JP2011522414A - 発光機器 - Google Patents

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Abstract

発光機器は、複数の発光ダイオード、及び各々が発光ダイオードのそれぞれ１個を格納するためのくぼみのアレイを伴う絶縁（低温同時焼成セラミックス）基板を含む。基板は、発光ダイオードを接続するために選択された電気的機器内で発光ダイオードを接続し、かつくぼみの底部上に少なくとも２つの電気的接続を与えるように構成された導電体の構造を組み込む。発光ダイオードは、少なくとも１つのボンドワイヤ又はフリップチップ接続により、電気的接続に電気的に接続しうる。各々のくぼみは、各々の発光ダイオードを封入するために、透明な材料で充填される。機器が選択された色及び／又は色温度の光を放出するように、透明な材料は少なくとも１つの蛍光体材料を組み込むことができる。

Description

本出願はその出願の全てが本明細書に組み込まれる、２００８年５月２７日に出願されたＨｓｉ−ｙａｎ Ｃｈｏｕらによる「ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題される米国特許出願番号１２／１２７，７４９に基づく優先権を主張する。
本発明は複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）に基づく発光機器に関する。排他的にではないが、本発明はとりわけ高電圧（１１０／２２０Ｖ）電源で作動しうる交流電流（ＡＣ）駆動の発光機器に関係する。さらに、本発明は複数のそのような発光機器に基づくＡＣ光源に関係する。
周知のように、ＬＥＤは本来単方向にのみ電流を通す直流電流（ＤＣ）機器であり、かつ伝統的に低電圧（例えば窒化ガリウムＬＥＤのためには３．５Ｖ）ＤＣ電源で作動してきた。
白色発光ＬＥＤ「白色ＬＥＤ」は比較的最近の革新であり、かつエネルギー効率の良い照明システムのあらゆる新世代が出現するための潜在力を提示する。潜在的に何十万時間という長寿命の作動時間、及び低電力消費量という観点からの高効率性ゆえに、白色ＬＥＤが白熱灯、蛍光灯及び小型の蛍光灯光源に取って代わりうることが予測されている。ＬＥＤの電磁スペクトルの青色／紫外線部分における放出が開発されて、ようやくＬＥＤに基づく白色光源の開発が実用的になってきた。例えば米国特許番号５，９９８，９２５で教示するように、白色ＬＥＤは、ＬＥＤによって放出される放射の一部を吸収し、かつ異なる色（波長）の放射を再放出する、１つ以上のフォトルミネセンス材料である蛍光体材料を含む。一般的に、ＬＥＤチップ又はダイは青色光を発生し、かつ、蛍光体は青色光の何割かを吸収し、かつ黄色光、又は緑色光と赤色光、緑色光と黄色光又は黄色光と赤色光の組み合わせを再放出する。蛍光体によって吸収されない、ＬＥＤによって発生する青色光の一部は、蛍光体によって放出される光と組み合わされ、人間の目にはほぼ白色とうつる光をもたらす。
照明への応用においては、高価な電源及びドライバー回路を必要としない高電圧（１１０／２５０Ｖ）交流本線電源から、白色ＬＥＤを直接作動させうることが望ましい。米国特許公開番号２００４／００８０９４１は、高電圧（１１０／２２０Ｖ）ＡＣ電源を直接利用できて、２アレイ（ストリング）の直列接続した個々のＬＥＤを含む単チップ統合ＬＥＤを開示する。ストリングは、ＬＥＤが自己整流できるように、異極性のＬＥＤを伴い、半波整流器の機器構成で並列接続される。充分な数のＬＥＤ（例えば１１０Ｖ作動用には１ストリングあたり２８個及び２２０Ｖ作動用には１ストリングあたり５５個）が、総電源電圧をＬＥＤに沿って受け取るためにストリング内に設置される。正の半サイクル部分の間は、ＬＥＤの第１ストリングの前方にバイアスをかけられかつ励起され、一方第２ストリングは反転するバイアスをかけられる。負の半サイクル部分の間は、ＬＥＤの第２ストリングは前方にバイアスをかけられかつ励起され、一方第１ストリングは反転するバイアスをかけられるが励起されない。従って、両ストリングは交流電源（５０−６０Ｈｚ）の周波数で交互に励起され、かつ単チップＬＥＤは常時励起されているように見える。単チップ統合ＬＥＤは、単一のウエハ上で個々のＬＥＤの境界を定めるために、n型半導体材料、光学活性層及び連続するp型半導体材料がエピタキシャルに析出する層によって形成される。隣接するＬＥＤは、個々のＬＥＤの間で導電膜を析出させることによって相互接続される。一般的に、個々のＬＥＤは、ＬＥＤウエハ上で２０μｍの間隙で間隔を置いて配置される。このような構成は小型であるが、1回に１つのＬＥＤストリングしか励起されないため、装置のペイロードが５０％しかないという欠点を有する。
米国特許公開番号２００７／０２７３２９９は、各々の並列配置及びＡＣ電源に直列接続された少なくとも１個のコンデンサを伴って、ＬＥＤの対又はＬＥＤの直列接続されたストリングが向かい合わせの並列配置で接続されている、ＡＣ作動のＬＥＤパッケージを教示する。ＬＥＤ及びコンデンサは、単一チップ、単一パッケージ、組立品、又はモジュールとして組み立てられうる。コンデンサは、ＡＣドライバーによって供給される電圧及び周波数に基づいて、電流量及び１つ以上の向かい合わせの並列ＬＥＤに与えられる順電圧を調整する。どの時点においても同じ極性のストリングのみが励起されるので、装置のペイロードは５０％しかない。
現在、例えば米国特許公開番号２００４／００８０９４１で教示するように、ＡＣ作動のＬＥＤは、複数の相互接続される別々のパッケージ化されたＬＥＤから、又は複数の相互接続される個別の表面実装型機器（ＳＭＤ）から、単チップ機器として組み立てられうる。単チップ機器の場合は、ＬＥＤは単一ウエハ上でモノリシックに組み立てられ、かつＬＥＤはＬＥＤ間での導体のフォトリソグラフィ析出によって直列接続される。そのような装置では非常に高いウエハ単位面積あたりのＬＥＤ実装密度（ＬＥＤチップの寸法次第で１平方ｃｍ（ｃｍ２）当たり１００個から４００個レベルの）を得ることができるものの、そこには、製造途中で１個でもＬＥＤに不具合があると機器全体を破棄せざるをえなくなり、その結果製造原価が高くなるという根本的な欠点がある。その一方、別々のパッケージ化された機器の相互接続により構成されるＡＣ作動のＬＥＤ、特に波長変換のための蛍光体材料を含む白色ＬＥＤは、結果的に１ｃｍ２当たり５個のレベルの非常に低い実装密度になる。各々のＳＭＤのＬＥＤを金属コア印刷回路板（ＭＣＰＣＢ）上に、一般的にはんだ付けで実装することによりＡＣ作動のＬＥＤを製作することも知られており、そのような装置では１ｃｍ２当たり１０個のＬＥＤの実装密度を得ることができる。しかしながら、一般的にそのような装置は、各々のＬＥＤの発光面を覆う波長変換蛍光体層を追加として必要とする白色ＬＥＤには適していない。
本発明は、既知の装置の限界を少なくとも部分的に克服するＡＣ発光機器を提供しようとして生まれた。
本発明の実施形態は絶縁基板のくぼみ内に実装される複数のＬＥＤを含む発光機器を対象とする。
本発明によると、複数の発光ダイオード及び、そのそれぞれが発光ダイオードのそれぞれ１個を格納するためのくぼみのアレイを有する絶縁基板を含む発光機器であって、前記基板が、選択された電気的機器構成内で発光ダイオードを接続し、かつ各々のくぼみの底部上に少なくとも２つの電気的接続を与えるように構成された導電体の構造を組み込み、各々の発光ダイオードが少なくとも２つの電気的接続に結合している発光機器である。一般的に、発光ダイオードの基板単位面積あたりの実装密度は、１ｃｍ２当たり３０から１００の範囲内にある。１つの装置においては、発光ダイオードは少なくとも１つのボンドワイヤによって電気的接続に電気的に結合される。もう一つの方法として、発光ダイオードがそのベース層上に１つ以上の電気的接続を有する場合には、発光ダイオードはフリップチップ接続により電気的接続に電気的に結合されうる。
さらにこの機器は、それぞれの発光ダイオードを熱的にやり取りできるように実装するための、各々のくぼみの底部上にある熱伝導パッドを含みうる。望ましくは、基板はさらに熱伝導パッドから基板の外側へ熱を伝えるための複数のサーマルビアを含む。１つの実施態様では、このビアは絶縁基板内を基板の後面まで貫通する一連の穴を含みうる。各々の穴の内壁は、望ましくは金属のような熱伝導性の材料で、例えばめっき又は穴をはんだで充填することにより被覆される。
発光ダイオードを環境から保護するために、各々のくぼみは、各々の発光ダイオードを封入するために、実質的に透明な材料、例えば紫外線硬化性又は熱硬化性シリコーン又はエポキシ樹脂のようなポリマーで実質的に充填されうる。有利なことには、少なくとも１つの蛍光体材料は透明な材料に組み込まれ、前記蛍光体材料は、その関連する発光ダイオードによって放出される光の少なくとも一部を吸収し、かつ異なる波長の光を再放出するよう機能しうる。
発光ダイオードは直列接続されることができ、さらに反対の極性をもって並列に接続される対の発光ダイオードとして接続されることができて、発光ダイオードのグループが直列接続され、かつ反対の極性をもって並列に接続される半波整流器として接続されることができ、又は自己整流ブリッジ配置で接続されることができる。
発光ダイオードが自己整流装置で構成される実施態様と同様に、機器をＡＣ電源で直接作動させることができるように、発光機器はさらに整流装置を含みうる。１つの実施態様では、整流装置の構成要素は基板の１つ以上のくぼみ内に格納される。望ましくは、整流装置は整流ブリッジ配置で接続される４個のダイオードを含み、かつ導電体構造は複数の発光ダイオードがブリッジの整流ノード間で直列接続するように配置される。整流のために別々のダイオードを用いる長所は、発光ダイオードが、実質的に全ＡＣ周期にわたって作動しかつ光を放出することである。整流ダイオードは、ケイ素、ゲルマニウム、炭化ケイ素、又は窒化ガリウム機器を含みうる。
他の実施態様では絶縁基板はケイ素又は高温ポリマーを含みうるが、望ましくは、絶縁基板は低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）である。有利なことには、導電体構造は銀合金を含む。
本発明の機器である発光機器は、全般的な照明の中の特定の用途に使うことができて、かつ各々の発光ダイオードは、望ましくは、窒化ガリウムベースの電磁スペクトルの青色又は紫外線領域の光を放出する発光ダイオードチップを含む。
基板の所定の面積に格納しうる発光ダイオードの数を最大化するために、くぼみのアレイは望ましくは正方形のアレイとして配置される。１１０Ｖ作動用に構成される１つの実施態様では、くぼみのアレイは４９個の開口部の正方形のアレイを含み、そのうち４５個はそれぞれの発光ダイオードを格納するように構成され、残りの４個は各々整流ダイオードを格納できる。
本発明の追加的な態様によると、ＡＣ光源は、回路基板及び細長い実質的に透明な囲いの上部に実装され、かつ長さ方向に配置された、本発明による複数の発光機器を有する細長い回路基板を含み、前記回路基板は前記囲い内に収まるように構成される。
本発明のさらに追加的な態様によると、ＡＣ光源は、回路基板が熱的にやり取りできるように実装された、本体上に実装されかつ円形のアレイとして構成される本発明による複数の発光機器を有する輪状の回路基板、及びＡＣ電源に光源を接続するためのコネクタを含む。
本発明がよりよく理解されるために、本発明の実施形態が添付図を参照して例示のみによってここで記載される。
本発明の実施形態による発光機器の回路図である。 本発明の実施形態による発光機器の平面図である。 図２に記載の発光機器の「ＡＡ」線からの概略断面図である。 図２に記載の発光機器の透視部分断面図である。 ＬＥＤと発光機器内のそれらの実際の位置の間の関係を示す発光機器の回路図である。 図２に記載の発光機器のサーマルビアを示す概略部分断面図である。 本発明の追加的な実施形態による発光機器の概略断面図である。 本発明のさらに追加的な実施形態による発光機器の概略断面図である。 本発明のさらに追加的な代替実施形態による発光機器の概略断面図である。 本発明の追加的な実施形態による発光機器の回路図である。 本発明のさらに追加的な実施形態による発光機器の概略図である。 本発明の発光機器を組み込む管状ランプの概略透視図である。 本発明の発光機器を組み込む白色光源の概略透視図である。
本発明の第１実施形態による白色光を放出するＡＣ発光機器１０が、添付図の図１から図５を参照してここで記載される。ＡＣ発光機器１０は、北米でみられるような１１０Ｖ（実効値）ＡＣ（６０Ｈｚ）本線電源より直接作動するように構成される。
図１は本発明のＡＣ発光機器１０の回路図であり、かつ閉ループブリッジ機器構成内で直列接続される４個の整流ダイオード１２、１４、１６、１８（Ｄ１からＤ４）を含む。整流ダイオード（Ｄ１からＤ４）は、ケイ素、ゲルマニウム、炭化ケイ素、又は窒化ガリウム機器を含みうる。１１０ＶＡＣ本線電源は、ブリッジの向かい合ったノード２０及び２２（ＡＣ１及びＡＣ２）、及びダイオードブリッジの整流された正極（＋）ノード２６と負極（−）ノード２８との間で接続される、４５個の直列接続された窒化ガリウムベースの青色又は紫外線を放出するＬＥＤチップ２４（ＬＥＤ１からＬＥＤ４５）に接続可能である。１１０Ｖで作動する場合は、各々のＬＥＤチップ２４のピーク電圧は３．４２６Ｖとなる［ＡＣピーク電圧−整流ダイオードでの電圧降下÷ＬＥＤの個数： （１１０ｘ１．４１４−２ｘ０．６８）／４５＝３．４２６］。
図２を参照すると、ＡＣ発光機器１０の望ましい実施態様は、横７列で縦７列の均一な正方形アレイとして配列される４９個の円形のくぼみ（止まり穴又は空洞）のアレイを有する正方形のセラミック基板（パッケージ）３０を含む。下記で記載するように、円形のくぼみ３２は、ＬＥＤチップ２４のそれぞれ１個、又は整流ダイオード１２から１８（Ｄ１からＤ４）のうち１個を格納するように構成される。一般的に、セラミックパッケージは１辺が１２ｍｍの正方形で、かつ各々の直径１ｍｍのくぼみは隣接するくぼみとの中心の間に２ｍｍの間隔を有する。そのような装置では基板１ｃｍ２当たり最大３４個までのＬＥＤチップの実装密度を得る。比較するに、個々の表面実装型機器（ＳＭＤ）ＬＥＤが金属コア印刷回路板（ＭＣＰＣＢ）上にはんだ付けされている既知の装置においては、ＳＭＤのＬＥＤ最高実装密度は基板１ｃｍ２当たり６個のレベルである。当然のことながら、くぼみ３２の寸法及び間隔はＬＥＤチップの大きさに依存して構成され、一般的に０．３から２ｍｍの範囲内である。単位面積当たりの実装密度を最適化するために、各々のくぼみはＬＥＤチップをぴったり収容できるような寸法をとる。ＬＥＤチップが相互接続されている状態を維持しながら、基板の単位面積当たりのＬＥＤチップの個数を最大化できるため、くぼみの正方形のアレイが望ましい。
図３は、図２の機器１０のＡＡ平面からの概略断面図である。セラミック基板（パッケージ）３０は多層構造であり、かつ、例えば銀合金を含むことができて、ＬＥＤチップ２４と図１に示されるブリッジ構成中の整流ダイオード（Ｄ１からＤ４）を相互接続するように構成される導電性トラック３４の構造を組み込む低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）を含む。導電性トラック３４は、くぼみの底の上に、それぞれのＬＥＤチップ又は整流ダイオードに電気的接続をするための１対の電極パッド３６を設けるために、トラックの一部がくぼみの中に伸びるように構成される。当然のことながら、電極パッド３６はくぼみ３２の開口部を通じてアクセス可能である。機器１０をＡＣ電源に電気的に接続するために、かつ整流されたノード２６と２８の間の整流電源へのアクセスを可能にするために、パッケージの下面には１個以上のはんだのパッド４０が設けられる。基板３０はさらに、導電ビア４４によってはんだのパッド及び／又は導電性トラック３４に相互接続される、１つ以上の埋設された電極トラック４２を含みうる。各々のくぼみ３２の底部上に、ＬＥＤチップ２４又は整流ダイオード（Ｄ１からＤ４）がその上に実装可能な、例えば銀合金のパッドのような熱伝導性の実装パッド４６が設けられる。
図４は、くぼみ３２を含むセラミック基板の上部が、導電性トラック３４及び電極パッド３６を見えるようにさせるために取り除かれているＡＣ発光機器１０の透視部分断面図である。図で示されるように、熱伝導性の実装パッド４６は、その表面積を最大にするために一般的に「Ｈ」型の形である。銀を含むエポキシ樹脂４８のような熱伝導性の接着剤を用いて、又は金／錫はんだのような低融点はんだを用いてはんだ付けをすることにより、ＬＥＤ又はダイオードが実装パッド４６と熱的にやり取りできるように実装される。ＬＥＤチップ／ダイオードの上部（光を放出する）表面上のそれぞれの電極５０、５２がボンドワイヤ５４、５６によって、くぼみ３２の底の上のそれぞれの電極パッド３６に接続される。ＬＥＤチップ２４は、赤色、緑色、青色、琥珀色、又は白色の光を放出するＬＥＤチップを含みうる。例示的な実施形態においては、各々のＬＥＤチップは、青色又は紫外線発光の窒化ガリウムベースのＬＥＤチップを含む。白色を発生することが求められているため、各々のくぼみは蛍光体（フォトルミネセンス材料）材料５８で埋められる。明確性のために、図２及び図４には蛍光体材料５８は含まれていない。一般的には粉体状である蛍光体材料は、ポリマー材料（例えば熱硬化性又は紫外線硬化性シリコーン又はエポキシ樹脂材料）のような透明な結合剤材料と混合され、かつポリマー／蛍光体混合物は各々のＬＥＤチップの発光面に塗布される。本発明のＡＣ作動のＬＥＤは、例えば一般式がＡ３Ｓｉ（ＯＤ）５又はＡ２Ｓｉ（ＯＤ）４であるケイ酸塩ベースの蛍光体で、Ｓｉはケイ素、Ｏは酸素、Ａはストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はカルシウム（Ｃａ）を含み、かつＤは塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）、又は硫黄（Ｓ）を含むような、無機蛍光体材料の使用に特に適している。ケイ酸塩ベースの蛍光体の例は、参考として本明細書に組み込まれる我々の同時係属特許出願である米国特許公開番号２００６／０１４５１２３、２００６／０２８１２２、２００６／２６１３０９及び２００７／０２９５２６で開示される。
米国特許公開番号２００６／０１４５１２３で教示するように、ユウロピウム(Ｅｕ２＋)付活ケイ酸塩ベースの緑色蛍光体は、一般化学式（Ｓｒ，Ａ１）ｘ（Ｓｉ，Ａ２）（Ｏ，Ａ３）２＋ｘ：Ｅｕ２＋を有し、Ａ１は、例えばＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、亜鉛（Ｚｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、イットリウム（Ｙ）、又はセリウム（Ｃｅ）のような２＋カチオン、１＋及び３＋カチオンの組み合わせの少なくとも１つであり、Ａ２は、例えばホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、Ｎ、又は燐（Ｐ）のような３＋、４＋、又は５＋カチオンであり、Ａ３は、例えばＦ、Ｃｌ、臭素（Ｂｒ）、Ｎ、又はＳのような１−、２−、又は３−アニオンである。この化学式はＡ１カチオンがＳｒを置換し、Ａ２カチオンがＳｉを置換し、かつＡ３カチオンがＯを置換することを示すために書かれている。ｘの値は２．５と３．５の間の整数又は非整数である。
米国特許公開番号２００６／０２８１２２は、化学式Ａ２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋Ｄを有し、ＡがＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎ、又はカドミウム（Ｃｄ）を含む二価の金属の少なくとも１つであり、ＤがＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、ヨウ素（Ｉ）、Ｐ、Ｓ、及びＮを含むドーパントである、ケイ酸塩ベースの黄色−緑色蛍光体を開示する。ドーパントＤは、０．０１から２０モルパーセントの範囲の量で蛍光体中に存在しうる。蛍光体は、ＭがＣａ、Ｍｇ、Ｚｎ又はＣｄを含む、（Ｓｒ１−ｘ−ｙＢａｘＭｙ）ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋Ｆを含みうる。
米国特許公開番号２００６／２６１３０９は、Ｍ１及びＭ２が各々Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃａ、又はＺｎを含む、（Ｍ１）２ＳｉＯ４と実質的に同じ結晶構造を伴う第１相、及び（Ｍ２）３ＳｉＯ５と実質的に同じ結晶構造を伴う第２相を有する２相のケイ酸塩ベースの蛍光体を教示する。少なくとも１つの相は二価のユーロピウム（Ｅｕ２＋）付活で、かつ相の少なくとも１つはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｓ、又はＮを含むドーパントＤを含む。少なくともドーパント原子のいくつかは、ホストケイ酸塩結晶の酸素原子格子サイト上に位置すると信じられる。
米国特許公開番号２００７／０２９５２６は、ＭがＢａ、Ｍｇ、Ｃａ、又はＺｎを含む二価の金属の少なくとも１つであり、０＜ｘ＜０．５、２．６＜ｙ＜３．３、かつ０．００１＜ｚ＜０．５である、化学式（Ｓｒ１−ｘＭｘ）ｙＥｕｚＳｉＯ５を有する、ケイ酸塩ベースのオレンジ色蛍光体を開示する。この蛍光体は、約５６５ｎｍより大きいピーク発光波長を有する可視光を放出するように構成される。
この蛍光体は、その各々の内容が参考として、本明細書に組み込まれる我々の同時係属特許出願である米国特許公開番号２００６／０１５８０９０及び２００６／００２７７８６で教示するような、アルミン酸塩ベースの材料も含みうる。
米国特許公開番号２００６／０１５８０９０は、ＭがＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｓｍ、及びツリウム（Ｔｍ）を含む二価の金属の少なくとも１つであり、かつ０．１＜ｘ＜０．９かつ０．５≦ｙ≦１２である、化学式Ｍ１−ｘＥｕｘＡｌｙＯ［２＋３ｙ／２］を有する、アルミン酸塩ベースの緑色蛍光体を教示する。
米国特許公開番号２００６／００２７７８６は、ＭがＢａ又はＳｒを含む二価の金属の少なくとも１つである、化学式（Ｍ１−ｘＥｕｘ）２−ｚＭｇｚＡｌｙＯ［２＋３ｙ／２］を有する、アルミン酸塩ベースの蛍光体を開示する。１つの構成においては、蛍光体は、約２８０ｎｍから４２０ｎｍの波長範囲の放射を吸収し、かつ約４２０ｎｍから５６０ｎｍの波長範囲の可視光を放出し、かつ０．０５＜ｘ＜０．５又は０．２＜ｘ＜０．５、３≦ｙ≦１２及び０．８≦ｚ≦１．２となるように構成される。蛍光体は、さらにＣｌ、Ｂｒ、又はＩのようなハロゲンドーパントＨによりドープされえて、かつ一般化学式（Ｍ１−ｘＥｕｘ）２−ｚＭｇｚＡｌｙＯ［２＋３ｙ／２］：Ｈをとりうる。
もう一つの方法として、蛍光体は可視スペクトルの赤色領域を放出するニトリドシリケートベースの蛍光体複合物を含みえて、かつＭａがＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、又はＢａのような二価のアルカリ土類元素で、ＭｂがＡｌ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｙ、Ｌａ、又はＳｍのような三価の金属で、ＭｃがＳｉ、Ｇｅ、Ｐ、又はＢのような四価の元素で、Ｎが窒素で、ＤがＦ、Ｃｌ、又はＢｒのようなハロゲンで、ＺがユウロピウムＥｕ２＋のような活性化因子である、一般化学式ＭａＭｂＢｃ（Ｎ，Ｄ）：Ｚをとりうる。
当然のことながら、蛍光体は本明細書に記載の例に限定されるものではなく、かつ例えば窒化物及び硫酸塩蛍光体材料、オキシ窒化物及びオキシ硫酸塩蛍光体、又はガーネット材料（ＹＡＧ）を含む任意の無機蛍光体材料を含みうる。
セラミック基板３０は、さらにパッケージ３０の相対する端部に沿って配置される複数の試験孔６０を含みうる。この孔６０で、ＬＥＤチップ２４のストリングを相互接続するノードに相当する下部の電極パッド３８を電気的に検査することができる。
図５は、ＬＥＤチップとそれに付随するくぼみ３２の実際の位置との対応を示す、本発明に従うＡＣ作動のＬＥＤの回路図である。
機器１０外部の熱伝導を向上させるために、セラミック基板３０は、例えば機器の後面（底面）上のはんだパッド４０のような、熱的実装パッド４６から機器の外表面への熱伝導路を与えるサーマルビア６２をさらに組み込むことができる（図６）。図示されるように、サーマルビア６２は、熱的実装パッド４６に相当する各々のくぼみ３２の底部から機器の底面に貫通する穴のアレイを含みうる。各々の穴の内壁は、例えばめっき又は穴をはんだで充填することにより、金属のような熱伝導材６４で被覆される。
図７は、ＬＥＤチップ２４が、その発光表面上部に1個の電極５２を、及びその底部表面に導電面６６を有する、本発明の追加的な実施形態に従うＡＣ発光機器１０の概略断面図である。そのようなＬＥＤチップ２４のために、各々のくぼみの底面上の１個の電極６８がくぼみ内に伸ばされ、かつ組み合わさった熱的実装パッド及び電極パッドを与える。ＬＥＤの導電面６６は、例えば低温金／錫はんだ７０を用いたはんだ付けによって、実装／電極パッド６８に電気的に接続され、かつ電極５２はボンドワイヤ５６によって電極パッド３６に接続される。
図８は、ＬＥＤチップ２４が１対の電極７２、７４をその底部に有する、本発明のさらに追加的な実施形態に従うＡＣ発光機器の概略断面図である。各々の電極７２、７４を電極パッド３６のそれぞれ１つにフリップチップ接続７６させることにより、各々のＬＥＤチップは電極パッド３６に電気的に接続される。そのような装置のためには、１辺が３００μｍの正方形チップが納まるように、くぼみ３２の直径は０．５ｍｍでありえて、１平方ｃｍ当り１００ＬＥＤチップの実装密度を実現するために、中心間の間隙が０．５ｍｍの間隔を置いて配置される。
図９は、本発明に従うＡＣ発光機器の望ましい実施態様の概略断面図である。この実施形態においては、各々のＬＥＤチップ２４を覆いかつ封入するために、各々のくぼみ３２が透明材料７８で充填される。適切な透明材料の例は、ＧＥ製のシリコーンＲＴＶ６１５又はエポキシ樹脂のような紫外線硬化性又は熱硬化性シリコーン材料である。透明材料７８は、ＬＥＤチップ２４及びボンドワイヤ５４、５６の表面安定化被覆を構成し、かつＬＥＤチップ及びボンドワイヤに環境からの保護を与える。一般的には、各々のくぼみ３２を透明材料７８で完全に充填することが望ましい。図９の実施形態においては、くぼみ３２の各々を覆う蛍光体含有材料８０の別の層が与えられる。望ましくは、蛍光体含有材料８０の層は別々のシートとして製造され、その後適切な寸法の小片に切断され、その後例えば透明接着剤で基板３０上の面に接着させうる。粉体状である蛍光体材料は、例えばポリカーボネート材料、エポキシ樹脂材料、又は熱硬化性又は紫外線硬化性透明シリコーンのような透明ポリマー材料と事前に選択した割合で混合される。適切なシリコーン材料の例は、ＧＥ製のシリコーンＲＴＶ６１５である。シリコーンに対する蛍光体混合物の添加重量比は、一般的にシリコーン１００部に対して蛍光体混合物３５から６５部の範囲内であり、かつ正確な添加量は機器の目標相関色温度（ＣＣＴ）によって決まる。蛍光体／ポリマー混合物は、その後その体積全般に蛍光体の均一な分布を伴う均質の蛍光体／ポリマーシートを形成するために押出成形される。一般的に、蛍光体／ポリマーシートは１００μｍレベルの厚みを有する。ポリマーに対する蛍光体の重量添加の場合、蛍光体層８０（蛍光体／ポリマーシート）の厚みは最終機器の目標ＣＣＴによって決まる。図９の構成は、個々のくぼみが蛍光体含有材料で埋め込まれている機器との比較において多数の長所を提示する。それらはすなわち、
− 単発光機器のみを製造すればよいことによる製造コストの低減、及び適切な蛍光体含有材料のシートの使用により選択された機器により発生する光のＣＣＴ及び／又は色調、
− より均一なＣＣＴ及び／又は色調が得られうる、及び
− 蛍光体がＬＥＤチップから隔たって位置するため、蛍光体の熱劣化が減少する
ことである。さらに当然のことながら、機器を環境から保護することと同様に、透明材料７８は追加的に熱障壁の機能を果たし、さらに蛍光体への熱伝導を減少させる。
図１０は、１２ＶＡＣ電源から直接作動し、１６個のＬＥＤチップ（ＬＥＤ１からＬＥＤ１６）を含む発光機器の回路図である。図１０に示すように、ＬＥＤチップは、ＡＣ電源のＡＣ１及びＡＣ２端子間を並列に接続される２個の全波ブリッジ整流器回路８２、８４を含む、自己整流装置として接続されている。第１ブリッジ整流器８２は、そのブリッジのそれぞれの辺中に、ＬＥＤ１を第１辺に、直列接続されたＬＥＤ２及びＬＥＤ３を第２辺に、直列接続されたＬＥＤ４及びＬＥＤ５を第３辺に、及びＬＥＤ６を第４辺に含む。残りの２個のＬＥＤチップ、ＬＥＤ７及びＬＥＤ８、は第１ブリッジの整流ノード（＋、−）間で並列接続される。同様に、第２ブリッジ整流器８４は、そのブリッジのそれぞれの辺中に、ＬＥＤ９、直列接続されたＬＥＤ１０及びＬＥＤ１１、直列接続されたＬＥＤ１２及びＬＥＤ１３、並びにＬＥＤ１４を含む。残りの２個のＬＥＤチップ、ＬＥＤ１５及びＬＥＤ１６、は第２ブリッジの整流ノード（＋、−）間で並列接続される。本発明の他の実施形態におけるように、ＬＥＤチップはセラミック基板（パッケージ）３０のそれぞれのくぼみ３２内に格納される。好都合なことに、基板は正方形の形状で、横４列、縦４列の正方形アレイを有する。自己整流装置は追加の整流器ダイオードを必要としないし、ブリッジの整流ノード（＋、−）間のＬＥＤ（すなわちＬＥＤ７、ＬＥＤ８及びＬＥＤ１５、ＬＥＤ１６）のみが交流周期の全部にわたって励起されるので、自己整流装置は回路のペイロードを低減する。その一方で、ＬＥＤ１、ＬＥＤ４、ＬＥＤ５、及びＬＥＤ９、ＬＥＤ１２、ＬＥＤ１３は正の半サイクル部分で励起され、かつＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ６、及びＬＥＤ１０、ＬＥＤ１１、ＬＥＤ１５は負の半サイクル部分で励起され、かつその各々は個々に時間の５０％の間励起される。
本発明は高電圧ＡＣ電源で作動可能なＡＣ発光機器を提供しようとして生まれたが、当然のことながら、本発明は直流（ＤＣ）電源での作動の用途にも使うことができる。図１１は、各々の機器が１６個の直列接続されたＬＥＤチップ（ＬＥＤ１からＬＥＤ１６）を有する、直列接続された２つの機器１０を含む、１１０ＶＤＣ電源で作動する白色光発光機器の概略図である。図１１で示すように、各々の機器１０は、横４列、縦４列の正方形アレイを構成する１６個のくぼみを有する、正方形のセラミック基板３０を含む。それぞれのくぼみ３２は、ＬＥＤチップ（ＬＥＤ１からＬＥＤ１６）のそれぞれ１個を格納する。上記に記載のごとく、セラミック基板はさらに、ＬＥＤチップを直列に接続するように構成される電導性トラック３４を含む。そのような機器１０の利点は、２個又は４個のこの機器をそれぞれ直列に接続することにより、同じ機器がＤＣ１１０Ｖ又はＤＣ２２０Ｖで作動しうるという、そのモジュール式組立品としての特質にある。
本発明の発光機器は、一般的な照明への応用において、特定の用途に使うことができ、かつ、図１２は本発明の発光機器１０に基づく管状ランプ６８の概略透視図である。ランプ６８は、従来の白熱灯管状電球又は蛍光灯の代わりとして意図され、かつＡＣ１１０Ｖ本線で作動するように構成される。この例示的な実施形態においては、ランプ６８は細長い形状で、かつ透明又は半透明な、実質的に管状の（円筒形の）囲い８８を含む。管状の囲い８６は、ポリカーボネート材料のような透明プラスチック材料又はガラス材料で作ることができる。例えば図１１記載の機器のような複数の発光機器１０は、金属コア印刷回路基板（ＭＣＰＣＢ）９０の長さ方向に沿って等しい間隔で実装される。ＭＣＰＣＢ９０は細長い形状で、かつ管状の囲い９０の中に収まるように構成される。ＭＣＰＣＢ９０の後面は実質的にランプの全長にわたる放熱板９２と熱的にやり取りできるように設けられている。その中にランプが装着される照明器具のような、より大きい熱質量に熱を散逸させられるように、放熱板はさらにそれぞれの端部キャップ９４と熱的にやり取りできるようになっている。ランプを端部キャップ上の接続ピン９６経由で本線電源から直接作動させることができるように、整流器回路（示されていない）は端部キャップ９４内に格納できる。
図１３は、従来の白熱灯電球の直接代替品となることが意図される、本発明に従う電球９８の透視図である。この実施形態においては、複数の発光機器１０が輪状のＭＣＰＣＢ１００上の円形のアレイ内に実装される。電球９８は、本線ＡＣ１１０Ｖで作動することを意図され、かつ、本線電源に直接接続するためのＥ２６標準口金（ねじ込み式コネクタ）１０２を含む。当然のことながら、例えば英国でよく使われるバヨネットコネクタのような、他のコネクタを用いることができる。電球の本体１０４は、外面に沿って軸方向に伸び、かつ中央穴１０８内で軸方向に伸びる複数の放熱フィン１０６を有する一般的には円錐状の放熱板１０４を含む。輪状のＭＣＰＣＢ１００は、放熱板１０４の円形の底面と熱的にやり取りできるように設けられている。発光機器１０が直接本線電源で作動するように、整流器回路（示されていない）はねじ込み式コネクタ１０２内に格納できる。電球は追加的に透明又は半透明のフロントカバー（示されていない）を含みうる。
当然のことながら、さまざまな例示的な実施形態においては、ＬＥＤ２４は、ＬＥＤの電極に接続するためにくぼみの底にある１対の電極パッド（導電体）３６を有するそれぞれのくぼみ３２内に格納される。本発明の発光機器の特有の長所は、(ａ)一般的には１平方ｃｍあたり３０個から１００個のＬＥＤの、比較的高いＬＥＤ実装密度を伴う機器を容易に製造することができること、及び(ｂ)各々のＬＥＤがそれぞれのくぼみに格納されているため、放出される光の目的とする相関色温度及び色調を得るために、各々のくぼみを１つ以上の蛍光体材料で埋め込むことにより、蛍光体を容易に容器封入することができることである。
当然のことながら、本発明は記載される特定の実施形態に限定されず、かつ本発明の範囲内で変化をさせることができる。例えば、ＬＥＤチップの数を適切に選択することにより、本発明のＡＣ発光機器を、例えば欧州及びアジアで用いられるごときＡＣ２２０Ｖ（５０Ｈｚ）のような本線電源の他の高電圧で直接作動させることができる。さらには、各々の機器は、例えばＡＣ１２Ｖのようなより低電圧での動作に対応するように、かつより高電圧のＡＣ電源で動作する直列接続された機器のストリングに対応するように構成されうる。
さらには、セラミック基板（パッケージ）は高電圧ＡＣ電源での作動には望ましいが、代替実施形態においては、パッケージは、良好な熱伝導性を有するケイ素又は高温ポリマー材料のような他の電気的絶縁材料を含みうる。

Claims (20)

  1. 複数の発光ダイオード及び、そのそれぞれが発光ダイオードのそれぞれ１個を格納するためのくぼみのアレイを有する絶縁基板を含む発光機器であって、前記基板が、選択された電気的機器構成内で発光ダイオードを接続し、かつ各々のくぼみの底部上に少なくとも２つの電気的接続を与えるように構成された導電体の構造を組み込み、各々の発光ダイオードが少なくとも２つの電気的接続に結合している発光機器。
  2. 発光ダイオードの基板単位面積あたりの実装密度が１ｃｍ２あたり３０から１００の範囲内にある、請求項１に記載の機器。
  3. 発光ダイオードが、電気的接続に少なくとも１つのボンドワイヤにより電気的に結合している、請求項１に記載の機器。
  4. 発光ダイオードが、電気的接続にフリップチップ接続により電気的に結合している、請求項１に記載の機器。
  5. それぞれの発光ダイオードを熱伝導パッドと熱的にやり取りできるように実装するための、各々のくぼみの底部上にある熱伝導パッドをさらに含む、請求項１に記載の機器。
  6. 基板が、熱伝導パッドから基板の外部に熱伝導させるためのサーマルビアをさらに含む、請求項５に記載の機器。
  7. 各々の発光ダイオードを封入するために各々のくぼみを実質的に充填する、実質的に透明な材料をさらに含む、請求項１に記載の機器。
  8. 透明な材料が、紫外線硬化性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エポキシ樹脂、及びシリコーン材料から成るリストから選択される、請求項７に記載の機器。
  9. 少なくとも１つの蛍光体材料を透明材料内に組み込むことをさらに含む請求項７に記載の機器で、前記蛍光体材料が、その関連した発光ダイオードによって放出される光の少なくとも一部を吸収し、かつ異なる波長の光を再放出するように機能しうる、請求項７に記載の機器。
  10. 各々のくぼみを覆う少なくとも１つの蛍光体材料を与えることをさらに含み、前記蛍光体材料が、その関連した発光ダイオードによって放出される光の少なくとも一部を吸収し、かつ異なる波長の光を再放出するように機能しうる、請求項７に記載の機器。
  11. 直列接続されること、発光ダイオードの対が反対の極性で並列接続されること、発光ダイオードのグループが直列接続されること、及び前記グループが反対の極性で並列接続され、かつブリッジ構成で接続されること、から成るグループから選択される電気的機器構成内で、発光ダイオードが接続される、請求項１に記載の機器。
  12. 発光ダイオードを直接ＡＣ電源で作動させるための整流器装置をさらに含む、請求項１に記載の機器。
  13. 整流器装置の構成要素が１つ以上のくぼみに格納されている、請求項１２に記載の機器。
  14. 整流器装置がブリッジ整流器機器構成で接続されている４個のダイオードを含み、かつ導電体構造が、発光ダイオードがブリッジの整流ノード間で直列接続されるように構成される、請求項１２に記載の機器。
  15. ダイオードがケイ素、ゲルマニウム、炭化ケイ素、及び窒化ガリウムダイオードから成るグループから選択される、請求項１４に記載の機器。
  16. 絶縁基板が低温同時焼成セラミックス、ケイ素、及び高温ポリマーから成るグループから選択される、請求項１に記載の機器。
  17. 発光ダイオードが窒化ガリウムベースの発光ダイオードチップを含む、請求項１に記載の機器。
  18. くぼみのアレイが正方形のアレイとして構成される、請求項１に記載の機器。
  19. 回路基板上に実装されかつ回路基板の長さ方向に配置される請求項１に記載の複数の発光機器を有する細長い回路基板、及び細長い実質的に透明な囲いを含むＡＣ光源で、前記回路基板が前記囲い内に収まるように構成されるＡＣ光源。
  20. 円形のアレイ上に実装されかつ円形のアレイとして構成される請求項１に記載の複数の発光機器を有する輪状の回路基板、回路基板が熱的にやり取りできるように実装される本体、及び光源をＡＣ電源に接続するためのコネクタを含むＡＣ光源。
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