JP2013541164A - 高輝度光源 - Google Patents

Abstract

光源は、取り付け領域および放熱フィンを有するヒートシンクと、ヒートシンクに結合され内部空洞を有するベース筺体と、一体型照明モジュールであって、プリント回路板と、プリント回路板の第１の側面領域内でプリント回路板に結合された基板上のＬＥＤと、プリント回路板の第２の側面領域内でプリント回路板に結合され、ＬＥＤに電力を提供するための電子駆動回路とを含み、基板の底面はヒートシンクの取り付け領域に熱的に結合され、一体型照明モジュールの第２の側面領域はベース筺体の内部空洞内に位置する、一体型照明モジュールとを備える。
【選択図】
図1-B

Description

本出願は、２０１０年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６１／３９１，５０６号に関すると共にその出願に対する優先権を主張するものである。この仮特許出願は、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は照明に関するものである。より詳細には、本発明は高効率光源に関するものである。

エジソンの真空電球の時代は、もうすぐ終わりに近づくであろう。多くの国においておよび多くの州において、普通の白熱電球は違法になり、より効率的な光源が義務付けられている。いくつかの代替の光源は、現在、蛍光灯、ハロゲン、および発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。これらの他の選択肢の可用性および改善された効率にもかかわらず、多くの人々は、まだこれらの代替の光源に切り替えたがらないでいる。

本発明者らは、消費者が新しい技術を採用することが遅れているいくつかの重要な理由があると信じている。そのような理由の１つは、光源に有害物質を使用することである。例として、蛍光光源は、典型的には、光を作り出すために蒸気形態の水銀に頼る。水銀蒸気は有害な材料と考えられるので、使用済みランプは路上に単に廃棄することはできず、指定の有害廃棄物の廃棄場所に移送されなければならない。更に、いくつかの蛍光灯製造業者は、消費者に寝室、台所などの家の中でより注意を要する場所で電球を使用することを避けるように指示しさえする。

本発明の発明者らはまた、代替の光源の採用が遅れている別の理由は、白熱電球に比較して性能が低いことであるとも信じている。例として、蛍光光源は、照明を始動するために別個のスターターまたは安定機構に頼ることが多い。このことが原因で、蛍光灯は、時々、消費者が期待したり要求したりするように「即座に」つかない。更に、蛍光灯は、典型的には、十分な輝度で光を直ちに提供せずに、典型的には、ある時間（例えば３０秒）以内に十分な輝度まで増加する。更に、ほとんどの蛍光灯は壊れやすく、調光することができず、迷惑な可聴雑音を出す可能性がある安定変圧器を有し、オンとオフが頻繁に繰り返される場合には短縮された期間に故障する可能性がある。このことが原因で、蛍光灯は、消費者が要求する性能を有していない。

より最近導入された別の種類の代替の光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用に頼る。ＬＥＤは、固体状態の装置に固有の頑丈さおよび信頼性と、不測の破損または廃棄の間に放出される可能性がある有害化学物質が無いことと、即座にオンにできる能力と、調光の可能性と、可聴雑音がないこととを含む、蛍光灯を超える利点を有する。しかしながら、本発明の発明者らは、現行のＬＥＤ光源はそれら自体が、消費者にそれらの光源を使用したがらせない重大な欠点を有すると信じている。

現行のＬＥＤ光源についての重要な欠点は、光出力（例えばルーメン）が比較的低いことである。現行のＬＥＤ光源は、白熱球のそれらの等価物よりも著しく低い電力（例えば５０ワットに対して５〜１０ワット）を使うが、それらの光源は、主要な光源として使用されるにははるかに薄暗過ぎる。例として、ＭＲ‐１６フォームファクタの典型的な５ワットＬＥＤランプは、２００〜３００ルーメンを提供する場合がある一方で、同様のフォームファクタの典型的な５０ワット白熱電球は７００〜１０００ルーメンを提供する場合がある。結果として、現行のＬＥＤは、屋外のアクセント照明、クローゼット、地下室、物置または他の小さな空間のためだけに使用されることが多い。

現行のＬＥＤ光源についての別の欠点は、ＬＥＤの先行費用が消費者にとって驚くほど高いことが多いことを含む。例えば、フラッドライトの場合、現行の３０ワット相当のＬＥＤ電球は６０ドルを超えて小売りされる場合があるのに対して、典型的な白熱フラッドライトは１２ドルで小売りされる場合がある。消費者は、より少ない電力を消費するＬＥＤによってＬＥＤの耐用期間にわたって合理的に「差を埋め」る場合があるが、発明者らは、著しく高い価格は消費者の要求を大幅に抑制すると信じている。このことが原因で、現行のＬＥＤ光源は、消費者が期待したり要求したりする価格または性能を有しない。

現行のＬＥＤ光源についての更なる欠点は、その光源が多くの部品を有することと、製造するために労働集約的であることを含む。ほんの一例として、ＭＲ‐１６ＬＥＤ光源の一製造業者は１４個を超える構成要素（電子チップを除く）を利用し、ＭＲ‐１６ＬＥＤ光源の別の製造業者は６０個を超える構成要素を利用する。本発明の発明者らは、これらの製造および試験プロセスは、より少ない部品およびより多くのモジュール式製造プロセスを用いるＬＥＤ装置の製造および試験と比較して、より複雑であり、より多くの時間がかかると信じている。

現行のＬＥＤ光源についての更なる欠点は、出力性能がヒートシンクの容量によって制限されることである。より具体的には、発明者らは、ＭＲ‐１６光源などの置き換えのＬＥＤ光源について、現行のヒートシンクは、自然対流下で、ＬＥＤによって発生した非常に多く熱を放散できないと信じている。多くの用途において、ＬＥＤランプは、摂氏５０度を超える周囲空気温度を既に有する凹んだ天井などの囲われた場所に位置付けられる。そのような温度では、表面の放射率は、放熱する役割を少ししか務めない。更に、従来の電子アセンブリ技術およびＬＥＤ信頼性要因はＰＣＢの板温度を摂氏約８５度までに制限するので、ＬＥＤの電力出力もまた大幅に抑えられる。発明者らは、高温では、放射はより多くの重要な役割を務めることを発見しており、それゆえにヒートシンクに対して高い放射率が望まれている。

伝統的に、ＬＥＤ光源からの光出力は、ＬＥＤの数を単に増やすことによって増大されており、そのことは装置費用の増加および装置サイズの増加をもたらしてきた。更に、そのような照明は、限定されたビーム角および限定された出力を有していた。

したがって、上記の欠点の無い高効率光源が望まれている。

本発明は高効率光源に関するものである。より詳細には、本発明は、新規のＬＥＤ光源およびその製造方法に関するものである。いくつかの一般的な目標は、装置費用または装置サイズを増やすことなく光出力を増加することと、多くのビーム角の有効範囲を可能にすることと、長い耐用期間にわたって高信頼性製品を提供すること（ＲＯＩ）とを含む。

本発明の様々な実施形態は新規のモジュール式光源を含む。より詳細には、様々な実施形態は、ＭＲ‐１６フォームファクタ光源を含む。照明モジュールは、熱伝導性基板（例えばシリコン基板）の上面上に直列に配列された２０から１１０個までのＬＥＤを含む。シリコン基板の上面は、フレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ）の第１の部分上に半田付けされる。伝導性シリコン基板の底面は、熱的なエポキシによってＭＲ‐１６フォームファクタヒートシンクの凹部に物理的に接合される。様々な実施形態において、電気駆動構成要素は、ＦＰＣの第２の部分上に半田付けされ、ＦＰＣの第２の部分は、熱伝導性プラグベースの内部空洞に差し込まれる。次いで、充填用混合物は、１つのステップでプラグベースの空洞内およびヒートシンクの凹部に注入される。充填用混合物は、シリコン基板および電気駆動構成要素によって発生した熱がヒートシンクまたは熱伝導性プラグベースに伝達されることを可能にする。次いで、レンズは、ヒートシンクに固定される。

一実施形態では、電気駆動部分／モジュールは、入力電力を１２ボルトの交流からより高い直流電圧、例えば４０ボルト１２０ボルトなどに変圧する。次に、駆動部分は、より高い電圧で照明モジュールを駆動し、照明モジュールは光を発する。光は、例えばスポット、フラッドなどの所望の種類の照明にレンズで調整される。動作中、駆動モジュールおよび照明モジュールは、ＭＲ‐１６フォームファクタヒートシンクによって放散される熱を生成する。定常状態で、これらのモジュールは、約７５℃から１３０℃までの範囲内で動作する場合がある。

本発明の様々な実施形態において、ＭＲ‐１６フォームファクタヒートシンクは、熱の放散を大幅に容易にする。ヒートシンクは、ヒートシンクの外部直径の半分より小さい直径を有する内部コアを含む。様々な実施形態では、内部コアは、その外部直径の３分の１、４分の１、および５分の１よりも小さい。ＬＥＤのシリコン基板は、熱的なエポキシによって内部コア領域に直接的に接合される。

様々な実施形態において、内部コアの直径は外部直径よりもはるかに小さいので、より多くの放熱フィンを設けることができる。多くの放熱フィン形態が、発明者らによって開発され研究されている。典型的なフィン形態は、内部コアから延びるいくつかの放射フィン「幹線部（ｔｒｕｎｋ）」を含む。いくつかの実施形態では、幹線部の数は８から３５個までの範囲である。各幹線部の端で、２つ以上のフィン「支線部（ｂｒａｎｃｈ）」が「Ｕ」の支線形状を有して設けられる。様々な実施形態において、各支線部の端で、２つ以上のフィン「サブ支線部」もまた、「Ｕ」の支線形状を有して設けられる。様々な実施形態において、幹線部のフィンの厚さは、支線部よりも厚くてもよく、更にはサブ支線部などよりも厚くてもよい。したがって、内部コアから外部直径部への熱流量、気流、および表面積は、放熱能力を大幅に増大するように注意深く設計される。

様々な実施形態の他の態様は、大量に製造することを容易にする簡易構造、手動配線を無くすためのフレックスな相互接続、並列処理を可能にするモジュール式サブアセンブリ構造を含む。他の特徴は、熱的な管理の態様、すなわち、フィン支線アルゴリズム、中央コアの断面の縮小、レンズ後方の気流、単一の熱的なインターフェース、直接的なダイ接着、フレックスプリント回路、充填材料を最小限にするベース外形、凹んだ前面部、被覆による気流の確保と、安価な製造、すなわち、フレキシブルプリント回路相互接続（メインとインターポーザー）、フレックス回路光チップインターポーザー、過剰なラッチ、および接合の特徴、などを含む。他の態様は、高密度に実装されたＬＥＤアレイを可能にする高温動作、構成要素のより高い信頼性、高い熱の放散、最大限の表面積、最大限の気流、最小限の熱的なインターフェース損失、電子モジュール内における最小限の長さの熱的経路、などを含む。本発明の実施形態についての利点は、ＬＥＤ光源を高温で確実に動作させ、小さな空間に多数のＬＥＤを集積した上でそれらのＬＥＤを高電力レベルで同時に動作可能にすることを含む。

本発明の一態様に従って、光源は記載される。１つの装置は、取り付け領域および複数の放熱フィンを含むヒートシンクと、ヒートシンクに結合され、内部空洞を含むベース筺体とを含む。装置は、ヒートシンクおよびベース筺体に結合された一体型照明モジュールを含んでもよい。一体型照明モジュールは、プリント回路板と、プリント回路板の第１の側面領域内のプリント回路板の第１の表面に結合された基板の上面上に形成された発光源と、発光源に電力を提供するように構成され、プリント回路板の第２の側面領域内のプリント回路板の第１の表面に結合された電子駆動回路とを含んでもよい。様々な装置において、基板の底面はヒートシンクの取り付け領域に熱的に結合され、一体型照明モジュールの第２の側面領域はベース筺体の内部空洞内に位置する。

本発明の更に別の態様に従って、光源を組み立てるための方法は記載される。１つの技術は、取り付け領域および複数の放熱構造を含むヒートシンクを受容することと、ヒートシンクに結合され、内部空洞を含むベース筺体を受容することとを含む。プロセスは、第１の側面領域および第２の側面領域を有するプリント回路板を含む一体型照明モジュールであって、第１の側面領域内のプリント回路板の第１の表面が発光源基板の上面に結合され、第２の側面領域内のプリント回路板の第１の表面が複数の電子駆動装置に結合される、一体型照明モジュールを受容することを含んでもよい。方法は、一体型照明モジュールの第２の側面領域をベース筺体の内部空洞内に配置することと、発光源基板の底面をヒートシンクの取り付け領域に結合することとを含んでもよい。

本発明をより十分に理解するために、添付の図面が参照される。これらの図面が発明の範囲を限定するものとみなされないことを理解して、現在記載される実施形態および現在理解される発明の最良の形態は、添付の図面を使用して更なる詳細で記載される。
本発明の様々な実施形態を示す。 本発明の様々な実施形態を示す。 本発明の実施形態を示す。 本発明の実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る製造プロセスのブロック図を示す。 本発明の実施形態に係る一体型照明モジュールの例を示す。 本発明の実施形態に係る製造プロセスの間の例を示す。 本発明の実施形態に係る製造プロセスの間の例を示す。

図1-Aは本発明の実施形態を示す。より詳細には、図1-A〜Ｂは、ＧＵ５．３フォームファクタ互換性ベース１２０を有するＭＲ‐１６フォームファクタ互換性ＬＥＤ光源１００の実施形態を示す。ＭＲ‐１６光源は、典型的には１２ボルトの交流（例えばＶＡＣ）で動作する。図示された例において、ＬＥＤ光源１００は、１０度のビームサイズを有するスポットライトを提供するように構成される。他の実施形態では、ＬＥＤ光源は、２５または４０度のビームサイズを有するフラッドライト、あるいは任意の他の照明パターンを提供するように構成されてもよい。

様々な実施形態において、上記の係属中の特許出願に記載されたＬＥＤアセンブリ、およびそれらの変形は、ＬＥＤ光源１００内で使用されてもよい。これらのＬＥＤアセンブリは、本特許出願の譲受人によって現在開発中である。様々な実施形態において、ＬＥＤ光源１００は、（約３６０から４００ルーメンまでで）約７６００から８６００カンデラまでのピーク出力輝度、（約５１０から６５０ルーメンまでで）４０度のフラッドライトについて約１０５０から１４００カンデラまでのピーク出力輝度、および（約６２０から６７０ルーメンまでで）２５度のフラッドライトについて約２３００から２５００カンデラまでのピーク出力などを提供する場合がある。したがって、本発明の様々な実施形態は、従来のハロゲン電球のＭＲ‐１６照明と同様の輝度を実現することが信じられている。

図1-Bは、本発明の様々な実施形態に係るモジュール式の図を示す。図1-Bで見ることができるように、様々な実施形態において、照明２００は、レンズ２１０、一体型ＬＥＤモジュール／アセンブリ２２０、ヒートシンク２３０、およびベース筺体２４０を含む。以下に更に記載されるように、様々な実施形態において、照明２００を組み立てるモジュール式の取り組みは、そのような照明の製造の複雑性を減らし、製造費用を削減し、信頼性を増大させることが信じられている。

様々な実施形態において、レンズ２１０は、例えばガラス、ポリカーボネート材料等の紫外線および耐性透明材料から形成されてもよい。様々な実施形態において、レンズ２１０は固体であってもよい。レンズ２１０の場合において、一体型ＬＥＤアセンブリ２２０によって生成された光が、出力される前に２回以上レンズ２１０内で内側に反射するように、固体材料は折り曲げられた光路を作り出す。そのような折り曲げ光学レンズは、照明２００が、同等の深さの従来の反射器から通常利用可能なものよりも密な光の円柱構造を有することを可能にする。

様々な実施形態において、照明の耐久性を高めるために、透明材料は、長時間にわたって（例えば１時間）上昇した温度（例えば摂氏１２０度）で動作可能であるべきである。レンズ２１０に使用されてもよい１つの材料は、Ｂａｙｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＡＧ社から入手可能なＭａｋｒｏｌｏｎ（商標）ＬＥＤ２０４５またはＬＥＤ２２４５ポリカーボネートとして知られる。他の実施形態において、他の同様の材料もまた使用されてもよい。

図1-Bでは、レンズ２１０は、レンズ２１０の端部上に一体的に形成された１つ以上のクリップによってヒートシンク２３０に固定されてもよい。更に、レンズ２１０はまた、一体型ＬＥＤアセンブリ２２０がヒートシンク２３０に固定されるところに隣接して接着剤によって固定されてもよい。様々な実施形態において、別個のクリップがレンズ２１０を抑えるために使用されてもよい。これらのクリップは、レンズを通って戻る後方散乱光を反射するために好適には白色着色された耐熱可塑性材料で形成されてもよい。

本発明の様々な実施形態において、ＬＥＤアセンブリは、ルーメン毎ワットの有効性に基づいて区分けされてもよい。例えば、いくつかの例では、５３から６６Ｌ／Ｗまでのルーメン毎ワット（Ｌ／Ｗ）の有効性を有する一体型ＬＥＤモジュール／アセンブリは、４０度フラッドライトに使用するために区分けされてもよく、約６０Ｌ／Ｗの有効性を有するＬＥＤアセンブリはスポットライトに使用するために区分けされてもよく、約６３から６７Ｌ／Ｗまでの有効性を有するＬＥＤアセンブリは、２５度フラッドライトのために使用されてもよい、などである。他の実施形態において、Ｌ／Ｗの有効性を基準とするＬＥＤアセンブリの他の分類またはカテゴリー化を、他の対象用途のために使用してもよい。

いくつかの実施形態では、以下に記載されるように、一体型ＬＥＤアセンブリ／モジュール２２０は、典型的には、直列に、直並列に（例えば直列の１２個のＬＥＤの３つの並列続きに）などに配列された３６個のＬＥＤを含む。他の実施形態において、例えば１、１０、１６個などの任意の数のＬＥＤが使用されてもよい。他の実施形態において、ＬＥＤは、例えば全て直列などの他の手法で、電気的に結合されてもよい。そのようなＬＥＤアセンブリに関する更なる詳細は、上記で参照によって組み込まれた特許出願に既定される。

様々な実施形態において、ＬＥＤアセンブリについて目標とする電力消費は１３ワットよりも少ない。これは、ハロゲンをベースとするＭＲ‐１６照明（５０ワット）の典型的な電力消費よりも大幅に少ない。したがって、本発明の実施形態は、ハロゲンをベースとするＭＲ‐１６照明の明るさまたは輝度に匹敵することができるが、２０％よりも少ないエネルギーを用いる。

本発明の様々な実施形態において、ＬＥＤアセンブリ２２０はヒートシンク２３０に直接固定される。以下に記載されるように、ＬＥＤアセンブリ２２０は、典型的には、シリコン等の平坦基板を含む。様々な実施形態において、ＬＥＤアセンブリ２２０の動作温度は摂氏約１２５から１４０度程度までであってもよいことが予想される。次いで、シリコン基板は、高熱伝導性エポキシ（例えば約９６Ｗ／ｍ．ｋ．の熱伝導率）を用いてヒートシンクに固定される。いくつかの実施形態では、Ｔａｎａｋａ Ｋｉｋｉｎｚｏｋｕ Ｋｏｇｙｏ Ｋ．Ｋ社から入手可能なＴＳ‐３６９、ＴＳ‐３３３２‐ＬＤ等の熱可塑性／熱硬化性エポキシが使用されてもよい。他のエポキシもまた使用されてもよい。いくつかの実施形態において、その他の場合では、ねじは、ＬＥＤアセンブリをヒートシンクに固定するために使用されず、しかしながら、ねじまたは他の締め付け手段もまた他の実施形態において使用されてもよい。

様々な実施形態において、ヒートシンク２３０は、低耐熱性／高熱伝導性を有する材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ヒートシンク２３０は、熱伝導率ｋ＝１６７Ｗ／ｍ．ｋ．および熱放射率ｅ＝０．７を有する陽極酸化６０６１‐Ｔ６アルミニウム合金から形成されてもよい。他の実施形態において、熱伝導率ｋ＝２２５Ｗ／ｍｋおよび熱放射率ｅ＝０．９を有する６０６３‐Ｔ６または１０５０アルミニウム合金などの他の材料が使用されてもよい。他の実施形態において、ＡＬ１１００等のような更に他の合金が使用されてもよい。付加的なコーティングもまた、熱放射率を増加するために加えられてもよい。例えば、ＣＲ２Ｏ３またはＣｅＯ２を利用するＺＹＰ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，Ｉｎｃ社によって提供される塗料は熱放射率ｅ＝０．９を提供する場合があり、ブランド名Ｄｕｒａｃｏｎ（商標）でＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社によって提供されるコーティングは、０．９８を超える熱放射率ｅを提供する場合がある、など。他の実施形態において、ヒートシンク２３０は、銅等の他の金属を含んでもよい。

いくつかの例では、摂氏５０度の周囲温度で、自由な自然対流において、ヒートシンク２３０は、摂氏約８．５度／ワットの耐熱性を有するように測定されており、ヒートシンク２９０は、摂氏約７．５度／ワットの耐熱性を有するように測定されている。更なる開発および試験で、わずか摂氏６．６度／ワットの耐熱性が、他の実施形態において達成できることが信じられている。本特許の開示を考慮すると、当業者は、本発明の実施形態内において異なる特性を有する他の材料を想定することが可能であろうことが、信じられている。

様々な実施形態では、図1-Bにおけるベースアセンブリ／モジュール２４０は、照明ソケットに対して標準ＧＵ５．３物理および電子インターフェースを提供する。以下により詳しく記載されるように、ベースモジュール２４０内の空洞は、ＬＥＤモジュール２２０を駆動するために使用される高温耐性電子回路を含む。様々な実施形態において、ランプに対する１２ＶＡＣの入力電圧は、ＬＥＤ駆動回路によって１２０ＶＡＣ、４０ＶＡＣ、または他の電圧に変換される。駆動電圧は、所望の特定のＬＥＤ構成（例えば直列、並列／直列、など）に応じて設定されてもよい。

ベースアセンブリ２４０の外郭は、アルミニウム合金から形成されてもよいし、ヒートシンク２３０および／またはヒートシンク２９０に使用される合金と同様の合金から形成されてもよい。一例において、ＡＬ１１００などの合金が使用されてもよい。他の実施形態において、高温可塑性材料が使用されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、ユニットを分離する代わりに、ベースアセンブリ２４０はヒートシンク２３０とモノリシックに形成されてもよい。

図1-Bに示されるように、ＬＥＤアセンブリ２２０の一部（ＬＥＤ装置のシリコン基板）は、ヒートシンク２３０内の凹部においてヒートシンク２３０に接触する。更に、（ＬＥＤ駆動回路を含む）ＬＥＤアセンブリ２２０の別の部分は、下方に曲げられ、ベースモジュール２４０の内部空洞に差し込まれる。

様々な実施形態において、ＬＥＤ駆動回路からベースアセンブリの外郭への熱、およびＬＥＤ装置のシリコン基板からの熱の伝達を容易にするために、充填用混合物が提供される。充填用混合物は、ベースアセンブリ２４０の内部空洞およびヒートシンク２３０内の凹部に単一のステップで塗布されてもよい。様々な実施形態では、Ｏｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．社から入手可能なＯｍｅｇａｂｏｎｄ（登録商標）２００またはＥｐｏｘｉｅｓ社から入手可能な５０−１２２５などの準拠した充填用混合物が使用されてもよい。他の実施形態において、他の種類の熱伝達材料が使用されてもよい。

図2-A〜Ｂは本発明の実施形態を示す。より詳細には、図2-Aは、様々な実施形態に係るＬＥＤパッケージサブアセンブリ（ＬＥＤモジュール）を示す。より詳細には、複数のＬＥＤ３００は、シリコン基板３１０上に配置されて示される。いくつかの実施形態では、複数のＬＥＤ３００は、直列に接続され、約１２０ボルトの交流（ＶＡＣ）の電圧源によって電力を供給されることが予想される。各ＬＥＤ３００にわたって十分な電圧降下（例えば３から４ボルトまで）を可能にするために、様々な実施形態において３０から４０個までのＬＥＤが使用されることが予想される。特定の実施形態では、３７から３９個までのＬＥＤが直列に結合される。他の実施形態において、ＬＥＤ３００は、直並列に接続され、約４０ＶＡＣの電圧源によって電力を供給される。例えば、複数のＬＥＤ３００は、直列に結合された１２個のＬＥＤ３００をそれぞれ有する３つのグループに配列された３６個のＬＥＤを含む。したがって、十分な電圧降下（例えば３から４ボルトまで）が各ＬＥＤ３００にわたって達成されるように、各グループは、ＬＥＤ駆動回路によって提供される電圧源（４０ＶＡＣ）に並列に結合される。他の実施形態では、他の駆動電圧が想定され、ＬＥＤ３００の他の配列もまた想定される。

様々な実施形態において、ＬＥＤ３００は、シリコン基板３１０、または他の熱伝導性基板上に取り付けられる。様々な実施形態において、薄い電気的絶縁層および／または反射層は、ＬＥＤ３００とシリコン基板３１０とを分離してもよい。上記したように、ＬＥＤ３００から生じた熱は、典型的には、熱伝導性エポキシによってシリコン基板３１０およびヒートシンクに伝達される。

様々な実施形態において、シリコン基板は、約５．７ｍｍ×５．７ｍｍのサイズ、および約０．６ミクロンの厚さである。寸法は、特定の照明要件に従って変更してもよい。例えば、明るさの輝度をより低くするために、より少ないＬＥＤが基板上に取り付けられてもよく、したがって、基板はサイズを縮減してもよい。他の実施形態では、他の基板材料が使用されてもよく、他の形状およびサイズもまた使用されてもよい。

図2-Aに示されるように、シリコン３１５のリングが、窪み型構造を画定するためにＬＥＤ３００の周りに配置される。様々な実施形態において、燐光を生む材料は、窪み構造内に配置される。動作中、ＬＥＤ３００は、青みを帯びた光出力、紫色または紫外光出力を提供する。次に、燐光を生む材料は、青色／紫外出力光によって励起され、白色光出力を出す。複数のＬＥＤ３００および基板３１０の実施形態の更なる詳細は、参照によって組み込まれると上記で参照した同時係属出願に記載されている。

図2-Aに示されるように、いくらかのボンドパッド３２０は、基板３１０の上面上に設けられてもよい（例えば２から４個までのボンドパッド）。次いで、１つ以上の半田ボール３３０が基板上に形成されるように、従来の半田層（例えば９６．５％のスズおよび５．５％の金）はシリコン基板３１０上に配置されてもよい。図2-Aに示された実施形態において、４つのボンドパッド３２０が、各角部に１つ、各電力供給接続部用に２つ設けられる。他の実施形態において、２つのボンドパッドだけが、各交流電力供給接続部用に１つ使用されてもよい。

図2-Aに示されるのはフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）３４０である。様々な実施形態において、ＦＰＣ３４０は、例えばＤｕＰｏｎｔ社からのＫａｐｔｏｎ（商標）等のポリイミドなどのフレキシブルな基板材料を含んでもよい。図示されるように、ＦＰＣ３４０は、シリコン基板３１０に接合するための一連のボンドパッド３５０と、高供給電圧（例えば１２０ＶＡＣ、４０ＶＡＣ、など）に結合するためのボンドパッド３６０とを有してもよい。更に、いくつかの実施形態では、開口部３７０が設けられており、ＬＥＤ３００はその開口部を通して光る。いくつかの実施形態では、開口部３７０は、例えば円形、四角形などの閉じた形状であってもよいが、他の実施形態では、開口部３７０は、開いた形状、例えば音叉に類似するものであってもよい。

ＦＰＣ３４０についての様々な形状およびサイズは、本発明の様々な実施形態において予想される。例えば、図2-Aに示されるように、一連の切れ目３８０は、基板３１０に対するＦＰＣ３４０の伸縮の影響を減らすために、ＦＰＣ３４０上に入れられてもよい。別の例として、例えば２つのボンドパッドなどの異なる数のボンドパッド３５０が設けられてもよい。単なる別の例として、ＦＰＣ３４０は三日月形であってもよいし、開口部３７０は貫通穴でなくてもよい。他の実施形態において、ＦＰＣ３４０についての他の形状およびサイズは、本特許の開示を考慮して予想される。

様々な実施形態において、シリコン基板３１０はＦＰＣ３４０の第１の部分に接合される。図2-AおよびＢに示されるように、ＦＰＣ３４０は、電子駆動構成要素が接合される第２の部分まで延びる。いくつかの実施形態では、ＦＰＣ３４０のうちシリコン基板３１０が接合される側面は、電子駆動構成要素も接合されるのと同じ側面である。

図2-Bにおいて、基板３１０は、シリコンの上面への従来のフリップチップタイプの配列において、半田ボール３３０によってＦＰＣ３４０に接合される。シリコンの上面で電気的に接続することによって、そのＦＰＣはシリコンの熱伝達表面から電気的に分離される。このことは、シリコン基板３１０の底面の全てが熱をヒートシンクに伝達することを可能にする。更に、このことは、ＬＥＤがヒートシンクに直接的に接合され、典型的には熱伝達を妨げるＰＣＢ材料の代わりに熱伝達を最大限にすることを可能にする。この構成で見ることができるように、したがって、ＬＥＤ３００は、開口部３７０を通して光を発するように配置される。様々な実施形態において、上記した充填用混合物はまた、基板３１０とＦＰＣ３４０との間の空間３８０を封止するために下部充填作用等として機能するようにも使用される。

電子駆動装置およびシリコン基板３１０がＦＰＣ３４０に接合された後に、したがって、ＬＥＤパッケージサブアセンブリまたはモジュール２２０は組み立てられる。様々な実施形態において、次いで、これらのＬＥＤモジュールは適切な動作のために個々に試験されてもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る製造プロセスのブロック図を示す。様々な実施形態において、製造の別個のプロセスのうちのいくつかは、同時にまたは連続して行われてもよい。理解のために、先行の図面における特徴を参照してもよい。

様々な実施形態において、以下のプロセスは、ＬＥＤアセンブリ／モジュールを形成するために実行されてもよい。最初に、複数のＬＥＤ３００が、電気的に絶縁されたシリコン基板３１０上に提供され、配線される（ステップ４００）。図2-Aに示されるように、シリコンダム（ｄａｍ）３１５が、窪みを画定するためにシリコン基板３１０上に位置付けられ、次いで、その窪みが、燐光を生む材料で充填される（ステップ４１０）。次に、シリコン基板３１０がフレキシブルプリント回路３４０に接合される（ステップ４２０）。上記に開示したように、半田ボールおよびフリップチップ半田付け（例えば３３０）が、様々な実施形態における半田付けプロセスのために使用されてもよい。

次に、複数の電子駆動回路装置および接触子が、フレキシブルプリント回路３４０に半田付けされてもよい（ステップ４３０）。接触子は、約１２ＶＡＣの駆動電圧を受信するためのものである。上記のように、現状の最新型のＭＲ‐１６電球とは違って、電子回路装置は、様々な実施形態において、例えば摂氏１２０度の高温動作に耐えることができる。

様々な実施形態において、電子駆動回路を含むフレキシブルプリント回路の第２の部分が、ヒートシンクおよびベースモジュールの内部空洞に差し込まれる（ステップ４４０）。図示されるように、次いで、シリコン基板がヒートシンクの凹部に隣接するように、フレキシブルプリント回路の第１の部分が約９０度に曲げられる。次いで、シリコン基板の裏面が、エポキシ等を用いてヒートシンクの凹部内でヒートシンクに接合される（ステップ４５０）。その後、充填材料が、ベースモジュール内の空気間隙を充填するために、および、シリコン基板用の下部充填用混合物として機能させるために使用される（ステップ４６０）。

続いて、レンズがヒートシンクに固定されてもよく（ステップ４７０）、次いで、ＬＥＤ光源が適切な動作のために試験されてもよい（ステップ４８０）。

図４は本発明の実施形態を示す。より詳細には、図４は、フレキシブルプリント回路５００の側面図を示す。様々な実施形態において、発光素子を含むシリコン基板５１０の上面は、第１の領域内のＦＰＣ５００の底面に接合されて示される。更に、電子駆動回路５２０および電子接続部５３０もまた、第２の領域でＦＰＣ５００の底面に接合されて示されている。様々な実施形態において、ＦＰＣは、典型的には第１の領域と第２の領域との間を絶縁する。

図5-A〜Ｂは本発明の様々な実施形態を示す。より詳細には、図5-A〜Ｂは、本発明の計画的な実施形態の断面図を示す。

図5-Aにおいて、ＭＲ‐１６フォームファクタ互換性ＬＥＤ光源６００の実施形態の断面はＧＵ５．３フォームファクタ互換性ベースを有するが、他のフォームファクタも予想される。様々な実施形態において、光源６００は、レンズ６１０、一体型ＬＥＤアセンブリ／モジュール６２０、ヒートシンク６３０、およびベースアセンブリ６４０を含む。図示されるように、一体型ＬＥＤアセンブリ／モジュール６２０は、１つ以上の屈曲部を含んでもよい。空白領域６５０もまた図示され、ＦＰＣとヒートシンク６３０およびベースアセンブリ６４０との間の予想される空隙領域を示す。

様々な実施形態において、光源６００は、ＬＥＤ光源で以前は達成できなかった性能特性の組み合わせを有するＬＥＤ光源の形態を表わす。より詳細には、スポットライト形態では、図5-Aに示されるように、光源は、高集束スポットビーム、すなわち、約１３．３°のフィールド角および約３１．４°の十分なカットオフ角を有する約９．８°のＦＷＨＭビーム角で特徴付けられる。更に、光源は、最高輝度、すなわち８１．９％のルーメン効率で２４．６０ｃｄ／ＬＰＫＧのセンタービームキャンドルパワー（ＣＢＣＰ）によって特徴付けられる。

図5-Bの断面において、空隙領域６５０は充填材料６６０で充填されて示される。上記のように、充填材料６６０は、一体型ＬＥＤアセンブリ６２０の第２の部分についてベースアセンブリ６４０内の空洞を充填するために、および、ＬＥＤシリコン基板がヒートシンク６３０に接触するヒートシンク６３０内の凹部を充填するために、使用される。様々な実施形態において、充填材料６６０の全ては単一のステップで塗布される。

この開示の読後、更なる実施形態を当業者は想定することができる。他の実施形態では、上記で開示された発明の組み合わせまたは副次的組み合わせを有利に作ることができる。構造のブロック図およびフローチャートは理解を容易にするためにグループ化されている。しかしながら、ブロックの組み合わせ、新たなブロックの追加、ブロックの再構成などが本発明の代替の実施形態に予想されることを理解されるべきである。

したがって、明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的なものとみなされる。しかしながら、様々な改変および変更が、より広い意図および範囲から逸脱することなくその明細書および図面になされてもよいことは明らかであろう。

Claims (20)

1. 取り付け領域および複数の放熱フィンを備えるヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに結合され、内部空洞を含むベース筺体と、
   前記ヒートシンクおよび前記ベース筺体に結合された一体型照明モジュールであって、
   プリント回路板と、
   前記プリント回路板の第１の側面領域内の前記プリント回路板の第１の表面に結合された基板の上面上に形成された発光源と、
   前記発光源に電力を提供するように構成され、前記プリント回路板の第２の側面領域内の前記プリント回路板の前記第１の表面に結合された電子駆動回路と、を備え、
   前記基板の底面は前記ヒートシンクの前記取り付け領域に熱的に結合され、前記一体型照明モジュールの前記第２の側面領域は前記ベース筺体の前記内部空洞内に位置する、一体型照明モジュールと、を備える、光源。
2. 前記基板の前記底面は、熱伝導性エポキシによって前記ヒートシンクの前記取り付け領域に熱的に結合され、
   前記ヒートシンクはアルミニウムまたは銅を含む、請求項１に記載の光源。
3. 充填用混合物を更に備え、前記充填用混合物は、前記プリント回路板の前記第１の側面領域と接触した前記取り付け領域内に配置され、かつ、前記プリント回路板の前記第２の側面領域と接触した前記内部空洞内に配置され、前記充填用混合物は、前記一体型照明モジュールから発生した熱を前記ヒートシンクおよび前記ベース筺体に伝導するように構成される、請求項１に記載の光源。
4. 前記電子駆動回路は、交流電圧を受信するように構成されると共に、前記交流電圧に応答して前記発光源に前記電力を提供するように構成され、
   前記電子駆動回路は、少なくとも１つの抵抗器、少なくとも１つのコンデンサ、少なくとも１つの集積回路、および少なくとも１つの切り替え構成要素を備える、請求項１に記載の光源。
5. 前記プリント回路板は、ポリイミドを含むフレキシブルプリント回路板を備える、請求項１に記載の光源。
6. 前記フレキシブルプリント回路板の前記第１の側面領域は、前記フレキシブルプリント回路板の前記第２の側面領域の少なくとも一部に対して約９０度に方向づけられる、請求項５に記載の光源。
7. 前記ベース筺体は、ＧＵ５．３フォームファクタ互換性ベースを備える、請求項１に記載の光源。
8. 前記プリント回路板は複数の電力ピンを備え、
   前記複数の電力ピンは、外部供給部から前記交流電圧を受けるように構成される、請求項４に記載の光源。
9. 前記発光源は複数の発光ダイオードを備え、
   前記ヒートシンクはＭＲ‐１６互換性フォームファクタを備える、請求項１に記載の光源。
10. 前記ヒートシンクに結合され、前記複数の発光ダイオードから出力した光を集束するように構成されたレンズを更に備える、請求項９に記載の光源。
11. 取り付け領域および複数の放熱構造を備えるヒートシンクを受容することと、
    前記ヒートシンクに結合され、内部空洞を含むベース筺体を受容することと、
    一体型照明モジュールを受容することであって、前記一体型照明モジュールは第１の側面領域および第２の側面領域を有するプリント回路板を含み、前記第１の側面領域内の前記プリント回路板の第１の表面が発光源基板の上面に結合され、前記第２の側面領域内の前記プリント回路板の前記第１の表面が複数の電子駆動装置に結合された、一体型照明モジュールを受容することと、
    前記一体型照明モジュールの前記第２の側面領域を前記ベース筺体の前記内部空洞内に配置することと、
    前記発光源基板の底面を前記ヒートシンクの前記取り付け領域に結合することと、を含む、光源を組み立てるための方法。
12. 前記結合するステップは、熱伝導性エポキシを用いて前記発光源基板の前記底面を前記ヒートシンクの前記取り付け領域に結合することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記プリント回路板の前記第１の側面領域と接触する前記取り付け領域内に、および前記プリント回路板の前記第２の側面領域と接触する前記内部空洞内に、熱伝導性充填用混合物を配置することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記電子駆動装置は、交流電圧を受信するように構成されると共に、前記交流電圧に応答して前記発光源に電力を提供するように構成され、
    前記電子駆動装置は、抵抗器、コンデンサ、集積回路、および切り替え構成要素からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
15. 前記プリント回路板は、ポリイミドを含むフレキシブルプリント回路板を備える、請求項１１に記載の方法。
16. 前記配置するステップの後に、当該方法は、前記フレキシブルプリント回路板の前記第１の側面領域を前記フレキシブルプリント回路板の前記第２の側面領域の少なくとも一部に対して約９０度の角度で曲げることを更に含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記一体型照明モジュールを前記受容することは、
    前記プリント回路板を受容することと、
    前記発光源基板を受容することと、
    前記複数の電子駆動装置を受容することと、
    前記発光源の前記上面を前記第１の側面領域内の前記プリント回路板の前記第１の表面に結合することと、
    前記複数の電子駆動装置を前記第２の側面領域内の前記プリント回路板の前記第１の表面に結合することと、を更に含む、請求項１１に記載の方法。
18. 複数の電力ピンを前記第２の側面領域内の前記プリント回路板の前記第１の表面に結合することを更に含み、前記プリント回路板は複数の電力ピンを備え、前記複数の電力ピンは前記交流電圧を受信するように構成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記発光源は複数の発光ダイオードを備え、
    前記ヒートシンクはＭＲ‐１６互換性フォームファクタを備え、
    前記ベース筺体はＧＵ５．３フォームファクタ互換性ベースを備える、請求項１１に記載の方法。
20. 前記発光源から出力した光の方向を変えるように構成されたレンズを受容することと、
    前記レンズを前記ヒートシンクに結合することと、を更に含む、請求項１１に記載の方法。