JP2004524681A - Radiation emitter device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

本発明の放射線放出装置は、少なくとも1つの放射線エミッタ35と、放射線エミッタ35の電気的に結合された第一及び第二の電気リード16-14と、放射線エミッタ35及び電気リードの一部分を包封し得る形態とされた一体の包封部12とを有している。包封部12は、第一の領域30及び第二の領域32を有しており、第二の領域は、第一の領域と少なくとも1つの相違する特徴を呈する。この相違する特徴は機械的強度、熱伝導率、熱膨張保数、比熱、酸素透過性、水分透過性、粘着強度、及び透過率から成る群から選ばれたものである。この放射線エミッタはLEDであることが好ましい。The radiation emitting device of the present invention encloses at least one radiation emitter 35, first and second electrical leads 16-14 electrically coupled to the radiation emitter 35, and a portion of the radiation emitter 35 and the electrical lead. And an integral enclosing portion 12 in a form that can be used. The envelope 12 has a first region 30 and a second region 32, the second region exhibiting at least one different characteristic from the first region. The different features are selected from the group consisting of mechanical strength, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, specific heat, oxygen permeability, moisture permeability, cohesive strength, and permeability. This radiation emitter is preferably an LED.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、全体として、例えば、発光ダイオード(LED)パッケージのような放射線エミッタ装置、放射線エミッタ装置の製造方法、及び光学放射線エミッタ装置を内蔵するオプトエレクトロニクスエミッタ組立体に関する。
【発明の背景】
【0002】
本明細書で使用するように、「離散的オプトエレクトロニクスエミッタ組立体」という用語は、電力を印加したとき、紫外線(UV)、可視光、又は赤外線(IR)を放出するパッケージ化した放射線エミッタ装置を意味するものとする。かかる離散的オプトエレクトロニクスエミッタ組立体は、1つ又は2つ以上の放射線エミッタを備えている。放射線エミッタ、特に、光学放射線エミッタは、多岐に亙る商業的及び工業的製品並びにシステムにて使用され、従って多くの形態及びパッケージにて販売されている。本明細書で使用するように、「光学放射線」という用語は、可視光、近赤外放射線、紫外放射線を放出するあらゆるエミッタ装置を含むものとする。かかる光学放射線エミッタは、フォトルミネッセント、エレクトロルミネッセント、又は別型式の固相エミッタとすることができる。フォトルミネッセント源は、りん光性源及び蛍光性源を含む。蛍光源は、りん光体、及び蛍光色素、顔料、結晶、基層、被覆及びその他の材料を含む。
【0003】
エレクトロルミネッセント源は、電気的励起に応答して光学放射線を放出する半導体光学放射線エミッタ及びその他の装置を含む。半導体光学放射線エミッタは、発光ダイオード(LED)チップと、発光ポリマー(LEPs)と、有機質発光ダイオード(OLEDs)と、ポリマー発光装置(PLEDs)とを含む。
【0004】
半導体光学エミッタの構成要素、特に、LED装置は、多岐に亙る消費者及び工業的エプトエレクトロニクスの用途にて一般的なものとなっている。OLEDs、LEPs等を含むその他の型式の半導体光学エミッタ構成要素は、これら多くの用途にて従来の無機質LEDの代替物として適した離散的構成要素にてパッケージ化することもできる。
【0005】
全色の可視LED構成要素は、コンピュータモニター、コーヒーメーカ、ステレオ受信機、CDプレーヤ、VCRs等のような製品にて状況インジケータとして単独で又は小さい群として使用されている。かかるインジケータは、また、航空機、列車、船、車、トラック、ミニバン及びスポーツ用乗物における計器盤のような、多岐に亙るシステムにても見られる。何百又は何千もの可視的なLED構成要素を保持する読み出し可能なアレイは、多くの空港及び株式市場のトレードセンターにあるような移動メッセージディスプレーにて、また、多くのスポーツ複合施設及び幾つかの都市のビルボードにある高輝度、大面積の屋外テレビジョンスクリーンにて見られる。
【0006】
車の中央の上方位置に取り付けられた停止ランプ(CHMSLs)、ブレーキランプ、外部の方向指示標識及び危険点滅灯、外部の標識ミラー、及び道路工事の危険標識灯のような、視覚的標識システム内の100個以内の構成要素アレイにて琥珀色、赤、及び赤−オレンジ色の可視発光LEDsが使用されている。市内の交差点及び郊外の交差点における停止/減速/進行ライトとして400個以内の構成要素の遥かに大きいアレイにて琥珀色、赤、及び青−緑の可視発光LEDsが益々、使用されつつある。
【0007】
複数の可視光LEDの多色組み合わせ体が2元相補的な照明器、及び3元RGB照明器にて照明用の投光白光源として使用されつつある。かかる照明器は、例えば、車両又は航空機の読書ライト又はカーテンシートライトのような車両又は航空機のマップライト、貨物ライト、ナンバープレートの照明器、バックアップライト、及び外部のミラーパドルライトとして有用である。その他の関連する用途は、持運び型懐中電灯、丈夫、小型、軽量、高効率、長寿命、低電圧の白色光源が必要とされるその他の照明器の用途を含む。これらの場合の幾つかにてりん光体増強の「白光」LEDを照明器として使用することもできる。
【0008】
VCR、TV、CD及びその他の音響視覚遠隔制御装置のような装置にて遠隔制御及び通信のためIR発光LEDが使用されつつある。同様に、デスクトップ、ラップトップ、てのひら型コンピュータのようなIRAD装置、PAD(パーソナルデジタルアシスタント)及びプリンタ、ネットワークアダプタ、ポインティング装置(「マウス」、「トラックボール」等)、キーボード及びその他のコンピュータのようなコンピュータ周辺装置間の通信のため、高強度のIR発光LEDが使用されつつある。また、IR LEDエミッタ及びIRレシーバは、工業用の制御システム内の近接センサ又は存在センサとして、ポインティング装置及び光学エンコーダのようなオプエレクトロニクス装置内の位置又は方位センサとして、及びバーコードスキャナのようなシステムにおける読み取りヘッドとしても機能する。IR LEDエミッタは、自動車用の夜間視認システムとしても使用できる。
【0009】
高密度の光学記憶ディスクに対する読み取り及び書き込みの如きデータの保存及び検索の用途のため、青、紫、及び紫外線発光LED及びLEDレーザが広く使用されつつある。
【0010】
離散的LED装置及びその他の離散的(「パッケージ化した」)オプエレクトロニクスエミッタの場合、性能が向上するかどうかは、実質的に、高信頼性パッケージのパワー容量の増大、パッケージの熱抵抗の低下、自動的挿入、はんだ付け、及びその他の回路又はシステムの製造工程の間のパッケージの易損性が改善されるかどうかに依存する。
【0011】
作動中、離散的オプエレクトロニクスエミッタを低温状態に保つことは、幾つかの点にて性能を向上させることになる。エミッタの効率は、通常、作動温度の上昇と共に低下し、また、作動温度の低下と共に向上する。これと逆に、エミッタの効率は、通常、内部の作動温度の低下と共に向上する。エミッタの信頼性及び該エミッタを構成する材料及びサブ構成要素の寿命は、通常、作動温度の低下と共に向上する。エミッタの放出スペクトルの均一さは、通常、作動温度の低下又は一層の均一さに伴って向上する。エミッタの崩壊寿命は、通常、作動温度の低下に伴って向上する。上記及びその他の理由のため、離散的エプトエレクトロニクスエミッタの作動温度を低下させる新規な機構を採用することが有益であることは明らかである。
【0012】
周囲環境の温度は常に制御できるとは限らない外部ファクタであるが、装置の温度が周囲温度よりも上昇することは、主として、装置の熱抵抗及び作動パワーによって決まる。
残念なことに、殆どの離散的オプトエレクトロニクスエミッタは、内部の作動温度を低下させるという目標と相反する特徴を呈する。要するに、これら型式の装置は、通常、パッケージ又は機成材料若しくはサブ構成要素の何らかの実際的な限界点までパワーの増大に比例して有用な放射線をより多量に放出する。このように、より多くの放射線が有用である用途(すなわち、既知のほぼ全ての用途)において、装置及びシステムの信頼性に適合し且つ、装置のパワー放射線の特徴と適合する最高パワーにて装置を駆動することが有益である。しかし、制限的な(正、非零)熱抵抗の装置におけるパワーが増大する結果、内部の作動温度は上昇する。
【0013】
このため、装置のパワーを減少させずに、内部の作動温度を低下させるか、又は、これと代替的に、装置のパワーを増大させつつ、内部の作動温度を維持することが有益であろう。このことは、装置の熱抵抗を小さくすることにより実現することができる。
【0014】
標準化されたLEDの形態で普及しているものが相対的に少ないことを1つの原因として、また、これらの形態が世界中のエレクトロニクス組立業界にて殆ど汎用的に使用されている自動化した加工装置によって容易に加工されることを原因として、上述したような用途にて何10億ものLED構成要素が使用されている。主流の装置及び方法を介しての自動化した加工は、低資本コスト、低不良率、低労働コスト、高生産量、高精度、高反復性、及びフレキシブルな製造方法を実現することに寄与する。これらの特性がないならば、LEDの使用はコスト的に実施不可能となり、又は、さもなければ、殆どの大量生産の用途のための品質の観点からして魅力的でなくなる。
【0015】
近代のエレクトロニクス組立過程にて使用される最も重要な工程の2つは、高速度の自動化した挿入及び大量の自動化はんだ付けである。自動的挿入又は配置機械との適合性及び1つ又は2つ以上の一般的な大量はんだ付け過程は、離散的半導体光学エミッタ(LEDを含む)が大規模に商業的に利用できるかどうかにとって極めて重要なことである。
【0016】
このように、使用されるLEDの大多数は、離散的にパッケージ化したTHD(スルーホールデバイス)又はSMD(サーフェスマウントデバイス)構成要素の形態をとる。これらの形態は、主として、「5mm」「T−1」「T−1 3/4」として既知の半径方向リードTHDの形態又は矩形の形状の同様の装置を含み、これらは、全て、輸送、取り扱いに、及び半径方向挿入体にてプリント回路板内に高速度で挿入するのに便宜であるように、テープ及びリール、テープ及びアンモ又はその他の標準化したパッケージ上に容易に適応し得るようにされている。その他の一般的な独立のTHD LEDパッケージは、輸送、取り扱い及び軸方向挿入体にてプリント回路板に高速度で自動的に挿入するのに便宜であるように、テープ及びリールに容易に適応できる「ポリLED」のような軸方向構成要素を含む。「TOPLED(登録商標名)」及びピクサー(Pixar)のような一般的なSMD LED構成要素は、同様に、輸送、取り扱い及びチップシュータによるプリント回路板への高速度の自動的な配置に便宜なように、ブリスタパックリール内に容易に適応されるため、一般的に普及している。
【0017】
はんだ付けは、THD又はSMDであるかどうかを問わず、標準化した離散的エレクトロニクス装置を使用して最も従来型式の回路組立体を製造することにとって中心的な過程である。LEDのような離散的エレクトロニクス構成要素のリード又は接点をプリント回路板にはんだ付けすることにより、構成要素は、PCB上の導電性トレースに電気的に接続され、また、離散的エレクトロニクス装置に電力を供給し、該装置を制御し、又はさもなければ該装置と電子的に相互作用するために使用されるその他の基端方向又は遠方のエレクトロニクス装置に電気的に接続された状態となる。はんだ付けは、一般に音波はんだ付け、IRリフローはんだ付け、対流IRリフローはんだ付け、蒸気相リフローはんだ付け、又は手作業はんだ付けによって行われる。これらの方策の各々は、互いに相違するが、これらは全て、ほぼ同一の最終的効果、すなわち、金属又は異種金属接合によって、離散的エレクトロニクス装置をプリント回路板に経済的に電気的に接続するという効果をもたらす。音波及びリフローはんだ付け過程は、極めて多数の離散的装置をひとまとめにはんだ付けし、優れたはんだ接合の質及び均一さと共に、非常な高生産量及び低コストを実現する、その能力の点にて知られている。
【0018】
大量生産のため音波はんだ付け及びリフローはんだ付け過程に代替する広く利用可能な経済的な代替策は、現在、存在しない。手作業はんだ付けは、不均一さ及び高コストであるという欠点がある。機械的な接続方法は、非経済的で扱い難く、また、一般に、多数の回路内での多数の電気的接続には、不適当である。銀を含有するエポキシのような導電性接着剤は、幾つかの回路組立体にて電気的接続を確立するために使用できるが、これらの材料は、はんだよりも施工がよりコスト高で且つ高価である。レーザによるスポット溶接及びその他の選択的なはんだ技術は、特定の形態及び用途に対し極めて専用的であり、自動化したエレクトロニクス回路組立工程にて好ましいフレキシブルな製造方法を損なう可能性がある。このため、音波はんだ付け又はリフローはんだ付け過程との適合性は、半導体光学エミッタ構成要素の望ましい性質である。これらのはんだ付け工程は、構成要素を劣化させ又は破壊するのに十分に大きい熱応力をエレクトロニクス構成要素内に導入する可能性があるから、この性質の与える影響の程度は遥かに大きい。このように、効果的な半導体光学エミッタ構成要素は、装置の包封状態及び包封した線接合部、ダイの取付け部及びチップをはんだ付けする間の過渡的な熱露呈から保護し得るような仕方にて製造しなければならない。
【0019】
従来のはんだ付け過程は、装置のリードの端部(任意のスタンドオフ、すなわちリードが指定されたPCB上のパッドに接触する点の下方部分)を長時間、はんだの融点まで加熱することを必要とする。このプロフィールは15秒間、装置のリードにて230乃至300℃にて温度を繰り返すことを含むことができる。装置のリードは通常、銅又はスチールのようなめっきした金属又は合金で出来ていることを考えれば、この高温度の遷移はリード自体に対し何ら問題とならない。その代わり、これらリードがその長さに沿って装置の包封した本体まで熱を伝導する能力が問題となる。これらの加熱されたリードは装置の本体の内部と接触しているから、これらリードは、はんだ付け過程の間、装置の局部的な内部温度を一時的に上昇させることになる。このことは、多少弱体な包封部、包封した線接合部、ダイ取付け部及びチップに害を与える可能性がある。この現象は今日の低コスト、オプトエレクトロニクス半導体装置の基本的制約の1つを表わすものである。
【0020】
エレクトロニクス構成要素の本体がはんだ付け過程の間、その包封材料のガラス遷移温度よりも過度に高く上昇するのを防止することは極めて重要なことであり、それは、ポリマー包封材料の熱膨張係数は、典型的に、2倍以上のファクタにてそのガラス遷移温度以上に劇的に上昇するからである。ポリマーは、そのガラス遷移温度以上にて益々軟化し、膨張し且つ塑性変形する。このポリマー相の遷移による変形及び包封体内の熱膨張は、離散的半導体装置を損傷させるのに十分に大きい機械的応力及び累積疲労を生じさせ、その結果、装置の性能を劣化させ、また、フィールドの過早の破損を生ずる潜在的な予蒸着となる可能性がある。かかる損傷は、典型的に、1)電気線接合部の疲労又は破損(チップの接合パッド又はリードフレームにおける);2)ダイ取付け接着剤の部分的な層剥離又は分離;3)チップ自体のミクロ割れ目;4)特に、リードが包封部に入る入口付近における装置包封部の劣化及び環境の水蒸気、酸素又はその他の損傷を与える媒体を封止する能力が損なわれることが原因である。
【0021】
このような熱的脆さに関して、非光学的エレクトロニクス装置に適した包封材料と、光学的装置に適した包封材料との重要な相違点を認識しなければならない。非光学的装置用として使用される包封部は、不透明でよい一方、オプトエレクトロニクスエミッタ及びレシーバの製造に使用される包封部は装置の作動波長帯域内で実質的に透明でなければならない。この相違点の副次的効果は僅かで且つ把握できない。
【0022】
非光学的装置にて透明さが必要とされないため、非光学的半導体装置用の包封材料は、多岐に亙る不透明ポリマーバインダ、架橋結合剤、フィラー、安定化剤等を含む広範囲の組成を含むことができる。厚く充填したエポキシのようなこの型式の組成は、高ガラス遷移温度(Rg)、低熱膨張係数(Cte)及び(又は)大きい熱伝導率を有し、このため、これら組成は175℃までの過渡的露呈に適したものとなる。不透明セラミック組成は数100℃まで熱的に安定しており、相遷移温度は心配するほど顕著ではなく、また、極めて小さいCte及び大きい熱伝導率となる。こうした理由のため、非光学的装置用の従来の不透明の包封材料を130℃以上まで加熱された電気リードに10秒間等、露呈させること(230乃至300℃の音波はんだ付けによる)は、通常、問題とはならない。
【0023】
しかし、オプトエレクトロニクスエミッタ及びレシーバ用の包封体にて光学的透明さが必要とされることは、非光学的半導体に適した最も高性能のポリマー−フィラー混合体、セラミック及び組成を使用することを不要にする。無機質フィラー、架橋結合剤又はその他の不透明な添加剤が存在しない場合、殆どのオプトエレクトロニクス装置を包封するた
めに使用される透明なポリマー材料は、比較的低Tg値、大きいCte、低熱伝導率を有する多岐に亙るエポキシである。従って、これらの材料は、通常のはんだ付けの間に生じるような約130℃以上の極端な遷移温度に露呈するのに適していない。
【0024】
はんだ付け過程による顕著な潜在的な損傷効果を補償するため、従来技術のオプトエレクトロニクス装置には、多岐に亙る改良及び妥協が為されてきた。最も顕著な改良点は、従来利用可能なものよりも10乃至20℃高い温度(現在の130℃までに対し従来は110℃)に耐えることのできる包封部用の透明なエポキシを開発する比較的最近の技術である。この方法は有用ではあるが、上述した問題点の一部しか緩和しないー使用される最新の材料は、依然として、従来の非光学半導体包封材料とほぼ等しく、50℃以上低下する。
【0025】
はんだ付けに関係した遷移温度の上昇という問題点をうまく避けるために使用される最も一般的な妥協策は、単に装置の製造時に使用される電気的リードの熱抵抗を大きくすることである。これらはんだ付け可能なリードの熱抵抗を増すことによって、はんだ付けする間、装置本体内で生ずる熱的遷移は最小となる。かかる熱抵抗の増大は、典型的に、次のようにして、リードの電気的性能に感知し得る程の影響を与えずに実現することができる。すなわち、1)低熱伝導率を有するリード材料(スチールのような)を使用すること;2)リードのスタンドオフ長さ(はんだの接点と装置本体との間の距離)を増すこと;又は3)リードの断面積を縮小させることである。
【0026】
これら3つの技術を使用して、従来技術の装置は、電気リードの熱的抵抗を増大させ、はんだ過程からの所望の保護を実現することにより達成されている。
これらの方策は、はんだ付けに関係した熱的遷移から従来技術の装置を保護するのに効果的ではあるが、特に、高パワー半導体オプトエレクトロニクスエミッタの用途のとき制約がある。リードの熱的抵抗が増大する結果、従来技術の装置の内部の作動温度は上昇し、これら装置の作動性能及び信頼性を著しく損なうことになる。殆どの従来技術のLED装置のはんだ付けした電気的リードは、装置に電力を伝導し、また、作動中にデバイス内で発生された熱に対する主たる熱放散路として作用する。このため、従来技術の装置の電気的リードは、通常の作動の間、熱の排出を促進し得るように可能な限り小さい熱抵抗を有するような形態としなければならない。従来技術の装置からの放射線及び自然の対流は内部の熱を周囲雰囲気に伝導する上で僅かな役割りしか果たさず、その包封媒体を介しての熱伝導は、使用される光学材料の熱伝導率が小さいことで顕著に損なわれる。このため、電気的及び熱伝導性金属リードは、伝導メカニズムによって熱の大部分を周囲環境に排出しなければならない。装置をはんだ付け工程の遷移熱効果から保護するのに必要なこれら装置のはんだ付け可能なピンにおけるより大きい熱抵抗は、作動中、包封した装置本体内でより大きい温度上昇を生じさせる。
【0027】
定常状態下にて半導体エミッタと接触した装置本体の一部分における最高温度上昇は、エミッタのパワー放散量とエミッタと周囲環境との間の熱抵抗との積にほぼ等しい。
上述したように、装置の内部温度が包封材のTg値を実質的に超えて上昇するならば、重大な結果となるであろう。この温度以上のとき、包封材のCteは、典型的に、極めて急速に上昇し、LED線接合部及びダイ取付け部にて大きい熱−機械的応力及び累積疲労を生じさせる。自動車、航空機等のような殆どの移動体の用途において、周囲温度は一般に、80℃に達する。このため、包封材の最高作動温度が130℃の範囲にあるとき、これら目的用のオプトエクトロニクスエミッタは、その作動ΔTを約50℃の最高絶対値に制限しなければならない。このことは、所定の構成要素にて放散可能なパワーを制限する一方、その構成要素を通ることのできる電流を制限することになる。半導体光学エミッタの放出光束は、典型的に、それらエミッタを通る電流に比例するから、最大電流を制限することは、また、発生される光束をも制限することになる。
【0028】
このように、装置のパワーを減少させることを必要とせずに、内部の作動温度を低下させ、又は、これと代替的に、はんだ付けによる過渡的熱加工の損傷に対する装置の脆さを増すことなく、装置の熱抵抗を小さくすることにより装置のパワーを増しつつ、内部の作動温度を維持することは望ましいことであろう。
【0029】
その他の従来技術の装置は、これらの制約を回避しているが、標準化した、自動的なエレクトロニクス組立体工程の必要性を無視し且つ、これらの過程と不適合な形態を採用することによってのみ高性能を実現している。その他の従来技術の装置は、異常な程に高価な材料、サブ構成要素又は過程をそれ自体の製造に採用することにより、高性能を実現している。
【0030】
例えば、これらの限界を解決するために使用されている1つの従来技術の方策は、密閉的半導体パッケージ、ハイブリッドのチップ・オン・ボード技術、セラミック、コーバ(KOVAR)及びガラスのような特殊な材料又は、ポリマー包封材に代えて又はポリマー包封材に加えて、複雑な組立体を使用する。特定の高コストの航空宇宙及び電気通信の用途(構成要素のコストが重大な問題ではない用途)に関連するとき、かかる装置は、高価な材料及び特殊な組立過程を必要とする。その結果、高コスト及び製造能力は制限され、その双方は、かかる構成要素を大量販売の用途にて使用することを著しく妨げることになる。ジョンソン(Johnson)らに対して発行された米国特許第4,267,559号及びオブライアン(O'Brien)らに対して発行された米国特許第4,125,777号に開示された装置は、この良い例を示す。
【0031】
ジョンソンらの特許には、TO−18ヘッダ構成要素と、LEDチップを取り付け且つ内部で発生した熱を外部の熱放散手段に伝達する熱結合手段との双方を有する装置が開示されている。該ヘッダは、コーバ部材、絶縁体スリーブ及び電気ポストを含む、幾つかの構成要素から成っており、また、ポストがヘッドを貫通するとき、ポストが電気的に絶縁されることを保証するため、特殊な過程にて製造される。熱結合手段は、ヘッダから分離した構成要素であり、銅、銅合金、アルミニウム又はその他の高熱伝導率の材料から成っている。ジョンソンらの教示によれば、コーバヘッダサブ組立体及び銅熱結合手段は、はんだ又は導電性接着剤にて互いに接合し、電気的連続性を与え、電流が熱結合手段内に、次に、LEDチップ内に流れるのを許容しなければならない。更に、ジョンソンらの特許のヘッダ及び熱結合手段は、説明した組立体におけるその独創的な役割のため、完全に異質な材料で出来ている。ヘッダは、該ヘッダを貫通して伸びる絶縁体スリーブに対して同様の熱膨張係数を有し得るように、コーバにて製造しなければならない。電気ピンをヘッダ自体から電気的に絶縁するため、かかるスリーブが少なくとも1つ必要とされる。しかし、コーバは、比較的小さい熱伝導率を有し、このため、より大きい熱伝導率を有する銅のような材料で出来た別個の熱結合手段を含むことが必要となる。ヘッダは、それ自体が複雑な組立体であり且つ、熱結合手段と異なる材料で出来ているから、ヘッダは、熱結合手段と別個に製造し、次に、はんだ又は導電性接着剤にて熱結合手段に取り付けなければならない。
【0032】
ジョンソンらの特許の教示に従って同様に製造されたLED装置は、現在、TO−66パッケージと同様の特殊な形態にて販売されている。これらの装置は複雑であり、また、典型的に、絶縁ピン及びヘッダ構造体を伴い、且つ(又は)その内部にセラミック絶縁シートのような専用のサブ構成要素を含む。
【0033】
オプトエレクトロニクスエミッタのはんだ付けによる損傷を回避するために使用されている別の方策は、構成要素を互いにはんだ付けすることを全く妨げるか又はレーザスポットはんだ付け又はその他の特殊な電気的取付け方法を使用することを必要とする。このことは、はんだ付け過程による装置の損傷の虞れを伴わずに、半導体エミッタから電気ピン内部への熱抵抗が小さい装置を製造することを許容する。ヒューレット・パッカード(Hewlett Packard)が製造するスナップLED70及びスナップLED150装置は、この方策を示すものである。これらの装置において、リードをはんだ付けではなくて、機械的に押抜いて簡単な金属回路にすることにより、回路との電気的接続が為される。形成される装置は、室温にて475mWのような大きいパワーを連続的に放散することができる。しかし、この形態は、かかる機械要素を極めて複雑な電子回路(かかる回路は、従来、プリント回路板、自動型挿入装置及び音波又はリフローはんだ付け工程を使用して形成されている)と複雑に一体化することを必要とする。
【0034】
最後の方策は、ヒューレット・パッカードから入手可能なスーパフラックスパッケージ(「ピランハ(Piranha)」としても既知)と称されるLEDパッケージにより示される。このスーパーフラックス装置は、包封したチップとピンにおけるはんだスタンドオフとの間の普通程度の熱抵抗を高級な光学的包封材及び専用のチップ材料並びに光学的設計と組み合わせるものである。これは、スナップLEDのようなはんだ付け不能な形態を利用せずに、普通程度のパワー放散能力を実現する。しかし、この形態には、その広範な採用を妨げる幾つかの重大な問題点がある。
【0035】
スーパフラックスパッケージのパッケージ形態は、その形態を従来の高速度THDラジアル又はアクシャル挿入機械又は当該発明者等に既知のSMTチップシュータと不適合なものにする。それに代えて、このパッケージは、手操作で配置するか又は高価な遅いロボット式異形物の挿入装置により配置しなければならない。スーパフラックスパッケージの形態は、「エンド・オン」供給源としてのみ使用し得る形態とされるーこの装置を90℃の「サイドルッカ」源に変換することが容易に可能である便宜なリード曲げ技術は存在しない。この装置のはんだ付け可能なピンが普通程度の熱抵抗及び比較的小さい熱容量を有するため、この装置は、依然として、制御が不十分なはんだ付け過程による損傷を受け易い。幾つかの電子回路の製造メーカにとって、そのはんだ付け工程をこの形態に必要とされる程度まで制御することは、不便であり且つコスト高であろう。最後に、当該発明者等はスーパフラックスパッケージを従来の能動的又は受動的ヒートシンクにより外装する便宜な機構が存在することを知らない。
【0036】
これら及びその他のLED装置を標識、照明、及びディスプレイの用途にて更に使用することを妨げる1つの主要なファクタは、高パワー能力を有し且つ高放出光束を有し、自動化した挿入及び(又は)大量はんだ付け過程に容易に適応可能な装置で現在利用可能なものは存在しないことである。これらの制限は、高光束の放出を必要とする多くの用途にてLEDを実際に使用することを妨げ、又はこれらは、所望の光束の放出を実現するため、多くのLED構成要素アレイを使用することを必須のものとしている。
【0037】
従来の「5mm」又は「T 1−3/4」装置は、典型的に、240℃/ワット以上の大きい熱抵抗を有し、また、通常、包封材が透明であることにより制限され、その結果、装置内のエミッタが130℃以上(利用可能な最良の透明材料を除く任意のものよりも低い)にて連続的に、日常的に又は循環的に作動されるならば、信頼性に欠けることになる。一般に、自動車の環境内で85℃以上となる典型的な周囲温度のとき、これら材料の制限を避けるため、これら装置における温度上昇は、45℃に制限しなければならない。このことは、装置のパワーは、約0.18Wに制限しなければならないことを意味する。製造上の変動に対応するため、設計上の製造許容公差が妥当な33%の場合、この装置の実際的な信頼し得るパワー限界値は、約0.12Wでなければならない。これは大きいパワーではなく、このため、これら装置の放出光束は制限される。これを解決するために、これら装置の多くを組み合わせて使用し、用途に必要とされる光束又は放射線束を発生させることがしばしばである(例えば、自動車のCHSMLの場合、50個、交通信号灯の場合、400個もの)。
【0038】
ヒューレット・パッカードのスーパーフラックス又はピランハ装置は「5mm」「T1−3/4」装置よりも熱抵抗が小さく、典型的に、145℃/ワットである。「5mm」又は「T1−3/4」装置の場合のように、スーパーフラックス又はピランハ装置は、通常、装置内のエミッタが130℃以上(利用可能な最良の透明材料を除く任意のものよりも低い)にて連続的に、日常的に又は循環的に作動されるならば、信頼性が劣る透明な包封材料によって制限される。一般に自動車の環境内で85℃以上となる典型的な周囲温度の場合、これら装置における温度上昇は、これら材料の限界値を適正に回避し得るように45℃に制限しなければならない。このことは、装置のパワーを約0.3Wに制限しなければならないことを意味する。これら装置は、その後、熱応力の大きい音波又はその他のはんだ付け工程により取り付けられ、また、リードから接合部までのその熱抵抗が低下するため、これら装置は回路に加工する間、一層損傷され易い。このため、製造の変動及び易損性の増加に対応するため、40%というより大きい設計製造許容公差を採用しなければならず、この装置の実際的に信頼し得るパワー限界値を約0.18Wにしなければならない。このことは、「5mm」又は「T1−3/4」装置と比較して顕著な増大(33%)となるが、大きいパワーではなく、これら装置の放出された光束は、同様に、制限されることになる。このことを解消するため、これら装置の多くは組み合わされて使用し、その用途に必要な光束又は放射線束を発生させる(例えば、自動車CHSMLの場合、30個も)。
【0039】
ヒューレット・パッカードのスナップLED装置は、「5mm」又は「T1−3/4」又はスーパーフラックス又はピランハ装置よりも熱抵抗が小さく、100℃/Wである。「5mm」又は「T1−3/4」又はスーパーフラックスの場合と同様に、ピランハ又はスナップLED装置は、通常、装置内のエミッタが130℃以上(利用可能な最良の透明材料を除く任意のものよりも低い)にて連続的に、日常的に又は循環的に作動されるならば、信頼性が劣ることになる透明な包封材料によって制限される。自動車環境内で通常、85℃以上となる典型的な周囲温度の場合、これら装置における温度上昇は、これら材料の限界値を適正に回避し得るように45℃に制限しなければならない。このことは、装置のパワーを約0.45Wに制限しなければならないことを意味する。上述したように、リードから接合部までのこれら装置の熱抵抗が極めて小さいから、これら装置は従来の手段によって損傷させずにはんだ付けすることはできない。このことは、その有用性を著しく制限するが、依然として幾つかの用途には適している。これら装置は、その後に機械的応力の大きい折曲げ工程により取り付けられるから、これらは依然として加工工程の間、損傷され易い。このように、40%という大きい設計製造許容公差を使用して製造の変動に対応し且つ加工中の易損性の増加に対応する必要があり、また、この装置の実際的な信頼し得るパワー限界値は約0.27Wでなければならない。これは、「5mm」又は「T1−3/4」若しくはスーパーフラックス或いはピランハ装置と比較して顕著な増大であるが、依然として大きいパワーではない(これは、従来のはんだ付け可能性を犠牲にして実現される)。これら装置による光束の制限を解決するため、1つの用途に必要とされる光束又は放射線束を発生するために多数が組み合わされて使用されることがしばしばである(例えば、自動車CHSMLの場合、12個及び自動車の後部組み合わせ停止/方向指示/尾灯ランプの場合、70個も)。
【0040】
TOPLED(登録商標名)、PLCC及びヒューレット・パッカードの「高光束」又は「バランキューダ」装置のようなサーフェスマウント装置は、その製造時に異質のポリマー材料を使用し、組み立て順序で最初に使用するものは、装置本体の基本的構造体を形成し且つ装置のリードを互いに保持するプラスチック材料である。この方策は、リードフレームを挿入成形を介して最初に加工し(リードフレームの周りに第一の支持材料を配置するため)、次に、ダイを取り付け、線接合し、第二の成形段を行うことを必要とする。第二の成形段は光学的成形(最初にダイ接合及び線接合の機会を提供するため)でなければならない。かかる設計及び過程は、高収率及び高品質にて実行することが困難で且つ非経済的である。累積的変動は、ダイ及び線接合により中断された、多数段成形法により過剰なものとなろう。
【0041】
従来のLED装置の設計者が直面する更なる問題点は、LEDリードの1つをLEDチップに接続するために使用される線接合部が破断し、又はリード又はチップとの接触が失われる可能性がある点である。かかる故障は、例えば、包封体を通じ又は線接合部の周りの包封体の熱膨張/収縮を通じて線接合部に伝達されるせん断力に起因して生じる。
【0042】
上述した放射線エミッタのその他の形態は、また、過剰な作動温度に曝されたならば、性能の劣化、損傷、破損の可能性の増大又は劣化の加速も経験する。
従って、過剰な作動温度に起因する線接合の接点の破断又はその他の欠陥に起因する破損を受け難い一方にて、従来のLED装置よりも高放出出力の能力を有する放射線エミッタ装置を提供することが望ましい。
【0043】
更に、LED装置の製造のために使用される装置に対する改造の必要性が最小である一方にて、従来のLED装置に代えて本発明のLED装置を直ちに使用することを容易にし得るように、従来のLED装置と同一寸法及び形状を保持しつつ、従来のLED装置に優る改良された、放出出力を有する放射線エミッタ装置を提供することが望ましい。
【特許文献1】
米国特許第4,267,559号公報
【特許文献2】
米国特許第4,125,775号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0044】
従って、本発明の1つの目的は、上述した問題点を解決し且つ改良された性能並びに致命的な損傷を受け難い放射線エミッタ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0045】
本発明の1つの実施の形態によれば、放射線放出装置は、少なくとも1つの放射線エミッタと、放射線エミッタに電気的に結合された第一及び第二の電気リードと、放射線エミッタ及び第一及び第二の電気リードの一部を包封し得る形態とされた一体形の包封材とを備えている。該包封材は、少なくとも第一の領域及び第二の領域を有する。第二の領域は第一の領域と相違する少なくとも1つの特徴を呈する。その相違する特徴は、物理的、構造的及び(又は)組成的特徴とすることができる。例えば、該少なくとも1つの相違する特徴は、次に記載したものの少なくとも1つ又は2つ以上を含むことができる、すなわち、機械的強度、熱伝導率、熱容量、比熱、熱膨張率、接着性、酸素不透過性、水分不透過性及び放射線エミッタから放出された放射線の透過性である。
【0046】
本発明による放射線放出装置の製造方法は、(1)少なくとも1つの放射線エミッタをリードフレームに取り付け且つ電気的に結合してサブ組立体を形成する工程と、(2)サブ組立体を金型キャビティ内に挿入する工程と、(3)金型キャビティの少なくとも一部分を第一の包封材料で充填する工程と、(4)金型キャビティの残りを第二の包封材料で充填する工程と、(5)包封したサブ組立体を金型キャビティから除去する工程とを備えている。
【0047】
その他の点にて従来通りである、広範囲に亙る離散的オプト−エレクトロニクスエミッタにおいて、本発明は、信頼し得るパッケージのパワー容量を顕著に増大させ且つパッケージの熱抵抗及びパッケージの易損性を新規な仕方にて顕著に減少させるものである。
【0048】
本発明の上記及びその他の特徴、有利な点並びに目的は、当該技術分野の当業者が以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより、更に理解され且つ認識されよう。
【好ましい実施の形態の詳細な説明】
【0049】
次に、その例を添付図面に示した、本発明の現在の好ましい実施の形態に関して詳細に説明する。可能な場合、同一又は同様の部品を示すため図面の全体を通じて同一の参照番号を使用する。
【0050】
本明細書の説明の目的のため、「上方」、「下方」、「右側」、「左側」、「後部」、「前側」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」という用語及びそれらの派生的語は、光源の主光軸に沿って放射線放出装置を直接見た場合の本発明に関するものとする。しかし、反対に明確に規定されている場合を除いて、本発明は色々な代替的な方位をとることが可能であることを理解すべきである。また、添付図面に図示し且つ以下に説明した特定の装置は、特許請求の範囲に規定された本発明の思想の単に一例にしか過ぎないことも理解すべきである。従って、本明細書に開示された実施の形態に関する特定の寸法、比率及びその他の物理的特徴は、特許請求の範囲に明確に別段の記載がない限り、限定的なものであるとみなすべきではない。
【0051】
本発明の幾つかの実施の形態は、全体として、高パワー及び低パワーの用途の双方にて使用可能な改良された光学放射線放出装置に関するものである。本発明のかかる実施の形態は、乗物、持運び型ランプ、特殊照明のような限定されたパワーの用途にて使用するのに特に適している。乗物ということは、非限定的に、自動車、トラック、バン、バス、リクレーションビークル(RVs)、自転車、オートバイ及びモーペッド、モータ駆動カート、電気自動車、電気カート、電動自転車、船、ボート、ホーバークラフト、潜水艦、飛行機、ヘリコプタ、宇宙ステーション、シャトル乗物等を含む、陸上車輌、水上乗物、航空機及び有人宇宙乗物を意味するものとする。持運び型ランプということは、キャンプ用ランタン、鉱山、登山及び洞窟探検用のような頭又はヘルメット取付けランプ、手持ち型懐中電灯等を意味するものとする。特殊照明ということは、停電、建物内の火災又は煙が充満するときに作動される非常用照明、顕微鏡のステージ照明器、広告塔の前側照明、標識の後方照明等を意味するものとする。本発明の光放出組立体は、イルミネータ又はインジケータの何れかとして使用することができる。本発明が利用可能な用途の幾つかの例は、ロバート(Roberts)に付与され当該出願人に譲渡された米国特許第6、441、943号に開示されている。
【0052】
本発明の実施の形態の幾つかは、対象とする物体を観察するのに十分で且つ容易に識別可能な十分な外観色及び明暗を有する十分な照明強さの白色光を発生させることのできる、乗物、持運び型照明及び特殊照明用の高信頼性、低電圧、長寿命の光源を提供する。本発明の放射線エミッタ装置の幾つかは、交流又は直流電源、パルス幅変調直流光源、電子式制御システムと共に使用するのに十分に適したものにすることができる。本発明の放射線放出装置は色々な色の光を放出し且つ(又は)IR又は紫外放射線のような非可視的放射線を放出するために更に使用することができる。
【0053】
本明細書にて使用するように、「放射線エミッタ」及び「放射線放出装置」という語は、光学又は非光学放射線を発生し且つ放出する任意の構造体を含む一方、「光学放射線エミッタ」又は「光学放射線放出装置」という語は、可視光、近赤外線(IR)放射線及び(又は)紫外(UV)放射線を含む光学放射線を放出する放射線エミッタを含むものとする。上述したように、光学放射線エミッタは、エレクトロルミネッセント源又はその他の固相源及び(又は)フォトルミネッセント又はその他の光源を含むことができる。エレクトロルミネッセント光源の1つの形態は半導体光学放射線エミッタを含む。本発明の目的上、「半導体光学放射線エミッタ」は、電流が構成要素又は材料を通るとき、エレクトロルミネッセントの物理的メカニズムによって100nm乃至2000nmの範囲の波長を有する電磁放射線を放出する任意の半導体構成要素又は材料を備えている。本発明における半導体光学放射線エミッタの主機能は、伝導された電力を放射した光学パワーに変換することである。半導体光学放射線エミッタは、当該技術分野にて周知であり且つ多岐に亙る従来技術の装置にて使用される典型的なIR、可視光又はUV LEDチップ又はダイを含み又は以下に説明する任意の代替的な形態の半導体光学放射線エミッタを含むものとすることができる。
【0054】
本発明にて使用可能である半導体光学放射線エミッタの代替的な形態は、発光ポリマー(LEPs)、ポリマー発光ダイオード(PLEDs)、有機質発光ダイオード(OLEDs)等である。かかる材料及び該材料で出来たオプトエレクトロニクス構造体は、従来の無機質LEDsと電気的に同様であるが、エレクトロルミネッセンスのため、導電性ポリマーポリアニリンの誘導物のような有機質組成物を利用する。かかる半導体光学放射線エミッタは、比較的新規ではあるが、カリフォルニア州、ケンブリッジのケンブリッジディスプレイテクノロジーリミテッド(Cambridge Display Technology,Ltd.)及びサンタバーバラのユニアックス(Uniax)のような供給先から入手することができる。
【0055】
簡略化のため、半導体光学放射線エミッタという用語は、上述し又は当該技術分野にて既知のLED又は代替的な形態のエミッタという語と置換することができる。本発明に適したエミッタの例は、電気的に取り付けるための関係する導電性通路及びパッドを有して、主として、AlGaAs、AlInGaP、GaAs、GaP、InGaN、AlInGaN、GaN、SiC、ZnSe等のドープした無機質コンパウンド内のP−N又はN−P接合部にて放出性がある多岐に亙るLEDを含む。
【0056】
LEDsは、何100万回というサイクルに亙って機械的に又は電子的にスイッチオンオフが繰り返されるとき、信頼性又は現場の有効寿命が感知し得る程に劣化しないから、LEDsは、本発明の放射線放出装置にて使用するのに好ましいエレクトロルミネッセント光源である。LEDsからの光度及び照度は、広範囲の状態に亙って印加された電流に対し直線状の応答性関数に正確に近似し、その強さの制御を比較的簡単なものにする。最後に、最近の世代のAlInGaP、AlGaAs、InGaN、AlInGaN、GaNLEDsのものは、白熱光よりも発生された可視光のルーメン又はカンデラ当たり吸引する電力が少なく、その結果、より経済的で、小型及び軽量な照明装置配線ハーネス、フューズ、コネクタ、バッテリ、発電機、オルタネータ、スイッチ、電子制御装置及び光学素子となる。多数の例は従来から記述され且つ本発明の範囲に含められているが、本発明は、本明細書に記載した教示から認識し得る程に偏倚せず、従って本発明の範囲に含まれる上述した特定のもの以外のその他の明確な用途を有することを理解すべきである。
【0057】
本発明の光放出組立体にて使用可能である別の好ましい放射線源はフォトルミネッセント源である。フォトルミネッセント源は、可視又は非可視放射線の一部を吸収し且つ可視放射線を再放出することにより可視光を発生させる。フォトルミネッセント源はりん光性及び蛍光性材料であり、蛍光染料、顔料、結晶、基板、被覆及びりん光体を含む。かかるりん光性又は蛍光性材料は、LED又はその他の放射線エミッタにより励起し且つLED装置内に又はLED装置上に配置し、或いはLED装置と一体でないレンズ又は拡散器のような別個の光学要素内又はその上に配置することができる。りん光性又は蛍光性源を使用する一例としての構造について、以下に更に詳細に説明する。
【0058】
図1乃至図3には、本発明の第一の実施の形態による構造とされた放射線エミッタ装置10が図示されている。図示するように、放射線エミッタ装置10は、包封材12と、第一及び第二の電気リード14、16と、放射線エミッタ35とを有している。包封材12はエミッタ35及び電気リード14、16の各々の一部分を包封する。電気リード14、16は、THD用途用の構造とされたとき、装置を自動的に挿入することを助け得るように提供される選択的なそれぞれのスタンドオフ18、20を有することができる。
【0059】
図3に最も良く図示するように、第一の電気リード14の上端は水平方向上方に伸び且つ反射性カップ36を画成し、放射線エミッタ35は該反射性カップ上に取り付けられることが好ましい。放射線エミッタ35の第一の接触端子を第一の電気リード14に電気的に接続することは、ダイ取付け部(図示せず)を通じて行うか又は線接合部又はその他のコネクタを介して行うことができる。装置10は、放射線エミッタ35の第二の接触端子を第二の電気リード16に電気的に結合する線接合部38又はその他の手段を更に有している。第一のリード14及び第二のリード16の上端はその隔たった関係により、また、包封材12が比較的大きい電気抵抗を有する材料で出来たものであることが好ましいことによって互いに電気的に絶縁されている。
【0060】
図1乃至図3に図示した放射線エミッタ装置10は、従来の5mm/T−1 3/4LED装置又は3mmT−1装置と同一の相対的寸法及び形状を有することを意図しており、従って、包封材12は、下側縁部22及び平坦な側部24を有しており、このことは、放射線エミッタ装置を自動挿入装置により整合させることを容易にする。
【0061】
図3に最も良く図示するように、選択的なグローブトップ40又はその他の光学又は物理的変調装置が放射線エミッタ35及び線接合部38の少なくとも一部分に配置されている。グローブトップ40は、シリコーン又はシラスティックで出来ており、また、選択的なりん光体又はその他のフォトルミネッセント材料を含むことができる。グローブトップ40を使用することは、放射線エミッタ35及びその線接合部38との接続部を成形過程の間、保護するのに助ける点で有益である。グローブトップ40を提供するその他の有利な点について以下に更に説明する。
【0062】
本発明の放射線エミッタ装置10の包封材12は、少なくとも2つの作用領域30、32を有し、該領域30、32の間に遷移領域31がある。2つの別個の作用領域30、32は、包封材の異なる部分は包封材のその他の部分と顕著に相違する作用を果たし、第一の領域30は、第二の領域32と少なくとも1つの相違する特徴を有し、該特定の領域によって行われる作用の実施を最適にすることができるという本発明者らの認識に基づいて提供される。例えば、第一の領域30は、放射線エミッタ35から放出された放射線の波長に対し少なくとも部分的に透過性である一方、第二の領域32はかかる波長に対し透過性である必要はない。このことは、本発明の放射線エミッタ装置が第二の領域内で高性能パワー半導体包封材及びトランスファー成形コンパウンドの格別な有利な点を活用することを可能にする。これらの特徴は、比較的小さい熱膨張係数、比較的大きい熱伝導率、比較的大きいTg、比較的大きい比熱、酸素気体又は水蒸気に対する比較的小さい透過率及び比較的大きい物理的強度特性を含むことができる。多数の高パワーの非光学エレクトロニクス装置をパッケージし又はポット成形するために使用されるコンパウンドは、これら多くの範疇での大きなマージン即ち余裕により、従来のオプトエレクトロニクスエミッタ用として従来から使用されているものよりも優れる。その相違点の主な理由の1つは、説明する高性能材料が通常、不透明な混合体であること、すなわち、離散的オプトエレクトロニクスエミッタ装置内で放出される放射線帯域に対して透明でないためである。これらの作用的に魅力的な材料の不透明性は、本来的にその有利な性質(例えば、性能を向上させる鉱物、金属及び金属酸化物フィラーのため)に関係しており、従って、これらの材料は、従来、その不透明性のため、オプトエレクトロニクス構成要素にて使用することは考えられていなかった。しかし、かかる材料の使用を透明さを必要としない包封材12の領域に制限することにより、本発明は、これら材料の特徴の全ての有利な点を享受するものである。
【0063】
包封材12の第一の領域30は、光学的性能を維持し得るよう実質的に透明な材料であることが好ましい。第一の領域30は、選択的に、部分的に拡散するものとすることができる。第一の領域30は、オプトエレクトロニクスエミッタ装置用に一般に使用される任意の従来の透明な包封材で出来たものとすることができる。レンズ12の第一の領域30は、放射線エミッタ35、ダイ取付け部(存在するならば)及び放射線エミッタ35に接続された任意の線接合部38の一部分を覆い、包封し、保護し且つ支持することが好ましい。
【0064】
包封材12の第一の領域30は2つ又はより多くの部分から成るものとし、最内側部分は、本発明の包封材を成形する第一の段階の前に放射線エミッタ35に予め施されたシリコーン又はシラスティックグローブトップ40とすることができる。この第一の領域30の最内側部分は、これと代替的に、高性能エポキシ、シリコーン、ウレタン又は光学的に半透明性又は透明なフィラー又は拡散材を含むその他のポリマー材料としてもよい。
【0065】
包封材12の第一の領域30は、放射線エミッタ35により放出された放射線に対して実質的に透明な光学エポキシ混合体を含む組成物から成るものであることが好ましい。しかし、その他の透明な材料を使用することもでき、材料は、放射線エミッタの主たる放出帯域外の帯域にて透明である必要はない。
【0066】
包封材12の第二の領域32は、該包封材12の該領域の作用を最適にする材料で出来たものであることが好ましい。上述したように、第二の領域12は透明である必要はない。しかし、領域32の特定的な作用は、全体として、導電性リード線14、16まで伝播する機械的応力による破局的破損、応力及び累積疲労を最小にすることである。透明である必要はないことからこの目的に一層良く適した材料を選ぶことができるのみならず、その材料はまた、より大きい引張り及び圧縮強度、粘着性及び(又は)凝集性を含む、より高強度の性質を備えることもできる。
【0067】
包封材12の第二の領域32が果たす別の作用は、さもなければ第二の領域32又はリード14、16と包封材12との間の境界面を通じて装置内に上方に伝播するであろう酸素、分子水蒸気又はその他の試薬に対する障壁として機能することである。このように、第二の領域32は、放射性エミッタ35、ダイ取付け部(存在するならば)、線接合部38、リードフレームめっきの包封材部分、存在するであろう任意のフォトルミネッセント材料を含むその他の装置の内部組成物を酸素、分子水蒸気及びその他の試薬から効果的に保護するものでなければならない。包封材12の第二の領域32は透明である必要はないから、第二の領域32は従来の透明な包封材内に存在するものと比べて改良された障壁特性を有する構造とすることができる。
【0068】
第二の領域32が第一の領域30とより顕著に相違する特徴の1つは、多分、改良された熱的特長を有する点であろう。装置のより低熱抵抗を実現するため、第二の領域32は、少なくとも電気リード14、16を取り巻く装置の臨界的な領域にて、また、放射線エミッタ35を支持するリードの部分(すなわち、存在するならば、反射性カップ36)に対する熱的接合部にて大きい熱伝導率を有することが好ましい。はんだ付け工程からの比較的大きい熱抵抗保護作用を維持するため、包封材12の第二の領域32の底部分は、スタンドオフ18、20(存在するならば)よりも、又はスタンドオフ部が存在しないならば、加工中に溶融はんだとほぼ接触しない状態に止まり得るように設計されたリード上の同等の点よりも、導電性リード線14、16のはんだ付け可能な部分又は端部の近くまで伸びることはない。
【0069】
包封材12の第二の領域32を大きい熱容量を有するように形成することにより、第二の領域32は加工又は作動の間、過渡的温度の急上昇を抑制する働きをするであろう。また、第二の領域32を低熱膨張係数を有するような形態とすることにより、装置内の熱膨張及び収縮に起因する破局的破損、応力及び累積疲労は最小となる。
【0070】
包封材12の第一及び第二の領域30、32に対して相違する作用特徴を実現するため、2つの領域は相違する物理的性質を有することができる。かかる物理的性質は構造的又は組成的とすることができる。かかる相違する構造的特徴は、第一及び第二の領域30、32に対し同一の全体的な組成物を使用するが、2つの領域内の粒子サイズ又はミクロ構造的配向状態を変化させることにより実現することができる。かかる構造的特長は、焼鈍し、放射線硬化又はその他の放射線処理によって領域を相違するように処理することで成形過程の間に修正することができる。更に、ミクロ構造的配向は、磁界を包封材12を形成する領域の1つ又は2つ以上に印加することにより、変化させることができる。
【0071】
第一及び第二の領域30、32を形成するため2つの異なる組成が利用される場合、本発明の1つの好ましい実施の形態を形成するため、本発明の方法に関して以下に更に詳細に説明するように、材料の組成は同一の金型内で成形するのに適合したものであることが好ましい。第一及び第二の領域30、32を一体に成形することにより、領域30、32の間の遷移部31に凝集接合部を形成することができる。かかる凝集接合部は、全体として包封材の強度を向上させ且つさもなければ存在するであろう領域30、32の間の全ての境界面を介して酸素、水蒸気又はその他の試薬が放射線エミッタ35に達するのを防止するために望まれる。更に、かかる凝集接合部は、外面との連続性を提供する。更に以下に説明するように、第一及び第二の領域30、32に対して使用される組成物は、遷移部31にて部分的に相互に混合することが望ましい。遷移部31は、包封材12のかなり狭小な断面とし、又は第一及び第二の領域30、32の組成を使用して組成勾配が形成されるならば、より広く且つより大きく形成することができる。
【0072】
包封材12の第二の領域32を不透明に形成することの更なる有利な点は、装置10からの全ての後方散乱光が実質的に減少する点である。かかる後方散乱光は、かかる放射線エミッタ装置が自動車用のエレクトロクロミックリアビューミラー組立体内に取り付けられるときにしばしば生じるように、光センサが放射線放出装置10と同一のハウジング内に取り付けられるときに問題となる。
【0073】
本発明の放射線放出装置の全体的な物理的構造に関して説明したが、かかる放射線エミッタ装置を製造する本発明の方法について以下に説明する。しかし、放射線エミッタ装置10は、その他の方法を使用して形成することも可能であることが理解されよう。
【0074】
図10には、本発明の方法に対する工程及び選択的な工程を示すフロー図が図示されている。装置組立体の色々な段階を示す図4乃至図9を同時に参照しつつ図10に関して説明する。本発明の方法の第一の工程100はリードフレームを準備することである。リードフレームの一例が図4に図示され且つ参照番号52で表示されている。リードフレームは、従来の任意の技術を使用して任意の従来の形態にて形成することができる。リードフレーム52は金属で出来ており且つ押抜きし且つ選択的に後めっきすることができる。リードフレーム52は、また、選択的な超音波又はその他の洗浄を行うこともできる。図4に図示するように、リードフレーム52は、複数の放射線エミッタ装置用の第一及び第二の導電性リード14、16を有している。リード14、16は、リード14、16に対しほぼ垂直に伸びる第一のタイバー54及び第二のタイバー56によって互いに保持されている。リードフレーム52は、リードフレーム52の両端にて第一及び第二のタイバー54、56の間を伸び且つ複数対のリード14、16間を伸びる垂直方向フレーム部材58を更に備えることができる。
【0075】
リードフレーム52は、また、第一の電気リード14の一端に支持体(好ましくは、反射性カップ36)を有する形状とされることも好ましい。反射性カップ36は、その反射率を向上させ得るように研磨し又はめっきすることができる。
【0076】
過程の次の工程(工程102)は、1つ又はより多くの放射線エミッタ35をリードフレーム52上の反射性カップ36の各々に取り付けることである。最も好ましい実施の形態において、放射線エミッタ35はLEDチップであり、LEDチップは導電性エポキシ取付け部又は共融接合部により、カップ36の各々の中/その上に又はリードフレームのその他支持構造体に、ダイ接合される。LEDチップは、使用されるならば、任意の従来のLEDチップ又は任意のLEDチップ或いはその後に開発されるその他の放射線エミッタとすることができる。この工程の一部として、取り付けエポキシは、真空圧により選択的にガス抜きし、次に硬化し/冷却させることができる。次に、この構造体に対し選択的に上記の工程の後、超音波及びその他の洗浄過程を加えることができる。
【0077】
最も好ましい実施の形態の場合、次に、放射線エミッタ35をボンドワイヤーにより線接合し、放射線エミッタ35に対する望ましい導電路を確立する(工程104)。次に、工程106において、選択的なりん光体、グローブトップ又はその他の光学的又は物理的調整剤を放射線エミッタ35上に堆積させる。かかる光学的又は物理的調整剤の1つ以上が使用可能であることは認識すべきである(例えば、りん光体を最初に施し、硬化させ/乾燥させ、その後、シリコーンのグローブトップを施すことができる)。この段階にて何れが施されるかを問わずに、通常、次に乾燥させ且つ硬化させる(工程108)。選択的に、かかる選択的光学又は物理的調整剤は、次の工程に進む前に真空圧によりガス抜きすることができる。
【0078】
次の工程(工程110)は、透明なエポキシを反射性カップ36内に選択的に施し、その後、選択的にガス抜き工程を行い、このガス抜き工程は真空圧により行うことができる。このように透明なエポキシを選択的に施すことは、その後の成形工程の間、反射性カップ内で且つその周りで泡が発生するのを防止するために行うことができる。施された透明なエポキシは、以下に説明する第一の成形段階の間に施されるものと同一の材料とすることができる。工程110の後、リードフレームサブ組立体50(図4)の製造が完了し、かかるサブ組立体は成形の準備が整う。
【0079】
このように、次の工程(工程112)はリードフレームサブ組立体50を反転させ且つリードフレームサブ組立体を金型60内に形成された包封金型キャビティ62内に挿入し且つ整合させることである。図5に図示するように、金型は、リードフレームサブ組立体50を受け取り且つ金型キャビティ62に対する適正な位置に整合させるため、複数のリードフレーム支持体64を有することが好ましい。図6には、かかる1つの金型キャビティ62の断面図が図示され、リードフレームサブ組立体50の相応する部分は反転され且つキャビティ62内に挿入されている。
【0080】
次の工程(114)は、包封の第一の段階を行い、これにより透明なエポキシレンズ材料が包封材金型キャビティ62内に分配されるようにする(好ましくは、射出法により)。精密な計測量供給又はフィードバッグを使用して、透明なエポキシを反転した反射性カップ36の縁まで又はその上方に充填し、或いは何らかの理由のため、装置内に反射性カップが存在しないならば、放射線エミッタ35の表面まで充填することが好ましい。例えば、図7を参照するとよい。次に、真空圧により透明なエポキシから泡を除去するため、選択的なガス抜き工程(工程116)が行われる。次に、透明なエポキシを前硬化させる工程(118)を選択的に行うことができる。この選択的な前硬化は、2つの主要な包封材料の自由な混合を最小にすべく硬化するのに十分ではあるが、何らかの混合を阻止する程に顕著ではないようにすることができる。遷移領域31内の多少の僅かな混合は均質な強度、凝縮性接合等にとって良好であると考えられる。
【0081】
次の工程(工程120)は、ベースエポキシが金型キャビティ62の残りの部分を充填し得るように金型キャビティ62内に分配される(射出法によることが好ましい)包封成形法の第一の段階を行うことである。装置本体の所定の底部又はスタンドオフ18、20(存在するならば)の頂部まで正確に充填するために、精密な計測量供給すなわちフィードバックが使用されることが好ましい。図8には、第2の段階の後の適宜に充填した金型キャビティ62が図示されている。
【0082】
工程120の後、工程122を選択的に行い、これにより、ベース包封材料が真空圧によってガス抜きされ、全ての気泡を除去する。
次に、工程124において、未だ完全に硬化していない、それ以前に所要位置にある全ての他の材料の残留物を硬化させると共に、ベース包封材料を硬化させる。次に、工程126において、ほぼ仕上がったリードフレーム構造体を金型60から突き出す。次に、選択的な硬化後工程128を行い、その後に、選択的な洗浄/バリ取り工程130を行うことができる。形成される構造体は図9に図示されている。
【0083】
次の工程は、単一化工程132であり、これにより、第2のタイバー56及び垂直方向リードフレーム部材58を仕上がった、リードフレーム組立体から切除し、第1のタイバー54を装置の各々について第一及び第二の電気リード14、16の間にて、且つ装置の各々の間にて、カットする。スタンドオフが望みでないならば、第一のタイバー54の全体を除去することができ、さもなければ、残るタイバー54の部分は、スタンドオフ18、20として作用することができる。
【0084】
単一化工程132の後、選択的な試験工程134を行うことができ、次に、装置を包装し且つ出荷する。この方法の変形例について、本発明の代替的な実施の形態に関して以下に説明する。
【0085】
図11には、本発明の第二の実施の形態による構造とされた放射線エミッタ装置150が図示されている。装置150は、複数の放射線エミッタ35a、35bを有する点にて上述した装置10と相違する。エミッタ35a、35bの双方は、共通の反射性カップ内に取り付けるか、又は同一又は別個のリードに設けられた別個のカップ内に取り付けることができる。所望の電気的接続及び制御に依存して、追加的なリード16bを設けることができる。放射線エミッタ35a、35bは、直列又は並列接続し、また、同一の構造とし、又は異なる波長の光を放出し得るように異なる構造とすることができる。1つの好ましい実施の形態において、エミッタ35a、35bは、有効な白色光を発生させ得るように双極の補足的な性質(補色)の光を放出する。かかる用途に適したLEDチップ及び装置は、1996年6月16日付けでDバート・R.ダーヘンブル(Robert R.Turnbull)らにより出願された、「発光ダイオードを内蔵する照明器組立体(ILLUMINATOR ASSEMBLY INCORPORATING LIGHT EMITTING DIODES,)という名称の当該出願人に譲渡された、米国特許出願第5,803,579号に開示されている。
【0086】
第二包封領域12を形成するために使用されるベースエポキシは、第一の領域30を形成するために使用される透明なレンズエポキシとは、組成の点においてのみならず、付加的に又は代替的に、1つ又は2つ以上の物理的性質(対象とする波長におけるスペクトル透過性、対象とする1つ又は2つ以上の波長における拡散散乱性質、ミクロ結晶構造、強度、熱伝導率、CTE、Tg等)の点においても相違させることができる。第一の領域30と第二の領域32との間の遷移領域31は、遷移境界領域31で生じるようにすることができ、この領域は、狭く(性質をより急激に変化させる)又は広く(性質をより徐々に変化させ又は勾配を持たせる)することができる。また、上述したように、レンズエポキシとベースエポキシとの相違は組成的なものとし、また、この相違は、製造過程にて2つの異なる材料の混合体を使用することで実現することができる。次に、領域30、32間の狭小な遷移境界領域31は、実質的に混和不能な2つの調剤を確保するか、又は他の材料を追加する前に1つの材料が僅かに又は完全に前硬化することにより、実現することができる。一方、広い境界領域31は、第二の材料を追加する前に第一の材料を前硬化させないことにより、又は、2つの材料の処方分がその境界にてかなりの混合を許容することを確実にすることにより、実現されよう。
【0087】
レンズエポキシとベースエポキシとの所望の相違が主として、組成的相違でなく、物理的相違である場合、上述の手段が不十分であるならば、代替的な手段を使用してこれを実現することができる。例えば、金型内に分配した後、ベースエポキシ部分を後処理することにより、組成的に同一のベースエポキシ部分の材料の性質を向上させることが可能である。かかる後処理は、異なる熱処理とすることができる(金型内で温度勾配を確立することにより、又は、層状加熱炉又は層状加熱空気流を使用することにより)。かかる前処理は、更に、又は代替的に、局所的IR、UV、可視、マイクロ波、X線、又はその他の電磁放射源とし或いはEビーム又はその他の粒子ビームによる差分照射とすることができる。また、分配する前、分配する間、又は分配した後に、装置材料の全て又は一部分を電界、磁界、遠心/求心力又は重力に曝すことにより、特定のミクロ構造的効果(粒子の移行、積層化、背向、サイズ、凝集化等)を発揮させることができる。
【0088】
図12には、本発明の第三の実態の形態による構造とされた、放射線エミッタ装置が図示をしている。図12に図示した装置は、ヒューレット・パッカードのスーパーフレックス又はピランハ装置と同一のサイズ及び形状を有するような形態とされている。しかし、図示するように、装置200は、第一の2つの実施の形態にて付与されるのと同様の仕方にて付与された、第一の領域230及び第二の領域232を有する包封材212を内蔵する点にて相違する。
【0089】
図13及び図14には、本発明の第四の実施に形態による構造とされた放射線エミッタ装置250が図示されている。図13及び図14から明らかであるように、この第四の実施の形態は、サイズ及び形態の双方の点にてヒューレット・パッカードのスナップLED装置の形態を模すことを意図している。サイズ及び形状の点にて従来の製品を模し得るように本発明の色々な実施の形態を設定することにより、本発明の装置は、回路板を構成するために使用される装置に対し何ら改造を必要とせずに、従来の装置に容易に置換することができる。更に、従来の構造を模し得るようにこれらの実施の形態を設定することにより、従来の装置を製造するために使用したものと同一の包封金型キャビティを使用して、本発明の実施の形態を形成し、これによりこれらの放射線エミッタ装置を製造するために使用される装置を大幅に改造することを不要にすることができる。
【0090】
図15には、本発明の第五の実施の形態による構造とされた、放射線エミッタ装置300が図示されている。装置300は、電気リードから別個に且つ分離した包封部から外方に伸びる追加的な熱排出部材310を有している。熱排出部材を利用するその他の適宜な構造は、ロバートらに付与され当該出願人に譲渡された上記の米国特許第6,335,548号に開示されている。
【0091】
図15に示した構造の場合、包封部内にフレネルレンズのようなマイクロ溝レンズを、直接、形成することが望ましい。このことは、チップからの光が混合して白色光のような別の色を形成する箇所である単一の離散的LED内に異なる色のLEDチップが提供されるとき、特に有益なことである。また、装置から放出された光を更に改質するため、反射要素を装置の光出力面に連結してもよい。マイクロ溝レンズ及びかかる反射要素を有するLED装置の一例は、当該出願人に譲渡された米国特許出願第60/270,054号に開示されている。
【0092】
本発明を例示することを目的とし、従って、何らかの点にて本発明を限定することを意図するものではない、以下の例により本発明は更に明らかになるであろう。
【実施例1】
【0093】
本発明の有効性を実証するため、2つのLED装置を製造し且つ試験した。最初のLED装置は、従来のT−1 3/4LED装置である一方、第二のLED装置は、本発明の第一の実施に形態に関して上記に開示したように包封部12が第二の領域32内に含まれる点を除いて同一の構造を有するものとした。従来のT−1 3/4LED装置は、デキスターエレクトロニクスマテリアルズ事業部(Dexter Electronic Materials Division)から入手可能なハイゾール(HYSOL)(登録商標名)OS4000透明エポキシを使用して製造した。本発明のT−1 3/4LED装置は、第一の領域30に対するものと同一の透明なエポキシを使用して製造した。しかし、第二の領域32は、同様に、デキスター(Dexter)から入手可能なハイゾール(登録商標名)EO0123鋳造コンパウンドを使用して製造した。次に、それら2つのLED装置は、室温にて直流作動により作用させ、その正規化した平均的光束を測定し且つ図16に示したグラフにプロットした。このグラフから明らかであるように、本発明のLED装置は、特に、高パワーのとき遥かに多量の光束を有するものであった。
【0094】
この例に対し、従来のLED装置よりも本発明のLED装置が各パワーレベルにて照度が向上したことは、接合部の作用温度が低下し且つ組立体の熱抵抗が減少したことを示す。
【0095】
装置の主光軸が垂直であるとき、ほぼ垂直に配置された包封部内に2つ又はより多くの領域を採用するものとして本発明を全体として説明したが、これらの領域は、中心光軸の左側又は右側に対して各々方位制御するか、又は、一方が外側に又は他方が内側となるように方向付けすることが可能であることが理解されよう。このような包封領域の内側/外側の配置は、外側から内側への「硬化勾配」を実現し、これにより内側が完全に硬化せず且つ、放射線エミッタ装置の寿命の間、柔軟なままであるようにすることで実現することができる。かかる形態は、また、放射線エミッタ35自体によって発生された熱を使用してLEDの内側を硬化させることにより使用することもできる。このことは、機械的残留応力が小さいことが望まれるときに有益なことである。
【0096】
本発明の幾つかの実施の形態において、熱抵抗を減少させることなく、放射線エミッタ接合部(リードとの接合部)から周囲環境への熱抵抗が減少し、このため、リードのはんだ付けによる熱的損傷を一層受け易くすることなく所定のパワーにおける優れた作動温度(すなわち、低い作動温度)を実現することができる。
【0097】
上述の説明は、好ましい実現の形態のみを示すものであると考えられる。当該技術分野の当業者及び本発明を実施し又は使用する者には、本発明の改変例が案出されるであろう。このため、図面に示し且つ上述した実施の形態は、単に説明の目的のためのみのものにしか過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は、均等物の理論を含む、特許法の原理に従って、解釈される特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【0098】
【図1】本発明の第一の実施の形態に従って製造された放射線エミッタ装置の斜視図である。
【図2】図1に図示した放射線エミッタ装置の頂面図である。
【図3】図2に図示した線3−3´に沿った図1及び図2に図示した放射線エミッタ装置の断面図である。
【図4】図1乃至図3に図示した放射線エミッタ装置を製造することができるリードフレームサブ組立体の側面図である。
【図5】放射線エミッタ装置を製造する本発明の方法に従って反転され且つ金型内に挿入された図4に示したリードフレームサブ組立体の斜視図である。
【図6】最初の成形工程の前に、反転され且つ図5に図示した金型内に挿入されたリードフレームサブ組立体の一部を示す、図5の線6−6´に沿った部分断面図である。
【図7】最初の成形工程の後に、反転され且つ図5に図示した金型内に挿入されたリードフレームサブ組立体の一部を示す、図5の線6−6´に沿った部分断面図である。
【図8】最後の成形工程の後に、反転され且つ図5に図示した金型内に挿入されたリードフレームサブ組立体の一部を示す、図5の線6−6´に沿った部分断面図である。
【図9】金型から除去した後の最終的なリードフレーム組立体の側面図である。
【図10】本発明に従って放射線エミッタ装置を製造する本発明の方法の工程を示すフロー図である。
【図11】本発明の第二の実施の形態に従って製造された放射線エミッタ装置の断面図である。
【図12】本発明の第三の実施の形態に従って製造された放射線エミッタ装置の斜視図である。
【図13】本発明の第四の実施の形態に従って製造された放射線エミッタ装置の斜視図である。
【図14】図13に図示した放射線エミッタ装置の分解斜視図である。
【図15】本発明の第五の実施の形態に従って製造された放射線エミッタ装置の斜視図である。
【図16】従来のT−1 3/4LED装置及び図1乃至図3に図示した本発明のT−1 3/4LED装置に対する印加されたパワーの関数として正規化した平均的光束を示すグラフである。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates generally to radiation emitter devices such as, for example, light emitting diode (LED) packages, methods of making the radiation emitter devices, and optoelectronic emitter assemblies incorporating the optical radiation emitter devices.
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
As used herein, the term "discrete optoelectronic emitter assembly" refers to a packaged radiation emitter device that emits ultraviolet (UV), visible, or infrared (IR) when powered. Shall mean. Such a discrete optoelectronic emitter assembly comprises one or more radiation emitters. Radiation emitters, particularly optical radiation emitters, are used in a wide variety of commercial and industrial products and systems, and are therefore sold in many forms and packages. As used herein, the term "optical radiation" is intended to include any emitter device that emits visible, near infrared, or ultraviolet radiation. Such an optical radiation emitter can be photoluminescent, electroluminescent, or another type of solid state emitter. Photoluminescent sources include phosphorescent and fluorescent sources. Fluorescent sources include phosphors and fluorescent dyes, pigments, crystals, substrates, coatings and other materials.
[0003]
Electroluminescent sources include semiconductor optical radiation emitters and other devices that emit optical radiation in response to electrical excitation. Semiconductor optical radiation emitters include light emitting diode (LED) chips, light emitting polymers (LEPs), organic light emitting diodes (OLEDs), and polymer light emitting devices (PLEDs).
[0004]
Components of semiconductor optical emitters, especially LED devices, have become commonplace in a wide variety of consumer and industrial eptoelectronic applications. Other types of semiconductor optical emitter components, including OLEDs, LEPs, etc., can also be packaged in discrete components suitable for many of these applications as alternatives to conventional inorganic LEDs.
[0005]
All color visible LED components are used alone or as small groups as status indicators in products such as computer monitors, coffee makers, stereo receivers, CD players, VCRs, and the like. Such indicators are also found on a wide variety of systems, such as instrument panels on aircraft, trains, ships, cars, trucks, minivans, and sports vehicles. Readable arrays holding hundreds or thousands of visible LED components can be used on mobile message displays, such as those found in many airport and stock market trade centers, and in many sports complexes and some. It can be seen on a high-brightness, large-area outdoor television screen on a billboard in a city.
[0006]
In visual signage systems, such as stop lights (CHMSLs), brake lights, external directional and danger flashing lights, external signage mirrors, and road sign danger lights mounted in the upper center position of the car Amber, red, and red-orange visible light emitting LEDs have been used in up to 100 component arrays. Amber, red, and blue-green visible light-emitting LEDs are being increasingly used in much larger arrays of up to 400 components as stop / deceleration / progress lights at city and suburban intersections.
[0007]
A multicolor combination of a plurality of visible light LEDs is being used as a floodlight white light source for illumination in a binary complementary illuminator and a ternary RGB illuminator. Such illuminators are useful, for example, as vehicle or aircraft map lights, such as vehicle or aircraft reading lights or curtain sheet lights, cargo lights, license plate illuminators, backup lights, and external mirror paddle lights. Other related applications include portable flashlights, other illuminator applications where a robust, compact, lightweight, high efficiency, long life, low voltage white light source is required. In some of these cases, a phosphor-enhanced "white light" LED may also be used as the illuminator.
[0008]
IR emitting LEDs are being used for remote control and communication in devices such as VCRs, TVs, CDs and other audiovisual remote controls. Similarly, IRAD devices such as desktops, laptops, palm-top computers, PADs (Personal Digital Assistants) and printers, network adapters, pointing devices ("mouse", "trackball", etc.), keyboards and other computers. High intensity IR emitting LEDs are being used for communication between various computer peripherals. Also, IR LED emitters and IR receivers can be used as proximity or presence sensors in industrial control systems, as position or orientation sensors in op-electronic devices such as pointing devices and optical encoders, and as bar code scanners. Also functions as a read head in the system. IR LED emitters can also be used as night vision systems for automobiles.
[0009]
Blue, violet, and ultraviolet light emitting LEDs and LED lasers are becoming widely used for data storage and retrieval applications, such as reading and writing to high density optical storage disks.
[0010]
In the case of discrete LED devices and other discrete ("packaged") optoelectronic emitters, improved performance is essentially a matter of increasing the power capacity of a reliable package, reducing the thermal resistance of the package. , Automatic insertion, soldering, and other dependencies on the package's fragility during the circuit or system manufacturing process.
[0011]
In operation, keeping the discrete op-electronic emitters cool will improve performance in several respects. Emitter efficiency typically decreases with increasing operating temperature and increases with decreasing operating temperature. Conversely, the efficiency of the emitter usually increases with decreasing internal operating temperature. The reliability of the emitter and the life of the materials and sub-components that make up the emitter usually increase with decreasing operating temperature. The uniformity of the emission spectrum of the emitter usually increases with decreasing or more uniform operating temperature. Emitter decay lifetime usually increases with decreasing operating temperature. For these and other reasons, it is apparent that it would be beneficial to employ a novel mechanism for reducing the operating temperature of a discrete eptoelectronic emitter.
[0012]
The temperature of the surrounding environment is an external factor that is not always controllable, but the fact that the temperature of the device rises above the ambient temperature is mainly determined by the thermal resistance and operating power of the device.
Unfortunately, most discrete optoelectronic emitters exhibit features that conflict with the goal of reducing the internal operating temperature. In summary, these types of devices typically emit more useful radiation in proportion to the increase in power up to some practical limit of the package or mechanical material or subcomponent. Thus, in applications where more radiation is useful (i.e., nearly all known applications), the device must be at the highest power compatible with the reliability of the device and system and with the power radiation characteristics of the device. It is beneficial to drive However, increased power in devices with limited (positive, non-zero) thermal resistance results in an increase in internal operating temperature.
[0013]
Thus, it would be beneficial to reduce the internal operating temperature without reducing the power of the device, or, alternatively, to maintain the internal operating temperature while increasing the power of the device. . This can be achieved by reducing the thermal resistance of the device.
[0014]
Partly due to the relatively low prevalence of standardized LED forms, and because these forms are almost universally used automated processing equipment in the electronics assembly industry worldwide. Billions of LED components have been used in applications such as those described above due to their ease of processing. Automated processing through mainstream equipment and methods contributes to achieving low capital costs, low reject rates, low labor costs, high production volumes, high precision, high repeatability, and flexible manufacturing methods. Without these properties, the use of LEDs would not be cost-effective or otherwise unattractive from a quality point of view for most mass production applications.
[0015]
Two of the most important processes used in modern electronics assembly processes are high speed automated insertion and high volume automated soldering. Compatibility with automatic insertion or placement machines and one or more common bulk soldering processes are critical to whether discrete semiconductor optical emitters (including LEDs) are commercially available on a large scale. It is important.
[0016]
Thus, the majority of the LEDs used take the form of discretely packaged THD (Through Hole Device) or SMD (Surface Mount Device) components. These configurations mainly include similar devices in the form of a radial lead THD or rectangular shape known as "5 mm", "T-1", "T-1 3/4", which are all transport, To be easily adaptable on tape and reel, tape and ammo or other standardized packages for convenience in handling and for inserting at high speed into printed circuit boards with radial inserts. Have been. Other common stand-alone THD LED packages are easily adaptable to tape and reel for convenience in transport, handling and automatic insertion into printed circuit boards at high speeds in axial inserts. Includes axial components such as "poly LEDs". Common SMD LED components, such as "TOPLED (R)" and Pixar, are also convenient for transportation, handling and high speed automatic placement on printed circuit boards by chip shooters. As such, they are easily spread within blister pack reels and are thus commonplace.
[0017]
Soldering, whether THD or SMD, is a central process in the manufacture of most conventional circuit assemblies using standardized discrete electronic equipment. By soldering the leads or contacts of discrete electronic components, such as LEDs, to the printed circuit board, the components are electrically connected to the conductive traces on the PCB and also provide power to the discrete electronic devices. It remains in electrical communication with other proximal or remote electronics used to supply, control, or otherwise interact with the device electronically. Soldering is generally performed by sonic soldering, IR reflow soldering, convective IR reflow soldering, vapor phase reflow soldering, or manual soldering. Each of these strategies differs from each other, but they all provide an economical electrical connection of discrete electronic devices to a printed circuit board with nearly the same final effect, namely, metal or dissimilar metal bonding. Bring effect. The sonic and reflow soldering process is capable of soldering a very large number of discrete devices together and achieving very high yields and low costs with excellent solder joint quality and uniformity. Are known.
[0018]
There is currently no widely available economical alternative to sonic and reflow soldering processes for mass production. Manual soldering suffers from non-uniformity and high cost. Mechanical connection methods are uneconomical and cumbersome, and are generally unsuitable for multiple electrical connections in multiple circuits. Conductive adhesives, such as epoxies containing silver, can be used to establish electrical connections in some circuit assemblies, but these materials are more costly and expensive to apply than solder. It is. Laser spot welding and other optional soldering techniques are very specialized for particular configurations and applications and can undermine the preferred flexible manufacturing methods in automated electronics circuit assembly processes. For this reason, compatibility with sonic or reflow soldering processes is a desirable property of semiconductor optical emitter components. The effect of this property is much greater because these soldering steps can introduce thermal stresses into the electronic component that are sufficiently large to degrade or destroy the component. Thus, an effective semiconductor optical emitter component is one that can protect the device from encapsulation and transient heat exposure during soldering of the encapsulated wire joints, die attach and chips. Must be manufactured in a manner.
[0019]
Conventional soldering processes require that the ends of the leads of the device (any standoff, ie, the part below the point where the leads contact the pads on the designated PCB) be heated to the melting point of the solder for an extended period of time. And This profile can include cycling the temperature at 230-300 ° C. on the device leads for 15 seconds. Given that the leads of the device are typically made of a plated metal or alloy, such as copper or steel, this high temperature transition is not a problem for the leads themselves. Instead, the problem is the ability of these leads to conduct heat along their length to the encapsulated body of the device. Because these heated leads are in contact with the interior of the body of the device, they will temporarily increase the local internal temperature of the device during the soldering process. This can harm the slightly weaker encapsulation, the encased wire joint, the die attach, and the chip. This phenomenon represents one of the fundamental limitations of today's low cost, optoelectronic semiconductor devices.
[0020]
It is very important to prevent the body of the electronic component from rising excessively above the glass transition temperature of its encapsulant during the soldering process, which is the coefficient of thermal expansion of the polymer encapsulant. Is typically dramatically increased above its glass transition temperature by a factor of two or more. Above its glass transition temperature, polymers soften, expand and plastically deform. Deformation due to this transition of the polymer phase and thermal expansion within the envelope cause mechanical stress and cumulative fatigue large enough to damage discrete semiconductor devices, thereby degrading device performance and Potential pre-deposition can result in premature failure of the field. Such damage is typically caused by: 1) fatigue or breakage of the wire joints (at the bond pads or leadframe of the chip); 2) partial delamination or separation of the die attach adhesive; Fractures; 4) especially due to degradation of the device encapsulant near the entrance where the lead enters the encapsulation and impaired ability to seal environmental water vapor, oxygen or other damaging media.
[0021]
With respect to such thermal fragility, an important difference must be recognized between encapsulating materials suitable for non-optical electronic devices and those suitable for optical devices. Encapsulations used for non-optical devices may be opaque, while encapsulations used in the manufacture of optoelectronic emitters and receivers must be substantially transparent within the operating wavelength band of the device. The side effect of this difference is slight and cannot be grasped.
[0022]
Because transparency is not required in non-optical devices, encapsulating materials for non-optical semiconductor devices include a wide range of compositions including a wide variety of opaque polymer binders, crosslinkers, fillers, stabilizers, etc. be able to. Compositions of this type, such as thickly filled epoxies, have high glass transition temperatures (R g ), Low coefficient of thermal expansion (C te ) And / or high thermal conductivity, making these compositions suitable for transient exposure up to 175 ° C. The opaque ceramic composition is thermally stable up to several hundred degrees Celsius, the phase transition temperature is not appreciably noticeable, and the very low C te And high thermal conductivity. For this reason, exposing conventional opaque encapsulating materials for non-optical devices to electrical leads heated to 130 ° C. or higher, such as for 10 seconds, (by sonic soldering at 230-300 ° C.) is usually , Does not matter.
[0023]
However, the need for optical clarity in the envelopes for optoelectronic emitters and receivers requires the use of the highest performance polymer-filler mixtures, ceramics and compositions suitable for non-optical semiconductors. Is unnecessary. In the absence of inorganic fillers, cross-linking agents or other opaque additives, most optoelectronic devices can be encapsulated.
Transparent polymer materials used for relatively low T g Value, large C te A wide variety of epoxies with low thermal conductivity. Therefore, these materials are not suitable for exposing to extreme transition temperatures of about 130 ° C. or higher, as occurs during normal soldering.
[0024]
Numerous improvements and compromises have been made to prior art optoelectronic devices to compensate for the significant potential damage effects of the soldering process. The most notable improvement is the comparison of developing transparent epoxies for encapsulations that can withstand temperatures 10-20 ° C. higher than previously available (currently 110 ° C. to 130 ° C. today). This is a recent technology. Although useful, this method only alleviates some of the above-mentioned problems-the state-of-the-art materials used are still about the same as conventional non-optical semiconductor encapsulation materials, with a drop of 50 ° C. or more.
[0025]
The most common compromise used to successfully avoid the problem of elevated transition temperatures associated with soldering is simply to increase the thermal resistance of the electrical leads used in manufacturing the device. By increasing the thermal resistance of these solderable leads, thermal transitions that occur within the device body during soldering are minimized. Such an increase in thermal resistance can typically be achieved without appreciably affecting the electrical performance of the leads as follows. 1) using a lead material with low thermal conductivity (such as steel); 2) increasing the standoff length of the lead (the distance between the solder contact and the device body); or 3). This is to reduce the cross-sectional area of the lead.
[0026]
Using these three techniques, prior art devices have been achieved by increasing the thermal resistance of the electrical leads and providing the desired protection from the soldering process.
While these approaches are effective in protecting prior art devices from soldering-related thermal transitions, they have limitations, especially in high power semiconductor optoelectronic emitter applications. As a result of the increased thermal resistance of the leads, the operating temperature inside prior art devices increases, significantly impairing the operating performance and reliability of these devices. The soldered electrical leads of most prior art LED devices conduct power to the device and also act as a primary heat dissipation path for heat generated within the device during operation. For this reason, the electrical leads of the prior art devices must be configured to have as low a thermal resistance as possible to facilitate heat dissipation during normal operation. Radiation and natural convection from prior art devices play only a small role in conducting internal heat to the surrounding atmosphere, and the heat conduction through the encapsulating medium is the heat of the optical materials used. Significant impairment due to low conductivity. For this reason, electrically and thermally conductive metal leads must dissipate most of the heat to the surrounding environment by a conduction mechanism. The higher thermal resistance at the solderable pins of these devices required to protect the devices from the transitional thermal effects of the soldering process causes a greater temperature rise within the encapsulated device body during operation.
[0027]
The maximum temperature rise in the portion of the device body that is in contact with the semiconductor emitter under steady state is approximately equal to the product of the power dissipation of the emitter and the thermal resistance between the emitter and the surrounding environment.
As mentioned above, a significant consequence would be if the internal temperature of the device rises substantially above the Tg value of the encapsulant. When the temperature is higher than this temperature, C te Typically rises very quickly, causing large thermo-mechanical stresses and cumulative fatigue at the LED wire joints and die attach. In most mobile applications, such as automobiles, aircraft, etc., the ambient temperature typically reaches 80 ° C. Thus, when the maximum operating temperature of the encapsulant is in the range of 130.degree. C., opto-etronic emitters for these purposes must limit their operation .DELTA.T to a maximum absolute value of about 50.degree. This limits the power that can be dissipated in a given component, while limiting the current that can pass through that component. Limiting the maximum current will also limit the luminous flux generated, since the emitted luminous flux of semiconductor optical emitters is typically proportional to the current through them.
[0028]
Thus, reducing the internal operating temperature without having to reduce the power of the device, or, alternatively, increasing the brittleness of the device against transient thermal processing damage due to soldering Rather, it would be desirable to maintain the internal operating temperature while increasing the power of the device by reducing the thermal resistance of the device.
[0029]
Other prior art devices circumvent these limitations, but only by ignoring the need for standardized, automated electronics assembly processes and by employing configurations that are incompatible with these processes. Has achieved performance. Other prior art devices achieve high performance by employing unusually expensive materials, sub-components or processes in their manufacture.
[0030]
For example, one prior art approach that has been used to overcome these limitations is the use of special materials such as hermetic semiconductor packages, hybrid chip-on-board technology, ceramics, KOVAR and glass. Alternatively, a complex assembly is used instead of or in addition to the polymer encapsulant. When involved in certain high cost aerospace and telecommunications applications (where component cost is not a significant issue), such devices require expensive materials and specialized assembly processes. As a result, high cost and manufacturing capacity are limited, both of which significantly hinder the use of such components in high-volume applications. The apparatus disclosed in U.S. Pat. No. 4,267,559 issued to Johnson et al. And U.S. Pat. No. 4,125,777 issued to O'Brien et al. Here is a good example of this.
[0031]
The Johnson et al. Patent discloses an apparatus having both a TO-18 header component and a thermal coupling means for mounting the LED chip and transferring internally generated heat to an external heat dissipation means. The header is comprised of several components, including a cover member, an insulator sleeve and an electrical post, and to ensure that the post is electrically insulated as the post passes through the head. Manufactured by a special process. The thermal coupling means is a component that is separate from the header and is made of copper, copper alloy, aluminum or other high thermal conductivity material. According to the teachings of Johnson et al., The coba header subassembly and the copper thermal coupling means are joined together with solder or conductive adhesive to provide electrical continuity, and current is passed into the thermal coupling means, and then It must be allowed to flow into the LED chip. Further, the header and thermal coupling means of the Johnson et al patent are made entirely of dissimilar materials due to their original role in the described assembly. The header must be manufactured at Coba so that it can have a similar coefficient of thermal expansion for the insulator sleeve extending through the header. At least one such sleeve is required to electrically isolate the electrical pins from the header itself. However, the coba has a relatively low thermal conductivity, which necessitates the inclusion of a separate thermal coupling means made of a material such as copper having a higher thermal conductivity. Since the header itself is a complex assembly and is made of a different material than the thermal coupling means, the header is manufactured separately from the thermal coupling means and then heat-treated with solder or conductive adhesive. Must be attached to the coupling means.
[0032]
LED devices similarly manufactured according to the teachings of the Johnson et al. Patent are now sold in special forms similar to the TO-66 package. These devices are complex and typically involve dedicated pins and header structures and / or contain dedicated sub-components therein, such as ceramic insulating sheets.
[0033]
Another strategy used to avoid soldering damage to optoelectronic emitters is to completely prevent the components from being soldered together or to use laser spot soldering or other special electrical mounting methods Need to do. This allows for the fabrication of devices with low thermal resistance from the semiconductor emitter to the interior of the electrical pins without the risk of damage to the device due to the soldering process. Snap LED 70 and Snap LED 150 devices manufactured by Hewlett Packard illustrate this approach. In these devices, electrical connection with the circuit is made by mechanically punching the leads, rather than by soldering, into a simple metal circuit. The resulting device can continuously dissipate as much power as 475 mW at room temperature. However, this configuration involves complex integration of such mechanical elements with extremely complex electronic circuits (such circuits are conventionally formed using printed circuit boards, automatic inserters and sonic or reflow soldering processes). Need to be
[0034]
The last strategy is illustrated by an LED package called Superflux Package (also known as "Piranha") available from Hewlett-Packard. This superflux device combines a moderate degree of thermal resistance between the encapsulated chip and the solder standoff at the pin with a high quality optical encapsulant and dedicated chip material and optical design. This achieves a moderate level of power dissipation without utilizing non-solderable features such as snap LEDs. However, this form has several significant problems that hinder its widespread adoption.
[0035]
The package form of the superflux package makes the form incompatible with conventional high speed THD radial or axial insertion machines or SMT chip shooters known to the inventors. Instead, this package must be placed manually or by an expensive slow robotic profile insertion device. The superflux package will be in a form that can only be used as an “end-on” source—a convenient lead bending technique that can easily convert this device to a 90 ° C. “sidelooker” source. not exist. The device is still susceptible to damage due to poorly controlled soldering processes because the solderable pins of the device have a moderate degree of thermal resistance and a relatively low heat capacity. For some electronic circuit manufacturers, controlling the soldering process to the extent required for this configuration would be inconvenient and costly. Finally, the inventors are not aware that there is a convenient mechanism to package the superflux package with a conventional active or passive heat sink.
[0036]
One major factor that prevents further use of these and other LED devices in signage, lighting, and display applications is that they have high power capabilities and high luminous flux, automated insertion and / or ) There is no device currently available that is easily adaptable to mass soldering processes. These limitations prevent practical use of LEDs in many applications that require high luminous flux emission, or they use many LED component arrays to achieve the desired luminous flux emission Is mandatory.
[0037]
Conventional "5 mm" or "T 1-3 / 4" devices typically have a high thermal resistance of 240 ° C./watt or more, and are usually limited by the transparency of the encapsulant, As a result, if the emitters in the device are operated continuously, routinely or cyclically above 130 ° C. (less than anything except the best available transparent material), reliability will be improved. Will be lacking. Generally, at typical ambient temperatures of 85 ° C. or higher in the automotive environment, the temperature rise in these devices must be limited to 45 ° C. to avoid these material limitations. This means that the power of the device must be limited to about 0.18W. To accommodate manufacturing variations, with a reasonable 33% design manufacturing tolerance, the practical reliable power limit for this device should be about 0.12W. This is not a high power, which limits the luminous flux of these devices. To solve this, it is often the case that many of these devices are used in combination to generate the luminous flux or radiation flux required for the application (for example, 50 in the case of a CHSML in a car, the traffic lights of a traffic light). In the case, as many as 400).
[0038]
The Hewlett-Packard superflux or piranha device has a lower thermal resistance than the "5 mm""T1-3 / 4" device, typically 145 ° C / watt. As in the case of “5 mm” or “T1-3 / 4” devices, superflux or piranha devices typically have an emitter in the device of 130 ° C. or higher (less than any other than the best available transparent material). If operated continuously, routinely or cyclically (low), it is limited by the less reliable transparent encapsulant. For typical ambient temperatures, typically greater than 85 ° C. in the automotive environment, the temperature rise in these devices must be limited to 45 ° C. to properly avoid these material limits. This means that the power of the device must be limited to about 0.3W. These devices are then mounted by high thermal stress sound waves or other soldering processes, and their thermal resistance from lead to joint decreases, making them more susceptible to damage during processing into circuits. . Thus, to accommodate manufacturing variability and increased fragility, larger design manufacturing tolerances of 40% must be employed, and the practically reliable power limit of this device is about 0,0. It must be 18W. This is a significant increase (33%) compared to "5 mm" or "T1-3 / 4" devices, but not high power, and the emitted light flux of these devices is similarly limited. Will be. To alleviate this, many of these devices are used in combination to generate the luminous flux or radiation flux required for the application (eg, as many as 30 for a motor vehicle CHSML).
[0039]
Hewlett-Packard's snap LED devices have a lower thermal resistance than "5 mm" or "T1-3 / 4" or superflux or piranha devices, at 100C / W. As in the case of "5 mm" or "T1-3 / 4" or superflux, piranha or snap LED devices typically have an emitter in the device of 130 [deg.] C. or higher (anything except the best available transparent material). (If lower), is limited by a transparent encapsulating material that would be less reliable if operated continuously, routinely or cyclically. For typical ambient temperatures, typically above 85 ° C. in an automotive environment, the temperature rise in these devices must be limited to 45 ° C. so that the limits of these materials can be properly avoided. This means that the power of the device must be limited to about 0.45W. As mentioned above, these devices cannot be soldered without damage by conventional means because of the extremely low thermal resistance of these devices from the lead to the joint. This significantly limits its usefulness, but is still suitable for some applications. Since these devices are subsequently mounted by a mechanically stressful bending process, they are still susceptible to damage during the processing process. Thus, it is necessary to use manufacturing tolerances as large as 40% to accommodate manufacturing variations and to accommodate increased fragility during processing, and the practical and reliable power of this device. The limit value should be about 0.27W. This is a significant increase compared to "5 mm" or "T1-3 / 4" or superflux or piranha devices, but still not great power (this at the expense of conventional solderability. Realized). To overcome the luminous flux limitations imposed by these devices, many are often used in combination to generate the luminous or radiation flux required for a single application (for example, in the case of a car CHSML, 12 (In the case of individual and rear combination stop / turn signal / taillight lamps for cars, 70 lamps).
[0040]
Surface mount devices such as TOPLED (R), PLCC and Hewlett-Packard's "high luminous flux" or "Barracuda" devices use dissimilar polymer materials in their manufacture and the first one used in the assembly sequence is A plastic material that forms the basic structure of the device body and holds the leads of the device together. This strategy involves first processing the leadframe via insert molding (to place the first support material around the leadframe), then attaching the die, wire bonding, and setting up a second molding step. Need to do. The second molding stage must be optical molding (to initially provide die and line bonding opportunities). Such designs and processes are difficult and uneconomical to perform with high yield and quality. Cumulative variations will be excessive with the multi-stage molding process, interrupted by die and wire bonds.
[0041]
A further problem faced by designers of conventional LED devices is that the wire joints used to connect one of the LED leads to the LED chip may break or lose contact with the lead or chip. There is a point. Such failures may occur, for example, due to shear forces transmitted to the wire joint through the envelope or through thermal expansion / contraction of the envelope around the wire joint.
[0042]
Other forms of the radiation emitters described above also experience reduced performance, increased potential for damage, breakage or accelerated degradation if exposed to excessive operating temperatures.
Accordingly, it is desirable to provide a radiation emitter device that has a higher emission power capability than conventional LED devices, while being less susceptible to breakage due to broken wire junctions or other defects due to excessive operating temperatures. Is desirable.
[0043]
Further, while minimizing the need for retrofits to the devices used for the manufacture of LED devices, it can facilitate the immediate use of the LED devices of the present invention instead of conventional LED devices. It would be desirable to provide a radiation emitter device having improved emission power over conventional LED devices, while retaining the same dimensions and shape as conventional LED devices.
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 4,267,559
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 4,125,775
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0044]
It is therefore one object of the present invention to solve the above-mentioned problems and to provide a radiation emitter device with improved performance and less susceptibility to catastrophic damage.
[Means for Solving the Problems]
[0045]
According to one embodiment of the present invention, a radiation emitting device includes at least one radiation emitter, first and second electrical leads electrically coupled to the radiation emitter, a radiation emitter and first and second radiation leads. An integral encapsulant configured to enclose a portion of the second electrical lead. The encapsulant has at least a first region and a second region. The second region exhibits at least one characteristic different from the first region. The different features can be physical, structural and / or compositional features. For example, the at least one different feature can include at least one or more of the following: mechanical strength, thermal conductivity, heat capacity, specific heat, coefficient of thermal expansion, adhesion, Oxygen impermeability, water impermeability and the transmission of radiation emitted from the radiation emitter.
[0046]
The method of manufacturing a radiation emitting device according to the present invention includes: (1) attaching and electrically connecting at least one radiation emitter to a lead frame to form a subassembly; and (2) attaching the subassembly to a mold cavity. (3) filling at least a portion of the mold cavity with a first encapsulating material, and (4) filling the remainder of the mold cavity with a second encapsulating material. (5) removing the encapsulated sub-assembly from the mold cavity.
[0047]
In a wide range of otherwise discrete opto-electronic emitters, which are otherwise conventional, the present invention significantly increases the power capacity of a reliable package and improves the package thermal resistance and package fragility. In a significant way.
[0048]
The above and other features, advantages and objects of the present invention will be better understood and appreciated by those skilled in the art by reference to the following description, appended claims and accompanying drawings.
[Detailed description of preferred embodiments]
[0049]
The present invention will now be described in more detail with reference to the presently preferred embodiments, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to refer to the same or like parts.
[0050]
For the purposes of this description, “up”, “down”, “right”, “left”, “rear”, “front”, “vertical”, “horizontal”, “top”, “bottom” The terms and their derivatives refer to the invention when looking directly at the radiation emitting device along the main optical axis of the light source. It should be understood, however, that the invention is capable of various alternative orientations, except where explicitly stated. It is also to be understood that the specific devices illustrated in the accompanying drawings and described below are merely examples of the spirit of the invention as defined in the following claims. Therefore, specific dimensions, ratios, and other physical features related to the embodiments disclosed herein are not to be considered as limiting, unless the claims clearly state otherwise. Absent.
[0051]
Some embodiments of the present invention generally relate to improved optical radiation emitting devices that can be used in both high power and low power applications. Such an embodiment of the present invention is particularly suited for use in limited power applications such as vehicles, portable lamps, special lighting. Vehicles include, but are not limited to, cars, trucks, vans, buses, recreational vehicles (RVs), bicycles, motorcycles and mopeds, motor-driven carts, electric vehicles, electric carts, electric bicycles, ships, boats, hovercraft, It shall mean land vehicles, surface vehicles, aircraft and manned space vehicles, including submarines, airplanes, helicopters, space stations, shuttle vehicles and the like. By portable lamps is meant head or helmet mounted lamps, such as camping lanterns, mining, mountaineering and caving, handheld flashlights and the like. By special lighting is meant emergency lights that are activated when a power outage, fire or smoke in the building fills, stage illuminators on microscopes, front lighting on billboards, rear lighting on signs, and the like. The light emitting assembly of the present invention can be used as either an illuminator or an indicator. Some examples of applications in which the present invention can be used are disclosed in U.S. Patent No. 6,441,943 to Roberts and assigned to the assignee.
[0052]
Some embodiments of the present invention are capable of generating white light of sufficient illumination intensity with sufficient appearance color and brightness to be sufficient to observe the object of interest and to be easily identifiable. To provide a reliable, low voltage, long life light source for vehicles, portable lighting and special lighting. Some of the radiation emitter devices of the present invention can be well suited for use with AC or DC power supplies, pulse width modulated DC light sources, and electronic control systems. The radiation emitting device of the present invention emits light of various colors and / or can be further used to emit non-visible radiation, such as IR or ultraviolet radiation.
[0053]
As used herein, the terms "radiation emitter" and "radiation emitting device" include any structure that generates and emits optical or non-optical radiation, while "optical radiation emitter" or "radiation emitter". The term "optical radiation emitting device" is intended to include radiation emitters that emit optical radiation, including visible light, near infrared (IR) radiation, and / or ultraviolet (UV) radiation. As mentioned above, the optical radiation emitter can include an electroluminescent source or other solid phase source and / or a photoluminescent or other light source. One form of an electroluminescent light source includes a semiconductor optical radiation emitter. For purposes of the present invention, a "semiconductor optical radiation emitter" is any semiconductor that emits electromagnetic radiation having a wavelength in the range of 100 nm to 2000 nm by a physical mechanism of electroluminescence when a current passes through a component or material. Components or materials. The main function of the semiconductor optical radiation emitter in the present invention is to convert the transmitted power to the emitted optical power. Semiconductor optical radiation emitters include typical IR, visible or UV LED chips or dies known in the art and used in a wide variety of prior art devices or any of the alternatives described below. May include a conventional form of semiconductor optical radiation emitter.
[0054]
Alternative forms of semiconductor optical radiation emitters that can be used in the present invention include light emitting polymers (LEPs), polymer light emitting diodes (PLEDs), organic light emitting diodes (OLEDs), and the like. Such materials and optoelectronic structures made therefrom are electrically similar to conventional inorganic LEDs, but utilize organic compositions such as derivatives of the conductive polymer polyaniline for electroluminescence. Such semiconductor optical radiation emitters, although relatively new, are available from sources such as Cambridge Display Technology, Ltd. of Cambridge, California and Uniax of Santa Barbara. it can.
[0055]
For simplicity, the term semiconductor optical radiation emitter can be replaced by the term LED or alternative form of emitter described above or known in the art. Examples of emitters suitable for the present invention have associated conductive paths and pads for electrical attachment and are mainly doped with AlGaAs, AlInGaP, GaAs, GaP, InGaN, AlInGaN, GaN, SiC, ZnSe, etc. Including a wide variety of LEDs that emit at the PN or NP junctions within the inorganic compound.
[0056]
Because LEDs do not appreciably degrade in reliability or in-service life when switched on and off mechanically or electronically over millions of cycles, the LEDs are of the present invention. It is a preferred electroluminescent light source for use in radiation emitting devices. The luminous intensity and illuminance from the LEDs accurately approximates a linear response function to the applied current over a wide range of conditions, making control of its intensity relatively simple. Finally, recent generations of AlInGaP, AlGaAs, InGaN, AlInGaN, and GaN LEDs draw less power per lumen or candela of generated visible light than incandescent light, resulting in a more economical, compact, and Lightweight lighting device wiring harness, fuse, connector, battery, generator, alternator, switch, electronic control unit, and optical element. While numerous examples have been previously described and are within the scope of the present invention, the present invention does not deviate appreciably from the teachings set forth herein, and thus falls within the scope of the present invention. It should be understood that it has other distinct uses other than the specific ones described.
[0057]
Another preferred radiation source that can be used in the light emitting assembly of the present invention is a photoluminescent source. Photoluminescent sources generate visible light by absorbing some of the visible or non-visible radiation and re-emitting the visible radiation. Photoluminescent sources are phosphorescent and fluorescent materials, including fluorescent dyes, pigments, crystals, substrates, coatings and phosphors. Such phosphorescent or fluorescent materials may be excited by an LED or other radiation emitter and placed in or on the LED device, or in a separate optical element such as a lens or diffuser that is not integral with the LED device. Or it can be arranged thereon. Exemplary structures using phosphorescent or fluorescent sources are described in further detail below.
[0058]
1 to 3 show a radiation emitter device 10 having a structure according to a first embodiment of the present invention. As shown, the radiation emitter device 10 includes an encapsulant 12, first and second electrical leads 14, 16, and a radiation emitter 35. The encapsulant 12 encloses a portion of each of the emitter 35 and the electrical leads 14,16. The electrical leads 14, 16 may have optional respective standoffs 18, 20 provided when configured for THD applications, to assist in automatically inserting the device.
[0059]
As best shown in FIG. 3, the upper end of the first electrical lead 14 extends horizontally upward and defines a reflective cup 36, and the radiation emitter 35 is preferably mounted on the reflective cup. Electrically connecting the first contact terminal of the radiation emitter 35 to the first electrical lead 14 can be through a die attach (not shown) or through a wire bond or other connector. it can. Apparatus 10 further includes a wire joint 38 or other means for electrically coupling the second contact terminal of radiation emitter 35 to second electrical lead 16. The upper ends of the first lead 14 and the second lead 16 are electrically connected to each other due to the spaced relationship and because the encapsulant 12 is preferably made of a material having a relatively high electrical resistance. Insulated.
[0060]
The radiation emitter device 10 illustrated in FIGS. 1-3 is intended to have the same relative dimensions and shape as a conventional 5 mm / T-1 3/4 LED device or 3 mm T-1 device, and thus, The seal 12 has a lower edge 22 and a flat side 24, which facilitates alignment of the radiation emitter device with an automatic insertion device.
[0061]
As best shown in FIG. 3, an optional globe top 40 or other optical or physical modulator is located on at least a portion of the radiation emitter 35 and the line junction 38. The glove top 40 is made of silicone or silastic, and may include an optional phosphor or other photoluminescent material. The use of the glove top 40 is beneficial in helping to protect the radiation emitter 35 and its connection with the line joint 38 during the molding process. Other advantages of providing glove top 40 are described further below.
[0062]
The encapsulant 12 of the radiation emitter device 10 according to the invention has at least two active areas 30, 32 between which there is a transition area 31. The two separate working areas 30, 32 are such that different portions of the encapsulant perform significantly different actions than the other parts of the encapsulant, and the first area 30 has a second area 32 and at least one Provided based on the inventors' recognition that they have different features and can optimize the performance of the action performed by the particular area. For example, the first region 30 is at least partially transparent to the wavelength of the radiation emitted from the radiation emitter 35, while the second region 32 need not be transparent to such a wavelength. This allows the radiation emitter device of the present invention to take advantage of the particular advantages of high performance power semiconductor encapsulants and transfer molding compounds in the second region. These features include a relatively small coefficient of thermal expansion, a relatively large thermal conductivity, a relatively large T g , Relatively high specific heat, relatively low permeability to oxygen gas or water vapor, and relatively high physical strength properties. Compounds used for packaging or potting a large number of high power non-optical electronic devices are those conventionally used for conventional optoelectronic emitters due to the large margins in these many categories. Better than. One of the main reasons for the difference is that the described high-performance materials are usually opaque mixtures, ie, they are not transparent to the radiation bands emitted in discrete optoelectronic emitter devices. is there. The opacity of these operatively attractive materials is inherently related to their advantageous properties (eg, due to mineral, metal and metal oxide fillers that enhance performance), and therefore, these materials Has not heretofore been considered for use in optoelectronic components due to its opacity. However, by limiting the use of such materials to those areas of the encapsulant 12 that do not require transparency, the present invention enjoys all the advantages of these material features.
[0063]
The first region 30 of the encapsulant 12 is preferably a substantially transparent material so as to maintain optical performance. The first region 30 can be selectively partially diffused. First region 30 may be made of any conventional transparent encapsulant commonly used for optoelectronic emitter devices. The first region 30 of the lens 12 covers, encloses, protects and supports a portion of the radiation emitter 35, the die attach (if present) and any wire joints 38 connected to the radiation emitter 35. Is preferred.
[0064]
The first region 30 of the encapsulant 12 may consist of two or more parts, the innermost part being pre-applied to the radiation emitter 35 before the first stage of molding the encapsulant of the invention. Silicone or silastic glove top 40. The innermost portion of the first region 30 may alternatively be a high performance epoxy, silicone, urethane or other polymeric material including an optically translucent or transparent filler or diffusing material.
[0065]
The first region 30 of the encapsulant 12 preferably comprises a composition comprising an optical epoxy mixture that is substantially transparent to the radiation emitted by the radiation emitter 35. However, other transparent materials can be used and the material need not be transparent in zones outside the primary emission band of the radiation emitter.
[0066]
The second region 32 of the encapsulant 12 is preferably made of a material that optimizes the action of the region of the encapsulant 12. As mentioned above, the second area 12 does not need to be transparent. However, the specific function of region 32 is to minimize catastrophic failure, stress and cumulative fatigue due to mechanical stress that propagates up to conductive leads 14 and 16 as a whole. Not only can the material be better suited for this purpose because it need not be transparent, but the material also has higher tensile and compressive strengths, including higher tack and / or cohesiveness. It can also have strength properties.
[0067]
Another effect that the second region 32 of the encapsulant 12 plays is that it would otherwise propagate upwardly into the device through the second region 32 or the interface between the leads 14, 16 and the encapsulant 12. It acts as a barrier to any oxygen, molecular water vapor or other reagents that may be present. Thus, the second region 32 includes the radioactive emitter 35, the die attach (if present), the wire bond 38, the encapsulant portion of the leadframe plating, and any photoluminescent material that may be present. The internal composition of the other devices, including the materials, must be effectively protected from oxygen, molecular water vapor and other reagents. Because the second region 32 of the encapsulant 12 need not be transparent, the second region 32 has a structure that has improved barrier properties compared to those present in conventional transparent encapsulants. be able to.
[0068]
One of the features in which the second region 32 differs significantly from the first region 30 is probably that it has improved thermal characteristics. In order to achieve a lower thermal resistance of the device, the second region 32 is present at least in the critical region of the device surrounding the electrical leads 14, 16 and also on the part of the lead that supports the radiation emitter 35 (ie, is present). Then, it is preferable to have a large thermal conductivity at the thermal junction with the reflective cup 36). To maintain a relatively high thermal resistance protection from the soldering process, the bottom portion of the second region 32 of the encapsulant 12 may have a lower height than the standoffs 18, 20 (if present) or a standoff. In the absence of a solderable portion or end of conductive leads 14, 16 than an equivalent point on the lead designed to remain in almost no contact with the molten solder during processing. It does not stretch to near.
[0069]
By forming the second region 32 of the encapsulant 12 to have a large heat capacity, the second region 32 will serve to suppress transient temperature spikes during processing or operation. Also, by configuring the second region 32 to have a low coefficient of thermal expansion, catastrophic failure, stress and cumulative fatigue due to thermal expansion and contraction within the device are minimized.
[0070]
To achieve different operational characteristics for the first and second regions 30, 32 of the encapsulant 12, the two regions may have different physical properties. Such physical properties can be structural or compositional. Such different structural features use the same overall composition for the first and second regions 30, 32, but by changing the particle size or microstructural orientation in the two regions. Can be realized. Such structural features can be modified during the molding process by treating the areas differently by annealing, radiation hardening or other radiation treatment. Further, the microstructural orientation can be changed by applying a magnetic field to one or more of the regions forming the encapsulant 12.
[0071]
Where two different compositions are utilized to form the first and second regions 30, 32, the method of the present invention will be described in further detail below to form one preferred embodiment of the present invention. As such, it is preferred that the composition of the material be adapted for molding in the same mold. By integrally molding the first and second regions 30 and 32, a cohesive joint can be formed at the transition portion 31 between the regions 30 and 32. Such cohesive joints generally increase the strength of the encapsulant and allow oxygen, water vapor or other reagents to pass through the radiation interface 35 through all interfaces between the regions 30, 32 that would otherwise be present. Is desired to prevent reaching. Further, such cohesive joints provide continuity with the outer surface. As further described below, it is desirable that the composition used for the first and second regions 30, 32 be partially intermixed at the transition 31. The transition 31 may be a fairly narrow cross-section of the encapsulant 12, or wider and larger if a composition gradient is formed using the composition of the first and second regions 30, 32. Can be.
[0072]
A further advantage of making the second region 32 of the encapsulant 12 opaque is that any backscattered light from the device 10 is substantially reduced. Such backscattered light is problematic when the optical sensor is mounted in the same housing as the radiation emitting device 10, as often occurs when such a radiation emitter device is mounted in an electrochromic rearview mirror assembly for a vehicle. .
[0073]
Having described the general physical structure of the radiation emitting device of the present invention, the method of the present invention for manufacturing such a radiation emitter device will now be described. However, it will be appreciated that the radiation emitter device 10 can be formed using other methods.
[0074]
FIG. 10 shows a flow diagram illustrating the steps and optional steps for the method of the present invention. FIG. 10 will be described with simultaneous reference to FIGS. 4 to 9 which show various stages of the device assembly. The first step 100 of the method of the present invention is to prepare a lead frame. One example of a lead frame is shown in FIG. The lead frame can be formed in any conventional form using any conventional technique. The lead frame 52 is made of metal and can be stamped and selectively post-plated. The lead frame 52 can also be selectively ultrasonically or otherwise cleaned. As shown in FIG. 4, the lead frame 52 has first and second conductive leads 14, 16 for a plurality of radiation emitter devices. The leads 14 and 16 are held together by a first tie bar 54 and a second tie bar 56 that extend substantially perpendicular to the leads 14 and 16. The lead frame 52 may further include a vertical frame member 58 extending between the first and second tie bars 54, 56 at both ends of the lead frame 52 and extending between the plurality of pairs of leads 14, 16.
[0075]
The lead frame 52 is also preferably shaped to have a support (preferably the reflective cup 36) at one end of the first electrical lead 14. The reflective cup 36 can be polished or plated to improve its reflectivity.
[0076]
The next step in the process (step 102) is to attach one or more radiation emitters 35 to each of the reflective cups 36 on the lead frame 52. In the most preferred embodiment, the radiation emitter 35 is an LED chip, which is in or on each of the cups 36 or to other support structures of the lead frame by conductive epoxy attachments or eutectic joints. , Die bonded. The LED chip, if used, can be any conventional LED chip or any LED chip or other radiation emitter developed later. As part of this process, the mounting epoxy can be selectively degassed by vacuum pressure and then cured / cooled. The structure can then optionally be subjected to ultrasonic and other cleaning steps after the above steps.
[0077]
In the most preferred embodiment, the radiation emitter 35 is then wire bonded with a bond wire to establish a desired conductive path to the radiation emitter 35 (step 104). Next, in step 106, a selective phosphor, glove top or other optical or physical conditioning agent is deposited on the radiation emitter 35. It should be appreciated that one or more of such optical or physical conditioning agents can be used (eg, applying a phosphor first, curing / drying, and then applying a silicone glove top). Can be). Regardless of which is applied at this stage, it is usually then dried and cured (step 108). Optionally, such selective optical or physical conditioning agents can be degassed by vacuum before proceeding to the next step.
[0078]
The next step (step 110) is to selectively apply a transparent epoxy into the reflective cup 36, followed by an optional degassing step, which may be performed by vacuum pressure. This selective application of the transparent epoxy can be performed during subsequent molding steps to prevent bubbles from forming in and around the reflective cup. The applied clear epoxy may be the same material as applied during the first molding step described below. After step 110, fabrication of the leadframe subassembly 50 (FIG. 4) is complete and such subassembly is ready for molding.
[0079]
Thus, the next step (step 112) is to invert leadframe subassembly 50 and insert and align leadframe subassembly into enclosing mold cavity 62 formed in mold 60. It is. As shown in FIG. 5, the mold preferably has a plurality of leadframe supports 64 for receiving and aligning the leadframe subassembly 50 with the proper position relative to the mold cavity 62. FIG. 6 shows a cross-sectional view of one such mold cavity 62, with a corresponding portion of the leadframe sub-assembly 50 inverted and inserted into the cavity 62.
[0080]
The next step (114) performs the first stage of encapsulation, whereby the transparent epoxy lens material is dispensed into the encapsulant mold cavity 62 (preferably by an injection method). Using a precision metering supply or feedback bag, fill the transparent epoxy up to or above the edge of the inverted reflective cup 36, or if for any reason the reflective cup is not present in the device. It is preferable to fill up to the surface of the radiation emitter 35. For example, see FIG. Next, an optional degassing step (step 116) is performed to remove bubbles from the clear epoxy by vacuum pressure. Next, a step (118) of pre-curing the transparent epoxy can be optionally performed. This selective pre-cure may be sufficient to cure to minimize free mixing of the two primary encapsulating materials, but not so significant as to prevent any mixing. Some slight mixing in the transition region 31 is considered good for homogeneous strength, condensable bonding, etc.
[0081]
The next step (step 120) is the first of an encapsulation method (preferably by injection) in which the base epoxy is dispensed into the mold cavity 62 so as to fill the rest of the mold cavity 62. Is to perform the following steps. Precise metering or feedback is preferably used to accurately fill the predetermined bottom of the device body or the top of standoffs 18, 20 (if present). FIG. 8 illustrates the appropriately filled mold cavity 62 after the second stage.
[0082]
After step 120, step 122 is optionally performed, whereby the base encapsulant is degassed by vacuum pressure to remove any air bubbles.
Next, in step 124, the base encapsulant is cured, along with curing any previously unresolved residues of other materials that have not yet been fully cured. Next, in step 126, the substantially finished lead frame structure is ejected from the mold 60. Next, an optional post-curing step 128 can be performed, followed by an optional cleaning / deburring step 130. The resulting structure is illustrated in FIG.
[0083]
The next step is a singulation step 132 whereby the second tie bar 56 and vertical leadframe member 58 are cut from the finished leadframe assembly and the first tiebar 54 is removed for each of the devices. Cut between the first and second electrical leads 14, 16 and between each of the devices. If a standoff is not desired, the entire first tie bar 54 can be removed, otherwise the remaining tie bar 54 portion can act as the standoffs 18,20.
[0084]
After the unification step 132, an optional test step 134 can be performed, and then the device is packaged and shipped. Variations on this method are described below with respect to alternative embodiments of the present invention.
[0085]
FIG. 11 shows a radiation emitter device 150 having a structure according to the second embodiment of the present invention. Apparatus 150 differs from apparatus 10 described above in having a plurality of radiation emitters 35a, 35b. Both emitters 35a, 35b can be mounted in a common reflective cup or in separate cups on the same or separate leads. Depending on the desired electrical connection and control, additional leads 16b can be provided. The radiation emitters 35a, 35b may be connected in series or in parallel and may have the same structure or different structures to emit light of different wavelengths. In one preferred embodiment, the emitters 35a, 35b emit light of a complementary nature (complementary color) of bipolar so as to be able to generate useful white light. LED chips and devices suitable for such applications are described in D-Bert, R., et al. U.S. Patent Application No. 5,803, filed by Robert R. Turnbull et al. 579.
[0086]
The base epoxy used to form the second encapsulation region 12 differs from the transparent lens epoxy used to form the first region 30 not only in terms of composition, but additionally or Alternatively, one or more physical properties (spectral transparency at the wavelength of interest, diffuse scattering properties at one or more wavelengths of interest, microcrystalline structure, strength, thermal conductivity, CT E , T g Etc.). The transition region 31 between the first region 30 and the second region 32 can occur at the transition boundary region 31, which can be narrow (change properties more rapidly) or wide ( The properties can be changed more gradually or have a gradient). Also, as described above, the difference between the lens epoxy and the base epoxy is compositional, and this difference can be realized by using a mixture of two different materials in the manufacturing process. Next, the narrow transition boundary region 31 between the regions 30, 32 secures two substantially immiscible preparations, or one material is slightly or completely before adding the other material. It can be realized by curing. On the other hand, the large boundary area 31 ensures that the first material is not pre-cured before adding the second material, or that the formulation of the two materials allows significant mixing at that boundary. Will be realized.
[0087]
If the desired difference between the lens epoxy and the base epoxy is primarily a physical rather than a compositional difference, use alternative means to achieve this if the above means are inadequate. Can be. For example, it is possible to improve the material properties of the compositionally identical base epoxy portion by disposing the base epoxy portion after dispensing into the mold. Such a post-treatment may be a different heat treatment (by establishing a temperature gradient in the mold or by using a layered furnace or a layered heated air flow). Such pre-treatment may additionally or alternatively be local IR, UV, visible, microwave, X-ray or other sources of electromagnetic radiation or differential irradiation by E-beam or other particle beams. Also, by exposing all or a portion of the device material to an electric field, magnetic field, centrifugal / centripetal force, or gravity before, during, or after dispensing, certain microstructural effects (particle migration, lamination, Orientation, size, agglomeration, etc.).
[0088]
FIG. 12 shows a radiation emitter device having a structure according to the third embodiment of the present invention. The device shown in FIG. 12 is configured to have the same size and shape as a Hewlett-Packard superflex or piranha device. However, as shown, the device 200 includes an envelope having a first region 230 and a second region 232 applied in a manner similar to that applied in the first two embodiments. The difference is that the material 212 is incorporated.
[0089]
13 and 14 show a radiation emitter device 250 structured according to a fourth embodiment of the present invention. As is evident from FIGS. 13 and 14, this fourth embodiment is intended to mimic the Hewlett-Packard snap LED device configuration in both size and configuration. By setting the various embodiments of the present invention to be able to mimic conventional products in terms of size and shape, the device of the present invention has some advantages over the devices used to construct circuit boards. It can be easily replaced with conventional equipment without the need for modification. Further, by setting these embodiments to mimic the conventional structure, the present invention can be implemented using the same encapsulation mold cavities used to manufacture the conventional device. , Which can obviate the need for major modifications to the equipment used to manufacture these radiation emitter devices.
[0090]
FIG. 15 shows a radiation emitter device 300 structured according to a fifth embodiment of the present invention. The device 300 has an additional heat-dissipating member 310 that extends outwardly from the encapsulation separately and separate from the electrical leads. Other suitable arrangements utilizing heat-dissipating members are disclosed in the above-mentioned U.S. Patent No. 6,335,548, assigned to Robert et al. And assigned to the assignee.
[0091]
In the case of the structure shown in FIG. 15, it is desirable to form a micro-groove lens such as a Fresnel lens directly in the enclosing portion. This is particularly beneficial when different color LED chips are provided within a single discrete LED where light from the chips mix to form another color, such as white light. is there. Also, a reflective element may be coupled to the light output surface of the device to further modify the light emitted from the device. An example of a micro-groove lens and an LED device having such a reflective element is disclosed in commonly assigned U.S. Patent Application No. 60 / 270,054.
[0092]
The invention will be further clarified by the following examples, which are intended to illustrate the invention and thus are not intended to limit the invention in any way.
Embodiment 1
[0093]
To demonstrate the effectiveness of the present invention, two LED devices were manufactured and tested. The first LED device is a conventional T-13 / 4 LED device, while the second LED device has an encapsulation 12 as disclosed above with respect to the first embodiment of the present invention. It has the same structure except that it is included in the region 32. A conventional T-13 / 4 LED device was manufactured using Hysol (registered trademark) OS4000 transparent epoxy available from Dexter Electronic Materials Division. The T-13 / 4 LED device of the present invention was fabricated using the same clear epoxy as for the first region 30. However, the second region 32 was similarly manufactured using the Hisol® EO0123 casting compound available from Dexter. The two LED devices were then operated by DC operation at room temperature, their normalized average luminous flux was measured and plotted on the graph shown in FIG. As is clear from this graph, the LED device of the present invention had a much larger amount of luminous flux especially at high power.
[0094]
In contrast to this example, the improved illuminance at each power level of the LED device of the present invention over the conventional LED device indicates that the working temperature of the junction has been reduced and the thermal resistance of the assembly has been reduced.
[0095]
Although the invention has been described generally as employing two or more regions in a substantially vertically disposed encapsulation when the main optical axis of the device is vertical, these regions may have a central optical axis. It is understood that the azimuth can be controlled with respect to the left or right side of the camera, respectively, or oriented so that one is on the outside and the other is on the inside. Such an inside / outside arrangement of the encapsulation area provides an outside-to-inside "cure gradient" whereby the inside does not completely cure and remains flexible for the life of the radiation emitter device. This can be realized by doing so. Such a configuration can also be used by using heat generated by the radiation emitter 35 itself to cure the inside of the LED. This is beneficial when low mechanical residual stress is desired.
[0096]
In some embodiments of the present invention, the thermal resistance from the radiation emitter junction (junction with the lead) to the surrounding environment is reduced without reducing the thermal resistance, thereby reducing the heat generated by soldering the lead. Excellent operating temperatures at a given power (i.e., low operating temperatures) can be achieved without being more susceptible to mechanical damage.
[0097]
The above description is considered that of the preferred embodiments only. Modifications of the invention will occur to those skilled in the art and to make or use the invention. For this reason, the embodiments shown in the drawings and described above are merely for illustrative purposes only, and are not intended to limit the scope of the invention, which It is defined by the claims, which are construed in accordance with the principles of patent law, including the theory of matter.
[Brief description of the drawings]
[0098]
FIG. 1 is a perspective view of a radiation emitter device manufactured according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view of the radiation emitter device shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the radiation emitter device shown in FIGS. 1 and 2 along a line 3-3 ′ shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a side view of a leadframe subassembly capable of manufacturing the radiation emitter device shown in FIGS. 1-3.
FIG. 5 is a perspective view of the leadframe subassembly shown in FIG. 4 inverted and inserted into a mold in accordance with the method of the present invention for manufacturing a radiation emitter device.
FIG. 6 is a section along line 6-6 ′ of FIG. 5, showing a portion of the leadframe subassembly inverted and inserted into the mold shown in FIG. 5 prior to the first molding step; It is sectional drawing.
7 is a partial cross-section taken along line 6-6 'of FIG. 5, showing a portion of the leadframe subassembly inverted and inserted into the mold shown in FIG. 5 after an initial molding step; FIG.
8 is a partial cross-section taken along line 6-6 'of FIG. 5, showing a portion of the leadframe subassembly inverted after the last molding step and inserted into the mold shown in FIG. FIG.
FIG. 9 is a side view of the final lead frame assembly after removal from the mold.
FIG. 10 is a flow chart showing the steps of the method of the invention for manufacturing a radiation emitter device according to the invention.
FIG. 11 is a sectional view of a radiation emitter device manufactured according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a perspective view of a radiation emitter device manufactured according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a perspective view of a radiation emitter device manufactured according to a fourth embodiment of the present invention.
14 is an exploded perspective view of the radiation emitter device shown in FIG.
FIG. 15 is a perspective view of a radiation emitter device manufactured according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a graph showing the normalized average luminous flux as a function of applied power for a conventional T-1 3/4 LED device and the inventive T-1 3/4 LED device shown in FIGS. 1-3. is there.

Claims (74)

放射線放出装置において、
少なくとも1つの放射線エミッタと、
前記放射線エミッタに電気的に結合された第一及び第二の電気リードと、
前記放射線エミッタ及び前記第一及び第二の電気リードの一部分を包封し得る形態とされた一体の包封部であって、少なくとも1つの第一の領域及び1つの第二の領域を有し、該第二の領域が、第一の領域と相違する少なくとも1つの特徴を呈する前記一体の包封部とを備える、放射線放出装置。
In the radiation emitting device,
At least one radiation emitter;
First and second electrical leads electrically coupled to the radiation emitter;
An integral envelope configured to encapsulate the radiation emitter and a portion of the first and second electrical leads, the integral envelope having at least one first region and one second region. A radiation emitting device, wherein said second region comprises said integral encapsulation exhibiting at least one characteristic different from said first region.
請求項1の放射線放出装置において、前記に少なくとも1つの相違する特徴が物理的特徴である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein said at least one different feature is a physical feature. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が光学的特徴である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the at least one different feature is an optical feature. 請求項3の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が透明率である、放射線放出装置。4. The radiation emitting device of claim 3, wherein the at least one different feature is transparency. 請求項3の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が拡散率である、放射線放出装置。4. The radiation emitting device of claim 3, wherein the at least one different feature is a diffusivity. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が熱的特徴である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the at least one different feature is a thermal feature. 請求項6の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が熱膨張係数である、放射線放出装置。7. The radiation emitting device of claim 6, wherein the at least one different feature is a coefficient of thermal expansion. 請求項6の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が比熱である、放射線放出装置。7. The radiation emitting device of claim 6, wherein the at least one different feature is specific heat. 請求項6の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する熱的特徴がガラス遷移温度である、放射線放出装置。7. The radiation emitting device of claim 6, wherein the at least one different thermal feature is a glass transition temperature. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が構造的特徴である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the at least one different feature is a structural feature. 請求項10の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が、引張強度及び圧縮強度の少なくとも1つを含む、放射線放出装置。11. The radiation emitting device of claim 10, wherein the at least one different feature comprises at least one of tensile strength and compressive strength. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が組成的特徴である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the at least one different feature is a compositional feature. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタが前記第一及び第二の電気リードの1つに取り付けられる、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the radiation emitter is mounted on one of the first and second electrical leads. 請求項1の放射線放出装置において、前記第一及び第二の電気リードの一方から前記放射線エミッタまで伸びる線接合部を更に有する、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, further comprising a line junction extending from one of the first and second electrical leads to the radiation emitter. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの相違する特徴が、機械的強度、熱伝導率、熱容量、比熱、熱膨張係数、粘着性、酸素不透過率、水分不透過率、及び前記放射線エミッタから放出された放射線に対する透過率の少なくとも1つを含む、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the at least one different feature comprises mechanical strength, thermal conductivity, heat capacity, specific heat, coefficient of thermal expansion, tackiness, oxygen impermeability, moisture impermeability, and the radiation. A radiation emitting device comprising at least one of the transmittances for radiation emitted from the emitter. 請求項1の放射線放出装置において、前記領域の1つが前記放射線エミッタから放出された放射線に対して少なくとも部分的に透明である、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein one of the regions is at least partially transparent to radiation emitted from the radiation emitter. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部の1つの領域がレンズとして作用し得る形態とされる、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein one region of the enclosing portion is configured to be able to function as a lens. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部の第一の領域の1つがレンズとして作用し得る形態とされる、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein one of the first regions of the enclosing portion is configured to act as a lens. 請求項18の放射線放出装置において、前記包封部の前記第二の領域が前記電気リードを保持し得る形態とされる、放射線放出装置。19. The radiation emitting device of claim 18, wherein the second region of the enclosing portion is configured to hold the electrical lead. 請求項19の放射線放出装置において、前記レンズが、前記電気リードが伸びる側と異なる前記包封部の一側部に形成される、放射線放出装置。20. The radiation emitting device of claim 19, wherein the lens is formed on one side of the enclosing portion that is different from a side on which the electrical leads extend. 請求項20の放射線放出装置において、前記レンズが形成される側が、前記電気リードが伸びる側と反対側である、放射線放出装置。21. The radiation emitting device of claim 20, wherein the side on which the lens is formed is opposite to the side on which the electrical leads extend. 請求項20の放射線放出装置において、前記レンズが形成される側が、前記電気リードが伸びる側に隣接する、放射線放出装置。21. The radiation emitting device of claim 20, wherein the side on which the lens is formed is adjacent to the side on which the electrical leads extend. 請求項1の放射線放出装置において、前記電気リードが音波はんだ付け可能である、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the electrical lead is sonically solderable. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタがLEDチップである、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the radiation emitter is an LED chip. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタがPLEDである、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the radiation emitter is a PLED. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタがOLEDである、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the radiation emitter is an OLED. 請求項29の放射線放出装置において、前記放射線エミッタがLEDである、放射線放出装置。30. The radiation emitting device of claim 29, wherein said radiation emitter is an LED. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタが半導体光学放射線エミッタである、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein said radiation emitter is a semiconductor optical radiation emitter. 請求項1の放射線放出装置において、前記少なくとも1つの放射線エミッタが、共に、前記包封部により包封された第一の放射線エミッタ及び第二の放射線エミッタである、放射線放出装置。2. The radiation emitting device according to claim 1, wherein the at least one radiation emitter is a first radiation emitter and a second radiation emitter both enclosed by the enclosing part. 請求項29の放射線放出装置において、前記第二の放射線エミッタがLEDチップである、放射線放出装置。30. The radiation emitting device of claim 29, wherein said second radiation emitter is an LED chip. 請求項29の放射線放出装置において、前記第二の放射線エミッタがフォトルミネッセントエミッタである、放射線放出装置。30. The radiation emitting device of claim 29, wherein said second radiation emitter is a photoluminescent emitter. 請求項29の放射線放出装置において、第一の放射線エミッタがLEDチップであり、前記第二の放射線エミッタがフォトルミネッセントエミッタである、放射線放出装置。30. The radiation emitting device of claim 29, wherein the first radiation emitter is an LED chip and the second radiation emitter is a photoluminescent emitter. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部の前記第一の領域が光学的に透明であり且つ、放射線エミッタから前記包封部の光出力面まで伸びる、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the first region of the envelope is optically transparent and extends from a radiation emitter to a light output surface of the envelope. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも小さい熱抵抗を有する、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the second region has a lower thermal resistance than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも大きい熱抵抗を有する、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the second region has a greater thermal resistance than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも大きい機械的強度を有する、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the second region has a greater mechanical strength than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも小さい熱膨張係数を有する、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, wherein the second region has a lower coefficient of thermal expansion than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも大きい粘着強度を有する、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the second region has a greater adhesive strength than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも小さい酸素透過率を有する、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the second region has a lower oxygen transmission rate than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも小さい水分透過率を有する、放射線放出装置。2. The radiation emitting device according to claim 1, wherein the second region has a lower moisture permeability than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記第二の領域が、前記第一の領域よりも大きい比熱を有する、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the second region has a higher specific heat than the first region. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部の前記第一及び第二の領域が凝集接着される、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the first and second regions of the enclosing portion are cohesively bonded. 請求項1の放射線放出装置において、前記一体の包封部が不均一である、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein said integral envelope is non-uniform. 請求項1の放射線放出装置において、前記電気リードが、装置の光軸に対しほぼ非垂直に前記包封部から伸びる、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the electrical leads extend from the enclosure substantially non-perpendicular to the optical axis of the device. 請求項1の放射線放出装置において、前記第一及び第二の領域が、異なる組成にて出来ており、前記領域の間に異なる組成勾配の混合体が存在する、放射線放出装置。2. The radiation emitting device of claim 1, wherein the first and second regions are made of different compositions, wherein a mixture of different composition gradients exists between the regions. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部の前記領域の双方が熱硬化性材料で出来ている、放射線放出装置。2. The radiation emitting device according to claim 1, wherein both of said regions of said envelope are made of a thermosetting material. 請求項1の放射線放出装置において、前記包封部が一体に成形される、放射線放出装置。The radiation emitting device according to claim 1, wherein the enclosing portion is integrally formed. 請求項1の放射線放出装置において、前記放射線エミッタ上に分配されたグローブトップを更に有する、放射線放出装置。The radiation emitting device of claim 1, further comprising a globe top distributed over the radiation emitter. 請求項48の放射線放出装置において、前記グローブトップがフォトルミネッセント材料を有する、放射線放出装置。49. The radiation emitting device of claim 48, wherein said glove top comprises a photoluminescent material. 光学放射線放出装置において、
光学放射線エミッタと、
前記光学放射線エミッタに電気的に結合された第一及び第二の電気リードと、前記光学放射線エミッタ及び前記第一及び第二の電気リードの一部分を包封し得る形態とされた一体に成形した包封部であって、前記放射線エミッタにより放出された放射線に対して光学的にほぼ透明な第一の組成と、前記第一の組成と相違する性質を有する第二の組成とで出来ている前記包封部とを備える、光学放射線放出装置。
In an optical radiation emitting device,
An optical radiation emitter;
First and second electrical leads electrically coupled to the optical radiation emitter, and integrally formed and configured to enclose the optical radiation emitter and a portion of the first and second electrical leads. An enclosing portion comprising a first composition that is substantially optically transparent to radiation emitted by the radiation emitter, and a second composition having properties different from the first composition. An optical radiation emitting device comprising: the enclosing unit.
請求項50の放射線放出装置において、前記第一及び第二の組成が、前記包封部の異なる領域に実質的に分離される、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the first and second compositions are substantially separated into different regions of the envelope. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、ほぼ不透明である、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition is substantially opaque. 請求項50の放射線放出装置において、前記第一の組成が、ほぼ透明である、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein said first composition is substantially transparent. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも大きい熱抵抗を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a greater thermal resistance than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも大きい熱容量を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a greater heat capacity than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも大きい機械的強度を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a greater mechanical strength than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が前記第一の組成よりも小さい熱膨張係数を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a lower coefficient of thermal expansion than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも大きい粘着強度を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a greater adhesive strength than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも小さい酸素透過率を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein said second composition has a lower oxygen transmission rate than said first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも小さい水分透過率を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a lower moisture permeability than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第二の組成が、前記第一の組成よりも大きい比熱を有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the second composition has a higher specific heat than the first composition. 請求項50の放射線放出装置において、前記第一及び第二の組成が、前記包封部の異なる領域に実質的に分離され且つこれら領域の境界面にて凝集接着される、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein the first and second compositions are substantially separated into different regions of the encapsulation and are cohesively bonded at an interface between the regions. 請求項50の放射線放出装置において、前記光学放射線エミッタが前記第一及び第二のリードの一方に取り付けられる、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein said optical radiation emitter is attached to one of said first and second leads. 請求項50の放射線放出装置において、前記放射線エミッタがLEDチップである、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein said radiation emitter is an LED chip. 請求項50の放射線放出装置において、前記放射線エミッタが半導体光学放射線エミッタである、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, wherein said radiation emitter is a semiconductor optical radiation emitter. 請求項50の放射線放出装置において、前記光学放射線エミッタ上に分配されたグローブトップを更に有する、放射線放出装置。51. The radiation emitting device of claim 50, further comprising a globe top distributed over said optical radiation emitter. 請求項66の放射線放出装置において、前記グローブトップがフォトルミネッセント材料を有する、放射線放出装置。67. The radiation emitting device of claim 66, wherein the glove top comprises a photoluminescent material. 放射線放出装置の製造方法において、
少なくとも1つの放射線エミッタをリードフレームに取り付け且つ電気的に結合してサブ組立体を形成する工程と、
前記サブ組立体を金型キャビティ内に挿入する工程と、
金型キャビティを第一の包封材料にて部分的に充填する工程と、
金型キャビティの残りの部分を第二の包封材料にて充填する工程と、
包封したサブ組立体を金型キャビティから除去する工程とを備える、放射線放出装置の製造方法。
In a method for manufacturing a radiation emitting device,
Attaching and electrically coupling at least one radiation emitter to the leadframe to form a subassembly;
Inserting the sub-assembly into a mold cavity;
Partially filling the mold cavity with the first encapsulating material;
Filling the remainder of the mold cavity with a second encapsulating material;
Removing the encapsulated sub-assembly from the mold cavity.
請求項68の方法において、金型キャビティの残りの部分を第二の包封材料にて充填する前、第一の包封材料を部分的に硬化させる工程を更に含む、方法。69. The method of claim 68, further comprising partially curing the first encapsulant before filling the remaining portion of the mold cavity with the second encapsulant. 請求項68の方法において、包封したサブ組立体を金型組立体から除去する前、第一及び第二の包封材料を硬化させる工程を更に含む、方法。69. The method of claim 68, further comprising curing the first and second encapsulating materials before removing the encapsulated subassembly from the mold assembly. 請求項68の方法において、第一の包封材料が放射線エミッタにより放出された放射線に対しほぼ透明である、方法。69. The method of claim 68, wherein the first encapsulant is substantially transparent to radiation emitted by the radiation emitter. 請求項68の方法において、第二の包封材料が不透明である、方法。70. The method of claim 68, wherein the second encapsulating material is opaque. 請求項68の方法により製造された放射線エミッタ装置。70. A radiation emitter device manufactured by the method of claim 68. 光放出装置において、
少なくとも1つのLEDチップと、
該LEDチップに電気的に結合された第一及び第二の電気リードと、
前記LEDチップ及び前記第一及び第二の電気リードの一部分を包封し得る形態とされた一体の包封部であって、少なくとも1つの透明な第一の領域及び第二の領域を有し、該第二の領域が前記第一の領域よりも大きい熱伝導率を有する、前記一体の包封部とを備える、光放出装置。
In the light emitting device,
At least one LED chip;
First and second electrical leads electrically coupled to the LED chip;
An integrated encapsulation configured to enclose a portion of the LED chip and a portion of the first and second electrical leads, comprising at least one transparent first and second region. The integrated envelope, wherein the second region has a higher thermal conductivity than the first region.
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