JP2013505571A - ウィンドウ要素を組み込んだモールドレンズ - Google Patents
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Abstract
発光装置は、発光デバイス(LED)ダイ及び前記LEDダイ上の光学要素を含む。前記光学要素は、レンズ、ウィンドウ要素及び前記レンズ及び前記ウィンドウ要素の間に設けられた境界での結合部を含む。前記ウィンドウ要素は波長変換要素又は場合により平面プレートであり得る。前記ウィンドウ要素は前記レンズに直接結合されるか又は融合され得る。又は前記ウィンドウ要素は前記レンズへ1以上の中間的結合層により結合され得る。前記ウィンドウ要素及びレンズの間の結合部は、前記ウィンドウ要素、レンズ又はその両方と類似する屈折率を有する。
Description
本開示は、発光デバイス(LED)を持つ発光装置に関する。
本発明の1以上の実施態様は、エネルギー省によって授与された契約番号(Contract no.)DE−FC26−08NT01583において米国政府から援助を受けてなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。図1には、発光装置100の断面図が示されている。発光装置100は発光デバイス(LED)ダイ102及び前記LEDダイ上に蛍光体層104を含む。LEDダイ102は支持体106上に設けられている。支持体106は導電性トレース及びリードを含み、これらはLEDダイ102を外部部品と接続する。支持体106はまた、ヒートシンクを含み、発光装置1からの熱を放出させる。
レンズ108がLEDダイ102及び蛍光体層104の上の支持体106に設けられ、前記レンズ内の埋包体110が前記LEDダイ及び蛍光体層をシールしている。光、熱及び/又は湿気に暴露されると、レンズ108及び/又は埋包体110は、ハイパワーの短波長の青又は紫外(UV)LED操作の下で黄色又は茶色に変色する。
本発明は、ウィンドウ要素を組み込んだモールドレンズを提供する。
本開示の1以上の実施態様において、発光装置は、発光デバイス(LED)ダイ及び前記LEDダイの上又は近くに光学要素を含む。前記光学要素は、レンズ、ウィンドウ要素及び前記レンズと前記ウィンドウ要素間の境界に結合部を含む。前記ウィンドウ要素は、波長変換要素又は光学的に平坦なプレートであってよい。前記ウィンドウ要素は前記レンズに直接結合又は融合され得る。又は前記ウィンドウ要素は前記レンズに1以上の中間結合層により結合され得る。前記ウィンドウ要素及びレンズ間の結合部は、前記ウィンドウ要素、レンズ又はこれらの両方に類似の屈折率を持ち得る。
図2Aは本開示の1以上の実施態様による発光装置200の断面図である。発光装置200は、支持体204上に設けられるLEDダイ202を含む。
LEDダイ202はn−タイプ層、前記n−タイプ層の近くの発光層(通常は「活性領域」と参照される)、前記発光層の近くのp−タイプ層及び前記p−タイプ層の近くの導電性反射層を含む。1以上の実施態様において、例えばインジウムスズ酸化物、アルミニウムドープ亜鉛酸化物及び亜鉛ドープインジウム酸化物などの導電性透明接触層が使用されてもよい。前記実施態様により、前記n−タイプ層及びp−タイプ層へのn−タイプ及びp−タイプ金属が、「フリップチップ」配置においては前記LEDダイ202と同じ側に設けられ得る。前記半導体層は、前記基板を除去してエピタキシャル層のみを残し得る基板上にエピタキシャル成長させ得る。
支持体204は、電気リードを持つハウジング206、前記ハウジング内のヒートシンク208及び前記ヒートシンク上に設けられるサブマウント210を含む。LEDダイ202はサブマウント210上に接触要素212、例えばハンダ、金又は金ースズ交互結合体を介して設けられる。サブマウント210は、スルービアを持つ基板を含み得る。又はLEDダイ202の金属パターンのサブマウント上での再分配を含み得る。
結合ワイヤは、サブマウント210上の結合ワイヤパッドにより前記ハウジング206の前記電気リーソへ接続され、それにより電気シグナルを発光装置200と外部部品との間に通すことを可能とする。
結合ワイヤは、サブマウント210上の結合ワイヤパッドにより前記ハウジング206の前記電気リーソへ接続され、それにより電気シグナルを発光装置200と外部部品との間に通すことを可能とする。
アンダーフィルがLEDダイ202とサブマウント210間に適用され得る。前記アンダーフィルは機械的な支持を与え、かつLEDダイ202とサブマウント210間のボイドを汚染からシールすることができる。前記アンダーフィルは、前記LEDダイ202の側部からの全てのエッジ発光を阻止することができる。前記アンダーフィル材料は優れた熱伝導性を持ち、熱膨張係数(CTE)が、前記LEDダイ202、サブマウント210及び接触要素212の少なくとも1つとほぼ一致するものであり得る。さらに、前記アンダーフィル材料は、レンズ214、ウィンドウ要素222、以下に説明する第1のシリコーン230及び第2のシリコーン314、結合層330及び以下に説明する保護側部コーティング332の少なくとも1つとほぼ一致するCTEを持ち得る。CTEは、1以上の実施態様では500%以下の範囲内で、1以上の実施態様では100%以下の範囲内で、1以上の実施態様では50%以内の範囲で又1以上の実施態様では30%以内の範囲で一致され得る。前記アンダーフィル材料は、エポキシ又はシリコーンであり得る。また充填物質を含むこともできる。
さらなる情報は、米国特許番号7462502、7419839、7279345、7064355、7053419及び6946309に、また米国特許出願公開第20050247944号に記載されており、これらは参照されて本明細書の一部となる。
光学要素はLEDダイ202の上又は近くに位置される。本開示の1以上の実施態様では、光学要素は、LEDダイ202からの光を抽出する高屈折率レンズ214を含む。レンズ214はシーリング218を持つキャビティ216を含む。レンズ214は、通常のシリコーンレンズよりも大きい屈折率(RI)を持つ。レンズ214はLEDダイ202による発光波長でRIが1.5以上(例えば1.7以上)であり得る。レンズ214は、その形状及びサイズが、LEDダイ202からレンズを通る光がほぼ垂直入射でレンズ出口表面220と交差し得るものであり、それにより前記レンズ出力表面と前記環境媒体(例えば空気)との間の境界での全内部反射を低減させることで光出力を増加させることとなる。
レンズ214は半球レンズやフレネルレンズであり得る。レンズ214はまた、光コンセントレータであって、これは、全内部反射装置及び、反射性金属、誘電材料でコーティングされた壁を持つか、又は入射光を反射するか再方向付けるための反射コーティングを持つ光学要素を含む。反射コーティングの例は、ニューヨークのMunsell Color ServicesのWhite Reflectance Coatingが挙げられる。
レンズ214は、光学ガラス、高屈折率ガラス、サファイア、ダイヤモンド、シリコンカーバイド、アルミナ、ガリウムリンなどの第III−V族半導体、硫化亜鉛、セレン化亜鉛及びテルル化亜鉛などの第II−VI族半導体、第IV族半導体及び化合物、金属酸化物、金属フッ化物、アルミニウム、アンチモン、ヒ素、ビスマス、カルシウム、銅、ガリウム、ゲルマニウム、ランタン、鉛、ニオブ、リン、テルル、タリウム、チタン、タングステン、亜鉛又はジルコニウムの全ての酸化物、多結晶性酸化アルミニウム(透明アルミナ)、アルミニウム酸窒化物(AION)、立方晶ジルコニア(CZ)、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ガリウムリン(GaP)、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン酸窒化物(SiON)、チタン酸ストロンチウム、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、硫化亜鉛(ZnS)、スピネル、SchottガラスLaFN21、LaSFN35、LaF2、LaF3、LaF10、NZK7、NLAF21、LaSFN18、SF59又はLaSF3、OharaガラスSLAM60又はSLAH51、又はこれらの全ての組み合わせ、から製造され得る。Schottガラスは、Schott Glass Technologies Incorporated、Duryea、Pa.から、Oharaガラスは、Ohara Corporation in Somerville、N.Jから入手可能である。
レンズ214はLEDダイ202による発光波長の光を他の波長へ変換する発光物質を含むことができる。1以上の実施態様で、レンズ214のレンズ出口表面220上のコーティングは前記発光物質を含む。前記発光物質には、従来の発光粒子、有機半導体、第II−VI族又は第III−V族半導体、第II−VI又は第III−V族半導体量子ドット又なナノ結晶、色素、ポリマー又は発光性のガリウム窒化物(GaN)などの物質が含まれ得る。又は、レンズ出口表面220近くのレンズ214の領域が、発光物質でドープされてもよい。又は、レンズ214が波長変換領域を含むこともできる。レンズ214は、単層又は多層のいずれかの反射防止コーティング(AR)を、レンズ出口表面220上に前記出口表面での反射をさらに抑制するために含むことができる。
レンズ214はまた、ウィンドウ要素222、結合層219、結合層330、結合層1402及び結合層1410のために以下列記する材料の全ての材料を含むことができる。
さらなる情報は、米国特許番号7279345、7064355、7053419、7009213、7462502及び7419839に記載されており、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
本開示において1以上の実施態様で、前記光学要素は、LEDダイ202の発光スペクトルを変更し、平坦な光学表面を与えるウィンドウ要素222を含む。ウィンドウ要素222はレンズ214のシーリング218に直接結合されるか融合されて一体要素を形成し得る。ウィンドウ要素222は、例えばモールドプロセスの際にレンズ214のシーリング218に直接結合されるか融合され得る。ウィンドウ要素222は、レンズ214が、例えば金型中で冷却又は硬化されることで固体又は硬化する前かその間にシーリング218上に設けられ得る。ウィンドウ要素222はまた、前記レンズを、例えば金型中の前記ウィンドウ要素の下又は上にモールドすることでシーリング218でレンズ214内に埋め込まれることができる。
又は図2Bは、ウィンドウ要素222が、例えば図16から19に基づいて以下説明されるプロセスにおいて結合層219を持つレンズ214に結合され得る、ことを示す。結合層219は、結合層330について以下挙げられる物質を含み得る。即ち、塩化鉛、臭化鉛、フッ化カリウム、フッ化亜鉛、アルミニウム、アンチモン、ヒ素、ビスマス、ホウ素、鉛、リチウム、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、タングステン又は亜鉛の酸化物又はこれらのあらゆる組み合わせである。
ウィンドウ要素222は、LEDダイ202による発光波長でRIが1.5以上(例えば1.7以上)を持ち得る。ウィンドウ要素222とレンズ214間の設けられる前記境界面での前記結合部は、前記ウィンドウ要素及び前記レンズのいずれか又は両方のRIがと実質的に一致するRI、前記ウィンドウ要素とレンズのRIの中間的なRI、又は前記ウィンドウ要素又はレンズのRIよりも大きいRIを持ち得る。前記RIは、それらが、1以上の実施態様では100%以下の範囲で、1以上の実施態様では50%以下の範囲で、1以上の実施態様では25%以下の範囲で、さらに1以上の実施態様では10%以下の範囲で実質的に一致する。例えば、前記結合部のRI及びウィンドウ要素222のRI又はレンズ214のRIが、お互いに+0.05の範囲内であり得る。本開示の1以上の実施態様では、ウィンドウ要素222を持つレンズ214は支持体204上に設けられLEDダイ202を封止する。
ウィンドウ要素222は、レンズ214及び結合層219、330、1402及び1410について説明した物質又はそれらの組み合わせから形成され得る。例えば、アルミニウム酸窒化物(AlON)、多結晶性アルミナ(透明アルミナ)、アルミニウム窒化物、立方晶ジリコニア、ダイヤモンド、ガリウム窒化物、ガリウムリン、サファイナ、シリコンカーバイド、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコン酸窒化物(SiON)、スピネル、硫化亜鉛又はテルル、鉛、タングステン又は亜鉛の酸化物が挙げられる。
ウィンドウ要素222はレンズ214のCTEとほぼ一致するCTEを持ち、これにより前記ウィンドウ要素内の応力を緩和し、ウィンドウ要素が加熱・冷却される場合にレンズから剥離することを防止する。CTEはお互いに、1以上の実施態様では100%以内の範囲で、1以上の実施態様では50%以内の範囲で、1以上の実施態様では30%以内の範囲で一致し得る。
本開示の1以上の実施態様で、ウィンドウ要素222は波長変換要素であり、LEDダイ202の発光スペクトルを変換して1以上の望ましい色を与える。波長変換要素の厚さはLEDダイ202で生成される光の波長に応じて制御され得る。これにより高い再現性のある関連する色温度が得られる結果となる。
前記波長変換要素は1つの光を生成する1つのセラミック発光プレートであるか、複数の異なる色の光を生成するセラミックプレートのスタックであってよい。セラミック発光プレートは「発光セラミックス」と称されるが、発光体のセラミックスラブであってよい。セラミック発光プレートはLEDダイ202の発光波長でRIが1.4以上(例えば1.7以上)のRIを持ち得る。セラミック発光プレートはY3Al5O12:Ce3+であり得る。
前記セラミック発光プレートは、一般式(Ca1−x−y−zSrxBayMgz)1−n(Al1−a+bBa)S1−bN3−bOb:REnで表される希土類元素活性化酸窒化アルミノケイ酸塩であり、ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、0<b≦1及び0.002≦n≦0.2であり、REはユーロピウム(II)又はセリウム(III)から選択される。前記セラミック発光プレートの発光体はまた、一般式EA2−zSi5−aBaN8−aOa:Lnzで表される酸窒化アルミノケイ酸塩であり、ここで、0<z≦1及び0<a<5であり、EAは、Al、Mg、Ca、Sr、Ba及びZnから選択され、かつAl、Ga及びInから選択される少なくとも1つの元素Bを含み、セリウム、ユーロピウム、テルビウム、プラセオジウム及びそれらの混合物を含む群から選択されるランタニドにより活性化される。
前記セラミック発光プレートはまた、アルミニウムガーネット発光体であって一般式(Lu1−x−y−a−bYxGdy)3(Al1−zGaz)5O12:CeaPrbで表されるものであり得る。ここで0<x<1、0<y<1、0<z≦0.1、0<a≦0.2及び0<b≦0.1であり、例えば黄色−緑色領域で発光するLu3Al5012:Ce3+及びY3Al5O12:Ce3+である。他の緑、黄色及び赤色発光体はまた、適切に次の物を含み得る。即ち(Sr1−a−bCabBac)SixNyOz:Eua2+(a=0.002−0.2、b=0.0−0.25、c=0.0−0.25、x=1.5−2.5、y=1.5−2.5、z=1.5−2.5)であって例えばSrSi2N2O2:Eu2+;(Sr1−u−v−xMguCavBax)(Ga2−y−zAlyInzS4):Eu2+であって例えばSrGa2S4:Eu2+;Sr1−xBaxSiO4:Eu2+及び(Ca1−xSrx)S:Eu2+であってここで0<x≦0.1であり例えばCaS:Eu2+及びSrS:Eu2+が挙げられる。他の適切な発光体には、例えばCaAlSiN3:Eu2+、(Sr、Ca)AlSiN3:Eu2+及び(Sr、Ca、Mg、Ba、Zn)(Al、B、In、Ga)(Si、Ge)N3:Eu2+が挙げられる。
セラミック発光プレートは又、一般式(Sr1−a−bCabBacMgdZne)SixNyOz:Eua2+を持ち、ここで0.002≦a≦0.2、0.0≦b≦0.25、0.0≦c≦0.25、0.0≦d≦0.25、0.0≦e≦0.25、1.5≦x≦2.5、1.5≦y≦2.5及び1.5≦z≦2.5である。セラミック発光プレートは又、一般式MmAaBbOoNn:Zzを持ち、ここでMは1以上の2価元素、元素Aは1以上の三価元素、元素Bは1以上の4価元素を示し、Oは酸素を表し、これは場合により存在し前記発光プレートの存在していなくてもよく、Nは窒素であり、元素Zはアクチベーターであり、n=2/3m+a+4/3b−2/3oであり、ここでm、a、bは全て1及び0、oは0、及びnは3であり得る。Mは、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)及びZn(亜鉛)から選択される1以上の元素であり、元素Aは、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)、In(インジウム)及びGa(ガリウム)から選択される1以上の元素であり、元素BはSi(ケイ素)及び/又はGe(ゲルマニウム)であり、元素Zは希土類又は遷移金属から選択される1以上の元素である。
元素Zは、Eu(ユーロピウム)、Mn(マンガン)、Sm(サマリウム)及びCe(セリウム)から選択される少なくとも1つの元素である。元素Aは、Al(アルミニウム)、元素BはSi(ケイ素)、及び元素ZはEu(ユーロピウム)であり得る。
元素Zは、Eu(ユーロピウム)、Mn(マンガン)、Sm(サマリウム)及びCe(セリウム)から選択される少なくとも1つの元素である。元素Aは、Al(アルミニウム)、元素BはSi(ケイ素)、及び元素ZはEu(ユーロピウム)であり得る。
セラミック発光プレートは又、式(Sr1−a−bCabBac)SixNyOz:Euaで表されるEu2+活性化Sr−SiONであり得る。ここでa=0.002〜0.2、b=0.0〜0.25、c=0.0〜0.25、x=1.5〜2.5、y=1.5〜2.5、z=1.5〜2.5である。
セラミック発光プレートは又、化学的に変性されたCe:YAG発光体であり得る。これはCe:YAG発光体にプラセオジウム(Pr)の3価イオンでドープすることで製造される。前記発光プレートは主発光物質及び補助発光物質を含み得る。
主発光物質はCe:YAG発光体であり、補助発光体物質はユーロピウム(Eu)活性化ストロンチウム硫化物(SrS)発光体(「Eu:SrS」)である。主発光物質は又、Ce:YAG発光体又は他の適切な黄色発光体であってよく、補助発光物質は又、カルシウム硫化物(CaS)及びシトロンチ有無硫化物(SrS)をユーロピウムで活性化した三元結晶性物質((CaxSr1−x)S:Eu2+)であり得る。前記主発光物質は又、Ce:YAG発光体又は全ての適切な黄色発光発光体であり、補助発光物質は又、窒化物ケイ酸塩をユーロピウムで活性化したものであり得る。前記窒化物ケイ酸塩補助発光物質は、化学式(Sr1−x−y−zBaxCay)2Si5N8:Euz2+で表され、ここで0≦x、y≦0.5及び0≦z≦0.1である。
主発光物質はCe:YAG発光体であり、補助発光体物質はユーロピウム(Eu)活性化ストロンチウム硫化物(SrS)発光体(「Eu:SrS」)である。主発光物質は又、Ce:YAG発光体又は他の適切な黄色発光体であってよく、補助発光物質は又、カルシウム硫化物(CaS)及びシトロンチ有無硫化物(SrS)をユーロピウムで活性化した三元結晶性物質((CaxSr1−x)S:Eu2+)であり得る。前記主発光物質は又、Ce:YAG発光体又は全ての適切な黄色発光発光体であり、補助発光物質は又、窒化物ケイ酸塩をユーロピウムで活性化したものであり得る。前記窒化物ケイ酸塩補助発光物質は、化学式(Sr1−x−y−zBaxCay)2Si5N8:Euz2+で表され、ここで0≦x、y≦0.5及び0≦z≦0.1である。
前記セラミック発光プレートは又上に記載された発光体のあらゆるブレンドを含むことができる。
さらなる情報は米特許番号7462502、7419839、7544309、7361938、7061024、7038370、6717353及び6680569、さらに米国特許出願公開公報番号20060255710に記載されており、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
本開示の1以上の実施態様で、ウィンドウ要素222はLEDダイ202に面する光学的に平坦な表面を持つ光学的に平坦なプレートである。前記光学平坦プレートは、サファイア、ガラス、ダイヤモンド、シリコンカーバイド(SiC)、アルミニウム窒化物(AlN)又は全ての透明、半透明又は散乱性セラミックであり得る。1以上の実施態様で、ウィンドウ要素222は、レンズ214及び結合層219、330、1402及び1410について上で上げられた全ての物質であり得る。前記光学的平面プレートは、LEDダイ202による発光波長でRIとして1.5以上(例えば1.7以上)のRIを持ち得る。
本開示の1以上の実施態様で、前記光学要素は、発光装置200から熱を抽出するために、場合によりヒートシンク224を含むことができる。ヒートシンク224は場合によりフィン226を持つ(2つのみ符号が付けられている)。ヒートシンク224は、例えばレンズ214内か上に成形することで一体化され得る。ヒートシンク224は、層、プレート、スラブ又はリングであり得る。ヒートシンク224が透明、半透明又は散乱性である場合には、それは光学路内にあり得る。例えば、ウィンドウ要素222上に直接配置され得る。ヒートシンク224は、ダイヤモンド、シリコンカーバイド(SiC)、単結晶アルミニウム窒化物(AlN)、ガリウム窒化物(GaN)又はアルミニウムガリウム窒化物(AlGaN)であり得る。またレンズ214、ウィンドウ要素222の部分又は前記光学要素のいかなる部品であってよい。ヒートシンク224が不透明の場合には、光学路になくてもよい。例えばヒートシンクはウィンドウ要素222のエッジ部分に接触し得る。ヒートシンク224は、シリコン、アルミニウム窒化物(多結晶性、焼成、熱プレス)、銀、アルミニウム、金、ニッケル、バナジウム、銅、タングステンなどの金属、金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物、熱グリース又はこれらの全ての組み合わせであり得る。ヒートシンク224は、生成された光について反射性であり得る。また側部コーティングとして作用し得る。
本開示の1以上の実施態様では、第1のシリコーン230がLEDダイ202及ウィンドウ要素222の1つ又は両方に適用され、前記第1のシリコーンはレンズ214が支持体204上に設けられた後にそれらの間に設けられる。第1のシリコーン230は、LEDダイ202からの光をウィンドウ要素222へ抽出する助けとなる。第1のシリコーン230は又、レンズ214への全ての外部影響からLEDダイ202を絶縁するための機械的緩衝材として作用することができる。第1のシリコーン230は、LEDダイ202による発光波長でRIが1.4以上であるポリジメチルシロキサン(PDMS)であり得る。
第2のシリコーン232は、レンズ214が支持体204上に設けられた後にキャビティ216中の残る空間内に導入される。第2のシリコーン232は、エッジ発光を低減させるためにウィンドウ要素222のエッジ部分をカバーすることができ、前記ウィンドウ要素が波長変換要素である場合に重要となり得る。第2シリコーン232は又、第1のシリコーン230及びLEDダイ202のエッジ部分をカバーしてエッジ発光を低減し、LEDダイからの光をウィンドウ要素222にチャンネルすることを補助することができる。第2のシリコーン232は又、LED202及び支持体204の間に、別のアンダーフィルの代わりにアンダーフィルとして作用し得る。第2シリコーン232は、LEDダイ202による発光波長でRIが1.5以上を持つフェニル置換シリコーンであり得る。また第2シリコーン232は、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリウムガリウムガーネット(GGG)、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物(SiON)、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、セレン化亜鉛、硫化亜鉛及びテルル化亜鉛などの1以上の反射性粒子で充填され得る。シリコーン230と232の間の境界面は、前記第1のシリコーン内への通過し、前記光学路中又はウィンドウ要素222上への汚染を防止するためのバリアとして作用し得る。
1以上の他の実施態様で、発光装置200は第2のシリコーン232を含まない。その代わりに前記全キャビティ216は第1のシリコーン230で充填される。
1以上の他の実施態様で、発光装置200は第1シリコーン230及び第2のシリコーン232を含まない。その代わりに空気ギャップが、LEDダイ202及びウィンドウ要素222の間に形成される。第1のシリコーン230なしで、オーバーサイズのウィンドウ要素222は、LEDからの発光をできるだけ多く取り込むために使用され得る。前記オーバーサイズのウィンドウ要素222は、キャビティシーリング218を横断して広がることができ、前記キャビティの側壁をもカバーし得る。
本開示の1以上の実施態様で、前記光学要素はLEDダイ202へ結合されるレンズ204である。結合層219は、レンズ214をLEDダイ202へ結合するために使用され得る。これについては、上で及び下で取り込まれた参照文献で説明されている。
図3Aは、本開示の1以上の実施態様での発光装置300の断面図である。発光装置300は支持体204上に設けられるLEDダイ202を含む。光学要素がLEDダイ202の上又は近くに配置される。本開示の1以上の実施態様において、前記光学要素はLEDダイ202からの光を抽出する高屈折率のレンズ314を含む。レンズ314は底部表面318を持つドーム形状を持ち得る。レンズ314は1.5以上(例えば1.7以上)のRIを持ち得る。レンズ314は、レンズ214について上で説明されたすべての物質から製造され得る。レンズ214について同様に上で説明したように、レンズ314は、LEDダイ202による発光波長の光を他の波長へ変更する発光物質を含むことができる。
本開示の1以上の実施態様で、前記光学要素はウィンドウ要素222を含み、レンズ314の底部表面に直接接続されるか融合されて一体要素を形成する。ウィンドウ要素222は、例えばモールディングプロセスの際にレンズ314の底部表面に直接結合又は融合され得る。ウィンドウ要素222は、レンズ314が、例えば金型内で冷却又は硬化させることで固化又は硬化する前又はその間に底部表面318上に設けられ得る。ウィンドウ要素222は又、例えば金型中で前記ウィンドウ要素の下又は上に前記レンズをモールディングすることで底部表面318でレンズ314内に埋め込まれることができる。
又は図3Bは、ウィンドウ要素222が、図16〜19を参照して以下説明される例のプロセスで結合層319を持つレンズ314に結合し得ることを示す。結合層319は又、結合層330について以下挙げられるいかなる物質でもよく、例えば塩化鉛、臭化鉛、フッ化カリウム、フッ化亜鉛、アルミニウム、アンチモン、ビスマス、ホウ素、鉛、リチウム、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、タングステン又は亜鉛、又はそれらの混合物などである。
既に説明したように、ウィンドウ要素222は、LEDダイ202の発光波長で1.5以上のRI(例えば1.7以上)を持ち得る。ウィンドウ要素222とレンズ314間の設けられる境界での前記結合部は、前記ウィンドウ要素及び前記レンズのいずれか又は両方のRIと実質的に一致するRI、前記ウィンドウ要素及び前記レンズとの中間的なRI、又は前記ウィンドウ要素又はレンズのRIよりも大きいRIと実質的に一致するRIを持つ。前記RIは、それらが1以上の実施態様で100%以下の範囲内、1以上の実施態様で50%以下の範囲内、1以上の実施態様で25%以下の範囲内、1以上の実施態様で10%以下の範囲内であれば、実質的に一致する。例えば、前記結合部のRI及び前記ウィンドウ要素222又はレンズ314のRIはお互いに+0.05の範囲内であり得る。
レンズ314を持つウィンドウ要素222はその後、前記ウィンドウ要素及びLEDダイの間に結合層330を用いてLEDダイ202へ結合される。結合層330は、ウィンドウ要素222とLEDダイ202間に堅い結合部を形成し得る。
結合層330は、レンズ214、結合層219、ウィンドウ要素222、結合層1402及び結合層1410について挙げられるいかなる材料からでも形成され得る。
結合層330は又次の物、即ち、第III−V属半導体であって、限定されるものではないが、ガリウムヒ素化物、ガリウム窒化化物、ガリウムリン及びインジウムガリウムリンを含む;第II−VI属半導体であって、限定されるものではないが、カドミウムヒ素化物、カドミウム硫化物、カドミウムテルル化物、亜鉛硫化物、全ヒ素化物及び亜鉛テルル化物を含む;第IV属半導体及び化合物であって、限定されるものではないが、ゲルマニウム、シリコン及びシリコンカーバイドが含まれる;有機半導体、酸化物、金属酸化物及び希土類酸化物であって、限定されるものではないがアルミニウム、アンチモン、ヒ素、ビスマス、ホウ素、カドミウム、セリウム、クロミウム、コバルト、銅、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、インジウムスズ、鉛、リチウム、モリブデン、ネオジム、ニッケル、ニオブ、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、チタン、タングステン、亜鉛又はジルコニウムが含まれる;ビスマス酸塩化物などの酸塩化物;フッ化物、塩化物及び臭化物、であって、限定されるものではないが、カルシウム、鉛、マグネシウム、カリウム、ナトリウム及び亜鉛のフッ化物及び臭化物が含まれる;金属であって、限定されるものではないが、インジウム、マグネシウムスズ及び亜鉛が含まれる;イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物、窒化物化合物、高屈折率有機化合物;及びこれらの混合物又は合金、を含み得る。
結合層330は、LEDダイ202の活性領域による発光波長を変換して他の波長に変換する発光物質が含まれ得る。前記発光物質は、従来の発光粒子、有機半導体、第IIーVI又は第IIIーV族半導体、第II−VI又は第IIIーV半導体量子ドット又はナノ結晶、色素、ポリマー及び発光するGaNなどの物質を含み得る。結合層330が従来の発光粒子を含む場合、前記結合層は、通常約5ミクロンから約50ミクロンの粒子サイズを有する粒子に対応するに十分な厚さとするべきである。
結合層330は、例えばエポキシドなどの有機物系接着剤を実質的に含まないことがあり得るが、かかる接着剤の屈折率が低い傾向にあるからである。
結合層330は又、低RI結合材料から形成され得る。即ち、LEDダイ202の発光波長で、約1.5未満のRIを持つ結合材料などである。例えば、フッ化マグネシウムがそのような結合材料である。低屈折率光学ガラス、エポキシド及びシリコーンが又、適切な低屈折率の結合材料であり得る。
結合層330は又、SchottガラスLaSFN35、LaF10、NZK7、NLAF21、LaSFN18、SF59又はLaSF3、又はOharaガラスSLAH51又はSLAM60又はそれらの混合物などのガラス結合材料から形成され得る。結合層330は又、例えば(Ge、As、Sb、Ga)(S、Se、Te、F、CI、I、Br)カルコゲニド又はカルコゲンハロゲン化物などの高屈折率ガラスから形成され得る。望ましい場合にはガラスやポリマーなどの低屈折率材料が使用され得る。シリコーン又はシロキサンなどの高及び低屈折率樹脂の両方が、信越化学株式会社、東京日本から入手可能である。シロキサン主鎖の側鎖は、前記シロキサンの屈折率を変更するために変成され得る。
ウィンドウ要素222はLEDダイ202がサブマウント210上に設けられた後でLEDダイ202へ熱的に結合され得る。例えばLEDダイ202へウィンドウ要素222を結合するために、結合層330の温度が約室温と前記接触要素212の溶融温度の間の温度、例えば約150℃から450℃、より具体的には約200℃から400℃に昇温される。ウィンドウ要素222とLEDダイ202は、約1秒から約6時間、例えば約30秒から約30分間前記結合温度で共に、約1ポンド/平方インチ(psi)から約6000psiの圧力でプレスされる。例示すると、約700psiから約3000psiの圧力が、約3から15分間適用される。圧力は冷却の間にも適用され得る。望ましい場合には、他の結合プロセスも使用され得る。
留意すべきは、前記熱結合プロセスにより、ウィンドウ要素222のCTEとLEDダイ202のCTEの不一致が、前記ウィンドウ要素が加熱冷却の際に、前記LEDダイから剥離又は脱離させる恐れがある、ということである。従ってウィンドウ要素222及びKEDダイ202はほぼ一致するCTEを有するべきである。
保護側部コーティング332が、エッジ部分からの発光を低減させるためにウィンドウ要素222、結合層330及びLEDダイ202のエッジ部分に適用される。側部コーティングは、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物(SiON)、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、セレン化亜鉛、硫化亜鉛又はテルル化亜鉛、熱グリース又は、アルミニウム、クロム、金、ニッケル、パラジウム、白金、銀、バナジウムの金属膜又はこれらの組み合わせ膜、などの散乱性粒子を含むシリコーンであり得る。
本開示の1以上の実施態様で、場合により前記光学要素は、場合によりフィンを持つヒートシンク224を含み得る。ヒートシンク224はウィンドウ要素222と熱的に結合して前記ウィンドウ要素から熱を抽出する。前記光学要素の材料に依存してそれはヒートシンクとして作用し得る。
本開示の1以上の実施態様では、前記光学要素は前記LED202に結合されたレンズ314である。結合層319又は333はレンズ314をLEDダイ202に結合するために使用され得る。他の実施態様で、前記光学要素はLEDダイ222に結合された前記ウィンドウ要素222である。結合層330はウィンドウ要素222をLEDダイ202に結合するために使用され得る。
さらなる情報は、米国特許番号7279345、7064355、7053419、7009213、7462502、7419839、6987613、5502316及び5376580に記載されており、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
図4Aは、本開示の1以上の実施態様での発光装置400の断面図である。発光装置400は支持体204上に設けられるLEDダイ202を含む。光学要素がLEDダイ202の上又は近くに設けられている。本開示の1以上の実施態様では、前記光学要素はLEDダイ202からの光を抽出する高屈折率レンズ414を含む。レンズ414は底部表面418を持つ固体のドーム形状を持つ。レンズ414はRIとして1.5以上を持ち得る。レンズ414は、上でレンズ214について説明した全ての材料から製造され得る。レンズ214について上で説明したことと同様に、レンズ414は発光体を含み、LEDダイ202による発光波長の光を他の波長の光へ変換することができる。
本開示の1以上の実施態様では、前記光学要素はレンズ414に直接結合されているか融合されているウィンドウ要素222を含む。ウィンドウ要素222は又、レンズ414内に切り込まれ、前記ウィンドウ要素が前記レンズの底部表面418と同一平面となる。ウィンドウ要素222は、例えばモールディングプロセスにおいてレンズ414と直接結合させるか、融合させることができる。ウィンドウ要素222は、例えばレンズ414が金型中で冷却又は硬化させて固化又は硬化する前又は間に底部表面418内に切り込まれ得る。ウィンドウ要素222は又、例えばレンズ418が金型中で前記ウィンドウ要素の下又は上にモールディングされることで底部表面418内に切り込まれ得る。切り込みは又、ウィンドウ要素222のためにレンジ414内に予め形成され、前記エンズが加熱されて前記ウィンドウ要素と直接結合されるか又は融合され得る。
又は図4Bには、ウィンドウ要素222が、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層419を持つレンズ414へ結合され得る、ことを示す。結合層419は結合層330について上で挙げた全ての材料を含むことができ、例えば塩化鉛、臭化鉛、フッ化カリウム、フッ化亜鉛、アルミニウム、アンチモン、ヒ素、ビスマス、ホウ素、鉛、リチウム、リン、カリウム、シリコン、ナトリウム、テルル、タリウム、タングステン又は亜鉛の酸化物又はそれらの混合物が挙げられる。ウィンドウ要素222とレンズ414間の結合部は、前記ウィンドウ要素とレンズのRIとしてと実質的に一致するRI、前記ウィンドウ要素とレンズのRIの中間的なRI、又は前記ウィンドウ要素又はレンズのRIよりも大きいRIを持つ。
レンズ414を持つウィンドウ要素222は、前記ウィンドウ要素とLEDダイ間の結合層330を用いて結合される。
本開示の1以上の実施態様で、場合により前記光学要素は、場合によりフィンを持つヒート−シンク224を含み得る。
ヒートシンク224はウィンドウ要素222と熱的に結合され前記にウィンドウ要素から熱を抽出することができる。ヒートシンク224は、ウィンドウ要素222が結合されると同時、前又は後でレンズ414に成形され得る。前記光学要素の材料に依存して、これはヒートシンクとして作用することができる。
ヒートシンク224はウィンドウ要素222と熱的に結合され前記にウィンドウ要素から熱を抽出することができる。ヒートシンク224は、ウィンドウ要素222が結合されると同時、前又は後でレンズ414に成形され得る。前記光学要素の材料に依存して、これはヒートシンクとして作用することができる。
図5はモールディング装置500を示し、これは本開示の1以上の実施態様においてウィンドウ要素222をレンズ414に直接結合するか又は融合するためのモールディングプロセスで使用され得る。装置500は、下部半金型502と上部半金型504により熱圧縮金型であり得る。半金型502及び504はレンズ414の望ましい形状に金型キャビティを定める。半金型502及び504は、前記半金型を整列させるためのガイドピン及びホールを含み得る。加熱/冷却要素506(2つのみ符号付されている)が、半金型502及び504にモールディングプロセスの際に適切な加熱及び冷却を与える。加熱/冷却要素506は、半金型502及び504に一体化されているか、又は別々であってよい。又は半金型502及び504は、半金型が又加熱要素である場合には前記金型に直接電流を流すことで加熱され得る。
ウィンドウ要素222は下部半金型502上に置かれ、ガラス片又は粉末508が前記ウィンドウ要素上に置かれる。加熱/冷却要素506は半金型503及び504を加熱して、ガラス片又は粉末508をウィンドウ要素を損なうことなく形状化するために十分な温度にする。上部半金型504を下部半金型502の上に置き、前記ガラス片又は粉末508に熱と圧力を適用して、前記軟化したガラスが流れて前記金型キャビティの形状となりレンズ414を成形する。レンズ414が冷却し硬化すると、レンズはウィンドウ要素222と結合されるか又は融合される。ウィンドウ要素222に加えて、ヒートシンク224は又場合により、レンズ414に直接結合されるか又は融合され得る。ヒートシンク224は、ウィンドウ要素222の前、後又は同時に、レンズ414と成形され得る。ヒートシンク224は又レンズ414と接着又は糊付けされ得る。
加熱/冷却要素506は徐々に半金型503及び504を冷却することができる。そのCTEは、1以上の実施態様では100%以下の範囲で、1以上の実施態様では50%以内の範囲で、1以上の実施態様では30%以内の範囲で、お互いに一致することができる。排出ピンがウィンドウ要素222を持つレンズ414を金型から取り出すために使用され得る。
モールディングプロセスはレンズ414について説明されてきたが、半金型502及び504は異なる形状を持つことができ、上で説明したレンズ214及び314、及び以下説明されるレンズ614、714、814、914、1014、1114、1314及び2014を成形することができる。記載されたモールディングプロセスの代わりに、他のモールディングプロセス、例えば限定されるものではないが射出成形及び挿入成形などのモールディングプロセスが上に記載されたウィンドウ要素を持つ全てのレンズを成形するために使用され得る。例えば、挿入モールディングは、場合により前記レンズ内に場合によりフィン226を持つヒートシンク224を組み込むために使用され得る。
図6から11、13及び20には、ウィンドウ要素を持つ種々のレンズが示され、これは、モジュール200でのレンズ214、モジュール300でのレンズ314又はモジュール400でのレンズ414と交換され得る。これらのウィンドウ要素を持つ種々のレンズは又、以下記載される発光装置1400及び1500でのレンズ1414と交換可能である。
図6は、本開示の1以上の実施態様でのレンズ614の断面を示す。レンズ614はシーリング618を持つキャビティ616を持つドーム形状を持つ。ウィンドウ要素222はレンズ614に直接結合されているか融合されている。又はウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層を持つレンズ614へ結合される。レンズ614は上で説明されたレンズ214と類似するものである。ただし、ウィンドウ要素222はシーリング618に切り込まれており、前記ウィンドウ要素の底部が実質的に前記シーリングと同一平面である。レンズ614は、レンズ214について上で説明された全ての材料から製造され得る。レンズ214について上の説明と同様に、レンズ614は発光物質及びウィンドウ要素222を含む。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ614により、他の波長へ変換され得る。組み合わされて生成され及び変換された光は望ましい色を生成する。
図7は本開示の1以上の実施態様でのレンズ714の断面を示す。レンズ714は底部表面718を持つドーム形状を持つ。ウィンドウ要素222はレンズ714の底部表面718へ直接結合されているか又は融合されている。ウィンドウ要素222は又前記全底部表面718に広がる。又はウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して以下記載されるプロセスで結合層を持つレンズ714に結合される。レンズ714はレンズ214について上で記載された全ての材料から製造され得る。レンズ214についての上の記載と同様に、レンズ714は発光物質及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ714により他の波長へ変換され得る。組み合わされ生成され及び変換された光は望ましい色を生成することができる。
図8は本開示の1以上の実施態様でのレンズ814の断面を示す。レンズ814は、光を発光装置820へ方向付ける反射表面819を持つ化合物放物線コンセントレーター(CPC)である。ウィンドウ要素222は、レンズ814に直接結合されるか又は融合される。又は、ウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して記載されるプロセスで結合層を持つレンズ814へ結合される。レンズ814はレンズ214について上で説明された全ての材料から製造され得る。レンズ214について上の説明と同様に、レンズ814は発光物質及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素202及び/又はレンズ814により他の波長へ変換され得る。組み合わされて生成され及び変換された光は、望ましい色を生成することができる。
図9は本開示の1以上の実施態様でのレンズ914の断面を示す。レンズ914は側部発光レンズのタイプである。ウィンドウ要素222はレンズ914に直接結合されるか又は融合される。又は、ウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層を持つレンズ914へ結合される。ウィンドウ要素222はレンズ914内に切り込まれ、前記ウィンドウ要素の底部は、示されるように前記レンズの底部表面918と同一平面であり得る。又は、ウィンドウ要素222は底部表面918に結合されかつ突出する。レンズ914はレンズ214について上で記載された全ての材料から製造され得る。レンズ214についての上の記載と同様に、レンズ914は発光物質及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ914により他の波長へ変換され得る。組み合わされ生成され及び変換された光は望ましい色を生成できる。
図10は、本開示の1以上の実施態様でレンズ1014の断面を示す。レンズ1014は側部発光レンズの他のタイプである。ウィンドウ要素222はレンズ1014へ直接結合されるか、又は融合される。又はウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して以下記載されるプロセスでの結合層を持つレンズ1014と結合される。ウィンドウ要素222はレンズ1014内へ切り込まれ、前記ウィンドウ要素の底部は示されるように前記レンズの底部表面1018と同一平面となり得る。又はウィンドウ要素222は底部表面1018に結合されかつ飛び出している。レンズ1014は、レンズ214について上で記載された全ての材料から製造され得る。レンズ214について上の説明と同様に、レンズ1014は発光及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ1014により他の波長へ変更され得る。
組み合わされ生成されおよび変換された光は望ましい色を生成することができる。
組み合わされ生成されおよび変換された光は望ましい色を生成することができる。
図20は、本開示の1以上の実施態様でフレネルレンズの形状の溝を含むレンズ2014を示す。レンズ2014のフレネルパターンは、エッチング、モールディング、埋め込み又は刻印されたパターンである。フレネルパターンは一組の溝を含み、しばしば共中心パターンで配置される。前記フレネルパターンは、全表面2020又は上部領域のみ、又は表面2020の側部領域のみに形成され得る。
ウィンドウ要素222はレンズ2014の底部表面2018に直接結合されているか又は融合される。又はウィンドウ要素222は、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層を持つレンズ2014へ結合される。ウィンドウ要素222は示されるように底部表面2018に結合され及び飛び出ている。又はウィンドウ要素222は2014内に切り込まれ、ウィンドウ要素の底部が前記レンズの底部表面と同一の平面であり得る。レンズ2014は、レンズ214について以下記載された全ての材料から製造され得る。レンズ214についての上の説明と同様に、レンズ2014は発光物質及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ2014により他の波長に変更され得る。組み合わされて生成されかつ変換された光は望ましい色を生成できる。
図11は、本発明の開示の1以上の実施態様でレンズ1114の断面を示す。レンズ1114は直角レンズ又はプリズムである。1つのウィンドウ要素222(222Aと符号付される)は、プリズム1114の1つの脚部に結合されるか又は融合され得る。さらに第2のウィンドウ要素222(222Bと符号付される)は、前記プリズムの他の1つの脚部に結合されるか又は融合され得る。又は1又は両方のウィンドウ要素222A及び222Bは、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層を持つレンズ1114へ結合され得る。ウィンドウ要素222Aはプリズム1114内に切り込まれ、前記ウィンドウ要素の底部は示されるように前記レンズの表面1118Aと同一平面であり得る。さらにウィンドウ要素222Bは前記プリズム内に切り込まれ、ウィンドウ要素の底部が示されるように前記レンズの表面1118Bと同一平面であり得る。又はウィンドウ要素222A及びウィンドウ要素222Bの1つ又は両方が表面1118Aの及び1118Bから飛び出ている。レンズ1114はレンズ214について上で説明された全ての材料から製造され得る。レンズ214について上の説明と同様に、レンズ1114は発光材料及び/又はウィンドウ要素222を含み得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222及び/又はレンズ1114により他の波長へ変更され得る。組み合わされて生成され及び変更された光は望ましい色を生成することができる。
図12は、本開示の1以上の実施態様でのプリズム1114を持つ発光装置1200を示す。LEDダイ構造1202及び1204はそれぞれウィンドウ要素222A及び222Bへのへ結合される。プリズム1114は、それぞれのLEDダイ構造1202及び1204からの光1206及び1208を組み合わせ、ウィンドウ要素222A、及び222Bが光1210を発光する。光1206及び1208は同じ波長でも、異なる波長でもよい。
図13は本開示の1以上の実施態様でのレンズ1314の断面を示す。第1のウィンドウ要素222(222Cと符号付されている)はレンズ1314内に埋め込まれており、第2のウィンドウ要素222(222D符号付されている)は前記レンズに直接結合されているか又は融合されている。又はウィンドウ要素222Dは、例えば図16から19を参照して以下説明されるプロセスで結合層を持つレンズ1314へ結合される。ウィンドウ要素222Dはレンズ1314内に切り込まれ、前記ウィンドウ要素の底部が示されるように底部表面1318と同一平面となり得る。又はウィンドウ要素222Dは底部表面1318から飛び出ている。ウィンドウ要素222Cは波長変換要素(例えばセラミック発光プレート)であってよく、ウィンドウ要素222Dは光学的平面プレート又は他の波長変換要素(例えばセラミック発光プレート)であってよい。レンズ1314はレンズ214について上で説明された全ての材料で製造され得る。LEDダイ202からの光は、ウィンドウ要素222C、222D及び/又はレンズ1314により他の波長へ変換され得る。組み合わされ生成された及び変換された光は望ましい色の光を生成することができる。
トップ発光装置、伸長光学コンセントレーター、反射体を有するトップ発光装置、側部発光装置、反射体を有する側部発光装置、非対称的伸長側部発光装置及び光ガイドを有するトップ発光装置などの追加のレンズが、本開示で説明されるウィンドウ要素222とともに採用され得る。これらのレンズは米国特許番号7009213及び7276737に記載され、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
図14は、本開示の1以上の実施態様での発光装置1400の断面を示す。発光装置1400は支持体206上にLEDダイ202を含む。光学要素が、LEDダイ202の上又は近くに設けられる。本発開示の1以上の実施態様で、前記光学要素はウィンドウ要素222を含み、これはLEDダイ202へ結合層1402により結合される。結合層1402は、シリコーン、エポキシ、ゾルゲル材料、ガラス又は以下説明される結合層1401と類似の高屈折率材料であり得る。結合層1402は又、結合層330について上で説明された材料であり得る。光学側部コーティング1404はウィンドウ要素222、結合層1402及びLEDダイ202のエッジ部分に、エッジ発光を低減するために適用され得る。側部コーティング1404には、例えばアルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物(SiON)、チタン酸ストロンチウム、酸化タンタル、酸化チタン、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、セレン化亜鉛、硫化亜鉛又はテルル化亜鉛、熱グリース又はアルミニウム、クロム、金、ニッケル、パラジウム、白金、銀又はバナジウム又はそれらの全ての組み合わせによる金属膜などの、反射性又は散乱性の物質で充填されるシリコン、エポキシ、又はゾルゲルが挙げられる。
本開示の1以上の実施態様で、前記光学要素は、LEDダイ202からの光を抽出する高屈折率レンズ1414を含む。レンズ1414は、発光装置の発光波長で、1.5以上(例えば1.7以上)のRIをもち 得る。レンズ1414は、ガラス、サファイア、ダイヤモンド、アルミナ又はレンズ214につき説明された全ての材料から製造され得る。レンズ1414はウィンドウ要素222へ高屈折率結合層1410で結合される。底部表面1408は平坦表面として示されているが、前記底部表面に少なくとも部分的にウィンドウ要素222を受け入れる切り込みが設けられてよい。これは、ウィンドウ要素222及びレンズ1414を結合プロセス中で配置することを助け得る。
高屈折率層1410は、ウィンドウ要素222及びレンズ1414のRIと実質的に一致するRI、ウィンドウ要素とレンズのRIの中間のRI、又はウィンドウ要素又はレンズよりも大きいRIを持ち得る。前記RIは、それらが、1以上の実施態様では100%以下の範囲内で、1以上の実施態様では50%以下の範囲内で、1以上の実施態様では25%以下の範囲内で、1以上の実施態様では10%以下の範囲内であれば、実質的に一致する。例えば、前記結合部のRI及びウィンドウ要素222又はレンズ1414のRIは、+0.05であり得る。
高屈折率結合層1410は、粒子サイズ<100nm(例えば<50nm)の適切に分散された高屈折率ナノ粒子が充填されたシリコーン樹脂又はケイ酸塩バインダであり得る。前記ナノ粒子を分散させるために、少量の適切な分散剤が、前記ナノ粒子及び分散媒体との適合剤として使用され得る。前記分散ナノ粒子及びバインダマトリックスの容積比率は、結合層1410の屈折率を制御するために調節されることができる。即ち高屈折率ナノ粒子のより高い容積濃度は、前記結合層の有効屈折率を増加させる。前記シリコーン樹脂は、メチルポリシロキサン、フェニルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン又はそれらの混合物であり得る。前記ケイ酸塩バインダは、硬化させることで、ケイ酸塩、メチルケイ酸エステルまたはフェニルケイ酸エステル又はそれらの混合物を形成するタイプであり、ゾルゲルプロセスでの前駆体モノマー及び/又はオリゴマーから誘導され得る。高屈折率ナノ粒子には、酸化アルミニウム、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ガリウム酸化物、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物(SiON)、五酸化タンタル、チタン酸化物、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、イットリウムアルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリア安定化ジルコニウム酸化物又はそれらの混合物の、高屈折率ナノ粒子が含まれる。
高屈折率の薄層はウィンドウ要素222、レンズ1414またはそれらの両方に適用され得る。前記高屈折率材料の厚さは数ミクロン(例えば<10ミクロン)であり得る。高屈折率結合材料は種々の方法で適用され得る。例えば分散、印刷、スプレーコーティング又はブレードコーティングなどである。高屈折率材料は通常は液状で堆積され、ウィンドウ要素222及びレンズ1414が結合される時まで液状が維持されるか又は部分的に固化又はゲル化されるか、又は固体であって加熱されると結合できるように粘着性となる。通常は高屈折率材料は反応してゲル状態から硬化樹脂の範囲の固化結合を形成する。
例えば、高屈折率結合材料前駆体は、分散ナノ−TiC粒子を含むメチル置換シリコーン樹脂からなり、これは溶液からウィンドウ要素222上へスピン又はブレードコーティングされる。前記スピン又はブレードコーティングは大規模に、例えばウィンドウ要素222の基板に適用可能であり、これをその後より小さい部分に切断し個々のウィンドウ要素として使用される。前記シリコン樹脂は、室温では固体であるが、70から150℃へ加熱されると粘着性となりレンズ1414との接触を結合することができ、これによりウィンドウ要素222と接触を可能とする。高屈折率材料はその後より高温度(例えば200℃)で硬化させて、ウィンドウ要素222及びレンズ1414の間に高屈折率結合層1410を形成する。又は高屈折率材料は液状でウィンドウ要素222又はレンズ1414上に分散させ、両方の部品を結合させる。前記結合部は高温度、例えば150℃で1時間硬化させて高屈折率固体とされる。
前記鋼屈折率結合前期待液中に溶媒が存在してもよい。前記溶媒は、結合に先立ち又は結合プロセスの間に除去されてよい。又は(部分的に)光学接触をさせるために残され、かつさらに蒸発により前記結合から除去されてもよい。レンズ1414と支持体204の間の残されたギャップはシリコーンなどのアンダーフィル材料1412で充填され得る。アンダーフィル材料は、熱伝導性及び/又は反射性を強化するために粒子状の充填物を含み得る。
図15は本開示の1以上の実施態様での発光装置1500の断面を示す。発光装置1500は発光装置1400と類似するが、側部コーティング1404が存在しない。というのはアンダーフィル材料1412が屈折率アンダーフィル材料1512で置換されているからである。前記アンダーフィル材料は又、LEDダイ202と支持体204の間のギャップをも充填し得る。前記反射性アンダーフィル材料は、反射性熱グリース、金属フィルム、反射性又は散乱性粒子、又はこれらの組み合わせが使用され得る。反射性又は散乱性粒子には、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物(SiAlON)、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物(SiON)、チタン酸ストロンチウム、タンタル酸化物、チタン酸化物、イットリアアルミニウムガーネット(YAG)、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化亜鉛又はこれらの組み合わせが含まれる。
レンズ1414及び支持体204の間のギャップを充填する代わりに、前記レンズ結合の後でアンダーフィル材料1412又は1512が、前記レンズ結合の前のウィンドウ要素222と同じレベル又は同一平面となるまで支持体204上に堆積され得る。その場合、高屈折率結合層1410の材料は、ウィンドウ要素222及びアンダーフィル材料1412又は1512の全上部表面に適用され得る。
シリコーン又はゾルゲル材料の代わりに、高屈折率結合層1410は又、上で説明された結合層330と同じ材料であってよい。本開示の1以上の実施態様で、結合層1410は、ウィンドウ要素222及びレンズ1414よりも低い溶融温度を持つ光学ガラスで製造される。前記ガラスはウィンドウ要素222の上部、レンズ1414の底部又はその両方に形成され得る。前記ガラスは軟化するまで加熱され、圧力が前記結合プロセス及び冷却の間適用される。前記ガラスは、ウィンドウ要素222とレンズ1414の間に高屈折率結合層1410を形成する。
図16は、本開示の1以上の実施態様で、ウィンドウ要素222上に高屈折率結合層を形成するための装置を示す。ウィンドウ要素222は、下部半金型1602内の支持体により保持され、上部半金型1604は前記下部金型上に配置される。半金型1602及び1604はガイドピンとホールを有し、半金型を正しく配列させる。加熱/冷却要素1606(2つのみ不号付されている)は前記モールディングプロセスの際に適切な加熱及び冷却を半金型1602及び1604を与える。加熱/冷却要素1606は、半金型1602及び1604に一体化されているか、又は別々に設けられ得る。
ガラスが金型入口1608からウィンドウ要素222の上部及び底部表面上に導入される。ガラスが硬化すると、それはウィンドウ要素222と結合し図17に示されるように結合層1402及び1410を形成する。ウィンドウ要素222はその後加熱され、レンズ1414の底部及びLEDダイ202の上部へ結合される。結合層1402及び1410はウィンドウ要素の両側に形成されるが、上のプロセスはウィンドウ要素の1つの側上に1つの結合部を形成するように変更され得る。
図18は、本開示の1以上の実施態様でのレンズ1414の底部上のガラス高屈折率結合材料を形成するためのプロセスのための装置を示す。レンズ1414は第1にモールドされ下部半金型1802中に置かれ、上部半金型1804が下部金型上に置かれる。半金型1802及び1804はガイドピン及びホールを含み、半金型を適切に配列させる。加熱/冷却要素1808(2つのみ符号付けられる)は、前記モールディングプロセスの際に半金型1802及び1804へ適切に加熱及び冷却を与える。加熱/冷却要素1808は、半金型1802及び1804に一体化されているか、別に設けられ得る。図5に示される装置と同様の、適切な形状を持つ装置が、結合ガラス片又は粉末を用いてレンズ又はウィンドウ要素上に結合ガラス層を形成する。
ガラスは、レンズ1414の底部表面上に金型入口1806を通じて導入される。ガラスが硬化すると、それは図19に示されるようにレンズ1414と結合層1410を形成する。結合層1410を持つレンズ1414はその後加熱されウィンドウ要素222又はLEDダイ202へ結合される。
開示された実施態様の構成の種々の他の採用及び組み合わせは、本発明の範囲内である。種々の実施態様は以下の特許請求の範囲に含まれる。
Claims (37)
- 発光装置であり、前記発光装置は:
発光デバイス(LED)ダイ;
レンズ;
ウィンドウ要素;及び
前記レンズと前記ウィンドウ要素の間に設けられる境界での結合部を含み、前記ウィンドウ要素が前記レンズに結合される、発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であり:
前記レンズが第1の1.5以上の屈折率(RI)を持ち;
前記ウィンドウ要素が第2の1.4以上の屈折率(RI)を持ち;及び
前記結合部が、前記第1又は前記第2のRIと実質的に一致するRI、前記第1及び前記第2のRIの中間的なRI、又は前記第1又は前記第2のRIよりも大きいRIである第3のRIを含む、発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であり、さらに、前記ウィンドウ要素と前記LEDダイの間に設けられる境界で結合層を含み、前記ウィンドウ要素が前記LEDダイと結合する、発光装置。
- 請求項3に記載の発光装置であり:
前記LEDダイが第1の屈折率(RI)を持ち;
前記ウィンドウ要素が1.4以上の第2のRIとを持ち;及び
前記結合部が、前記第1又は前記第2のRIと実質的に一致するRI、前記第1及び前記第2のRIの中間的なRI、又は前記第1又は前記第2のRIよりも大きいRIである第3のRIを含む、発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であり、前記ウィンドウ要素が前記レンズに一体化されている、発光装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、前記ウィンドウ要素が場合により平面プレート又は波長変換要素である、発光装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、前記レンズはシーリング持つキャビティを定め、かつ前記ウィンドウ要素は前記シーリングへ結合される、発光装置。
- 請求項7に記載の発光装置であり、前記発光装置がさらに:
前記キャビティ内の前記ウィンドウ要素及び前記LEDダイの間の第1のシリコーン;及び
前記LEDダイを少なくとも部分的に囲む第2のシリコーンを含み、前記第2のシリコーンが反射性又は散乱性粒子を含む、発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であり、前記ウィンドウ要素の底部及びトップ表面の1つが前記レンズの表面と実質的に同一面である、発光装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、さらに、前記ウィンドウ要素、前記レンズ、前記LEDダイの1以上と熱的に接続されるヒートシンク、前記LEDダイのための支持体、前記LEDダイのためのサブマウント及び前記LEDダイのためのハウジングを含む、発光装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、前記結合部が結合層を含み、前記結合層がシリコーンタイプ又はシリケートタイプのバインダを含み、前記シリコーンタイプのバインダが、高屈折率のナノ粒子で充填され、前記シリコーンタイプバインダがメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン又はフェニルポリシロキサン、又はそれらの混合物であり、前記シリケートタイプのバインダが硬化の際に、シリケート、メチルシリケート、フェニルシリケート又はこれらの混合物を形成するタイプである、発光装置。
- 請求項11に記載の発光装置であり、前記高屈折率ナノ粒子は、酸化アルミニウム、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット、ガリウム酸化物、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、シリコンアルミニウム酸窒化物、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物、五酸化タンタル、チタン酸化物、イットリウムアルミニウムガーネット、イットリウムアルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリア安定化ジルコニウム酸化物又はそれらの混合物の1つである、発光装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、前記結合部が結合層を含み、前記結合層が1以上のカルコゲニドガラス、カルコハロゲン化物ガラス、酸化物、金属酸化物、希土類金属酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、金属、イットリウムアルミニウムガーネット、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物及び有機化合物の1以上を含む、反応装置。
- 請求項1に記載の発光装置であり、前記結合部は結合層を持ち、前記結合層が、アルミニウム酸化物、アンチモン酸化物、ヒ素酸化物、ビスマス酸化物、ホウ素酸化物、塩化鉛、臭化鉛、鉛酸化物、リチウム酸化物、リン酸化物、フッ化カリウム、酸化カリウム、シリコン酸化物、ナトリウム酸化物、テルル酸化物、タリウム酸化物、タングステン酸化物、フッ化亜鉛及び亜鉛酸化物の1以上を含む、発光装置。
- 請求項3に記載の発光装置であり、前記結合層がシリコーンタイプ又はシリケートタイプのバインダを含み、前記シリコーンタイプのバインダが、高屈折率のナノ粒子で充填され、前記シリコーンタイプバインダがメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン又はフェニルポリシロキサン、又はそれらの混合物であり、前記シリケートタイプのバインダが硬化の際に、シリケート、メチルシリケート、フェニルシリケート又はこれらの混合物を形成するタイプである、発光装置。
- 請求項15に記載の発光装置であり、前記高屈折率ナノ粒子が、酸化アルミニウム、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物(AlON)、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット、ガリウム酸化物、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、シリコンアルミニウム酸窒化物、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物、五酸化タンタル、チタン酸化物、イットリウムアルミニウムガーネット、イットリウムアルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリア安定化ジルコニウム酸化物又はそれらの混合物の1つである、発光装置。
- 請求項3に記載の発光装置であり、前記結合層が1以上のカルコゲニドガラス、カルコハロゲン化物ガラス、酸化物、金属酸化物、希土類金属酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、金属、イットリウムアルミニウムガーネット、リン化合物、ヒ素化合物、アンチモン化合物及び有機化合物の1以上を含む、反応装置。
- 請求項3に記載の発光装置であり、前記結合層が、アルミニウム酸化物、アンチモン酸化物、ヒ素酸化物、ビスマス酸化物、ホウ素酸化物、塩化鉛、臭化鉛、鉛酸化物、リチウム酸化物、リン酸化物、フッ化カリウム、酸化カリウム、シリコン酸化物、ナトリウム酸化物、テルル酸化物、タリウム酸化物、タングステン酸化物、フッ化亜鉛及び亜鉛酸化物の1以上を含む、発光装置。
- 発光装置を製造するための方法であり、前記方法は:
ウィンドウ要素及びレンズの間に設けられる境界で結合部を形成し;及び
前記ウィンドウ要素と前記レンズを発光デバイス(LED)の近くに設ける、方法。 - 請求項19に記載の方法であり、さらに、前記ウィンドウ要素及び前記LEDダイとの間に設けられる境界で結合層を適用し、前記ウィンドウ要素が前記LEDダイの表面へ結合される、方法。
- 請求項19に記載の方法であり:
前記結合形成が、前記レンズが硬化する間に前記ウィンドウ要素を前記レンズの前記表面上に配置し;及び
前記ウィンドウ要素が場合により平坦プレート又は波長変換要素である、方法。 - 請求項19に記載の方法であり:
前記結合形成が前記ウィンドウ要素上に前記レンズをモールディングすることを含み;及び
前記ウィンドウ要素は場合により平坦プレート又は波長変換要素である、方法。 - 光学要素であり、前記光学要素は:
レンズ;
ウィンドウ要素;及び
前記ウィンドウ要素及び前記レンズの間に設けられる境界での結合層を含み、前記結合層は1以上の、アルミニウム酸化物、アンチモン酸化物、ヒ素酸化物、ビスマス酸化物、ホウ素酸化物、塩化鉛、臭化鉛、鉛酸化物、リチウム酸化物、リン酸化物、フッ化カリウム、酸化カリウム、シリコン酸化物、ナトリウム酸化物、テルル酸化物、タリウム酸化物、タングステン酸化物、フッ化亜鉛及び亜鉛酸化物の1以上を含む、光学要素。 - 発光装置であり、前記発光装置が:
発光デバイス(LED)ダイ;
光学要素;及び
前記LED及び前記光学要素の間に設けられる境界での結合部及び前記光学要素の前記LEDダイへの結合部を含み、前記結合層が1以上のカリウム又は鉛のフッ化物、塩化物及び臭化物である、発光装置。 - 請求項24に記載の発光装置であり、前記光学要素がレンズ又はウィンドウ要素の少なくとも1つを含む、発光装置。
- 請求項24に記載の発光装置であり、前記光学要素がレンズに結合されたウィンドウ要素を含む、発光装置。
- 請求項24に記載の発光装置であり、前記光学要素が一体化したウィンドウ要素及びレンズを含む、発光装置。
- 請求項24の発光装置であり、前記光学要素が少なくとも1つのアルミニウム酸窒化物、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット、ガリウムリン、ガラス、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、サファイア、シリコンカーバイド及び、ヒ素、ビスマス、ゲルマニウム、鉛、テルル、タリウム、チタン、タングステン又は亜鉛の酸化物、シリコンアルミニウム酸窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸ストロンチウム、イットリウムアルミニウムガーネット又は亜鉛硫化物を含む、発光装置。
- 請求項24に記載の発光装置であり、さらに、前記LEDダイを少なくとも部分的に囲む反射性側部コーティングを含む、発光装置。
- 請求項24に記載の発光装置であり、前記反射性側部コーティングが、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物、チタン酸ストロンチウム、タンタル酸化物、チタン酸化物、イットリウムアルミニウムガーネット、セレン化亜鉛、硫化亜鉛及びテルル化亜鉛、の少なくとも1つを含む、発光装置。
- ガドリニウムガリウムガーネット、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、シリコン酸窒化物、シリコンアルミニウム酸窒化物、チタン酸ストロンチウム及び酸化チタンの少なくとも1つを含む、光学要素。
- 請求項31に記載の光学要素であり、前記光学要素は、レンズ及びウィンドウ要素を少なくとも1つ有する、光学要素。
- 請求項31に記載の光学要素であり、さらに、前記光学要素に近くに発光デバイス(LED)を含む、光学要素。
- 光学要素を含む発光装置であり、前記光学要素が、ガドリニウムガリウムガーネット、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、シリコン酸窒化物、シリコンアルミニウム酸窒化物、チタン酸ストロンチウム及び酸化チタンの少なくとも1つを含む、発光装置。
- 発光デバイス(LED)ダイのための反射性コーティングであり、アルミニウム窒化物、アルミニウム酸窒化物、硫酸バリウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、立方晶ジルコニア、ダイヤモンド、ガドリニウムガリウムガーネット、ハフニウム酸化物、インジウム酸化物、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、サファイア、シリコンアルミニウム酸窒化物、シリコンカーバイド、シリコン酸窒化物、チタン酸ストロンチウム、タンタル酸化物、チタン酸化物、イットリウムアルミニウムガーネット、セレン化亜鉛、硫化亜鉛及びテルル化亜鉛、の少なくとも1つを含む、反射性コーティング。
- 請求項35に記載の反射性コーティングであり、前記反射性コーティングが前記LEDダイを少なくとも部分的にカバーするか又は囲まれている、反射性コーティング。
- 発光装置のための結合層であり、カリウム又は鉛のフッ化物、塩化物及び臭化物の1以上を含む、結合層。
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