JP2011009680A - 発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造、ベース構造及びその製造方法 - Google Patents

発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造、ベース構造及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造を提供する。
【解決手段】
基板ユニットと、発光ユニットと、光反射ユニットと、封止ユニットとを含む。前記基板ユニットは、基板本体とチップ載置領域とを有する。前記発光ユニットは、前記チップ載置領域に電気的に設けられた複数の発光ダイオードチップを有する。前記光反射ユニットは、塗布方式で前記基板本体の上面に取巻いて成形された取巻き式の光反射コロイドを有し、前記取巻き式の光反射コロイドは、前記チップ載置領域に設けられた発光ダイオードチップを取り囲んで、前記基板本体の上方に位置されたコロイド位置制限空間を形成する。前記封止ユニットは、前記基板本体の上面に複数の発光ダイオードチップを覆うように成形された光透過封止コロイドを有し、前記光透過封止コロイドをコロイド位置制限空間内に局限させている。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、発光ダイオード封止構造（ＬＥＤ ｐａｃｋａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ベース構造及びその製造方法に係り、特に、発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造、ベース構造及びその製造方法に関するものである。
電灯の発明は、全人類の生活スタイルを徹底的に変えたとも言える。われわれの生活では電灯がないと、夜間または天気状況が良くない場合、全ての仕事が中断せざるを得ない状況になる。照明に限られると、建物の建築方式或いは人類の生活スタイルが徹底的に変えられる可能性が高く、全人類は、そのような事態に応じて進歩できず、引き続き落後の年代に留まることとなる。
そのため、現在、市販されている照明設備、例えば、昼光電球、オスラム電球、または人々に広く受けられる省電力ランプまでは、いずれも、日常生活に普遍に応用されている。しかしながら、このような電球の大半は、光減衰が早く、電量消費が高く、高熱が発生し易く、寿命が短く、破り易く、或いは、回収し難い等の欠点がある。
上記問題を解決するため、発光ダイオード電球または発光ダイオード灯管が生まれた。従来の発光ダイオード電球または発光ダイオード灯管が使用している発光ダイオードチップは、一般に、白い枠体で発光ダイオードチップの出射光効率を向上させる。しかしながら、従来使用されている白い枠体は、いずれも、成形金型で作製されるので、製作のコストが向上されることだけではなく、白い枠体の形状を変えようとする必要がある場合、成形金型の形状もそれに応じて変更しなければならないので、毎回新しい製品を開発する場合には、成形金型もそれに応じて開発する必要がある。そのため、従来使用されている白い枠体は、変化するのに何らの自由度もないとも言える。
特開２００８−２７７０７３（段落［００１８］、図１参照）
本発明が解決しようとする課題は、発光効率の向上及び出射光角度の制御可能な発光ダイオード封止構造、ベース構造及びその製造方法を提供することにある。本発明は、塗布の方式によって、あらゆる形状をなす取巻き式の光反射コロイド（取巻き式の白色コロイド）を成形し、さらに、前記取巻き式の光反射コロイドにより光透過封止コロイド（蛍光コロイド）の位置を局限し、かつ該光透過封止コロイドの表面形状を調整するので、本発明の発光ダイオード封止構造は、「発光ダイオードチップの発光効率の向上」及び「発光ダイオードチップの出射光角度の制御」が可能である。
前記技術課題を解決するため、本発明にかかる一つの技術方案によると、発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造を提供する。発光ダイオード封止構造は、基板ユニットと、発光ユニットと、光反射ユニットと、封止ユニットとを含む。前記基板ユニットは、基板本体と、前記基板本体の上面に設けられたチップ載置領域とを有する。前記発光ユニットは、前記基板ユニットのチップ載置領域に電気的に設けられた複数の発光ダイオードチップを有する。前記光反射ユニットは、塗布方式で前記基板本体の上面に取巻いて成形された取巻き式の光反射コロイドを有し、前記取巻き式の光反射コロイドは、前記チップ載置領域に設けられた複数の発光ダイオードチップを取り囲んで、前記基板本体の上方に位置されたコロイド位置制限空間を形成する。前記封止ユニットは、前記基板本体の上面に複数の発光ダイオードチップを覆うように成形された光透過封止コロイドを有し、前記光透過封止コロイドはコロイド位置制限空間内に局限されている。
本発明の所定目的を達成するために採択している技術、手段及び効果をさらに了解するため、以下に本発明に関る詳しい説明及び添付図面を参照することにより、本発明の目的や、特徴、特点が深く且つ具体的な了解を得られるが、それらの添付図面が参考及び説明のみに使われ、本発明の主張範囲を狭義的に局限するものではないことは言うまでもないことである。
発光効率の向上及び出射光角度の制御可能な発光ダイオード封止構造、ベース構造及びその製造方法を提供することができる。
図１は、本発明による第１実施例を示すフローチャートである。 図１Ａは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図１Ｂは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図２Ａは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図２Ｂは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図３Ａは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図３Ｂは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図４Ａは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図４Ｂは、本発明による第１実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図５は、本発明による第２実施例を示すフローチャートである。 図５Ａは、本発明による第２実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図５Ｂは、本発明による第２実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図５Ｃは、本発明による第２実施例を示す作製プロセスを示す図である。 図６は、本発明による第３実施例を示す断面図である。 図７Ａは、本発明による第４実施例を示す斜視図である。 図７Ｂは、本発明による第４実施例を示す断面図である。 図８Ａは、本発明による第５実施例を示す斜視図である。 図８Ｂは、本発明による第５実施例を示す断面図である。
図１に合せて図１Ａ〜図４Ｂを参照して、以下に、本発明による第１実施例を詳細に説明する。
図１、図１Ａ及び図１Ｂ（図１Ｂは、図１Ａの断面図であり）に示すように、まず、基板本体１０ａと、該基板本体１０ａの上面に設けられたチップ載置領域（chip placing area）１１ａとを有する基板ユニット１ａを用意する（ステップＳ１００）。基板本体１０ａは、回路基板１００ａと、回路基板１００ａの底部に設けられた放熱層１０１ａと、回路基板１００ａの上面に設けられた複数のボンディングパッド１０２ａと、回路基板１００ａの上面に設けられ前記複数のボンディングパッド１０２ａを露出させる絶縁層１０３ａとを有する。放熱層１０１ａは、回路基板１００ａの放熱効能を増加させるものである。絶縁層１０３ａは、前記ボンディングパッド１０２ａのみを露出させるとともにボンディング領域を制限するための半田レジスト層である。
しかし上記基板本体１０ａに対する説明は、本発明を局限するものではなく、何れかのタイプの基板も、本発明の適用可能な範囲内である。例えば、基板本体１０ａは、プリント回路板、フレキシブル基板、アルミニウム基板、セラミック基板または銅基板のいずれか１つであってもよい。
図１、図２Ａ及び図２Ｂ（図２Ｂは、図２Ａの断面図であり）に示すように、基板ユニット１ａのチップ載置領域１１ａに複数の発光ダイオードチップ２０ａが電気的に設置される（ステップＳ１０２）。言い換えれば、基板ユニット１ａ上に所定のチップ載置領域１１ａを予め区画して、複数の発光ダイオードチップ２０ａを基板ユニット１ａのチップ載置領域１１ａに電気的に配置する。本発明の第１実施例で挙げた例によると、複数の発光ダイオードチップ２０ａは、ワイヤボンディング方式により、基板ユニット１ａのチップ載置領域１１ａに電気的に設けられる。
図１、図３Ａ及び図３Ｂ（図３Ｂは、図３Ａの断面図であり）に示すように、まず、塗布方式で液体コロイド（図示せず）を基板本体１０ａの上面に取巻くように塗布し（ステップＳ１０４）、ここで、液体コロイドは、所定の形状（例えば、円形、方形、長方形等）に任意に取巻くことができ、液体コロイドのチクソトロピー指数（ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ ｉｎｄｅｘ）は、４〜６の範囲であって、液体コロイドを基板本体１０ａの上面に塗布する圧力は、３５０〜４５０ｋｐａであって、液体コロイドを基板本体１０ａの上面に塗布する速度は、５〜１５ｍｍ／ｓであって、液体コロイドを基板本体１０ａの上面に取巻いて塗布する起点と終点とは、同じ位置である。塗布した後、さらに、液体コロイドを固化させて取巻き式の光反射コロイド３０ａを形成させる。取巻き式の光反射コロイド３０ａは、チップ載置領域１１ａに設けられた複数の発光ダイオードチップ２０ａを取り囲んで、基板本体１０ａの上方に位置されたコロイド位置制限空間３００ａを形成する（ステップＳ１０６）。ここで、液体コロイドは、ベーキング方式により硬化され、ベーキングの温度は、１２０〜１４０°Ｃである。且つ、ベーキングの時間は、２０〜４０分である。
また、取巻き式光反射コロイド３０ａの上面は円弧形をなし、基板本体１０ａの上面に対する取巻き式光反射コロイド３０ａの円弧接線Ｔの角度θは、４０〜５０°である。基板本体１０ａの上面に対する取巻き式光反射コロイド３０ａの天井面の高さＨは、０．３〜０．７ｍｍである。取巻き式光反射コロイド３０ａの底部の幅は、１．５〜３ｍｍである。取巻き式光反射コロイド３０ａのチクソトロピー指数は、４〜６である。また、コロイド位置制限空間３００ａの横断面は、円形、楕円形または多辺形（例えば、正方形、長方形等）のいずれであってもよく、本発明の第１実施例には、コロイド位置制限空間３００ａの横断面は円形である。
図１、図４Ａ及び図４Ｂ（図４Ｂは、図４Ａの断面図であり）に示すように、基板本体１０ａの上面に、複数の発光ダイオードチップ２０ａを覆うように光透過封止コロイド４０ａが成形される。ここで、光透過封止コロイド４０ａを、コロイド位置制限空間３００ａ内に局限させ（ステップＳ１０８）、取巻き式光反射コロイド３０ａは、無機添加物が混入された白色熱硬化光反射コロイド（光透過のないコロイド）であり、光透過封止コロイド４０ａの上面は、凸面である。
本発明の第１実施例で挙げた例によると、各発光ダイオードチップ２０ａは、青色発光ダイオードチップであり、光透過封止コロイド４０ａは蛍光コロイドであるので、発光ダイオードチップ２０ａ（青色発光ダイオードチップ）が出射する青色ビームＬ１は、光透過封止コロイド４０ａ（蛍光コロイド）を透過して、昼光ランプに似ているような白色ビームＬ２を発生する。
言い換えれば、取巻き式光反射コロイド３０ａの使用により、光透過封止コロイド４０ａをコロイド位置制限空間３００ａ内に局限させ、ひいて、「光透過封止コロイド４０ａの使用量」を制御することができる。さらに、光透過封止コロイド４０ａの使用量を制御することにより、光透過封止コロイド４０ａの表面形状及び高さを調整し、「発光ダイオードチップ２０ａが発生する白色ビームＬ２の出射光の角度」を制御する。また、本発明は、取巻き式光反射コロイド３０ａの使用により、発光ダイオードチップ２０ａが発生する白色ビームＬ２を取巻き式光反射コロイド３０ａの内壁に投射して反射させ、「本発明の発光ダイオード封止構造の発光効率」を向上させることができる。
図５に合せて図５Ａ〜図５Ｃを参照して、以下に、本発明による第２実施例を詳細に説明する。
図１、図５Ａに示すように、まず、基板本体１０ｂと、基板本体１０ｂの上面に設けられたチップ載置領域１１ｂとを有する基板ユニット１ｂを用意する（ステップＳ２００）。基板本体１０ｂは、回路基板１００ｂと、回路基板１００ｂの底部に設けられた放熱層１０１ｂと、回路基板１００ｂの上面に設けられた複数のボンディングパッド１０２ｂと、回路基板１００ｂの上面に設けられ、ボンディングパッド１０２ｂを露出させる絶縁層１０３ｂとを有する。
図５、図５Ａに示すように、液体コロイド（図示せず）を基板本体１０ａの上面に取巻くように塗布する（ステップＳ２０２）。ここで、液体コロイドは、所定の形状（例えば、円形、方形、長方形等）に任意に取巻くことができる。さらに、液体コロイドを固化させて取巻き式の光反射コロイド３０ｂを形成する。取巻き式の光反射コロイド３０ｂは、チップ載置領域１１ｂを取り囲んで、基板本体１０ｂの上方に位置されたコロイド位置制限空間３００ｂを形成する（ステップＳ２０４）。
また、取巻き式光反射コロイド３０ｂの上面は円弧形をなし、基板本体１０ｂの上面に対する取巻き式光反射コロイド３０ｂの円弧接線Ｔの角度θは、４０〜５０°である。基板本体１０ｂの上面に対する取巻き式光反射コロイド３０ｂの天井面の高さＨは、０．３〜０．７ｍｍである。取巻き式光反射コロイド３０ｂの底部の幅は、１．５〜３ｍｍである。且つ、取巻き式光反射コロイド３０ｂのチクソトロピー指数は、４〜６である。
図５、図５Ｂに示すように、基板ユニット１ｂのチップ載置領域１１ｂに複数の発光ダイオードチップ２０ｂが電気的に設置され（ステップＳ２０６）、且つ、取巻き式光反射コロイド３０ｂは、チップ載置領域１１ｂに設けられた複数の発光ダイオードチップ２０ｂを取り囲んでいる。
図５、図５Ｃに示すように、基板本体１０ｂの上面に複数の発光ダイオードチップ２０ｂを覆うように光透過封止コロイド４０ｂが成形される。ここで、光透過封止コロイド４０ｂをコロイド位置制限空間３００ｂ内に局限させ（ステップＳ２０８）、取巻き式光反射コロイド３０ｂは、無機添加物が混入された白色熱硬化光反射コロイドであり、光透過封止コロイド４０ｂの上面は、凸面である。
本発明の第２実施例で挙げた例によると、各発光ダイオードチップ２０ｂは、青色発光ダイオードチップであり、光透過封止コロイド４０ｂは蛍光コロイドであるので、各発光ダイオードチップ２０ｂ（青色発光ダイオードチップ）が出射する青色ビームＬ１は、光透過封止コロイド４０ｂ（蛍光コロイド）を透過して、昼光ランプに似ているような白色ビームＬ２を発生する。
また、上記作製方法によると、図４Ａ、図４Ｂ及び図５Ｃに示すように、本発明は、基板ユニット（１ａ、１ｂ）と、発光ユニット（２ａ、２ｂ）と、光反射ユニット（３ａ、３ｂ）と、封止ユニット（４ａ、４ｂ）とを含む発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造を提供した。
ここで、基板ユニット（１ａ、１ｂ）は、基板本体（１０ａ、１０ｂ）と、基板本体（１０ａ、１０ｂ）の上面に設けられたチップ載置領域（１１ａ、１１ｂ）とを有する。発光ユニット（２ａ、２ｂ）は、基板ユニット（１ａ、１ｂ）のチップ載置領域（１１ａ、１１ｂ）に電気的に設けられた複数の発光ダイオードチップ（２０ａ、２０ｂ）を有する。
また、光反射ユニット（３ａ、３ｂ）は、塗布方式で基板本体（１０ａ、１０ｂ）の上面に取巻いて成形された取巻き式の光反射コロイド（３０ａ、３０ｂ）を有し、取巻き式の光反射コロイド（３０ａ、３０ｂ）は、チップ載置領域（１１ａ、１１ｂ）に設けられた複数の発光ダイオードチップ（２０ａ、２０ｂ）を取り囲んで、基板本体（１０ａ、１０ｂ）の上方に位置されたコロイド位置制限空間（３００ａ、３００ｂ）を形成する。
また、封止ユニット（４ａ、４ｂ）は、基板本体（１０ａ、１０ｂ）の上面に複数の発光ダイオードチップ（２０ａ、２０ｂ）を覆うように成形された光透過封止コロイド（４０ａ、４０ｂ）を有し、光透過封止コロイド（４０ａ、４０ｂ）はコロイド位置制限空間（３００ａ、３００ｂ）内に局限されている。
また、基板ユニット（１ａ、１ｂ）と光反射ユニット（３ａ、３ｂ）とは、発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能なベース構造を組合し、すなわち、本発明のベース構造は、あらゆる発光素子を持つランプ領域に適用できる。
図６に示すように、本発明の第３実施例が上記第１及び第２実施例との最も大きな違いは、第３実施例では、光透過封止コロイド４０ｃの上面は凹面である点である。勿論、異なる設計要求に応じて、光透過封止コロイド４０ｃの上面を平面にしてもよい（図示せず）。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、本発明の第４実施例が上記第１及び第２実施例との最も大きな違いは、第４実施例では、コロイド位置制限空間３００ｄの横断面は方形である点であるので、第４実施例の発光ダイオード封止構造は、方形に似ているような発光領域を発生することができる。また、基板ユニット１ｄの面積を特に大きくする（放熱面積を増加する）ことで、発光ユニット２ｄの放熱効率を向上させる。
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、本発明の第５実施例が上記第１及び第２実施例との最も大きな違いは、第５実施例では、コロイド位置制限空間３００ｅの横断面は長方形である点であるので、第５実施例の発光ダイオード封止構造は、棒状のような発光領域を発生することができる。また、基板ユニット１ｅの面積を特に大きくする（放熱面積を増加する）ことで、発光ユニット２ｅの放熱効率を向上させる。
以上のように、取巻き式光反射コロイドの使用により、光透過封止コロイドをコロイド位置制限空間内に局限させ、ひいて、「光透過封止コロイドの使用量及び位置」を制御することができ、さらに、光透過封止コロイドの使用量及び位置を制御することにより、光透過封止コロイドの表面形状及び高さを調整し、「発光ダイオードチップが発生する白色ビームの出射光の角度」を制御する。また、本発明は、取巻き式光反射コロイドの使用により、発光ダイオードチップが発生する光ビームを取巻き式光反射コロイドの内壁に投射して反射させ、「本発明の発光ダイオード封止構造の発光効率」を向上させることができる。
以上の説明は、単に本発明の好ましい具体的な実施例の詳細説明及び図面に過ぎず、本発明の特許請求の範囲を局限するものではなく、いずれの当該分野における通常の知識を有する専門家が本発明の分野の中で、適当に変更や修飾などを実施できるが、それらの実施のことが本発明の主張範囲内に納入されるべきことは言うまでもないことである。
１ａ、１ｂ、１ｄ、１ｅ基板ユニット
１０ａ、１０ｂ基板本体
１１ａ、１１ｂチップ載置領域
１００ａ、１００ｂ回路基板
１０１ａ、１０１ｂ放熱層
１０２ａ、１０２ｂボンディングパッド
１０３ａ、１０３ｂ絶縁層
２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｅ発光ユニット
２０ａ、２０ｂ発光ダイオードチップ
３ａ、３ｂ光反射ユニット
３０ａ、３０ｂ光反射コロイド
３００ａ、３００ｂ、３００ｄ、３００ｅコロイド位置制限空間
４ａ、４ｂ封止ユニット
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ光透過封止コロイド
Ｌ１青色ビーム
Ｌ２白色ビーム
Ｔ円弧接線
θ角度
Ｈ高さ

Claims (6)

  1. 発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造であって、
    基板本体と、前記基板本体の上面に設けられたチップ載置領域とを有する基板ユニットと、
    前記基板ユニットのチップ載置領域に電気的に設けられた複数の発光ダイオードチップを有する発光ユニットと、
    塗布方式で前記基板本体の上面に取巻くように成形された取巻き式の光反射コロイドを有し、前記取巻き式の光反射コロイドは、前記チップ載置領域に設けられた複数の発光ダイオードチップを取り囲んで、前記基板本体の上方に位置されたコロイド位置制限空間を形成する光反射ユニットと、
    前記基板本体の上面に前記発光ダイオードチップを覆うように成形された光透過封止コロイドを有し、前記光透過封止コロイドをコロイド位置制限空間内に局限させている封止ユニットと、
    を含む発光ダイオード封止構造。
  2. 前記基板本体は、回路基板と、前記回路基板の底部に設けられた放熱層と、前記回路基板の上面に設けられた複数のボンディングパッドと、前記回路基板の上面に設けられ前記ボンディングパッドを露出させる絶縁層と、を有する請求項１に記載の発光ダイオード封止構造。
  3. 前記取巻き式光反射コロイドの上面は円弧形をなして、前記基板本体の上面に対する前記取巻き式光反射コロイドの円弧接線の角度は、４０〜５０°であって、前記基板本体の上面に対する前記取巻き式光反射コロイドの天井面の高さは、０．３〜０．７ｍｍであって、前記取巻き式光反射コロイドの底部の幅は、１．５〜３ｍｍであって、前記取巻き式光反射コロイドのチクソトロピー指数は、４〜６であって、前記取巻き式光反射コロイドは、無機添加物が混入された白色熱硬化光反射コロイドである請求項１に記載の発光ダイオード封止構造。
  4. 発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能なベース構造であって、
    基板本体と、前記基板本体の上面に設けられたチップ載置領域とを有する基板ユニットと、
    塗布方式で前記基板本体の上面に取巻いて成形された取巻き式の光反射コロイドを有し、前記取巻き式の光反射コロイドは、前記チップ載置領域を取り囲んで、前記基板本体の上方に位置されたコロイド位置制限空間を形成する光反射ユニットと、を含むベース構造。
  5. 発光効率の向上及び出射光角度の制御が可能な発光ダイオード封止構造の作製方法であって、
    基板本体と、前記基板本体の上面に設けられたチップ載置領域とを有する基板ユニットを用意する工程と、
    取巻き式の光反射コロイドにより、前記チップ載置領域に設けられた発光ダイオードチップを取り囲んで前記基板本体の上方に位置されたコロイド位置制限空間を形成するために、（ａ）前記基板ユニットのチップ載置領域に複数の発光ダイオードチップを電気的に設置し、その後、液体コロイドを前記基板本体の上面に取巻いて塗布し、最後に、前記液体コロイドを固化させて取巻き式光反射コロイドを形成するステップ、及び（ｂ）液体コロイドを前記基板本体の上面に取巻いて塗布し、その後、前記液体コロイドを固化させて取巻き式光反射コロイドを形成し、最後に、前記基板ユニットのチップ載置領域に複数の発光ダイオードチップを電気的に設置するステップのいずれか１つのステップを選択して実行する工程と、
    前記基板本体の上面に前記発光ダイオードチップを覆うように前記コロイド位置制限空間内に局限される光透過封止コロイドを成形する工程と、を含む発光ダイオード封止構造の作製方法。
  6. 前記液体コロイドは、ベーキング方式により硬化され、ベーキングの温度は、１２０〜１４０℃であって、ベーキングの時間は、２０〜４０分であって、前記液体コロイドを前記基板本体の上面に塗布する圧力は、３５０〜４５０ｋｐａであって、前記液体コロイドを前記基板本体の上面に塗布する速度は、５〜１５ｍｍ／ｓであることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード封止構造の作製方法。
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