(57)【要約】【課題】本発明は、半田クラックの発生を抑制し、比較的長期の使用に耐えるＬＥＤモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】このＬＥＤモジュールは、ＬＥＤランプに利用されるＬＥＤモジュールであって、  プリント基板と該プリント基板に半田接続により搭載されたＬＥＤ素子を備え、  前記ＬＥＤ素子の面積に対する前記プリント基板面積の比率（基板／ＬＥＤ）が、次式(1)の範囲内にあり、      19≦（基板／ＬＥＤ）≦58    (1)  前記プリント基板と前記ＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷が、次式(2)の範囲内にある、      半田接続面積当たりの熱負荷≦0.44  [W/mm2]    (2)ことを特徴とする、ＬＥＤモジュール。【選択図】図２
2020107693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤランプに利用されるＬＥＤモジュールに於いて、
プリント基板と該プリント基板に半田接続により搭載されたＬＥＤ素子を備え、
前記ＬＥＤ素子の面積に対する前記プリント基板面積の比率（基板／ＬＥＤ）が、次式(1)の範囲内にあり、
19≦（基板／ＬＥＤ）≦58    (1)
前記プリント基板と前記ＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷が、次式(2)の範囲内にある、
半田接続面積当たりの熱負荷≦0.44  [W/mm2]    (2)
ことを特徴とする、ＬＥＤモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＥＤモジュールにおいて、
前記プリント基板は、長方形基板である、ＬＥＤモジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＬＥＤモジュールを利用したＬＥＤランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤモジュール及び該モジュールを利用したＬＥＤランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明装置では、主として、白熱灯や放電灯が使用されてきた。近年、白熱灯や放電灯に代えて、省電力、長寿命等の利点を有するＬＥＤランプの使用が拡がっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2016-195193「プリント基板」（公開日：2016.11.17）出願人：日立オートモティブシステムズ株式会社
【特許文献２】特開2010-212318「プリント配線基板および部品実装構造体」（公開日：2010.9.24）出願人：シャープ株式会社
【特許文献３】特許第6261119号「ＬＥＤランプ用の光源支持体及びその組立体」（発行日：2017.12.22）出願人：岩崎電気株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＥＤランプには、複数個のＬＥＤ素子をプリント基板に搭載したユニットであるＬＥＤモジュールが内蔵されている。ＬＥＤランプが点灯／消灯を繰り返すと、これに対応してＬＥＤモジュールは熱サイクルに曝される。熱サイクルによってＬＥＤモジュールが膨張／収縮を繰り返すと、ＬＥＤ素子と基板を接続する半田に応力が継続的に加わり、或る期間が経過したとき半田クラックが発生することがある。この半田クラックは、ＬＥＤ素子とプリント基板の電気的接続を遮断する原因となり、ＬＥＤランプの不点灯につながる。ＬＥＤモジュールの半田クラックの発生は、ＬＥＤランプの信頼性低下の原因の1つである。
【０００５】
従って、本発明は、半田クラックの発生を抑制し、比較的長期の使用に耐えるＬＥＤモジュールを提供することを目的とする。
更に、本発明は、ＬＥＤモジュールの半田クラックの発生を抑制し、信頼性の高いＬＥＤランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るＬＥＤモジュールは、ＬＥＤランプに利用されるＬＥＤモジュールであって、
プリント基板と該プリント基板に半田接続により搭載されたＬＥＤ素子を備え、
前記ＬＥＤ素子の面積に対する前記プリント基板面積の比率（基板／ＬＥＤ）が、次式(1)の範囲内にあり、
19≦（基板／ＬＥＤ）≦58    (1)
前記プリント基板と前記ＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷が、次式(2)の範囲内にある、
半田接続面積当たりの熱負荷≦0.44  [W/mm2]    (2)
ことを特徴とする。
【０００７】
更に、上記ＬＥＤモジュールにおいて、前記プリント基板は、長方形基板であってよい。
【０００８】
更に、本発明に係るＬＥＤランプは、上記ＬＥＤモジュールを利用したＬＥＤランプである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半田クラックの発生を抑制し、比較的長期の使用に耐えるＬＥＤモジュールを提供することができる。
更に、本発明によれば、ＬＥＤモジュールの半田クラックの発生を抑制し、信頼性の高いＬＥＤランプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、ＬＥＤモジュールを利用したＬＥＤランプの一例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示すＬＥＤモジュールを説明する図である。
【図３】図３は、ＬＥＤモジュールの形状と応力の関係を説明する模式図である。
【図４】図４は、冷熱サイクル試験に使用したサンプルを説明する図である。
【図５】図５は、ＬＥＤ素子サイズの小型化に関する影響を確認するため行った実験結果であり、冷熱サイクル試験1000サイクル後のＬＥＤモジュールの電圧（Vf）上昇比を表している。
【図６】図６は、点灯時の半田接続箇所の熱的な限界値を決定するため行った点灯サイクル3,000回後の実験結果であり、横軸は半田接続面積当たりの熱負荷[W/mm2]を表し、縦軸は実験前後におけるＬＥＤモジュールの電圧（Vf）上昇比を表している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係るＬＥＤモジュール及び該モジュールを利用したＬＥＤランプの実施形態に関し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
［ＬＥＤランプとＬＥＤモジュール］
図１は、ＬＥＤモジュールを利用したＬＥＤランプの一例を示す図である。口金２は、白熱電球やＨＩＤランプで使用されているねじ込みタイプ（Ｅ型）である。外球６は、硬質ガラスから成るＢＴ管である。このＬＥＤランプ１０では、4枚のＬＥＤモジュール１４が外球６に内蔵されている。各ＬＥＤモジュールに9個のＬＥＤ素子１８が搭載され、合計36個のＬＥＤ素子により25ＷのＬＥＤランプを実現している。
【００１３】
図２は、図１に示すＬＥＤモジュール１４を説明する図である。ＬＥＤモジュール１４に使用されるプリント基板は、ＦＲ−４基板又はメタルコア基板であり、例えば、長さ100ｍｍ×幅20ｍｍ×厚さ2ｍｍ程度の板状体である。基板には、各ＬＥＤ素子に対する給電用の導体パターン１４ｇ，１４ｅが形成されている。基板端部から切り込まれた溝（スリット）１４ｂは、隣接するＬＥＤ素子１８の間を熱的に遮断するため形成されている。この基板に、ＬＥＤ素子が表面実装されている。
【００１４】
［ＬＥＤモジュールの形状と応力の関係］
半田クラックの対策として次の事項が挙げられる。
(1)ＬＥＤ素子とプリント基板の線膨張係数の差が小さくなるように、ＬＥＤ素子の素材とプリント基板素材を選定する。両者の線膨張係数が同じであれば、半田にかかる応力は発生しない。
(2)ＬＥＤ素子のサイズを小さくし、ＬＥＤ素子自体の膨張・収縮量を小さくする。
(3)点灯時の半田接続箇所の温度上昇の限界を決める。点灯時の温度上昇が比較的低いと熱的影響も軽減され、半田クラックの発生も抑制される。ＬＥＤ素子のサイズを極端に小さくした場合、ＬＥＤ素子搭載箇所の接続半田が局所的に高温になり、半田クラック発生を誘発することを懸念したため、温度上昇の限界を確認した。
(4)ＬＥＤ素子とプリント基板の接続面積（接続パッドの面積）を大きくする。接続面積を大きくして、半田の接続強度を高めると半田クラックの発生は抑制される。
【００１５】
(1)のＬＥＤ素子の素材とプリント基板素材の選定に関しては、ＬＥＤ素子は耐候性の要求からセラミックパッケージを使用しており、プリント基板素材は放熱特性の要求からアルミニウムを使ったメタルコア基板を採用しているので、現時点では他の選択の余地は無い。
従って、(2)、(4)のＬＥＤ素子サイズの小型化と半田接続面積の適正化、(3)の点灯時の半田接続箇所の温度上昇の限界の決定に関して研究を進めた。
【００１６】
ＬＥＤモジュールを形成するＬＥＤ素子とプリント基板の形状から検討を開始した。
一般に、物体は、温度変化に際し、元の長さに比例した量で膨張／収縮する。即ち、次式の関係にある。
ΔＬ＝αＬΔＴ
ここで、ΔＬ：物体の膨張／収縮量、  α：線膨張係数  Ｌ：物体の元の長さ、  ΔＴ：温度変化
【００１７】
図３を参照されたい。ＬＥＤモジュールを形成するプリント基板の形状が円形基板の場合、熱膨張／収縮は半径方向に均一となる（図３（ａ）参照）。正方形基板の場合も、熱膨張／収縮はほぼ半径方向となり、ほぼ均一となる（図３（ｂ）参照）。しかし、長方形基板の場合、熱膨張／収縮による変位量は長辺側が大きく、短辺側は小さく、不均一となっているため、いびつな変位を繰り返すこととなる（図３（ｃ）参照）。
【００１８】
［冷熱サイクル試験における、ＬＥＤ素子の面積と半田クラック発生の関係］
そこで、長方形のＬＥＤモジュールの構成を単純化して、プリント基板サイズとＬＥＤ素子サイズの関係を実験により検証した。
【００１９】
図４を参照されたい。実験したサンプル例を次に示す。
サンプル１：長方形プリント基板100×20ｍｍ2    ＬＥＤ素子を2行×3列＝6個搭載（図４(a)参照）
サンプル２：長方形プリント基板77.4×15ｍｍ2    ＬＥＤ素子を1行×3列＝3個搭載（図４(ｂ)参照）
【００２０】
図５は、ＬＥＤ素子サイズの小型化に関する影響を確認するため行った実験結果であり、冷熱サイクル試験1000サイクル後のサンプルのデータである。冷熱サイクルは、1サイクルを｛（低温：−25℃で30min）−（高温：120℃で30min）｝とし、これを繰り返している。横軸は、（基板／ＬＥＤ）面積比、即ち、ＬＥＤ素子面積に対する基板面積の比率である。ＬＥＤ素子面積は、基板に搭載されたＬＥＤ素子全ての合計面積であり、基板面積は一定である。従って、横軸の（基板／ＬＥＤ）面積比は、ＬＥＤ素子面積にのみ依存し、ＬＥＤ素子面積が小さくなるほど高い数値となっている。縦軸は、試験前後でＬＥＤモジュールに定電流を流して測定した電圧上昇比である。（電圧降下比と同じ。）電圧上昇比は半田接続部分の抵抗値を表しており、電圧上昇比が高いほど抵抗値が高く半田クラックが進んでいることを意味する。従って、図５のグラフは、横軸が右に行くほどＬＥＤ素子の面積が小さく、縦軸は上に行くほど半田クラック発生の影響が大きいことを表示したグラフである。
【００２１】
図５のグラフより、長方形のＬＥＤモジュールでは、ＬＥＤ素子の面積を小さくすると、半田クラックの影響が大きくなる傾向が判明した。これは、最初の対策事項「(2)ＬＥＤ素子のサイズを小さくし、ＬＥＤ素子自体の膨張・収縮量を小さくする。」とは反対の結果となった。理由は、現時点では明確ではないが、長方形基板の場合、長辺方向と短辺方向では熱膨張／収縮が均一でなく、いびつな熱膨張／収縮を繰り返すことに起因するものと考えられる。
【００２２】
判定基準として、ＬＥＤモジュールの正常動作が確保できる電圧上昇比1.1までを許容基準とした。図５のグラフより、次式の関係であれば、許容基準を満たすことが分かった。
19≦（基板／ＬＥＤ）面積比≦58
【００２３】
［点灯試験における、ＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷と半田クラック発生の関係］
図６は、点灯時の半田接続箇所の熱的な限界値を決定するため行った点灯試験の実験結果であり、横軸はＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷[W/mm2]を表し、縦軸は試験前後でのＬＥＤモジュールの電圧上昇比を表している。全てのＬＥＤ素子は同一であり、１個のＬＥＤ素子は基板と３箇所で接続（正極側、負極側、放熱側の３端子部品）している。半田接続面積は、各ＬＥＤ素子接続パッドの面積（プリント基板の接続パッドの面積も同じ。）の合計値であり、熱負荷は半田接続を通る電力である。即ち、横軸のＬＥＤ素子の半田接続面積当たりの熱負荷[W/mm2]は、全ＬＥＤモジュールの入力電力を、全ＬＥＤ素子接続パッドの面積の合計値で割り算した値である。点灯試験は、（1時間点灯−30分消灯）を1サイクルとして、3,000サイクル後のデータである。
【００２４】
従って、図５は、半田接続に影響するＬＥＤ素子の面積の要因に注目したデータであり、図６は半田接続に影響する熱的要因に注目したデータである。
【００２５】
判定基準として、ＬＥＤモジュールの電圧上昇比1.1までを許容基準とした。熱負荷の下限は、極端に小さくても問題は無いので規定していない。図６のグラフより、次式の関係であれば、許容基準を満たすことが分かった。
半田接続面積当たりの熱負荷≦0.44  [W/mm2] 
【００２６】
［まとめ］
以上、本発明に係るＬＥＤモジュールを利用したＬＥＤランプの実施形態に関し説明したが、これらは本発明を理解する上での例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【符号の説明】
【００２７】
２：口金、  ６：外球、  １０：ＬＥＤランプ、  １４：ＬＥＤモジュール、  １４ｂ：溝，スリット、  １４ｅ，１４ｇ：導体パターン、  １８：ＬＥＤ素子、
【図１】
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【図２】
2020107693.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020107693.tif 000006
【図５】
2020107693.tif 000007
【図６】
2020107693.tif 000008