(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面に複数の接続用配線導体を形成した回路基板と、該回路基板の前記一方の主面側に配置され且つ前記接続用配線導体により互いに電気的に接続された複数の半導体発光装置と、前記複数の半導体発光装置の上方に取り付けられ且つ前記複数の半導体発光装置から発生した光を集光するレンズと、該複数の半導体発光装置に近接して前記回路基板の一方の主面に垂設され且つ前記複数の半導体発光装置から発生した光を前記レンズ側に反射する反射壁とを備え、
前記複数の半導体発光装置の各々は、それぞれ前記接続用配線導体に電気的に接続され且つ互いに離間した２つの発光素子配線導体を形成する発光素子基板と、該発光素子基板の一方の主面に固着された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を封止する光透過性樹脂から成る発光素子レンズとを備え、
前記発光素子レンズは前記発光素子基板との接合部を底面とし前記発光素子基板から遠ざかるにつれて断面積が減少する角錐台形状を有し、
前記発光素子レンズの角錐台形状は、前記反射壁に対向せずに前記回路基板の一方の主面に対して第１の角度で傾斜する第１の側面と、前記第１の角度よりも大きい第２の角度で前記回路基板の一方の主面に対して傾斜し且つ前記反射壁に対向する第２の側面とを有し、
前記複数の半導体発光装置の各々に対応する複数の楕円球面部を前記レンズの一方の主面に形成し、前記発光素子レンズの第１の側面を介して光が通過する前記楕円球面部の部分を大きい曲率で形成し、前記発光素子レンズの第２の側面を介して光が通過する前記楕円球面部の部分を小さい曲率で形成したことを特徴とする半導体発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光モジュール、特に特性のばらつきがなく、信頼性が高く且つ小型・薄型、高出力の半導体発光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の半導体発光装置又は半導体発光素子が単一の外囲体に組み込まれて成る半導体発光装置を構成する所謂半導体発光モジュールは公知である。
図９に示す従来の半導体発光モジュールは、プリント基板（１）と、プリント基板（１）に実装された複数個の発光ダイオード（２）と、発光ダイオード（２）を包囲してプリント基板（１）に取り付けられた外囲体（３）から成り、複数個の発光ダイオード（２）をそれぞれの配光方向を揃えて一体に形成される。発光ダイオード（２）は、外部リード（４）と、外部リード（４）の端部に固定されたレンズ（５）とを有する。図示しないが、外部リード（４）はヘッダ（皿状支持電極体）を備え、レンズ（５）は外部リード（４）のヘッダに固着された発光ダイオード素子を封止する。
【０００３】
また、図１０に示す他の半導体発光モジュールは、液晶ポリマ等から成り一方の主面に複数の凹部（６）を形成した基板（７）と、複数の凹部（６）内に固着された複数の発光ダイオード素子（８）と、発光ダイオード（８）を覆う光透過性レンズ（９）とから構成される。基板（７）には図示しない配線導体がメッキ等によってパターン状に形成され、発光ダイオード素子（８）はリード細線（１０）を介して配線導体に電気的に接続される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光通信を目的として自動車に搭載される半導体発光モジュールにおいては、モジュールが小面積（小型）であり且つ薄型であることが要求される。ここで、図９の半導体発光モジュールでは、個別に完成した樹脂封止型発光ダイオード（２）を回路基板（１）に配置した構成となっており、レンズ（５）の横幅Ｌ及び高さＨが比較的大きいため、このような要求を満足することができない。
【０００５】
一方、図１０の半導体発光モジュールでは、ベアチップの発光ダイオード素子（８）を使用し、更に基板（７）の側壁面に設けられた図示しない配線導体を利用して外部電極端子との接続を行うため装置の小型化・薄型化が可能である。また、凹部（６）の壁面に傾斜を設けて、この傾斜した壁面に反射性に優れた電極を形成して反射壁とすることで高出力且つ鋭い指向性を得ることもできる。
【０００６】
しかしながら、図１０の半導体発光モジュールでは、発光ダイオード素子（８）の選別は可能であるが、リード細線（１０）のボンディングに起因する特性劣化・特性不良は除去できないため、特性のばらつきを回避できず、高い歩留まりも得られない。また、基板（７）とレンズ（９）との接合界面の面積が比較的大きいため、両者の線膨張係数差に起因して界面剥離等が生じるおそれがあり、信頼性の点で問題があった。更に、特殊な形状の凹部（６）を要し、これに反射性に優れた電極のメッキを行う必要があり、加えて前記の通り歩留まりが低いため、材料及び製造にかかるコストが高くなることも問題であった。
そこで、本発明は、これらの問題が解消され、特性のばらつきが無く、信頼性が高く且つ低コストの小型・薄型、高出力の半導体発光モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光モジュールは、一方の主面（１１ａ）に複数の接続用配線導体（１６）を形成した回路基板（１１）と、回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）側に配置され且つ接続用配線導体（１６）により互いに電気的に接続された複数の半導体発光装置（１２）と、複数の半導体発光装置（１２）の上方に取り付けられ且つ複数の半導体発光装置（１２）から発生した光を集光するレンズ（１５）と、複数の半導体発光装置（１２）に近接して回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に垂設され且つ複数の半導体発光装置（１２）から発生した光をレンズ（１５）側に反射する反射壁（１３）とを備えている。複数の半導体発光装置（１２）の各々は、それぞれ接続用配線導体（１６）に電気的に接続され且つ互いに離間した２つの発光素子配線導体（２５）（２６）を形成する発光素子基板（２２）と、発光素子基板（２２）の一方の主面（２２ａ）に固着された半導体発光素子（２３）と、半導体発光素子（２３）を封止する光透過性樹脂から成る発光素子レンズ（２４）とを備えている。
【０００８】
発光素子レンズ（２４）は、発光素子基板（２２）との接合部（２４ｃ）を底面とし発光素子基板（２２）から遠ざかるにつれて断面積が減少する角錐台形状を有する。発光素子レンズ（２４）の角錐台形状は、反射壁（１３）に対向せずに回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に対して第１の角度で傾斜する第１の側面（２４ａ）と、第１の角度よりも大きい第２の角度で回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に対して傾斜し且つ反射壁（１３）に対向する第２の側面（２４ｂ）とを有する。複数の半導体発光装置（１２）の各々に対応する複数の楕円球面部（３３）をレンズ（１５）の一方の主面（１５ａ）に形成し、発光素子レンズ（２４）の第１の側面（２４ａ）を介して光が通過する楕円球面部（３３）の部分を大きい曲率で形成する。発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）を介して光が通過する楕円球面部（３３）の部分を小さい曲率で形成する。
【０００９】
本発明では、外部リードを必要としない半導体発光装置（１２）を用いるためモジュール全体の小型化が可能となる。また、半導体発光素子（２３）から放出された光は、まず発光素子レンズ（２４）によってレンズ（１５）側に屈折し、更に発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）から導出された光は反射壁（１３）によってレンズ（１５）側に向きを変え、最終的に半導体発光素子（２３）から放出された光の全体がレンズ（１５）によって装置外部に導出される。従って、半導体発光装置（１２）の発光素子レンズ（２４）、反射壁（１３）及びレンズ（１５）により半導体発光素子（２３）から放出された光を効率よくモジュール外部に導出できるため、高い発光出力が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、発光ダイオードモジュールに適用した本発明による半導体発光モジュールの実施の形態を図１〜図８について説明する。
図１に示す発光ダイオードモジュールは、回路基板（１１）、半導体発光装置としてのチップ型発光ダイオード（表面実装型発光ダイオード）（１２）、反射壁（１３）、外枠体（１４）及びレンズ（１５）から構成される。
【００１１】
回路基板（１１）は例えばエポキシ樹脂等から成る。図２に示すように、回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）には複数本の帯状の接続用配線導体（１６）と電極端子（１７）とが形成され、両者は連絡配線導体（１７ａ）で電気的に接続される。また、図３に示すように、回路基板（１１）の他方の主面（１１ｂ）には屈曲した帯状の接続用配線導体（１８）が形成される。一方の主面（１１ａ）側に形成された接続用配線導体（１６）は、回路基板（１１）の一方の側面（１１ｃ）から他方の側面（１１ｄ）の方向に向う第１の方向に延伸し、延伸方向の途中に複数の間欠部（１９）が設けられる。複数本の接続用配線導体（１６）の間には反射板（１３）が垂設される。回路基板（１１）の一方の側面（１１ｃ）の近傍には貫通孔（２０）が穿設され、接続用配線導体（１６）は貫通孔（２０）を通じて一方の主面（１１ａ）から他方の主面（１１ｂ）に達する。電極端子（１７）の一方端は一方の主面（１１ａ）上を第１の方向と直交する第２の方向に回路基板（１１）の側面まで延伸し、更に基板の側壁に形成された切り欠き部（２１）を通じて回路基板（１１）の他方の主面（１１ｂ）側まで達する。接続用配線導体（１６）の一方端と電極端子（１７）の一方端とは、回路基板（１１）の他方の主面（１１ｂ）に形成された接続用配線導体（１８）によって電気的に接続されている。
【００１２】
チップ型発光ダイオード（１２）は、図５に示すように、発光素子基板（２２）と、この一方の主面に固着された半導体発光素子としての発光ダイオード素子（２３）と、光透過性樹脂から成る角錐台形状の発光素子レンズ（２４）とを備える。発光素子基板（２２）の一方の主面（２２ａ）には互いに離間した２つの発光素子配線導体（２５）（２６）が形成され、一方の配線導体（２５）の主面には発光ダイオード素子（２３）の裏面に形成された電極が固着される。他方の配線導体（２６）にはリード細線（２７）を介して発光ダイオード素子（２３）の上面に形成された電極が電気的に接続される。図６に示すように、発光素子基板（２２）の長手方向の両端には切り欠き部（２８）（２９）が形成される。発光素子配線導体（２５）（２６）の一方端はそれぞれ切り欠き部（２８）及び（２９）を通じて発光素子基板（２２）の他方の主面まで延伸する。発光素子基板（２２）の他方の主面には互いに離間した２つの接続電極（３０）（３１）が形成され、それぞれ一方又は他方の発光素子配線導体（２５）（２６）の一方端に繋っている。発光素子レンズ（２４）は周知のトランスファモールドで形成され、発光ダイオード素子（２３）及びリード細線（２７）を封止する。図１及び図３に示すように、反射壁（１３）に対向しない発光素子レンズ（２４）の第１の側面（２４ａ）は回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に対して第１の角度で傾斜し、反射壁（１３）に対向する発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）は、回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に対して第１の角度よりも大きい第２の角度で傾斜する。
【００１３】
図１及び図３に示すように、チップ型発光ダイオード（１２）は、回路基板（１１）上の接続用配線導体（１６）に対してその間欠領域（１９）を架橋するように固着される。即ち、チップ型発光ダイオード（１２）の一方の接続電極（３０）と他方の接続電極（３１）は、それぞれ間欠領域（１９）の一方の側の接続用配線導体（１６）と他方の側の接続用配線導体（１６）に固着される。図１の発光ダイオードモジュールでは、１本の接続用配線導体（１６）に間欠領域（１９）に対応してそれぞれ４個のチップ型発光ダイオードが固着されて互いに直列に電気的に接続され、５本の接続用配線導体（１６）に合計２０個のチップ型発光ダイオードが配設されている。
【００１４】
反射壁（１３）は、反射性に優れた白色の樹脂等から成る板材であり、回路基板（１１）の接続用配線導体（１６）の間に垂直に固着される。図４に示すように、反射壁（１３）は、その上端が発光ダイオード（１２）の発光素子レンズ（２４）の上面とほぼ同等かそれよりも上方に且つ接続用配線導体（１６）の延伸する方向に沿って配置される。
外枠体（１４）は黒色の樹脂等から成り、図２に示すように、複数の発光ダイオード（１２）を包囲するように回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に固着される。
【００１５】
レンズ（１５）は光透過性に優れた樹脂等から成り、図７に示すように、一方の主面（１５ａ）に発光ダイオード（１２）に対応する２０個の楕円球面部（３３）が形成される。図４に示すように、レンズ（１５）の他方の主面（１５ｂ）は平面となっており、反射壁（１３）の上面に固着されている。楕円球面部（３３）は、図１に示すように、発光素子レンズ（２４）の第１の側面（２４ａ）を介して光が通過する部分は曲率が大きく、図４に示すように、発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）を介して光が通過する部分は曲率が小さく形成される。楕円球面部（３３）は、平面的に見て、接続用配線導体（１６）の延伸方向（第１の方向）に長く、これに直交する第２の方向に短く形成されている。
【００１６】
本発明の実施の形態では、外部リードを必要としないチップ型発光ダイオード（１２）を用いるためモジュール全体の小型化・薄型化が可能となる。また、発光ダイオード素子（２３）から放出された光は、まず発光素子レンズ（２４）によってレンズ（１５）側に屈折し、更に発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）から導出された光は反射壁（１３）によってレンズ（１５）側に向きを変え、最終的に発光ダイオード素子（２３）から放出された光の全体がレンズ（１５）によって装置外部に導出される。従って、発光ダイオード（１２）の発光素子レンズ（２４）、反射壁（１３）及びレンズ（１５）により発光ダイオード素子（２３）から放出された光を効率よくモジュール外部に導出できるため、高い発光出力が得られる。更に、発光素子レンズ（２４）とレンズ（１５）との組み合わせにより、鋭い指向性も得られる。
【００１７】
また、本発明の実施の形態によれば、チップ型発光ダイオード（１２）の発光素子基板（２２）と発光素子レンズ（２４）との接合面積が比較的小さいため、多数の温度サイクルが加わるような厳しい環境下で使用しても、発光素子基板（２２）と発光素子レンズ（２４）との線膨張係数差に起因して界面剥離等が生じることがない。また、チップ型発光ダイオード（１２）は、回路基板（１１）に組み込む前に特性を検査して不良品を選別・除去できるため、チップ自体は勿論ワイヤボンディングに起因する特性のばらつき及び歩留まりの低下も回避できる。更に、図１０の半導体発光モジュールで必要とされる特殊・複雑な製造工程を経ずに製作できるのでコストの低減が可能である。
このように、本発明の実施の形態によれば、小型・薄型化、高出力化が可能なばかりでなく、特性のばらつきを防止でき、信頼性も高く且つ低コストの半導体発光モジュールが得られる。
【００１８】
本発明の実施の形態は前記の例に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、反射壁（１３）に対向する発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）の回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に対する傾斜角度（第２の角度）を、図４に示す形状よりも小さくすることができる。しかし、発光素子レンズ（２４）の第２の側面（２４ｂ）から横方向に放射される光は反射壁（１３）によって上方向に導き出されるから、第２の角度を小さくしなくても発光出力は十分に高いレベルで達成される。むしろ、モジュールの小型化の点では、第２の角度を大きく（垂直に近く）することによって発光ダイオード（１２）の横幅を狭くする方が有利である。
【００１９】
また、レンズ（１５）の一方の主面（１５ａ）を球面に形成してもよい。但し、モジュールの小型化のためには、楕円球面即ち接続用配線導体（１６）の延伸方向（第１の方向）に長手に形成する図７に示す形態が望ましい。第２の方向に長手に形成すると、反射壁（１３）で上方に偏位されにくい発光素子レンズ（２４）の第１の側面（２４ａ）を介して導出される光を上方に導く効果が損なわれるからである。また、発光素子レンズ（２４）の上面を半球状のレンズ面とすることもできる。
【００２０】
【実施例】
回路基板（１１）の一方の主面（１１ａ）に図８の点線Ａ部分に相当する発光回路部を形成し、他方の主面（１１ｂ）に図８の点線Ｂ部分に相当するスイッチング回路等の部分を形成する形態とすることにより、更に小型化・高集積化が達成できる。図８において、４１はＦＥＴ、４２はトランジスタ、４３はツェナダイオード、４４はコンデンサ、４５は電解コンデンサ、４６はダイオード、４７〜４９は抵抗を示す。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、光通信等に有効な小型且つ高輝度の半導体発光モジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光モジュールの断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】図１の底面図
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図
【図５】図１の半導体発光モジュールに適用される半導体発光装置の断面図
【図６】図５の平面図
【図７】レンズの平面図
【図８】本発明の実施例を示す回路図
【図９】従来の半導体発光モジュールの断面図
【図１０】従来の他の半導体発光モジュールの断面図
【符号の説明】
１１．．回路基板、  １１ａ．．一方の主面、  １１ｂ．．他方の主面、  １２．．発光ダイオード（半導体発光装置）、  １３．．反射壁、  １５．．レンズ、  １５ａ．．一方の主面、  １５ｂ．．他方の主面、  １６．．接続用配線導体、  １７．．電極端子、  ２２．．発光素子基板、  ２２ａ．．一方の主面、  ２３．．発光ダイオード素子（半導体発光素子）、  ２４．．発光素子レンズ、  ２４ａ．．第１の側面、  ２４ｂ．．第２の側面、  ２４ｃ．．接合部、２５，２６．．発光素子配線導体、  ２７．．リード細線、  ３３．．楕円球面部
【図１】
0003580386.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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