JP2010519757A - レンズ内にオーバーモールドされた蛍光体及び蛍光体タイルを持つled - Google Patents
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Abstract
オーバーモールドされたレンズ及び特定のファブリケーション技術が、LED構造体のために記述されている。一つの実施例では、薄いYAG蛍光体プレートが、サブマウントウェーハ上にマウントされた青いLEDにわたって形成され付着される。それからクリアなレンズが、単一モールドプロセスの間、各LED構造体にわたってモールドされる。それからLEDがウェーハから分離される。モールドされたレンズは、暖かい白色光を生成するために赤い蛍光体を含む。他の実施例では、蛍光体プレートが先ず一時的にバックプレート上にマウントされ、赤い蛍光体を含むレンズが蛍光体プレートにわたってモールドされる。オーバーモールドされたレンズを持つプレートは、バックプレートから除去され、活性化LEDの上部に付着される。それからクリアなレンズは各LED構造体にわたってモールドされる。モールドされた蛍光体がロードされたレンズの形状は、色対角度の均一性を改善するようにデザインされる。複数のダイは、単一のレンズにより封入される。他の実施例では、既製のコリメートレンズが、オーバーモールドされたレンズの平坦な上部に接着される。
Description
これは、発明者グリゴリティ バシン等による2004年11月15日出願、米国出願第10/990、208号、発明の名称「Molded Lens Over LED Die」のCIP出願である発明者グリゴリティ バシン等による2005年2月28日出願、米国出願第11/069、418号、発明の名称「Overmolded Lens Over LED Die」のCIP出願である、発明者ウィレム スミッツ、グリゴリティ バシン等による2005年3月29日出願、米国出願第11/093、961号、発明の名称「Wide Emitting Lens for LED Useful for Backlighting」の一部継続出願(CIP)である。
本発明は、発光ダイオード(LED)、特にLEDダイの上にレンズを形成するための技術及びレンズ設計に関する。
LEDダイは、概してランバートパターンの光を発する。光線を狭くするか又は横の放出パターンを作るためにLEDダイの上にレンズを使用することは、一般的である。表面実装型LED用の一般的タイプのレンズは、LEDダイが取り付けられるパッケージに結合される、予備モールドされたモールドプラスチックである。一つの斯様なレンズは、フィリップスルミレッズライティングカンパニーに譲渡された米国特許第6,274,924号に示されていて、ここに参照により組み込まれる。
表面実装型LED用のモールドレンズを形成するための技術は、レンズのさまざまなデザインとともに、本願明細書に記載されている。また、レンズ内に色変換蛍光体を供給するためのさまざまな技術が記載されている。
レンズを形成する1つの方法において、1つのLEDダイ又は複数のLEDダイは、支持構造体上にマウントされる。前記支持構造体は、支持構造体上の金属パッドに電気的に接続されたLEDダイを持つ、セラミック基板、シリコン基板又は他のタイプの支持構造体である。支持構造体は、回路基板又はパッケージのヒートシンクにマウントされる、サブマウントでもよい。
モールドは、支持構造体上のLEDダイの位置に対応する当該モールド内にくぼみを持つ。前記くぼみは、シリコーン(硬化すると、堅いレンズ材料を形成する)のような液体(光学的に透明な材料)で満たされる。くぼみの形状は、レンズの形状である。各LEDダイが関連するくぼみの液体レンズ材料にあるように、モールドとLEDダイ/サポート構造体とが接合される。
モールドは、それから、レンズ材料を(堅くする)硬化させるために加熱される。その後、モールド及び支持構造体は、各LEDダイにわたって完全なレンズを残して、離される。この一般のプロセスは、オーバーモールドと呼ばれる。空のモールドが封入されるべき対象周辺に入った後、液体材料が高圧で注入される射出成形技術とは対照的に、本発明はこの種の注入を使用せず、LED及びいかなるワイヤー接合もモールドプロセスによって応力を加えられない。また、レンズ材料のごくわずかな浪費しかない。更に、溝が、モールドくぼみ(射出成形のためには必要とされる)の間にない。
オーバーモールド工程は、レンズの重なり合うシェルを作成するために、異なるモールドで繰り返される。レンズは、LED光を、白を含むいかなる色にも変換するための蛍光体のいかなる組合せも含んでもよい。
一つの実施例において、薄いセラミック蛍光体プレートは、熱及び圧力の下、蛍光体粒子を焼結することによって、又は、蛍光体粒子の泥漿を乾燥させることによって形成される。各プレートは、青色LEDのような付勢LEDの上部面のサイズと近似する表面を持つ。蛍光体はYAG蛍光体であり、ここで、LEDからの青色光とYAG蛍光体からの緑ー黄色光との組合せは白色光を生じる。プレートはサブマウント・ウェーハにマウントされるLEDを通じて付着され、クリアなレンズは各LED構造体の上でモールドされる。サブマウントは、LED構造体を分離するために離される。
他の実施形態では、LED及びYAG蛍光体プレートの上のモールドレンズは、より暖かい白色光を生成するために、赤い蛍光体を含む。
他の実施形態では、蛍光体プレートは最初一時的にバックプレートにマウントされ、赤い蛍光体を含むレンズが蛍光体プレートにわたってモールドされる。オーバーモールドされたレンズを持つプレートは、バックプレートから取り外されて、付勢LEDの上部に付着される。クリアなレンズは、各LED構造体にわたってモールドされる。
蛍光体プレートが平坦であるので、視野角がLED/蛍光体の表面に垂直の角度に近づくにつれて、色温度はより熱く(より青く)なる。この色対角度不均一性を補償するため、視野角が変化するにつれて色温度がより均一であるように、赤い蛍光体を含むモールドの形状が定められる。従って、モールドの形状は、特定のLED及び使用される蛍光体プレートに依存する。
一つの実施例において、オーバーモールドすることによって外側のレンズを形成するために用いられる硬化したシリコーンは、オーバーモールドすることによって形成されたいかなる内側のレンズよりも非常に硬い。レンズが形成されるとき、又は、LEDが熱を生じるとき、堅い外側のレンズは外側の要素から守って、きれいなままである一方、より柔らかい内側のレンズは精巧なLEDに応力を与えない。
他の実施例では、複数のLED、又は、LED及び他のチップは、例えば静電放電(ESD)保護のために、単一のオーバーモールドされたレンズによって封入され、レンズの形状は、封入される特定のチップに基づく。
他の実施形態では、モールドレンズが、LED(レンズがクリアでもよいし、又は、蛍光体が載せられてもよい)にわたって形成される。レンズの上部は、平坦部分を持つ。フレネルレンズ(ほぼLEDと同一サイズ)のような、前もって作っていたコリメータレンズが、オーバーモールドされたレンズの平坦部分に付着される。この種の小さいコリメート光源は、特に携帯電話カメラ・フラッシュとして有効である。
他の実施形態では、柔らかいシリコーン・ゲルが、いかなる空所も満たすために、LEDとサブマウントとの間のアンダーフィルとして用いられる。前記アンダーフィルは、LEDの側をオプションとしてコーティングしてもよい。結果としての構造体は、堅いレンズでオーバーモールドされる。前記アンダーフィルは、処理及び動作の間、LEDダイを支持するのを助けて、熱をサブマウントに伝え、LEDダイと堅い外側のレンズとの間の応力を低減する。
レンズの多くの他の実施例及びアプリケーションが、記述される。
さまざまな図の同じ数字を持つラベルをつけられた要素は、同じか又は等価である。
予備事項として、従来のLEDは、成長基板の上に形成される。使用される実施例において、LEDは、青又は紫外線を生じるためのGaNベースのLED(例えばAlInGaN LED)である。概して、比較的厚いn型GaN層は、従来の技術を使用してサファイヤ成長基板上で成長する。前記比較的厚いGaN層は、概して、n型クラッド層及び活性層のための低欠陥格子の構造体を供給するように、低温核生成層及び一つ以上の付加的な層を含む。一つ以上のn型クラッド層は、厚いN形層の上に形成される(活性層、一つ以上のp型クラッド層及びp型コンタクト層(金属化のため)が続く)。
さまざまな技術は、n―層への電気的アクセスを得るために用いられる。フリップチップ実施例において、P型層及び活性層の部分は、金属化のためn―層を露出させるために、エッチングされる。このようにして、pコンタクト及びnコンタクトは、チップの同じ側にあって、パッケージ(又は、サブマウント)コンタクトパッドに、直接電気的に取り付けられることができる。n―金属コンタクトからの電流は、まず最初に横にn―層に広がる。これに対して、垂直注入(非フリップチップ)LEDでは、n―コンタクトはチップ一方の側に形成され、p―コンタクトはチップの他方側に形成される。p又はn―コンタクトのうちの1つに対する電気的コンタクトは、ワイヤ又は金属ブリッジで作られ、他方のコンタクトはパッケージ(又は、サブマウント)コンタクト・パッドに直接結合される。フリップチップLEDが、説明を簡単にするため図1―3の実施例において用いられる。
LED形成の実施例は米国特許第6,649,440号及び第6,274,399号に記載され、両方ともフィリップスルミレッズライティングカンパニーに譲渡され、参照により組み込まれる。
他にも、導電基板はLED層(概してP型層に)に結合され、サファイア基板は除去される。金属パッドに直接導電基板を結合して、一つ以上のLEDダイはサブマウント上の金属パッドに結合され、図5及び6で詳細に記載されている。一つ以上のサブマウントの電極は印刷回路基板に結合され、これは他のLEDに、又はパワー供給源に対する接続のための金属リード線を含む。回路基板は、直列又は並列に種々LEDを相互接続する。
形成される特定のLED及びこれらがサブマウントにマウントされるか否かは、本発明を理解するために重要でない。
図1は、支持構造体12にマウントされる4つのLEDダイ10の側面図である。前記支持構造体は、サブマウント(例えば、金属リード線を持つセラミック又はシリコン)、金属ヒート・シンク、印刷回路基板又は他のいかなる構造体でもよい。本実施例では、支持構造体12は、金属パッド/導線を持つセラミック・サブマウントである。
モールド14は、各LEDダイ10の上のレンズの所望の形状に対応するくぼみ16を持つ。モールド14は、好ましくは金属で形成される。非常に薄い非粘着性フィルム18は、モールド14の一般的形状を持って、モールド14の上に配置されるか又は形成される。フィルム18は、金属にシリコーンを貼り付けることを防止するよく知られた従来材料である。
レンズ材料がモールドに付着されない場合、フィルム18は必要でない。これは、非粘着性モールド・コーティングを使用して、非粘着性モールド材料を使用して、又は、こびりつかないインタフェースに結果としてなるモールド・プロセスを使用することによって達成される。この種のプロセスは、最小限の付着を得るように特定のプロセス温度を選択するステップを含む。フィルム18を使用しないことにより、より複雑なレンズが形成されることができる。
図2において、モールドくぼみ16は、熱硬化性の液体レンズ材料20で満たされた。レンズ材料20は、いかなる適切な光学的に透明な材料(例えばシリコーン、エポキシ又は複合型シリコーン/エポキシ)でもよい。ハイブリッドが、熱膨張係数(CTE)整合を成し遂げるために用いられてもよい。シリコーン及びエポキシは、レンズとして作用するのと同様に、AlInGaN又はAlInGaP LEDから光抽出を大きく改善するために、十分に高い屈折率(1.4より大きい)を持つ。シリコーンの一つのタイプは、1.76の屈折率を持つ。
真空封止は支持構造体12の周辺とモールド14との間に作成され、これら2つの部分が各々に対して押圧されるので、各LEDダイ10が液体レンズ材料20に挿入され、レンズ材料20が圧縮下にある。
前記モールドは、レンズ材料20を堅くするために、しばらく摂氏約150度(又は、他の適切な温度)まで加熱される。
その後支持構造体12は、モールド14から分離される。フィルム18は、結果として生じる堅固なレンズをモールド14から容易に放出させる。フィルム18は、除去される。
他の実施形態では、図1のLEDダイ10は、材料(例えば結合剤のシリコーン又は蛍光体粒子)で先ず覆われる。モールドくぼみ16は、他の材料で満たされる。ダイがモールド内に置かれるとき、モールド材料は覆っている材料にわたって形成される。
図3は、各LEDダイ10にわたるモールドレンズ22を持つ、結果として生じる構造体を例示する。一つの実施例において、前記モールドレンズは、直径1mmと5mmとの間にある。レンズ22は、任意のサイズ又は形状である。
図4は、支持構造体12がLEDダイ(各々がモールドレンズ22を持つ)のアレイを支持する、結果として生じる構造体の斜視図である。使用されるモールドは、対応するアレイのくぼみを持つ。支持構造体12がセラミック又はシリコン・サブマウントであったならば、各LED(その下に横たわるサブマウント部を持つ)は、個々のLEDダイを形成するため、のこ引きするか、又はサブマウント12を割ることによって分離されることができる。あるいは、支持構造体12が、LEDのサブグループを支持するため分離され/小立方体にされるか、又は分離されず/小立方体にされずに使われる。
レンズ22は、LEDダイからの光抽出を改善し、所望の放射パターンをつくるために光を屈折させるだけでなく、レンズもまたダイを汚染物質から保護して、機械的強度を加えて、何らかのワイヤー接合を保護するためにLEDダイを封入する。
図5は、何らかの適切な材料(例えばセラミック又はシリコン)で形成されるサブマウント24上の単一のフリップチップLEDダイ10の一つの実施例の簡略近接図である。一つの実施例において、サブマウント24は図1―4の支持構造体12として働き、図5のダイ/サブマウントは、のこ引きすることによって図4の構造体から分離された。図5のLEDダイ10は、底部のp―コンタクト層26、p―金属コンタクト27、P型層28、発光活性層30、N形層32、及びN形層32とコンタクトするn―金属コンタクト31を持つ。サブマウント24上の金属パッドは、これらコンタクト27及び31に直接金属接着される。サブマウント24を通るバイア穴は、サブマウント24の底面上の金属パッドに、終端として接続し、これは回路基板45上の金属リード線40及び44に結合される。金属リード線40及び44は、他のLEDに、又は、パワー供給源に接続される。回路基板45は、絶縁層の上に横たわる金属リード線40及び44を持つ金属プレート(例えば、アルミニウム)である。モールドレンズ22(図1―3の技術を使用して形成される)は、LEDダイ10を封入する。
図5のLEDダイ10は、ワイヤが一番上のn―層32をサブマウント24上の金属パッドに接続して、非―フリップ―チップ・ダイでもよい。レンズ22は、前記ワイヤを封入する。
一つの実施例において、回路基板45自体は、図1―3の支持構造体12である。この種の実施例は、図6に示される。図6は、ワイヤ38によって回路基板45上の金属リード線40に接続される一番上のn―金属コンタクト34を持つ非フリップチップLEDダイ10の簡略近接図である。LEDダイ10はサブマウント36にマウントされ、これは図6の実施例においては金属スラブである。ワイヤ42は、P型層26/28を回路基板45上の金属リード線44に電気的に接続する。レンズ22は、ワイヤ及びサブマウント36を完全に封入して示されるが、他の実施例では、全てのサブマウント又は全てのワイヤは、封入される必要はない。
一般の従来技術の封入方法は、保護コーティングでスピンすることである。しかしながら、LEDダイの上のカプセルの材料の厚みにむらがあるので、この封入プロセスは蛍光コーティングをLEDダイに加えることには不適当である。また、この種の封入方法は、レンズを形成しない。LEDダイにわたって蛍光体を供給することの一般的技術は、シリコーン/蛍光体組成物でLEDダイを囲んでいる反射カップを満たすことである。しかしながら、その技術は、様々な厚さで蛍光層を形成し、適切なレンズを形成しない。レンズが要求される場合、付加的なプロセスは、プラスチックモールドレンズを更に作製し、LEDダイにわたって当該レンズを付着しなければならない。
図7―11は、上記の技術を使用して形成されるさまざまなレンズを例示する。
図7は、何らかの適切な方法を使用して蛍光体60で被覆されたLEDダイ10を例示する。斯様な方法は電気泳動によってなされ、米国特許第6,576,488号に記載されている。これは、フィリップスルミレッズライティングカンパニーに譲渡され、参照によりここに組み込まれる。適切な蛍光体は、よく知られている。レンズ22は、上記の技術を使用して形成される。蛍光体60は、LED放射(例えば、青又は紫外線)によって付勢され、異なる波長(例えば緑、黄色又は赤)の光を発する。蛍光体放射は、単独で、又は、LED放射に関連して、白色光を生じる。
蛍光体でLEDをコーティングするためのプロセスは、時間がかかる。蛍光体でLEDダイをコーティングするためのプロセスを排除するために、蛍光体粉は、図8に示されるように、レンズ62に埋められるよう液体シリコーンで混合される。
図9に示されるように、LEDダイの上の蛍光体材料の注意深く制御された厚みを供給するために、内側のレンズ64は上記の技術を使用して形成され、別々のモールドステップ(より深く及びより広いくぼみを持つモールドを使用して)が、直接内側のレンズ64にわたって何らかの厚みの外側の蛍光体/シリコーン・シェル66を形成するために使用される。
図10は、更に光線を形づくるために他のモールドを使用して、蛍光体/シリコーン・シェル66にわたって形成される外側のレンズ68を例示する。
図11は、クリアなシリコーン・シェル76、78及び80の上に横たわる、赤・緑・青―放射蛍光体のシェル70、72及び74を例示する。この場合、LEDダイ10は紫外線を放射し、赤・緑・青放射の組合せは白色光を生じる。すべてのシェルが、上記の方法で作られる。
レンズの多くの他の形状は、上記のモールド技術を用いて形成できる。図12は、LED10、サブマウント24及びモールドされたサイド放射レンズ84の断面図である。一つの実施例において、レンズ84は非常に可撓性の高い材料(例えばシリコーン)で形成され、モールドから取り除けるほど撓む。レンズが単純な形状でないとき、分離フィルム18(図1)は概して用いられないだろう。
図13は、LED10、サブマウント24及びモールドされたコリメータレンズ86の断面図である。レンズ86は、変形可能なモールドを使用して、又は、モールドから引き離されるときに圧縮し、モールドから放出された後にそのモールドされた形状に拡大するソフトレンズ材料を用いて作ることができる。
図14は、予備モールドされたレンズ88が、モールドされたランバートレンズ22にわたってどのように付着されるかについて説明する。図14の実施例において、レンズ22は、先に述べた方法で形成される。レンズ22は、LED10を封入して、汚染物質から保護するのに役立つ。予備モールドされたサイド放射レンズ88は、UV硬化可能な接着剤又は機械式クランプを使用してレンズ22の上に付着される。このレンズ形成技術は、従来の技術に勝る利点を持つ。従来の技術において、予備モールドされたレンズ(例えば、サイド放射レンズ)は、LEDダイの上に接着剤で付着され、いかなるすきまもシリコーンを注入することによって満たされる。従来のプロセスは、他にも理由があるが、レンズ配置及びギャップ充填ステップのため分離されたダイ/サブマウントを注意深く配置することを実行するのが難しい。図14の本発明の技術を使用して、LED(図4)の大きなアレイは、各々の上にモールドレンズを形成することによって同時に封入されることができる。続いて、LEDが前記アレイにまだある間(図4)、又は、分離された後に、予備モールドされたレンズ88は各モールドレンズ22の上に付着されることができる。
加えて、従来のレンズとは異なり、前記モールドレンズは、非常に小さく(例えば、1―2mmの直径)作成できる。このように、非常に小さい、完全に封入されたLEDが形成できる。この種のLEDは非常に低いプロフィールを有するように作られ、これは特定のアプリケーションのために有益である。
図14は、サブマウント24がマウントされる回路基板45も示す。この回路基板45は、当該基板にLED/サブマウント24のアレイをマウントした。
図15は、液晶ディスプレイ(LCD)用の又はバックライトを使用する他のディスプレイ用のバックライトの断面図である。一般の用途は、テレビ、モニタ、携帯電話等である。LEDは、白色光を発生させる赤・緑・青である。LEDは二次元アレイを形成する。ここに示した例では、各LED構造体は図14に示されるものであるが、いかなる適切なレンズが用いられてもよい。バックライト・ボックスの底部及び側壁90は、白反射拡散材料で好ましくは被覆されている。光のスポットがバックライトによって各LEDの上に直接放射されるのを防止するため、白い拡散板ドット92が、各LEDの直接上にある。ドット92は、透明な又は拡散PMMAシート94で支えられる。サイド放射レンズ88によって放射される光は、バックライトの下部に加えられ、上部拡散板96を出る前にバックライトの上部に更に加えられる。LEDの線形アレイは、細い回路基板45にマウントされる。
図16は、モールドレンズ22がカメラのフラッシュとして用いられる、LED10を例示する。図16のカメラは、移動電話98の一部である。移動電話98は、カラースクリーン100(記載されたLEDを使用しているバックライトを有する)及びキーパッド102を含む。
図10で述べられたように、外側のレンズは更に光線を形づくるために内側シェルにわたって形成される。さまざまなシェルの要件に依存して、異なるシェル材料が用いられてもよい。図17―30は、オーバーモールドプロセスに関連して用いられるさまざまなレンズ及び材料の例を例示する。
図17及び18は、上記のモールド技術を使用して形成される内側シェルのためのモールドレンズの2つの形状を例示する。多くのLED10は、同一の支持構造体12にマウントされる。前述したように、支持構造体12は、金属トレース及びコンタクト・パッドを持つセラミック又はシリコン・サブマウントである。多くのLEDは同じ支持構造体12にマウントされ、必然ではないが、同じ支持構造体12上のすべてのLEDは概して同一の態様で処理される。例えば、支持構造体が大きく、全てのLEDアレイに対する光パターンが特定された場合、各LEDレンズは特定の全体的光パターンを供給するために異なってもよい。
アンダーフィル材料は、LEDの下でいかなるエアギャップも防止し、とりわけ、熱伝導を改善するために、支持基板12とLEDダイ10の底部との間のいかなるギャップを埋めるために注入される。
図17は、内側モールドレンズ22が通常、ランバート放射線パターンのため半球状である図3―6に関して説明されてきたものである。図18の内側モールドレンズ106は、通常、丸い端部を持つ矩形である。外側のレンズによって供給される放射パターンに依存して、内側モールドレンズ22又は106のうちの1つが、より適切である。内側モールドレンズの他の形状も、適切である。各レンズの上から見下ろした図は、通常、円を描く。
図19は、所望の放射パターンを達成するために光を屈折させるパターンを持つレンズ外面の図18の構造体を例示する。前記外面パターンは、内側モールドレンズにおいて直接形成される(モールド自体によって)か、又は、前記外面パターンは、内側モールドレンズ上へオーバーモールドされるか若しくは接着剤(例えば、シリコーン、エポキシ等)によって付着される外側のレンズにおいて形成される。パターン108は回折格子である一方、パターン110は光を屈折させるためにバイナリの階段を使用する。実施例において、パターンは、図20に示される放射パターンを持つ一般的なサイド放射レンズを形成する。図20において、ピークの強度は、50―80度内で発生し、0度の強度より著しく大きい。
内側のレンズの要件は、外側のレンズの要件と通常異なる。例えば、内側のレンズは、支持構造体に対する良好な粘着力を持つが、時間とともに黄色くすなわち不透明にならず、高い屈折率(1.4より大きい)を持ち、LEDへのワイヤを破壊するか応力を加えず、高いLED温度に耐えて、互換性を持つ熱係数を持つべきである。内側のレンズは、LED又はいずれのワイヤにも応力を供給しないように、堅くはない(例えば、シリコーン)。対照的に、外側のレンズ材料は、一般に所望のパターンでパターン化されることが可能で、内側のレンズに付着することを必要とするだけである。外側のレンズはオーバーモールドされるか又は予備モールドされて、接着剤で内側のレンズに付着される。外側のレンズに対する材料はUV硬化可能である一方、内側のレンズに対する材料は熱的に硬化される。熱硬化は、UV硬化より長くかかる。
通常、内側のレンズ材料に対する硬度の範囲はShore005―90である一方、外側シェルに対する硬度の範囲はShoreA30以上である。
図21は、図20のものと類似して、一般にサイド放射光パターンを作るためのレンズの外面上に形成されるフレネル・レンズパターン112を例示する。図19について述べたように、前記外面は、内側モールドレンズの外面又は外側シェルの外面である。これは、本願明細書において記載されているすべてのパターンにあてはまる。
図22は、平行にしている光パターン又は他の光パターンを作成するために、外側のレンズ面上の角錐114又は円錐形116のパターンを例示する。
図23は、平行にしているパターンをつくるための高いドーム外側のレンズ118を例示する。
図19及び21―23の表面パターンは、何らかの光パターンを作成するように構成される(例えば、表面角度を変えることによって)。ホログラフィック構造体、TIR及び他のパターンが、形成されてもよい。平行にしている光パターンは、リアプロジェクション・テレビに典型的に用いられる一方、サイド放射光パターンは液晶画面をバックライトで照らすために典型的に用いられる。
図24は、LED10に結合した導線126に応力を与えないように、内側モールドレンズ124として、柔らかい材料(例えばシリコーン・ゲル)の使用を例示する。ゲルは、概して、UV硬化される。外側のレンズ128は、モールドされるか又は予備モールドされ、接着剤で付着される。外側のレンズ128は、概して耐久性、粒子に対する抵抗等に対して非常に堅い。外側のレンズ128は、シリコーン、エポキシ―シリコーン、エポキシ、シリコーンエラストマ、硬質ゴム、他のポリマー又は他の材料である。外側のレンズは、UV硬化であるか又は熱的に硬化される。
図25は、異なる放射パターン又は低いプロフィールのため形が相違する内側モールドレンズ129(図18のような)を持つ以外、図24と類似している。レンズ129は、柔らかいシリコーン・ゲルである。外側のレンズ130は、更に放射パターンを形づくって、柔らかい内側のレンズ129を保護する。
すべての図のLEDは、フリップチップ又はワイヤ結合のタイプである。
図26は、内側のレンズのために必要とされる特性を持った柔らかい内側モールドレンズ132、インタフェースレイヤとして働き、構造安定性のための堅い中間シェル134及びサイド放射光パターンを作るための外側のレンズ136を持つLED構造体を例示する。外側のレンズ136は、モールドプロセスを容易にするために柔らかい。あるいは、外側のレンズ136は、予備モールドされて、接着剤で中間のシェル134に付着される。中間のシェル134の使用は、基本的に内側のレンズ材料から独立した、外側のレンズ材料の選択をする。
図27は、外側のレンズ138が中間のシェル134又は内側のレンズ132のいずれかの部分上にどのように形成されるかについて説明する。
図28は、内側のレンズ144の材料上に直接の外側のレンズ142の形成を例示する。
図29は、内側のレンズ132にわたってモールドされるサイド放射レンズ145の他の形状を例示する。レンズ145は、内側のレンズなしで直接LEDダイ10にわたってモールドされる。
図30は、各シェル146、147及び148が異なる蛍光体材料(例えば赤を放射している蛍光体、緑を放射している蛍光体及び青を放射している蛍光体)を含むLEDを例示する。LEDダイ10は、UVを放射する。蛍光体粒子間のギャップによって、外側シェルの蛍光体を付勢するために内側シェルをUVが通過することができる。あるいは、赤い蛍光体及び緑の蛍光体シェルだけが用いられ、LEDダイ10は青色光を放射する。赤、緑及び青色光の組合せは、白色光を発生させる。とりわけ、シェルの厚み、蛍光体粒子の密度及び蛍光体カラーのオーダーは、所望の光を得るように調整されることができる。レンズの何れの形状も、使われてもよい。
図31は、支持構造体12自体の上でのモールドパターン149の使用を例示する。高いインデックス材料(例えば、ポリマー)又は反射材料(例えば、アルミニウム又は銀)は、支持構造体12上にパターンをモールドするか、図1に示される方法と類似の方法を使用するか、金属化プロセスを使用するか、又は他の適切なプロセスを使用することにより形作られる。モールドパターン149が、レンズ150を形成している他の材料のためのモールドとして使われる。一つの実施例において、レンズ150の材料は、支持構造体12の上に形成されたモールドに堆積して、硬化される液体(例えば、シリコーン)である。その後表面は、平坦化される。結果として生じるレンズは、反射器カップのような壁に衝突する光を反射/屈折することにより光を平行にする。
図32は、LED10によって放射される光を反射するためにそのサイド周辺でスパッタされた金属151を持つモールドレンズ22を示す。反射光は、LED10によって散乱し、最終的に一番上の開口部を通って放射される。金属151は、いかなる反射材料(例えばアルミニウム又は銀)でもよい。前記金属は、その代わり、サイド―放射パターンを作るために、レンズ22の上にスパッタ堆積されてもよい。レンズ22は、所望の光放射パターンをつくるために、何れの形状で作られてもよい。
図33は、液晶画面154を持つ液晶ディスプレイ(LCD)152(白色光を作るために赤・緑・青LED160からの光を混合するため、制御可能なRGBピクセル、拡散板156及びバックライト158を持つ)の側面図である。バックライト158は、拡散的に反射するボックスである。LED160は、上記の技術のいずれかを使用して作られるサイド放射レンズを持つ。
図34は、特定の視野角の範囲内で画像を明るくするためのフロントレンズ164、一組の赤・緑・青LED166、カラーTV画像を作るためにRGB光を調整して焦束するための変調器/光学系170、及び反射器172を持つリアプロジェクション・テレビ162の側面図である。前記変調器は、制御可能な鏡のアレイ、液晶表示パネル又は他の適切な装置である。LED166は、上記の技術のいずれかを使用して作られるコリメータレンズを持つ。
上述のように、第1のレンズ又は第2のレンズは、サイド放射パターンを作るように設計できる。複数のLEDからの光が液晶表示パネル用、装飾的な照明用又は他の用途のために均一なバックライトを作るときのような、複数のLEDからの光が混合されるとき、この種のサイド放射パターンは特に役立つ。
図35に示すように、レンズなしで、又は、半球状のレンズだけを持って、バックプレーン182にマウントされたLED180は、概してランバート・パターン183の光を放射する。LED180のアレイは、拡散性スクリーン184のバックを照射する。スクリーン184は、図33のLCDバックライトの拡散板156である。各LEDの拡散された輝度プロフィール185及びその半値全幅(FWHM)も示される。前記LEDが一緒に十分近くに配置されない限り、スクリーン184の前の全体的光出力は、目立つ明るいスポットを持つだろう。従って、この種のバックライトはLEDの比較的高い密度を必要とし、高価なバックライトに結果としてなる。
出願人は、特にバックライトに役立つ図36―38に示される広角放射レンズを発明した。図36では、広角放射レンズを持つLED188は、バックプレーン190にマウントされて示される。図37に示すように、各LEDダイに対するピークの光放射(Ipeak)は、中心の軸(垂直の)を離れて、50―80度以内に発生する。70―80度の間の範囲が好ましい。中心の軸に沿った光放射(I0)がピーク放射の5%―33%であるように、レンズが設計される。したがって、各LEDに対する輝度プロフィール192は、図35の輝度プロフィール185と比較して、より広げられる。従って、拡散性スクリーン184から同じ光出力均一性を成し遂げる一方、図36のバックライトのLED188ピッチは、図35のLED180ピッチより大きくできる。これは、より高価でないバックライトに結果としてなる。
輝度プロフィールは、概して中心の尖端で漏斗形レンズで現れるもののような急激な移行を持つべきではない。
中心軸の強度と50―80度ピークの強度との最適比は、アプリケーション(例えばバックライトの特定の輝度を成し遂げるために必要なLEDのピッチ)に依存する。ピークの強度は中心の軸に沿った強度の少なくとも3倍であり、図37の実施例では、前記比は4―8倍の間にある。
図38は、上記の特徴を持つ広角放射レンズの一つの実施例の断面図である。図1―6について述べたように、LEDダイ194はセラミック、シリコン又は他の材料でできている基板又はサブマウント196にマウントされ、第1のレンズ198は図1―6について述べたようにLEDダイ194にわたってモールドされる。複数のダイは、単一の大規模なサブマウントにマウントされてもよい。レンズ198は、何れかの適切な材料(例えばシリコーン)で形成される。
サブマウント196は、分離され、はんだリフロー・テクニック又は他の適切な技術によってバックプレーン190(PCB)にマウントされる。
第2のレンズ202は、所望の広角放射特徴を持つように予備モールドされる。第2のレンズは、射出成形されるか機械加工されたプラスチック又は他の材料である。この種の材料は、COC、COP、PMMA、エポキシ、シリコーン、ガラス又は何れかの他の適切な材料を含む。第2のレンズ202は、第1のレンズ198の上に横たわって、また、支持のためのバックプレーン190と接触するようにマウントされる。エアギャップ204(又は、他の低い屈折率材料のすきま)は、側面の方へ光を曲げる内部屈折インタフェースを作る。空気との第2のレンズ202の外面のインタフェースは、50―80度以内のピーク強度を達成するために、更に光を曲げる。第2のレンズ202は、第1のレンズ198と直接接触してもよいが、しかしながら、第2のレンズ202の形状は、同じ広角放射パターンを達成するために変えられるだろう。
他の実施形態では、第2のレンズ202は、接触し、バックプレーン190よりもむしろサブマウント196によって支持される。
第2のレンズ202は、エポキシのような接着剤でバックプレーン又はサブマウントに固定されるか又はスナップ・タブ接続で付着される。
前記バックプレーンより上の第1のレンズ198及びLEDの高さが取付パラメータで僅かに変化するので、バックプレーンを基準に第2のレンズ202を固定することと比較して、サブマウントを基準に第2のレンズ202を固定することによって、光放射についてわずかにより良好な制御が成し遂げられる。
非球面のドーム内部エアギャップを持つ非球面第2のレンズ202は、容易にモールドされる単純なデザインである。レンズ202は、アンダーカット面で上方へ光を反射するためにバックプレーン190の近くで下向きになるので、光はバックプレーン190の方の下方へ放射されない。これは、光リングを回避して、バックライトの光出力を増大させる。
図39は、図38のLEDに対する光度対角度を示す。ピークの強度はほぼ72度であり、中心軸に沿った強度はピークの強度のほぼ10%である。
他の実施形態では、図19、21及び22について述べたように、第2のレンズ202の表面は、所望の放射パターンを達成するため更に光を屈折させる微細構造を含む。
図40は、全内反射(TIR)部208を持つレンズ206を持つLED194の断面図である。TIR部208は、漏斗形である。TIR部208によって、大部分の光は、内部的に反射されるために上方へ放射され、サイド部210を通って放射される。この種のデザインは、50―80度の範囲内でピークの強度を依然供給し、中心軸に沿った強度でピークの強度5―33%の間にある一方、中心軸に沿った強度を低減するために役立つ。何れのレンズの実施例も、図33のバックライトで使用される。
図38、40及び他の図の第2のレンズは、モールドされた第1のレンズなしでLEDダイにわたって用いられてもよい。しかしながら、モールドされた第1のレンズの使用は、LEDを保護するために好ましい。第2のレンズの直径は、概して4―10mmの間の範囲である。
図41Aから41Eは、セラミック蛍光体プレートをオーバーモールドして、オーバーモールドされたプレートをLEDダイに取り付けるためのステップを例示する。蛍光体プレートは、その厚み(例えば、50―300ミクロン)及び蛍光体密度が慎重に制御されるので、正確な特徴を持つことができる。蛍光体が青色光(例えば、440ナノメートル―460ナノメートル)によって付勢されるとき、蛍光体はより長い波長光を放射する。蛍光体プレートが青色LEDにわたって付着されるとき、あるパーセンテージの青色光がプレートを通過し、当該青色光は蛍光体によって生成される光と混合される。
1シートのセラミック蛍光体を形成する1つの態様は、熱及び圧力を使用して蛍光体粉の粒を焼結することである。プレートを通過する前記あるパーセンテージの青色LED光は、蛍光体の密度及びプレートの厚みに依存し、これは正確に制御されることができる。蛍光体の薄シートを形成する他の態様は、薄シートの蛍光体の泥漿を形成し、続いて泥漿を乾燥させることである。この種のセラミック蛍光体プレートを形成することは、ゲールト・ミューラーその他による米国特許出願公開公報第20050269582号(「Luminescent Ceramic for Light Emitting Diode」というタイトル)に記載されていて、ここに参照により組み込まれる。
青色LEDで使用するためのポピュラーな蛍光体は、YAG:Ce蛍光体(約2%のセリウムでドープされたイットリウムアルミニウムガーネット)であり、これは市販されている。
図41Aは、力で、又は、溶媒で容易に離すことができる何らかの適切な接着剤を使用して、バックプレート212に一時的にマウントされるセラミック蛍光体プレート・ウェーハ211を例示する。バックプレート212は、後のステップで、硬化したシリコーンの固着を妨げるテフロン・コーティングを持つ。ウェーハは、典型的には矩形であるが、他の形状もあり得る。ウェーハは、何百個ものLED用の蛍光体プレートを形成するために、後でのこ引きされる。この例では、ウェーハ211はYAG蛍光体50―300ミクロン厚であり、これは、青色LEDからの青い光で付勢されるとき、緑−黄色光を放射する。高い色温度(例えば、4000―6000K)を持つので、結果として生じる白色光は通常、きついとみなされる。以下に述べるように、赤い蛍光体は色温度を低下させるために用いられ、これは従来から、より暖かい白色光を発生させると呼ばれる。
図41Bにおいて、モールド214のくぼみ213は、赤い蛍光体粒子216を含む液体シリコーン215で満たされる。従来の非粘着性分離フィルム(図示せず)は、共形的にモールドをコーティングし、後でモールドされたシリコーンが強く引っ張ることなしで除去されることを可能にする。何れのタイプのオートメーション化した液体ディスペンサも、シリコーン/蛍光体混合を施与するために用いられる。赤い蛍光体の例としては、BaSSN、CaS及びe−CaSを含み、これらはよく知られている。赤い蛍光体粒子の最適密度及びくぼみ213の形状は、赤い蛍光体によって供給される色温度の所望の低下によって決定される。他の蛍光体粒子(例えばYAG、緑、オレンジ、青等)も、特定の色温度を達成するために、必要に応じてシリコーン215にある。一つの実施例において、使用されたシリコーン215は、硬化後も比較的柔らかいので、LED構造体の動作の間、LED及び結果として生じる蛍光体プレートに対してほとんど応力がない。他の実施例では、シリコーン215は、外側のレンズを形成するために後に用いられるシリコーンと同一か、又は等価である。
バックプレート212及びモールド214は、シリコーン215に蛍光体ウェーハ211を漬けるように接合される。バックプレート212及びモールド214は、一緒に固定され、真空が構造体周辺でつくられ、シリコーン215が圧縮下にある。液体シリコーンの何れの気泡も、このオーバーモールドステップの間に、空にされる。シリコーン215は、熱又はUVによって硬化される。バックプレート212及びモールド214は、分離フィルムによって補助されて、分離される。
結果として生じるモールドされた蛍光体ウェーハは、各蛍光体プレートがほぼLEDの寸法である、個々のモールドされた当該蛍光体プレートを形成するためにのこ引きされる。蛍光体がロードされたシリコーンは、蛍光体プレートにわたってレンズを形成する。一つの実施例において、モールドされた蛍光体ウェーハは、のこ引きプロセスの間、バックプレート212に保持され、のこ刃はウェーハを通って切るだけである。これは、自動選択配置マシンにより、プレートを選択取り上げて配置することをより容易にする。他の実施形態では、モールドされたウェーハは、バックプレート212から取り除かれて、その後のこ引きされる。
図41Cにおいて、自動選択及び場所アームは、バックプレート212から各モールドされた蛍光体プレート218(蛍光体がロードされたシリコーン221を持つYAGプレート220)を取り外して、モールドされた蛍光体プレート218をサブマウント226(このステージのウェーハ)にマウントされる青色LED224の一番上の表面に付着する。サブマウント226は、図4に示されるアレイと類似の二次元アレイの何百もの青色LED224を含む。サブマウント226は、概してセラミックであり、パワー供給源に取付けのためのLEDごとに、金属トレース及び電極を含む。LED224との蛍光体プレート218の粘着は、低融解温度ガラス、シリコーン、エポキシ、他の透明な接着剤又は熱及び圧力によってもよい。
一つの実施例において、後で詳しく述べられるように、モールドくぼみ213の形状は、色温度一対LED/プレートの組合せによって放射される光の角度の不均一性を補償するために、コンピュータ・モデリングにより決定される。
図41Dにおいて、クリアなシリコーン・レンズ234は、構造物全体を封入するために、LED224及びモールドされた蛍光体プレート218にわたってモールドされる。図1―4及び他の図に関して記載されているプロセスは、外側のレンズ234を形成するのに用いられる。モールドされた外側のレンズ234は、LEDの光抽出を改善し、所望の光放射パターンを達成し、蛍光体プレート218が離層するのを防止する。
他の実施形態では、外側のレンズ234は、蛍光体がロードされたシリコーン221より堅い。これは、LED及び相互接続における応力を減らす一方、塵粒子に対して耐性を示す滑らかな外面と同様に、保護のための機械的に強い外側のレンズに結果としてなる。
サブマウント226は、LED構造体を単一化するために小立方体にされる。上記例のLEDは、例えば3000―4000K以内の暖かい白色光を放射する。何れの他の蛍光体も、シリコーンの蛍光体及び蛍光体プレートのために用いられる。
色温度は、テストの後それらの色特性に従って、モールドされた蛍光体プレート218をビニングすることによって、更に制御されることができる。サブマウント226上のLED224は、テストされ、それらの色特性にしたがって、分類される。ビニングされたモールドされた蛍光体プレート218は、目標色温度を達成するため特定のLEDに対して選択される。
図41Eは、LED224に付着されるオーバーモールドされた蛍光体プレート218の他の実施例を例示する。図41Eにおいて、モールドされた蛍光体プレート218は、シリコーン又は熱を使用して、シリコーン側でLED224に付着される。
蛍光体プレートがモールドされる前に小立方体にされることを除いては、図42Aから42Eは、図41Aから41Eと類似している。蛍光体シートは、付勢LEDとほぼ同一サイズの蛍光体プレートをつくるために、先ずのこ引きされるか割られる。
図42Aは、力で、又は、溶媒で容易に剥がすことができる何らかの適切な接着剤を使用して、バックプレート222に一時的にマウントされているセラミック蛍光体プレート228の二次元アレイを例示する。バックプレート222及び蛍光体プレートの特徴は、図41A〜41Eと同じでもよい。
図42Bにおいて、モールド230のくぼみ229は、赤い蛍光体粒子232を含む液体シリコーン231で満たされる。従来の非粘着性分離フィルム(図示せず)は、共形的にモールドをコーティングして、後で、モールドされたシリコーンが強く引っ張ることなく除去されることを可能にする。蛍光体、シリコーン及びモールドの特徴は、上記のものと類似している。
バックプレート222及びモールド230は、プレート228をシリコーン231に漬けるように接合される。バックプレート222及びモールド230は一緒に固定され、真空は構造体周辺でつくられ、シリコーン231は圧縮下にある。シリコーン231は、熱又はUVによって硬化される。バックプレート222及びモールド230は、分離フィルムによって補助されて、分離される。
図42Cにおいて、自動選択及び場所アームは、バックプレート222から各モールドされたプレート234を取り外し、サブマウント・ウェーハ238にマウントされる青色LED236の一番上の表面にモールドされたプレート234を付着する。サブマウント238は、図4に示されるアレイと類似の二次元アレイの何百もの青色LED236を含む。サブマウント238は、概してセラミックであり、LEDごとにパワー供給源に取付けのための金属トレース及び電極を含む。LED236との蛍光体プレート228の粘着は、低融解温度ガラス、シリコーン、エポキシ、他の透明な接着剤又は熱及び圧力によってもよい。
一つの実施例において、後で詳しく述べられるように、モールドくぼみ229の形状は、色温度対LED/プレートの組合せによって放射される光の角度の不均一性を補償するために、コンピュータ・モデリングによって決定される。
図42Dにおいて、クリアなシリコーン・レンズ244は、構造物全体を封入するために、LED236及びモールドされたプレート234にわたってモールドされる。図1―4及び他の図に関して記述されているプロセスは、外側のレンズ244を形成するのに用いられる。
サブマウント238は、LED構造体を単一化するために小立方体にされる。上記例のLEDは、例えば3000―4000K以内の暖かい白色光を発する。何れの他の蛍光体も、シリコーンの蛍光体及び蛍光体プレートのために用いられることができる。ビニングされて整合させることの効果は、図41A〜41Eに関して説明された。
図42Eは、LEDダイに付着されるオーバーモールドされた蛍光体プレート234の他の実施例を例示する。図42Eにおいて、モールドされたプレート234は、シリコーン又は熱を使用して、レンズ側にLED236を付着される。選択取り出し及び配置プロセスを単純化するために、モールドされたプレートがモールド230にまだある間に、バックプレート222(図42B)はモールドされたプレートから分離される。選択取り出し及び配置アームは、露出したプレートに付着して、モールド230からモールドされたプレートを取り外して、それをLED236上に配置する。
図41A―E及び図42A―Eでは、第1のモールドするステップは、蛍光体プレートを覆うだけである。図43Aから43Dは、第1のモールドステップもLEDを封入するプロセスを示す。
図43Aにおいて、蛍光体プレート228(例えば、YAG)は、サブマウント238上のLEDダイ236に付着される。
図43Bにおいて、モールド250のくぼみ248は、赤い蛍光体粒子254を含む液体シリコーン252で満たされる。上述したように、他の蛍光体も、用いられてもよい。サブマウント238及びモールド250は接合され、シリコーン252は硬化するために加熱される。結果として生じるシリコーンは、上述の理由のために比較的柔らかいか、又は、外側のレンズを形成するために用いられるシリコーンと同じか類似してもよい。
図43Cにおいて、サブマウント238とモールド250とは分離されるので、赤い蛍光体レンズ258が各LED及び蛍光体プレートを封入して、暖かい白色光を作る。
図43Dにおいて、堅いシリコーン・レンズ260は、全てのLED構造体を封入して保護するため、ここで記載されているモールドプロセスを用いて、各LEDの上にモールドされる。すべての実施例のように、外側のレンズ260は、実質的に何らかの光放射パターン(例えばランバート、サイド放射、コリメート等)をつくるために、モールドによってモールドされる。
図44Aから44Cは、より均一の色温度対視野角をつくるモールドプロセスの使用を例示する。
図44Aにおいて、YAG蛍光体262の粉は、共形的にLED236をコーティングし、平坦な蛍光体面に結果としてなる。共形的に蛍光体でLEDをコーティングする1つの態様は、電気泳動的な堆積によってである。電気泳動的な堆積は、デイブ・コリンズ等による米国特許第6,576,488号「Using Electrophoresis to Produce a Conformally Coated Phosphor―Converted Light Emitting Semiconductor」に記載されていて、ここに参照として組み込まれる。図44B及び44Cのプロセスも、例えば図43Aに示されるような蛍光体がプレートである時、適用する。図44B及び44Cのプロセスも、色温度対角度はより均一であることが望ましい何れのLED構造体にも適用する。
図44Aに示される色温度グラフは、0%の視野角での蛍光体で被覆したLEDの色温度が他の視野角でより冷たい(より高いCCT又はより青い)ことを示す。これは、面に垂直に進むとき、青色光が蛍光体を通る最少の距離で進むからである。結果として、LEDが異なる角度から見られると、白色光は色を変える。示される色温度の範囲が3000Kから3500Kまであるにもかかわらず、温度は特定の蛍光体及びコーティングの厚みに依存してより高い(例えば、最高6000Kまで)か又は低くなる。
すべての角度で青色光が蛍光体を通って同じ距離進むように厚みが変化する、蛍光コーティングを正確に形成することは、非常に困難であろう。
この色対角度不均一性を補償するために、補償蛍光体の実質的に均質の分布を含むモールドレンズが、用いられる。一つの実施例において、赤い蛍光体は、図43Bのモールド250と同様、モールドの液体シリコーンにおいて分散される。モールドの寸法は、実際の色温度対修正されるべきLEDの角度特性に基づいてコンピュータ・モデリングによって決定される。通常、モールドは凸面であり、正確な幅、深さ、湾曲及び蛍光体密度はコンピュータ・モデリングにより決定される。蛍光コーティングを持つLEDは、液体シリコーンに入れられ、シリコーンが硬化される。モールドレンズを持つLEDは、モールドから取り外される。
図44Bは、赤い蛍光体を含む補償モールドレンズ264の1つの実施例を例示する。所望の色温度に依存して、他の補償蛍光体が、用いられてもよい。色温度対角度のグラフによって見られるように、平均温度は赤い蛍光体からの付加的な赤い構成要素によって低下され、より均一な色温度対角度をつくりながら、温度デルタ(差)は500K(図44Aから)から250Kまで下がる。レンズ264は、LEDに対する応力を低減するために、比較的柔らかいのが好ましい。
図44Cにおいて、堅いシリコーン・レンズ268は、先に述べた技術を使用して、色補償レンズ264にわたってモールドされる。
図45Aは平坦で蛍光物質層のないLED236を例示し、ここで、モールドは色温度対角度の均一性を改良する蛍光体がロードされたレンズ272を形成するためのカスタム形状である。コンピュータ・モデリングは、LEDの色対角度に基づいた蛍光体密度及びモールドの最適形状を決定するために用いられる。通常、レンズ272の形状は、青色光を広範囲の角度にわたってレンズのほぼ同じ厚みを通って進ませる。図45Aに示されるより、レンズの相対寸法は、非常に大きいだろう。レンズ272の蛍光体は、YAG及び赤の組合せ又は何らかの他の蛍光体である。レンズの蛍光体分布は、実質的に均質である。複数の重なり合うモールドレンズは、所望の色特性を達成するためにも用いられる。
堅い外側のレンズ276は、より柔らかい補償レンズ272にわたってモールドされる。レンズ276は、クリアであるか又は蛍光体を含んでもよい。
図45Bにおいて、内側モールドレンズ272はYAG蛍光体を含み、中間のモールドレンズ277は赤い蛍光体を含み、堅い外側のレンズ276は蛍光体を含まない。レンズ272及び277の両方とも、実質的に均質な色温度対角度を供給するために形づくられることができる。他のタイプの蛍光体及び追加の蛍光体がロードされたレンズも、用いられてもよい。場合によっては、色及び色温度対角度に対するより良好な制御が、すべての蛍光体を単一レンズに混入するわけではないことで提供される。クリアな外側のレンズは、一般に光抽出を増大させる。
図46Aから46Dは、LEDダイ及び他のタイプの半導体チップ(例えば一時的な電圧抑制器(TVS)又は光検出器)にわたってレンズをモールドすることを例示する。
図46Aは、LED282の電力導線間に接続されるTVSチップ284及びLED282を示す、サブマウント280の部分を上から見下ろした図である。サブマウント280上の金属トレースは、示されていない。例えば静電放電(ESD)により電圧サージがあると、TVSチップ284の回路は、LED282をバイパスするためにグランドに一時的な電圧を短絡させる。さもなければ、LED282は、損傷を受ける。TVS回路は、よく知られている。出願人の知識では、従来技術のTVS回路は、LEDのために用いられる一部のレンズで封入されていない。図46Aに示されるサブマウント280は、LED及びTVSダイの多くの組合せがマウントされるウェーハの一部である。サブマウント・ウェーハは、LED/TVS対を単一化するために、後でのこ引きされるだろう。
図46Bは、サブマウント280の側面図である。図43B及び他の図に示されるものと類似のモールドは、蛍光体粒子を含む液体シリコーンで満たされるくぼみを持つ。サブマウント・ウェーハ及びモールドが接合されるので、各LED/TVSの対が単一のくぼみのシリコーン内にあり、当該シリコーンは硬化される。サブマウント・ウェーハはモールドから分離され、図46Cの構造体と結果としてなる。モールドされた蛍光体レンズ286は、両方のチップを封入する。使用される蛍光体のタイプ、蛍光体の密度及びレンズ286の形状は、所望の色温度特性により決定される。一つの実施例において、レンズ286の蛍光体は、青色LED282によって付勢されるとき、暖かい白色光を発生させるための赤い蛍光体及びYAGの混合物である。
図46Dに示すように、2回目のオーバーモールドプロセスは、以前示されたプロセスと同様に、モールドされた蛍光体レンズ286にわたってクリアなシリコーン・レンズ288を形成するため実行される。他の実施例と同様に、内側のレンズ286は、外側のレンズ288より好ましくは柔らかい。外側のレンズ288は、実質的に何れかの放射パターンを達成するために光の所望の屈折を供給するように形づくられ、更に完全にチップを封入する。TVSチップ284にわたる外側のレンズ288の部分は、LEDの光放射パターンに対するほとんど効果を持たない。実際の実施例において、2つのチップの厚みは、図46Dに示されるものより、外側のレンズの高さとの関係では、典型的に非常に小さい。例えば、LED282の厚みは120ミクロン(その成長基板を除去して)であり、モールドされた蛍光体レンズ286はLEDにわたって100ミクロンの厚さを持ち、外側のレンズ288はモールドされた蛍光体レンズ286にわたって1000ミクロンの厚さを持つ。
モールドされた蛍光体レンズ286のフットプリントは、半球状の外側のレンズのフットプリントのように丸くされる必要はない。蛍光体レンズ286のフットプリントは、ちょうどLED及びTVSの対をカバーするために直線的である。
すべての実施例のように、外側のレンズは、何らかの色温度(例えば暖かい白)を達成するために、一つ以上の蛍光体タイプを含んでもよい。
外側のシリコーン・レンズが内側シリコーン・レンズにわたって単にモールドされるにもかかわらず、内側のレンズの中間のプラズマ処理が2つのレンズの間の接着力を増大させるということがわかった。プラズマ処理は、わずかにレンズをエッチングして、粗くする。内側のレンズに数分(例えば、2―15分)間の200ワットのプラズマ・パワーをかけることは、2つのシリコーン・レンズの間の接着力がモールド分離フィルムとの外側のレンズの粘着力より大きいことを確実にするのに十分である。プラズマ・パワーは、ほぼ200―600ワットである。プラズマ・ガスは何らかの適切な不活性ガス(例えばアルゴン)であり、プロセスはプラズマをつくることができる何らかの適切な室において実行される。図46Cは、任意のプラズマ289のステップを示す。前記プラズマ・ステップは、2つ以上のオーバーモールドされたレンズが形成される何れかの実施例において実行される。外側のレンズとしてクリアなシリコーン・レンズを供給することは、蛍光体がロードされたシリコーンの屈折率より低いその屈折率のため、24%光出力を増加させることを示した。
図46A〜46Dにおいて、LEDは青、シアン、緑等のような色でよく、複数のLEDは非LEDチップでオーバーモールドされてもよい。
図47Aから47Cは、異なる色の複数のLEDにわたって単一のレンズをモールドするステップを例示する。図47Aは、赤色LED292、緑色LED293及び青色LED294を含むサブマウント290の一部を上から見下ろした図である。金属トレースは、示されていない。サブマウント・ウェーハは、各グループがRGB LEDの相対的な輝度レベルに依存して所望の色温度を持つ白色光を作る、多くのグループを含む。
各色の配置、色及び比率は、制限されない。例えば、LEDのグループは、白いLEDを含むこともできるか、グループはそれ自身によって、若しくは一つ以上の緑及び青のLEDとともに2―3の赤いLEDを含むか、又は、グループは2つの白いLEDに琥珀のLEDをプラスしたものである。
図47Bにおいて、モールド296は、サブマウント・ウェーハ上のRGB LEDの各グループにわたって単一レンズを形成するように液体シリコーン298で満たされるくぼみ297を持つ。サブマウント290はモールド296に対して固定され、前記シリコーンが硬化される。
図47Cにおいて、サブマウント・ウェーハとモールド296とは、LEDのグループにわたるモールドレンズ300を形成するために分離される。一つの実施例において、レンズ300は、一つ以上の蛍光体を含む。サブマウント・ウェーハは、その後単一化されるか、又はサブマウント・ウェーハ全体が、LEDディスプレイユニットを形成する。何れの数及び色のLEDも、単一のオーバーモールドされたレンズによって封入されてもよい。
図48Aから48Cは、LED上のレンズをオーバーモールドし、次にコリメータレンズをオーバーモールドされたレンズの平坦部分に付着するステップを示す。
図48Aにおいて、サブマウント・ウェーハ310は、LED312のアレイをマウントした。各LEDダイの底部電極は、金のボール314を使用して、サブマウント上の金属コンタクト・パッドに、超音波で接着される。他の結合技術が、用いられることもできる。サブマウント・ウェーハ310はモールドに固定され、各LEDは前に液体シリコーンで満たされたモールドくぼみ内にある。前記くぼみは、図48Aに示されるモールドされたシリコーン・レンズ316の形状にある。前記シリコーンは、続いて硬化される。サブマウント・ウェーハ310は、モールドから分離される。各モールドレンズ316は、LEDを封入して、平坦な一番上の部分を持つ。
予備モールドされたフレネルレンズ318は、シリコーン接着剤319(エポキシ)、又は、他の手段によってモールドレンズ316の前記平坦な部分に付着される。フレネルレンズ318は、光を平行にする非常に微細な特徴を持つ。フレネルレンズがモールド内のパターンによってモールドレンズ316に直接形成されることができない理由は、分離フィルム(それは、モールドの上に50ミクロン層を形成する)が、モールド内の斯様な微細なパターンに輪郭を描くことができないということである。前記モールドが非粘着性物質の中で形成され、リリース層が必要でない場合、フレネルレンズはレンズに直接モールドされる。別々のフレネルレンズ318は、軟化されたプラスチック材料を打ち抜くか又は他の手段を使用することによって形成される。一つの実施例において、フレネルレンズ318は、円形のフットプリントを持つ。
モールドレンズ316の壁部分320は、各フレネルレンズ318を囲んで、ほぼ、フレネルレンズ318と同じ高さにある。この壁部分320は、フレネルレンズ318のサイドから放射される何れの光も上方へ反射する角度あるサイドを持つ。加えて、壁部分320は、フレネルレンズ318がぶつけられることから保護する。モールドレンズに壁部分を供給することは任意であり、モールドレンズは他のレンズを上部で支える何れかの形状でありえる。
サブマウント・ウェーハ310は、コリメートされた光源を単一化するため、のこ線322に沿ってのこ引きされる。一つの実施例において、図48A―Cの光源が、図16の携帯電話カメラのためのミニチュア・フラッシュとして使われる。他のタイプのコリメータレンズが、用いられてもよい。
図48Bに示すように、モールドレンズも、蛍光体を含んでもよい。図48Bにおいて、LEDは青色光を放射し、レンズ330をモールドするとき、異なるタイプの蛍光体326、328は液体シリコーンに分散される。一つの実施例において、蛍光体は、白色光を発生させるため、青色光に少なくとも赤及び緑色成分を供給する。一つの実施例において、蛍光体は、暖かい白色光のための赤い蛍光体とYAG蛍光体とを含む。
図48Cは、青色LED312が蛍光体334(例えばYAG)で整合的に被覆されている実施例を例示する。前記被覆は、電気泳動を使用してなされる。モールドされたシリコーン・レンズ336は、暖かい白色光を生じるために、赤い蛍光体338を含む。
図49A及び49Bは、AlInGaN LEDダイの下で空隙を充填するためにシリコーン・ゲル・アンダーフィルの使用を例示し、ここで、前記LEDは堅い外側のレンズによって封入される。図49Aにおいて、LED340は、その成長基板(例えば、サファイヤ)が上方へ向いて、サブマウント342にマウントされるので、LED340上の金属コンタクト344がサブマウント342上の金属トレース346に接着される。前記金属トレースは、サブマウント342の底部上のワイヤ・ボンド・パッド又は表面実装パッドに、ここを終端として接続する。アンダーフィル材料348(例えばシリコーン・ゲル)が、LED340とサブマウント342との間につくられる空隙を充填するために、LED340の下に注入される。ゲルは、続いて硬化される。硬化されたゲルは、比較的柔らかいままである。
エキシマレーザ光線は透明な成長基板に印加され、GaN LED面を暖めて、ガリウム及び窒素ガスをつくるために表面でGaNを分離する。窒素はサファイア基板をGaN LEDから持ち上げるために膨張し、前記サファイア基板は除去される。相当な下方への圧力がこのプロセスの間つくられ、アンダーフィル348はLEDの破損を防止するために機械的に薄いLED層を支持する。アンダーフィル348も、LEDの動作の間、LEDからサブマウントまで熱を伝導するのを助ける。
クリアであるか蛍光体がロードされた、堅いシリコーン・レンズ350は、ここに記載されている技術を使用して、LEDにわたってモールドされる。アンダーフィル348は、モールド内の液体の外側のレンズ材料が空所に入るのを防止する。これは、動作中LEDに対する熱応力を低減し、さもなければ、サブマウントからLEDが離昇することになる。前記アンダーフィルは、光学特性について懸念なく、その機能を実行するために最適化されることができる。
図49Bは、サファイヤ成長基板354がLED層上に残される実施例を例示する。LEDが加熱されて、動作の間、冷却するとき、アンダーフィル356は、すべての空所が満たされることを確実にし、LED/基板と堅い外側のモールドレンズ358との間の圧力を低減するためにLED340及び基板354の側面に沿って堆積される。更に、アンダーフィルが透明でない場合、側面に沿った前記アンダーフィルはサイド放射を妨害し、これは、蛍光物質層が基板の一番上にある場合、有利である。すべての実施例のように、外側のレンズは、蛍光体がロードされてもよい。
本願明細書において記載されているすべての実施例において、アンダーフィル・シリコーン・ゲルが、使用されてもよい。更に、紫外線を放射するLEDが本願明細書において記載される青色LEDの代わりに用いられてもよく、青い蛍光体がモールドレンズにおいて分散されてもよい。
本発明の具体例が図と共に記載されると共に、改変と変更態様がそのより広い態様の本発明を逸脱しない範囲でなされることは当業者にとって明らかであり、従って、添付の請求の範囲は、すべてそれらの範囲の中で本発明の真の精神及び範囲の内にあるような改変と変更態様とを含む。
Claims (50)
- 青色又はUV光を放射する発光ダイオード(LED)をサブマウント上に供給するステップと、実質的に平坦な蛍光体層を供給するステップと、中間レンズに対応するくぼみを持つモールドを供給するステップと、蛍光体を含む液体レンズ材料で前記くぼみを充填するステップと、充填する前記ステップの後、少なくとも前記蛍光体層を前記モールド内の前記液体レンズ材料に漬けるステップと、前記蛍光体層にわたって蛍光体がロードされたレンズを形成するために前記液体レンズ材料を硬化するステップと、前記LEDにわたって前記蛍光体層を供給するステップとを有するLED構造体を形成するための方法。
- 前記蛍光体層は、少なくとも前記蛍光体層を前記液体レンズ材料に漬ける前記ステップの前に、前記LEDに付着される蛍光体プレートであり、少なくとも前記蛍光体層を前記液体レンズ材料に漬ける前記ステップが、前記LED及び前記蛍光体プレートを封入するために前記LEDと前記LEDに付着された前記蛍光体プレートとを前記液体レンズ材料に漬けるステップを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光体層は、少なくとも前記蛍光体層を前記液体レンズ材料に漬ける前記ステップの後に、前記LEDに付着される蛍光体プレートであり、前記蛍光体層を含む前記蛍光体層がロードされたレンズは、前記蛍光体層がロードされたレンズが形成された後に前記LEDに付着される、請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光体プレートを含む前記蛍光体層がロードされたレンズが、前記LEDに隣接する蛍光体プレートを持つLEDに付着される、請求項3に記載の方法。
- 前記蛍光体プレートを含む前記蛍光体層がロードされたレンズが、前記LEDに隣接するレンズを持つLEDに付着される、請求項3に記載の方法。
- モールドくぼみ内の液体レンズ材料に前記蛍光体層がロードされたレンズ及び前記LEDを漬けることによって、前記蛍光体層がロードされたレンズ及び前記LEDにわたってクリアなレンズをモールドし、その後前記液体レンズ材料を硬化するステップをさらに有する、請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光体層がYAG蛍光体を含み、前記蛍光体層がロードされたレンズ内の前記蛍光体が赤の蛍光体を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光体層が前記液体レンズ材料に漬けられたときにバックプレートに付着される蛍光体プレートである、請求項1に記載の方法。
- 前記LEDに付着された前記蛍光体層を持つ前記LEDの色温度対視野角を決定し、その後前記色温度対視野角の均一性を増大するために前記モールドくぼみを形作るステップを更に有する、請求項1に記載の方法。
- 前記蛍光体層は、少なくとも前記蛍光体層を前記液体レンズ材料に漬ける前記ステップの前に、前記LEDを共形的にコーティングする蛍光体層である、請求項1に記載の方法。
- 前記LED、前記蛍光体層及び前記蛍光体がロードされたレンズからの光の組み合わせが白色光を作る、請求項1に記載の方法。
- 前記LEDは複数の同質のLEDと並んでサブマウントにマウントされている請求項1に記載の方法であって、少なくとも前記蛍光体層を前記モールド内の前記液体レンズ材料に漬ける前記ステップは、前記サブマウントの全てのLEDがモールドのくぼみ内の前記液体レンズ材料に同時に漬けられるステップを有する、方法。
- 青い光又はUV光を放射するサブマウント上の発光ダイオード(LED)と、前記LEDの上に横たわる実質的に平坦な蛍光体層と、前記蛍光体層にわたってモールドされた蛍光体がロードされたレンズと、前記LED及び蛍光体がロードされたレンズにわたってモールドされた、蛍光体を含まないクリアなレンズとを有するLED構造体。
- 前記蛍光体層は前記LEDに付着された蛍光体プレートである、請求項13に記載の構造体。
- 前記蛍光体がロードされたレンズは、前記LEDに隣接する蛍光体層を持つLEDに付着される、請求項13に記載の構造体。
- 前記蛍光体層がYAG蛍光体を含み、前記蛍光体層がロードされたレンズ内の前記蛍光体が赤の蛍光体を有する、請求項13に記載の構造体。
- 前記蛍光体層との組み合わせの前記LEDは、色温度対視野角の特性を持ち、前記蛍光体がロードされたレンズが前記色温度対視野角の均一性を増大させるように形状される、請求項13に記載の構造体。
- 前記蛍光体層は、前記LEDを共形的にコーティングする蛍光体層である、請求項13に記載の構造体。
- 前記LED、前記蛍光体層及び前記蛍光体がロードされたレンズからの光の組み合わせが白色光を作る、請求項13に記載の構造体。
- 青色又はUV光を放射する発光ダイオード(LED)をサブマウント上に供給するステップと、中間レンズに対応するくぼみを持つモールドを供給するステップ、蛍光体を含む液体レンズ材料で前記くぼみを充填するステップ、充填する前記ステップの後、前記LEDを前記モールド内の前記液体レンズ材料に漬けるステップ、前記LEDにわたる蛍光体がロードされたレンズを形成するために前記液体レンズ材料を硬化するステップ、及び前記蛍光体がロードされたレンズにわたってクリアなレンズをモールドするステップを有する処理により前記LEDにわたって前記蛍光体がロードされたレンズをモールドするステップとを有する、LED構造体を形成する方法。
- 前記蛍光体がロードされたレンズが第1の蛍光体を含む第1の蛍光体がロードされたレンズである、請求項20に記載の方法であって、第1の蛍光体がロードされたレンズにわたって第2の蛍光体がロードされたレンズをモールドするステップを更に有し、第2の蛍光体がロードされたレンズが第1の蛍光体とは異なる第2の蛍光体を含む、方法。
- 第1の蛍光体がロードされたレンズを持つ前記LEDの色温度対視野角を決定し、その後前記色温度対視野角の均一性を増大するため、第2の蛍光体がロードされたレンズをモールドするステップを更に有する、請求項21に記載の方法。
- 青い光又はUV光を放射するサブマウント上の発光ダイオード(LED)と、前記LEDにわたって第1の蛍光体を含むモールドされた第1の蛍光体がロードされたレンズと、第1の蛍光体がロードされたレンズにわたって第2の蛍光体を含むモールドされた第2の蛍光体がロードされたレンズと、第2の蛍光体がロードされたレンズにわたって蛍光体を含まないモールドされたクリアなレンズとを有するLED構造体。
- 第1の蛍光体が第2の蛍光体とは異なる、請求項23に記載の構造体。
- 第1の蛍光体がロードされたレンズとの組み合わせの前記LEDが色温度対視野角の特性を持ち、第2の蛍光体がロードされたレンズが前記色温度対視野角の均一性を増大するように形状される、請求項23に記載の構造体。
- サブマウントにマウントされる一つ以上の半導体ダイと並んだ前記サブマウント上の発光ダイオード(LED)と、前記LED及び前記一つ以上の半導体ダイにわたってモールドされた単一のレンズとを有するLED構造体。
- 前記LED及び前記一つ以上の半導体ダイの上に横たわるモールドされた蛍光体がロードされたレンズを有し、前記単一のレンズが前記蛍光体がロードされたレンズにわたってモールドされている、請求項26に記載の構造体。
- 前記一つ以上の半導体ダイが一つ以上のLEDを有する、請求項26に記載の構造体。
- 前記一つ以上の半導体ダイが異なる色を放射する複数のLEDを有する、請求項26に記載の構造体。
- 前記一つ以上の半導体ダイが一時的な電圧抑制器を有する、請求項26に記載の構造体。
- 前記一つ以上の半導体ダイがフォトダイオードを有する、請求項26に記載の構造体。
- 前記LED及び前記一つ以上の半導体ダイにわたってモールドされた単一のレンズが中心軸に対して対称的でない、請求項26に記載の構造体。
- 前記単一のレンズは、前記LED及び前記一つ以上の半導体ダイを封入する、請求項26に記載の構造体。
- 基板上にマウントされた発光ダイオード(LED)と、実質的に平坦な上部を持ち、前記LEDにわたってモールドされ前記LEDを封入する第1のレンズと、第1のレンズの実質的に平坦な上部に付着された既製の第2のレンズとを有する、LED構造体。
- 第2のレンズが、コリメートレンズである、請求項34に記載の構造体。
- 第2のレンズが、フレネルレンズである、請求項34に記載の構造体。
- 第1のレンズは、壁部の上部が第2のレンズの上部と実質的に同じ面にあるように、実質的に平坦な上部を囲む当該壁部を持つ、請求項34に記載の構造体。
- 前記壁部が、前記LEDから離れるような前記第2のレンズの側面からの光を反射するように角度をつけられた、請求項37に記載の構造体。
- 第2のレンズの面が前記LEDの面と略同じサイズである、請求項34に記載の構造体。
- 第1のレンズが蛍光体を含み、前記LEDからの光は、前記蛍光体を活性化し、前記蛍光体により生成された光と混合する、請求項34に記載の構造体。
- 白色光を放射する、請求項34に記載の構造体。
- カメラのフラッシュである、請求項41に記載の構造体。
- 第1のレンズは、シリコンを有する、請求項34に記載の構造体。
- サブマウントに発光ダイオード(LED)をマウントするステップであって、前記LED上の少なくとも第1の電極が前記サブマウントの面の少なくとも第2の電極に結合され、空隙が前記LEDと前記サブマウントの前記面との間に存在する、当該マウントするステップと、前記空隙をアンダーフィル材料で充填するステップと、レンズに対応するくぼみを持つモールドを供給するステップと、前記くぼみを液体レンズ材料で充填するステップと、前記充填するステップの後、前記LED及び前記アンダーフィル材料を前記モールド内の前記液体レンズ材料に漬けるステップであって、前記アンダーフィル材料は前記液体レンズ材料が前記空隙に入ることを防止する、前記漬けるステップと、前記LED及びアンダーフィル材料を、モールドされたレンズで封入するため前記液体レンズ材料を硬化するステップと、前記モールドされたレンズを持つ前記LEDを前記モールドから取り除くステップとを有する、LED構造体を形成する方法。
- 透明な基板が前記LEDの上部の面を形成し、前記アンダーフィル材料の部分は、前記基板を含む前記LEDの側面に堆積される、請求項44に記載の方法。
- サブマウントに発光ダイオード(LED)を供給するステップと、第1のくぼみを持つ第1のモールドに第1のレンズに対応する形状を供給するステップと、第1のくぼみを第1の液体レンズ材料で充填するステップと、前記充填するステップの後で、前記LEDを第1のモールドの第1の液体レンズ材料に漬けるステップと、前記LEDにわたって第1のレンズを形成するために第1の液体レンズ材料を硬化するステップと、第1のレンズを持つ前記LEDを第1のモールドから除去するステップと、第1レンズをプラズマ処理するステップと、第2のくぼみを持つ第2のモールドに第2のレンズに対応する形状を供給するステップと、第2のくぼみを第2の液体レンズ材料で充填するステップと、第2のくぼみに充填するステップの後に、前記LED及び第1のレンズを第2のモールド内の第2の液体レンズ材料に漬けるステップと、前記LEDにわたる第2のレンズを形成するために第2の液体レンズ材料を硬化するステップと、第1のレンズ及び第2のレンズを持つ前記LEDを第2のモールドから除去するステップとを有し、前記プラズマ処理するステップが第1のレンズと第2のレンズとの接着性を増大させる、LED構造体を形成する方法。
- 第1のレンズ材料が第2のレンズ材料と同じである、請求項46に記載の方法。
- 第1のレンズが蛍光体を含む、請求項46に記載の方法。
- 前記プラズマ処理が、第1のレンズをエッチングするために約200−600ワットの間で第1のレンズをプラズマ処理することを有する、請求項46に記載の方法。
- サブマウント上の発光ダイオード(LED)と、プラズマ処理された外面を持つ、前記LEDにわたってモールドされた第1のレンズと、第1のレンズにわたって直接形成されたモールドされた第2のレンズとを有し、第1のレンズのプラズマ処理された外面が第1のレンズと第2のレンズとの接着性を増大する、LED構造体。
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