JP2012504341A - Ｌｅｄ蛍光体の堆積法 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤと共用するためのＬＥＤ蛍光体の堆積法。ある態様においては、カプセル封止を形成するための方法が提供される。本方法は、カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、ダム材を選択する工程と、ダム材を基板へ塗布して幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、この領域を封止材料で充填してカプセル封止を形成する工程と、を含む。別の態様では、少なくとも１つのＬＥＤチップと、この少なくとも１つのＬＥＤチップ上へ配置されるカプセル封止と、を備えるＬＥＤ装置が提供される。カプセル封止は、カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、ダム材を選択する工程と、ダム材を基板へ塗布して幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、この領域を封止材料で充填してカプセル封止を形成する工程と、によって形成される。
【選択図】図２

Description

本願は、概して発光ダイオードに関し、より具体的には、発光ダイオードのカプセル封止を形成するための蛍光体堆積システムに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、不純物を含浸またはドープした半導体材料である。これらの不純物は、半導体に、半導体材料内を比較的自由に移動できる「電子」および「正孔」を添加する。不純物の種類に応じて、半導体のドープ領域は主として電子または正孔を保有することができ、各々ｎ型またはｐ型の半導体領域と称される。ＬＥＤ用途では、半導体はｎ型半導体領域とｐ型半導体領域とを含む。これらの２領域間の接合部には逆電界が生成され、これにより、電子および正孔は接合部から離れて活性領域を形成する。ｐｎ接合部にわたって逆電界を越えるに足る順電圧が印加されると、電子および正孔は活性領域内へ押しやられて結合する。電子および正孔は、結合すると低エネルギー準位へ降下し、光としてエネルギーを放出する。

動作の間、順電圧は、一対の電極を介してｐｎ接合部へ印加される。これらの電極は半導体材料上へ、ｐ型半導体領域にｐ電極が形成され、ｎ型半導体領域にｎ電極が形成される形で形成される。各電極は、外部電圧をＬＥＤへ印加できるようにするワイヤボンドパッドを含む。

概して、ＬＥＤデバイスは、基板上へ搭載され、蛍光体等の封止材料でカプセル化されるＬＥＤチップ（またはダイ）を備える。カプセル封止は、ＬＥＤチップを保護し、光を抽出するように動作する。典型的には、ＬＥＤチップは空胴内に位置し、次いでこれが封止材料で充填される。平面基板上へ搭載されるＬＥＤチップ（例えば、チップオンボード）の場合、空胴は存在せず、よって手順は異ならざるを得ない。特有の幾何学的形状を有するカプセル封止を準備するために、所望される幾何学的形状を有する封止金型が別個に設計され、製造される。次に金型は、ＬＥＤチップの周りに嵌合するように基板上へ搭載される。その後金型は、蛍光体混合物または他の封止材料で充填される。

残念ながら、別個に設計され、製造される金型の使用はコスト高であって、時間がかかり、追加的な製造作業を必要とする。例えば、金型は別個の部品として設計製造される必要があり、時間がかかってコスト高である。それから金型は、基板上へ搭載された後でなければ封止材料で充填され得ず、追加的な製造作業を必要とする。

したがって、様々な形状を有するカプセル封止を迅速に形成できるようなカプセル化技術の向上、およびＬＥＤデバイスのコストを低減し、製造を単純化する柔軟さが技術上必要とされている。

様々な態様において、様々なジオメトリを有するＬＥＤカプセル封止を単純な製造作業で迅速、柔軟、費用効果的に製造できるようにする蛍光体堆積システムが提供される。

ある態様においては、カプセル封止を形成するための方法が提供される。本方法は、カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、ダム材を選択する工程と、ダム材を基板へ塗布して幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、この領域を封止材料で充填してカプセル封止を形成する工程と、を含む。

別の態様では、少なくとも１つのＬＥＤチップと、この少なくとも１つのＬＥＤチップ上へ配置されるカプセル封止と、を備えるＬＥＤ装置が提供される。カプセル封止は、カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、ダム材を選択する工程と、ダム材を基板へ塗布して幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、この領域を封止材料で充填してカプセル封止を形成する工程と、によって形成される。

別の態様では、パッケージと、パッケージに結合されるＬＥＤ装置と、を備えるＬＥＤランプが提供される。ＬＥＤ装置は、少なくとも１つのＬＥＤチップと、この少なくとも１つのＬＥＤチップ上へ配置されるカプセル封止と、を備える。カプセル封止は、カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、ダム材を選択する工程と、ダム材を基板へ塗布して幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、この領域を封止材料で充填してカプセル封止を形成する工程と、によって形成される。

下記の詳細な説明から、本発明の他の態様が当業者に容易に明らかとなることは理解される。認識される通り、本発明は他の態様および異なる態様も含み、その幾つかの詳細は様々な他の点において、全て本発明の精神および範囲を逸脱することなく修正が可能である。したがって、図面および詳細な説明は本来例示的とされるべきものであり、限定的とされるべきものではない。

本明細書に記述している前述の態様は、添付の図面に関連して行なう下記説明の参照によってさらに容易に明らかとなるであろう。
ある蛍光体堆積システムの態様を説明する例示的なＬＥＤアセンブリを示す。 ある蛍光体堆積システムの態様を説明する例示的なＬＥＤアセンブリを示す。 蛍光体堆積システムによるカプセル封止を提供するための例示的な方法を示す。 蛍光体堆積システムに従って構築されたＬＥＤアセンブリを備える例示的なデバイスを示す。

以下、本発明の様々な態様を示す添付の図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で具現されてもよく、よって本開示を通じて提示される本発明の様々な態様に限定されるものと解釈されるべきではない。どちらかと言えば、これらの態様は、本開示が徹底的かつ完全であって、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。諸図に示されている本発明の様々な態様は、原寸に比例して描かれていない場合がある。したがって、様々な特徴の寸法は、明確を期して拡大または縮小されてもよい。さらに、図面によっては、明確を期して単純化されている場合もある。したがって、図面は所定の装置（例えば、デバイス）または方法の構成要素を全て描いていない場合がある。

ここに、本発明の様々な態様について、本発明の理想化された構成を略示する諸図を参照して説明する。したがって、結果的な例図の形式からの変形、例えば製造技術および／または公差は見込まれるべきである。したがって、本開示にわたって提示される本発明の様々な態様は、本明細書に示され、説明されている要素（例えば、領域、層、セクション、基板等）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、例えば製造の結果として生じる形状の偏りも包含すべきものである。例として、矩形として示された、または記述された要素は、丸められた、または曲がった特徴および／またはその端において要素毎の個別変化ではなく傾斜集中を有する場合がある。したがって、図示の要素は本来略図であって、その形状に要素の精確な形状を例示する意図はなく、本発明の範囲を限定する意図もない。

領域、層、セクション、基板等の要素が別の要素の「上」にあるとして言及される場合、これは上記他の要素の上に直に存在する可能性もあれば、介在する要素もまた存在する場合があることは理解されるであろう。これに対して、ある要素が別の要素の「上に直に」存在しているとして言及される場合、介在する要素は存在しない。さらに、ある要素が別の要素の上に「形成されている」として言及される場合、これは、他の要素または介在する要素の上に成長され、堆積され、エッチングされ、付着され、接続され、結合され、または他に準備または製造され得ることも理解されるであろう。

さらに、本明細書において、「下方」または「底部」および「上方」または「頂部」等の相対語は、図に示すような、ある要素の別の要素に対する関係性を記述するために使用される場合がある。相対語に、図に描かれている方向性に加えて、装置の異なる方向性を包含する意図のあることは理解されるであろう。例として、図中のある装置が反転されれば、他の要素の「下」側に存在しているとして記述される要素は上記他の要素の「上」側に方向づけられることになる。したがって、「下方」という用語は、装置の特定の方向性によって、「下方」および「上方」の方向性の双方を包含する可能性がある。同様に、図中のある装置が反転されれば、他の要素より「下」または「真下」として記述される要素は、上記他の要素より「上」に方向づけられることになる。したがって、「〜より下」または「真下」という用語は、上および下の方向性の双方を包含する可能性がある。

別段の規定のない限り、本明細書において使用される全ての用語（技術および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の一般的な当業者の一人によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用されている辞書に定義されているもの等の用語は、関連技術および本開示の文脈における意味と一致した意味を有すると解釈されるべきであることも理解されるであろう。

本明細書で使用しているように、単数形の不定冠詞および定冠詞は、文脈において別段の明確な指示がない限り、複数形も包含することが意図されている。さらに、「備える」および／または「備えている」という用語は、本明細書において使用される場合、記述されている特徴、完全体、ステップ、作業、要素および／または構成部品の存在を明示するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、作業、要素、構成部品および／またはこれらのグループの存在または追加を除外するものではないことも理解されるであろう。「および／または」という用語は、列挙される関連項目のうちの１つまたはそれ以上による任意かつ全ての組合せを含む。

「第１の」および「第２の」という用語は、本明細書では様々な領域、層および／またはセクションを記述するために使用される場合があるが、これらの領域、層および／またはセクションがこれらの用語に限定されるべきでないことは理解されるであろう。これらの用語は、単に１つの領域、層またはセクションを別の領域、層またはセクションと区別するために使用される。したがって、後に論じる第１の領域、層またはセクションは、本発明の教示内容を逸脱することなく、第２の領域、層またはセクションと称される可能性もあり、同様に、第２の領域、層またはセクションも第１の領域、層またはセクションと称される場合がある。

次に、図１を参照すると、蛍光体堆積システムの態様を示す例示的なＬＥＤアセンブリ１００が示されている。ＬＥＤアセンブリ１００は、セラミック、アルミニウムまたは他の任意の適切な基板材料であってもよい基板１０２上へ搭載された複数のＬＥＤチップ１０４を備える。図１には４つのＬＥＤチップ１０４が示されているが、本システムが１つまたは任意数のＬＥＤチップでの使用に適することに留意されたい。

本明細書に記述しているシステムの態様によれば、ダム材を含むダム１０６は、ＬＥＤチップ１０４を囲んでカプセル封止領域１０８を形成するように基板１０２上へ堆積される。ダム材は、透明であっても、反射性の乳白色であってもよい。例えば、ダム材はエポキシまたはシリコーンであることが可能である。ある態様では、不透明な材料を生成するために二酸化チタンのような充填剤粒子が添加されることが可能である。概して、ダム材は透過性または反射性であるべきである。ある態様では、ダム材は基板１０２上へ、プログラム可能であり、ダム材を基板１０２上へ任意のパターンおよび／または幾何学的形状で堆積できる自動化された計量分配機によって堆積される。例えば、ダム材は、矩形形状、円形状、曲がった形状および／またはカプセル封止が形成されるべき領域を画定するために選択されてもよい任意の組合せの形状を形成するために堆積されてもよい。またダム材は、所望される断面で堆積されてもよい。

別の態様では、堆積されるダム材は異なる光学特性を有する。例えば、ある態様において、ダム材は光を反射する反射性ダム材を含む。したがって、ＬＥＤチップ１０４から放射される光はダム材から反射され、より狭い放射パターンが形成される。別の態様では、ダム材は光を通す透過性ダム材を含む。したがって、ＬＥＤチップ１０４から放射される光はダム材を通過し、より広い放射パターンが形成される。本システムがどのようにして様々な放射パターンを提供するかに関するさらに詳細な説明は、本文書の別のセクションで行なう。したがって、様々な態様において、異なる放射パターンを有するカプセル封止を得るために異なるダム材を選択することができる。

したがって、様々な態様において、単純化されたカプセル封止の形成、選択可能な光放射パターンおよび他の利点のために、効率的な蛍光体堆積システムが提供される。本システムは任意タイプの基板での使用に適し、下記の特徴を有する。
１．任意タイプのカプセル封止ジオメトリを提供する形式自由で、堆積が容易かつ成形が容易なダム材。
２．ダム材は、広い放射パターンを得るために透過性（即ち、透明なシリコーン）であって光を通し得る。
３．ダム材は、より狭い放射パターンを得るために反射性であって光を反射し得る。
４．ダム材は、ある範囲の高さおよび断面で堆積されることが可能である。
５．ダム材は、任意タイプの基板材料へ塗布されることが可能である。
６．事前に製造される金型の高価かつ時間のかかる設計、製造および組立てを回避する。

図２に、蛍光体堆積システムの態様を示す例示的なＬＥＤアセンブリ２００を示す。ＬＥＤアセンブリ２００は、基板２０４上へ搭載された複数のＬＥＤチップ２０２を備える。様々な態様によれば、ダム材（２０６および２０８に示される）は、概して２１０で指示されるカプセル封止が形成されるべき閉止領域を画定するために基板２０４上へ堆積される。例えば、２０６および２０８において示されているダム材は、閉止領域２１０を画定する境界を形成する。これを説明する目的で、ダム材は、所望される放射パターンを得るためにダム材の光学特性が如何に選択され得るかを示すために２つのセクション２０６および２０８において示されている。また、ダム材は事実上あらゆる断面を保有するために堆積されることが可能であって、図２に示す断面形状に限定されないことも留意されたい。

２０６および２０８において示されるダム材は、２２４に示される選択された高さで基板２０４上へ堆積される。ダム材が堆積された後、ダム材（２０６、２０８）により画定された領域２１０を封止材料で充填することによってカプセル封止２１４が形成される。したがって、ダム材は、内部に対応するサイズ／形状のカプセル封止を形成できる任意のサイズおよび／または形状の領域を画定するために基板上へ堆積されることが可能である。

広い、または狭い放射パターンを得るためにダム材がどのように選択され得るかを例証する目的で、ダム材は反射材料であるように選択されるものと想定する。ダム材２０６は、この想定下での光学特性を示す。ダム材が反射性であるように選択されれば、ＬＥＤ２０２から放射される光は、２１６において示されるようにダム材の表面に反射し、２１８に示す狭い放射パターンが形成される。

次に、ダム材は透過性であるように選択されるものと想定する。ダム材２０８は、この想定下での光学特性を示している。ダム材が透過性であるように選択されれば、ＬＥＤ２０２から放射される光は、２２０において示されるようにダム材を通過し、２２２に示す広い放射パターンが形成される。このように、様々な態様において、ダム材は所望される放射パターンを得るように選択されてもよい。

指標２２４は、ダム材の高さを示す。様々な態様において、ダム材は、広範な高さおよび／または断面を有するように堆積されてもよい。例えば、約１ミリメートルの高さを有するダム材を容易に達成することができる。概して、ダム材の高さおよび／または断面は、その基部の幅および全体的なアスペクト比に依存してもよい。

図３に、蛍光体堆積システムによるカプセル封止を提供するための例示的な方法３００を示す。明確さを期して、方法３００の説明は、以下、図１および図２を参照して行なう。

ブロック３０２において、ＬＥＤアセンブリと共に使用されるべきカプセル封止の幾何学的形状が決定される。ある態様では、任意の適切な幾何学的形状が選択されてもよい。例えば、矩形形状、円形状、曲がった形状および／または任意の形状の組合せが選択されてもよい。

ブロック３０４では、ダム材が、所望される光放射パターンを与えるように選択される。ある態様において、ダム材は、光を反射してより狭い放射パターンを提供する反射性の材料であってもよい。別の態様において、ダム材は、光を通して広い放射パターンを提供するために透過性であってもよい。

ブロック３０６において、ダム材は、所望される幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成するように基板上へ堆積される。複数の領域が画定されてもよいことに留意されたい。ある態様において、ダム材は自動計量分配機によって堆積される。またダム材は、カプセル封止の形状をさらに画定するために、所望される基板上の高さおよび所望される断面で堆積されてもよい。例えば、図１に示すように、ダム材は領域１０８を形成するように堆積され、図２に示すように、ダム材は領域２１０を形成するように堆積される。

ブロック３０８では、所望される形状を有するカプセル封止を得るために、ダム材によって境界を付けられた領域が封止材料で充填される。例えば、封止材料は、透明であれ蛍光体で充填されたものであれシリコーンまたはエポキシであってもよく、またはダム材によって境界を付けられた領域内に塗布され、堆積され、または別途充填される他の任意の封止材料であってもよい。

したがって、方法３００は、様々な形状を有するカプセル封止が迅速かつ柔軟に形成されることを可能にする蛍光体堆積システムを提供する働きをする。方法３００の作業が様々な態様の範囲内で再調整され、または別途修正されてもよいことに留意されたい。したがって、本明細書に記述している様々な態様の範囲内で、他の実装が可能である。

図４に、本発明の態様による蛍光体堆積システムによって形成されたカプセル封止を有するＬＥＤアセンブリを備える例示的なデバイス４００を示す。デバイス４００は、ランプ４０２と、照明デバイス４０４と、街路灯４０６と、を含む。図４に示すデバイスの各々は、本明細書に記述しているような蛍光体堆積システムによって形成されたカプセル封止を有するＬＥＤアセンブリを含む。例えば、ランプ４０２は、パッケージ４１６と、蛍光体堆積システムによって形成されたカプセル封止を有するＬＥＤアセンブリと、を備える。ランプ４０２は、任意タイプの一般照明に使用されてもよい。例えば、ランプ４０２は、自動車のヘッドランプ、街路灯、天井の電灯または他の任意の一般照明用途において使用されてもよい。照明デバイス４０４は、ランプ４０２として構成されてもよいランプ４１２へ電気接続される電源４１０を備える。ある態様において、電源４１０は電池であっても、太陽電池等の他の適切な任意タイプの電源であってもよい。街路灯４０６は、ランプ４０２として構成されてもよいランプ４１４へ接続される電源を備える。ある態様において、ランプ４１４は、蛍光体堆積システムによって形成されたカプセル封止を有するＬＥＤアセンブリを備える。

本明細書に記述している蛍光体堆積システムの態様は、事実上あらゆるタイプのＬＥＤアセンブリに使用するためのカプセル封止を形成するために使用することに適し、上記ＬＥＤアセンブリは任意タイプの照明デバイスに使用されてもよく、図４に示すデバイスに限定されないことに留意されたい。

本開示の様々な態様は、一般的な当業者の一人が本発明を実施できるようにするために提供されている。本開示にわたって提示されている態様に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかとなり、本明細書に開示している概念は他の用途へ拡大されてもよい。したがって、特許請求の範囲は本開示の様々な態様に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲の文言に一致する全範囲を認められるべきものであることが意図される。本開示にわたって記述されている、一般的な当業者には既知である、または後に知られることとなる様々な態様の要素に対する全ての構造的および機能的同等物は、参照によって本開示に明示的に組み込まれ、特許請求の範囲に包含されることが意図される。

さらに、本明細書に開示されているものは、このような開示が特許請求の範囲において明確に記載されているかどうかに関わらず、公に供するためのものではない。特許請求の範囲の要素は、その要素が「〜の手段」という言い回しを用いて明示的に記載されていない限り、または方法クレームの場合、その要素が「〜のステップ」という言い回しを用いて記載されていない限り、米国特許法第１１２条の第６段落の規定に基づいて解釈されるべきではない。

したがって、本明細書では蛍光体堆積システムの態様が例示され、説明されているが、これらの態様に対しては、その精神または本質的特徴から逸脱することなく様々な変更が行われ得ることは認識されるであろう。したがって、本明細書における開示および説明は、以下の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲を例示するためのものであって、限定を意図するものではない。

Claims (21)

1. カプセル封止を形成するための方法であって、
   前記カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、
   ダム材を選択する工程と、
   前記ダム材を基板へ塗布して前記幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、
   前記領域を封止材料で充填して前記カプセル封止を形成する工程と、
   を含む方法。
2. 前記選択する工程は、選択された放射パターンを与えるように前記ダム材を選択することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記選択する工程は、前記ダム材を、光を反射する反射性材料であるように選択することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記選択する工程は、前記ダム材を、光を通す透過性材料であるように選択することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記塗布する工程は、前記ダム材を、それが選択された断面および選択された基板上の高さのうちの少なくとも一方を有するように塗布することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記選択する工程は、前記ダム材としてシリコーンまたはエポキシの一方を選択することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記塗布する工程は、前記ダム材を自動計量分配機で塗布することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 発光ダイオード（ＬＥＤ）装置であって、
   少なくとも１つのＬＥＤチップと、
   前記少なくとも１つのＬＥＤチップ上へ配置されるカプセル封止と、
   を備え、
   前記カプセル封止は、
   前記カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、
   ダム材を選択する工程と、
   前記ダム材を基板へ塗布して前記幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、
   前記領域を封止材料で充填して前記カプセル封止を形成する工程と、
   によって形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）装置。
9. 前記ダム材は、選択された放射パターンを与えるように選択される、請求項８に記載の装置。
10. 前記ダム材は、光を反射する反射性材料である、請求項８に記載の装置。
11. 前記ダム材は、光を通す透過性材料である、請求項８に記載の装置。
12. 前記塗布する工程は、前記ダム材を、それが選択された断面および選択された基板上の高さのうちの少なくとも一方を有するように塗布することを含む、請求項８に記載の装置。
13. 前記選択する工程は、前記ダム材としてシリコーンまたはエポキシの一方を選択することを含む、請求項８に記載の装置。
14. 前記塗布する工程は、前記ダム材を自動計量分配機で塗布することを含む、請求項８に記載の装置。
15. 発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプであって、
    パッケージと、
    前記パッケージに結合され、少なくとも１つのＬＥＤチップと前記少なくとも１つのＬＥＤチップ上へ配置されるカプセル封止とを備える発光ダイオード装置と、
    を備え、
    前記カプセル封止は、
    前記カプセル封止の幾何学的形状を決定する工程と、
    ダム材を選択する工程と、
    前記ダム材を基板へ塗布して前記幾何学的形状を有する領域を画定する境界を形成する工程と、
    前記領域を封止材料で充填して前記カプセル封止を形成する工程と、
    によって形成される、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ。
16. 前記ダム材は、選択された放射パターンを与えるように選択される、請求項１５に記載のランプ。
17. 前記ダム材は、光を反射する反射性材料である、請求項１５に記載のランプ。
18. 前記ダム材は、光を通す透過性材料である、請求項１５に記載のランプ。
19. 前記塗布する工程は、前記ダム材を、それが選択された断面および選択された基板上の高さのうちの少なくとも一方を有するように塗布することを含む、請求項１５に記載のランプ。
20. 前記選択する工程は、前記ダム材としてシリコーンまたはエポキシの一方を選択することを含む、請求項１５に記載のランプ。
21. 前記塗布する工程は、前記ダム材を自動計量分配機で塗布することを含む、請求項１５に記載のランプ。