(57)【要約】【課題】発光素子がはんだ実装された基板において、発光素子の発光時の発熱によって生じる基板に対する応力を抑制することにより、基板に対する発光素子の高い接合強度を保持できるようにすることにある。【解決手段】、基板１の両端部に設けられた固定孔２間の線分Ｌ上に複数の発光素子５からなる発光素子群６を実装してなる発光素子実装基板において、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａと、夫々の端部側に位置する固定孔２との間の前記線分Ｌ上に一対の応力開放孔１０を設けた。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子を実装する半導体発光素子実装用基板であって、
前記半導体発光素子実装用基板は、両端部に貫通孔からなる固定孔を有すると共に、前記固定孔を結ぶ線分上に複数の前記半導体発光素子からなる半導体発光素子群がはんだ接合により実装され、
前記半導体発光素子群の両端部に位置する半導体発光素子と、夫々の端部側に位置する前記固定孔との間の前記線分上に貫通孔からなる一対の応力開放孔を設けたことを特徴とする半導体発光素子実装用基板。
【請求項２】
前記応力開放孔は、前記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向に長い長方形あるいは、前記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向の中央部が内側に凹んだ鼓状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子実装用基板。
【請求項３】
前記長方形の幅及び前記鼓状の中央部の凹んだ部分の幅はいずれも、前記半導体発光素子の、記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向の長さ以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子実装用基板。
【請求項４】
前記応力開放孔は、前記半導体発光素子群の両端部に位置する半導体発光素子と前記固定孔との中間位置付近から前記半導体発光素子側あるいは前記固定孔側のいずれかの方向の離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子実装用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体発光素子（例えば、ＬＥＤ素子）を実装する基板（半導体発光素子実装用基板）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のＬＥＤ素子を実装（特に、直線状に実装）したＬＥＤ実装用基板としては、例えば、特許文献１（名称：車両用灯具）に発光モジュールを構成する回路基板として開示されている。
【０００３】
開示された発光モジュール８０は、図１６に示すように、回路基板８１、給電コネクタ９５、９６及び半導体発光素子１００により構成されている。
【０００４】
そのうち、回路基板８１は、右側部８２と左側部８３の夫々の上側部８４と下側部８５の間に２個所ずつの切り欠き部８６が形成されると共に、右側部８２に形成された２個所の切り欠き部８６の間には回路基板８１を貫通する２つの円孔８７、８８が形成され、同様に左側部８３に形成された２個所の切り欠き部８６の間には回路基板８１を貫通する２つの長孔８９、９０が形成されている。
【０００５】
そして、給電コネクタ９５、９６が回路基板８１の上側部８４の上端に配置され、複数の半導体発光素子（具体的には、２２個の半導体発光素子）１００が回路基板８１の下側部８５に横一列に直線状に配置されている。
【０００６】
保持部材への発光モジュール８０の取り付けは、以下、図示しないが、発光モジュール８０の回路基板８１の４つの切り欠き部８６が保持部材のベース部に突設されたスクリュボスに嵌合されると同時に、回路基板８１の一方の円孔８８が保持部材のベース部に突設された一方の位置決めピンに嵌挿されると共に回路基板８１の他方の長孔９０が保持部材のベース部に突設された他方の位置決めピンに嵌挿されている。また、回路基板８１の他方の円孔８７は反射部材の固定部の裏面側に突設された一方の位置決めピンに嵌挿されると共に回路基板８１の他方の長孔８９が反射部材の固定部の裏面側に突設された他方の位置決めピンに嵌挿されている。
【０００７】
そして、上記位置決めされた発光モジュール８０が、保持部材と反射部材とで挟まれた状態でタッピングスクリュによって共締めされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１６４９３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記構成からなる発光モジュール８０は、半導体発光素子１００の発光時に、夫々の半導体発光素子１００からの発熱が重畳されるために熱量が増加して回路基板の温度が極めて高くなり、大幅な温度上昇による熱膨張によって回路基板に伸びが生じる。
【００１０】
すると、回路基板８１は、円孔８７及び円孔８８を支点にして長孔８９及び長孔９０の方向に伸張する。そのため、半導体発光素子１００は、長孔８９及び長孔９０の側にあるほど保持部材及び反射部材に対する位置ずれが大きくなり、最も長孔８９及び長孔９０の側に位置する半導体発光素子１００が最も大きな位置ずれを生じる。
【００１１】
その結果、半導体発光素子１００から発せられて車両用灯具から出射される光の光学特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００１２】
また、回路基板の位置決めの保持を確実なものにするために、両端部をねじ止め等の手段により強固に固定支持した場合を考えると、半導体発光素子の発光時の発熱による回路基板の伸張によって固定支持部間に曲げ応力が発生して反りが生じ、それによって半導体発光素子と回路基板との接合部（例えば、はんだ接合部）に破損あるいは破壊が生じて必要とされる接合強度が確保できなくなる可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子（ＬＥＤ素子）が実装された回路基板（ＬＥＤ実装用基板）において、半導体発光素子の発光時の発熱によって生じる回路基板に対する応力を抑制することにより、回路基板に対する半導体発光素子の高い接合強度を保持できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、半導体発光素子を実装する半導体発光素子実装用基板であって、前記半導体発光素子実装用基板は、両端部に貫通孔からなる固定孔を有すると共に、前記固定孔を結ぶ線分上に複数の前記半導体発光素子からなる半導体発光素子群がはんだ接合により実装され、前記半導体発光素子群の両端部に位置する半導体発光素子と、夫々の端部側に位置する前記固定孔との間の前記線分上に貫通孔からなる一対の応力開放孔を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記応力開放孔は、前記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向に長い長方形あるいは、前記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向の中央部が内側に凹んだ鼓状を有することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記長方形の幅及び前記鼓状の中央部の凹んだ部分の幅はいずれも、前記半導体発光素子の、記半導体発光素子群が実装された方向に直交する方向の長さ以下であることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、前記応力開放孔は、前記半導体発光素子群の両端部に位置する半導体発光素子と前記固定孔との中間位置付近から前記半導体発光素子側あるいは前記固定孔側のいずれかの方向の離れた位置に設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半導体発光素子実装用基板の両端部に設けられた固定孔を結ぶ線分上に複数の半導体発光素子からなる半導体発光素子群をはんだ接合により実装してなる半導体発光素子実装基板において、半導体発光素子群の両端部に位置する半導体発光素子と、夫々の端部側に位置する固定孔との間の前記線分上に一対の応力開放孔を設けた。
【００１９】
これにより、半導体発光素子実装基板に対して半導体発光素子の高い接合強度が保持されて優れた実装信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】応力開放孔の外形寸法の最適化に用いる発光素子実装基板の説明図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】応力開放孔の第１実施例の説明図である。
【図４】同じく、応力開放孔の第２実施例の説明図である。
【図５】同じく、応力開放孔の第３実施例の説明図である。
【図６】同じく、応力開放孔の第４実施例の説明図である。
【図７】同じく、応力開放孔の第５実施例の説明図である。
【図８】同じく、応力開放孔の第６実施例の説明図である。
【図９】発光素子に加わる相対応力のグラフである。
【図１０】同じく、発光素子に加わる相対応力のグラフである。
【図１１】応力開放孔の第７実施例の説明図である。
【図１２】同じく、応力開放孔の第８実施例の説明図である。
【図１３】発光素子に加わる相対応力のグラフである。
【図１４】応力開放孔の配設位置の最適化に用いる発光素子実装基板の説明図である。
【図１５】応力開放孔の位置と発光素子に加わる応力との関係を示すグラフである。
【図１６】従来例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１５を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【００２２】
発明者は図１に示すように、両端部に固定用の貫通孔（固定孔）２を有すると共に両固定孔２を結ぶ線分Ｌ上の中央部に該線分Ｌに沿って設けられた複数のダイボンディングパッド３を有する基板１おいて、複数のダイボンディングパッド３からなるダイボンディングパッド群４の両端部に位置するダイボンディングパッド３ａと、夫々の端部側に位置する固定孔２との間の前記線分Ｌ上に一対の応力開放用の貫通孔（応力開放孔）１０を設け、図２に示すように、隣り合うダイボンディングパッド３に架かるようにはんだ接合によって実装した複数の半導体発光素子（以下、「発光素子」と略称する）５からなる発光素子群６の発光（点灯）時の発熱によって生じる発光素子５に対する応力が応力開放孔１０によって緩和されることを確認し、その上で応力シミュレーションによって応力開放孔１０の形状寸法の最適化を図った。
【００２３】
応力開放孔１０の形状寸法のシミュレーションに際しては、まず、応力開放孔１０の基本形状を矩形状として、寸法の異なる複数の応力開放孔を設定した。なお、以下において、発光素子及び応力開放孔の夫々の説明で用いる「幅」及び「高さ」はそれぞれ、「発光素子群が実装された方向に対応する寸法」及び「発光素子群が実装された方向に直交する方向に対応する寸法」を示す。
【００２４】
設定した矩形状の応力開放孔は、幅ａを発光素子５の高さｄの１／４（０．２５倍）とし、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とする縦長形状の第１実施例１１（図３参照）、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの１／２とする横長形状の第２実施例１２（図４参照）、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とする縦長形状の第３実施例１３（図５参照）、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの４倍とする縦長形状の第４実施例１４（図６参照）、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの５．２５倍とする縦長形状の第５実施例１５（図７参照）、及び、幅ａを発光素子５の高さｄの２倍とし、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とする正方形の第６実施例１６（図８参照）の６種類とした。
【００２５】
なお、応力開放孔を設けない基板を比較例２０として設定した。
【００２６】
そこで、まず、夫々の応力開放孔の幅ａと応力緩和との関係について、高さｂ（発光素子５の高さｄの２倍）が同一で幅ａのみが異なる、第１実施例１１、第３実施例１３、第６実施例１６及び比較例２０について応力を算出した。その、算出結果をグラフ上に示したのが図９である。
【００２７】
図９のグラフは、横軸が、応力開放孔の幅ａの、発光素子の高さｄに対する比率ａ／ｄを表し、縦軸は、全発光素子の点灯時に該発光素子に掛かる最大応力を、応力開放孔を有しない比較例を１００％としたときの比率（％）で表している。
【００２８】
図９より、比較例の発光素子に掛かる最大応力[711MPa]に対する第１実施例の発光素子に加わる最大応力[652MPa]の比率は９１．７％であり、第３実施例の発光素子に加わる最大応力[642MPa]の比率は９０．３％であり、第６実施例の発光素子に加わる最大応力[697MPa]の比率は９８．０％である。
【００２９】
このことより、最も応力緩和の効果が大きい応力開放孔の幅ａは、第３実施例のように発光素子の高さｄと同じ場合であるという結果が得られた。
【００３０】
そこで次に、応力開放孔の幅ａを、上記の応力シミュレーションにおいて好適の幅として得られた発光素子の高さｄと同じにしたときの、応力開放孔の高さｂと応力緩和との関係について、幅ａが発光素子の高さｄと同じで高さｂのみが異なる、第２実施例、第３実施例、第４実施例、第５実施例及び比較例について応力を算出した。その、算出結果をグラフ上に示したのが図１０である。
【００３１】
図１０のグラフは、横軸が、応力開放孔の高さｂの、発光素子の高さｄに対する比率ｂ／ｄを表し、縦軸は、全発光素子の点灯時に該発光素子に加わる最大応力を、応力開放孔を有しない比較例を１００％としたときの比率（％）で表している。
【００３２】
図１０より、比較例の発光素子に加わる最大応力[711MPa]に対する第２実施例の発光素子に加わる最大応力[680MPa]の比率は９５．６％であり、第３実施例の発光素子に加わる最大応力[642MPa]の比率は９０．３％であり、第４実施例の発光素子に加わる最大応力[610MPa]の比率は８５．８％であり、第５実施例の発光素子に加わる最大応力[569MPa]の比率は８０．０％である。
【００３３】
このことより、応力開放孔の幅ａを発光素子の高さｄと同じにしたときに、最も応力緩和の効果が大きい応力開放孔の高さｂは、少なくとも高さｂが発光素子の高さｄの５．２５倍の範囲内においては、高ければ高いほど効果が大きいという結果が得られた。
【００３４】
したがって、上述の応力シミュレーションの結果より、矩形の応力開放孔は、幅ａが発光素子の高さｄと同じで且つ高さｂが少なくとも発光素子の高さｄの５．２５倍の範囲内においては高ければ高いほど効果が大きいという結果が得られた。
【００３５】
次に、上記シミュレーション結果を踏まえ、第７実施例及び第８実施例として、上記シミュレーションによって得られた好適とされる幅ａ（発光素子の高さｄと同じ値）の部分を部分的に有する、矩形以外の形状（例えば、図１１及び図１２にあるような、高さ方向の中央部が内側に凹んだ鼓状）の応力開放孔についても応力シミュレーションを行った。
【００３６】
第７実施例１７は図１１より、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とし、上端部及び下端部の幅ａ１を発光素子の高さｄの２倍とすると共に中央部の凹んだ部分の幅ａ２を発光素子の高さｄと同じとし、第８実施例１８は図１２より、高さｂを発光素子の高さｄの４倍とし、上端部及び下端部の幅ａ１を発光素子の高さｄの２倍とすると共に中央部の凹んだ部分の幅ａ２を発光素子の高さｄと同じとした。
【００３７】
図１３のグラフは、幅ａを発光素子５の高さｄの２倍とし、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とする正方形の第６実施例、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とする縦長形状の第３実施例、幅ａを発光素子５の高さｄとし、高さｂを発光素子５の高さｄの４倍とする縦長形状の第４実施例、高さｂを発光素子５の高さｄの２倍とし、上端部及び下端部の幅ａ１を発光素子５の高さｄの２倍とすると共に中央部の凹んだ部分の幅ａ２を発光素子５の高さｄと同じとする第７実施例、及び高さｂを発光素子５の高さｄの４倍とし、上端部及び下端部の幅ａ１を発光素子５の高さｄの２倍とすると共に中央部の凹んだ部分の幅ａ２を発光素子５の高さｄと同じとした第８実施例の夫々の全発光素子の点灯時に該発光素子に加わる最大応力を、第６実施例に加わる最大応力を１００％としたときの比率（％）で表している。
【００３８】
図１３より、応力開放孔の幅ａを発光素子の高さｄの２倍とする第６実施例に対して、応力開放孔の幅ａを発光素子の高さｄと同じとする部分を全体的あるいは部分的に有する第３実施例、第４実施例、第７実施例及第８実施例の方が応力緩和の効果が効果的に発揮されることを示している。
【００３９】
また、夫々が応力開放孔の高さｂを発光素子の高さｄの２倍とすると共に、発光素子の高さｄと同じ幅ａを有する長方形の第３実施例と、発光素子の高さｄと同じ幅ａ２の凹みを有する鼓状の第７実施例とは、ほぼ同程度の応力緩和効果が得られることがわかる。
【００４０】
同様に、夫々が応力開放孔の高さｂを発光素子の高さｄの４倍とすると共に、発光素子の高さｄと同じ幅ａを有する長方形の第４実施例と、発光素子の高さｄと同じ幅ａ２の凹みを有する鼓状の第８実施例とは、ほぼ同程度の応力緩和効果が得られることがわかる。
【００４１】
同時に、第３実施例及び第７実施例よりも、応力開放孔の高さｂが高い第４実施例及び第８実施例の方が応力緩和の効果が高いことがわかる。
【００４２】
この結果は、上記シミュレーションによって得られた好適とされる、応力開放孔の高さｂは、少なくとも高さｂが発光素子の高さｄの５．２５倍の範囲内においては、高ければ高いほど効果が大きいとする結果に沿うものである。
【００４３】
以上より、応力開放孔の高さｂが同じであれば、発光素子の高さｄと同じ幅ａを有する長方形の応力開放孔と、発光素子の高さｄと同じ幅ａ２の凹みを有する鼓状の応力開放孔とは、形状が異なってもほぼ同程度の応力緩和効果を得ることができる。
【００４４】
また、上記いずれの応力開放孔（長方形及び鼓状）においても、高さｂが高ければ高いほど応力緩和効果が増すことになる。
【００４５】
ところで、応力シミュレーションによって、応力開放孔を設ける好適な位置も算出した。
シミュレーションの条件としては、図１４に示すように、応力開放孔１０を、幅ａが発光素子５の高さｄとし、高さｂが発光素子の高さｄの２倍とする縦長形状の第３実施例とし、基板１の両端部に設けられた固定孔２間の線分Ｌ上に複数の発光素子５からなる発光素子群６を実装し、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａと、夫々の端部側に位置する固定孔２との間の前記線分Ｌ上に一対の応力開放孔１０を設けた。
【００４６】
そして、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から応力開放孔１０の中心までの距離をｆとし、応力開放孔１０の中心から固定孔２の中心までの距離をｅとする。
【００４７】
その応力シミュレーションの結果が図１５に示されている。
【００４８】
図１５は、横軸が、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から応力開放孔の中心までの距離ｆの、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から固定孔２の中心までの距離（ｅ+ｆ）に対する比（ｆ／（ｅ+ｆ））を表し、縦軸は、発光素子に加わる最大応力[MPa]を表している。
【００４９】
図１５より、（ｆ／（ｅ+ｆ））が０．２５、つまり、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から応力開放孔までの距離が、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から固定孔２の中心までの距離の１／４の場合は、発光素子に加わる最大応力が６３７[MPa]となり、（ｆ／（ｅ+ｆ））が０．５、つまり、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から応力開放孔までの距離が、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から固定孔２の中心までの距離の１／２の場合は、発光素子に加わる最大応力が６４５[MPa]となり、（ｆ／（ｅ+ｆ））が０．７５、つまり、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から応力開放孔までの距離が、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａの中心から固定孔の中心までの距離の３／４の場合は、発光素子に加わる最大応力が６４２[MPa]となる。
【００５０】
そこで、漸近線Ｎを引くと、応力緩和の効果が最も小さい範囲（漸近線の頂点近傍）は、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａと固定孔２との中間位置付近であることを示している。
【００５１】
したがって、応力緩和のために設ける応力開放孔の効果的な位置は、発光素子群６の両端部に位置する発光素子５ａと固定孔２との中間位置付近から発光素子５ａ側あるいは固定孔２側のいずれかの方向の離れた位置が有効であることがわかる。
【００５２】
なお、以上のシミュレーション結果より、応力開放孔は直線でも鼓状でもよいため、例えば、丸孔、菱形孔などの実施例以外の形状であっても、発光素子両端部から固定孔の間にいずれの形状の応力開放孔を形成すれば、応力開放孔なしのものより、応力緩和が起こるといえる。固定孔と発光素子両端部が水平に位置してなくて、例えば、発光素子の配置より垂直方向にずれていても、シミュレーション結果から、発光素子両端部から固定孔の間に応力開放孔を形成すれば、応力開放孔なしのものより、応力緩和が起こるといえる。
【００５３】
以上説明したように、発光素子がはんだ実装された発光素子実装基板において、発光素子の発光時の発熱によって生じる基板に対する応力を抑制するために応力開放孔を設け、且つ応力開放孔の形状寸法及び配設位置に対して上記応力シミュレーションにより得られた算出結果を適用することにより、発光素子実装基板に対して発光素子の高い接合強度が保持されて優れた実装信頼性を確保することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１…  基板
２…  貫通孔（固定孔）
３…  ダイボンディングパッド
３ａ…  ダイボンディングパッド
４…  ダイボンディングパッド群
５…  半導体発光素子（発光素子）
５ａ…  発光素子
６…  発光素子群
１０…  貫通孔（応力開放孔）
１１…  第１実施例
１２…  第２実施例
１３…  第３実施例
１４…  第４実施例
１５…  第５実施例
１６…  第６実施例
１７…  第７実施例
１８…  第８実施例
２０…  比較例
【図１】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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