JP2011521448A - Ｌｅｄアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 できるだけコンパクトな構成と同時に良好な放熱性を有するＬＥＤアレイを提供する。
【解決手段】 平面的広がりを有する光源を形成するために隣接配置されてほぼ等しい方向に向けられている多数のＬＥＤ１チップからなり、ＬＥＤチップ１が多層金属膜支持体の上に装着され、多層金属膜支持体がサンドイッチ状に金属膜同士の間を絶縁する絶縁層３を有しかつ階段状に形成された複数の段を備えた構造を有するＬＥＤアレイにおいて、各段がその上にある金属膜の相応の短縮または切欠きによって形成されていて、各ＬＥＤチップ１が１つの段の金属膜の上に配置され、電気的に接続されていて、各ＬＥＤチップ１がそれに隣接した上段の金属膜と接続ワイヤ５を介して電気的に接触されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つの共通の支持体上に装着された多数のＬＥＤ（発光ダイオード）を含み、それらがほぼ同一方向に光を放射して平面的広がりを有する光源を構成するＬＥＤアレイに関する。

多数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤチップ、または略してＬＥＤと呼ぶ）の組合せによって極めて強力な光源を構成する場合、それら多数のＬＥＤチップの素子が１つの共通な支持体の上に装着される。電気的接続は、その共通な支持体の外側で行なわれるが、その際、個々の素子は相互に接続される。例えば、２〜３個または２〜ｎ個のＬＥＤが含まれている比較的小さいアレイに対して、この方法を好適に利用できることが期待される。

従来、１つの平面にＬＥＤを２次元に配置した公知のアレイにおいては、多数のＬＥＤを取り付けるために、それらＬＥＤ間にスペースが設けられる（例えば、特許文献１参照）。

さらに、開発状況に応じて計画される発光ダイオードの密な実装は、それ相応に考慮されなければならない熱発生をもたらす。

従来の解決可能性は、例えばＬＥＤの光を放射するチップ面積を増大することによって追求されてきたが、大面積のＬＥＤは製造が困難であり、サイズが増すにつれて歩留りが著しく低下する。実際において、このことは高い生産コストを考慮しなければならないことを意味する。光源の平面状アレイの発光効率を最適化する、その他の可能性としては、複数のＬＥＤを１つの共通な支持体上に配置することである。しかしこれは、単位面積当たりのＬＥＤの実装密度が最適でないという欠点を持つ。

米国特許出願公開第２００４／０２３３６７１号明細書

本発明の課題は、できるだけコンパクトな構成を有すると共に良好な放熱性を有するＬＥＤアレイを提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴的な構成によって解決される。有利な実施形態は、従属の各請求項によって得られる。

本発明は、多数のＬＥＤを平面的に密に実装して一方向の光放射を有する最適な平面的照明を具現することは可能である、という認識に基づいている。この場合、多数のＬＥＤは、完全に平面的な１つの共通な面に取り付けられるのではなくて、むしろ放射方向において高さの段差を有している。しかし、それら並置されている複数のＬＥＤ同士の相対的な整列関係は、横方向については変更なく配置されるか、あるいは本発明によってさらに稠密もしくはさらに狭い間隔とされ得る。

本発明によれば、支持体の構造としてサンドイッチ構造が使用され、そのサンドイッチ構造は、複数の金属膜（金属層とも呼ぶ）を含んでおり、その各金属膜同士の間には、それぞれ絶縁層が設けられている。

正確な説明のために、ＬＥＤ発光面に対して正対する観察方向を選択するならば、ＬＥＤの前面が観察される。この場合、ＬＥＤ素子は平面的に互いに狭い間隔で実装されている。図３Ａ、図３Ｃおよび図５Ａに描写されている視点に立てば、多層膜サンドイッチ構造様式が階段構造を備えていることを認識できる。それらの金属膜は、多層金属膜の縁部への方向において順次、次のような終端を有する。即ち、１つの金属膜の平面の各自由端部または各自由縁部は、少なくとも１つのＬＥＤが配置できるよう終端となっている。電気的接続は相応の接続ワイヤを介して行なわれる。

本発明によって可能にされた、１つの支持体上における複数のＬＥＤの狭い間隔での実装においては、階段状構成に加えて、例えば櫛形支持体の１つの指状部分に装着された複数のＬＥＤが直列接続されているならば、さらに有利である。それぞれ１つのＬＥＤチップの前面にある接続パッド／ボンディングパッドから、これに対応して接続された隣の金属膜へ向けて、接続ワイヤもしくはボンディングワイヤが張られる。このようにして、１つの指状部分上に存在する階段状に配置された複数のＬＥＤの直列接続がもたらされる。

さらに、直列接続に加えて、少なくとも部分的に並列接続された領域が形成されているようにすることも有利である。コンパクトな構造形態の他にも、それぞれの金属膜へのＬＥＤの良好な熱結合を意図した構造形態が、格別の利点をもたらす。この場合、金属膜が背後位置でヒートシンクに接合されているとよい。

サンドイッチ形態に構成された多層金属膜における、ＬＥＤアレイが配置されていない領域において、一方側に対して例えば９０°の角度を持たせることも有利である。それにより、背後で支持されるシステムにて熱的接触または放熱を簡易に行なうことが可能となる。

高い実装密度を有するＬＥＤ平面放射器の原理的構成を概略的に示す図である。 各指状部分の端部に配置された３つのＬＥＤチップを有する櫛形金属膜を概略的に示す図である。 ＬＥＤ平面放射器を概略的に示す上面図（図３Ａ）、側面図（図３Ｂ）、および３次元図（図３Ｃ）である。 間挿された絶縁層を有する金属膜支持体の曲げられた状態を示す側面図であって、そのうちの指状部分を有する櫛形の断面を部分的に描写した側面図である。 対称的な二重構成で実現されたＬＥＤ平面放射器を概略的に示す上面図（図５Ａ）、側面図（図５Ｂ）、および３次元図（図５Ｃ）である。 照明レンズおよび冷却系を有する平面放射器の原理的な構成を概略的に示す図である。

以下において、図面を参照しつつ、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を１つの共通な平面上に取り付けるのではなくて、間挿された絶縁層を有する複数の金属膜からなるサンドイッチ構造を提案する。決定的に重要な点は、この構造によって、横方向に見てＬＥＤチップの極めて密な配置が可能であることである。さらに、ＬＥＤの点灯時に発生する熱を、金属膜を介してそれぞれ１つのＬＥＤから外に放出することができる。

さらに、平面放射器を実現するための支持体に関するこの配置方式は、次の特徴を備えている。

別々にグループごとに直列接続された複数のＬＥＤの各列同士を、並列に接続するために、例えば図１または図２に示されているように、金属膜が櫛形に構成される。それらの面図においては、櫛の連結基部とその連結基部から直角に延びた指状部分とが視認できるように図示されており、複数の多層膜が、それぞれ１つの指状部分の端部まで異なった距離ずつ延びている。これにより、一様な階段構造が形成され、各指状部分の端部ごとにそれぞれ１つのＬＥＤが配置されている。各ＬＥＤは、その下方が１つの金属膜上に接続されており、その上方が次段の相応に極性付けられた金属膜に接続されている。

１つの金属膜構成において１つの櫛形構造を上から下まで一貫して構成することが有利である。但し、部分的な構成も可能である。

平面放射器の改善された空間的設計および／または熱的設計のために、金属膜を上位システムに容易に取り付けることができるようにするために、金属膜が突き出た端部において折り曲げることが可能である。

図１は、本実施の形態に係る階段を有するＬＥＤ平面放射装置の基本的な構成を示す。複数のＬＥＤは、原則として、異なる金属膜の上に取り付けられる。金属膜は、サンドイッチ構造のような形態に重ね合わされて配置されている。金属膜の間に介在する各絶縁層には、符号３が付されている。図１によれば、櫛形金属膜２は、２つの層を有しており、また付加的に電気接続部４を介して外部に向けて接続されている上部被膜を有する。図１には、それぞれ２つのＬＥＤの直列接続回路が示されている。その接続は、金属膜２とその次段のＬＥＤのボンディングパッド９との間で、接続ワイヤ５を介して行なわれる。最も下に配列された３つのＬＥＤ１は、そのＬＥＤチップ自体を介して、図１においてその下にあって櫛形に構成されている最も背後の金属膜に対して接続されていて、その金属膜からさらに上記同様に電気接続部を介して外部に向けて接続される。

図２は櫛形金属膜２の概略図を示す。この面図において左側に向いた３つの指状部分を備えた連結基部が示されている。そのそれぞれの端部には、ＬＥＤチップ１が各々取り付けられていて、その端部は下に向かって接続ワイヤ５を介して他の金属膜に接続されている。さらに、ＬＥＤチップ１はそれぞれ、それらの動作熱が金属膜を介して放出可能であるように、金属膜上に取り付けられている。ＬＥＤチップ１には、その中央に、いわゆるボンディングパッド９が設けられている。それらは、他の接続ワイヤ５、つまりいわゆるボンディングワイヤによって、その上方に向かって接続されている。金属膜の厚さは、理想的には、ＬＥＤチップ１の厚さである。

図３Ａは、上面図にて複数の直列接続されたＬＥＤの実現を示す。櫛形金属膜２は、ここでも３つの指状部分を有する。各指状部分は、各金属膜が１つの指状部分における前方にその端部まで、それぞれ異なった距離ずつ延びていることによって、全部で４段の階段構造が形成されている。この場合には、最も下段の金属膜が最長に形成されている。１つの指状部分の先端にそれぞれ１つのＬＥＤチップが装着されている。１つの金属膜の直近の次段の高さにある金属膜は、１つのＬＥＤチップの平面的広がりの寸法分だけ短く形成されている。その高さにある金属膜の各先端には、また別にそれぞれ１つずつのＬＥＤチップ１が装着されている。図３Ａにおいては、同じようにして、第３および第４のＬＥＤが取り付けられ、それらは接続ワイヤ５を介して電気的に直列に接続されている。

図３Ｂは、図３Ａに提示した構成の側面図を示すものであり、部分的に分解組立図として描写してある。この図では、多層金属膜支持体のサンドイッチ構造の階段状構成が明確に認識可能に示してある。最も下の金属膜および最も上の金属膜には、外部に対して接続を取るための電気接続部４が設けられている。金属膜は、それぞれ１つのＬＥＤチップ１の下側に接続されている。各ＬＥＤチップ１に一つずつ属するボンディングパッド９が、接続ワイヤ５を介して、１段高い段の金属膜と接続される。しかし、それよりも高い段の金属膜とは、接続されない。

図３Ｃは、図３Ａまたは図３Ｂに提示した構成を三次元的に描写した図である。

直列接続されたＬＥＤアレイは、理想的には、一つの段の金属膜を、その下段にある金属膜上に存在するＬＥＤのボンディングパッド９に接続することによって実現される。

その電気的な接続は、基本的に、直列であれ並列であれ、いかなる短絡も発生しないように行なわれる。多層金属膜のサンドイッチ構造は、個々の平面の金属膜が１つよりも多い櫛形を有するように構成することもできる。その場合、図５に示したような構成、つまり図１に示す最も上段の金属膜がその１つの平面における全ての櫛形に給電を可能にする一括の電気接続部４を有する。

この平面放射装置の全体は、少なくとも、ＬＥＤを支持している金属膜からなり、付加的に照明レンズならびに冷却システムを有するとよい。

図６は、中央に配置されたＬＥＤ構成と、下側にある冷却系８もしくはヒートシンクまたは冷却体とを備えた、照明レンズ７付きの平面放射装置を示す。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、それぞれ高い実装密度を有する平面放射装置の上面図、側面図および３次元図である。図５Ｂには、これまで述べたＬＥＤ平面放射装置を左右対称的に二重にした構成が、容易に認識できるように示してある。１つの金属膜によっても実現可能である電気接続部６によって、全てのＬＥＤ１の接続が保証されている。

図５Ｃは、図５Ａ、図５Ｃに示した構成を３次元図で示したものである。電気接続部６がその図５Ｂにおいてのみ認識可能に示されている。

１ ＬＥＤ（チップ）
２ 櫛形金属膜
３ 絶縁層
４、６ 電気接続部
５ 接続ワイヤ
７ 照明レンズ
８ 冷却系
９ ボンディングパッド

Claims (14)

1. 平面的広がりを有する光源を形成するために隣接配置されて同一方向に向けられている複数のＬＥＤチップを有しており、当該ＬＥＤチップが多層金属膜支持体の上に装着されており、当該多層金属膜支持体がその金属膜同士の間を絶縁する絶縁層を当該金属膜同士の間にサンドイッチ状に有しており、かつ複数の段を有する階段状に形成された構造を備えたＬＥＤアレイであって、
   前記複数の段は、その段の直上の段にある金属膜における、当該段に対する相対的な短縮または切欠きによって、形成されており、
   前記ＬＥＤチップは、それぞれ１段の金属膜上に１つずつ配置されると共に電気的に接続されており、
   かつ前記ＬＥＤチップは、それぞれその隣接する上段の金属膜に対して電気的に接続されているＬＥＤアレイ。
2. 請求項１記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記複数のＬＥＤチップが、少なくとも１つのグループごとに直列に接続されているＬＥＤアレイ。
3. 請求項１または２記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記複数のＬＥＤチップの電気的な接続が、少なくとも部分的に直列に、および／または少なくとも部分的に並列に、配線されているＬＥＤアレイ。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記ＬＥＤチップ（１）が、接続ワイヤ（５）を介して、電気的接続パッド（９）からその隣の逆極性に接続された金属膜に結合されているＬＥＤアレイ。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記金属膜が、前記ＬＥＤチップの側とは反対側の領域において、電気接続部（４）によって、さらなる電気的接続が成されているＬＥＤアレイ。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記複数のＬＥＤチップが、放熱のために、前記金属膜に結合されているＬＥＤアレイ。
7. 請求項６記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記金属膜が、前記ＬＥＤチップの側とは反対側の領域において、ヒートシンクに接合されているＬＥＤアレイ。
8. 請求項１ないし７のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記ＬＥＤチップの発光側に、当該ＬＥＤアレイを少なくとも部分的に覆う、非導電性材料からなる照明レンズを備えたＬＥＤアレイ。
9. 請求項１ないし８のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
   前記金属膜同士の間にそれぞれ絶縁層を設けてなる多層金属膜が、前記ＬＥＤチップを配置されていない領域内にてほぼ９０°曲げられているＬＥＤアレイ。
10. 請求項１ないし９のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
    外部へと向かう複数の電気接続部（４）が、上側の金属膜および下側の金属膜のうちの1つずつにそれぞれ設けられているＬＥＤアレイ。
11. 請求項１ないし１０のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
    前記複数のＬＥＤチップが、複数の指状部分を有する櫛形に形成された金属膜構造の上に装着されているＬＥＤアレイ。
12. 請求項１１記載のＬＥＤアレイにおいて、
    前記複数の櫛形構造が、一つの多層サンドイッチ金属膜構造として具現されているＬＥＤアレイ。
13. 請求項１ないし１２のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
    前記複数のＬＥＤアレイのうちの少なくとも１つが、発光側にレンズを備え、背後側に冷却系を備えたＬＥＤアレイ。
14. 請求項１ないし１３のうちいずれか１つに記載のＬＥＤアレイにおいて、
    前記複数のＬＥＤアレイが、機械的および／または電気的に、互いに結合されているＬＥＤアレイ。

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