JP2009141318A - 高められた熱伝導度を有するｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の製造時、最終製品における光源の取付け時、および後に光源が使用されるときに発生する、構成要素間の熱膨張係数の差による装置障害を防止する。
【解決手段】光源と同光源を製造するための方法とが開示される。本光源は、基板３１と複数のダイとカプセル材料の透明な層とを含む。本基板は、第１の金属のパターン化された層３２，３３を有する上面と第２の金属のパターン化された層を有する下面とを有する絶縁層を含む。第１の金属のパターン化された層は複数のダイ取付け領域を含み、第２の金属のパターン化された層はダイ取付け領域の下にある第１のコンタクト層を含み、ダイ取付け領域と第１のコンタクト層はダイ取付け領域の各々において金属被覆されたビア３８によって接続される。透明なカプセル材料は複数のダイをカバーし、第１の金属のパターン化された層と絶縁層の上面とに結合される。
【選択図】図２

Description

照明光源は、幅広い種々のコンピュータおよびテレビなどの消費者装置のための表示装置を含む多くの用途のために必要とされる。蛍光灯に基づく照明光源は、その消費電力のワット時間当たりの高い光出力のために特に魅力的である。しかしながら、このような光源は高い駆動電圧を必要とし、このことがバッテリ動作の装置に関して魅力をより少なくしている。更に、多くの用途は、本質的に点光源である光源を必要としている。蛍光灯は本質的に延長された光源であるので、これらの用途の大部分で使用できない。

その結果、このような用途ではＬＥＤに基づく光源を利用することにかなりの関心が存在してきている。ＬＥＤは、白熱灯光源より良好な電気効率を有し、白熱灯および蛍光灯光源の両方より長い寿命を有する。更に、必要とされる駆動電圧は、大抵の携帯型装置で利用可能なバッテリ電力に適合している。ＬＥＤは本質的に点光源であり、従って光の光学的処理のためにレンズが使用される装置に利用され得る。最後に、ＬＥＤの効率における絶え間ない進歩は、蛍光灯光源より著しく高い効率を有する光源を提供する見込みを保持している。不都合なことにＬＥＤは、多数の問題に悩まされている。

特に、単一のＬＥＤによって生成され得る光の量は、白熱灯光源によって与えられる光の量に比較して小さい。１個のＬＥＤにおいて消散され得る最大電力は約５ワットである。この限界は、白熱灯で利用される温度よりかなり低い温度にＬＥＤの接合部温度を維持する必要性によって、またＬＥＤのために現在使用されている実装システムの限界によって賦課される。典型的なＬＥＤの効率は、上昇する接合部温度と共に減少し、従ってＬＥＤは約１２５℃より低い接合部温度で動作しなくてはならない。この温度より低く接合部温度を維持するためにＬＥＤを含むダイは、典型的にはプリント基板のコアなどの大きな表面積に熱を伝導することによって熱を消散させるヒートシンク上に取り付けられる。

第２に、単一のＬＥＤの限定された光出力のために、多くの用途は光源によって変化するＬＥＤの数に対応して多数のＬＥＤを必要とする。各用途のために別々の実装方式を与えることは実質的に、光源のコストを増加させる。しかしながら、照明用途において実装コストは、最小に維持されなくてはならない。

第３に、ＬＥＤパッケージは、実質的に異なる熱膨張係数を有する多数の構成要素を含む。典型的な従来技術のパッケージは、ダイが取り付けられる熱伝導基板と、ダイの側面から出る光を方向変えするために使用される材料とは異なる材料で作られたリフレクタと、ダイを保護してダイからの改善された光抽出を与えるカプセル材料とを有する。典型的にはリフレクタは、ＬＥＤが熱伝導基板に取り付けられる前に熱伝導基板に取り付けられる。ダイ取付けプロセスはしばしば、リフレクタと熱伝導基板との間の結合にストレスを与える高い温度を含む。ＬＥＤがカプセル封入された後に、ＬＥＤはしばしば、最終製品におけるプリント基板などへのＬＥＤの取付け時に追加的な高い温度サイクルを受ける。この処理は更に、構成要素にストレスをかける。

最後に、１ＬＥＤあたりの電力出力を増加させる必要性は、従来の光源より高い温度で動作する光源という結果を生じている。このような光源ではＬＥＤパッケージは、光が点灯されるたびに熱的にストレスを受ける。

本発明は、光源と同光源を製造するための方法とを含む。本光源は、基板と複数のダイとカプセル材料の透明な層とを含む。この基板は、第１の金属のパターン化された層を有する上面と第２の金属のパターン化された層を有する下面とを有する絶縁層を含む。第１の金属のパターン化された層は複数のダイ取付け領域を含む第１の部分を有し、第２の金属のパターン化された層はダイ取付け領域の下にある第１のコンタクト層を含み、ダイ取付け領域と第１のコンタクト層はダイ取付け領域の各々において金属被覆されたビアによって接続される。各ダイは、ダイ取付け領域の対応する領域に取り付けられて、これに電気的に接続された固体発光器を含む。透明なカプセル材料は複数のダイをカバーして、第１の金属のパターン化された層と絶縁層の上面とに結合される。本発明の一態様ではダイの各々は、ダイの側面から出る光を方向変えするリフレクタに取り付けられ得る。本発明のもう１つの態様では、発光器は線状のアレイに配置されたＬＥＤであり、カプセル材料はこの線状アレイに平行な軸を有する円筒形外面を有する材料の層を含む。本発明のもう１つの態様では、基板の一部分は露出され、この露出された部分は光源を電源に接続するための複数の端子を含む。

本発明がその利点を提供する方法は、ＬＥＤに基づく従来技術の光源の断面図である図１を参照することによって、より容易に理解され得る。光源２０は、ＬＥＤを含むダイ２２が取り付けられる基部２１を含む。ダイ２２は、ダイの下面にある第１のコンタクトとダイの上面にある第２のコンタクトとによって電力供給される。ダイは、基部２１が第１のコンタクトとの電気的接続を与えるように導電性接着剤によって基部２１に結合される。基部２１はまた、ダイ２２に発生した熱を除去するための熱経路を与える。基部２１は、ダイ２２の下面から電気的に絶縁されていて、ＬＥＤに電力供給するために必要とされる第２のコンタクトを与えるセクション２３を含む。この第２の接続はワイヤボンド２４によって行われる。

光源２０はまた、ダイ２２の側面から出る光を方向変えする反射性側壁を有するカップ２５を含む。ダイ２２を保護するカプセル材料層２６には種々の構成要素がカプセル封入される。層２６はまた、空気の屈折率より大きい屈折率を有する媒体を設けることによってダイ２２からの光の抽出を改善し、それによってダイ２２が構成される材料の屈折率と周囲の媒体の屈折率との間の不整合を減らしている。層２６の湾曲した上面は、同じ屈折率不整合によって層２６内にトラップされる光の量を減らす。更にこの湾曲面は、ダイ２２からの光の光学的処理を与えることができる。あるいくつかの光源では、層２６の上に追加のレンズが取り付けられる。

上記のように種々の構成要素は、かなり異なる熱膨張係数を有し、典型的には剛性の材料から構成される。例えば基部２１は典型的には、リードフレーム、プリント基板またはセラミック基板を含む剛性の部材である。リフレクタ２５は、プラスチックの成型部品または金属の反射性カップであり得る。カプセル材料は、エポキシ材料であることが多い。

構成要素間の熱膨張係数の差は、光源が十分に異なる温度の間で熱的に循環する場合には、装置障害を引き起こす可能性がある。このような熱サイクルは、光源の製造時、最終製品における光源の取付け時、および後に光源が使用されるときに発生する。ＬＥＤ光源の電力消散は、従来の光源に匹敵するほど増加するので、熱サイクルのこの後者の元は大きくなり、現場で装置障害を引き起こす可能性がある。

多くの照明用途は、問題の光源に特有の幾何学パターンに配列された多数のＬＥＤを含む光源を必要とする。例えば、スポットライトは典型的にはコリメートレンズを備えたＬＥＤを必要とし、従ってＬＥＤは本質的に、丸く対称のレンズの焦点において点光源でなければならない。フラットパネルディスプレイ（平面型表示装置）を照明する際に使用される光源は典型的には、線状光源として構成され、また円筒形レンズの下で線状アレイに配列された多数のＬＥＤを必要とする。従って最小の変更で光源の異なる構成を生成できる製造システムが有利である。

本発明による光源は、基部部材として柔軟な回路キャリアを利用する。ここで、ダイを取り付けられたこのようなキャリアのセクションを示す図２〜５を参照する。図２は、キャリア３０の上面図であり、図３はキャリア３０の下面図であり、図４および５はそれぞれ線４−４および５−５による断面図である。回路キャリア３０は、柔軟な絶縁性基板３１の相対する面に配置された２つのパターン化された金属層を含む。上層は、第１、第２の上面電極３２、３３を与えるようにパターン化される。ＬＥＤを含むダイ４１は、電極３２に結合される。ダイ４１は、ＬＥＤに電力供給するために使用される第１および第２のコンタクトを含む。この例示的実施形態では、第１のコンタクトはダイ４１の下面にあり、第２のコンタクトはダイ４１の上面にある。ダイは、共晶ダイ接合材料ならびに金属充填ポリマー接合材料を使用してダイ取付け領域に結合され得る。

第２のコンタクトは、電極３３上のパッド３５に結合されたワイヤボンド３４によって電極３３に接続される。この実施形態ではダイ４１は、導電性接着剤によって電極３２に結合される。この接着剤結合は、電極３２との電気的接続と、ダイ４１と電極３２との間の熱的接続との両方を与える。ダイ上の第１および第２のコンタクトの両方が上面にある実施形態では、３６で示された第２のパッドは、電極３２と第２のコンタクトとの間の接続を行うために使用される。このような実施形態では、ダイ４１と電極３２との間の結合は電気的に絶縁性であり得る；しかしながらこの結合はなお、ダイを過剰な温度にさらすことなしに、ダイに発生した熱が電極３２に転送されることを可能にするために十分に低い熱抵抗を持たなくてはならない。

ここで図３および５を参照する。層３１の下面は、電極４２および４３を与えるようにパターン化された金属層を有する。電極４３は、４５で示されたビアなどの導電性ビアによって電極３３に接続される。電極４２は、３８および３９で示されたビアなどの導電性ビアによって電極３２に接続される。３８で示されたビアは、層３１を通して電極３２から電極４２に熱を伝導するようにサイズ決めされる。これらのビアは、ダイが光源のための最大設計電力で電力供給されるときに電極３２および４２間の温度差が最小になることを保証するために十分に低い熱抵抗を有する。これは、ビアがダイ４１からの熱除去を制限する熱抵抗を示さないことを保証する。下記に更に詳細に説明されるように電極４２は、完成された光源の下面に露出されて、プリント基板の表面上の整合する電極に熱的に接続され得る。

一実施形態では基板３１は、３１がポリアミド、シロキサン、ポリエステル、シアン酸エステル、ビスマレイミドまたはガラスファイバなどの有機材料から構成される柔軟な回路技術を利用する。ポリアミドのフィルムおよびラミネートは、Ｄｕｐｏｎｔから商業的に入手可能であり、ポリアミドから作られたＫａｐｔｏｎ（商標）と呼ばれる基板を利用し、またあるいくつかの場合には複数の層が接着剤でラミネートされる。このタイプの回路キャリアは、シリコーン基板ベースの回路より著しく安価であり、比較的薄い基板を備え得る。しかしながら層３１がシリコーンから構成される実施形態もまた構成可能である。一実施形態では、上面と下面に２ミル厚さのＫａｐｔｏｎ（商標）層と銅層とを有するＤｕｐｏｎｔからのＰｙｒａｌｕｘ ＡＰラミネートが利用される。これらの層の厚さと電極の寸法は、ダイ４１が動作する温度を十分に上昇させることなしにダイ４１からプリント基板への十分な熱の移動を与えるように選択される。一実施形態では絶縁性基板３１は、１０μｍから１００μｍの間にあり、金属層は１０μｍから１５０μｍとの間にある。金属層は、銅、ニッケル、金、銀、パラジウム、ロジウム、錫、アルミニウムまたはこれらの合金から構成され得る。

あるいくつかの実施形態では、ダイ４１の周りにリフレクタが必要とされる。このようなリフレクタは、別の層を回路キャリア３０に結合することによって設けられ得る。ここでダイのカプセル封入前の本発明の一実施形態による光源の一部分の斜視図である図６を参照する。このリフレクタは、絶縁材料の層５１を回路キャリア３０に結合することによって作り出される。この層は、光が層５１の表面５４にほぼ垂直である角度の円錐内に出て行くようにダイ４１の側面を出る光を反射する反射壁５２を有する切欠きを有する。光源が反射壁の上に拡散反射仕上げだけを必要とするならば、層５１はＴｉＯ_２の粒子を有するシリコーンなどの白色材料から構成され得る。より正反射性の仕上げが必要とされるならば、層５１は金属フィルムで被覆され得る。

層５１は好適には、キャリア３０内の層３１の熱膨張係数と実質的に同じである熱膨張係数を有する。層５１は、特定の用途に依存して剛性または柔軟性であり得る。柔軟な層は、熱膨張係数の差に応じて変形可能であるという利点を有する。これに関してキャリア３０内の金属層が一般に層３１または層５１とは異なる熱膨張係数を有することは留意されるべきである。従って層３１と層５１が実質的に同じ熱膨張係数を有するとしても、柔軟な層はなお温度サイクル中のストレスを減らすということにおいて利点を有する。

一実施形態では層５１は、ダイ４１の接合に先立ってキャリア３０に結合される。従って層５１の開口部は、ダイ４１とダイ４１を電極３３上のパッド３５に接続するワイヤボンドとの両方の挿入と結合とに適応するために十分でなくてはならない。ダイの上面に複数のコンタクトを有するダイと、ダイの下面に１つのコンタクトおよびダイの上面に１つのコンタクトを有するダイとによって使用され得る１つの基板とリフレクタ層とを設けることが有利である。従って層５１の開口部は、ダイの接合と接続のときにパッド３６もアクセス可能であるようにサイズ決めされ位置決めされる。

ダイがキャリア３０に接合されて基板３１上の電極に電気的に接続された後に、基板とダイは透明な媒体内にカプセル封入される。カプセル封入層の形状は、特定の光源設計に依存する。ここで２つの例示的カプセル封入構成の斜視図である図７、８を参照する。図７は、共通の基板７２上に線状アレイに配置された７１で示される複数のダイから形成された線状光源７０を示す。これらのダイは、７３で示された透明な材料の層にカプセル封入される。透明な材料は、光源がカプセル封入層７３の形状を有する均一に照明される円筒形光源であると見えるように、ＬＥＤからの光の一部分を異なるスペクトルの光に変換して光を拡散させる燐光体および拡散物などの多数の添加物を含む。

個々のＬＥＤは、同じ色または異なる色である可能性がある。異なる色のＬＥＤに基づく光源の場合には、ダイは繰り返しグループ別に交互に配置される。例えば赤、青、緑の光をそれぞれ与える３個のＬＥＤのグループは、線状アレイに配置され得る。一般に光源７０などの特定のモジュールにおけるＬＥＤとの接続は、個々のＬＥＤが別々に駆動され得るように分離される。外部との接続は、基板７２の一部であるトレース７４からなる別のコネクタ７５を介して行われ得る。個々のＬＥＤはまた、基板の下層の露出部分によってアクセスされ得る。

図８は、単一の取付けパッドを有する基板８２上に取り付けられた単一のＬＥＤ８１から構成された光源８０を示す。ＬＥＤと基板は、球状の表面を有するカプセル材料の層８３にカプセル封入される。外面は、出力光をコリメートする、さもなければ処理するレンズを与えるように形作られ得る。光を拡散させる添加物が存在しない場合、光源８０は１個のレンズを有する点光源である。層８３が前述のような添加物を含むならば、光源８０はカプセル材料層の寸法を有する小さな広がった光源であるように見える。

バックライト付き表示装置のために利用されるタイプの平面型ライトパイプのエッジを照明するために適応した構成を有する拡張された線状光源を与えるために、図７に示された光源７０のような多数の光源が組み合され得る。ここで図７に関して前に論じられたが端部コネクタを有さないタイプの２つの線状光源モジュール９１および９２から構成された線状光源９０の斜視図である図９を参照する。これらの光源モジュールは、各光源モジュール内の個別のＬＥＤに電力供給するためのトレースを含む共通の柔軟なコネクタ９３に結合される。

ここでライトパイプに接続された本発明による線状光源の断面図である図１０を参照する。光源９０は、ライトパイプ９５のエッジに沿って配置される。柔軟なコネクタ９３上のトレースは、ライトパイプに接続された構造体に取り付けられたコネクタ９６の相手方トレースに接続される。任意選択的金属ケーシング９７は光源９０に取付け可能であって、熱を熱消散面に転送するために使用される。この光源は、ＬＣＤパネル９８またはユーザによって観察されるスライドを照明するために使用され得る。

ここで本発明による光源のための製造方式の一実施形態を示す図１１および１２を参照する。図１１を参照すると、プロセスは前述の基板３１などの１枚の基板１０１から始まる。基板シートは、剛性のキャリア１１０に接合される。上面および下面上の金属層は、１０２で示されたダイのために取付けパッドと電極とを与えるようにパターン化される。この柔軟なシートは、製造プロセス時に剛性のキャリア上に取り付けられる。図１２を参照すると、リフレクタカップ１０３を切り出された材料の層が基板１０１の表面に結合される。それからダイは、前述のようにパッドに結合されて電気的に接続される。それから、結合されたシートは型内に配置され、カプセル材料はリフレクタカップの上に成型される。それから成型されたシートを切断することによって個々の光源が個別化される。

各光源におけるカプセル封入層の形状とダイの数は、光源が組み込まれるべき特定の製品に依存する。図１２に示された実施形態では光源は、水平方向の３個のグループにグループ化される。従って１０４で示された線に沿って、また光源の各行の間で水平方向に、カプセル封入されたシートを切断することによって、３個の異なる色のＬＥＤを有する光源が取得され得る。

本発明に対する種々の修正は、前述の説明と付属図面から当業者に明らかになる。従って本発明は、下記の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

ＬＥＤに基づく従来技術の光源２０の断面図である。 キャリア３０の上面図である。 キャリア３０の下面図である。 図２に示された線４−４によるキャリア３０の断面図である。 図２に示された線５−５によるキャリア３０の断面図である。 本発明の一実施形態によるダイのカプセル封入前の光源の一部分の斜視図である。 共通の基板上で線状アレイに配置された複数のダイから形成された線状光源７０を示す。 単一の取付けパッドを有する基板上に取り付けられた単一ＬＥＤから構成された光源８０を示す。 ２つの線状光源モジュールから構成された線状光源９０の斜視図である。 本発明によるライトパイプに接続された線状光源の断面図である。 本発明による光源のための製造方式の一実施形態を示す。 本発明による光源のための製造方式の一実施形態を示す。

Claims (20)

1. 上面と下面とを有する絶縁層を備える基板であって、前記上面は第１の金属のパターン化された層を有し、前記下面は第２の金属のパターン化された層を有し、前記第１の金属のパターン化された層は複数のダイ取付け領域を備える第１の部分を有し、前記第２の金属のパターン化された層は前記ダイ取付け領域の下にある第１のコンタクト層を備え、前記ダイ取付け領域と前記第１のコンタクト層は前記ダイ取付け領域の各々において金属被覆されたビアによって接続される、基板と、
   それぞれが、前記ダイ取付け領域のうちの対応する領域に取り付けられると共にそこに電気的に接続された固体発光器を備える、複数のダイと、
   前記複数のダイをカバーし、前記第１の金属のパターン化された層と前記絶縁層の前記上面とに結合された透明なカプセル材料と
   を備える、光源。
2. 前記ダイの各々は前記ダイの側面から出る光を方向変えするリフレクタに取り付けられる、請求項１に記載の光源。
3. 前記絶縁層は１０μｍから１００μｍの間の厚さを有する、請求項１に記載の光源。
4. 前記金属のパターン化された層は１０μｍから１５０μｍとの間の厚さを有する、請求項１に記載の光源。
5. 前記金属のパターン化された層は銅、ニッケル、金、銀、パラジウム、ロジウム、錫およびアルミニウム、または前記金属の合金からなるグループから選択された金属を含む、請求項１に記載の光源。
6. 前記絶縁層はポリイミド、シロキサン、ポリエステル、シアン酸エステル、ビスマレイミドおよびガラスファイバからなるグループから選択された材料を含む、請求項１に記載の光源。
7. 前記カプセル材料はシリコーンまたはエポキシを含む、請求項１に記載の光源。
8. 前記固体発光器はＬＥＤを備える、請求項１に記載の光源。
9. 前記ＬＥＤは線状アレイに配置され、前記カプセル材料は前記線状アレイに平行な軸を有する円筒形外面を有する材料の層を含む、請求項８に記載の光源。
10. 前記基板の一部分は露出され、前記露出された部分は前記光源を電源に接続するための複数の端子を備える、請求項９に記載の光源。
11. 前記露出された部分は前記線状アレイの端部において前記基板の一部分を備える、請求項１０に記載の光源。
12. 柔軟なコネクタに結合された複数の発光モジュールを備える光源であって、各モジュールは、
    上面と下面とを有する絶縁層を備える基板であって、前記上面は第１の金属のパターン化された層を有し、前記下面は第２の金属のパターン化された層を有し、前記第１の金属のパターン化された層は複数のダイ取付け領域を備える第１の部分を有し、前記第２の金属のパターン化された層は前記ダイ取付け領域の下にある第１のコンタクト層を備え、前記ダイ取付け領域と前記第１のコンタクト層は前記ダイ取付け領域の各々において金属被覆されたビアによって接続される、基板と、
    それぞれが、前記ダイ取付け領域の対応する領域に取り付けられると共にそこに電気的に接続された固体発光器を備える、複数のダイと、
    前記複数のダイをカバーし、前記第１の金属のパターン化された層と前記絶縁層の前記上面とに結合された透明なカプセル材料と
    を備え、
    前記柔軟なコネクタは、前記固体発光器に電力供給するための接続部を提供する複数の金属トレースを有する絶縁層を備える、光源。
13. 前記モジュールの各々における前記ダイは線状アレイに配置され、前記モジュールは前記線状アレイが前記モジュールの各々より長い線状光源を与えるために互いに整列するように前記柔軟なコネクタに接続される、請求項１２に記載の光源。
14. 上面と下面と側面とを有する透明な材料の層を備えるライトパイプを更に備え、前記線状アレイは前記側面に光を放射するように配置される、請求項１３に記載の光源。
15. 前記柔軟なコネクタは前記光源において電力コネクタと接続する複数の電気的トレースを備える、請求項１４に記載の光源。
16. 前記柔軟なコネクタは前記透明な材料の層の前記下面にセクションが平行であるように屈曲した前記セクションを有する、請求項１５に記載の光源。
17. 前記透明な材料の層の前記上面の上にあるＬＣＤ表示装置を更に備える、請求項１４に記載の光源。
18. 上面と下面とを有する絶縁層を備える基板であって、前記上面は第１の金属のパターン化された層を有し、前記下面は第２の金属のパターン化された層を有し、前記第１の金属のパターン化された層は複数のダイ取付け領域を備える第１の部分を有し、前記第２の金属のパターン化された層は前記ダイ取付け領域の下にある第１のコンタクト層を備え、前記ダイ取付け領域と前記第１のコンタクト層は前記ダイ取付け領域の各々において金属被覆されたビアによって接続される基板を剛性のキャリア上に取り付けることと、
    前記ダイを前記第１の金属のパターン化された層に結合し、前記ダイを前記第１の金属のパターン化された層に形成された電極に電気的に接続することと、
    前記基板と前記剛性のキャリアとの上にカプセル材料層を成型することと、
    複数の光源を個別化するように前記基板と前記剛性のキャリアとを分割することと
    を備える、光源を製造するための方法。
19. 前記ダイを結合する前に前記パターン化された金属層と前記絶縁層の前記上面との上で前記基板にリフレクタを切り出された材料の層を接合することを更に備える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記カプセル材料は複数の前記ダイの上にある円筒形レンズを与えるように成型される、請求項１８に記載の方法。

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