JP2009141322A - 改良された熱循環耐性を有するｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】光源および光源を作るための方法を提供する。
【解決手段】光源は、基板、ダイ、およびカップを含む。基板は、その上に複数の電気トレースを有し、ダイは、トレースのうちの２つに対して接続されるＬＥＤを含む。カップは、基板上に位置するとともに、封入体材料で満たされる。ダイはカップ内に位置されるとともに、基板および封入体材料によって封入される。カップおよび封入体材料はほぼ同じ熱膨張係数を有する。カップは、ダイから出る光を反射するように位置される反射性の側壁を含むことができる。カップ、封入体、および基板は、同じ材料から構成することができる。
【選択図】図１

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、白熱光源および他の光源に置き換わる良好な候補である。ＬＥＤは、白熱ランプよりも高い電力から光変換効率を有するとともに、より長い寿命を有する。また、ＬＥＤは、比較的低い電圧で動作し、従って、多くの電池式のデバイスでの使用においてうまく適合される。さらに、ＬＥＤは、蛍光光源よりも良好に点光源に近似し、そのため、光学系によって視準され、あるいは合焦される点光源が必要とされる照明システムにおいて蛍光光源よりもうまく適合される。

ＬＥＤは、活性層がｐ型層とｎ型層の間に挟まれる３層構造と見なされ得る。孔および外側層からの電子が活性層中で再結合して、光が産出される。この光の一部は、層状構造の上側水平面を通じて抜け出る。残念ながら、外側層を構成する材料は、空気またはＬＥＤを保護するために使用されるプラスチック封入体と比べて比較的高い屈折率を有する。その結果、光のかなりの部分は、ＬＥＤの外側境界同士の間の内部反射に起因してＬＥＤ内に捕捉される。この光は、側面を通じてＬＥＤから出る。この光を捕捉するため、ＬＥＤがしばしば反射カップ内に実装され、反射カップの側壁は、ＬＥＤの側面からの光の向きを前方へと変える。また、カップは、しばしば、ＬＥＤダイを保護し、かつレンズを形成するように成形される表面を有するなどのさらなる光学的機能を与えることができる透明な封入体で満たされる。

残念ながら、パッケージは、比較的高い処理温度に耐えることができなければならない。ＡｕＳｎ共晶ダイの取り付けは、パッケージを摂氏３２０度の高さの温度に晒す可能性がある。また、高出力用途のために設計されるＬＥＤは、ＬＥＤがオンおよびオフされる際にパッケージのさらなる温度循環をもたらすかなりの量の熱が生成する。前述したように、カップは典型的に封入体で満たされる。封入体材料は、反射体を形成する材料とは異なる。その結果、封入体材料および反射体を形成する材料は、典型的に、異なる熱膨張係数を有する。また、反射体に対する封入体の接着性はしばしば理想よりも低い。その結果、封入体は、複数の熱膨張サイクルの後にカップから剥離する傾向がある。

本発明は、光源および光源を形成するための方法を含む。光源は、基板、ダイ、およびカップを含む。基板は、その上に複数の電気トレースを有し、ダイは、トレースのうちの２つに対して接続されるＬＥＤを含む。カップは、基板上に位置するとともに、封入体材料で満たされる。ダイは、カップ内に位置されるとともに、基板および封入体材料によって封入される。カップおよび封入体材料は、同じベース材料から作られるとともに、ほぼ同じ熱膨張係数を有する。カップは、ダイから出る光を反射するように位置される反射性の側壁を有する。カップおよび封入体は同じ材料から構成することができる。本発明の１つの態様では、基板も同じ封入材料から構成することができる。本発明の他の態様では、基板が本体内に封入されるリードフレームを含み、カップが本体内の凹部として設けられる。

本発明がその利点を与える方法は、本発明による光源の１つの実施形態の断面図である、図１に関してさらに容易に理解することができる。光源２０は、その上にＬＥＤが組み立てられるダイ２５を含む。パッケージは、成形体２３内に封入されるリード線２１および２２を有するリードフレームを含む。ダイ２５は、ＬＥＤに給電するための２つの接点を有する。接点のうちの一方はダイ２５の下面上にあり、他方の接点はダイ２５の上面にある。ダイ２５はリード線２１に対して電気的にかつ熱的に接続され、リード線２１は、下側の接点に対して接続するとともに、ダイ２５内で生成する熱の除去のための熱経路を設ける。ダイ２５の上面の接点は、ワイヤボンド２６を介してリード線２２に対して接続される。

パッケージは、２つの機能を果たす反射壁を有するカップ２４を含む。第１に、カップ２４は、ダイ２５の上面から出る光を含む円錐角範囲内で光が光源から出るように、ダイ２５の側面から出る光の方向を変える。カップを構成する材料は、カップ２４の壁に「白」を与え、従って、拡散反射を与えるＴｉＯ_２などの粒子を含むことができる。

第２に、カップ２４は透明媒体２７で満たされる「モールド」を設け、透明媒体２７は、リードフレームと共にダイ２５およびワイヤボンド２６を封入する。封入体は、ダイ２５およびワイヤボンド２６を水分および他の環境攻撃から保護する。また、封入体は、光がダイ２５から抽出される効率を向上させる。ダイ２５を構成する材料は、典型的に、非常に大きい屈折率を有する。その結果、この材料と空気の間の屈折率の違いにより、結果、ダイ２５で生成される光のかなりの割合が内部反射によって捕捉される。この捕捉された光の一部は、最終的に、多くの反射の後に、ダイの側壁を通じて逃げる。しかしながら、かなりの割合がダイ２５内に吸収される。空気の屈折率とダイ２５を構成する材料の屈折率の間の中間の屈折率を有する媒体を設けることにより、封入体は、内部反射によって捕捉される光の量を減少させる。封入体は、上面が湾曲されるように成形することができる。湾曲面は、ダイの屈折率および周囲空気の屈折率の違いに起因して光源内に捕捉される光の量をさらに減少させる。

最後に、封入体は、より望ましい出力スペクトルを有する光源を設けるため、ダイ２５によって発せられる光のスペクトルを変える波長変換材料の層を設けるために使用され得るキャリアを設ける。ＬＥＤは、比較的狭い波長帯域で光を発する。この狭帯域発光は、自動車の尾灯用の赤色光源などの単一色を有する光源が必要とされる用途において有用であるが、多くの対象用途では、広帯域光源が必要とされる。出力スペクトルを広げるための１つの方法は、ＬＥＤによって生成される光の一部を異なる色の光へ変換するリン光体を設けることである。このとき、光源は、リン光体発光スペクトルとＬＥＤ自体の発光スペクトルとの和である出力スペクトルを有する。例えば、「白色」ＬＥＤは、青色光を発するＬＥＤ上にわたって黄色光を発するリン光体の層を設けることによって構成することができる。青色光および黄色光の組み合わせは、人間の観察者により「白色」光であると知覚される。リン光体粒子は、材料が液体状態にある間、封入材料中に懸濁される。このスラリーは、その後、カップ２４中へと分配され、材料からの粒子の沈殿を防止できる十分短い時間で硬化される。

図１に示される形態の従来技術の光源は、カップ２４を形成する材料とは異なるベース封入材料を利用する。好ましい封入体はエポキシまたはシリコンである。カップは、典型的に、金属または何らかの他のプラスチックから形成され、これらの材料から光源の本体が成形される。例えば、カップは液晶高分子から作られてよく、一方、ＬＥＤを覆う第１の封入体層はリン光体で満たされたエポキシを備え、第２の封入体層は第１の層の上に位置される透明エポキシを備える。異なる材料は、化学的組成の大きな違いに起因して、異なる熱膨張係数、および異なる度合いの粘着性を有する。従って、光源が加熱および冷却に晒されるときに、カップ壁上の２つの材料の界面で応力が生じる。そのような熱サイクルは、光源を含むさらに大きい製品における基板に対して完成された光源をその後に結合することによってもたらされ得る。例えば、赤外線リフローはんだ付けは、短い時間にわたって光源を高温に晒す可能性がある。また、空間照明用途と一致する電力レベルを与えるためにＬＥＤ光源の電力の出力が増大されると、ダイで生成される熱により、光源は、該光源がオンおよびオフされる度に熱循環される十分高い温度に達する可能性がある。そのような熱的に誘導される応力の結果として、封入体は、カップ２４の壁から分離する可能性があるとともに、光源を破損させる力に対してダイ２５およびワイヤボンド２６を晒す可能性がある。また、そのような分離は、水分がダイ２５に到達することができるようにする開口をもたらし得る。

本発明は、カップ２４とほぼ同じ熱膨張係数を有する封入体を利用することにより、熱循環によって引き起こされる問題を克服する。また、層間剥離問題は、カップと同じベース材料から構成される封入体層によってかなり減少される。ここで、２つの材料は、該材料が類似する一群の複合物または高分子に属し、かつ類似する化学組成および熱膨張係数を有する場合に同じベース材料を有すると言われる。拡散粒子、充填材、安定剤、およびリン光体など、少量の添加物がベース材料組成に対して加えられてもよい。例えば、１つの実施形態において、成形エポキシから構成されるカップは、エポキシ封入体で満たされる。同様に、他の実施形態において、シリコン材料から構成されるカップは、シリコン封入体で満たされる。リン光体粒子などで補強される封入体の場合、封入体層の熱膨張係数は、カップの熱膨張係数と正確に一致しなくてもよい。同様に、カップ材料は、カップを反射性にするために粒子または他の材料を含むことができ、従って、カップは、封入体層に対して幾分異なる熱膨張係数を有していてもよい。しかしながら、熱膨張係数の違いは、２つの成分に関して異なるベース材料が利用されるときに直面される熱膨張係数よりもかなり小さく、従って、本発明はかなりの改良を与える。

前述した実施形態はリードフレームシステムを利用する。しかしながら、他の形式のパッケージに基づく実施形態を利用することもできる。ここで、図２および図３を参照されたい。図２はマルチＬＥＤパッケージの断面図であり、図３はそのマルチＬＥＤパッケージの平面図である。パッケージ４０は、基板４４に対して取り付けられる４１〜４３で示される３つのＬＥＤを含む。基板４４は、ＬＥＤと回路を駆動させる外部回路の間の接続を設けるパッド５１で終端する複数の導電トレースを有する絶縁基板である。そのようなパッドおよびトレースの数は、特定の回路形態、ＬＥＤの数、および他の設計基準によって決まる。ＬＥＤは、ワイヤボンド４７および／またはＬＥＤダイの下面上の導電パッドによって、導電トレースに接続される。ＬＥＤは、Ａｌなどの高反射性材料で典型的にコーティングされる内面を有する層４６内に形成されるカップ４８〜５０などの反射カップ内に位置され、あるいは層４６は、壁を白色にし、従って、艶消し仕上げを伴う反射体を設ける白色粒子を含むことができる。

前述したように、カップの内部は、典型的に、ＬＥＤおよび任意のワイヤボンドを保護する封入材料で満たされる。層４６は、封入体と同じベース材料から構成される。例えば、層４６はシリコンのシートから構成することができ、該シートには、反射壁を設けるために孔が成形されている。その後、カップはダイが取り付けられた後にシリコンで満たされる。他の実施形態では、層４６がエポキシから構成され、カップは所定位置で硬化されるエポキシで満たされる。

多くの用途において、好ましいベース材料は柔軟なシリコンである。この場合では、カップ層および封入体がほぼ同じ熱膨張係数を有するため、下側に位置するキャリアおよびシリコン成分の熱膨張係数間の違いのみに調整すればよい。層４６および封入体材料は柔軟であるため、熱膨張係数のこれらの違いは、層４６および封入体層の僅かな変形によって調整することができる。

反射体層は、別個の成分としてキャリアに対して付設することができ、あるいはキャリア上の所定位置に成形することができる。ここで、反射層の取り付け前の本発明の１つの実施形態による光源の一部の断面図である図４を参照されたい。光源６０は、別個に成形された後に回路キャリア６２に対して取り付けられる反射層６１から構成される。反射層６１は、シリコンなどの柔軟な複合物から成形され、反射壁６６を有する孔６５などの孔を含む。ＬＥＤダイ６３は、回路キャリア６２に対して取り付けることができるとともに、反射体層６１の取り付け前に回路キャリア６２に対して電気的に接続できる。図３に示される例では、ＬＥＤは、ダイ６３の下側にある１つのトレースと、ワイヤボンド６４などのワイヤボンドによってそのダイに接続される１つのトレースとに対して接続される。本実施形態において、反射体層は、シリコン系セメントによって回路キャリアに対して結合させることができる。反射体層が回路キャリア６２に対して結合された後、反射カップを適切な封入体で満たすことができる。

他の実施形態において、反射体層は、回路キャリアに対するダイの取り付け前に回路キャリアに対して接続される。反射カップは、反射カップを通じて回路キャリアにアクセスすることにより、ダイを取り付けてワイヤボンディングできるようにする十分な空間を有する。ダイが接続された後、前述したように反射カップが対応する封入体で満たされる。

あるいは、反射体層をキャリア上の所定位置に成形することができる。ここで、本発明の他の実施形態による光源の一部の断面図である図５を参照されたい。光源７０は、前述した光源６０に類似している。しかしながら、光源７０は回路キャリア６２上に成形される反射体層７１を含む。層は、ＬＥＤが回路キャリア６２に対して取り付けられて接続される前または後に成形することができる。

本発明による光源は、図２および図３を参照して説明した光源などのマルチＬＥＤ光源の構成に類似する方法で構成することができる。光源のシートが組み立てられた後、所定数のＬＥＤを含む個々の光源は、光源間でシートをカットすることにより、その後、シートから分離される。

本発明の前述した実施形態は、反射壁を有する反射体を利用する。本説明の目的のため、反射体壁は、その壁が該壁にぶつかる任意の発光変換材料および前記ＬＥＤで生成される光の８０パーセントを超えて反射する場合に反射性を有するとして規定される。

前述した実施形態は、柔軟な材料から作られる反射体を利用する。本説明の目的のため、反射体になるキャビティを有する材料の層は、封入体を曲げることなく、あるいは封入体および反射体を互いに分離させることなく、下側の回路キャリアと反射体の間および封入体層と反射体の間の熱膨張係数の違いを調整するために十分に材料が曲がる場合に柔軟性があるとして規定される。

本発明に対する様々な変形は、前述した説明および添付図面から当業者に明らかとなる。従って、本発明は、請求項の範囲によってのみ限定されるべきである。

本発明による光源の１つの実施形態の断面図である。 マルチＬＥＤパッケージの断面図である。 図２に示されるマルチＬＥＤパッケージの平面図である。 反射層の取り付け前の本発明の１つの実施形態による光源の一部の断面図である。 本発明の他の実施形態による光源の一部の断面図である。

Claims (17)

1. その上に複数の電気トレースを有する基板と、
   ＬＥＤを備え、前記ＬＥＤが前記トレースのうちの２つに対して接続されるダイと、
   前記基板上に位置し、封入体材料で満たされるカップであって、前記ダイが前記カップ内に位置されると共に前記基板および前記封入体材料によって封入される、カップと
   を備え、
   前記カップおよび封入体材料がベース材料を備え、前記ベース材料が前記カップおよび前記封入体材料の両方において同じである、
   光源。
2. 前記カップは、前記ダイから出る光を反射するように位置される反射性の側壁を備える、請求項１に記載の光源。
3. 前記基板が本体内に封入されるリードフレームを備える、請求項１に記載の光源。
4. 前記カップが前記本体内に凹部を備える、請求項３に記載の光源。
5. 前記本体が前記封入体材料とほぼ同じ熱膨張係数を有する、請求項３に記載の光源。
6. 前記封入体材料がエポキシを含む、請求項１に記載の光源。
7. 前記封入体材料がシリコンを含む、請求項１に記載の光源。
8. 前記基板が柔軟な材料を含む、請求項１に記載の光源。
9. 前記基板は、前記ベース材料を有する層を備える、請求項１に記載の光源。
10. 光源を形成するための方法であって、
    その上に複数の電気トレースを有する基板を設けるステップと、
    ＬＥＤを備えるダイを前記基板に対して取り付け、前記ＬＥＤが前記トレースのうちの２つに対して接続される、ステップと、
    前記基板上に位置するカップを設けるステップと、
    前記カップを封入体材料で満たし、前記ダイが前記カップ内に位置されると共に前記基板および前記封入体材料によって封入されるステップであって、前記カップおよび封入体材料がベース材料を備え、前記ベース材料が前記封入体材料および前記カップの両方において同じである、ステップと
    を含む方法。
11. 前記カップは、前記ダイから出る光を反射するように位置される反射性の側壁を備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記カップは、前記基板に対して取り付けられる材料の層の中に孔を備える、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ダイは、前記材料の層が前記基板に対して取り付けられた後に前記基板に対して取り付けられる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記封入体材料がエポキシを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記封入体材料がシリコンを含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記基板が柔軟な材料を含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記基板は、封入体として前記ベース材料の層を備える、請求項１に記載の方法。

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