JP2013541857A5

JP2013541857A5 - 異方性導体を利用するｌｅｄベースの光源

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Publication number: JP2013541857A5
Application number: JP2013537668A
Authority: JP
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2014-12-04

Description

本発明は、光源および光源を製作する方法を含む。光源は、異方性導体の層によって実装基板にボンディングされた複数の表面実装ＬＥＤを含む。各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出する。表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含む。各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられ、ｐ型コンタクトは、ＬＥＤ内の活性領域のうちの少なくとも半分以上の面積を有する。実装基板は、複数の接続配線を有する上端面を含む。各接続配線は、複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含み、ｐ型配線は、ｐ型コンタクトよりも大きい面積を有する。異方性導体の層は、表面実装コンタクトと接続配線の間に挟まれる。

本発明の一態様において、複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、ＬＥＤは、ＬＥＤの側面から光を放出する。異方性導体は、ＬＥＤの側面から出射する光が、複数のＬＥＤ間に位置決めされた異方性導体に入射するような高さまで、複数のＬＥＤ間のスペース内に存在している。異方性導体は、側面から出射する光を散乱させる散乱粒子を含む。

図１は、従来技術の蛍光体変換型ＬＥＤ光源の一部の断面図である。図２は、別の従来技術の光源の一部の断面図である。図３は、異方性導体によってボンディングされた１対の表面の断面図である。図４は、本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。図５は、ＬＥＤをｎ型配線およびｐ型配線にボンディングする前の実装基板の一部の上面図である。図６は、本発明に従う光源の別の一実施形態の一部の断面図である。図７は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。図８は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。図９は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。

本発明の一態様において、光散乱および垂直接続をもたらすように変型された異方性導体が利用される。異方性導体が作動するやり方は、異方性導体によってボンディングされた１対の表面の断面図である図３を参照して、より容易に理解することができる。異方性導体は、硬化工程によって固体に変換することができる硬化性エポキシ樹脂または他の絶縁担体材料内で浮遊した、複数の弾性のある金属コーティングされた球体５３を含む。各球体は、球体を導体にする金属層５４でコーティングされる。この材料の層が、図３に示すように２つの表面間へ押し付けられると、導体５１と導体５２の間に閉じ込められた球体は、５６で示すように変形する。変形した球体は、電極５１と電極５２の間を電気的に接続する。担体媒体が硬化した後、２つの表面は、同表面上の対向する導体が互いに電気的に接続された状態で、互いにボンディングされたままになる。球体の密度は、対向する導体の任意の対が同導体間に閉じ込められた１つ以上の球体を有することを確実にするのに十分に高いように、しかし球体が水平方向に互いに接触しかつ横方向に走る導電経路を形成しないことを確実にするのに十分に低いように、選ばれる。

異方性導体は、１０年以上にわたって、内部にスイッチング回路構造を有する下層の基板に対して、ＬＥＤのアレイをボンディングするのに用いられている。例えば、特許文献１は、有機ＬＥＤのアレイを含む層が、個々のＬＥＤをオンおよびオフ切り換えする薄膜トランジスタを備えた基板上にボンディングされるディスプレイを教示する。

本発明の一態様において、ＬＥＤは、担体材料が液体状態にあるうちに、異方性接着剤の層へ押し込まれる。すべてのＬＥＤが材料の層へ押し込まれるときに、ＬＥＤの端が７０で示すように異方性導体によって覆われることを確実にする高さまで、複数のＬＥＤ間のスペースへ超過した材料が押し込まれることを確実にするために、この材料の層は十分な厚さを有し、ＬＥＤの側壁から出射する光が、複数のＬＥＤ間の異方性導体の層に入射し、かつ散乱粒子によって散乱するようにする。例えば、ＬＥＤの側面から出射する光のうちの少なくとも５０、６０、７０、８０、または９０パーセントが、複数のＬＥＤ間の異方性導体媒体に入射することを、複数のＬＥＤ間の異方性導体媒体の高さが、確実にするのに十分であるように、硬化前の異方性導体媒体の厚さは、設定することができる。

放熱は、いくつかの理由でＬＥＤに基づく高出力光源の重要な問題である。第１に、電気の光への変換効率は、高温で減少する。第２に、ＬＥＤの寿命もまた、温度とともに減少する。第３に、複数のＬＥＤと異方性導体内で用いられた担体材料との間の熱膨張係数に差があると、異方性導体内で破砕が生じ、ＬＥＤが下層の構造体から切り離されることがある。したがって、ＬＥＤから周囲環境までの熱伝達を最大化することは、どんな高出力ＬＥＤ光源設計にも重要な態様である。

ＬＥＤによって発生した熱は、ＬＥＤの上方の空気へ、または熱を自然環境に結合する放熱構造体との熱的接触状態にある熱拡散層６９へ、伝達しなければならない。層６９に熱を伝達するために、層６８の熱抵抗は、ＬＥＤ上の複数のコンタクトと層６８上の対応する配線との間の異方性導体層の熱抵抗をはるかに下回ることが好ましい。層６８の熱抵抗は、依然として電気絶縁をもたらすと同時に低熱抵抗を有する材料を用いることによって、および層６９へ熱を全面で伝達する層６８の表面積を増加させかつ層６８の厚さを減少させることによって、低減することができる。

ＬＥＤ上のｐ型コンタクトと層６８上の対応する配線との間の異方性導体の層の厚さが極めて薄いので、熱抵抗は、配線と層６８の間のコンタクトの面積によって決定される。上述したように、複数のＬＥＤ間に反射面７４を設けることは有利なことである。本発明の一態様において、ＬＥＤ上のｐ型コンタクトに対向して配線を拡張することによって、この表面が生み出されるが、配線は、ｐ型コンタクト配線と呼ばれることになる。これらの配線は、アルミニウムまたは他の高反射コーティングでコーティングすることができる。配線の面積が拡張されて複数のＬＥＤ間の領域を実質的に満たし、それによって熱伝達面積を実質的に増加させることができる。この面積の最大拡大値は、複数のＬＥＤのスペース配置に依存する。本発明の一態様において、複数のＬＥＤは、ｐ型配線の面積が、ＬＥＤ上のｐ型コンタクトの面積の少なくとも２倍であるように、スペースを空けて配置される。

次に図６を参照すると、同図は、本発明に従う光源の別の一実施形態の一部の断面図である。光源９０が、異方性導体によって実装基板上の配線にボンディングされた複数のＬＥＤを含む点で、光源９０は、図４を参照して上述した光源６０と同様である。ｐ型コンタクトを接続する配線は、図５に関して上述したように拡大される。典型的な拡大された配線が、９９で示される。配線は、各配線を配線層１０１上の対応する導体に接続する導電ビア９７によって、配線層９８に接続される。これらのビアは、熱拡散層９１内の絶縁体の中を通過する。したがって、唯一の高熱インピーダンスの面積は、絶縁体１０２の表面上の拡大した配線と熱拡散層９１の間の面積である。

光源９０は、ＬＥＤによって発生した光の一部を異なるスペクトラムを有する光に変換する蛍光体変換層９４も含み、この異なるスペクトラムは、光出射層９４が所定の色温度を有する白色光であると理解されるように選ばれる。蛍光体変換層は、エポキシ樹脂などの透明担体媒体内で蛍光体粒子９６を浮遊させ、次いで浮遊物質が光源全体にいったん広がるとエポキシ樹脂層を硬化させることによって、構成される。複数のＬＥＤ間の領域が異方性導体で満たされるので、蛍光体変換層は、より一様な厚さとすることができ、それゆえにＬＥＤからの青色光が蛍光体の厚さに差がある種々の領域の蛍光体の中を通過することから生じる、色の変動が低減される。

本発明の一態様において、蛍光体変換層９４は、異方性導体と同一のエポキシ樹脂媒体から構成される。本発明の別の一態様において、蛍光体変換層は、異方性導体とほぼ等しい熱膨張係数を有する。ここで、２つの層は、熱膨張係数の差が、その設計寿命にわたる光源の熱サイクル中に２つの層を分離させる恐れのある差を下回る場合、ほぼ等しい熱膨張係数を有するとして定義されることになる。この配列によって、異なる層と関連した異なる熱膨張係数を有することに関連する問題が低減される。

異方性導体および蛍光体変換層の熱伝導率をさらに改善するために、高熱伝導率媒体の粒子９５を層内に含むことができる。例えば、ダイヤモンド、結晶シリコン、またはＧａＮの粒子を、層９４および異方性導体内に含むことができる。これらの材料は、層を構成するのに用いられるエポキシ樹脂よりも著しく高い熱伝導率を有し、それゆえにこれらを含むと、層の平均熱伝導率はエポキシ樹脂よりも高くなる。これらの材料も透明であり、それゆえに光を吸収しない。このような材料の使用は、出願日が２０１０年７月２８日である、同時係属中の特許文献２に詳細に説明されており、参照することによって本明細書に援用される。

本発明の一実施形態に従う光源が構成されるやり方は、図７〜図９を参照して次に説明されることになるが、同図は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。始めに、実装基板１１５は、図７に示すように未硬化の液体状態にある異方性導体の層１１６で覆われる。各ＬＥＤ１１７は、ＬＥＤ上のコンタクトが実装基板１１５上の対応する配線の真上にあるように位置決めされる。位置決めされたＬＥＤは、次いで図８に示すように実装基板１１５に対して押し込まれる。ＬＥＤは、異方性導体の層へ一度に１つずつ押し込むことができ、または一時的担体に取り付けられて、異方性導体へ同時に押し込むことができる。ＬＥＤが異方性導体の層へ押し込まれた後、ＬＥＤに圧力が加わり、異方性導体材料が加熱されて、この材料が硬化し、それゆえに異方性導体層は固体になる。上述したように、未硬化の異方性導体材料の深さは、ＬＥＤが異方性導体材料へ押し込まれるとき、異方性導体が複数のＬＥＤ間の領域を満たすように設定される。異方性導体材料が硬化した後、蛍光体含有材料の層１１８は、硬化異方性導体層の上に堆積し、図９に示すように硬化する。

Claims

複数の表面実装ＬＥＤであって、各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ前記第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出し、前記表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含み、各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられる複数の表面実装ＬＥＤと、
複数の接続配線を有する上端面を含む実装基板であって、各接続配線は、前記複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および前記複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含む実装基板と、
前記表面実装コンタクトと前記接続配線の間に挟まれた異方性導体の層と、
を備えた、光源。
前記ｐ型配線は、前記ｐ型コンタクトの２倍よりも大きい面積を有する、請求項１に記載の光源。
前記実装基板は、前記接続配線と直接に接触している絶縁層および前記絶縁層と直接に接触している熱拡散層を含み、金属の層から成る前記熱拡散層は、周囲温度を上回る７５°Ｃよりも高い温度で前記ＬＥＤが作動しないように、前記ＬＥＤによって発生した熱を放熱構造体へ移動させるのに十分な厚さを有する、請求項１に記載の光源。
前記異方性導体は、第１透明媒体内で浮遊した、変形可能で非変形直径を有する導電粒子と、前記ＬＥＤによって発生した光の前記波長よりも大きくかつ前記非変形直径の半分を下回る寸法を有する光散乱粒子とを含む、請求項１に記載の光源。
前記複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、前記ＬＥＤはまた、前記第１表面および前記第２表面にほぼ垂直の側面から光を放出し、前記異方性導体は、前記ＬＥＤの前記側面から出射する光が、前記複数のＬＥＤ間に位置決めされた前記異方性導体に入射するように、前記複数のＬＥＤ間のスペース内に存在している、請求項４に記載の光源。
透明担体材料内で浮遊した蛍光体粒子を含む蛍光体層をさらに備えた、請求項４に記載の光源。
前記担体材料は、前記第１材料とほぼ同一の熱膨張係数を有する、請求項６に記載の光源。
前記担体材料は、前記第１材料を含む、請求項６に記載の光源。
前記熱拡散層の下に配線層をさらに備え、前記配線層は、前記接続配線を前記配線層内の導体に接続する、請求項１に記載の光源。
前記異方性導体内に熱伝導材料から成る粒子をさらに備え、前記熱伝導材料は、前記第１材料よりも大きい熱伝導率を有する、請求項１に記載の光源。
前記導電粒子は、９０パーセントよりも大きい反射率を有する外面コーティングを含む、請求項４に記載の光源。
前記導電粒子は、アルミニウムを含む外面コーティングを有する、請求項４に記載の光源。
光源を製作する方法であって、
複数の表面実装ＬＥＤを設けるステップであって、各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ前記第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出し、前記表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含み、各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられる複数の表面実装ＬＥＤを設けるステップと、
複数の接続配線を有する上端面を含む実装基板を設けるステップであって、各接続配線は、前記複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および前記複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含む実装基板を設けるステップと、
液体状態にある異方性導体の層を前記表面実装コンタクト上に堆積させるステップと、
各表面実装コンタクトが、対応する接続配線に整列するように、前記ＬＥＤを位置決めするステップと、
前記異方性導体を硬化状態に硬化させながら、前記実装基板に対して前記ＬＥＤを押し込むステップと、
を備えた、方法。
前記異方性導体は、第１透明媒体内で浮遊した、変形可能で非変形直径を有する導電粒子と、前記ＬＥＤによって発生した光の前記波長よりも大きくかつ前記非変形直径の半分を下回る寸法を有する光散乱粒子とを含む、請求項１３に記載の方法。
前記複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、前記ＬＥＤはまた、前記第１表面および前記第２表面にほぼ垂直の側面から光を放出し、前記液体状態にある前記異方性導体の前記層は、前記ＬＥＤの前記側面から出射する光が、前記複数のＬＥＤ間に位置決めされた前記異方性導体に入射するような高さまで、前記複数のＬＥＤ間のスペース内に前記異方性導体が存在しているような厚さを有する、請求項１４に記載の方法。
透明担体材料内で浮遊した蛍光体粒子を含む蛍光体層を、前記ＬＥＤ上に堆積させるステップをさらに備えた、請求項１４に記載の方法。