JP2007150329A

JP2007150329A - 集積熱電チップを有する多層発光素子

Info

Publication number: JP2007150329A
Application number: JP2006348478A
Authority: JP
Inventors: Edwin S Sayers; エスセイアーズエドウィン; James D Tarne; ディーターンジェイムズ; Paul A Lyon; エイライアンポール
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2007-06-14
Also published as: DE102006057556A1; US20070120138A1

Abstract

【課題】本発明は、改良されたＬＥＤパッケージを提供する。
【解決手段】本発明のＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップ及び熱電素子を有する。熱電素子は、ＬＥＤチップとヒートシンクとの間に熱勾配を生成するためにＬＥＤチップと熱的に連通する第１の側及びヒートシンクと熱的に連通する第２の側を有する。熱電素子は、ＬＥＤチップに電気的に直列に接続されかつ熱電素子に供給される電流がＬＥＤチップの駆動電流に比例するように電源投入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。特には、本発明は、ＬＥＤを冷却するための機構に関する。

白色ＬＥＤアセンブリは、チップ、蛍光体変換層及びハウジングを一般的に含む。電力から光を生成する処理は、約１０％効率で多少非効率的であり、電力の残りは、熱エネルギーに変換される。従って、チップの温度は、ＬＥＤチップが光を生成するときに上昇する。この温度が増大すると、特に電気駆動力のワット毎のルーメンに関して、生成される光の量が減少する。温度が上昇し続けるならば、最終的には、実際のチップ温度がチップの最大接合部温度を越えると、ＬＥＤチップは、機能しなくなる。現在、ヒートシシンクの使用、発熱素子の間隔、及び対流冷却は、全てＬＥＤアセンブルにおけるＬＥＤチップの温度を減少するために用いられている。しかしながら、これらの技法は、ＬＥＤアセンブリのサイズ及びパワーを制限し、それにより係るアセンブリのアプリケーションを限定する。

上記の点に鑑みて、改良されたＬＥＤアセンブリに対する必要性が存在するということが明らかである。

上記必要性を満たし、並びに従来技術の列挙された欠点及びその他の制限を克服することにおいて、本発明は、係る改良されたＬＥＤアセンブリ又はパッケージを提供する。

本発明の原理によるＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップとそれに接続された熱電素子（ＴＥＤ）とを含む。ＬＥＤチップは、蛍光体が埋め込まれている透明塗装又はマトリックス物質によって所定の場所に保持される、変換層、一般的には蛍光体の粉体塗装、で覆われている。熱電素子は、チップの温度を減少しかつパッケージからヒートシンクへの熱流束を増大するためにＬＥＤパッケージに組み込まれている。熱は、回路基板を通してパッケージ・スラグからヒートシンクへ熱伝導によって移動される。熱電素子は、ＬＥＤパッケージ構造により、シリコン・サブマウントの下、チップの下、スラグの上、及びリード・フレームの上に配置することができる。また、熱電素子は、パッケージから基板及びヒートシンクへ放出される熱を増大すると同時に、スラグ及びほぼパッケージッケー全体の温度をより低くするために、スラグの底部にも配置することができる。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージは、ＬＥＤチップと、ヒートシンクと、及びＬＥＤチップと熱的に連通する第１の側及びヒートシンクと熱的に連通する第２の側を有し、該ＬＥＤチップと該ヒートシンクとの間に温度勾配を生成するように構成された熱電素子とを備え、ＬＥＤチップ及び熱電素子は、電気的に連通し、かつ熱電素子に供給される電流は、ＬＥＤチップの駆動電流に基づくように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、熱電素子に供給される電流は、ＬＥＤチップの駆動電流に比例するように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、熱電素子は、ＬＥＤチップと直列に電気的に接続されるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、ＬＥＤチップは、サブマウント層の第１の側に取付けられ、かつ熱電素子は、サブマウント層の第２の側の該ＬＥＤチップの反対側に接続されるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、熱電素子は、サブマウント層に対向するスラグ層の第１の側に取付けられ、該熱電素子は、ＬＥＤチップに対向するサブマウント層の第２の側に取付けられるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、サブマウント層は、シリコンであってもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、熱電素子は、ＬＥＤチップとＬＥＤハウジングとの間に配置されるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、ＬＥＤチップは、ＬＥＤハウジングに接続され、かつ当該ＬＥＤハウジングは、熱電素子の第１の側面に取付けられ、かつヒートシンクは、該ＬＥＤハウジングに対向する該熱電素子の第２の側に取付けられるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージは、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップと熱的に連通する第１の側及びヒートシンクと熱的に連通する第２の側を有し、該ＬＥＤチップと該ヒートシンクとの間に温度勾配を生成するように構成された熱電素子とを備え、ＬＥＤチップは、サブマウント層の第１の側に取付けられ、かつ熱電素子は、サブマウント層の第２の側の該ＬＥＤチップの反対側に取付けられ、熱電素子は、ＬＥＤチップと電気的に直列に接続されかつ熱電素子に供給される電流がＬＥＤチップの駆動電流に比例するように電源が投入されるように構成してもよい。

本発明のＬＥＤチップ・パッケージでは、熱電素子は、サブマウント層に対向するスラグ層の第１の側に取付けられ、熱電素子は、ＬＥＤチップに対向するサブマウント層の第２の側に取付けられるように構成してもよい。

この発明の更なる目的、特徴及び効果は、添付されかつこの明細書の一部を形成する図面及び特許請求の範囲を参照して、以下の記述を再検討した後で、当業者にとって容易に明らかになるであろう。

図１をここで参照すると、本発明の原理を具体化しているＬＥＤチップ・パッケージがそこに図示されかつ参照番号１０で示されている。その主要構成要素として、ＬＥＤチップ・パッケージ１０は、ＬＥＤチップ１２と熱電素子１８とを含む。

ＬＥＤチップ１２は、ＬＥＤチップ１２の第１の側に取付けられた変換被覆層１４で覆われている。変換被覆層１４は、蛍光体又は他の一般に用いられる変換被覆材料で作られてもよいし、かつＬＥＤチップ１２によって生成された光は、変換被覆層１４を通して伝送される。ＬＥＤチップ１２の第２の側に取付けられるのは、サブマウント層１６である。サブマウント層１６は、シリコン又はその目的に適する他の材料で作られてもよい。ＬＥＤチップ１２の反対側の、サブマウント層１６には、熱電素子（ＴＥＤ）１８が取付けられている。ＴＥＤ１８は、サブマウント層１６に第１の側に取付けられかつサブマウント層１６を通してかつＬＥＤチップ１２を避けて熱を活発に引き出すように構成されている。ＴＥＤ１８の第２の側は、スラグ層２０に取付けられている。スラグ層２０は、極めて高い熱伝導性の材料で作られて、ＴＥＤ１８によってＬＥＤチップ１２から引き出された熱を効率的に挿入しかつスラグ層２０を通して分散することができる。スラグ層２０に対する一つの好適な材料は、その高い熱伝導性ゆえに、銅である。

スラグ層２０は、ＬＥＤハウジング２２に次いで取付けられる。ＬＥＤハウジング２２は、ＬＥＤチップ１２を支持しかつ保護するだけでなく、スラグ層２０からの熱を更に分散する働きもする。

レンズ２４は、ＬＥＤハウジング２２に取付けられかつＬＥＤチップ１２を取り囲んでいる。レンズ２４は、ＬＥＤチップ１２によって生成された光を集束しかつＬＥＤチップ１２及び変換被覆層１４を保護する働きもする。

ＬＥＤハウジング２２は、取付け層２８を通してヒートシンク２６に更に取付けられてもよい。取付け層２８は、はんだ、熱伝導性接着剤又は同種材料でありうる。好適には、ヒートシンク２６は、大きな表面積及び質量を有し、相対的に言って、かつ対流を通してＬＥＤハウジング２２から受取った熱を更に分散するように構成される。従って、ヒートシンク２６が高い熱伝導率を有しかつ、そのようなものとして、好適には銅又は同種材料で作られてもよい。

ＬＥＤチップ１２が照明中にだんだん熱くなると、熱は、ＬＥＤチップ１２からサブマウント層１６、スラグ層２０及びパッケージの残りの部分に移動される。スラグ層２０が温度上昇すると、スラグ層２０からの熱は、その上にＬＥＤチップ１２が取付けられるサブマウント層１６に移動する。ＬＥＤパッケージ１０から発散された熱の量及びＬＥＤチップ１２の結果として得られる温度は、パッケージ熱抵抗の条件による。パッケージ熱抵抗は、ＬＥＤチップ１２とスラグ層２０の低部との温度差をＬＥＤチップ１２の熱パワー発散で割り算して算出される。従って、ＬＥＤチップ１２を１Ｗで駆動している間にスラグ層２０が６０℃でかつＬＥＤチップ１２が１００℃であるならば、結果として得られる熱抵抗は、４０℃/１Ｗ又は４０℃/Ｗである。

ＴＥＤ１８は、ＬＥＤチップ１２からの熱の流れを支援する。サブマウント層１６の下に取付けられた場合、ＴＥＤ１８は、熱電素子１８の“冷たい”側に取付けられる、ＬＥＤチップ１２の温度を減少させる。熱は、ＴＥＤ１８の“冷たい”側を通しかつ温度勾配を横切って引き出され、それによりＴＥＤ１８の“熱い”側の温度を高める。次いで“熱い”側は、式（１）による温度差によりスラグ層２０へ熱を伝導する。

ここでＱはヒートエンジン、ｍは本体の質量、ｃは熱キャパシタンス、Ｔ₁は誘発温度、そしてＴａは周囲温度である。更に、時間に対する温度の変化は、式（２）により定義される。

ここでｄＱ/ｄｔは熱出力、そしてＲ_thはインターフェイスにわたる熱抵抗である。

ＴＥＤ１８は、入力電流の関数としてそれにわたる温度勾配を生成する。ＴＥＤ１８の電圧は、既存の温度勾配に依存する：

ここでｄＴ_tedはＴＥＤ１８によってもたらされた逆温度勾配、ｈ_tedはＴＥＤ１８の効率、Ｋ_oは温度勾配の出力係数、そしてｄＴ_inducedはＴＥＤ１８にわたる先在温度降下である。

従って、ＴＥＤ１８の効率は、誘発温度勾配に依存しかつ生成された温度勾配は、入力パワーに依存する。従って、ＴＥＤ１８にわたる温度差が高い程、その有効性が低くなる。しかしながら、温度勾配が比較的小さいならば、効率は高くかつＬＥＤチップ１２の温度降下をより効率的に生成することができる。この実施形態では、ＴＥＤ１８の効率は、逆温度勾配を生成するために必要なパワーの量がＬＥＤチップ１２の熱入力よりも熱除去により寄与するように、十分に高い。

ＴＥＤ１８は、ＬＥＤチップ１２と電気的に直列に電源投入され、ＴＥＤ１８を通る電流をＬＥＤチップ１２の駆動電流に比例させる。従って、ＴＥＤ１８を通る電流は、ＬＥＤチップ１２で発散するパワーにおおよそ比例する。これは、ＴＥＤ１８を要求されるだけめいっぱい動作させる。

ここで図２を参照すると、本発明の原理によるＬＥＤチップ・パッケージの代替実施形態がそこに図示されかつ１１０で示されている。ＬＥＤチップ・パッケージ１１０は、変換被覆層１１４によって第１の側が覆われるＬＥＤチップ１１２を含む。変換被覆層１１４は、蛍光体又はその目的に適する他の材料で作られてもよいし、かつＬＥＤチップ１１２によって生成された光は、この変換被覆層１４を通して伝送される。

サブマウント層１１６は、ＬＥＤチップ１１２の第２の側に取付けられ、かつシリコン又はその他のよく知られたサブマウント材料で作られてもよい。極めて高い熱伝導性の材料のスラグ層１２０は、ＬＥＤチップ１１２の反対側の、サブマウント層１１６に取付けられる。この構成に基づき、ＬＥＤチップ１１２からの熱は、スラグ層１２０に効率的に挿入されかつスラグ層１２０を通して分散される。スラグ層１２０に適する一つの材料は、その高い熱伝導性ゆえに、銅である。

ＬＥＤハウジング１２２は、スラグ層１２０に取付けられかつＬＥＤチップ１１２を保護する。またＬＥＤハウジング１２２は、スラグ層１２０からの熱を更に分散する働きもする。

レンズ１２４は、ＬＥＤハウジング１２２に取付けられかつＬＥＤチップ１１２を取り囲んでいる。レンズ１２４は、ＬＥＤチップ１１２によって生成された光を集束し、かつまたＬＥＤハウジング１２２に加えて、ＬＥＤチップ１１２及び変換被覆層１１４を保護する働きもする。

ＴＥＤ１１８は、ＬＥＤチップ１１２の反対側の、ＬＥＤハウジング１１２に取付けられる。ＴＥＤ１１８は、ＬＥＤハウジング１１２の第１の側に取付けられかつＬＥＤハウジング１２２を通してかつＬＥＤチップ１１２を避けて熱を活発に引き出すように構成されている。ＴＥＤ１１８の第２の側は、取付け層１２８を通してヒートシンク１２６に取付けられている。

先の実施形態のように、取付け層１２８は、はんだ又は熱伝導性接着剤で作られてもよいし、かつスラグ層１２０は、極めて高い熱伝導性の材料である。これは、ＴＥＤ１１８によってＬＥＤチップ１１２から引き出された熱をヒートシンク１２６に効率的に挿入させかつヒートシンク１２６を通して発散させることができる。従って、ヒートシンク１２６は、銅又は同種材料で作られるのが好ましい。更に、ヒートシンク１２６は、大きな表面積を有しかつ対流を通してＬＥＤハウジング１２２からの熱を更に分散するように構成される。

先の実施形態に関して説明したように、ＴＥＤ１１８は、ＬＥＤチップ１１２と電気的に直列に電源投入され、ＴＥＤ１１８を通る電流をＬＥＤチップ１１２の駆動電流に比例させる。従って、ＴＥＤ１１８を通る電流は、ＬＥＤチップ１１２で発散するパワーにおおよそ比例する。これは、ＴＥＤ１１８をＬＥＤ１１２チップに比例的に、従って、それが要求されるだけめいっぱい動作させる。

当業者が容易に理解するように、上記記述は、この発明の原理の実施例の説明のためである。この記述は、本発明は、特許請求の範囲に規定されたように、この発明の精神から逸脱することなく、変更、変形、及び変化が可能であるという点でこの発明の適用範囲又は応用を限定することを意図しない。

本発明によるＬＥＤパッケージの部分側面図である。本発明によるＬＥＤパッケージの別の実施形態の部分側面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ・パッケージ
１２ＬＥＤチップ
１４変換被覆層
１６サブマウント層
１８熱電素子（ＴＥＤ）
２０スラグ層
２２ＬＥＤハウジング
２４レンズ
２６ヒートシンク
２８取付け層

Claims

ＬＥＤチップと、
ヒートシンクと、及び
前記ＬＥＤチップと熱的に連通する第１の側及び前記ヒートシンクと熱的に連通する第２の側を有し、前記ＬＥＤチップと前記ヒートシンクとの間に温度勾配を生成するように構成された熱電素子とを備え、
前記ＬＥＤチップ及び前記熱電素子は、電気的に連通し、かつ前記熱電素子に供給される電流は、前記ＬＥＤチップの駆動電流に基づくことを特徴とするＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子に供給される前記電流は、前記ＬＥＤチップの前記駆動電流に比例することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップと電気的に直列に接続されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記ＬＥＤチップは、サブマウント層の第１の側に取付けられ、かつ前記熱電素子は、前記サブマウント層の第２の側の前記ＬＥＤチップの反対側に接続されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子は、前記サブマウント層に対向するスラグ層の第１の側に取付けられ、前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップに対向する前記サブマウント層の第２の側に取付けられることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記サブマウント層は、シリコンであることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップとＬＥＤハウジングとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記ＬＥＤチップは、ＬＥＤハウジングに接続され、かつこのＬＥＤハウジングは、前記熱電素子の第１の側に取付けられ、かつヒートシンクは、前記ＬＥＤハウジングに対向する前記熱電素子の第２の側に取付けられることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
ＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップと熱的に連通する第１の側及びヒートシンクと熱的に連通する第２の側を有し、前記ＬＥＤチップと前記ヒートシンクとの間に温度勾配を生成するように構成された熱電素子とを備え、
前記ＬＥＤチップは、サブマウント層の第１の側に取付けられ、かつ前記熱電素子は、前記サブマウント層の第２の側の前記ＬＥＤチップの反対側に取付けられ、
前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップと電気的に直列に接続されかつ前記熱電素子に供給される電流が前記ＬＥＤチップの駆動電流に比例するように電源が投入されることを特徴とするＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子は、前記サブマウント層に対向するスラグ層の第１の側に取付けられ、前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップに対向する前記サブマウント層の第２の側に取付けられることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記サブマウント層は、シリコンであることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。
前記熱電素子は、前記ＬＥＤチップとＬＥＤハウジングとの間に配置されることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤチップ・パッケージ。