JP2011523511A - 近距離場で光を混合する光源 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】 ＬＥＤチップアレイが設けられているサブマウントと、ＬＥＤチップアレイの上方に設けられているレンズとを備える発光ダイオード（ＬＥＤ）部品を提供する。拡散部は、ＬＥＤが発光する光の少なくとも一部が当該拡散部を通過してＬＥＤが発光する光が近距離場で混合されるように、配置される。拡散部を通過する光は、直接見ると、ＬＥＤチップが発光する光の混合光に見える。さらに、ＬＥＤチップアレイと、ＬＥＤチップが発光する光の少なくとも一部を近距離場で混合させる近距離場拡散部とから構成されるＬＥＤ部品を備える照明装置を開示する。ＬＥＤ部品が発光する光の少なくとも一部を反射する遠隔反射体を設けて、照明装置から所望の方向に発光させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ソリッドステート照明に関する。特に、複数の別個の発光源からの光を近距離場で混合させるソリッドステート照明に関する。本願は、米国特許出願第１１／８１８，８１８号（米国特許出願公開第２００８／０３０８８２５号、出願日：２００７年６月１４日、発明の名称：発光ダイオードにおける空間発光パターンおよび色均一性を調整するための散乱体を含む筐体（Ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ Ｗｉｔｈ Ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｔｏ Ｔａｉｌｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ））の一部継続出願であり、当該出願に基づく恩恵を主張する。本願は、米国仮特許出願第６１／１３０，４１１号（出願日：２００９年５月２９日、発明の名称：「近距離場で光を混合する光源（Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｗｉｔｈ Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｍｉｘｉｎｇ）」）による恩恵を主張する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換するソリッドステートデバイスであり、逆の極性を持つようにドーピングされた層の間に半導体材料から形成される活性層を１以上含むことが普通である。ドーピング層にバイアスを印加すると、活性層に正孔および電子が注入されて、再結合して、発光する。活性層から発光し、ＬＥＤの全面から放出される。
ＬＥＤチップを回路等の装置で利用する場合、外囲環境からの保護および／または機械的強度の改善、色の選択、光の集束等を目的として、ＬＥＤチップをパッケージ内に封止することが知られている。ＬＥＤパッケージはまた、当該ＬＥＤパッケージを外部の回路に電気接続するための導線、導電コンタクト、または、配線を有する。図１Ａに示す通常のＬＥＤパッケージ１０では、１つのＬＥＤチップ１２がハンダ結合部または導電エポキシによって、反射性カップ１３に配設されている。１以上のワイヤボンディング部１１によって、ＬＥＤチップ１２のオーミックコンタクトがリード線１５Ａおよび／または１５Ｂに接続されている。リード線１５Ａおよび／または１５Ｂは、反射性カップ１３に取り付けられているとしてもよいし、反射性カップ１３に一体的に形成されているとしてもよい。反射性カップは、リン等の波長変換材料を含む封止材料１６が充填されているとしてよい。ＬＥＤが発光した第１の波長の光はリンによって吸収されると、リンはこれに応じて第２の波長の光を発光するとしてよい。全体は、透明な保護樹脂１４内に封止される。保護樹脂１４は、ＬＥＤチップ１２が発光する光をコリメートするべくレンズの形状に成形されるとしてよい。反射性カップ１３によって光は上向きに方向付けられるが、光が反射される際に光損失が発生する可能性がある（つまり、実際の反射体表面の反射率は１００％未満であるので、反射性カップによって光の一部が吸収されるとしてよい）。また、図１Ａに示すＬＥＤパッケージ１０のようなパッケージでは、リード線１５Ａ、１５Ｂを介して放熱させるのが困難である可能性があるので、熱の滞留も問題となり得る。
図１Ｂに示す従来のＬＥＤパッケージ２０は、発熱量がより多い高電力動作により適した構成となっているとしてよい。ＬＥＤパッケージ２０では、１以上のＬＥＤチップ２２が、プリント配線基板（ＰＣＢ）、基板、または、サブマウント２３等の担体に配設されている。サブマウント２３に配設されている金属製の反射体２４は、ＬＥＤチップ２２の外側を囲うように形成されており、ＬＥＤチップ２２が発光する光を反射してパッケージ２０から出射させる。反射体２４はさらに、ＬＥＤチップ２２の機械的強度を改善する機能を持つ。ＬＥＤチップ２２のオーミックコンタクトと、サブマウント２３上に形成されている電気配線２５Ａ、２５Ｂとの間には、１以上のワイヤボンディング部１１が設けられている。配設されているＬＥＤチップ２２はそして、筐体２６によって被覆されている。筐体２６は、レンズとして機能すると共に、ＬＥＤチップを外囲環境から保護して、機械的強度を改善するとしてよい。金属製の反射体２４は通常、ハンダまたはエポキシの結合部によって担体に取り付けられている。
複数の異なる別個の光源から発光される別々の色相の光を利用して複数の別個の光源から白色光を生成する方法が考案されており、例えば、米国特許第７，２１３，９４０号明細書（発明の名称：「照明装置および照明方法（Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）」）に開示されている。当該方法によると、複数の別個の光源からの光を混合させて、白色光を得ている。一部のケースでは、遠距離場で光を混合させるので、直接見た場合には異なる色相の光を発光している光源を個別に特定することができるが、遠距離場では光が混ざり合って白色に見える光が得られる。遠距離場で混合する方法の問題点の１つに、ランプまたは照明器具を直接見るとそれぞれ別個の光源の光が見えてしまう可能性がある点が挙げられる。したがって、遠距離場でのみ光を混合する方法は、光源がユーザの目に入らないように機械的に構成されている照明装置の場合に最適であると考えられる。しかし、光源がユーザの目に入らないように機械的に構成すると、機械的な遮蔽部によって光が通常失われてしまうので、効率が低くなってしまう場合がある。
複数の別個の光源からの光をより効率良く混合しつつ、光源が出来る限り見えないようにしたさまざまなランプまたは照明装置が開発されている。Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．社（ｗｗｗ．ｃｒｅｅｌｉｇｈｔｉｎｇ．ｃｏｍ）製のＬＲ６型ランプでは、光は、レンズと光源との間の空間において反射して、各光源を見えにくくするべく設けられている拡散部を通過する「混合室」方式を採用している。このため、ＬＲ６型ランプは、複数の別個の光源を利用しているが、白熱ランプは光源が１つであるように見えるのと同様に光源が１つであるように見える。
混合室方式によればＬＲ６型ランプの効率は約６０ルーメン／ワットと非常に高くなるが、この方法の問題点の１つは、拡散レンズ（レンズおよび拡散膜から構成されるとしてよい）と光源との間に間隙を最低限設けることが要件となる点である。この間隙は、実際には、レンズの拡散機能に応じて決まるが、通常は、拡散機能が高いレンズほど、損失が大きくなる。このため、拡散機能／見えにくくする機能の程度および混合距離は通常、照明器具の深さを適切な値にするべく用途に応じて調節される。別のランプでは、拡散部は複数の別個の光源から２−３インチ離して設けるとしてよく、拡散部と光源との間の距離を小さくすると、光源から発光される光が十分に混合されない可能性がある。したがって、混合室方式を用いると、プロフィールが非常に低い照明装置を得ることが難しくなり得る。
現在利用されているＬＥＤパッケージ（例えば、Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．社製のＸＬａｍｐ（登録商標）のＬＥＤ）は、入力電力レベルに限界が設けられており、一部については、０．５−４ワットとなっている。このような従来のＬＥＤパッケージの多くでは、封止するＬＥＤチップの数が１つで、光出力を大きくするには、１枚の回路基板に複数のＬＥＤパッケージを搭載して集合体とする。図２は、このように構成されている分散集積型のＬＥＤアレイ３０を示す断面図であり、ＬＥＤアレイ３０は、光束を増やすことを目的として、基板またはサブマウント３４に複数のＬＥＤパッケージ３２が搭載されている。通常のアレイはＬＥＤパッケージを多数備えるが、図２では分かりやすいように２つのみを示す。これに代えて、各キャビティに１つのＬＥＤチップを搭載しているキャビティアレイを用いて、光束を大きくする方法も考案されている（例えば、Ｌａｍｉｎａ，Ｉｎｃ．社製のＴｉｔａｎＴｕｒｂｏ（登録商標）ＬＥＤライトエンジン）。
このような構造のＬＥＤアレイは、隣接するＬＥＤパッケージおよびキャビティ同士の間の発光しない「デッドスペース」が増加するので、所望のサイズよりも大きくなってしまう。このデッドスペースによってデバイスが大型化してしまい、ＬＥＤパッケージからの光を拡散する機能が制限され、コリメートレンズまたは反射体等の１つの小型光学素子によって出力ビームを特定の角度分布を成形する機能が制限される。このため、従来のランプのフォームファクタ以下で指向性またはコリメート状態の光出力を実現するソリッドステート照明装置を提供するのが困難となっている。ＬＥＤ部品が封入されている小型ＬＥＤランプ構造において小さい光源から１０００ルーメンレベル以上の光束を実現するためには、現時点でこのような課題が存在する。
本発明は、複数の別個の光源からの光を「近距離場」で混合させることを特徴とするＬＥＤ部品および照明装置のさまざまな実施形態を提供する。複数の別個の光源は、異なる色の光を発光するとしてよく、ＬＥＤ部品および照明装置を直接見ると、複数の別個の光源からの光は混合させられて、複数の異なる色の光を出す光源ではなく、単色光源に見える。このような構成とすることによって、見た目が魅力的な光源が得られるだけでなく、近距離場で拡散された後で光が通過するレンズおよび光学系にとっても利点が得られる。
本発明の一実施形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）部品は、複数のＬＥＤチップを備える。拡散部は、ＬＥＤからの光の少なくとも一部が当該拡散部を通過して近距離場でＬＥＤからの光が混合されるように配置される。拡散部を通過する光は、直接見ると、混合光に見える。
本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ部品は、複数のＬＥＤチップを含むＬＥＤチップアレイが設けられるサブマウントと、ＬＥＤチップアレイの上方に設けられるレンズとを備える。拡散部は、ＬＥＤからの光の少なくとも一部が当該拡散部を通過して近距離場でＬＥＤからの光が混合されるように配置される。拡散部を通過する光は、直接見ると、ＬＥＤチップからの光の混合光に見える。
本発明の一実施形態に係る照明装置は、複数のＬＥＤチップを含むＬＥＤチップアレイと、複数のＬＥＤチップからの光の少なくとも一部を近距離場で混合させる近距離場拡散部とを有するＬＥＤ部品を備える。ＬＥＤ部品からの光の少なくとも一部を反射して、当該照明装置から所望の方向に発光するべく、遠隔反射体が備えられている。
本発明の上記およびその他の側面および利点は、以下に記載する詳細な説明および添付図面を参照することにより明らかとなる。添付図面では、本発明の特徴の例を図示する。
先行技術に係るＬＥＤランプの一実施形態を示す断面図である。
先行技術に係るＬＥＤランプの別の実施形態を示す断面図である。
先行技術に係るＬＥＤ部品の一実施形態を示す断面図である。
本発明の一実施形態に係る、拡散膜がレンズ上に設けられているＬＥＤ部品を示す断面図である。
本発明の別の実施形態に係る、拡散部がレンズの内部に設けられているＬＥＤ部品を示す断面図である。
本発明の別の実施形態に係る、遠隔拡散部が設けられているＬＥＤ部品を示す断面図である。
本発明の別の実施形態に係る、拡散構造がレンズ上に設けられているＬＥＤ部品を示す断面図である。
本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ部品を示す断面図である。
図７ＡのＬＥＤ部品を示す斜視図である。
図７Ａに示すＬＥＤ部品を示す上面図である。
図７Ａに示すＬＥＤ部品を示す底面図である。
拡散膜がレンズ上に設けられている、図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品を示す断面図である。
拡散部がレンズ内に設けられている、図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品を示す断面図である。
遠隔拡散部が設けられている、図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品を示す断面図である。
拡散構造がレンズ上に設けられている、図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品を示す断面図である。
本発明の実施形態に係るＬＥＤ部品を組み込んだ後方反射ランプを示す断面図である。
本発明の実施形態に係るＬＥＤ部品を組み込んだ前方反射ランプを示す断面図である。
本発明の実施形態に係るＬＥＤ部品を組み込んだ直接光源ランプを示す断面図である。
本発明は、複数の別個の光源を備え、光源に近接して散乱物質／拡散物質または散乱構造／拡散構造（「拡散部」）を設けることによって、光源から発光された光を「近距離場」で混合する照明部品、ランプ、または、照明装置を提供する。複数の別個の光源が発光する光は、近距離場で混合することによって、直接見ると単色光に見える。言い方を変えると、複数の別個の光源が発光する光は、光源が別々の光には見えない。一実施形態によると、複数の別個の光源が発光する光を混合することによって白色光を得ることができ、近距離場で混合することにより、当該ＬＥＤ部品は、直接見ると白色光源に見える。遠距離場でも、複数の別個の光源が発光する光を混合して得られた白色光に見える。本発明によると、近距離場および遠距離場のどちらで見ても、複数の別個の光源が発光した光の混合光を発光しているように見える低プロフィールの光源が得られる。
一実施形態に係る照明／ＬＥＤ部品は、複数のＬＥＤチップがサブマウントに搭載されており、ＬＥＤチップを被覆するようにレンズが設けられていて、１つの小型光源素子を構成している。ＬＥＤチップの内部あるいは上部、または、ＬＥＤチップから離れているが近接した位置に拡散部を設けており、拡散部は、ＬＥＤチップが発光する光を近距離場で混合しつつも、照明／ＬＥＤ部品のプロファイルが低くなるように配置されている。近距離場で拡散することによって、照明部品（「ＬＥＤ部品」）は、プロフィールを低くしつつも、光学素子による拡大または反射に先立って／の前に発光を均一化する。
拡散部は、多くの異なる材料を含むとしてよく、その配置方法は多岐にわたるとしてよい。一部の実施形態によると、照明部品のＬＥＤチップを被覆するように設けられているレンズ上に拡散膜を配設するとしてよい。他の実施形態によると、レンズ内に拡散部を含めるとしてよい。さらに他の実施形態によると、拡散部はレンズから離れた位置に設けるとしてよい。しかし、レンズの外部で光を反射して多量に混合するほどは離れていない。さらに以下で説明するように、拡散部には多くの異なる構造および材料を用いることができる。例えば、散乱粒子、物理的な散乱構造または微細構造、微細構造を含む拡散膜、インデックスフォトニック膜を含む拡散膜などを用いるとしてよい。ＬＥＤチップの上方に設けられる拡散部は、多くの異なる形状を取るとしてよく、例えば、平面状、半球状、円錐形状、および、これらを変形させた形状を取り得る。
特定の実施形態に基づき本明細書において本発明を説明するが、本発明の実施形態は多岐にわたり、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではないことを理解されたい。特に、さまざまな構成のＬＥＤアレイまたはＬＥＤチップアレイを有する特定のランプまたは照明部品に関連付けて本発明を以下で説明するが、本発明はアレイ構成が異なる上記以外の多くのランプでも利用できるものと理解されたい。照明部品の形状およびサイズは図示内容とは異なるものであってもよく、アレイに含まれるＬＥＤの数は変更することができる。アレイに含まれるＬＥＤの一部または全ては、リン光体配合結合剤（リン光体／結合剤コーティング）を含む下方変換コーティングでコーティングされているとしてよいが、変換物質をコーティングしないＬＥＤも利用し得ると理解されたい。
層、領域、または、基板等の構成要素について、別の構成要素の「上」にあると記載する場合、この別の構成要素の上に直接設けられているとしてもよいし、または、その間に別の構成要素が設けられているとしてもよい。また、「内側」、「外側」、「上側」、「上方」、「下側」、「下」、および、「下方」等の相対的な意味を持つ用語は、本明細書においてある層と別の領域との関係を説明する際に用いる場合がある。このような用語で位置関係を表すが図中に示す装置の配向以外の別の配向も含むものと理解されたい。
本明細書では第１、第２等の用語を用いてさまざまな素子、部品、領域、層、および／または、部分が複数あることを説明するが、こういった用語を用いることでこれらの素子、部品、領域、層、および／または、部分の範囲が限定されるものではない。こういった用語は、ある１つの素子、部品、領域、層、または、部分を、別の領域、層、または部分と区別するためだけに利用されている。このため、以下で第１の素子、部品、領域、層、または、部分と記載する場合、これらは、本発明の教示内容から逸脱することなく、第２の素子、部品、領域、層、または、部分と称することもできる。
本明細書では、本発明の実施形態を概略的に図示している断面図を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。このため、層の厚みは実際の値とは異なっている場合もあり、例えば、製造技術および／または許容誤差によって図示内容と形状が異なる可能性があると考えられる。本発明の実施形態は、本明細書で説明する領域の特定の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば製造時に発生する形状の変化を含むものと解されたい。正方形または矩形として図示または説明されている領域は、通常の製造許容誤差により、丸みを帯びた部分または曲線状の部分があることが普通である。このため、図中に図示する領域は本質的に概略図であり、図示する形状は装置の領域の形状を正確に示すことを意図してはおらず、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
図３は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ部品４０を示す図である。ＬＥＤ部品４０は、ＬＥＤチップアレイを支持するサブマウント４２を備え、サブマウントの上面にはダイパッド４４および導電配線４６が設けられている。ＬＥＤアレイは複数のＬＥＤチップ４８を含み、各ＬＥＤチップ４８は、対応する１つのダイパッド４４に搭載されている。ＬＥＤチップ４８は、さまざまな半導体層がさまざまな方法で配置されており、本発明のさまざまな実施形態ではさまざまな色の光を発光するとしてよい。ＬＥＤの構造、特徴、および、製造方法および動作は、概して関連技術分野で公知であるので、本明細書では簡単に言及するに留める。
ＬＥＤチップ４８を構成している層は公知の処理を用いて製造することができる。適切な処理として、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて製造する。ＬＥＤチップを構成している層は通常、互いに反対の極性になるようにドーピングされている第１のエピタキシャル層と第２のエピタキシャル層との間に活性層／領域が設けられており、これらの層は全て、成長基板上に連続して形成される。ウェハ上に複数のＬＥＤチップを形成してから、パッケージに搭載するべく１つずつ分けるとしてよい。成長基板は、１つずつに分けられた後のＬＥＤの一部分を構成するとしてもよいし、または、完全または部分的に除去するとしてもよいと理解されたい。
また、ＬＥＤチップ４８には上記以外の層および素子が含まれ得ると理解されたい。例えば、これらに限定されないが、バッファ層、核生成層、コンタクト層、および、電流波及層、ならびに、光抽出層および光抽出素子を含むとしてよい。活性領域は、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、二重ヘテロ構造、または、超格子構造を含むとしてよい。活性領域およびドーピング層は、製造する際に利用する材料系が異なるとしてよい。第ＩＩＩ族の窒化物をベースとする材料系を利用することが好ましい。第ＩＩＩ族の窒化物とは、周期表の第ＩＩＩ族の元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および、インジウム（Ｉｎ）と窒素とを反応させて生成する半導体化合物を意味する。第ＩＩＩ族の窒化物とは、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の三元化合物および四元化合物を意味することもある。好ましい実施形態によると、ドーピングされた層は窒化ガリウム（ＧａＮ）で、活性領域はＩｎＧａＮである。別の実施形態では、ドーピングされた層は、ＡｌＧａＮ、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、または、ヒ化リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓＰ）であってよい。
成長基板は、サファイア、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等、さまざまな材料から形成されるとしてよい。適切な基板材料としてはシリコンカーバイドの４Ｈ型のポリタイプが挙げられるが、３Ｃ、６Ｈ、および、１５Ｒ型のポリタイプ等、他のシリコンカーバイドのポリタイプを利用することもできる。シリコンカーバイドは、サファイアに比べて第ＩＩＩ族の窒化物に対する結晶格子整合が高く、第ＩＩＩ族窒化物膜の品質を向上させる、といった所与の利点を持つ。シリコンカーバイドはさらに、熱伝導性が非常に高く、シリコンカーバイド上に設けられる第ＩＩＩ族窒化物のデバイスの総出力パワーは、基板の熱放散機能によっては課される制限を受けない（サファイア上に形成される一部のデバイスでは制限を受けてしまう）。ＳｉＣ基板としては、Ｃｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．社（米国、ノースカロライナ州、ダーラム）製のものを利用し、当該基板を製造する方法は、科学文献および米国特許第３４，８６１号明細書、第４，９４６，５４７号明細書、および、第５，２００，０２２号明細書に記載されている。
ＬＥＤチップ４８はさらに、上面に導電性の電流波及構造およびワイヤボンディングパッドが形成されているとしてよく、どちらも公知の方法を用いて堆積し得る導電材料から形成されている。このような構成要素の形成に利用され得る材料として、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、または、これらの混合物、ならびに、導電性酸化物および透明な導電性酸化物が挙げられる。電流波及構造は、ＬＥＤチップ４８上に格子状に配設されている導電性のフィンガー部を含み、フィンガー部は、パッドからＬＥＤ上面への電流波及効果を高めるべく、互いに離間して設けられる。動作について説明すると、以下で説明するように、ワイヤボンディング部を介してパッドに電気信号が印加され、当該電気信号は、電流波及構造のフィンガー部および上面を通って、ＬＥＤチップ４８に波及する。電流波及構造は、上面がＰ型であるＬＥＤで利用されることが多いが、Ｎ型材料でも利用することができる。
ＬＥＤチップ４８の一部または全ては、１種類以上のリン光体がコーティングされているとしてよく、リン光体は、ＬＥＤが発光する光のうち少なくとも一部を吸収して別の波長の光を発光するので、ＬＥＤは、ＬＥＤが本来発光する光とリン光体が発光する光との混合光を発光する。本発明の一実施形態によると、白色光を発光するＬＥＤチップ４８には、青色波長スペクトルの光を発光し、リン光体が青色光の一部を吸収して黄色光を発光するＬＥＤがある。ＬＥＤチップ４８は、青色光および黄色光を混合させて、白色光を発光する。別の実施形態によると、ＬＥＤチップ４８は、米国特許第７，２１３，９４０号明細書に記載されているように、青色光と黄色光とを混合させて得られる白色でない色の光を発光する。一部の実施形態によると、リン光体としては、市販されているＹＡＧ：Ｃｅがあるが、（Ｇｄ，Ｙ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ系、例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ）をベースとするリン光体から形成される変換粒子を用いると、発光スペクトルがフルレンジの広域黄色スペクトル光を発光させることができる。白色光発光ＬＥＤチップで利用可能なそのほかの黄色リン光体としては、Ｔｂ３−ｘＲＥｘＯ１２：Ｃｅ（ＴＡＧ）；ＲＥ＝Ｙ，Ｇｄ，Ｌａ，Ｌｕ、または、Ｓｒ２−ｘ−ｙＢａｘＣａｙＳｉＯ４：Ｅｕがある。
赤色光を発光するＬＥＤチップ４８は、活性領域から直接赤色光を発光させるようにＬＥＤの構造および材料が選択されるとしてよい。これに代えて、他の実施形態では、赤色ＬＥＤチップ４８は、ＬＥＤが発光する光を吸収して赤色を発光するリン光体によって被覆されているＬＥＤであってよい。この構造に適しているリン光体としては、以下のものが挙げられる。
＜赤色＞
Ｌｕ２Ｏ３：Ｅｕ３＋
（Ｓｒ２−ｘＬａｘ）（Ｃｅ１−ｘＥｕｘ）Ｏ４
Ｓｒ２Ｃｅ１−ｘＥｕｘＯ４
Ｓｒ２−ｘＥｕｘＣｅＯ４
ＳｒＴｉＯ３：Ｐｒ３＋，Ｇａ３＋
ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２+
Ｓｒ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋
コーティングが施されるＬＥＤチップ４８は、さまざまな方法を用いてリン光体をコーティングするとしてよい。適切な方法の１つとして、米国特許出願第１１／６５６，７５９号および第１１／８９９，７９０号（どちらも、発明の名称は、「ウェハレベルでのリン光体のコーティング方法および当該方法を利用して製造されたデバイス（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）」）に記載されているものを挙げる。両特許文献は、参照により本願に組み込まれる。これに代えて、電気泳動堆積（ＥＰＤ）法等、他の方法を用いてＬＥＤにコーティングを施すとしてもよい。適切なＥＰＤ法として、米国特許出願第１１／４７３，０８９号（発明の名称：「半導体デバイスの閉ループ電気泳動堆積」（Ｃｌｏｓｅ Ｌｏｏｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ））に記載されているものが挙げられる。当該出願もまた、参照により本願に組み込まれる。本発明に係るＬＥＤパッケージは、異なる色の光を発光する複数のＬＥＤを備え、このうち１以上のＬＥＤが白色光を発光するとしてもよいと理解されたい。
サブマウント４２は、さまざまな材料から形成されるとしてよいが、電気的絶縁性材料、例えば、誘電体素子が好ましい。サブマウントは、ＬＥＤアレイとＬＥＤ部品の裏面との間に配置される。サブマウントは、アルミナ、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド等のセラミック、または、ポリイミドおよびポリエステル等のポリマー材料を含むとしてよい。好ましい実施形態によると、窒化アルミニウムおよびシリコンカーバイド等の誘電体材料は、熱伝導性が高い。他の実施形態によると、サブマウント４２は、ＬＥＤ部品からの光抽出率を高めるべく、反射性が高い材料を含むとしてよい。例えば、反射性のセラミックまたは銀等の金属層を含むとしてよい。他の実施形態によると、サブマウント４２は、プリント配線基板（ＰＣＢ）、アルミナ、サファイア、あるいはシリコン、または、Ｔｈｅ Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ Ｃｏｍｐａｎｙ社（米国、ミネソタ州、チャンハッセン）製のＴ−Ｃｌａｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｌａｄ（登録商標）絶縁基板材料等のその他の任意の適切な材料を含むとしてよい。ＰＣＢを利用する実施形態の場合、標準的なＦＲ−４ ＰＣＢ、金属コアＰＣＢ、または、その他の任意の種類のプリント配線基板等、さまざまな種類のＰＣＢを利用することができる。
ワイヤボンディング部５０は、導電配線４６と各ＬＥＤチップ４８との間に設けられている。電気信号は、ダイパッド４４およびワイヤボンディング部５０を介して、各ＬＥＤチップ４８に供給される。他の実施形態によると、ＬＥＤチップ４８は、ＬＥＤの片側（下側）に同一平面の電気コンタクトを有するとしてよく、光の大半が出射する面は、ＬＥＤの電気コンタクトとは反対側（上側）に配置される。このようなフリップチップ型のＬＥＤは、１個の電極（アノードまたはカソード）に対応するコンタクトをダイパッド４４に搭載することによって、サブマウント４２に搭載することができる。もう一方のＬＥＤ電極（カソードまたはアノード）として機能するコンタクトは、配線４６に搭載するとしてよい。任意で、サブマウントにＬＥＤチップ４８を取り囲むようにサブマウント反射体５２を設けるとしてよい。他の実施形態によると、サブマウント反射体は、別の位置に配置するとしてもよく、別の形状を持つとしてもよい。また、他の実施形態では、反射体５２を省略するとしてよい。
ＬＥＤ部品４０が備えるＬＥＤチップ４８は、単色光を発光するとしてもよいし、または、下方変換リン光体でコーティングされるとしてもよく、ＬＥＤが一種類毎に少なくとも１つの直列接続回路に接続されるとしてよい。これに代えて、複数の種類のＬＥＤをサブマウント４２に同時に搭載して、それぞれ独立した直列回路に接続されるとしてもよい。ＬＥＤチップ４８の上方にレンズ等の光学素子５４を設ける。レンズ５４は、さまざまな方法で形成されるとしてよく、例えば、硬化性のレンズ材料を成形または注入して硬化させることによって形成されるとしてよい。これに代えて、レンズは、別個の部品として用意されて、所定位置に接合されるとしてもよい。レンズは、さまざまな形状を取るとしてよく、光抽出率を高めるような構成要素を含むとしてもよい。本発明のほかの実施形態ではレンズを省略するとしてもよいと理解されたい。
ＬＥＤ部品４０は、４つのＬＥＤチップ４８を有するＬＥＤアレイを備えるものとして図示されているが、ＬＥＤアレイを構成するＬＥＤチップの数はこれより多くてもよいと理解されたい。ＬＥＤチップはさまざまな方法で相互に接続されるとしてよく、一実施形態によると、ＬＥＤチップ４８の少なくとも一部は、ＬＥＤ部品との接触箇所の数を最小限に抑えることと、所望の駆動電流において適切なドライバで動作することとを目的として、直列に相互接続される。ＬＥＤチップ４８同士の間の「デッドスペース」は、従来のＬＥＤ部品に比べて小さくなっており、通常は０．５０ｍｍ未満である。一実施形態によると、この間隙は、搭載方法に応じて０．１５ｍｍから０．０１ｍｍの間で変化し、サブマウント４２の上面に高密度でＬＥＤチップを配置することができる。このような構成によって、デバイスを小型化して従来のランプ以下のフォームファクタとすることができ、出力ビームを特定の角度分布を持つように成形する機能が得られる。以下でさらに説明するが、ＬＥＤアレイは、上記とは異なり直列／並列を組み合わせて接続することもできる。
本発明の実施形態は、ＬＥＤ部品のサイズおよびそのＬＥＤアレイが有するＬＥＤの数をさまざまな値に設定しても実施することができると理解されたい。一例を挙げると、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ部品は、サブマウントのサイズが１２ｍｍ×１５ｍｍで、ＬＥＤアレイが有するＬＥＤの数が２６個であるとしてよい。他の実施形態によると、別のサイズのサブマウントを利用するとしてよく、利用するＬＥＤの数を増やして、例えば、５０個以上、または１００個以上としてもよい。
本発明の実施形態は、米国特許第７，２１３，９４０号および米国特許出願公開第２００７／０２６７９８３号明細書、第２００７／０２７８５０３号明細書、第２００８／００８４６８５号明細書、第２００８／００８４７０１号明細書、第２００８／０１０６８９５号明細書、第２００８／０１０６９０７号明細書、および第２００８／０１１２１６８号明細書に記載されている特徴を持つ単一光源および／または複数光源と共に利用するとしてよい。上記特許文献の開示内容は、参照により本願に組み込まれる。尚、光源から発光される光は、近距離場で混合される。また、光源は、米国仮特許出願第６１／０３７，３６５号に記載されているように、３個以上のＬＥＤ列として用意されるとしてもよい。当該仮出願の開示内容は、参照により本願に組み込まれる（例えば、図３５およびそれに関する説明を参照のこと）。
本発明の主題に係るＬＥＤ部品には、光学系をさらに追加するとしてもよいし、追加しなくてもよい。例えば、本発明に係る光源は、光学系を追加せず、低プロフィールのキャビネット下の照明として利用されるとしてよい。本発明の主題に係る光源は、さらにビーム成形素子を備えるとしてよく、ＬＥＤ光源を備えるＭＲ１６ランプを構成するとしてもよい。また、後方反射光学系または前方反射光学系等の反射光学系をさらに利用するとしてもよい。例えば、本発明の一部の実施形態に係るＬＥＤ部品または光源は、米国特許第５，９２４，７８５号明細書、第６，１４９，２８３号明細書、第５，５７８，９９８号明細書、第６，６７２，７４１号明細書、第６，７２２，７７７号明細書、第６，７６７，１１２号明細書、第７，００１，０４７号明細書、第７，１３１，７６０号明細書、第７，１７８，９３７号明細書、第７，２３０，２８０号明細書、第７，２４６，９２１号明細書、第７，２７０，４４８号明細書、第６，６３７，９２１号明細書、第６，８１１，２７７号明細書、第６，８４６，１０１号明細書、第７，０９７，３３４号明細書、第７，１２１，６９１号明細書、第６，８９３，１４０号明細書、第６，８９９，４４３号明細書、および、第７，０２９，１５０号明細書、ならびに、米国特許出願公開第２００２／０１３６０２５号明細書、第２００３／００６３４７５号明細書、第２００４／０１５５５６５号明細書、第２００６／０２６２５２４号明細書、第２００７／０１８９０１７号明細書、および、第２００８／００７４８８５号明細書のうち任意のものに記載されている光学系と組み合わせて利用することができる。
本発明の一側面によると、レンズ５４の上面に拡散部を組み込むとしてよい。当該実施形態に係る拡散部は、複数のＬＥＤチップが発光する光を近距離場で混合させるように配置されている拡散膜／拡散層５６として図示されている。つまり、拡散部は、複数のＬＥＤチップが発光する光を混合して、ＬＥＤ部品４０を直接見ると、各ＬＥＤチップが別々に発光している様子が見えないようにする。ＬＥＤ部品４０を直接見ると、レンズ５４の下方には単一光源が設けられているように見えるが、この単一光源は複数のＬＥＤチップ４８が発光する光の混合光を発光している。
近距離場で混合させることについて、ＬＥＤチップ４８が発光する光はＬＥＤチップ４８の比較的近傍で混合させる必要がある。一実施形態によると、ＬＥＤチップ４８から約２０ｍｍ以下の距離で混合させる。他の実施形態によると、ＬＥＤチップ４８から約１０ｍｍ以下の距離で混合させるとしてもよい。他の実施形態では、約５ｍｍ以下の距離で混合させるとしてもよい。さらに他の実施形態では、約２ｍｍ以下の距離で混合させるとしてもよい。さまざまな距離で混合させ得るものと理解されたい。また、拡散膜は、さまざまな形状またはサイズで実現するとしてよいが、ＬＥＤチップと混合箇所との間の距離を変化させるべく、拡散膜５６等の拡散構造は通常、ＬＥＤチップ４８から所望の距離内に配置されるとしてよい。
拡散膜５６は、さまざまな構造で形成されるとしてよく、材料をさまざまな方法で配置するとしてよく、レンズ５４の上方に形成されるコンフォーマルコーティングを有するとしてよい。さまざまな実施形態では、Ｂｒｉｇｈｔ Ｖｉｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．社（米国、ノースカロライナ州、モリスビル）、Ｆｕｓｉｏｎ Ｏｐｔｉｘ，Ｉｎｃ．社（米国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ）、または、Ｌｕｍｉｎｉｔ，Ｉｎｃ．社（米国、カリフォルニア州、トランス）の拡散膜等、市販されている拡散膜を利用するとしてよい。上記の拡散膜には、拡散微細構造を含むものもあるとしてよく、当該拡散微細構造は、不規則性または規則性の微細レンズまたは幾何学的フィーチャを含み、さまざまな形状およびサイズのものがあるとしてよい。膜５６は、レンズ５４全体または一部に適合するようなサイズに調整され、公知の結合材料および結合方法を用いてレンズ５４の上方に所定位置で結合されるとしてよい。例えば、膜５６は、接着剤を用いてレンズに搭載されるとしてもよいし、または、レンズ５４内に膜を内包させて成形するとしてもよい。他の実施形態によると、拡散膜は、散乱粒子またはインデックスフォトニックフィーチャを、これのみまたは微細構造と共に含むとしてよい。拡散膜の厚みはさまざまな値に設定されるとしてよく、一部の拡散膜の厚みは０．００５インチから０．１２５インチの範囲内であるが、拡散膜の厚みはこれに限定されない。拡散膜５６の厚みは、拡散膜の拡散機能、必要な拡散の程度、および、拡散膜の拡散構造の濃度等さまざまな要因に応じて決定されるとしてよい。
レンズ５４上に拡散膜を設けることによって、ＬＥＤチップ４８が発光する光は近距離場で混合して、ＬＥＤ部品４０を直接見ると、ＬＥＤ部品４０が出力する光は、ＬＥＤチップ４８が出力する光の混合光に見える。一実施形態によると、混合光は、ＬＥＤチップ４８が発光する光を混合して得られる白色光である。さらに、遠距離場でも、ＬＥＤチップ４８が発光する光の混合光、例えば、白色光に見える。このため、発光色が異なる複数の光源を含む光源アレイを用いて、直接見ると白色光を発光しているように見える、低プロフィールの白色光源が得られる。
さまざまな実施形態では、拡散膜はレンズ全体ではなく一部を被覆して、領域毎に厚みが異なったり、または、領域毎に拡散構造の濃度または特性が異なる場合があると理解されたい。このような構成とすることによって、拡散膜の拡散特性をＬＥＤ部品４０の発光特性に応じて調整することができる。例えば、レンズのある領域が色の違いが特に顕著である光を発光する場合、拡散膜はその領域において拡散特性を大きくするように調整することができる。
他の実施形態によると、拡散膜は、レンズに直接パターニングされている拡散／散乱パターンを含むとしてよい。このようなパターンは、例えば、通過する光を散乱または拡散する表面要素から成るランダムパターンまたは擬似パターンであってよい。
図４は、本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ部品６０を示す図である。ＬＥＤ部品６０の特徴および構成要素の多くは、図３に示したＬＥＤ部品４０と同一または同様である。同一または同様の特徴および構成要素については、同じ参照番号を用いる。同じ参照番号を用いる構成要素については、以下で説明する実施形態においても、上記で説明した内容が当てはまるものとする。ＬＥＤ部品６０は、サブマウント４２に複数のＬＥＤチップ４８が搭載されており、反射体５２およびレンズ５４を備える。本実施形態によると、拡散部６２は、レンズ５４の内部に設けられており、散乱粒子または微細構造等、異なる形態で実現されている。粒子または微細構造は、二酸化チタン、アルミナ、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、または、ガラス等、さまざまな材料で形成されているとしてよく、レンズ内に粒子が分散している。微細構造は、上述した拡散膜で利用されたものと同様にさまざまな形状で実現されるとしてよい。散乱粒子に代えて、または、散乱粒子と共に、気泡、ミクロスフィア、または、さまざまな屈折率のポリマーの非相溶性混合物を、光を拡散するべく、レンズ内に設けるとしてもよいし、レンズ上に設けるとしてもよい。拡散部６２としては、上述したものと同様の拡散膜をレンズ５４内に埋設するとしてもよい。
散乱粒子または散乱構造は、レンズ５４内で均一に分散するとしてもよいし、または、レンズ内の領域毎に濃度を異ならせるとしてもよい。レンズ５４は、散乱特性を調整するべく、レンズの領域毎に異なる種類の散乱粒子または散乱構造を含むとしてもよい。一実施形態によると、散乱粒子は、レンズ内で層状に形成されているとしてもよいし、または、アレイが有する複数のＬＥＤチップ４８の発光色が異なる場合、ＬＥＤチップ４８の位置に応じて濃度を変えるとしてもよい。
図５は、本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ部品７０を示す図である。ＬＥＤ部品７０は、サブマウント４２に複数のＬＥＤチップ４８が搭載されており、反射体５２およびレンズ５４を備える。本実施形態によると、拡散部は、上述した拡散膜５６と同じ材料から形成される拡散層／拡散膜７２を有する。しかし、本実施形態によると、拡散膜７２は、レンズから離れた位置に設けられているが、レンズの外部での光の反射が大量に混合する程度までは離れていない位置に設けられている。拡散膜７２とレンズ５４との間の距離は、さまざまな値に設定されるとしてよいが、例えば、約２０ｍｍ以下とするとしてよい。他の実施形態によると、拡散膜７２とレンズ５４との間の距離は、さまざまな値に設定されるとしてよいが、例えば、約１０ｍｍ以下とするとしてよい。さらに別の実施形態によると、レンズからの距離は約５ｍｍ以下であるとしてもよいし、または、約２ｍｍ以下であるとしてもよい。また、特定の実施形態では、拡散膜をレンズから２０ｍｍ以上離して配置するが、所望通りに近距離場で光が混合することと理解されたい。
また、拡散膜７２は、上述した拡散膜５６と同じ材料から形成され、厚みが同じ範囲内になるとしてよい。また、拡散膜７２は、さまざまな形状を取り得るが、レンズ５４の構成に少なくとも部分的に応じた形状になるとしてよい。例えば、拡散膜７２は、図５に示すように、略平面状であるとしてよい。他の実施形態によると、拡散膜７２は、曲線状に構成されて、レンズ５４の形状に沿うように形成されるがレンズ５４から離間して設けられ、拡散膜はレンズ５４の上方にドームを形成するとしてよい。一実施形態によると、当該ドーム状拡散膜は、レンズ５４に固着されることによって、または、レンズの周囲に設けられている構成要素の外周に搭載されることによって、所定位置に保持または取着されるとしてよい。他の実施形態によると、拡散部７２は、支柱、スペーサ、またはその他の構造上に支持されるとしてもよい。
上述した拡散膜と同様に、拡散部７２は、ＬＥＤ部品７０の発光特性に合わせて調整することができる。別の実施形態では、拡散部７２は、レンズ５４全体ではなく一部を覆うように形成され、領域毎に厚みを異ならせるとしてもよいし、または、領域毎に拡散構造の濃度を変化させるとしてもよい。
本発明に係る拡散膜および拡散部は、上述した方法以外にもさまざまな方法で配置されるとしてよい。図６は、本発明のさらに別の実施形態に係るＬＥＤ部品８０を示す図である。ＬＥＤ部品８０は、サブマウント４２に複数のＬＥＤチップ４８が搭載されており、反射体５２およびレンズ５４を備える。拡散構造８２は、レンズ５４に搭載されており、本実施形態では、円錐形状を持つ。拡散構造８２は、上述したものと同じ材料から形成されているとしてよく、ＬＥＤチップが発光する光を分散させつつ通過させるようにレンズに搭載されているとしてよい。拡散構造は、公知の搭載方法を用いてレンズに搭載されており、拡散構造はさまざまな形状で実現され、ＬＥＤ部品８０においてさまざまな方法で搭載されるものと理解されたい。別の一実施形態によると、拡散構造は、ＬＥＤ部品８０の近傍ではあるがＬＥＤ部品８０から離れた位置に搭載されるとしてよく、上述したように、拡散構造とレンズとの間の距離はさまざまな値に設定するとしてよい。一実施形態に係る円錐形状の拡散構造は、高さが約８ｍｍで、底面は直径が約１７ｍｍであるが、拡散部のサイズはさまざまな値に設定するとしてよい。拡散構造８２は、上述したように、ＬＥＤ部品８０の発光特性に応じて調整されるとしてもよい。
本発明に係る拡散部は、さまざまなランプ、照明装置、および、ＬＥＤ部品で利用されるとしてよい。図７Ａから図７Ｄは、本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ部品１００を示す図である。ＬＥＤ部品１００は、拡散部と共に利用することができる。ＬＥＤ部品１００は一般的に、複数のＬＥＤチップ１０２を含むＬＥＤチップアレイがサブマウント１０４の表面に搭載されている。ＬＥＤチップ１０２のうち少なくとも一部は直列回路で相互に接続されており、図示されている実施形態では、リン光体を含む変換部でコーティングされたＬＥＤチップが１つの直列回路で相互に接続されており、赤色を発光するＬＥＤが別の１つの直列回路で互いに結合されている。一実施形態によると、リン光体でコーティングされたＬＥＤの色空間は、ｕ´ｖ´１９７６ＣＩＥ色空間に応じて、座標Ａ（ｕ´＝０．１３、ｖ´＝０．４２）、座標Ｂ（ｕ´＝０．１３、ｖ´＝０．５７）、座標Ｃ（ｕ´＝０．２６、ｖ´＝０．５４）、座標Ｄ（ｕ´＝０．２２、ｖ´＝０．５１）、および座標Ｅ（ｕ´＝０．１８、ｖ´＝０．４２）で画定される四角形を含む。これに対応して、赤色ＬＥＤは、座標Ｅ（ｕ´＝０．２９、ｖ´＝０．５４）、座標Ｆ（ｕ´＝０．３１、ｖ´＝０．５６）、座標Ｇ（ｕ´＝０．５５、ｖ´＝０．５５）、および、座標Ｈ（ｕ´＝０．５３、ｖ´＝０．４７）で画定される四角形をカバーする。ＬＥＤアレイの発光特性は、上記以外にもさまざまに変更されるとしてよく、上述した特許および係属出願に記載されているように設定されるとしてもよい。
本発明のさまざまな実施形態では、さまざまな種類のチップの直列相互接続回路がさまざまな方法で配置されているとしてよく、直列／並列をさまざまに組み合わせた相互接続回路を有すると理解されたい。本発明のほかの実施形態によると、さまざまな直列／並列相互接続回路について発光特性を制御するべく制御回路を設けるとしてよい。一実施形態によると、１以上の電流調整部を回路のうち１以上の直接または切替可能に接続して、当該回路に供給される電流を調整するとしてよい。一部の実施形態によると、電流調整部は、ＬＥＤチップ１０２が発光する光の混合光を所望の範囲内に留めるように自動的に調整されるとしてよい。
複数のＬＥＤチップ１０２は、サブマウント１０４の略平坦な表面に搭載され、１つの光学レンズ素子の下方に配置されるのが好ましい。図示されている実施形態では、ＬＥＤ部品１００は、複数のＬＥＤが発光する光の混合光として所望のカラーポイント（ｃｏｌｏｒ ｐｏｉｎｔ）および演色評価数の白色光を発光すると同時に、高効率で所望の光束を出射する。
ＬＥＤパッケージ１００が備えるサブマウント１０４のサイズは、ＬＥＤのサイズおよび数といった要因に応じて変化するとしてよい。一実施形態によると、サブマウントの面は、約１２ｍｍ×１３ｍｍであってよい。また、サブマウント１０４の形状は他にも、円形、楕円形、矩形、六角形、または、その他の多面体形状であってもよいと理解されたい。サブマウント１０４の上面は、ダイ取り付け用パッドおよび相互接続用の導電配線を始めとする導電フィーチャが平坦な表面にパターニングされている。このような導電フィーチャは、公知の接続方法によって、ＬＥＤチップ１０２を電気接続するための導電経路を形成する。各ＬＥＤチップ１０２は、公知の方法および材料を用いて、対応する取り付け用パッドに搭載されるとしてよい。ＬＥＤチップ１０２の搭載は、従来のハンダ材料を用いて行うとしてよく、当該ハンダ材料には、フラックス材料が含まれるとしてもよいし、含まれないとしてもよい。同様に、ＬＥＤチップ１０２も、ＬＥＤチップ１０２の形状に応じて公知の表面実装方法またはワイヤボンディング方法を用いて、搭載して導電配線に電気接続するとしてよい。これに代えて、フリップチップ型のＬＥＤを、上述したように、取り付け用パッドおよび導電配線に搭載するとしてもよい。
取り付け用パッドおよび相互接続用の配線は、さまざまな材料から形成されるとしてよく、例えば、金属またはその他の導電材料から形成されるとしてよい。一実施形態によると、公知の方法を用いて、銅を堆積させてパターニングすることによって形成されるとしてもよい。他の実施形態によると、ダイ取り付け用パッドは、ＬＥＤチップ１０２を搭載し易いように、別の金属または材料でメッキまたはコーティングするとしてよい。取り付け用パッドは、接着剤あるいは接合材料、または、反射層およびバリア層でメッキするとしてよい。
図７Ｂおよび図７Ｃが最も分かりやすいが、第１のボンディングパッド１１４および第２のボンディングパッド１１６が、ＬＥＤアレイ１０２が有する直列に接続された赤色ＬＥＤチップに電気信号を印加するべく、サブマウント１０４の表面に配設されている。さらに、第３のボンディングパッド１１８および第４のボンディングパッド１２０が、ＬＥＤアレイ１０２が有する直列に接続されたリン光体コーティングＬＥＤチップに電気信号を印加するべく、配設されている。ＬＥＤ部品はさらに、適切なボンディングパッドに正しく電気接続できるようにマークを付けるとしてよく、赤色ＬＥＤチップ用のボンディングパッドにはＲ１およびＲ２という参照符号を割り当て、白色ＬＥＤ用のボンディングパッドにはＢ１およびＢ２という参照符号を割り当てる。導電配線は、直列に接続されている赤色用回路および青色用回路について相互接続を実現し、一実施形態によると、当該相互接続は、単一層に形成されている配線を含み、ＬＥＤ同士の間に走っている配線は２本未満である。
ＬＥＤ部品１００に電気信号を供給するには、第１、第２、第３、および、第４のボンディングパッド１１４、１１６、１１８、および１２０を外部の電源と接触させるとしてよい。例えば、ワイヤボンディングあるいはリボンボンディング、または、リード線のハンダ付け等の接続方法、特別なコネクタを利用して電気信号を供給するとしてよい。または、ＬＥＤ部品を、例えば、ＰＣＢ上に形成されている導電経路に搭載することによって電気信号を供給するように構成するとしてもよい。図示している実施形態では、ＬＥＤ部品１００は、表面実装法を用いて搭載するように構成されている。ＬＥＤ部品１００は、サブマウント１０４の裏面に第１、第２、第３、および、第４の表面実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８（図７Ｄが最も分かりやすい）が形成されており、サブマウント１０４の表面に形成されているボンディングパッド１１４、１１６、１１８、および１２０と少なくとも部分的に位置合わせされている。対応する表面実装用パッドとボンディングパッドとの間にはサブマウント１０４を貫通して導電ビア１３０が形成されており、表面実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８に信号が印加されると、対応するビアを介して対応するボンディングパッドに伝導される。表面実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８によれば、ＬＥＤパッケージ１００を表面実装することが可能となり、表面実装パッドに印加される電気信号がＬＥＤ部品に印加される。ビア１３０ならびに表面実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８は、さまざまな方法を用いてさまざまな材料を成膜することによって形成することができ、例えば、取り付け用パッドおよびボンディングパッドを形成する方法を用いて形成するとしてよい。
表面実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８、ならびに、ビア１３０は、さまざまな方法で配置されるとしてよく、さまざまな形状およびサイズを取り得るものと理解されたい。他の実施形態では、ビア以外の構造を利用するとしてよく、例えば、サブマウントの面上の実装用パッドとコンタクトパッドとの間に、例えば、サブマウントの側面に沿って形成する１以上の導電配線を利用するとしてよい。
サブマウントの上面または下面には、導電配線、その他の導電フィーチャの一部、または、セラミック面の一部を少なくとも部分的に被覆するように、ハンダマスクを設けるとしてよい。ボンディングパッドおよびダイ取り付け用パッドには通常ハンダマスクは設けられず、ハンダマスクによって被覆される導電配線およびその他のフィーチャは、後続の処理工程、特に、ダイ取り付け用パッドにＬＥＤチップを搭載する工程において、ハンダマスクによって保護される。後続の処理工程では、ハンダまたはその他の材料が不要な領域に堆積されてしまう危険性があり、堆積してしまった領域に悪影響が出たり、電気的短絡が発生する可能性がある。ハンダマスクは、このような事態が起こる可能性を低減または防止するための絶縁保護材料として機能する。
ＬＥＤ部品１００はさらに、静電放電（ＥＳＤ）に起因する損傷から保護する目的で設ける素子を備えるとしてよく、サブマウント１０４上に設けられるとしてもよいし、サブマウント１０４外に設けられるとしてもよい。たとえば、垂直シリコン（Ｓｉ）ツェナーダイオード、並列配置されてＬＥＤチップ１０２に対して逆バイアスが印加される別のＬＥＤ、表面実装バリスタ、および、水平Ｓｉダイオード等のさまざまな素子を利用するとしてよい。ツェナーダイオードを利用する実施形態では、公知の搭載方法を用いて別の取り付け用パッドに搭載するとしてよい。ツェナーダイオードは比較的小型であるので、サブマウント１０４の表面において占有する面積が大きくなり過ぎることはなく、直列接続された複数のＬＥＤを利用する場合、直列接続されているＬＥＤ群毎にＥＳＤ素子が１つのみ必要となる。
サブマウント１０４のサイズおよびＬＥＤ部品の設置面積を最小限に抑えることと、ＬＥＤチップ１０２の発光色が異なる実施形態では複数の色の混合度を高めることとを目的として、サブマウント１０４には高密度でＬＥＤチップ１０２を設けることが望ましい。しかし、ＬＥＤチップ１０２が互いに近傍に配置されると、ＬＥＤチップ１０２で発生する熱が隣接するＬＥＤチップ１０２に伝わる可能性、または、ＬＥＤチップ１０２下方のサブマウント１０４の高密度領域において蓄積される可能性がある。動作時にＬＥＤチップ１０２で発生する熱をより良好に放散させるべく、ＬＥＤ部品１００には、熱放散を促進する構成要素が一体的に形成されているとしてよい。サブマウント１０４の表側で熱放散を促進する方法の１つとして、熱伝導性のダイ取り付け用パッドをＬＥＤチップのエッジを越えるようにサブマウント１０４の表面上で拡大して設ける。各ＬＥＤチップで発生する熱は、対応するダイ取り付け用パッドに伝わって、拡大ダイパッドの幅を超えて広がるので、熱放散表面積を大きくすることができる。しかし、ダイパッドを大きくすると、ＬＥＤの配置間隔の縮小化に制限が課されてしまう可能性がある。
一部の実施形態によると、ダイ取り付け用パッドおよび相互接続配線を導電性および熱伝導性を有する材料で形成することによって、ＬＥＤ部品１００が備えるＬＥＤチップ１０２の熱放散を促進しつつＬＥＤチップを高密度に配置することができる。ＬＥＤ部品の動作時には、取り付け用パッドおよび配線を介して電気信号が供給され、ＬＥＤチップから取り付け用パッドおよび配線に熱が伝わるので、熱は、取り付け用パッドおよび配線から放散されるか、または、サブマウントを介して伝えられる。導電性および熱伝導性を有する材料としてはさまざまな材料を用いることができるが、銅等の金属が好ましい。
ここで図７Ｄを参照しつつ説明すると、熱放散をさらに促進するべく、ＬＥＤ部品１００はさらに、サブマウント１０４の裏面に中性金属化パッド１３２を備えるとしてよい。金属化パッド１３２について説明すると、「中性」とは、ＬＥＤチップ、または、配線、または、ダイ取り付け用パッドにパッド１３２が電気接続されていないことを意味する。金属化パッド１３２は、熱伝導性材料で形成されていることが好ましく、ＬＥＤチップ１０２と少なくとも部分的に垂直方向に位置合わせされていることが好ましい。ＬＥＤチップで発生する熱のうち取り付け用パッドおよび配線を介して広がらない熱は、サブマウント１０４のうちＬＥＤチップ１０２の真下および周囲に対応する部分に伝えられるとしてよい。金属化パッド１３２は、このＬＥＤチップ１０２の下および周囲にある熱を金属化パッド１３２へと移動させて、金属化パッド１３２から放散させるか、または、より簡単な方法として適切なヒートシンクに伝えることによって、熱放散を促進することができる。パッド１３２は、矩形状であると図示されているが、さまざまな形状およびサイズを持ち、さまざまな形状およびサイズの複数のパッドで構成されるとしてもよいものと理解されたい。また、サブマウント１０４の上面からビア１３０を介して熱を伝導させるとしてよく、この場合、第１および第２の実装用パッド１２２、１２４、１２６、および１２８に熱が伝わり、ここから放散されるとしてもよい。本発明の他の実施形態によると、上記とは異なる熱放散を促進する特徴を持つとしてもよい。
サブマウント１０４の上面において、ＬＥＤチップ１０２の上方には、光学素子またはレンズ１０６が形成されているとしてよい。光学素子またはレンズ１０６は、周囲環境からの保護および／または機械的強度の改善、ならびに、ビーム成形を行うことを目的にすると同時に、ＬＥＤ１０２からの光抽出を促進し、光ビームを成形することを目的として設けられる。レンズ１０６は、サブマウント１０４上の別の位置に配置するとしてもよく、レンズ１０６は、図示されているように、ＬＥＤチップアレイの中心がレンズ底部の中心と略一致するように配置されている。一部の実施形態によると、レンズ１０６は、ＬＥＤチップ１０２および上面１０４と直接接触するように形成されている。他の実施形態によると、ＬＥＤチップ１０２とレンズ１０６との間には、導波路または空隙等、介在する材料または層が設けられるとしてもよい。レンズ１０６をＬＥＤチップ１０２に直接接触させると、光抽出率が改善されたり、製造が容易になったりという利点が得られる。
一実施形態によると、レンズ１０６は、さまざまな成形方法を用いてサブマウント１０４およびＬＥＤチップ１０２の上にオーバーモールドされるとしてよく、出力光の所望の形状に応じてさまざまな形状を持つとしてよい。適切な形状の１つとして、図示されているように、半球形状が挙げられる。それ以外の形状の例を幾つか挙げると、楕円弾丸形状、平板形状、六角形状、および、正方形状がある。半球形状レンズを利用すると半値全幅（ＦＷＨＭ）が１２０度の実質的なランバート発光が得られ、他の形状の他の光学レンズは他の角度の他の発光パターンを実現するとしてよい。
レンズが半球形状を持つ実施形態では、レンズのサイズはさまざまな値に設定するとしてよく、通常の半球形状レンズは直径が５ｍｍを超え、一実施形態では、約１１ｍｍを超える。ＬＥＤアレイサイズとレンズ直径との比は、約０．６未満とする必要があり、０．４未満が好ましい。このような半球形状レンズの焦点は実質的に、ＬＥＤチップの発光領域と同じ水平平面に位置する。
さらに別の実施形態によると、レンズの直径は、ＬＥＤアレイの横方向の距離、つまり、ＬＥＤアレイの幅と略同じか、ＬＥＤアレイの幅よりも大きくするとしてよい。ＬＥＤアレイの形状が円形である場合、レンズの直径は、ＬＥＤアレイの直径と略同じか、ＬＥＤアレイの直径よりも大きくするとしてよい。このようなレンズの場合、焦点は、ＬＥＤチップの発光領域が形成する水平平面よりも下に位置するのが好ましい。このようなレンズは、光の固体発光角度をより大きく広げることができるので、照明領域を広くすることができるという利点を持つ。
レンズ１０６の材料としては、シリコーン、プラスチック、エポキシ、または、ガラス等、さまざまな材料を利用することができる。成形プロセスと相性が良い材料が適切である。シリコーンは、成形プロセスでの利用に適した材料であり、適切な光透過特性が得られる。また、後続のリフロー処理に耐えることができ、時間が経過しても大きく劣化しない。レンズ１０６はさらに、光抽出率を改善するべく反射防止コーティングで粗面化またはコーティングが施されているか、または、リン光体または散乱粒子等の材料を含み得るものと理解されたい。
図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品１００はさらに、拡散部を備えるとしてよい。拡散部は、さまざまな方法で配置されているとしてよく、複数のＬＥＤチップが発光する光を近距離場で混合させる。図８から図１１は、それぞれ拡散部が異なる構成を持つ実施形態を示す図であり、各図に示す拡散部は図３から図６に示す拡散部とそれぞれ同様である。いずれの図の実施形態でも、ＬＥＤチップ１０２がサブマウント１０４に搭載されており、ＬＥＤチップの上方にレンズ１０６が設けられている。図８を参照しつつ説明すると、同図に示すＬＥＤ部品１５０は、図７Ａから図７Ｄに示すＬＥＤ部品１００と同様であり、拡散部は、レンズ１０６の上面に設けられている拡散膜／拡散層１５２として形成されている。拡散膜／拡散層１５２は、図３に示す拡散膜／拡散層５６と同様であり、上述したさまざまな材料および構造を含むとしてよい。図９は、レンズ１０６内に形成される散乱粒子または拡散要素を含む拡散部１６２を備えるＬＥＤ部品１６０を示す図である。拡散部１６２は、図４に示す上述した拡散部６２と同様である。図１０は、レンズ１０６から離れた位置に形成されている拡散層１７２を備えるＬＥＤ部品１７０を示す図である。拡散層１７２は、図５に示す上述した拡散層７２と同様である。図１１は、拡散構造１８２を備えるＬＥＤ部品１８０を示す図である。拡散構造１８２は、図６に示す上述した拡散構造８２と同様である。
図１２から図１４は、本発明の実施形態に係る部品を内蔵する照明装置を示す図である。図１２から図１４に示す照明装置は一例に過ぎず、例えば、先に参照した特許および特許出願で説明しているように他の構成を採用するとしてもよい。このため、反射体は、例えば、照明の用途に応じて、切子面がカットされていたり、複数の面を有していたり、半球形状であったり、楕円形状であったり、放物線形状であったり、または、その他の構成であってよい。
図１２は、本発明の一実施形態に係る照明装置１２００を示す図である。照明装置１２００は、後方遠隔反射体１２２０が設けられている。「遠隔反射体」という用語は、上述したサブマウント反射体５２と区別することのみを目的として使用されており、それ以外の意味で限定されるべきではない。本実施形態によると、遠隔反射体１２２０は、通常は半球形状を持つとしてよく、反射体の開口部には支持部またはブリッジ部１２１５が架けられている。ＬＥＤ部品１２１０は、反射体１２２０の内面と向かい合い、反射体に向けて主に発光するように、ブリッジ部に搭載されるとしてよい。電気信号は、支持部１２１５に設けられている導電体を介して、ＬＥＤ部品に供給されるとしてよい。ＬＥＤ部品１２１０は、本明細書に記載した実施形態に応じて近距離場で光を混合させ、ＬＥＤ部品１２１０が発光する光は、図１２に点線で示すように、反射体１２２０で反射されて反射体から出て行く。
上述したように他の反射体を利用するとしてもよい。一実施形態に係る反射体は、鏡面反射体を含む。一実施形態によると、光源は白色光を発光する。近距離場での光の混合と後方反射とによって、光源１２００は、ＬＥＤ部品が有するＬＥＤアレイが発光する複数の別個の色の光はほとんど見えない一様な白色光を放出する。反射体１２２０の開口部は、ＬＥＤ部品１２１０および反射体１２２０の表面を保護するべく、レンズによって覆われるとしてもよく、適切なレンズとしては強化ガラスが含まれる。光源はさらに、ＬＥＤ部品１２１０および反射体１２２０から熱を逃がすために熱管理構造を備えるとしてよい。
図１３は、前方遠隔反射体を利用する照明装置１３００を示す図である。図１３では、本明細書に記載されている実施形態に応じて光を近距離場で混合させるＬＥＤ部品１３１０が設けられている。ＬＥＤ部品１３１０は少なくとも、反射体１３２０によって外側が取り囲まれている。反射体１３２０は、半球形状または放物線形状であるとしてよく、ＬＥＤ部品は反射体１３２０の底部に搭載されており、ＬＥＤ部品１３１０から発光する光は主に反射体１３２０の開口部から出射するように上方向を向いている。ＬＥＤ部品１３１０から上向きに出射する光はそのまま照明装置を出て、横方向に出射した光は、図１３に点線で示すように、反射体１３２０によって反射されて反射体から出て行く。
図１４は、直接照明型の照明装置１４００を示す図である。図１３に示す照明装置１４００は、例えば、ＭＲ１６型の標準的な照明装置であるとしてよい。図１４を参照すると、本明細書に記載されている実施形態に応じて光を近距離場で混合させるＬＥＤ部品１４１０は、ランプ本体１４２０に周囲を取り囲まれている。ランプ本体１４２０は、例えば、ヒートシンクおよび電源用の筐体として機能するとしてよい。ランプ本体１４２０はさらに、ＬＥＤ部品１４１０がランプ本体１４２０に向けて発光する光を反射する遠隔反射体を有するとしてよい。ＬＥＤ部品１４１０が発光する光は、図１４に点線で示すように、照明装置からそのまま出て行く。
本発明のその他の実施形態に係るＬＥＤ部品は、ＬＥＤアレイからの光抽出の制御に利用したり、出射した光を特定のビーム形状および発光角度を持つように成形するべく、別の形状のレンズまたは集光レンズを備えているとしてよい。他の実施形態によると、集光レンズは、凹型光学素子を含むとしてもよいし、または、フレネルレンズ等、凹型素子および凸型素子を組み合わせて構成されているとしてよい。本発明に係る他のＬＥＤ部品は、例えば、光ファイバ、ミラー、反射体、散乱面あるいは散乱レンズ、または、これらの組み合わせ等、多くのさまざまな素子を有するとしてよい。このような素子は、ＬＥＤ部品からの光の分布の方向を決めたり、または、ＬＥＤ部品からの光の分布を修正する機能を持つとしてよい。ＬＥＤ部品が備えるレンズの配置はまた、補助的なレンズまたは光学系の利用に適するように、容易に変更することができる。
上述したように、ＬＥＤ部品が備えるＬＥＤ発光部のうち少なくとも一部は、直列に電気接続されて少なくとも１つの直列回路を形成するとしてよく、ＬＥＤアレイは、複数の色の光を発光することが可能で、白色光を発光することも可能である。発光色が異なる複数のＬＥＤ群を有するＬＥＤアレイを利用する一部の実施形態によると（例えば、米国特許第７，２１３，９４０号明細書に記載されているように、白色光および赤色光、または、非白色光および赤色光）、ＬＥＤは発光色毎に直列に電気接続されているとしてよい。上述したように、ＬＥＤ部品は、このように形成される複数の直列回路に対してそれぞれ別個に電気接続を構築するとしてよい。このようにして、各回路の動作電圧および電流を別々に制御する。このような電気接続用のパッドは、表面、裏面、または両面に設けられるとしてよい。裏面に電極を設けることによって、ＰＣＢへの表面実装方式（ＳＭＴ）で搭載することが可能となる。
本発明に係るＬＥＤアレイはさらに、直列／並列に相互接続されたＬＥＤチップから成るＬＥＤチップアレイを含むとしてよい。ＬＥＤに供給された電気信号が欠陥を持つＬＥＤを回避して、相互接続されている別のＬＥＤチップから発光させるべく、相互接続にはジャンパを含めるとしてよい。
米国特許出願公開第２００７／０２２３２１９号明細書（発明の名称：「ＣＲＩが高い温かい白色光を供給するマルチチップ型発光装置および当該発光装置を備える照明装置（Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈｉｐ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｈｉｇｈ−ＣＲＩ Ｗａｒｍ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｘｔｕｒｅｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ）」）に記載されているように、１以上のマルチチップ型のＬＥＤランプを構成するように複数のＬＥＤチップをアレイ状に配置すると理解されたい。当該特許文献の開示内容は参照により本願に組み込まれる。
本発明に応じて構成される光源およびＬＥＤ部品は、さまざまな照明として利用することができる。幾つかを挙げると、これらに限定されないが、住居用、商業用、小売用、および、街路用の照明がある。本発明の実施形態はさらに、信頼性が高く一様な光源を必要とする任意の数のさまざまなその他のシステムに組み込むことができる。
本発明の特定の好ましい構成を参照しつつ本発明を詳細に説明してきたが、ほかの構成も実施可能である。このため、本発明の思想および範囲は上述したものに限定されるべきではない。

Claims (14)

  1. 複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、
    前記複数のＬＥＤチップからの光の少なくとも一部が通過して、前記複数のＬＥＤチップからの光が近距離場で混合されるように配置される拡散部と
    を備え、
    前記拡散部を通過する光は、直接見ると、混合光に見えるＬＥＤ部品。
  2. レンズをさらに備え、前記複数のＬＥＤチップは、前記レンズが上方に設けられているＬＥＤチップアレイを有する請求項１に記載のＬＥＤ部品。
  3. 前記拡散部は、前記レンズの表面の少なくとも一部を被覆する拡散膜を有する請求項２に記載のＬＥＤ部品。
  4. 前記拡散部は、前記レンズに少なくとも一部が埋設されている拡散膜を有する請求項２に記載のＬＥＤ部品。
  5. 前記拡散部は、前記レンズの表面に一体的に形成されているか、前記レンズの内部に形成されているか、前記レンズから離れた位置に形成されているか、または、前記レンズから離れてはいるが近傍に形成されている請求項２に記載のＬＥＤ部品。
  6. 前記拡散部は、拡散微細構造または散乱粒子を有する請求項２に記載のＬＥＤ部品。
  7. 前記拡散部と前記複数のＬＥＤとチップの間の距離は、約２０ミリメートル以下であるか、または、前記拡散部と前記レンズとの間の距離は、約２０ミリメートル以下である請求項１に記載のＬＥＤ部品。
  8. 前記複数のＬＥＤチップが搭載されているサブマウントをさらに備える請求項１に記載のＬＥＤ部品。
  9. 前記複数のＬＥＤチップの周囲を取り囲むように前記サブマウントに搭載されているサブマウント反射体をさらに備える請求項８に記載のＬＥＤ部品。
  10. 照明装置であって、
    複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含むＬＥＤチップアレイと、前記複数のＬＥＤチップからの光の少なくとも一部を近距離場で混合する近距離場拡散部とを有するＬＥＤ部品と、
    前記ＬＥＤ部品からの光の少なくとも一部を反射して、前記照明装置から所望の方向に発光させる遠隔反射体とを備える照明装置。
  11. 前記遠隔反射体は、前記ＬＥＤ部品の周囲を少なくとも部分的に取り囲む前方反射体を有し、前記ＬＥＤは前記反射体から外部に主に発光するように前記反射体内に配置され、前記反射体は前記ＬＥＤ部品から横方向に出射する光を反射する請求項１０に記載の照明装置。
  12. 前記遠隔反射体は、後方反射体を有し、前記ＬＥＤ部品は、主に前記反射体の方向に発光するように配置されており、前記反射体は、前記ＬＥＤ部品からの光を、前記ＬＥＤ部品の方向に反射する請求項１０に記載の照明装置。
  13. 前記反射体の開口部に架けられたブリッジ部をさらに備え、前記ＬＥＤ部品は、前記反射体の底部の方向を向くように前記ブリッジ部に搭載されている請求項１０に記載の照明装置。
  14. 前記拡散部は、前記複数のＬＥＤチップからの光の少なくとも一部が通過して、前記複数のＬＥＤチップからの光が近距離場で混合するように配置され、前記拡散部を通過する光は、直接見ると、前記複数のＬＥＤチップからの光の混合光として見える請求項１０に記載の照明装置。
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