JP5506313B2 - 車両ヘッドライト用発光ダイオード光源 - Google Patents

Description

本発明は車両ヘッドライトに用いられる光半導体装置モジュールたとえば発光ダイオード（LED）モジュール（光源）に関する。

最近、高輝度のLEDモジュールは自動車用ヘッドライトに用いられるようになった。このヘッドライトは所定の配光パターンで照明する。たとえば、道路を可能な限り明るく照明するために、中央及び下方側の配光パターンを用いてヘッドライトの前方及び下方を照明する。他方、対向車両及び歩行者が眩惑されないように、上方側の配光パターンのグレア光を抑制してヘッドライトの上方側の照明を抑制する。

ヘッドライトに適したLED光源として、LEDチップの側方に高く設けられた非対称な側壁（ビームシャッタ）を備えたLEDモジュールも開発されている（参照：特許文献１、２、３）。この側壁を設けた場合には、特にLEDチップに給電用のボンディングワイヤを取付けた場合における作業中のボンディングワイヤの保護をも兼ねることができる。

上述の側壁はアルミニウム、銀等の反射部材によって構成されている（参照：特許文献１の［００１６］、特許文献３の［００６１］）。また、上述の側壁はLEDチップの上面より非常に高い（参照：特許文献１の図１、図３、図４、図６、特許文献２の図８、特許文献３の図１１、図１２）。

特開２００６−２２２４３０号公報 特開２００７−１０３９３７号公報 特開２００８−５０７８５０号公報 実開平５−５０７５４号公報

しかしながら、非対称の側壁を反射部材によって構成し、配光パターンのグレア光を抑制する側をLEDチップに接近させると、側壁から反射された散乱光（グレア光）により所定の配光パターン以外の場所を照明することになり、従って、ヘッドライトの配光パターンの抑制が不十分であるという課題がある。

また、側壁がLEDチップの上面より非常に高いと、側壁により散乱される光量が増加する。やはり、ヘッドライトの配光パターンにおいて、抑制された照明の制御が不十分となる。

また、LEDチップの側方に側壁を設けないようにすれば、側壁から反射された散乱光（グレア光）により所定の配光パターン以外の場所を照明する、という課題は解消されるものの、LEDチップを搭載している基板などで反射された散乱光（グレア光）により所定の配光パターン以外の場所を照明するという課題がある。

また、LEDチップの周辺以外のリードフレームを黒色樹脂等の吸収部材で被膜するものがあるが（参照：特許文献４）、LEDチップの周辺のリードフレームから反射された散乱光（グレア光）はやはり迷光となり、上述と同様の課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る車両ヘッドライト用LED光源は、放熱基板と、放熱基板上に設けられ、少なくとも１つの発光素子が搭載されたサブマウント基板と、放熱基板上に設けられ、発光素子の上方側の配光パターンのグレア光を抑制する黒色吸収部材よりなる側壁とを具備し、側壁の高さは、発光素子の中心垂線と、発光素子の中心と側壁の上端とを結ぶ直線とのなす角度が70°である場合に相当する高さであり、側壁の高さは、側壁がサブマウント基板からのグレア光を遮蔽して発光素子からの光がランバーシアン配光となるように、設定されたものである。これにより、上方側の配光パターンのグレア光を直接抑制し、適用されたヘッドライトの上方側の照明を抑制する。上述の側壁がサブマウント基板上の発光素子を囲むようにリング状に形成され、さらに、側壁がアルミナにチタンカーバイト、金属粉及びカーボンの１つを混入させた耐熱性材よりなる。

また、放熱基板に凹部が形成され、サブマウント基板が凹部内に搭載されている。これにより、装置の小型化が図れる。

さらに、側壁を上方側の配光パターンのグレア光を抑制する側にサブマウント基板と平行に屋根状に延長する。これにより、やはり、装置の小型化が図れる。

本発明によれば、配光パターンのグレア光を直接抑制でき、かつ、LEDチップを作業中に保護することができる。従って、ヘッドライトに適用した場合には、ヘッドライトの配光パターンを十分に抑制できる。

本発明に係るLEDモジュールの実施の形態を示す平面図である。 図１のLEDモジュールのII-II線断面図である。 図２のLEDチップの指向特性を示す図である。 図２の変更例を示す断面図である。

図１は本発明に係るLEDモジュールの実施の形態を示す平面図、図２は図１のLEDモジュールのII-II線断面図である。図１、図２のLEDモジュールは車両用ヘッドライトに適用される。

図１、図２に示すように、Cu、Al等よりなる放熱基板１上にAlN等よりなるサブマウント基板２が熱伝導性の接着層３によって固定されている。この場合、放熱基板１には凹部１ａが形成され、サブマウント基板２は凹部１ａ内に固定される。これにより、放熱効果を向上させることができると共に、小型化ができる。尚、接着層３の代りに、AuSn半田を用いてもよい。

サブマウント基板２上には、予め、Cu等の配線パターン４−０〜４−６を形成し、その上に、４つのLEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４をAuSn半田６によって配線パターン４−１〜４−４に電気的に固定して搭載する。このように、LEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４を細長い配列にすることによりヘッドライトは道路の幅全体に亘って均一に照明できる。また、LEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４の上面には、上部電極が設けられており、Auボンディングワイヤ７−１，７−２，７−３，７−４によってサブマウント基板２の配線パターン４−０〜４−３に電気的に接続される。さらに、配線パターン４−０，４−４はAuボンディングワイヤ７−５，７−６によって配線パターン４−５，４−６に電気的に接続される。配線パターン４−５，４−６には給電用カプラ８−１，８−２が設けられている。

尚、LEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４がGaNよりなる青色LEDの場合、YAG:Ce蛍光体をシリコン樹脂に混合した蛍光樹脂体９−１，９−２，９−３，９−４（図１に図示せず、図２に９−１のみ図示）をLEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４にポッティングによって塗布し、青色光の一部を黄色に変換し白色発光を達成する。

LEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４を搭載するAlNのサブマウント基板２の反射率は40％程度であり、LED放射光の一部はサブマウント基板２から反射されてグレア光の要因となる。このグレア光がヘッドライトの上方向の照明となる。このグレア光を吸収するためにかつボンディングワイヤ７−１〜７−６を保護するために、側壁１０がリング状に設けられている。また、側壁１０はLEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４に対して非対称となっている。つまり、ボンディングワイヤ７−１〜７−６が存在する側（下方側の配光パターン側、ヘッドライトの下方側）の側壁１０とLEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４との距離は大きく、他方、ボンディングワイヤが存在しない側（上方側の配光パターン側、ヘッドライトの上方側）の側壁１０とLEDチップ５−１，５−２，５−３，５−４との距離は小さくされている。これにより、上方側の配光パターンのグレア光を側壁１０が直接吸収する。

側壁１０は全面において反射の少ない黒色マット表面とする。これにより、迷光を生じることなくグレア光を抑止できる。この場合、LEDチップの動作時の接合温度は150℃付近にあるので、その周囲の側壁１０は耐熱性も要求される。従って、たとえば、側壁１０はアルミナ（Al₂O₃）にチタンカーバイト（TiC）、金属粉、カーボン等を混入させた耐熱性材料で形成する。尚、黒色樹脂は耐熱性がないので好ましくなく、また、黒色樹脂を塗布した金属でも耐熱性に問題があるので、好ましくない。

側壁１０の高さHは組立作業中にボンディングワイヤ７−１〜７−６を引っ掛けて断線することがないようにボンディングワイヤ７−１〜７−６を保護するのに十分な値である。つまり、側壁１０の高さHが低いと、側方から見てボンディングワイヤ７−１〜７−６が露出し、ボンディングワイヤ７−１〜７−６の保護が行えない。

他方、側壁１０の高さHは、上方側の配光パターン（ヘッドライトの上方向）のグレア光のみを吸収すればよく、それ以上の高さとなると、ヘッドライト全体の照明が小さくなる。

図３は図１、図２のLEDチップの指向特性つまり配光パターンを示す図である。ここで、LEDチップの中心垂線Yと、LEDチップの中心と側壁１０の上端とを結ぶ直線とのなす角をαとすれば、図３に示すように、側壁１０が存在しない場合には、配光パターン（点線）はαが90°〜70°の範囲でグレア光の存在を示している。尚、LEDチップはたとえばサファイア基板にLED構造のエピ部分を形成し、シリコンの不透明な支持基板を貼り合せ、その後、サファイア基板を除去した構造となっており、従って、発光層はLEDチップの上部に位置し、LEDチップ側面から発光しないが、図３の配光パターン（点線）に示すように、サブマウント基板２からのグレア光が存在する。

これに対し、α=70°に相当する高さの側壁１０が存在する場合には、グレア光は側壁１０によって吸収されて配光パターン（実線）はグレア光部分がなくなり、しかも、正面輝度はほとんど変わらないことを示している。従って、αは70°程度が好ましい。尚、αが小さ過ぎると、配光パターン（点線）がランバート則に従うランバーシアン配光パターン（一点鎖線）から崩れてLEDチップの放射光の減衰が大きくなる。また、相対的光強度も50％を超える強度の高い光を遮るので、αが小さ過ぎると放射光の利用効率も低下する。

図４は図２の変更例を示す。すなわち、図２の側壁１０の代りに、側壁１０’を設ける。この側壁１０’においては、ボンディングワイヤ７−１〜７−６の反対側にサブマウント基板２に平行な屋根１０’ａを側壁１０’の延長部として設けてある。これにより、図２のα=70°を得るには、側壁１０’の高さH’は図２の側壁１０の高さHより小さくしてもよい。従って、図４の側壁１０’を図１に適用すると、LEDモジュールを小型化できるという効果を奏する。

尚、図１、図２（図４）のLEDモジュールにおいては、サブマウント基板２以外の部分は黒いレジスト（プリプレグとも言う）（図示せず）によって被覆され、電気的にも絶縁されている。

また、上述の実施の形態においては、４つのLEDチップを図示しているが、少なくとも１つのLEDチップを設ければよい。

１：放熱基板
１ａ：凹部
２：サブマウント基板
３：接着層
４−０，４−１，…，４−６：配線パターン
５−１，５−２，５−３，５−４：LEDチップ
６：接着剤
７−１，７−２，…，７−６：ボンディングワイヤ
８−１，８−２：カプラ
９−１，９−２，９−３，９−４：蛍光樹脂体
１０，１０’：側壁
１０’ａ：屋根

Claims (9)

1. 放熱基板と、
   前記放熱基板上に設けられ、少なくとも１つの発光素子が搭載されたサブマウント基板と、
   前記放熱基板上に設けられ、前記発光素子の上方側の配光パターンのグレア光を抑制する黒色吸収部材よりなる側壁と
   を具備し、
   前記側壁の高さは、前記発光素子の中心垂線と、前記発光素子の中心と前記側壁の上端とを結ぶ直線とのなす角度が70°である場合に相当する高さであり、
   前記側壁の高さは、該側壁が前記サブマウント基板からのグレア光を遮蔽して前記発光素子からの光がランバーシアン配光となるように、設定された車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
2. 前記側壁が前記サブマウント基板上の発光素子を囲むようにリング状に形成された請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
3. 前記側壁がアルミナにチタンカーバイト、金属粉及びカーボンの１つを混入させた耐熱性部材よりなる請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
4. 前記放熱基板に凹部が形成され、前記サブマウント基板が該凹部内に搭載された請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
5. 前記側壁を前記上方側の配光パターンを抑制する側に前記サブマウント基板と平行に屋根状に延長した請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
6. 前記サブマウント基板上に配線パターンを形成し、
   該配線パターンの一部に前記発光素子を搭載し、
   該発光素子の上部電極と前記配線パターンの他部とをボンディングワイヤによって電気的に接続し、
   前記ボンディングワイヤが存在する側の前記側壁と前記発光素子との距離が前記ボンディングワイヤが存在しない側の前記上方側の配光パターン側の前記側壁と前記発光素子との距離より大きくした請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
7. 前記側壁の高さは前記ボンディングワイヤの高さより大きい請求項６に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
8. 前記サブマウント基板には複数の発光素子が搭載され、該複数の発光素子は細長い配列にされかつ前記側壁によって囲まれた請求項２に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
9. 前記発光素子は、不透明な支持基板上に発光ダイオード構造のエピ部分を配置してなる請求項１に記載の車両ヘッドライト用発光ダイオード光源。
   
   

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