JP2009513003A - 透光性のヒートシンクを有するｌｅｄ - Google Patents
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Abstract
より高効率またはより高輝度のＬＥＤアセンブリは、第１の表面と第２の表面とを有する高出力ＬＥＤチップによって構成され、このＬＥＤチップの第１の表面は基板に取り付けられ、第２の表面は透光性のヒートシンクと密に熱コンタクトされており、該透光性のヒートシンクは３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する。そうでない場合はＬＥＤは、ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの電気的接続部と第２の電気的接続部とに電気的にコンタクトされている。透光性ヒートシンクを設けることにより、ＬＥＤダイからの熱伝導を２倍にし、寿命を増大するか、または効率を増大するか、または輝度を増大するか、またはこれら３つの均衡状態を上昇することができる。
Description
関連出願に対する相互参照
本出願人はこれをもって、２００５年１０月７日に発明の名称「透光性のヒートシンクを有するＬＥＤ」で提出された第６０／７２５１０７号の仮出願の権利を請求する。
本出願人はこれをもって、２００５年１０月７日に発明の名称「透光性のヒートシンクを有するＬＥＤ」で提出された第６０／７２５１０７号の仮出願の権利を請求する。
発明の背景
技術分野
本発明はＬＥＤ固体光源に関し、とりわけＬＥＤに関する。より詳細には本発明は、透光性のヒートシンクを有するＬＥＤに関する。
技術分野
本発明はＬＥＤ固体光源に関し、とりわけＬＥＤに関する。より詳細には本発明は、透光性のヒートシンクを有するＬＥＤに関する。
37 CFR 1.97 および 1.98 に基づいて開示された情報を含む関連分野の説明
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流が該デバイスに印加された場合に光を生成する。しかし、デバイスに入力された電力のすべてが光に変換されるわけではない。エネルギーの大部分は熱として発生される。半導体材料が加熱されると、大抵の電子デバイスと同様にＬＥＤ性能は劣化される。このことは光出力（光束）の低減と、色シフトと、デバイス寿命の低減との原因となる。したがって動作中に、パッケージからの光出力を有意に低減することなく、ＬＥＤチップからの熱を効率的に除去する必要がある。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流が該デバイスに印加された場合に光を生成する。しかし、デバイスに入力された電力のすべてが光に変換されるわけではない。エネルギーの大部分は熱として発生される。半導体材料が加熱されると、大抵の電子デバイスと同様にＬＥＤ性能は劣化される。このことは光出力（光束）の低減と、色シフトと、デバイス寿命の低減との原因となる。したがって動作中に、パッケージからの光出力を有意に低減することなく、ＬＥＤチップからの熱を効率的に除去する必要がある。
発光しない大抵の通常の電子回路パッケージでは、アクティブな半導体チップは、たとえば銅等の高い熱伝導度を有する材料から成る２つの導電プレート間に配置される。これらのプレートは熱拡散器として使用され、チップの頂部表面および底部表面からの熱を効率的に除去する。半導体チップによって生成された熱エネルギーはさらに、電気的プレートに取り付けられたヒートシンクによって散逸され、チップとシステムとから輸送される。パワーエレクトロニクス用の半導体チップとは異なり、ＬＥＤは光を生成し、この光をパッケージから抽出しなければならない。銅または別の金属のヒートシンク等の不透明な材料は、ＬＥＤの発光面をブロックする。したがって、ＬＥＤパッケージは典型的には、チップの１つの面からしか熱を抽出することができないので、熱散逸のために有効な表面積の半分が消失してしまう。
本発明は、熱伝導性の透光性材料を使用することにより、放出光をブロックすることなく、ＬＥＤのすべての面で熱散逸を可能にする。熱伝導性レンズの利点には、以下の点が含まれる：
（１）ＬＥＤの動作温度が低減され、ＬＥＤの効率が上昇し、波長シフトが小さいことによって色が安定化し、寿命が長くなること。
（２）熱散逸が増加することによってＬＥＤをより高い電流かつより高い入力電力で駆動でき、ＬＥＤダイを過熱することなくより多くの光束が得られること。
（３）ＬＥＤダイの非常に近くにさらに多くの熱生成デバイスを追加できること。このＬＥＤダイには、他のＬＥＤダイと、たとえば抵抗器、コンデンサおよびトランス等の組み込み電子部品とが含まれる。
（１）ＬＥＤの動作温度が低減され、ＬＥＤの効率が上昇し、波長シフトが小さいことによって色が安定化し、寿命が長くなること。
（２）熱散逸が増加することによってＬＥＤをより高い電流かつより高い入力電力で駆動でき、ＬＥＤダイを過熱することなくより多くの光束が得られること。
（３）ＬＥＤダイの非常に近くにさらに多くの熱生成デバイスを追加できること。このＬＥＤダイには、他のＬＥＤダイと、たとえば抵抗器、コンデンサおよびトランス等の組み込み電子部品とが含まれる。
熱伝導性レンズを使用することは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、紫外光（ＵＶ）発光ＬＥＤおよび赤外光（ＩＲ）発光ＬＥＤに当てはまる。本発明はさらに、レーザダイオードにも使用することができ、また、動作のために安定的な温度を必要とする別の光生成デバイスにも使用することができる。
発明の概要
放熱が改善されたＬＥＤアセンブリは、第１の表面と第２の表面とを有する高出力ＬＥＤチップによって構成される。このＬＥＤチップの第１の表面は基板に取り付けられ、第２の表面は透光性のヒートシンクと密に熱コンタクトされており、該透光性のヒートシンクは３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する。そうでない場合はＬＥＤは、ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの電気的接続部と第２の電気的接続部とに電気的にコンタクトされている。
放熱が改善されたＬＥＤアセンブリは、第１の表面と第２の表面とを有する高出力ＬＥＤチップによって構成される。このＬＥＤチップの第１の表面は基板に取り付けられ、第２の表面は透光性のヒートシンクと密に熱コンタクトされており、該透光性のヒートシンクは３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する。そうでない場合はＬＥＤは、ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの電気的接続部と第２の電気的接続部とに電気的にコンタクトされている。
図面の簡単な説明
図１ 透光性のヒートシンクを有するＬＥＤアセンブリの概略的な断面図である。
図２ 透光性のヒートシンクを有する択一的なＬＥＤアセンブリの概略的な断面図である。
図３ 択一的な透光性のヒートシンクの概略的な断面図である。
図４ 透光性のヒートシンクを有する択一的なＬＥＤアセンブリの概略的な断面図である。
図５ 成形された屈折性レンズを有する透光性のヒートシンクの概略的な断面図である。
図６ たとえばテーパ付きプリズム等である成形された導光体を有する透光性のヒートシンクの概略的な断面図である。
図７ 屈折性レンズの特徴のグリッドを有する透光性のヒートシンクの概略図である。
図８ 導光体の特徴のグリッドを有する透光性のヒートシンクの概略図である。
図９ 基板と結合するために拡張された壁を有する透光性のヒートシンクの概略図である。
図１ 透光性のヒートシンクを有するＬＥＤアセンブリの概略的な断面図である。
図２ 透光性のヒートシンクを有する択一的なＬＥＤアセンブリの概略的な断面図である。
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図７ 屈折性レンズの特徴のグリッドを有する透光性のヒートシンクの概略図である。
図８ 導光体の特徴のグリッドを有する透光性のヒートシンクの概略図である。
図９ 基板と結合するために拡張された壁を有する透光性のヒートシンクの概略図である。
発明の詳細な説明
図１は、透光性のヒートシンク１２を有するＬＥＤアセンブリ１０の概略的な断面図である。ＬＥＤアセンブリ１０は高出力ＬＥＤチップ１４を有し、これは第１の表面１６と第２の表面１８とを有する。第１の表面１６は基板２０に取り付けられている。第２の表面１８は、透光性のヒートシンク１２と密に熱コンタクトされている。透光性のヒートシンク１２は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する。そうでない場合はＬＥＤチップ１４は、ＬＥＤチップ１４にエネルギー供給するための少なくとも１つの電気的接続部２２と第２の電気的接続部２４とに電気的にコンタクトされている。
図１は、透光性のヒートシンク１２を有するＬＥＤアセンブリ１０の概略的な断面図である。ＬＥＤアセンブリ１０は高出力ＬＥＤチップ１４を有し、これは第１の表面１６と第２の表面１８とを有する。第１の表面１６は基板２０に取り付けられている。第２の表面１８は、透光性のヒートシンク１２と密に熱コンタクトされている。透光性のヒートシンク１２は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する。そうでない場合はＬＥＤチップ１４は、ＬＥＤチップ１４にエネルギー供給するための少なくとも１つの電気的接続部２２と第２の電気的接続部２４とに電気的にコンタクトされている。
ＬＥＤチップ１４は任意の高出力ＬＥＤチップ１４とすることができる。ここで使用されているような高出力ＬＥＤチップ１４とは、１Ｗ／ｍｍ２以上の出力密度を有するＬＥＤチップを意味する。ここで使用されているような「ＬＥＤチップ」という概念は、このような出力密度の要件を満たすように単一のダイから形成することができ、また、密接にグループ化された複数のダイから形成することもできることを理解されたい。したがって、ここで使用されている単数形の「ＬＥＤチップ」は、全体でアレイ面積の１ｍｍ２あたり１Ｗ以上を提供するように集中された個別のＬＥＤチップのアレイを含むことを意味する。また「ＬＥＤチップ」という用語は、コーティングされていないダイと、蛍光体コーティングされたダイと双方を含むことを意味することも理解されたい。この蛍光体コーティングは、ＬＥＤダイとの電気的結合に干渉しない。ダイと透光性のヒートシンクとの間に挟まれた蛍光体によるチップレベルの光変換は、放熱プロセスが発生した場合に完全に行われる。有利なＬＥＤチップ１４は、薄膜表面放出源である。たとえば、青色光または緑色光のための窒化ガリウム薄膜表面放出源、または白色光を得るために適切な蛍光体と組み合わされた窒化ガリウム薄膜表面放出源が有利である。赤外光には砒化ガリウムが有利であり、赤色光および黄色光にはリン化ガリウムが有利である。ＬＥＤチップ１４から放出される光は、赤外光、可視光または紫外光とすることができる。
ＬＥＤチップ１４は、基板２０に取り付けられた第１の表面１６を有する。基板２０は、通常使用される基板のうち任意の基板とすることができ、これには、プリント回路基板、金属コア回路ボード、セラミック基板、銅基板またはアルミニウム基板等が含まれるが、これらに限定されない。ＬＥＤチップ１４は、適切な結合材料によって基板２０に取り付けることができる（図示されていない）。ＬＥＤチップを基板に取り付けるためには、はんだおよび高温接着剤およびエポキシが知られている。
基板２０はまた、ＬＥＤチップ１４に電力を供給するための１つまたは複数の電気的コンタクト（２２，２４）も支持する。場合によっては、１つまたは複数の電気的トレースから電力を受け取るために、基板２０に１つまたは複数の電気的トレースを形成してＬＥＤチップ１４を取り付けることも普通である。支持基板は通常は、ＬＥＤチップ１４を駆動するために電力を供給し、場合によっては制御するために、たとえば導電トレース線路、取り付けパッド、別の電気回路構成要素等の電気的接続部を含む。図１は、第１の表面１６を介して基板２０上の２つのトレース線路（２２，２４）を使用して電力を受け取るために基板２０に取り付けられたフリップチップとして知られているものを示す。ここでは、第２の表面１８から光が放出される。
基板２０はさらに、エッジまたは裏面に沿ってヒートシンクにも結合されるか、または支持フレーム２６に結合される。このようなヒートシンクは通常は、たとえばフィン、ピン、ヒートパイプ、および同様の送熱構造および熱散逸構造等の熱散逸構成要素を有する金属ボディである。択一的に、セラミックフレーム２７を使用することができる。
ＬＥＤチップ１４の第２の表面１８は、透光性ヒートシンク１２と密に熱コンタクトされるように位置決めされる。ここで使用されている透光性とは、高い透光度を有することを意味し、材料全体の理論的な透光度の８０％以上の透光度を意味する。透光性とは透明も含むことを理解されたい。ここでは透明とは、理論的なインライン透光度の５０％以上のインライン透光度を意味する。透光性とは半透明性も含み、ここでは半透明性とは、理論的なインライン透光度の３％以上のインライン透光度＋材料全体の理論的な透光度の８０％以上の全透光度を意味する。したがって透光性のヒートシンク１２は、照明すべきフィールドに対してＬＥＤチップ１４によって放出された光を透過するウィンドウとして作用する。透光性ヒートシンク１２は高透過性であり、有利には光透明性であることが重要である。また、透光性ヒートシンク１２は高い熱伝導度を有することも重要である。ここで使用されている高い熱伝導度とは、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を意味する。ガラスまたはプラスチックロウ（low）から成るウィンドウ等であるウィンドウは、１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導度を有するので、熱絶縁体として効率的に作用する。３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有するということは、ウィンドウがＬＥＤチップに対して相対的に有効な放熱部として作用できることを意味する。
効率的であるためには透光性ヒートシンク１２は、たとえば（場合によってはダイまたは蛍光体コーティングを介して）ＬＥＤチップ１４と直接コンタクトするか、または薄い結合層を使用することにより、ＬＥＤチップ１４に密にコンタクトしなければならない。直接的なコンタクトが行われる場合には、ＬＥＤチップ１４の５０％以上が透光性ヒートシンク１２にコンタクトするのが有利である。択一的に、図１のように透光性ヒートシンク１２によって電気的コンタクトが必要でない場合、（１５μｍを下回る厚さの）薄い結合層（図示されていない）を使用することができ、たとえば、当分野で使用されているようなクリアなシリコーンベースの樹脂を使用することができる。透光性ヒートシンク材料から成る粉末が含浸されたエポキシ、またはインジウム‐錫酸化物の粉末が含浸されたエポキシを使用することができる。
３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導度を有する有利な透光性セラミックは複数存在する。これらには窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（２００Ｗ／ｍＫ）、サファイア（３５Ｗ／ｍＫ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）（３０Ｗ／ｍＫ）、サブミクロンアルミナ（３０Ｗ／ｍＫ）、またはナノ粒子アルミナ（３０Ｗ／ｍＫ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（５９Ｗ／ｍＫ）が含まれる。窒化アルミニウムには、通常粒子のＡｌＮ（１５〜３０μｍ粒子）、サブミクロン粒子ＡｌＮまたはナノ粒子ＡｌＮが含まれる。前記材料はそれぞれ、利点と欠点とを有する。前記の透光性ヒートシンク材料のうち幾つかは、３〜５ミクロンの赤外線領域でも高い透過性を有し、このことは、３００Ｋ〜４００Ｋの通常のＬＥＤチップ温度動作領域の近似的なピーク放射点となって現れる。比較的良好なＩＲ透過体には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が含まれる。スピネル、ＡｌＯＮ、ＹＡＧおよびイットリアも、３〜５ミクロン領域で透明である。スピネル、ＡｌＯＮ、ＹＡＧおよびイットリア等の別のセラミックスは可視領域で透明であるが、低い熱伝導度（＜３０Ｗ／ｍＫ）を有するので、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）ほどは望ましくない。また、ＹＡＧ等の幾つかの材料は、３〜５ミクロンのＩＲ領域ではあまり透過性でない（８０％以下）。透光性ヒートシンクは、接合部から熱を放射することによって付加的な冷却メカニズムを追加する。このような接合部は、プラスチックまたはガラスのレンズまたはウィンドウの場合には存在しない。したがって有利な透光性ヒートシンク材料は、強化されたＩＲ放射を可能にすることによって自己加熱をさらに低減することに優れており、とりわけ、３〜５ミクロンのＩＲ領域で８０％を上回る透過度を有する。別の材料は、関連するダイが有する屈折率より低い屈折率を有することにより、ＬＥＤダイからの光抽出を強化する。本出願人は、熱伝導性と、多くのＬＥＤチップの熱膨張係数と良好に整合する熱膨張係数との理由から、窒化アルミニウムを推奨する。ナノ粒子またはサブミクロン粒子のアルミナは、熱伝導性と透明性との理由から有利である。異なる形態のアルミナは、製造コストの理由から有利である。酸化マグネシウムは、透光性と低屈折率との理由から有利である。
透光性ヒートシンク１２はプレーナ形のウィンドウとすることができ、有利には、ＬＥＤチップの第２の表面１８の面積より格段に大きい面積を有する。格段に大きいとは、面積が４倍以上大きいことを意味する。直線寸法が２倍のヒートシンクから、良好なヒートシンクとして作用し、熱を４倍の面積にわたって拡散し始める。したがって、透光性ヒートシンクの周縁部は熱散逸器として作用する。付加的な能動的または受動的な熱散逸構成要素を透光性ヒートシンク１２の縁部に沿って追加することができ、たとえば金属フレーム２６や、セラミック材料の表面積を拡張または拡大する熱散逸構成要素（壁、フィンおよび孔等）を追加することができる。有利なフレーム２６は、基板２０へ熱伝導が行われるように、基板２０の周辺に接合される。フレーム２６は、密な機械的コンタクト、または、接着剤、シリコーン、ろう付け、フリット、または、薄層として良好にボンディングして熱を伝導する別の適切な結合材料（図示されていない）によって、透光性ヒートシンク１２に密に結合される。
有利な透光性ヒートシンク１２は、半径方向のフランジ２８としてＬＥＤチップ１４の縁部を実質的に越えて延在することができる。このようにして、周辺のフランジ領域はすべてヒートシンク１２として作用する。透光性ヒートシンク１２の相対的な厚さとフランジ領域の大きさとは、熱マネージメントソフトウェアを使用して、ＬＥＤチップ１４からの熱束と任意の結合充填材料の熱伝導度と透光性ヒートシンク１２の大きさおよび形状と該透光性ヒートシンク１２の材料の熱伝導度とが与えられることによって最大化することができる。一般的には、ＬＥＤチップ１４に対して透光性ヒートシンク１２の相対的な面積が大きくなるほど、放熱作用は大きくなる。透光性ヒートシンク１２の体積が大きくなるほど、熱拡散作用は大きくなる。透光性ヒートシンク１２の材料の熱伝導度が大きくなるほど、熱拡散作用は大きくなる。透光性ヒートシンク１２とＬＥＤ１４と基板２０と支持フレーム２６（２７）（いずれかの場合には）との間のどの開放的な容量も、適切な熱伝導性かつ透光性の充填材を充填することができ、たとえばシリコーン樹脂２９を充填することができる。
図２に、透光性ヒートシンク３２を有する択一的なＬＥＤアセンブリ３０の概略的な断面図が示されている。透光性ヒートシンク３２はＬＥＤチップの電気的コンタクトのうち1つを提供するように形成することができる。第１の電気的コンタクト３４は、ここでも基板３６を介して供給することができる。第２の電気的コンタクト３８は、透光性ヒートシンク３２を介して供給される。第２の電気的コンタクト３８は、透光性ヒートシンク３２の表面上に形成された埋め込まれた電気的コンタクトとして形成することもできる。これは、細いワイヤか、堆積された金属表面層か、または、ＬＥＤチップ４２の第２の表面４０と電気的コンタクトを形成するために透光性ヒートシンク３２の表面または内部に形成された金属表面注入物とすることができる。金属は一般的に透光性ではないので、金属コンタクトの領域を最低限にして、ＬＥＤチップ４２から透光性ヒートシンク３２を通る光透過を最大限にしなければならない。
図３に、択一的な透光性ヒートシンク５０の概略的な断面図が示されている。別の変形形態では、透光性ヒートシンク５０は２層で形成することができる。第１層は３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導度を有する透光性のセラミック５２であり、透光性ヒートシンク５０の大部分を含む。第２層５４は、ＬＥＤチップと透光性セラミック５２との間を結合する。結合する第２層５４は、ＬＥＤチップから透光性セラミック５２までの熱伝導に抵抗しないように格段に薄くされている。この結合第２層５４は、たとえばインジウム‐錫酸化物等である透光性の電気的導体から成るか、または、透光性であると同時になお導電性であるように十分に薄くされた金属堆積物から成る。ＬＥＤチップと導電層とを電気的に接続することにより、典型的なワイヤボンディング接続を排除し、透光性ヒートシンクがＬＥＤチップと直接接して熱伝導性がより良好になるようにすることができる。
図４は、透光性ヒートシンク６２を有する択一的なＬＥＤアセンブリ６０の概略的な断面図が示されている。同様にして、透光性ヒートシンクを、電気的コンタクト（トレース、埋め込み電極または埋め込み導電層）の１つを提供するように形成し、基板を、別の電気的コンタクトを提供する第２の透光性ヒートシンク６４に置換することができる。このようにしてＬＥＤチップ６６は、第１の電気的コンタクト６８を支持する第１の透光性ヒートシンク６２（「ウィンドウ」）と第２の電気的コンタクト７０を支持する第２の透光性ヒートシンク６４（「基板」）との間に挟まれる。それゆえＬＥＤチップ６６は、放熱レンズ６２と放熱基板６４とによって２重に冷却され、かつ光を双方に透過する。第１の透光性ヒートシンク６２と第２の透光性ヒートシンク６４との間の残りの中間の容量には支持リング７２を充填するか、または、ＬＥＤアセンブリで使用される公知のシリコーン充填材のうち１つのシリコーン充填材等である充填材料を充填することができる。択一的に、透光性ヒートシンクのうち一方または双方を、他方の透光性ヒートシンクに接触するようにこの中間のスペースに架けられるように形成することができる。このようなブリッジは、閉鎖性も放熱も双方を満たす。透光性ヒートシンク６２、基板６４またはブリッジ結合フレームは、表面からの熱散逸を増大するためのフィン、フィンガ、孔、および別の同様の構成要素等の熱散逸構成要素６９によって形成することができる。
ＬＥＤチップとは反対側である透光性ヒートシンクの外表面は、透光性ヒートシンクを透過した光を集束、拡散、屈折または導光するための光学的構成要素によって形成することができる。図５に、屈折性レンズ８２が形成された透光性ヒートシンク８０の概略的な断面図が示されている。図６に、たとえばテーパ付きプリズム等の導光体８６が形成された透光性ヒートシンク８４の概略的な断面図が示されている。
透光性ヒートシンクアセンブリを有する単独のＬＥＤを説明したが、１つの透光性ヒートシンクによって閉じ込められた複数のＬＥＤチップのアレイを支持する１つの基板を使用して、このようなアセンブリのアレイを形成することができる。この１つのカバーは、レンズのグリッドまたは導光体のグリッドを含むことができる。図７に、屈折性レンズ構成要素９２のグリッドを有する透光性ヒートシンク９０から部分的に切り取られた概略的な断面図が示されている。これらの屈折性レンズ構成要素９２は、相応のＬＥＤ９１のグリッドから供給を受ける。透光性ヒートシンク９０はまた、基板９５と熱結合するために周辺に延在するブリッジ結合壁９３も有する。これは、透光性ヒートシンク９０から基板９５へ熱を引き渡すためのものである。図８に、相応のＬＥＤのグリッド１０１に供給を受ける導光構成要素９６のグリッドを有する透光性ヒートシンク９４から部分的に切り取られた概略的な断面図が示されている。基板９７は、透光性ヒートシンク９４に熱結合するために基板９７の周辺に延在するブリッジ結合壁９９も有する。これは、透光性ヒートシンク９４から基板９７へ熱を引き渡すためのものである。
透光性ヒートシンクをＬＥＤチップから延ばすことの１つの利点は、ヒートシンクを気密封止できることである。たとえば、金属フレーム等である気密フレームが透光性ヒートシンクと基板との間を封止してブリッジ結合し、包囲されたＬＥＤチップを気密封止することができる。当分野で公知であるような封止された金属ビアを使用して、電気的接続のために気密外側シェルを通って内側に電気的に接続を行うことができる。図９に、基板１０６と結合するために延長された壁１０４を有する透光性ヒートシンク１０２を備えたＬＥＤアセンブリ１００の概略的な断面図が示されている。ＬＥＤチップ１０８は（絶縁された）金属基板１０６上に取り付けられている。支持フレーム１０４がＬＥＤチップ１０８を包囲し、かつ基板１０６と良好に熱コンタクトされている。支持フレーム１０４は基板１０６と一緒に成形するか（co-form）、または透光性ヒートシンク１０２の一部として形成するか、または、ＬＥＤチップ１０８を包囲する内部空間を定義する包囲リングまたは同様のボディ等である別個に取り付けられる部品とすることができる。透光性ヒートシンク１０２は、ＬＥＤチップ１０８から熱入力を行うためにＬＥＤチップ１０８の頂部表面にコンタクトし、ＬＥＤチップ１０８から熱を伝導するために支持フレーム１０４にブリッジ結合されている。透光性ヒートシンク１０２と基板１０６とをフレーム１０４の接合壁に沿って、はんだ付け、ロウ付け、エポキシ樹脂接着、樹脂封止するか、または同様に気密封止することができる。透光性ヒートシンクの材料の利点は、通常使用されるガラスおよびプラスチックカバー材料よりも、ＬＥＤチップ、基板またはブリッジ結合材料の熱膨張係数に比較的近く整合することができるので、気密封止部にかかる応力を低減できることである。とりわけ、ＬＥＤチップからの光供給は、ヒートシンクを介して（たとえばレンズ９２または導光体９６を介して）直接供給でき、封止問題、別のシステムに伴う気密性問題を回避することができる。気密構造が必要でない場合、支持フレーム１０４を透光性ヒートシンク１０２と基板１０６との間の効率的な熱的ブリッジとして使用することもできる。
ＬＥＤチップと透光性ヒートシンクとに対して離れて光変換蛍光体を使用することもできる。たとえば光変換蛍光体を、透光性ヒートシンク、屈折性レンズ構成要素または導光性構成要素の外表面に適用することができる。
ＬＥＤチップからの熱を透光性ヒートシンクにわたって拡散することにより、面積に依存して、ＬＥＤに及ぼされる使用可能な放熱作用を迅速に倍化することができる。標準的な電圧で動作する場合、ＬＥＤチップは８〜２３％高い光生成効率で動作することができる。このことは、小さいランプバッテリー寿命に格段の影響を及ぼすか、または、大型の（壁サイズ）アレイの全電気消費量に格段の影響を及ぼす。択一的に、ＬＥＤチップを２倍の電流で、かつ等しいチップ（ダイ）温度を効率的に維持しながら動作させることができる。効率（ｌｍ／Ｗ）は上昇しないが、放出されるルーメンの総量は近似的に２倍になる。このことは、光源の輝度が重要である指向性のビーム光学系、たとえば内視鏡、ヘッドランプ、または同様の光ビームシステムにおいて、有意な結果となる。
現時点で本発明の有利な実施形態と見なされる構成を図示および説明したが、当業者であれば、添付された請求の範囲によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正を行うことが可能であることを理解できる。
Claims (50)
- ＬＥＤアセンブリにおいて、
第１の表面と第２の表面とを有する高出力のＬＥＤチップを備えており、
該第１の表面は基板に取り付けられており、
該第２の表面は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクと密に熱コンタクトされており、
該ＬＥＤチップは、該ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの第１の電気的接続部および第２の電気的接続部に電気的コンタクトされていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。 - ＬＥＤアセンブリにおいて、
第１の表面と第２の表面とを有する高出力のＬＥＤチップを備えており、
該第１の表面は基板に取り付けられており、
該第２の表面は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクと密に熱コンタクトされており、
該ＬＥＤチップの第２の表面から該透光性ヒートシンクまでの全熱束は、該透光性ヒートシンクが存在しない場合の該ＬＥＤチップの第２の表面から空気中への全熱束の４倍を上回り、
該ＬＥＤチップは、該ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの第１の電気的接続部および第２の電気的接続部に電気的コンタクトされていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。 - ＬＥＤアセンブリにおいて、
第１の表面と第２の表面とを有する高出力のＬＥＤチップを備えており、
該第１の表面は基板に取り付けられており、
該第２の表面は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクと密に熱コンタクトされており、
該ＬＥＤチップの第２の表面から該透光性ヒートシンクまでの全熱束は、該透光性ヒートシンクが存在しない場合の該ＬＥＤチップの第２の表面から空気中への全熱束の４倍を上回り、
該ＬＥＤチップは、該ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの第１の電気的接続部および第２の電気的接続部に電気的コンタクトされていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。 - ＬＥＤアセンブリにおいて、
１．０Ｗ／ｍｍ２以上の出力密度を有し、かつ第１の表面および第２の表面を有する高出力のＬＥＤチップを備えており、
該第１の表面は支持基板に取り付けられており、
該第２の表面は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクと密に熱コンタクトされており、
該透光性ヒートシンクは、熱散逸構成要素によって形成された周辺部を有し、
該ＬＥＤチップは、該ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの第１の電気的接続部および第２の電気的接続部に電気的コンタクトされていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。 - ＬＥＤアセンブリにおいて、
第１の表面と第２の表面とを有する高出力のＬＥＤチップを備えており、
該第１の表面は基板に取り付けられており、
該第２の表面は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクと密に熱コンタクトされており、かつ、３〜５ミクロンのＩＲ領域で８０％を上回る透過度を有し、
該ＬＥＤチップは、該ＬＥＤチップにエネルギー供給するための少なくとも１つの第１の電気的接続部および第２の電気的接続部に電気的コンタクトされていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。 - ３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する支持フレームが、透光性ヒートシンクに密に結合されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記支持フレームは前記支持基板の一部として形成されている、請求項６記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記支持フレームは、前記透光性ヒートシンクの一部として形成されている、請求項６記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップは、１．０Ｗ／ｍｍ２以上の出力密度を有する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 支持基板が第１の電気的接続部を提供する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 基板が、前記ＬＥＤチップにエネルギー供給するための前記第１の電気的接続部と第２の電気的接続部とを提供する、請求項１０記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは前記第２の電気的接続部を提供する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 基板は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性ヒートシンクである、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 透光性ヒートシンクが、前記ＬＥＤにエネルギー供給するための第２の電気的接続部を提供する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、透光性セラミックを含む第１層と、該第１層と前記ＬＥＤの第２の表面との中間にある透光性導電層を含む第２層とを含む、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記導電層は導電性セラミックである、請求項１５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記導電層は導電性のＩＴＯである、請求項１５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記導電層は導電性ポリマーである、請求項１５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記導電層は、導電性の埋め込み型の金属電極である、請求項１５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記導電層は、導電性の堆積された金属電極層である、請求項１５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはサブミクロン粒子窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る、請求項２１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはサファイアから成る、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはアルミナから成る、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはサブミクロンアルミナから成る、請求項２４記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはナノアルミナから成る、請求項２４記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはＭｇＯから成る、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、前記ＬＥＤチップから受け取られ前記透光性ヒートシンクを透過した光の光学的分布を形成するように光学的に形成されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、前記ＬＥＤチップに電力を供給するための導電性トレースを含む、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクの少なくとも一部は前記ＬＥＤチップに直接接する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップと前記透光性ヒートシンクとの中間に、該ＬＥＤチップから透光性ヒートシンクまでの光透過および熱伝導を可能にする材料の透光性かつ熱伝導性の中間層が配置されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記中間層は、ボンディング構成要素（エポキシ、シリコーン、高温接着剤）と透光性セラミック粉末の注入物とを含む、請求項３１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性セラミック粉末は、前記中間層の体積の５０％以上を有する、請求項３１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性セラミック粉末は、０．０１ミクロン〜１．０ミクロンの平均粒子サイズを有する、請求項３１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、導電性の周辺フレームに保持されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、導電性の周辺フレームに接着またはロウ付けされている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記周辺フレームは、熱放射構成要素によって形成されている、請求項３５記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクは、屈折性レンズで成形された表面を有する、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップは、窒化ガリウム薄膜放出体である、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップは砒化ガリウム薄膜放出体である、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップはリン化ガリウム薄膜放出体である、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記中間材料は、透光性のシリコーン樹脂である、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップとの少なくとも１つの電気的コンタクトは、前記ＬＥＤチップと前記透光性ヒートシンクの一部とに挟まれたフラットなトレースである、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップはＬＥＤチップの底部表面に沿って、該ＬＥＤチップとの少なくとも１つの電気的接続部を提供する支持基板に固定されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記支持基板は、３０Ｗ／ｍ・Ｋを上回る熱伝導度を有する透光性材料から形成されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記ＬＥＤチップは、前記支持基板と透光性ヒートシンクとの間に気密に挟まれている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- ＬＥＤチップの平面アレイが支持基板上に配置されており、
透光性ヒートシンクが該ＬＥＤチップのアレイをカバーする、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。 - 前記透光性ヒートシンクは前記支持基板に気密封止されている、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- 前記透光性ヒートシンクはテーパ付きプリズムのような導光部分を含む、請求項１記載のＬＥＤアセンブリ。
- ＬＥＤアセンブリにおいて、
透光性であり熱的に放熱性のカバーと透光性であり熱的に放熱性の支持基板との間に挟まれたＬＥＤチップを有し、
該カバーと支持基板とは、熱散逸構成要素を含む熱伝導性のフレームに支持されており、
該フレームと支持基板とは、熱絶縁層の第１の面に取り付けられており、
該熱絶縁層の第２の面に、該ＬＥＤアセンブリに対する電子制御アセンブリが取り付けられており、
熱散逸構成要素は、該電子制御アセンブリに隣接して形成されていることを特徴とする、ＬＥＤアセンブリ。
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