JP2006253689A - 熱放散性の高いｌｅｄの実装 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＣＤパネル支持構造に実装される従来のＰＣＢパッケージを使用して、ＬＥＤディスプレイの熱放散を高めるための安価なシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】ＬＥＤからの熱の通路を、電気の通路から分離することによって、ダイから背面構造への熱放散を最適化する。ヒートシンクとして熱放散パッドを基板底面に設け、基板に設けた反射カップ内で、ＬＥＤとヒートシンクパッドとを、熱伝導的にかつ非導電的に接合させる。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、ＬＥＤの実装に関する。

高出力（高い輝度）のＬＥＤの必要性は高まっている。ＬＥＤ接合によって発生した熱を効果的に放散しなければＬＥＤの輝度が低下してしまうので、出力を高くすればするほど、熱放散に対する必要性は高まる。

現在、ＬＥＤは、アルミニウム製メタルコアＰＣＢに実装された表面実装ＬＥＤパッケージとして製造されている。メタルコアＰＣＢは、ＬＥＤから熱を導いて逃がす直結のヒートシンクとして機能する。メタルコアＰＣＢの材料コストは高いので、メタルコアＰＣＢの使用は比較的高価なものとなる。

本発明の課題は、ＬＣＤパネル支持構造に取り付けられる従来のＰＣＢパッケージを使用して、ＬＥＤディスプレイの熱放散を高めるためのシステムおよび方法を提供することである。

熱放散パッドを備えている、反転させた実装ＬＥＤを使用して、ＬＣＤ支持構造と接触させて配置されている金属層への熱伝達を最適化する。

ＬＥＤからの熱の通路を、電気の通路から分離することによって、ダイから背面構造への熱放散を最適化する。ヒートシンクとして熱放散パッドを基板底面に設け、基板に設けた反射カップ内で、ＬＥＤとヒートシンクパッドとを熱伝導的にかつ非導電的に接合させる。

図１に、ヒートシンクパッド２５に合わせられるもしくは接合させたＰＣＢ基板２２を含む単一ＬＥＤパッケージ１０の一態様の斜視図を示す。光学ドーム１２が、注型等により面１１上に構築されており、この面１１は、基板２２に接合されている。基板２２の表面には、コンタクトストリップ２３および２４が構築されており、より詳細には以下に説明するように使用されている。

図２に、ＬＥＤおよび光学ドーム１２が取り外されたパッケージ１０を示す。ＬＥＤチップ（または別の発光源）は、反射カップ２１内でヒートシンクパッド２５に、熱伝導性の接合剤によってもしくは別の固定手段によって物理的に取り付けられる。その後、ＬＥＤは、外部の電気通路へ接続する後続の工程のために、コンタクトストリップ２３のパッド２３−１およびコンタクトストリップ２４のパッド２４−１にワイヤボンド接続される。ＬＥＤからのヒートパスは、例えば銅であってよいヒートシンクパッド２５を通る。ＬＥＤからのヒートパスがパッド２５であり、導電パスからは分離していて、ダイから背面構造への熱放散を最適化しているに留意されたい。ＬＥＤは、熱伝導性であるが非導電性の接着性の誘電体を使用することによってパッド２５に取り付けられる。従来のメタルコアＰＣＢと比較してパッドがより大きな表面領域を有しているので、熱放散がより良好となる。

反射カップ２１は、ＬＥＤの側面光がパッケージの上面へと反射するように最適な角度を有して構成されている。反射カップは、例えば明色の不透明な材料を使用して形成される。ＬＥＤをパッド２５に接合した後、透明の材料をＬＥＤおよびワイヤボンドの周りに注入してＬＥＤを封止し、ＬＥＤパッケージ１０の完成品が形成される。

光学ドーム１２（図１）は、ＬＥＤ源からの光が所望の方向に配向するように構成されている。ＬＥＤの光出力は、ドーム形状を単に設計変更することによって用途に合わせて所望のように変化させることができる。

図３Ａに、図２の線３Ａ−３Ａに沿って切断された、ＬＥＤパッケージ１０の切開側面図を示す。ＬＥＤパッケージ１０は、接合材料３０２によって熱放散パッド２５に物理的に接合されている光源、例えばＬＥＤ３１を備えている。ボンドワイヤ３２は、ＬＥＤ３１の１つの端子を、コンタクトストリップ２４のコンタクトパッド２４−１に接続している（図１）。ＬＥＤ３１の第２の電気端子は、通路３３によってコンタクトパッド２３−１に接続されている。しかし、ＬＥＤ３１をドーム１２の外部の各コンタクトに接続するために、任意の電気的なコンタクトシステムを使用することができる。一態様では、上記構造のために設けられているリードは２つであるが、所望であれば３つ以上のリードを設けることもできる。

図３Ｂに、外部電源がコンタクト５２および５３を介してコンタクトエリア２３−２および２４−２に接続される方式を示した切開図を示す。コンタクトエリア２３−１、２３−２、２４−１および２４−２の位置は、図２に示している。これらのコンタクトは、ＬＥＤへと続くワイヤボンドと接続していなければ、コンタクトストリップ２３および２４に沿った任意の場所に配置できることを留意されたい。

図４には、複数のＬＥＤパッケージ１０−１〜１０−Ｎを備えているディスプレイ４０を示す。各パッケージは、ＬＥＤ１２−１〜１２−Ｎをそれぞれ有している。各ＬＥＤパッケージの周りには、開口部、例えば４２−１〜４２−Ｎが構造４２内に形成されており、これにより、各ＬＥＤからの光が通過できるようになっている。

図５に、取付けプレート６１に取り付けられた３つのＬＥＤ１２−１、１２−２および１２−３を示す、図４の線５−５に沿って切断されたディスプレイの断面図を示す（取付けプレート６１は、図６に関連してより詳細に説明する）。図５に示すのは、各ＬＥＤを制御しかつこれらのＬＥＤに給電するために、構造の表面下に形成されているコンタクト５２および５３である。これによって、コンタクト表面が、ＬＥＤ素子の上面側に配置可能となりかつヒートパッド２５から離され、電気と熱とのより良好な分離が得られる。

図６に、熱放散バー６３に取り付けられた複数のＬＥＤストリップ４０を備えているシステム６０を示す。熱放散バー６３は、背面取付けプレート６１に接続されている。所望であれば、カバー６２を追加することができる。カバー６２は、ＬＥＤの光が外部から見ることができるようにする不透明の領域を有していてもよい。

図７に、図６の線７−７に沿ったシステム６０の断面図を示す。図７には、光を拡散もしくは制御するための光拡散器および別のエレメント７２、７３を示す。このような制御は、所望であればパッケージもしくはＬＥＤ各々に対して行うことができる。

図８に、素子の一態様８０を示す。この素子では、両方のボンドワイヤを上面に備えている光源９２を使用している。これは、図９Ｂに示すような光源９２の水平方向構造によって可能となる。この態様では、接着剤（または別の接合剤）８０２は熱伝導性でありかつ導電性であってよい。これにより、接合剤としてはんだを使用することができる。はんだの使用は、単なる熱伝導を行うよりもより効果的な場合がある。

図９Ａに、素子の上面および底面に電気的接続部を備えている垂直構造の光源９１の図を示す。

図９Ｂには、素子の上面に電気的接続部の両方を備えている水平構造の光源の図を示す。ここでは２つの電気的接続部を示したにすぎないが、所望の数の電気的接続部を使用することができるし、本願で議論されている概念から、所望であれば素子の側面から延びる導電体を実施することもできる。

以上、本発明および本発明による利点を詳細に説明したが、特許請求の範囲で規定されている本発明の思想および範囲から逸脱することがなければ、様々な変形、置換えおよび代替が可能であることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載した工程、機械、製造、構成の組合せ、手段、方法および段階の具体的な態様に限定されることもない。本明細書に記載の、またはその記載から発展させて実質的に同じく機能するもしくは本明細書に記載のものに相当する態様がもたらすのと実質的に同じ結果が達成されるような工程、機械、製造、構成の組合せ、手段、方法および段階を、本発明に基づいて利用できることを、当業者は本発明の開示から容易に理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、その範囲内に、上記の工程、機械、製造、構成要件の組合せ、手段もしくは段階を含むことを意図している。

以下に、本発明の好ましい態様を示す。
１．基板２２であって、該基板の底面にヒートシンクパッド２５を備えている基板と、
ＬＥＤ９１であって、前記基板上に少なくとも部分的に取り付けられていて、前記ヒートシンクパッドと接触している部分を備えているＬＥＤと、
前記ＬＥＤに電気的に接続されている、前記基板の上面のワイヤボンドパッド２３−１、２４−１とを備えている、ＬＥＤアッセンブリ１０。
２．前記基板内に反射カップ２１が構築されており、該反射カップ内に前記ＬＥＤが配置されている、上項１に記載のアッセンブリ。
３．前記ＬＥＤの前記ヒートシンクパッドと接触している前記部分が、前記ＬＥＤからの熱を放散させるために設計された部分である、上項２に記載のアッセンブリ。
４．前記ＬＥＤおよび前記反射カップを覆う光学ドームをさらに備えている、上項２に記載のアッセンブリ。
５．前記光学ドームが、前記上面を覆うために配置されている基板の一部となっている、上項４に記載のアッセンブリ。
６．前記基板上に配置される別個の基板４１をさらに備えており、該別個の基板が、前記ワイヤボンドパッドの少なくとも一部と電気的な接触を形成するための電気コンタクトを備えていて、前記ＬＥＤからの光が観察者に可視となるように該アッセンブリ内に構築されている、上項３に記載のアッセンブリ。
７．前記ヒートシンクパッドに接続されている支持構造をさらに備えている、上項６に記載のアッセンブリ。
８．前記ＰＣＢ基板が、複数の前記ＬＥＤを含んでおり、該ＬＥＤの全てが前記ヒートシンクと接触しており、前記ヒートシンクが前記支持構造と接触している、上項７に記載のアッセンブリ。
９．前記別個の基板が、前記複数のＬＥＤからの光が観察者に可視となるように前記アッセンブリ内に構築されている、上項８に記載のアッセンブリ。
１０．第１の基板２２を備えているＬＥＤアレイであって、
前記第１の基板内に、前記ＬＥＤを内部に取り付けるための反射カップが構築されていて、当該第１の基板が、取り付けられた前記ＬＥＤの第１の面と熱伝導層２５とが接触するように取り付けられていて、
当該第１の基板が、取り付けられた前記ＬＥＤに接続するための電気パッド２３−１、２４−１を備えており、該電気パッドが、合わせられる別個の基板４１からの電気制御信号を通信するように配置されており、該合わせられる別個の基板に、前記ＬＥＤを制御するための制御回路が構築されており、
前記ＬＥＤアレイが、前記熱伝導層と非電気的に接触している熱伝導支持構造４５をさらに備えていて、取り付けられた前記ＬＥＤの動作により発生する熱を伝達して逃がすようになっている、ＬＥＤアレイ。
１１．前記合わせられる別個の基板が、取り付けられた前記ＬＥＤからの光を前記合わせられる別個の基板から外部に向かって放射可能にするための複数の光学ドーム１２を備えており、当該光が、前記ＬＥＤの第２の面から放射する、上項１０に記載のアレイ。
１２．前記熱伝導層が金属層である、上項１０に記載のアレイ。
１３．前記熱伝導支持構造が金属構造であるもしくは金属からなる、上項１０に記載のアレイ。
１４．前記熱伝導支持構造が、熱伝導性でありかつ非導電性の誘電体を含む前記熱伝導層と接合されている、上項１０に記載のアレイ。
１５．ＬＥＤアレイを構築する方法であって、
第１の基板内に、ＬＥＤを取り付けるための反射領域を構築し、該反射領域が、前記第１の基板の底面と接触している熱伝達材料を含んでおり、
前記第１の基板の上面に、取り付けられたＬＥＤの電気コンタクトとの接続のためのコンタクトパッドを構築し、該コンタクトパッドが、第２の基板もしくは別個の基板４１上の電気コンタクトと電気的な接触を、前記第１の基板の前記上面と接触して形成するための領域も有している、方法。
１６．前記ＬＥＤの底面を含む前記反射領域内に、前記熱伝達材料と熱伝達が行われるようにＬＥＤを配置することをさらに含む、上項１５に記載の方法。
１７．取り付けられたＬＥＤからの光を分散させるための前記反射領域上に光学ドームを配置することをさらに含む、上項１６に記載の方法。
１８．前記第１の基板に複数の前記反射領域を構築することをさらに含む、上項１７に記載の方法。
１９．複数の前記第１の基板を設けることをさらに含み、該第１の基板のそれぞれが、複数の反射領域を支持構造上に備えており、ＬＥＤのマトリクス状のアレイを形成している、上項１８に記載の方法。
２０．複数の前記第１の基板を、支持構造上に取り付けて、ＬＥＤのアレイを形成することを含み、該アレイが前記第２の基板から制御される、方法。

ドーム状パッケージを備えている単一のＬＥＤの一態様の斜視図である。 図１のＬＥＤパッケージの一態様を示す図であり、ＬＥＤが取り外されている。 図２の線３Ａ−３Ａに沿った図１の単一ＬＥＤパッケージの側面図の態様を示す。 図２の線３Ａ−３Ａに沿った図１の単一ＬＥＤパッケージの側面図の態様を示す。 複数のＬＥＤを備えているパッケージの上面図を示す。 複数のＬＥＤを備えているパッケージの側面図を示す。 本開示の教示に基づき構成されているＬＥＤストリップを使用したディスプレイを示す図である。 本開示の教示に基づき構成されているＬＥＤストリップを使用したディスプレイを示す図である。 ２つのボンドワイヤを上面に備えている素子の一態様を示す図である。 垂直構造を有する光源を示す図である。 水平構造を有する光源を示す図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤアッセンブリ
１２ 光学ドーム
２１ 反射カップ
２２ 基板
２３−１、２４−１ ワイヤボンドパッド
２５ ヒートシンクパッド
４５ 熱伝導支持構造
９１ ＬＥＤ
３０２、８０２ 接着剤

Claims (10)

1. 基板（２２）であって、該基板の底面を形成するヒートシンクパッド（２５）を備えている基板と、
   ＬＥＤ（９１）であって、前記基板上に少なくとも部分的に取り付けられていて、前記ヒートシンクパッドと接触している部分を備えているＬＥＤと、
   前記ＬＥＤに電気的に接続されている、前記基板の上面のワイヤボンドパッド（２３−１、２４−１）とを備えている、ＬＥＤアッセンブリ（１０）。
2. 前記基板内に構築された反射カップ（２１）をさらに備えており、該反射カップ内に前記ＬＥＤが配置されている、請求項１に記載のアッセンブリ。
3. 前記ＬＥＤの前記ヒートシンクパッドと接触している前記部分が、前記ＬＥＤからの熱を放散させるために設計された部分である、請求項２に記載のアッセンブリ。
4. 前記基板上に配置される別個の基板（１１）をさらに備えており、該別個の基板が、前記ワイヤボンドパッドの少なくとも一部と電気的な接触を形成するための電気コンタクトを備えていて、前記ＬＥＤからの光が観察者に可視となるように該アッセンブリ内に構築されている、請求項３に記載のアッセンブリ。
5. 第１の基板（２２）を備えているＬＥＤアレイであって、
   前記第１の基板内に、前記ＬＥＤを内部に取り付けるための反射カップが構築されていて、当該第１の基板が、取り付けられた前記ＬＥＤの第１の面と熱伝導層（２５）とが接触するように取り付けられていて、
   当該第１の基板が、取り付けられた前記ＬＥＤに接続するための電気パッド（２３−１、２４−１）を備えており、該電気パッドが、合わせられる基板（４１）からの電気制御信号を通信するように配置されており、該合わせられる基板に、前記ＬＥＤを制御するための制御回路が構築されており、
   前記ＬＥＤアレイが、前記熱伝導層と非電気的に接触している熱伝導支持構造（４５）をさらに備えていて、取り付けられた前記ＬＥＤの動作により発生する熱を伝達して逃がすようになっている、ＬＥＤアレイ。
6. 前記合わせられる基板が、取り付けられた前記ＬＥＤからの光を前記合わせられる基板から外部に向かって放射可能にするための複数の光学ドーム（１２）を備えており、当該光が、前記ＬＥＤの第２の面から放射する、請求項５に記載のアレイ。
7. 前記熱伝導層が金属層である、請求項５に記載のアレイ。
8. 前記熱伝導支持構造が、熱伝導性でありかつ非導電性の誘電体を含む前記熱伝導層と接合されている、請求項５に記載のアレイ。
9. ＬＥＤアレイを構築する方法であって、
   第１の基板内に、ＬＥＤを取り付けるための反射領域を構築し、該反射領域が、前記第１の基板の底面と接触している熱伝達材料を含んでおり、
   前記第１の基板の上面に、取り付けられたＬＥＤの電気コンタクトとの接続のためのコンタクトパッドを構築し、該コンタクトパッドが、第２の基板上の電気コンタクトとの電気的な接触を、前記第１の基板の前記上面と接触して形成するための領域も有している、方法。
10. 前記ＬＥＤの底面を有する前記反射領域内に、前記熱伝達材料と熱伝達の関係にあるようにＬＥＤを配置することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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