が小さくて熱抵抗値が大きく、熱伝導性がよくない。また、基板８１もセラミックやガラス等の熱伝導率の小さい材料で形成されている。また、第１のリード端子８６及び第２のリード端子８９の夫々の気密空間９２内に位置する部分は、ＬＥＤチップ８４の点灯時に連続的に生じる発熱に対して相対的に受熱面積が小さく、気密空間９２内に籠もった熱を第１のリード端子８６及び第２のリード端子８９のみで外部に放散することは難しい。

また、バーナ加熱による封止部９１の融着封止の際に、ＬＥＤチップがバーナの熱を受けて劣化する懸念もある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤチップ（半導体発光装置）の点灯時の発熱を効率良く放熱して該半導体発光装置の自己発熱による温度上昇を抑制することができる半導体発光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、金属部材で形成され、互いに平行に延設された複数のリードピンと、前記複数のリードピンの夫々の一方の先端面上に配置されて接合された第１の基板と、前記第１の基板から所定の距離だけ離れた位置に位置し、前記複数のリードピンが貫通して接合された第２の基板とを有するステムと、前記ステムの前記第１の基板上に接合された半導体発光装置と、透光性部材で形成され、有底開口の円筒状の前記開口部が封着部で封着されることにより封着空間が形成されたバルブとを備え、前記バルブの前記封着空間内に、前記半導体発光装置が接合された前記ステムが収容されると共に、前記複数のリードピンが前記封着空間から前記封着部を貫通して外部に導出されてなる半導体発光モジュールであって、前記第１の基板は、内部に導電性及び熱伝導性が高い部材が充填されてなる複数のフラットスルーホールを有し、前記複数のフラットスルーホールの夫々の上面と前記半導体発光装置の複数の電極パターンの夫々、及び前記複数のフラットスルーホールの夫々の下面と前記複数のリードピンの夫々の前記先端面がはんだ接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記第２の基板は複数の導電パターンを有し、前記複数の導電パターンの夫々と前記複数のリードピンの夫々がはんだ接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２において、前記封止部は、前記バルブの開口部と前記第２の基板との間に設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記複数のリードピンの夫々は、先端部と中間部の２箇所に該リードピンの径方向外側に向かって環状に延びるフランジ部を有し、前記先端部に位置するフランジ部が前記第１の基板とはんだ接合され、前記中間部に位置するフランジ部が前記第２の基板にはんだ接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記封着部は、エポキシ系あるいはシリコーン系の樹脂で形成されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光モジュールは、複数のリードピンの夫々の一方の先端面上に第１の基板を接合すると共に第１の基板から所定の距離だけ離れた位置に第２の基板を接合してなるステムを形成し、第１の基板上に半導体発光装置が接合されたステムを、封着部で封着されたバルブの封着空間内に収容してリードピンが封着空間から封着部を貫通して外部に導出するようにした。

この場合、第１の基板は、内部に導電性及び熱伝導性が高い部材が充填されてなる複数のフラットスルーホールを有し、複数のフラットスルーホールの夫々の上面と半導体発光装置の複数の電極パターンの夫々、及び複数のフラットスルーホールの夫々の下面と複数のリードピンの夫々の先端面をはんだ接合した。

これにより、半導体発光装置の点灯時の発熱が、はんだ接合部を含む、第１の基板のフラットスルーホールの充填部とリードピンによる伝熱経路を経て放熱される。したがって、伝熱経路中に、樹脂や断面積が小さい導体パターン等の熱抵抗が高い部分を有することがなく、優れた放熱効果を得ることができる。

実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。同様に、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法の説明図である。実施形態の半導体発光モジュールの伝熱経路の説明図である。従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１０を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１〜図９は、実施形態の半導体発光モジュールの製造方法を説明する図である。以下、図１〜図９の説明図を参照して、半導体発光モジュールの製造方法の一例を工程順に説明する。

まず（図1(第１の基板の断面図)参照）、後述の半導体発光装置２を実装する第１の基板１０を作製する、第１の基板１０は、例えば、ガラスエポキシ基板からなるベース基板１１の両面に銅箔が積層されてなるエポキシ樹脂銅張積層板（ＦＲ−４）を用い、一方の面（表面）の銅箔にエッチング処理を施して、半導体発光装置２の一対の外部接続用電極の夫々との間で電気的及び機械的な接続を行う一対の半導体発光装置実装用パッド１２ａ、１２ｂが形成され、他方の面（裏面）の銅箔にエッチング処理を施して、後述する一対のリードピン３１、３１の夫々の一方の先端部との間で電気的及び機械的な接続を行う一対のリードピン接合用パッド１３ａ、１３ｂが形成されている。

半導体発光装置実装用パッド１２ａとリードピン接合用パッド１３ａ、及び、半導体発光装置実装用パッド１２ｂとリードピン接合用パッド１３ｂは夫々、スルーホール１４、１５によって電気的に接続され、スルーホール１４、１５の夫々の貫通孔内には充填材が充填されて充填部１４ａ、１５ａが形成され、それによりフラットスルーホール構造を呈している。充填部１４ａ、１５ａを形成する充填材には、例えば、導電性樹脂ペースト等の導電性及び熱伝導性が高い部材が用いられる。

次に（図２（リードピンの正面図）参照）、第１の基板１０を接合して固定支持する一対のリードピン３１、３２を作製する。リードピン３１、３２は金属部材からなり、リードピン３１、３２の夫々は細径円柱状に長く延びる柱状部３１ａ、３２ａを有し、柱状部３１ａ、３２ａの一方の先端部に該柱状部３１ａ、３２ａの径方向外側に向かって環状に延びる第１のフランジ部３１ｂ、３２ｂを有すると共に第１のフランジ部３１ｂ、３２ｂから他方の端部側に所定の距離だけ離れた位置に、第１のフランジ部３１ｂ、３２ｂと同様に柱状部の径方向外側に向かって環状に延びる第２のフランジ部３１ｃ、３２ｃを有している。第１のフランジ部３１ｂ、３２ｂの夫々の上端面３１ｂａ、３２ｂａは平坦面を有している。

次に（図３(第２の基板の断面図)参照）、一対のリードピン３１、３２が挿通して該リードピン３１、３２に接合固定される第２の基板２０を作製する。第２の基板２０は、例えば、ガラスエポキシ基板からなるベース基板２１の片面に銅箔が積層されてなるエポキシ樹脂銅張積層板（ＦＲ−４）を用い、第１の基板１０に設けられたスルーホール１４、１５と同一間隔でリードピン３１、３２が挿通する一対のリードピン挿通孔２２、２３が設けられている。

リードピン挿通孔２２、２３の夫々の周囲には、銅箔にエッチング処理を施してリードピン挿通孔２２、２３の夫々の周囲を囲むようにリードピン接合用パッド２４ａ、２４ｂが形成されている。

次に（図４（第１の基板とリードピンとの接合断面図）参照）、第１の基板１０のリードピン接合用パッド１３ａとスルーホール１４の充填部１４ａの下部１４ａａをリードピン３１の第１のフランジ部３１ｂの上端部３１ｂｂにはんだ４０により接合し、同様に、第１の基板１０のリードピン接合用パッド１３ｂとスルーホール１５の充填部１５ａの下部１５ａａをリードピン３２の第１のフランジ部３２ｂの上端部３２ｂｂにはんだ４０により接合する。

次に（図５(第２の基板とリードピンとの接合断面図)参照）、第２の基板２０のリードピン挿通孔２２、２３の夫々にリードピン３１、３２の夫々を挿通し、リードピン接合用パッド２４ａとリードピン３１の第２のフランジ部３１ｃ、及び、リードピン接合用パッド２４ｂとリードピン３２の第２のフランジ部３２ｃの夫々を、はんだ４０により接合する。

すると、図６（ステムの正面図））に示すような、リードピン３１、３２に第１の基板１０及び第２の基板２０がはんだ４０を介して接合固定されてなるステム５０が形成される。

次に（図７（ステムを構成する第１の基板と半導体発光装置との接合断面図）参照）、ステム５０を構成する第１の基板１０上に半導体発光装置２を実装する。半導体発光装置２は基板３の一方の面に半導体発光素子４が実装されて透光性部材５で封止され、一対の素子電極（アノード電極及びカソード電極）の夫々に接続された一対の電極パターン３ａ、３ｂが半導体発光素子実装面から対向する側面を経て反対面に回り込むように延設されている。

そこで、第１の基板１０上に半導体発光装置２を載置し、半導体発光装置２の一方の電極パターン３ａを第１の基板１０の半導体発光装置実装用パッド１２ａとスルーホール１４の充填部１４ａの上部１４ａｂにはんだ４０により接合し、同様に、半導体発光装置２の他方の電極パターン３ｂを第１の基板１０の半導体発光装置実装用パッド１２ｂとスルーホール１５の充填部１５ａの上部１５ａｂにはんだ４０により接合する。

最後に（図８（バルブに対するステムの固定図）参照）、透光性を有するガラスあるいは樹脂からなる有底開口の円筒状のバルブ６０を開口部６１を上方に向けて固定治具にセットし、半導体発光装置２が実装されたステム５０を半導体発光装置２側からバルブ６０内の所定の位置まで挿入し、リードピン３１、３２をクランプしてそのまま保持する。

そして、ステム５０がバルブ６０の所定の位置に保持された状態で、バルブ６０の開口部６１からバルブ６０内に封着材６５を注入して封着部６６を形成する。封着材６５はエポキシ系あるいはシリコーン系の樹脂が用いられ、ステム５０の第２の基板２０によって堰き止められて第２の基板２０から先への流入が止められる。

これにより、図９（半導体発光モジュールの透視図）にあるように、開口部６１が封着部６６によって封着されたバルブ６０の封着空間６２内に半導体発光装置２が搭載されたステム５０が収容されると共にステム５０の一対のリードピン３１、３２が封着空間６２内から封着部６６を貫通してバルブ６０外に導出されてなる半導体発光モジュール１が完成する。

そこで（図１０（伝熱経路の説明図）参照）、バルブ６０外に導出された一対のリードピン３１、３２間に外部電源から所定の電圧を印加すると、リードピン３１、３２の夫々に電気的に接続された、第１の基板１０のリードピン接合用パッド１３ａ、１３ｂ間に電圧が印加され、更にスルーホール１４、１５、半導体発光装置実装用パッド１２ａ、１２ｂ及び半導体発光装置２の一対の電極パターン３ａ、３ｂ間を経て半導体発光素子４の素子電極に印加されて該半導体発光素子４が発光し、半導体発光素子４の発光光（Ｌ）が半導体発光装置２から出射される。半導体発光装置２からの出射光は透光性を有するバルブ６０を透過して半導体発光モジュール１外に出射される。

このとき、半導体発光素子４は発光と同時に熱を発生する。このときの発熱（Ｈ）は、半導体発光素子４から該半導体発光素子４が実装された基板３に伝導され、基板３から第１の基板１０のスルーホール１４、１５の充填部１４ａ、１５ａ及びはんだ４０を経てリードピン３１、３２に伝導され、該リードピン３１、３２の、バルブ６０からの導出部を介して外部に放散される。

換言すると、半導体発光装置２の点灯時の発熱は、２箇所のはんだ接合部を含む、第１の基板１０のスルーホール１４、１５の充填部１４ａ、１５ａとリードピン３１、３２による伝熱経路を経て放熱される。したがって、伝熱経路中に、樹脂や断面積が小さい導体パターン等の熱抵抗が高い部分を有することがなく、優れた放熱効果を得ることができる。

また、半導体発光装置２からの熱（Ｈ）は、リードピン３１、３２から該リードピン３１、３２にはんだ接合された第２の基板２０にも伝熱され、第２の基板２０に接する封着部６６を介して外部に放散される。

このように、半導体発光モジュール１を優れた放熱性を有する構成とすることにより、半導体発光素子４の発光時の自己発熱による温度上昇を良好に抑制することができる。その結果、半導体発光素子４の温度上昇に起因する半導体発光素子４の発光効率の低減による発光光量の減少が抑えられると共に、同様に半導体発光素子４の温度上昇に起因する半導体発光素子４の劣化による素子寿命の短縮を抑制することが可能となる。

半導体発光モジュール１は、製造工程中にバーナ等による高温の加熱工程を有さない。そのため、製造時に半導体発光素子が熱劣化を生じる懸念がなく、高い信頼性を確保することができる。

なお、上述した半導体発光モジュール１の製造方法は製造方法の一例を示したものであるので、必ずしも上記製造工程に限られるものではない。生産性等を考慮して適宜設定されることが好ましい。

１… 半導体発光モジュール
２… 半導体発光装置
３… 基板
３ａ… 電極パターン
３ｂ… 電極パターン
４… 半導体発光素子
５… 透光性部材
１０… 第１の基板
１１… ベース基板
１２ａ… 半導体発光装置実装用パッド
１２ｂ… 半導体発光装置実装用パッド
１３ａ… リードピン接合用パッド
１３ｂ… リードピン接合用パッド
１４… スルーホール
１４ａ… 充填部
１４ａａ… 下部
１４ａｂ… 上部
１５… スルーホール
１５ａ… 充填部
１５ａａ… 下部
１５ａｂ… 上部
２０… 第２の基板
２１… ベース基板
２２… リードピン挿通孔
２３… リードピン挿通孔
２４ａ… リードピン接合用パッド
２４ｂ… リードピン接合用パッド
３１… リードピン
３１ａ… 柱状部
３１ｂ… 第１のフランジ部
３１ｂａ… 上端面
３１ｂｂ… 上端部
３１ｃ… 第２のフランジ部
３２… リードピン
３２ａ… 柱状部
３２ｂ… 第１のフランジ部
３２ｂａ… 上端面
３２ｂｂ… 上端部
３２ｃ… 第２のフランジ部
４０… はんだ
５０… ステム
６０… バルブ
６１… 開口部
６２… 封着空間
６５… 封着材
６６… 封着部

Claims

金属部材で形成され、互いに平行に延設された複数のリードピンと、
前記複数のリードピンの夫々の一方の先端面上に配置されて接合された第１の基板と、
前記第１の基板から所定の距離だけ離れた位置に位置し、前記複数のリードピンが貫通して接合された第２の基板とを有するステムと、
前記ステムの前記第１の基板上に接合された半導体発光装置と、
透光性部材で形成され、有底開口の円筒状の前記開口部が封着部で封着されることにより封着空間が形成されたバルブとを備え、
前記バルブの前記封着空間内に、前記半導体発光装置が接合された前記ステムが収容されると共に、前記複数のリードピンが前記封着空間から前記封着部を貫通して外部に導出されてなる半導体発光モジュールであって、
前記第１の基板は、内部に導電性及び熱伝導性が高い部材が充填されてなる複数のフラットスルーホールを有し、前記複数のフラットスルーホールの夫々の上面と前記半導体発光装置の複数の電極パターンの夫々、及び前記複数のフラットスルーホールの夫々の下面と前記複数のリードピンの夫々の前記先端面がはんだ接合されていることを特徴とする半導体発光モジュール。
前記第２の基板は複数の導電パターンを有し、前記複数の導電パターンの夫々と前記複数のリードピンの夫々がはんだ接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光モジュール。
前記封止部は、前記バルブの開口部と前記第２の基板との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光モジュール。
前記複数のリードピンの夫々は、先端部と中間部の２箇所に該リードピンの径方向外側に向かって環状に延びるフランジ部を有し、前記先端部に位置するフランジ部が前記第１の基板とはんだ接合され、前記中間部に位置するフランジ部が前記第２の基板にはんだ接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光モジュール。
前記封着部は、エポキシ系あるいはシリコーン系の樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体発光モジュール。