JP3696021B2 - 光照射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
まず光を大量に照射する必要がある場合、一般には電灯等が用いられている。しかし、軽薄短小および省電力を目的として、図9の様にプリント基板1に光素子2を実装させる場合がある。
【0003】
この光素子は、半導体で形成された発光ダイオード(Light Emitting Diode)が主ではあるが、他に半導体レーザ等も考えられる。
【0004】
この発光ダイオード2は、2本のリード3,4が用意され、一方のリード3には、発光ダイオードチップ5の裏面(アノード電極またはカソード電極)が半田等で固着され、他方のリード4は、前記チップ表面の電極(カソード電極またはアノード電極)と金属細線6を介して電気的に接続されている。また前記リード3,4、チップ5および金属細線6を封止する透明な樹脂封止体7がレンズも兼ねて形成されている。
【0005】
一方、プリント基板1には、前記発光ダイオード2に電源を供給するために電極8,9が設けられ、ここに設けられたスルーホールに前記リード3、4が挿入され、半田等を介して前記発光ダイオード2が固着、実装されている。
【0006】
例えば、特開平9−252651号公報には、この発光ダイオードを用いた光照射装置が説明されている。
【0007】
しかしながら、前述した光半導体素子2は、樹脂封止体7、リード3,4等が組み込まれたパッケージで成るため、実装された基板1のサイズが大きく、重量が重くなる欠点があった。また基板自身の放熱性が劣るため、全体として温度上昇を来す問題があった。そのため、半導体チップ自身も温度上昇し、駆動能力が低下する問題があった。
【0008】
また発光ダイオード5は、チップの側面からも光が発光し、基板1側にも向かう光が存在する。しかし基板1がプリント基板でなるため、全ての光を上方に発射させる効率の高い発射ができない問題もあった。
【0009】
そのため、図10の如き構造が考えられた。これは、特願平11−162508号で既に出願されているものである。
【0010】
この構造は、金属基板11を採用することにより、実装される発光ダイオード15の温度上昇を防止するものである。
【0011】
そして、電極30と電極31との間に発光ダイオード15…を直列接続させ、発光ダイオード15…に通過する電流値を一定にさせた構造である。
【0012】
電極30、電極31との間には、10枚の電極が形成され、電極32に発光ダイオードのカソード電極(またはアノード電極)と成るチップ裏面を固着し、アノード電極(またはカソード電極)と電極30を金属細線17で接続している。また電極33に二番目の発光ダイオードのチップ裏面を固着し、チップ表面の電極と電極32を金属細線34で接続している。つまりカソード電極(またはアノード電極)となるチップ裏面が固着された電極は、次の発光ダイオードのアノード電極(またはカソード電極)から延在された金属細線と接続されている。この接続形態を繰り返して直列接続が実現されている。また、銅箔から成る電極を反射板とするため、表面にはNiが被覆され、更には基板全域を実質反射板とするために、右の電極30から左の電極31までの12個の電極で実質完全に覆われるようにパターニングされている。
【0013】
この構造によれば、発光ダイオード15から発生する熱は、金属基板11を介して放熱され、発光ダイオード15の駆動電流をより大きく取れるメリットを有する。更には、金属基板11がNiで被覆され、レンズ19を形成しているため、発光ダイオード15から発光される光を効率よく上方に発射できる特徴を有している。
【0014】
図11は、前記レンズの具体的構造を示すものである。レンズは、流動性のある樹脂を固化して形成するため、また凸状に形成するため、前記流れ防止手段20をリング状に形成し、このリング状の流れ防止手段20の中に前記樹脂を塗布して形成していた。また発光ダイオード15からの光を効率よく集めるために、第1のレンズ21の上に第2のレンズ22を形成していた。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した構成では、一枚の金属基板11に実装される発光ダイオード15…毎に流れ防止手段20がディスペンサで塗布されて形成され、更にこの流れ防止手段20の中にレンズを構成する樹脂がディスペンサで塗布されて硬化されるため、この工程に要する時間が非常に長くなる問題を有していた。
【0016】
また発光ダイオード15…の中の一つが故障した際、基板11全体を取り替えなくては成らない問題があった。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題に鑑みて成され、第1に、基板上に実装された光半導体素子と、前記光半導体素子を封止し且つレンズとなる透明樹脂とを有する光照射装置に於いて、前記光半導体素子を、前記透明樹脂も含めて個別部品で構成することで解決するものである。
【0018】
第2に、基板上に設けられた第1の電極および第2の電極と、
前記第1の電極に裏面のカソード電極またはアノード電極が電気的に接続され、前記第2の電極に表のアノード電極またはカソード電極が電気的に接続された複数の光半導体素子と、
前記光半導体素子から発射される光を集光させるレンズとを備えた光照射装置に於いて、
前記レンズは前記光半導体素子を封止して個別部品として構成され、前記レンズの裏面には、前記カソード電極またはアノード電極と電気的に接続された第1の導電電極、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の導電電極が露出され、
前記第1の導電電極と前記第1の電極、前記第2の導電電極と前記第2の電極が固着されていることで解決するものである。
【0019】
第3に、基板上に設けられた第1の電極および第2の電極と、
前記第1の電極に裏面のカソード電極またはアノード電極が電気的に接続され、前記第2の電極に表のアノード電極またはカソード電極が電気的に接続された複数の光半導体素子と、
前記光半導体素子から発射される光を集光させるレンズとを備えた光照射装置に於いて、
前記レンズは前記光半導体素子および前記光半導体素子の光を上方に反射するカップ状の反射手段とを封止して個別部品として構成され、裏面には、前記カソード電極またはアノード電極と電気的に接続された第1の導電電極、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の導電電極が露出され、
前記第1の導電電極と前記第1の電極、前記第2の導電電極と前記第2の電極が固着されていることで解決するものである。
【0020】
個別部品として用意することで、光照射装置の製造時間が大幅に短縮できる。また基板に実装された光半導体素子の中で何個か破壊しても、個別部品で用意してあるために、破壊した光半導体素子それぞれを個別に取り替えることができる。
【0021】
また反射手段も一緒に個別部品の中に組み込むことで、本光照射装置の製造工程を大幅に簡略する事ができる。
【0022】
第4に、前記反射手段は、前記カソード電極またはアノード電極と電気的に接続された第1の反射電極、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の反射電極により構成され、
前記第1の反射電極は、第1の導電電極と固着され、前記第2の反射電極は、第2の導電電極と固着されることで解決するものである。
【0023】
第5に、前記反射手段は、前記カソード電極またはアノード電極と電気的に接続された第1の反射電極、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の反射電極により構成され、
前記第1の反射電極および前記第2の反射電極は、前記レンズから露出されていることで解決するものである。
【0024】
第6に、前記個別部品の側面は、位置認識のために水平面を有することで解決するものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
本光照射装置は、アノード電極とカソード電極を有する光半導体素子が複数個基板上に実装されたものであり、前記光半導体素子が並列接続された光照射装置と直列接続された光照射装置に大別される。
【0026】
まず図7を参照しながら、光半導体素子である発光ダイオード15が並列接続された光照射装置について説明する。この構造は、第1の電極13と第2の電極14で、混成集積回路基板11の殆ど全域を被覆している構造であり、この2つの電極13、14の間に発光ダイオード15が並列接続されている。
【0027】
前述した混成集積回路基板11は、Al、CuまたはFe等が考えられ、混成集積回路基板として前記金属材料を用いた理由は、以下の事からである。第1に、光半導体素子から発生する熱を効率良く外部に放出する事ができる点である。光半導体素子の温度上昇を防止でき、駆動能力を向上できる特徴を有する。第2に、基板の平坦性、平滑性から、上方に向かって発光される光以外の光を効率よく反射させて上方へ向かわせる事ができる点である。更に第3に、実装上のビス止め孔加工、放物面等の加工等に優れる点である。
【0028】
本発明では、加工性、軽量性が考慮されてAlが採用されている。この場合、その表面は、絶縁性向上から、陽極酸化により酸化物が形成され、この上に絶縁性樹脂12が形成されている。また前記酸化膜は省略されても良いし、酸化物の代わりに別の無機物からなる絶縁膜で被覆されても良い。また混成集積回路基板11は、導電性を有するため、この上に設けられる第1の電極13、第2の電極14との短絡を考慮し全面に絶縁性樹脂12が被着され、スリットSLは、実質1mm以下で形成されている。
【0029】
また電極13、14は、例えばCuより成り、配線、ランド、ボンデイング用のパッド、外部リード用の固着パッド等として機能している。そして、第1の電極13と第2の電極14の間に、本発明の個別部品として用意された発光ダイオード15が固着される。尚、この個別部品の発光ダイオード15については、後述する。この発光ダイオード15の裏面は、カソードタイプとアノードタイプの2種類があり、図7は、カソードタイプである。これは直流電源の向きを変えるだけで、裏面がアノードタイプの光半導体素子も実装可能である。
【0030】
ここで金属基板は、照射装置として機能させるため、発光ダイオード15を複数個点在させている。
【0031】
また発光ダイオードの駆動回路は、別の基板で実現しているが、前記駆動回路を金属基板11に形成しても良い。この場合、基板の周辺、特に角部およびその近傍に配線、ランド、ボンデイング用のパッド、外部との電気的接続パッド等がパターニングされ、配線間はチップコンデンサ、チップ抵抗および印刷抵抗等の部品、トランジスタ、ダイオード、IC等が設けられる。ここでは、パッケージされた素子が実装されても良いが、ベアチップの方が、放熱性、実装面積の点から優れる。
【0032】
この回路素子は半田や銀ペースト等を介して電気的に固着され、あるいは印刷抵抗がスクリーン印刷等で形成されている。また中には、前記半導体チップと配線を電気的に接続するため、チップ上の電極とボンディング用パッドとの間には金属細線が採用される。また、パッドには、必要があれば、半田を介して外部リードが電気的に接続されている。また実装上の問題から、基板の両側に少なくとも2個のビス止め孔が設けられても良い。
【0033】
また金属基板11上のCuのパターンは、絶縁性のフレキシブルシートに貼り合わされ、このフレキシブルシートを混成集積回路基板に貼り合わされても良い。
【0034】
前述したとおり、金属基板11の全面には絶縁性樹脂12の膜が被着され、金属基板11を二分するように二つの電極13、14が設けられ、表面にはNiが被着されている。Cuの酸化防止、およびCuの酸化により光反射効率が低下するため、比較的酸化されにくく、光反射性に優れ、また金属細線とのボンディング性が考慮され、光沢性のあるNiが採用される。この構造により、金属基板11全域は、光反射板として活用される。
【0035】
よって、個別部品として用意された発光ダイオード15に所定の電圧が加わり、発光ダイオード15に電流が流れると、発光ダイオード15は発光し、光反射板となる金属基板からの反射光も含めて、上方に光を放つことが可能となる。
【0036】
以上、図7は、第1の電極13と第2の電極14との間に、発光ダイオード15…が並列接続されているものである。しかし第2の電極14表面がNiを採用しているため、この並列タイプは、金属細線17のコンタクト抵抗がばらつく問題がある。従って、数ある発光ダイオード15の内、コンタクト抵抗の少ない発光ダイオードに電流が集中し、特定の発光ダイオードが異常に明るかったり、また破壊に至ったりする問題があった。
【0037】
そのため図8のように、直列接続構造が考えられた。電極30と電極31との間に個別部品である発光ダイオード15…を直列接続させ、発光ダイオード15…に通過する電流値を一定にさせている。
【0038】
電極30、電極31との間には、10枚の電極が形成され、電極32に発光ダイオードのカソード電極(またはアノード電極)を電気的に接続し、アノード電極(またはカソード電極)を電極30に電気的に接続している。また電極33に二番目の発光ダイオードのカソード電極(またはアノード電極)を電気的に接続し、アノード電極(またはカソード電極)を電極32に電気的に接続している。つまりカソード電極(またはアノード電極)となる個別部品裏面の電極が固着された基板上の電極は、次の発光ダイオードのアノード電極(またはカソード電極)となる個別部品の電極が接続されている。この接続形態を繰り返して直列接続が実現されている。この場合も、銅箔から成る電極を反射板とするため、表面にはNiが被覆され、基板全域を実質反射板とするために、右の電極30から左の電極31までの12個の電極で完全に覆われるようにパターニングされている。もちろんそれぞれがパターン的に分離されるように若干の隙間(スリットSL)が形成されている。
【0039】
この構造によれば、直列接続された発光ダイオードのそれぞれに流れる電流は、理論的には同じ値を取るので、全ての発光ダイオードは、同じように光る。
【0040】
以上、並列接続と直列接続の接続形態を説明したが、従来は、図11で説明したように、金属基板11の上に、流れ防止手段20を形成した後、この流れ防止手段20の中にレンズ21、22の透明樹脂を塗布して形成していた。しかし発光ダイオード15の数が多く、しかも金属基板11のサイズが大きいため、製造工程が非常に長くなる問題があった。
【0041】
本発明は、この点に考慮し、図1〜図5の如き個別部品を用意することで、前記製造時間の短縮を実現した。前もって、個別部品で用意されていれば、図7、図8のように、電極14,15、または電極30…が形成された金属基板の上に前記個別部品を実装すれば完了するため、光照射装置を短時間で製造することができる。
【0042】
では、図1を説明する。尚図1aは、平面図であり、図1bは、A−A線の断面図である。符号50は、光半導体素子52の裏面が固着される第1の導電電極であり、符号53は、光半導体素子52の表面と接続された金属細線54が接続される第2の導電電極である。この第1の導電電極50、第2の導電電極53、光半導体素子52および金属細線54は、光半導体素子52から発射される光を透過する樹脂55で被覆され、個別部品の光半導体装置56となる。この光半導体装置56の裏面は、前記第1の導電電極50、第2の導電電極53の裏面が露出し、樹脂55は、光半導体素子52の光をできるだけ多く集光し上方に発射させるために上に凸のレンズ形状となっている。従って図1aに示すように、上から見ると実質円形状をしている。
【0043】
図2は、図1の樹脂55に平面形状を持たせたものである。この平面は、金属基板に対して垂直な面で形成されており、こうすることにより、個別部品を保持する実装装置は、この面を位置認識できるため、実装基板への実装精度を高めることができる。尚、これ以外は、図1と実質同じ構成であるため、これ以降の説明は省略する。
【0044】
図3は、実装装置の部品保持手段が保持しやすいように、金属基板に対して垂直な面を4つ設けたものである。光半導体素子52を封止する部分は、直方体で構成され、この上に例えば半球状のレンズ55が一体で構成されている。
【0045】
図4は、光半導体素子52の光を集光し、上方に発射させる目的で反射手段RFを採用したものである。尚、図4aは、平面図であり、図4bと図4cは、図4aのA−A線に対応する断面図であり、封止体から露出される電極が若干異なるものである。また図4dは、反射手段RFの構造を説明する斜視図である。
【0046】
まず反射手段RFは、カップ状の形をしており、光半導体素子52の側面から発射される光を上方に反射させるために、反射手段RFの側面は傾斜している。そして反射手段RFの中に前記光半導体素子52を実装し、反射手段RFを電極として活用するため、反射手段RFは、第1の反射電極60と第2の反射電極61の2つで構成される。そして第1の反射電極60は、光半導体素子の裏面がロウ材、導電ペースト等で電気的に固着され、前記第2の反射電極61は、光半導体素子の表面の電極と接続された金属細線54が電気的に接続されている。
【0047】
この様に、第1の反射電極60、第2の反射電極61を電気的に分離し、全体をカップ状に構成することで、反射手段RFも含めて個別部品とすることができる。
【0048】
図4bは、第1の導電電極50、第2の導電電極53が個別部品の裏面から露出しており、第1の導電電極50の上に第1の反射電極60がロウ材や導電ペースト等で電気的に固着され、第2の導電電極53の上に第2の反射電極61が電気的に固着されている。
【0049】
一方、図4cは、第1の導電電極50と第2の導電電極53が省略され、第1の反射電極60と第2の反射電極61が個別部品の裏面から露出されているものである。
【0050】
図4では、金属細線54の接続部分と反射面が一体で構成されているため、電気的分離をする必要があり反射面にスリットが設けられている。しかしこのスリットは、反射面として寄与しないため、発光強度が低下する問題を有する。
【0051】
図5は、前記問題を考慮しスリットを反射面から取り除いたものである。つまり、反射手段RFの底面に於いて、パッド電極70をアイランド状に形成し、このパッド電極70に金属細線54を接続したものである。このようにすれば、反射手段RFの反射面にはスリットが形成されないため、その分反射効率を高めることができる。
【0052】
尚、図4、図5に於いて、反射手段RFの裏面に樹脂を設けず、外部雰囲気に露出させる構造を採用すれば、反射面を介して光半導体素子の熱を放出させることができる。
【0053】
最後に図6を用いて、実装方法を説明する。符号56は、図3の個別部品(光半導体装置)であり、第1の光半導体装置56aの第1の導電電極50と第2の導電電極53が、金属基板11上の電極80、81に接続される。また第2の光半導体装置56bの第1の導電電極50と第2の導電電極53が、金属基板11上の電極81、82に接続される。更には、第3の光半導体装置56bの第1の導電電極50と第2の導電電極53が、金属基板11上の電極82、83に接続される。また基板上のスリットSLの間隔よりも第1の導電電極50、第2の導電電極53の間隔の方を広く形成し、短絡を防止している。
【0054】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、金属基板の上に光半導体素子をマトリックス状に配置して、光照射装置として使用するので、前記光半導体素子を個別部品として用意し、これを固着した構造とすることにより、製造工程が簡略され、製造時間を大幅に短縮することができる。
【0055】
また個別部品に位置認識用の面を形成することによって、実装装置によるマウントの精度を高めることができる。
【0056】
また、レンズ、反射手段を一体で形成できるため、殆どの光を上方に発射でき、発光効率の優れた光照射装置を実現できる。
【0057】
更に、従来では、基板上に実装された複数の光半導体装置の中で1個でも故障したら、基板全体を取り替える必要があったが、本発明では、光半導体装置を個別部品としているため、金属基板上の該当する光半導体装置のみを取り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の個別部品を説明する図である。
【図2】本発明の個別部品を説明する図である。
【図3】本発明の個別部品を説明する図である。
【図4】本発明の個別部品を説明する図である。
【図5】本発明の個別部品を説明する図である。
【図6】個別部品の実装構造を説明する図である。
【図7】個別部品の実装構造を説明する図である。
【図8】個別部品の実装構造を説明する図である。
【図9】従来の光照射装置を説明する図である。
【図10】従来の光照射装置を説明する図である。
【図11】従来の光半導体素子の実装構造を説明する図である。
【符号の説明】
11 金属基板
13 第1の電極
14 第2の電極
15 発光ダイオード
19 レンズ
50 第1の導電電極
52 光半導体素子
53 第2の導電電極
60 第1の反射電極
61 第2の反射電極
70 パッド電極
RF 反射手段
Claims (6)
- 少なくとも表面に絶縁膜が形成された平坦な金属基板と、
前記絶縁膜上に形成され、前記金属基板のほぼ全領域を覆い且つそれぞれはパターン的に分離される隙間だけ離間された前記金属基板の一領域から他の領域に渡って入り組んで設けられた平坦な第1の電極および第2の電極と、
光半導体素子の各電極が接続される第1および第2の導電電極と前記光半導体素子から発射される光を透過しこれらを一体に被覆する樹脂で構成された個別部品の光半導体装置とよりなり、
前記樹脂より裏面を露出させた個別部品の前記光半導体装置の第1の導電電極と前記第1の電極、前記第2の導電電極と前記第2の電極が固着されていることを特徴とした光照射装置。 - 少なくとも表面に絶縁膜が形成された平坦な金属基板と、
前記絶縁膜上に形成され、前記金属基板のほぼ全領域を覆い且つそれぞれはパターン的に分離される隙間だけ離間された前記金属基板の一領域から他の領域に渡って入り組んで設けられた平坦な第1の電極および第2の電極と、
光半導体素子の一方の電極が固着される第1の導電電極、他方の電極が金属細線を介して接続される第2の導電電極、前記光半導体素子から発射される光を透過し前記光半導体素子、第1の導電電極、第2の導電電極および金属細線を一体に被覆する樹脂で構成された個別部品の光半導体装置とよりなり、
前記樹脂より裏面を露出させた光半導体装置の第1の導電電極と前記第1の電極、前記第2の導電電極と前記第2の電極が固着されていることを特徴とし光照射装置。 - 少なくとも表面に絶縁膜が形成された平坦な金属基板と、
前記絶縁膜上に形成され、前記金属基板のほぼ全領域を覆い且つそれぞれはパターン的に分離される隙間だけ離間された前記金属基板の一領域から他の領域に渡って入り組んで設けられた平坦な第1の電極および第2の電極と、
光半導体素子の一方の電極が固着される第1の導電電極、他方の電極が金属細線を介して接続される第2の導電電極、前記光半導体素子の光を上方に反射するカップ状の反射手段および前記光を透過し前記光半導体素子、第1の導電電極、第2の導電電極、金属細線および反射手段を一体に被覆する樹脂で構成された個別部品の光半導体装置とよりなり、
前記樹脂より裏面を露出させた光半導体装置の第1の導電電極と前記第1の電極、前記第2の導電電極と前記第2の電極が固着されていることを特徴とした光照射装置。 - 前記反射手段は、前記カソード電極またはアノード電極と電気的に接続された第1の反射電極、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の反射電極により構成され、
前記第1の反射電極は、第1の導電電極と固着され、前記第2の反射電極は第2の導電電極と固着されることを特徴とする請求項3に記載の光照射装置。 - 前記反射手段は、前記カソード電極またはアノード電極と電極的に接続された第1の反射電極と、前記アノード電極またはカソード電極と電気的に接続された第2の反射電極により構成され、
前記第1の反射電極および前記第2の反射電極は、前記レンズから露出されていることを特徴とした請求項3記載の光照射装置。 - 前記個別部品の側面は、位置認識のために水平面を有する請求項1から請求項5のいずれかに記載の光照射装置。
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