JP5232559B2 - 光半導体装置モジュール - Google Patents

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８に示すように、LED１０１を実装基板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）により実装基板１０２上の配線パターン層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も実装基板１０２上に搭載して固定される。

図９に示すように、カプラ１０３の導電端子１０３ｃ、１０３ｄははんだ１０４ａ、１０４ｂによって実装基板１０２に固定されている。

尚、カプラ１０３の導電端子１０３ｃ、１０３ｄはねじ、抵抗溶接あるいはレーザ溶接によっても実装基板１０２に固定できる。

しかしながら、図９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と実装基板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、抵抗溶接もしくはレーザ溶接によるカプラ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、実装基板（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。
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

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実装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。

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配線パターン層を有する支持基体と、支持基体を圧入して固定するカプラと、光半導体装置を支持基体に固定しかつ光半導体装置に給電するための導電性の板ばねとを具備し、カプラは配線パターン層に接触するための給電凹凸部を有し、板ばねは複数の短冊状端子よりなり、複数の短冊状端子の少なくとも２つの短冊状端子の固有振動数が相異なるものである。これにより、カプラの給電凹凸部と配線パターン層とは２次元的多点接触となり、その接合面積が大きくなり、この結果、支持基体とカプラとの接合は強固となる。

また、給電凹凸部はその表面に金属被膜を有し、配線パターン層はその表面に前記金属被膜と同一の材料からなる金属被膜を有する。この結果、給電凹凸部と配線パターン層とは給電凹凸部の金属被膜と配線パターン層の金属被膜との拡散接合により接合され、支持基体とカプラとの接合はより強固となる。

本発明によれば、支持基体とカプラとの接合が強固となるので、点灯／不灯の繰り返しを防止できる。

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、LED１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１ａ、１ｂを有する。

実装基板２はLED１を搭載するものであり、放熱性の良い金属層２１、絶縁層２２、レジスト層２３及び配線パターン層２４ａ、２４ｂよりなる。この金属層２１はたとえば加工性、量産性からCu、Al等よりなる。レジスト層２３に開口された箇所に配線パターン層２４ａ、２４ｂが形成されており、配線パターン層２４ａ、２４ｂは35〜100μm厚さの銅（Cu）箔及び金（Au）メッキ、錫（Sn）メッキあるいはこれらの合金による金属被膜よりなる。後述のねじを挿入するための螺穴２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを設けてある。

尚、実装基板２の代りにヒートシンク等の放熱体を用いてもよい。

実装基板２にはLED１を搭載しやす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）３を塗布してからLED１を実装基板２に搭載する。

板ばね４ａ、４ｂ（図１の（Ａ）に図示せず、図１の（Ｂ）に図示）はLED１を実装基板２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４ａ、４ｂは絶縁加工されたねじ５ａ、５ｂによって実装基板２の螺穴２ａ、２ｂに固定される。このとき、LED１の配光特性を変化させないために、板ばね４ａ、４ｂはLED１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４ａ、４ｂ特にばね作用をする部分は薄い方が好ましい。しかし、実装基板２の固定方法は板ばね４ａ、４ｂ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。

実装基板２はカプラ６に圧入され、これにより、カプラ６は実装基板２を挟み込んで固定する。また、カプラ６は絶縁加工されたねじ７ａ、７ｂを固定部材８ａ、８ｂを介して実装基板２の螺穴２ｃ、２ｄに固定される。尚、固定部材８ａ、８ｂは耐熱性樹脂あるいは金属よりなる。

図２は図１の板ばね４ａ、４ｂ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、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。

図２に示すように、各板ばね４ａ、４ｂはばね作用をする複数たとえば５個の薄い短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５を有する。短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_５は、互いに異なる。たとえば、
Ｌ_１= 1mm
Ｌ_２= 2mm
Ｌ_３= 3mm
Ｌ_４= 4mm
Ｌ_５= 5mm
である。これにより、各短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の固有振動数が相異なるようにしてある。ここで、各短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の一片方が固定端、他片方が支持はりとなっているので、固有振動数fは、
f = k_n ²/2πL² × (EI/ρA)^1/2 （１）
但し、k_nはｎ次振動の定数であって、k₁=3.927、k₂=7.069、k₃=10.210、・・・、
Ｌは短冊状端子の長さ、
Ｅは短冊状端子のヤング率、
Ｉは短冊状端子の断面２次モーメント、
ρは短冊状端子の密度、
Ａは短冊状端子の断面積
である。従って、短冊状端子の材質をCu、厚さを1mm、幅を1mmとすると、
Ｌ_２= 1.8Ｌ_１ （２）
Ｌ_３= 2.6Ｌ_１ （３）
Ｌ_４= 3.4Ｌ_１ （４）
Ｌ_５= 4.2Ｌ_１ （５）
のときに、短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５は同時に振動し、つまり、共振し、LED１の脱落、点灯／不灯の繰返し等の不具合が発生する。しかし、図２の場合には、長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_５を相異ならせるが、式（２）、（３）、（４）、（５）を成立させないようにする。たとえば、上述のごとく、Ｌ_１= 1mm、Ｌ_２= 2mm、Ｌ_３= 3mm、Ｌ_４= 4mm、Ｌ_５= 5mmとすれば、式（２）、（３）、（４）、（５）は成立せず、この結果、短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の同時振動（共振）は抑制される。

尚、図２においては、少なくとも２つの短冊状端子の長さを相異ならせれば、板ばねの振動を抑制できる。また、板ばね４ａの短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５と板ばね４ｂの短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５とがLED１に対して点対称に配置することができる。これにより、板ばね４ａのある短冊状端子が振動すると、LED１に対して一対角線上に位置する板ばね４ｂの短冊状端子が振動するが、他の対角線上に位置する短冊状端子は振動しない。さらに、各板ばね４ａ、４ｂの短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の長さの代りに金属材質を互いに異ならせることもできる。たとえば、加工性、導電率（抵抗率）等から、
４０１：銅
４０２：アルミニウム
４０３：ＳＵＳ３０４
４０４：金
４０５：銀
である。材質を相異ならせると、ヤング率Ｅが相異なり、上述の（１）式から、各短冊状端子４０１、４０２、４０３、４０４、４０５の固有振動数が相異なる。この場合も、少なくとも２つの短冊状端子の材料を相異ならせてもよく、また、板ばね４ａの短冊状端子と板ばね４ｂの短冊状端子とはLED１に対して点対称に配置してもよい。さらに、短冊状端子の材質を異ならせる代りに、長さ以外の短冊状端子の幾何学形状たとえば厚さもしくは断面積を異ならせることもできる。これにより、式（１）の断面２次モーメントI、断面積Aが異なることになり、この結果、式（１）の固有振動数が異なることになるからである。

また、図２において、板ばね４ａ、４ｂの実装基板２への固定をねじ５ａ、５ｂで行っているが、リベットを挿入して加締めたもの、圧入ピンを挿入したもの、フック部材を実装基板２の溝にかみ込ませたものでもよい。

図３は図１のカプラを説明するための図であり、（Ａ）はカプラ近傍の上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。

図３に示すように、カプラ６は、上部６１Ｕ、下部６１Ｌ、上部６１Ｕ、下部６１Ｌを結合する底部６１Ｂよりなるハウジング６１と、ハウジング６１の上部６１Ｕに固定された給電凹凸部６２ａ、６２ｂとにより構成されている。

ハウジング６１は非導電性かつ耐熱性の樹脂もしくはセラミックよりなる。たとえば、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリカードネート、カプトン素材、アルミナ、AlNよりなる。

給電凹凸部６２ａ、６２ｂはばね性及び導電性を有するりん青銅、黄銅等の銅（Cu）合金に金（Au）メッキ、錫（Sn）メッキもしくはこれらの合金よりなる金属被膜を施したもので、表面が細かい0.1mmオーダの凹凸形状をなしている。この凹凸形状は円抜加工、成形プレス加工、射出成形等によって予め形成しておく。

給電凹凸部６２ａ、６２ｂはハウジング６１の樹脂もしくはセラミックとモールド形成するか、あるいは、嵌め込む。

実装基板２をカプラ６に圧入すると、実装基板２の配線パターン層２４ａ、２４ｂの金属被膜の酸化膜及び給電凹凸部６２ａ、６２ｂの金属被膜の酸化膜が破壊され、これら２つの金属被膜の金、錫もしくはこれらの合金が圧入の際の発生する摩擦熱により拡散接合する。このとき、給電凹凸部６２ａ、６２ｂのばね性により圧力状態となり、上述の拡散接合を促進させる。

金は融点1064℃と高いが、自己拡散係数が大きいので拡散接合し易い。特に、金単体同士の拡散接合は非常に熱に強くヒートショック等のクラックも低減できる。他方、錫は融点232℃と低く、自己拡散係数が大きいので、拡散接合し易い。

さらに、実装基板２をカプラ６に封入後に、たとえば約150℃で数時間のアニール処理を行うと、拡散接合が促進される。

このように、本発明の実施の形態においては、カプラ６の電気的接続は給電凹凸部６２ａ、６２ｂによって行い、カプラ６の機械的固定はボルト７ａ、７ｂによって行うことにより、接点不良、カプラ６の脱落等の不具合を回避できると共に、高信頼性の給電が可能となる。

図４は図１のカプラの第１の変更例を示す断面図であって、図３の（Ｂ）に相当する。すなわち、図３のねじ７ａ、７ｂの代りに、耐熱性樹脂もしくは金属よりなるリベット７ａ−１、７ｂ−１を挿入してその先端部を加締めたものである。

また、図５は図１のカプラの第２の変更例を示す断面図であって、図３の（Ｂ）に相当する。すなわち、図３のねじ７ａ、７ｂの代りに、圧入ピン７ａ−２、７ｂ−２を挿入したものである。

さらに、図６は図１のカプラの第３の変更例を示す断面図であって、図３の（Ｂ）に相当する。すなわち、図３のねじ７ａ、７ｂの代りに、固定凹凸部６２ｃを設けてある。固定凹凸部６２ｃは給電凹凸部６２ａ、６２ｂと同時に形成され、従って、給電凹凸部６２ａ、６２ｂと同一材料よりなる。しかし、固定凹凸部６２ｃは、給電凹凸部６２ａ、６２ｂと異なり、配線パターン層２４ａ、２４ｂに接続されない。

このように、カプラ６の機械的固定は、ねじ７ａ、７ｂ、リベット７ａ−１、７ｂ−１、圧入ピン７ａ−２、７ｂ−２、あるいは固定凹凸部６２ｃによって行われる。

図７は図１のカプラの第４の変更例を示す断面図であって、図３の（Ｃ）に相当する。すなわち、図３のハウジング６１の下部６１Ｌを下部６１Ｌ’に変更し、フック６１Ｈを設けると共に、実装基板２の裏面に溝を設ける。これにより、カプラ６の機械的固定をフック６１Ｈを実装基板２の溝にかみ込むようにして行うことができ、このとき、フック６１Ｈは給電凹凸部６２ａ、６２ｂの延長部のばねによって押圧される。これにより、接点不良、カプラ６の脱落等の不具合を回避できる。尚、図７の第４の変更例は、図４、図５、図６の第１、第２、第３の変更例と組み合わせることもできる。

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の板ばね４ａ、４ｂ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、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。 図１のカプラを説明するための図であり、（Ａ）はカプラ近傍の上面図、（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のカプラの第１の変更例を示す断面図である。 図１のカプラの第２の変更例を示す断面図である。 図１のカプラの第３の変更例を示す断面図である。 図１のカプラの第４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８のカプラの固定を説明する断面図である。

符号の説明

１：LED
１ａ、１ｂ：リードフレーム
２：実装基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：螺穴
３：熱伝導性接着剤
４ａ、４ｂ：板ばね
６：カプラ
７ａ、７ｂ：ねじ
８ａ、８ｂ：固定部材
２１：金属層
２２：絶縁層
２３：レジスト層
２４ａ、２４ｂ：配線パターン層
６１：ハウジング
６１Ｕ：上部
６１Ｌ、６１Ｌ’：下部
６１Ｈ：フック
６１Ｂ：底部
６２ａ、６２ｂ：給電凹凸部
６２ｃ：固定凹凸部

Claims (9)

1. 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配線パターン層を有する支持基体と、
   該支持基体を圧入して固定するカプラと、
   前記光半導体装置を前記支持基体に固定しかつ前記光半導体装置に給電するための導電性の板ばねと
   を具備し、
   前記カプラは前記配線パターン層に接触するための給電凹凸部を有し、
   前記板ばねは複数の短冊状端子よりなり、該複数の短冊状端子の少なくとも２つの短冊状端子の固有振動数が相異なる光半導体装置モジュール。
2. 前記給電凹凸部はばね性及び導電性を有する材料である請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
3. 前記給電凹凸部はその表面に金属被膜を有する請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
4. 前記金属被膜は金（Au）、錫（Sn）及びこれらの合金の１つである請求項３に記載の光半導体装置モジュール。
5. 前記配線パターン層はその表面に前記金属被膜と同一の材料からなる金属被膜を有し、前記給電凹凸部と前記配線パターン層とは該給電凹凸部の金属被膜と該配線パターン層の金属被膜との拡散接合により接合された請求項３に記載の光半導体装置モジュール。
6. 前記支持基体は金属性基板である請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
7. 前記カプラは、さらに、前記給電凹凸部を固定するためのハウジングを有し、該ハウジングは機械的固定手段によって前記支持基体に固定された請求項１に記載の光半導体装置モジュール。
8. 前記支持基体の裏面に溝を設け、前記機械的固定手段を該支持基体の溝にかみ込むようにした請求項７に記載の光半導体装置モジュール。
9. 前記板ばねは２つあり、該１つの板ばねの短冊状端子と前記他の１つの板ばねの短冊状端子とが同一の固有振動数を有し、これら２つの短冊状端子が前記光半導体装置に対して点対称に配置されている請求項１に記載の光半導体装置モジュール。

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