JP2014138046A - 半導体発光素子パッケージ固定構造 - Google Patents

半導体発光素子パッケージ固定構造 Download PDF

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Abstract

【課題】要求加工精度を緩和でき、製造コストを低減できる半導体発光素子パッケージ固定構造を提供する。
【解決手段】半導体発光素子パッケージ１をヒートシンク５１に一体に形成もしくは結合されたマウント５及びホルダ６によって挟むことによって固定する。このとき、ベース１２の底面Ｓ１２１とマウント５の上面Ｓ５とを直接接触させると共に、ベース１２の上面Ｓ１２２とホルダ６の内側底面Ｓ６１とを直接接触させる。しかし、マウント５の上面Ｓ５とホルダ６の外側底面Ｓ６２とは接触していない。マウント５の上面S5とホルダ６の外側底面Ｓ６２との間の空隙にはサーマルインタフェイス材料（ＴＩＭ）層７を挿入してマウント５の上面Ｓ５とホルダ６の外側底面Ｓ６１との許容公差を大きくする。ベース１２の側面とホルダ６の内側底面との間に熱伝導性弾性部材８を挿入する。
【選択図】図１

Description

本発明は金属製の半導体発光素子パッケージを固定する半導体発光素子パッケージ固定構造に関する。
最近、車両用前照灯、プロジェクタの光源として、視認性、デザイン性、小型化の観点から、発光ダイオード（LED）、レーザダイオード（LD）等の半導体発光素子が注目されている。このような半導体発光素子は、ハロゲンランプ、高輝度放電(HID)ランプ等と異なり、発熱量が大きく、しかも、過熱により明るさの低下、半導体発光素子の劣化を招く。このため、適切な放熱構造の半導体発光素子パッケージが必要である。
放熱構造の従来の半導体発光素子パッケージとして、図６に示すCAN型パッケージがある（参照：特許文献１の図１）。
図６において、CAN型半導体発光素子パッケージ１は、金属製のキャップ１１、キャップ１１を搭載する金属製のベース１２、及びリード端子１３よりなる。光取り出し窓１１ａ付のキャップ１１は、LED、LD等の半導体発光素子１１１及び半導体発光素子１１１を固定するステム１１２を気密封止する。すなわち、半導体発光素子１１１がベース１２のスルーホールを介してボンディングワイヤ１１３によってリード端子１３に電気的に接続された上で、キャップ１１がベース１２に抵抗溶接によって固定されることにより、半導体発光素子１１１及びステム１１２はキャップ１１によって気密封止される。これにより、半導体発光素子１１１の外気による汚染及び吸湿による故障を防止する。
図６のCAN型半導体発光素子パッケージ１をヒートシンクに一体に形成されもしくは結合されたマウントに固定して放熱する場合、キャップ１１は薄い金属よりなるので、キャップ１１を介してヒートシンクへ放熱する放熱経路は良好な熱伝導経路となり得ない。また、光軸の位置合わせのためにベース１２の前後左右の側面に可動域つまり空隙を設ける必要があるので、ベース１２の側面を介してヒートシンクへ放熱する放熱経路も良好な熱伝導経路としては困難を伴う。さらに、ベース１２の底面には電気的接続のためのリード端子１３が設けられているので、ベース１２の底面からヒートシンクへの放熱経路も良好な熱伝導経路としては困難を伴う。
図６のCAN型半導体発光素子パッケージ１の固定構造として図７に示す半導体発光素子パッケージ固定構造が公知である（参照：特許文献２の図５）。
図７において、CAN型半導体発光素子パッケージ１を金属製のヒートシンク２１に一体的に形成されもしくは結合されたマウント２及び金属製のホルダ３によって挟んで固定する。このとき、ベース１２の底面S121とマウント２の上面S2とを直接接触させると共に、ベース１２の上面S122とホルダ３の内側底面S31とを直接接触させ、しかも、マウント２の上面S2とホルダ３の内側底面S31より下側の外側底面S32とを直接接触させる。さらに、ベース１２の側面とホルダ３の内側側面との間に熱伝導性弾性部材４が挿入されている。尚、マウント２とホルダ３とはボルト（図示せず）によって固定される。
図７の半導体発光素子パッケージ固定構造においては、ベース１２の底面S121からマウント２の上面S2への熱伝導経路P1、ベース１２の上面S122からホルダ３の内側底面S31、ホルダ３の外側底面S32を介してマウント２の上面S2への熱伝導経路P2、ベース１２の側面からホルダ３の側面、熱伝導性弾性部材４及びホルダ３の外側底面S32を介してマウント２の上面S2への熱伝導経路P3により放熱される。
特開２０１１−１００７８５号公報 特開２０１２−９７６０号公報
しかしながら、上述の図７に示す半導体発光素子パッケージ固定構造においては、ベース１２、マウント２及びホルダ３は完全に画一でなければならず、つまり、ベース１２の底面S121（マウント２の上面S2）とホルダ３の外側底面S32との一致、ベース１２の上面S122とホルダ３の内側底面S31との一致、マウント２の上面S2とホルダ３の外側底面S32との一致が必要であるので、僅かな公差をも許容せず、従って、要求加工精度は非常に厳しくなり、製造コストの上昇を招くという課題がある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子パッケージ固定構造は、半導体発光素子を気密封止するキャップ及びキャップを搭載するベースを有する半導体発光素子パッケージをマウント及びホルダによって挟んで固定する半導体発光素子パッケージ固定構造において、ベースの底面とマウントの上面とを直接接触させると共に、ベースの上面とホルダの内側底面とを直接接触させ、マウントの上面とホルダの内側底面より下側の外側底面との間の空隙にサーマルインタフェイス材料（TIM）層を挿入したものである。これにより、ベース、マウント及びホルダが画一である必要はなくなる。
本発明によれば、ベース、マウント及びホルダは画一である必要がないので、許容公差を緩和でき、従って、要求加工精度を緩和でき、この結果、製造コストを低減できる。
本発明に係る半導体発光素子パッケージ固定構造の実施の形態を示す断面図である。 図１の半導体発光素子パッケージ固定構造の熱伝導状態を可視化した温度分布を示す図である。 比較例としての半導体発光素子パッケージ固定構造を示す断面図である。 図３の半導体発光素子パッケージ固定構造の熱伝導状態を可視化した温度分布を示す図である。 図１の半導体発光素子パッケージ固定構造の変更例を示す斜視図である。 従来の半導体発光素子パッケージを示す一部透視の斜視図である。 従来の半導体発光素子パッケージ固定構造を示す断面図である。
図１は本発明に係る半導体発光素子パッケージ固定構造の実施の形態を示す断面図である。
図１においても、図６に示すCAN型半導体発光素子パッケージ１をヒートシンク５１に一体に形成もしくは結合されたマウント５及びホルダ６によって挟むことによって固定する。このとき、ベース１２の底面S121とマウント５の上面S5とを直接接触させると共に、ベース１２の上面S122とホルダ６の内側底面S61とを直接接触させる。しかし、マウント５の上面S5とホルダ６の外側底面S62とは接触していない。つまり、マウント５の上面S5とホルダ６の外側底面S62との間の空隙にはサーマルインタフェイス材料（TIM）層７を挿入してマウント５の上面S5とホルダ６の外側底面S61との許容公差を大きくする。このサーマルインタフェイス材料（TIM）層７は熱伝導性物質たとえばシリコーンを含む熱伝導性グリスあるいは熱伝導性シートであり、優れた熱伝導性を有する接着層である。また、ベース１２の側面とホルダ６の内側底面との間に熱伝導性弾性部材８を挿入する。この結果、ベース１２の底面S121からマウント５の上面S5への熱伝導経路P1、ベース１２の上面S122からホルダ６の内側底面S61、ホルダ６の外側底面S62及びサーマルインタフェイス材料（TIM）層７を介してマウント２の上面S2への熱伝導経路P2、及びベース１２の側面から熱伝導性弾性部材８、ホルダ６の側面、ホルダ６の外側底面S62を介してマウント５の上面S5への熱伝導経路P3により放熱される。尚、マウント５とホルダ６とはボルト９によって固定される。いずれの熱伝導経路P1、P2、P3も熱伝導性のよい金属製のベース１２を含むが、熱伝導の寄与度はP1>>P2>P3である。
図１においては、ベース１２、マウント５及びホルダ６は画一である必要はない。つまり、ベース１２の底面S121（マウント２の上面S2）とホルダ６の外側底面S62との一致及びベース１２の上面S122とホルダ６の内側底面S61との一致は必要であるが、マウント５の上面S5とホルダ６の外側底面S62との一致は必要でない。従って、要求加工精度は緩くなり、製造コストの低減に役立つものである。
図２は図１の半導体発光素子パッケージ固定構造の熱伝導状態を可視化した温度分布を示す図である。図２に示すように、キャップ１１の内部のCAN型半導体発光素子１１１（参照：図６）から発生した熱はベース１２の底面S121からマウント５の上面S5の近傍まで到達し、この結果、斜線で示すごとく、大きな等温範囲が形成され、所望の熱伝導性が得られた。
図３は比較例としての半導体発光素子パッケージ固定構造を示す断面図である。図３においては、ベース１２の上面S122とホルダ６の内側底面S61とを直接接触させると共に、マウント５の上面S5とホルダ６の外側底面S62とを直接接触させるが、ベース１２の底面S121とマウント５の上面S5とは直接接触していない。つまり、ベース１２の底面S121とマウント５の上面S5との間の空隙にはサーマルインタフェイス材料（TIM）層７’を挿入してベース１２の底面S121とマウント５の上面S5との間の許容公差を大きくする。この結果、ベース１２の底面S121からサーマルインタフェイス材料（TIM）層７’を介してマウント５の上面S5への熱伝導経路P1、ベース１２の上面S122からホルダ６の内側底面S61、外側底面S62を介してマウント２の上面S2への熱伝導経路P2、及びベース１２の側面から熱伝導性弾性部材８、ホルダ６の側面、ホルダ６の外側底面S62を介してマウント５の上面S5への熱伝導経路P3により放熱される。この場合も、図１の半導体発光素子パッケージ固定構造と同様に、ベース１２、マウント５及びホルダ６は画一である必要はない。この場合も、いずれの熱伝導経路P1、P2、P3は熱伝導性のよい金属製のベース１２を含むが、熱伝導の寄与度はP2>P1>P3である。
しかしながら、図３の半導体発光素子パッケージ固定構造の熱伝導状態を可視化した温度分布を示す図４に示すように、斜線で示す等温範囲はCAN型半導体発光素子パッケージ１近傍に集中しているので小さく、ホルダ６及びマウント５にはあまり熱伝導していないことが分かった。従って、図１の半導体発光素子パッケージ固定構造に比較して熱伝導性は悪いことが分かる。
図５は図１の半導体発光素子パッケージ固定構造の変更例を示す斜視図である。図１においては、マウント５の下方にヒートシンク５１を一体的に形成あるいは結合させているが、図５においては、マウント５の側方にヒートシンク５１’を一体的に形成あるいは結合させている。この場合にも、放熱効果は変わらない。
尚、上述の実施の形態においては、ベース１２の側面とホルダ６の側面との間に熱伝導性弾性部材８を挿入して熱伝導経路P3を形成しているが、放熱効率は低下するが、熱伝導性弾性部材８を削除し、ベース１２の前後左右の側面に可動域を確保してもよい。
本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
１：CAN型半導体発光素子パッケージ
１１：キャップ
１１ａ：光取り出し窓
１１１：半導体発光素子
１１２：ステム
１１３：ボンディングワイヤ
１２：ベース
１３：リード端子
２：マウント
２１：ヒートシンク
３：ホルダ
４：熱伝導性弾性部材
５：マウント
５１、５１’：ヒートシンク
６：ホルダ
７、７’：サーマルインタフェイス材料（TIM）層
８：熱伝導性弾性部材
９：ボルト

Claims (2)

  1. 半導体発光素子を気密封止するキャップ及び該キャップを搭載するベースを有する半導体発光素子パッケージをマウント及びホルダによって挟んで固定する半導体発光素子パッケージ固定構造において、
    前記ベースの底面と前記マウントの上面とを直接接触させると共に、前記ベースの上面と前記ホルダの内側底面とを直接接触させ、
    前記マウントの上面と前記ホルダの前記内側底面より下側の外側底面との間の空隙にサーマルインタフェイス材料（TIM）層を挿入したことを特徴とする半導体発光素子パッケージ固定構造。
  2. 前記サーマルインタフェイス材料（TIM）層は熱伝導グリス及び熱伝導シートの１つである請求項１に記載の半導体発光素子パッケージ固定構造。


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