JP2010533975A - 一体型定電流駆動回路を有するｌｅｄ - Google Patents

Abstract

電源電圧をＬＥＤの動作電圧と一致させるための集積回路を含むＬＥＤパッケージ、そのような集積回路を含むＬＥＤ、そのようなパッケージを含むシステム、および電源電圧と動作電圧とを一致させる方法が説明される。集積回路は、一般に電力コンバータおよび定電流回路を含む。ＬＥＤパッケージは、一体化された素子または外付け素子のためのピン配列、変圧器および整流器、または整流回路などの他の能動素子または受動素子も含んでよい。外付け素子は、ＬＥＤの電流レベルまたはＬＥＤが発した光の特性を調整するための制御システムを含むことができる。ＬＥＤに電源および電流制御素子を組み込むと、使用するデバイス固有素子の数がより少ない比較的小さなＬＥＤの製造を提供することができる。

Description

本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、発光デバイスおよび一体型駆動エレクトロニクスを有する発光デバイスを製作する方法に関する。

発光ダイオードおよびレーザダイオードは、十分な電圧の印加によって光を発生することができる周知の固体電子デバイスである。発光ダイオードおよびレーザダイオードは、一般に発光デバイス（ＬＥＤ）と称されることがある。発光デバイスは、一般に、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの基板上で成長した窒化ガリウム（ＧａＮ）などのエピタキシャル（ｅｐｉ）層で形成されたｐｎ接合を含む。ＬＥＤによって発生する光の波長分布は、ｐｎ接合を形成する材料およびデバイスの活性領域を含む薄いエピタキシャル層の構造に依存する。汎用の高性能ＬＥＤは、一般に２種類のＩＩＩ〜Ｖ族の半導体材料から製作される。紫外線から青緑色の色範囲向けにＩＩＩ族の窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）ベースの材料が用いられ、黄色から近赤外線の色範囲向けにＩＩＩ族の砒化リン化物（ＩＩＩ−ＡｓＰ）が用いられる。

高い破壊電界、広いバンドギャップ（室温の窒化ガリウム（ＧａＮ）で３．３６ｅＶ）、大きな伝導帯オフセット、および飽和電子の高いドリフト速度を含む材料特性の独特な組合せのために、ＩＩＩ族の窒化物ベースの材料系で形成されたＬＥＤへの関心が最近大いに高まっている。ドープされ、活性な層が、一般にシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、およびサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）などの様々な材料で製作された基板上に形成される。ＳｉＣウェハは、ＩＩＩ族の窒化物に調和する似通った結晶格子を有し、このことが、より高品質のＩＩＩ族の窒化膜をもたらすので、これらのタイプのヘテロ構造向けに好まれることが多い。ＳｉＣは、非常に高い熱伝導率も有し、その結果、ＳｉＣ上のＩＩＩ族の窒化物デバイスの総出力電力が、（サファイアまたはＳｉ上に形成された、いくつかのデバイスの場合のように）ウェハの熱抵抗によって制限されることがない。また、半絶縁のＳｉＣウェハが利用可能であることにより、デバイスの絶縁および寄生容量の低減のための能力がもたらされ、汎用デバイスが実現可能になる。

ＬＥＤは、電流シンクデバイスであり、効率的で安定した動作のために（例えば出力の輝度および色をもたらし、維持するために）、一般に、直流の定電流電源を必要とする。電子システムの電圧源をＬＥＤの必要な電圧に一致させることができる定電流電源は、多くの形態をとることができるが、能動素子（例えばトランジスタ、発振器、演算増幅器）ならびに線形および非線形の受動素子（例えばダイオード、サーミスタ、コイル、コンデンサ、抵抗）から成る回路を必要とする。高効率化のために、入力電圧は、ＬＥＤの動作電圧にできるだけ一致させるべきである。

電子デバイス内で一般に利用可能な電源は、電池、燃料電池、または交流主電源から直流電圧を供給するための整流型電源もしくはスイッチング電源などの電圧源である。ＬＥＤ回路は、一般に、コイルおよびコンデンサに接続された１つまたは複数のトランジスタ、発振器、または増幅器から成り、定電流をもたらす。現行のＬＥＤ技術の電源（ソース）および電流制御素子は、ＬＥＤから物理的に分離され、また、これらの技術は、電源および制御要素に関して以下の１つまたは複数の不利点を抱えている。

（ａ）一般に、ソースの電圧がＬＥＤの動作電圧と一致しない。

（ｂ）ＬＥＤの動作電圧は、同一の製造業者からの、同一の部品タイプおよびロットのものでさえ、通常、電圧源動作が可能になるのに十分には一致しない。

（ｃ）定電流回路の設計に慣れていない可能性がある潜在的ＬＥＤユーザにとって、ＬＥＤ外部の駆動回路の実現は、問題となることがある。

（ｄ）場所が制限された用途では、ＬＥＤの外部に電源を与えることができない。

米国再発行特許第３４８６１号明細書 米国特許第４９４６５４７号明細書 米国特許第５２０００２２号明細書

簡単に、また一般論として、本発明は、電子システムの電圧源をＬＥＤの必要な動作電圧に一致させるための集積回路を対象とする。電気的および／または光接続を行うための端子を持つ電子部品を収容する比較的小さな容器を有するように、一体型ＬＥＤパッケージを製作することができる。それによって、本発明は、ソース電圧をＬＥＤの動作電圧と一致させるためにソース電圧を操作する手段を提供し、いかなる特定タイプのＬＥＤに対しても、個別の電源または電流制御回路を有する、あるいは設計する必要性を解消する助けになる。

本発明は、一般的な照明の照明器具、持ち運び可能な電子デバイス、および個人の照明を制限なしで含む、照明を必要とする多種多様な状況で用いることができる。

具体的には、本発明は、ＬＥＤ／能動駆動回路に加えて必要な外付け受動素子といった、より少ない構成部分へ、ＬＥＤの電源および電流制御素子を組み込む。電源回路のうちいくつかをＬＥＤに組み込むと、定電圧電源を有するＬＥＤの使用が簡単になる。例えば、潜在的ＬＥＤユーザは、個別の電源または電流制御回路を設計する、または有する必要がないことになる。依然として、特定のデバイスまたはデバイスタイプ向けに利用可能な入力電圧およびＬＥＤの必要な電流駆動に適する受動素子を選択する必要があるが、これは、一般に、電源回路全体を設計するより容易なはずである。

いくつかの態様のうちの１つでは、本発明は発光デバイスのパッケージに関し、少なくとも１つのＬＥＤ、少なくとも１つの電圧レベルコンバータ、および少なくとも１つの定電流回路が電気的に接続されてパッケージに組み込まれる。別の態様では、このデバイスは、少なくとも１つの電気的コネクタをさらに含む。別の態様では、このコネクタは、少なくとも１つの電源への電気的接続をもたらす。別の態様では、このコネクタは、少なくとも１つの制御システムへの電気的接続をもたらす。さらに別の態様では、この制御システムは、少なくとも１つのＬＥＤ電流に対する制御をもたらす。別の態様では、この制御システムは、ＬＥＤが発した光の少なくとも１つの特性に対する制御をもたらす。

別の態様では、本発明は、ＬＥＤに組み込まれ、ＬＥＤに電気的接続された、少なくとも１つの一体型電圧レベルコンバータおよび少なくとも１つの定電流回路を有するパッケージ化ＬＥＤに関する。さらに別の態様では、本発明はパッケージ化ＬＥＤを含む発光システムに関する。別の態様では、この発光システムは、少なくとも１つの電源を含む。さらに別の態様では、この発光システムは、少なくとも１つの制御システムを含む。別の態様では、この制御システムは、パッケージ化ＬＥＤに接続され、ＬＥＤが発した光の少なくとも１つの特性に対する制御をもたらす。

別の態様では、本発明は、ＬＥＤに組み込まれ、ＬＥＤに電気的接続された、少なくとも１つの一体型電圧レベルコンバータおよび少なくとも１つの定電流回路を含むＬＥＤに関する。

別の態様では、本発明は、ＬＥＤに組み込まれ、ＬＥＤに電気的接続されて、ＬＥＤに電圧レベルを供給する駆動回路に対して、電源から電圧レベルを供給することにより、電源電圧をＬＥＤの動作電圧に一致させる方法に関する。別の態様では、この回路によって供給される電圧レベルは、電源によって供給される電圧レベルに類似の、またはそれ未満の電圧レベルである。さらに別の態様では、この回路によって供給される電圧レベルは、ＬＥＤの動作電圧と一致する。

本発明の、これらおよび他の態様および利点が、以下の詳細な説明および一例として本発明の特徴を示す添付図面から明らかになるであろう。

本発明による一体型電源ＬＥＤのブロック図である。 本発明による一体型駆動回路ＬＥＤパッケージの一実施形態の概略断面図である。 本発明による一体型駆動回路ＬＥＤパッケージの別の実施形態の概略断面図である。 一体型駆動回路を有するＬＥＤを含む本発明の一実施形態によるピン配列構成の概略図である。 ＬＥＤと一体化したステップダウンコンバータおよび電流源駆動回路を有する本発明の一実施形態の概略図である。 本発明によるＬＥＤパッケージの一実施形態の断面図である。 本発明によるＬＥＤパッケージの別の実施形態の断面図である。 本発明によるＬＥＤパッケージのさらに別の実施形態の断面図である。

一般に、本発明は、集積回路設計を含むＬＥＤパッケージを説明する。具体的には、本発明は、電源電圧をＬＥＤの動作電圧と一致させるための集積回路を含むＬＥＤパッケージ、そのような集積回路を含むＬＥＤ、そのようなパッケージを含むシステム、そのようなパッケージにおいて電源電圧と動作電圧とを一致させる方法、およびパッケージ化ＬＥＤの発光特性を制御するためのシステムを説明する。集積回路は、一般に、電力コンバータおよび定電流回路を含む。他の実施形態では、パッケージは、内部素子または外付け素子のためのピン配列、変圧器および整流器、または整流回路などの他の能動素子または受動素子も含んでよい。ＬＥＤパッケージに電源および電流制御素子を組み込むと、必要なデバイス固有素子の数がより少ない、より小さなＬＥＤパッケージの製造を提供することができる。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を図面とともに解釈するとき、また特許請求の範囲から、明らかになるであろう。以下の説明は、本発明を実施するために企図された最善の様式を表す本発明の好ましい実施形態を示す。この説明は、限定する意味で解釈されるのでなく、単に、その範囲が添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の一般的な原理を説明する目的でなされる。

後述される実施形態の詳細を扱う前に、いくつかの用語が定義され、あるいは明確にされる。本明細書で用いられる場合、用語「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」またはそれらの他の変形は、排他的でない含有を含むように意図されている。例えば、要素のリストを備えるプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素だけに制限されず、明確に列挙されていない他の要素、あるいはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含んでよい。さらに、それと反対に、「または」は、明確に表明されるのでなければ、排他的論理和ではなく包含的論理和を指す。例えば、条件ＡまたはＢは、Ａが真（または存在する）かつＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）かつＢが真（または存在する）、ならびに、ＡおよびＢの両方が真（または存在する）であることのうちの任意の１つによって満足される。

また、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本発明の要素および素子を説明するために用いられる。これは、単に便利のよいように、また、本発明の一般的な意味を与えるために行われる。この記述は、１つまたは少なくとも１つを含むものと解釈されるべきであり、また、単数は、別様に意味することが明白でなければ複数も含む。

本明細書に用いられる技術用語および科学用語は、別様に定義されなければ、すべて本発明が属する技術の当業者によって普通に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で用いられる定義は、説明される特定の実施形態を指すものであり、また、限定するものと解釈されるべきではなく、本発明は、他の記述されていない実施形態の等価物を含む。本発明の実行またはテストで本明細書に説明されたものに類似または同等の方法および材料を用いることができるが、適当な方法および材料が後述される。さらに、材料、方法、および実施例は、単に例示であり、限定するようには意図されていない。

次に、本発明を説明するが限定するものではない実施形態の、より具体的な詳細に注目する。

本発明は、１つまたは複数の、定電流電源のより小さな能動素子および受動素子がＬＥＤと同じパッケージ内に一体化されているＬＥＤパッケージを提供する。好ましくは、大きな受動素子だけがＬＥＤの外部に残されるように、電源のすべての能動素子ならびに小型化され得る受動素子はＬＥＤパッケージに組み込まれる。しかし、これらの大きな素子が技術的進歩によってさらに小型化されたときに、本発明に従って、これらの素子もＬＥＤと同じパッケージに一体化され得ることが理解される。

本発明による一体型ＬＥＤパッケージ１０の一実施形態が、電圧コンバータ１２、定電流回路１４、およびＬＥＤダイ／チップ（「ＬＥＤ」）１６の３つの機能ブロックを含むものとして図１のブロック図の形で示されている。この図中の矢印は、これらの３つのブロック内で電流が流れ得る方向を示す。この一体型ＬＥＤ構成によって、各ＬＥＤの導入または用途のための個別の電圧コンバータまたは電流制御回路を含有または設計する必要性が解消され、エンドユーザにとって、ＬＥＤの導入および使用がはるかに簡単になる。電圧変換回路および定電流回路に必要な、より大きな素子は、図１の機能ブロック１２または１４に含むことができ、あるいは、他の実施形態では、個別の機能ブロックに含むことができる。

電圧コンバータおよび定電流回路の素子は、本発明によるＬＥＤパッケージ内に様々な手法で配置することができる。これらの素子はＬＥＤと同一の半導体基板上に形成することができ、あるいは１つまたは複数の個別の電力半導体のダイまたは基板（「電力基板」）上に形成することができる。次いで、電力基板は、１つまたは複数のＬＥＤとともに同一の電子パッケージに組み込むことができる。電力基板およびＬＥＤは、垂直配置（例えば積層ダイ）または水平配置などの様々なやり方で配置され得る。

図２Ａは、サブマウント２２、電力基板２４、およびＬＥＤ２６を含む本発明による積層ＬＥＤパッケージ２０の一実施形態を示す。どちらも既知の実装方法を用いて、電力基板２４がサブマウント２２上に実装され、ＬＥＤ２６が電力基板２４上に実装される。結果として得られる構造は、サブマウント２２とＬＥＤ２６との間に電力基板２４を挟んでおり、これらの素子間のワイヤボンド２８が、適切な電気的相互接続をもたらし、これらの素子間で電気信号を伝導させる。

図２Ｂは、積層パッケージ２０内の素子と類似の素子を含む、本発明によるパッケージ３０の別の実施形態を示す。本明細書では、類似の素子については同一の参照数字が用いられる。パッケージ３０は、サブマウント２２、電力基板２４、ＬＥＤ２６およびワイヤボンド２８を含む。しかし、この実施形態では、電力基板２４およびＬＥＤ２６は、サブマウント２２上で水平に配置される。すなわち、ＬＥＤ２６は、サブマウント２２に電力基板２４と隣接して実装される。これらの素子も、本発明による多くの他のやり方で実装され得ることが理解される。

電圧変換回路および定電流回路は、本明細書では詳細に論じない既知の半導体製造プロセスを用いて電力基板上に製作することができる。これらの回路は、既知の材料で製作された基板上の既知の半導体材料系から形成することができる。

本明細書では、ＬＥＤを参照しながら本発明が説明されているが、本発明は、１つまたは複数の半導体層を含むレーザダイオードまたは他の半導体デバイスに適用可能であることが理解される。ＬＥＤの製造および動作は、当技術分野で広く知られており、本明細書では簡単にしか論じない。ＬＥＤの層は既知のプロセスを用いて製作することができ、適当なプロセスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて製造するものである。ＬＥＤの層は、一般に、第１および第２の反対にドープされたエピタキシャル層の間に挟まれた活性層／活性領域を備え、それらのすべてが成長基板上に次々に形成される。バッファ、核形成、接触層および電流拡散層ならびに光抽出層および光抽出要素を含むがこれらには限定されないＬＥＤに、追加の層および要素が含まれ得ることが理解される。活性領域は、単一量子井戸（ＳＱＷ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）、ダブルヘテロ構造または超格子構造を備えることができる。

ＬＥＤ２６の層は、別々の材料系から製作されてよく、好ましい材料系はＩＩＩ族の窒化物ベースの材料系である。ＩＩＩ族の窒化物は、窒素と、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）である周期律表のＩＩＩ族の要素との間で形成された半導体化合物を指す。この用語は、アルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）およびアルミニウムインジウム窒化ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などの第３化合物および第４化合物を指す。好ましい実施形態では、反対にドープされたエピタキシャル層は窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、活性領域はＩｎＧａＮを含む。代替実施形態では、反対にドープされた層は、ＡｌＧａＮ、砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）またはアルミニウムガリウム砒化インジウムリン化物（ＡｌＧａＩｎＡｓＰ）でよい。

成長基板は、サファイア、炭化シリコン、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮなど多くの材料で製作することができ、適当な基板は炭化シリコンの４Ｈポリタイプであるが、３Ｃ、６Ｈおよび１５Ｒのポリタイプを含む他の炭化シリコンポリタイプを用いることもできる。炭化シリコンは、サファイアより、ＩＩＩ族の窒化物に調和するより近い結晶格子などの一定の利点を有し、より高品質のＩＩＩ族の窒化膜をもたらす。炭化シリコンは、非常に高い熱伝導率も有し、その結果、炭化シリコン上のＩＩＩ族の窒化物デバイスの総出力電力が、（サファイア上に形成された、いくつかのデバイスの場合のように）基板の熱散逸によって制限されることがない。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｃ．から入手可能であり、ＳｉＣ基板を作製する方法は、科学文献ならびに特許文献１、特許文献２、および特許文献３に説明されている。

好ましくは蛍光体であるダウンコンバージョン材料によってＬＥＤ２６をコーティングすることができることが、さらに理解される。スピンコーティング、電気泳動堆積、静電堆積、プリント、インクジェットプリントまたはスクリーンプリントなどの様々なプロセスを用いて蛍光体コーティングを施すことができる。本発明によるＬＥＤをコーティングするのに、多くの異なる蛍光体を用いることができる。本発明は、白色光を発するＬＥＤパッケージに特に適合される。本発明による一実施形態では、ＬＥＤ２６は、その活性領域から青色の波長スペクトルの光を発することができ、蛍光体が青色光のいくらかを吸収して黄色を再発光する。ＬＥＤ２６は、青色光と黄色光との組合せである白色光を発する。Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＹＡＧ）などの（Ｇｄ，Ｙ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅシステムベースの蛍光体で製作された変換粒子を用いて広範な黄色スペクトル放射の全帯域が可能であるが、一実施形態では、蛍光体は市販のＹＡＧ：Ｃｅを含む。しかし、他の黄色の蛍光体も用いることができ、また、その他の蛍光体または材料をコーティングに用いることができることが理解される。

サブマウント２２は様々な材料で形成されてよく、好ましい材料は、電気的に絶縁するものである。適当な基板材料は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどのセラミック材料を含むが、これらには限定されない。サブマウント２２は、電気的パターンおよびＬＥＤ実装パッドも含むことができ、ＬＥＤ２６は実装パッドに実装され、電気的パターンは、ＬＥＤ２６への電気的接続のための導電性パスをもたらす。電気的パターンは、ＬＥＤ２６への、直接の電気的接続（ワイヤボンドなし）、またはパターンのうちの１つとＬＥＤとの間の１つまたは複数のボンドワイヤによる電気的接続をもたらす。

前述のように、ＬＥＤを駆動するには、電圧変換または定電流電源のために大きな受動電気素子（例えばコイル、変圧器、コンデンサ）が必要なこともある。他の実施形態では、１次電源がＡＣ（交流）であると、変圧器または整流回路のような、ＡＣからＤＣへの個別の変換デバイスも必要になることがある。いくつかの実施形態では、これらの回路のすべてまたは一部はＬＥＤパッケージに組み込むことができるが、他の実施形態では、これらの素子のサイズがＬＥＤパッケージ自体より大きいことがある。これらの実施形態では、プリント回路基板の導電性パターンを介するものなど既知の相互接続方式を用いてこれらのより大きな外付け素子への外部接続を可能にするピン配列が、ＬＥＤパッケージの一部分として含まれ得る。ピン配列は多くの異なるやり方で構成することができ、図３は、一体型の電圧コンバータおよび定電流回路を有するＬＥＤパッケージ向けのピン配列構成を有する本発明によるＬＥＤパッケージ３０の一実施形態を示している。Ｃ＋のピン３１、Ｃ−のピン３２、Ｌ＋のピン３４、およびＬ−のピン３５が、必要な受動素子に使用され得て、また、ＬＥＤ電流の設定および減光制御を可能にするために、追加のピン配列が必要なことがある。通常のＬＥＤには、比較すると、アノードＶｉｎ＋の３７およびカソードＶｉｎ−の３８の接続しかないはずである。

本発明による様々な実施形態では、電圧コンバータ素子および相互接続の選択は、変換されるべき入力電圧が、所望の動作電流でＬＥＤを駆動するのに必要な電圧より大きいか、より小さいか、あるいは、より大きいものからより小さいものへと変化するのか、といったことに左右される。本発明とともに使用するのに適当なコンバータの限定的でない実施例には、入力電圧がＬＥＤ電圧より大きいときに使用されるステップダウン（バック（ｂｕｃｋ））コンバータ、入力電圧がＬＥＤ電圧より小さいときに使用されるステップアップ（ブースト）コンバータ、入力電圧が、ＬＥＤ電圧を上回る電圧からＬＥＤ電圧未満へ変化することがある状況で（例えば入力電圧を供給する電池が、ＬＥＤ電圧を上回る電圧から始まるが、使用とともにＬＥＤ電圧未満へ低下するときに）使用されるバックブーストコンバータ、ならびにフライングコンデンサまたはチャージポンプ、線形の電圧レギュレータが含まれる。これらの回路は当技術分野で広く知られており、これらの回路の一実施例が図４に示され、以下で論じられる。

本発明の定電流回路は、ＬＥＤダイと直列の限流抵抗器と同じくらい基本的であり得るが、これは、定電流を生成する最も効率的な方法ではないことがある。本発明に適当な他のタイプの定電流回路は、ＪＦＥＴ電流源ならびに演算増幅器を使用する電流検知およびフィードバックを有する線形レギュレータを限定することなく含み、これらのすべては当技術分野で広く知られている。

図４は、ステップダウンコンバータ４２および外付け受動素子４８を含む電圧コンバータ４１を備える本発明によるＬＥＤパッケージ４０の一実施形態の概略図である。パッケージ４０は、定電流源回路４４およびＬＥＤ４６をさらに備える。図示の実施形態では、前述のように、コンバータ４２、ＬＥＤ４６および回路４４がＬＥＤパッケージ４０に組み込まれる。外付けの受動的外付け素子４８は、ＬＥＤパッケージ４０に組み込まれないが、図３に示された前述のピン配列を介するなどしてＬＥＤパッケージ４０に結合することができ、電圧コンバータ４１が完結する。前述のように、変圧器などの大きな受動素子は、技術的進歩によってさらに小型化されるにつれて、ＬＥＤパッケージ４０に一体化され得る。

前述のように、多くの異なる電圧コンバータが本発明で使用され得て、電圧コンバータ４２は、ステップダウン（バック）電圧コンバータを備える。多くの異なる素子が電圧コンバータ４２に使用され得て、電圧コンバータ４２は、図示のように、トランジスタ５０、発振器５２およびダイオード５４を備え、これらは示されたように相互接続されている。外付け素子４８は、多くの異なる素子も備えてよく、図示の実施形態は、コイル５６およびコンデンサ５８を備える。電圧コンバータ４２のステップダウン動作は当技術分野で広く知られており、本明細書では簡単にしか論じない。電圧コンバータ４２のステップダウン動作は、一般に、外付け素子４８上のコイル５６とトランジスタ５０およびダイオード５４の動作との協同からもたらされるものである。発振器５２は、トランジスタ５０がいつオン状態を制御し、オン状態のとき、Ｖ_L＝Ｖ_i−Ｖ_oとなる電圧Ｖ_Lがコイル５０に印加される。このオン状態の間中、コイル５０を通る電流は直線的に上昇し、入力電圧によってダイオード５４に逆バイアスがかかり、その結果、ダイオードを通る電流はない。発振器５２によってトランジスタ５０がオフ状態になるとき、ダイオード５４に順方向バイアスがかかり、コイル５０の電圧Ｖ_Lは、Ｖ_L＝−Ｖ_oである（ダイオードの電圧降下は無視している）。したがって、コイルを通る電流が減少する。この動作から、出力電圧Ｖ_oは、入力電圧Ｖ_iのデューティサイクル（発振器５２のデューティサイクルによって制御される）とともに直線的に変化する。そこで、例えば、出力電圧が入力電圧の４分の１に等しくなるように出力電圧をステップダウンするには、約２５％のデューティサイクルを有する発振器が必要とされることになる。

定電流回路４４は、図示のようにＬＥＤ４６に結合され、ＬＥＤ４６を通って流れる比較的一定の電流を維持する。本発明によれば、多くの異なる定電流回路が使用され得て、図示の回路４４は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）６０を備える。当技術分野で広く知られているように、ＪＦＥＴは、図示のようにゲートをソースに結合することにより、電流源として作用させることができる。次いで、流れる電流は、ＪＦＥＴのＩ_DSSである。上記で論じたように、様々な実施形態で、既知のブーストコンバータなどの様々な電圧コンバータおよび定電流回路を使用することができ、このブーストコンバータも、ＬＥＤおよび電流源を駆動するために入力側からの電圧をより高いレベルへ高めるのに外付けのコイルおよびコンデンサを必要とすることがある。他の実施形態では、ＬＥＤへの供給電流が一定になるように発振器のデューティサイクルを制御するのに、電流検出抵抗ならびに検出およびフィードバックの回路でＪＦＥＴを置換することができる。

本発明は、多くの異なるパッケージタイプで用いることができ、ＬＥＤパッケージ７０の一実施形態が図５に示されている。パッケージ７０は、サブマウント７２、電力基板７４、ＬＥＤ７６、およびワイヤボンド７８を含み、これらは、図２ｂに示されて上記で説明されたものと似ている。パッケージ７０は、ＬＥＤ８０によって発生した光が反射されて、反射光がパッケージ７０からの有効な光放射に寄与することができるように配置された反射カップ８０をさらに備える。反射カップは、ＬＥＤ７６からの光を反射／散乱する材料で製作することができる。プラスチックを含む高溶融温度材料などの多くの異なる材料が用いられ得る。

パッケージ７０は、反射カップ８０内の領域を満たしサブマウント７２の表面を覆うカプセル材料８２、ならびに電力基板７４、ＬＥＤ７６およびワイヤボンド７８も備える。シリコンまたはポリマーを含むがこれらには限定されない多くの異なる材料が、カプセル材料に用いられ得る。カプセル材料８２上にレンズ８４が含まれ、カプセル材料は、好ましくは高い光透過率およびレンズ８４の屈折率と一致もしくはほぼ一致する屈折率を有する高温ポリマーである。レンズは、ガラス、水晶、透明な高温プラスチック、シリコンまたはこれらの材料の組合せなどの多くの異なる光透過材料で製作することができる。レンズ８４は、好ましくはカプセルの材料８２の最上部に付着して配置される。この配置によって、効率的な動作に必要な多数の電子素子を一体化する頑丈なＬＥＤパッケージ７０がもたらされる。

図６は、上記で説明されたＬＥＤパッケージ７０内のものに類似のＬＥＤ７６、ワイヤボンド７８、反射カップ８０、カプセル材料８２、およびレンズ８４を有する本発明によるＬＥＤパッケージ９０の別の実施形態を示す。この実施形態はサブマウント９２も備えるが、電圧コンバータおよび定電流回路素子は、個別の電力基板の代りに、堆積領域９４内のサブマウント９２の一部分として製作される。これらの回路素子は、既知の半導体製造プロセスを用いて製作することができ、サブマウント９２は、半導体材料の形成と互換性がある多くの異なる材料で製作することができる。堆積領域９４は、サブマウント９２の底部に示されているが、他の領域に配置することができる。サブマウント９２は、堆積領域９４からＬＥＤ７６に電気信号を伝達するために導電性バイア９６も備えることができる。サブマウント９２上でＬＥＤ７６の反対側に電圧変換および定電流の回路要素を有することによって、パッケージの動作中の発熱を低減することができる。

図７は、これも、上記で説明されたＬＥＤパッケージ７０内のものに類似のＬＥＤ７６、ワイヤボンド７８、反射カップ８０、カプセル材料８２、およびレンズ８４を有する本発明によるＬＥＤパッケージ１００の別の実施形態を示す。この実施形態も、電圧コンバータおよび定電流回路素子が堆積された堆積領域１０４を有するサブマウント１０２を備える。しかし、この実施形態では、堆積領域は、ＬＥＤ７６と同一のサブマウント１０４表面上にある。ＬＥＤ７６は、図示のように、堆積領域１０４上に直接、電気接触を伴って実装することができ、あるいは、他の実施形態では隣接して実装することができる。

本発明は、光電子デバイス、電子デバイス、および半導体デバイスを含むがこれらに限定されない複数の様々なデバイスタイプを製作するのに用いることができる。本発明によるパッケージの素子の配置または構成は、電力基板もしくは堆積領域、およびＬＥＤによって生じた熱の影響を最小限にするように設計されてよい。熱放散を助長する構成の限定するものではない実施例に、高い熱伝導率を有するチップ素子を使用し、電力基板または堆積領域を前述のようにパッケージの底部に配置するものが含まれる。これらの機構は、電気信号を接続するのにバイアを必要とすることがあるが、回路がＬＥＤから分離されるので、一般に、他のタイプのデバイスパッケージより優れた熱放散を有する。

本明細書で、本発明が、ＬＥＤと組み合わせて使用される単一の電力基板または堆積領域を参照しながら説明されてきたが、複数の電力基板または堆積領域も使用され得ることが理解される。本明細書で説明されたそれぞれのＬＥＤパッケージは、（例えば赤色、緑色および青色の光線を発するために）同一または異なる光の色／波長を発する他の発光体または複数のＬＥＤとともに使用され得ることがさらに理解される。これは、ＬＥＤ向けに、様々な機能素子または電流レベルを必要とすることがある。

本明細書で説明された実施形態および実施例は、本発明の本質およびその実際の用途について説明し、それによって当業者が本発明を製作し、用いることを可能にするために示されたものである。しかし、当業者なら、前述の説明および実施例は、説明および例示だけのために示されていることを理解するであろう。説明された記述は、網羅することまたは開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示の観点から、次の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が可能である。当業者なら、本発明が多くのタイプの照明システムに適用される得る可能性があることを理解するであろう。

Claims (21)

1. 発光デバイスパッケージであって、
   少なくとも１つの動作電圧を有する少なくとも１つのＬＥＤと、
   前記パッケージに組み込まれ、前記ＬＥＤに電気的に接続された、少なくとも１つの電圧レベルコンバータおよび少なくとも１つの定電流回路を備える回路と
   を備えることを特徴とする発光デバイスパッケージ。
2. 前記回路は、駆動回路であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記回路は、前記ＬＥＤへ少なくとも前記１つの動作電圧を供給することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
4. 前記少なくとも１つの電圧コンバータは、直流電圧コンバータ、チャージポンプ、スイッチモード電源、およびそれらの組合せから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
5. 少なくとも１つの変圧器および少なくとも１つの整流器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
6. 少なくとも１つの第１の電気的コネクタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
7. 前記少なくとも１つの第１のコネクタは、少なくとも１つの電源への電気的接続をもたらすことを特徴とする請求項６に記載のパッケージ。
8. 前記少なくとも１つの第１のコネクタは、少なくとも１つの制御システムへの電気的接続をもたらすことを特徴とする請求項６に記載のパッケージ。
9. 前記少なくとも１つの制御システムは、少なくとも１つのＬＥＤ電流に対する制御をもたらすことを特徴とする請求項８に記載のパッケージ。
10. 前記少なくとも１つの制御システムは、前記ＬＥＤが発した光の少なくとも１つの特性に対する制御をもたらすことを特徴とする請求項８に記載のパッケージ。
11. 前記少なくとも１つの制御システムは、シリアルバス、パラレルバス、およびそれらの組合せの少なくとも１つを介して前記パッケージに接続されることを特徴とする請求項８に記載のパッケージ。
12. 請求項１に記載のデバイスパッケージを備えることを特徴とするパッケージ化ＬＥＤ。
13. 請求項１に記載のパッケージを備えることを特徴とする発光システム。
14. 少なくとも１つの電源をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 少なくとも１つの制御システムをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. 前記制御システムは、前期パッケージに接続され、前記ＬＥＤが発した光の少なくとも１つの特性に対する制御をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 前記少なくとも１つの制御システムは、シリアルバス、パラレルバス、およびそれらの組合せの少なくとも１つを介して前記パッケージに接続されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
18. 前記ＬＥＤに組み込まれ、前記ＬＥＤに電気的に接続された、少なくとも１つの電圧レベルコンバータおよび少なくとも１つの定電流回路を備えることを特徴とするＬＥＤ。
19. 電源から駆動回路へ第１の電圧レベルを供給するステップを含む、電源電圧をＬＥＤの動作電圧に一致させる方法であって、
    前記回路は前記ＬＥＤへ組み込まれ、
    前記回路は、前記ＬＥＤに電気的に接続され、前記ＬＥＤへ第２の電圧レベルを供給することを特徴とする方法。
20. 前記第２の電圧レベルは、ほぼ前記第１の電圧レベル未満であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２の電圧レベルは、前記ＬＥＤの前記動作電圧と一致することを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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