JP2015513220A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

導電回路層８を有する基板６と、前記基板６に表面実装され、前記回路層８に電気的に接続されるＬＥＤパッケージ７と、前記ＬＥＤパッケージ７から離れて前記基板６に表面実装されるヒートシンク要素であって、前記ヒートシンク要素は、前記ＬＥＤパッケージ７を囲む熱伝導材料でできた本体２を有し、前記本体は、前記回路層８に熱的に接続され、前記回路層８から周囲環境へ熱放散を提供するように適合された当該ヒートシンク要素とを有し、前記ＬＥＤパッケージに面する前記ヒートシンク要素の表面３は、前記ＬＥＤパッケージから放射される光を整形するためのビーム整形光学系の一部を形成するように適合された発光装置である。前記ヒートシンク本体は、回路層と熱接触しているので、ＬＥＤパッケージから回路層を介してヒートシンク本体への熱抵抗は、最小となる。

Description

本発明は、概して、基板の回路層上のＬＥＤパッケージに隣接して表面実装されるヒートシンク素子を有する発光装置に関する。本発明はまた、このような発光装置を製造するための方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）産業では、ＬＥＤパッケージ又はダイ、及び、必要な配線又は回路を含む完成品の機能的なＬＥＤモジュールを製造するときに、さまざまな種々異なる技術が用いられる。ＬＥＤモジュールは、典型の５ｍｍのスルーホール信号伝達部品からチップ・オン・ボードまで、種々異なる態様で製造される。現在のところ、一般の照明については、表面実装技術（ＳＭＴ）が優勢な技術である。ＳＭＴは、自動化されており、電気製品のための部品をプリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置する。

ＬＥＤパッケージをより強力に、表面積当たりより高い発光出力を有するように試みることは、ＬＥＤ産業における継続的で自然な動向である。ＬＥＤをより強力にするときに起こる問題は、ＬＥＤが、その高エネルギー効率にもかかわらず、ＬＥＤの効率及び寿命に影響を及ぼす量の熱を生成することである。従って、ＬＥＤパッケージの電力入力／出力を増大するときに熱を逃がすことが課題である。

熱問題を解決するために、種々異なる種類のヒートシンクが用いられる。既知の態様は、ＰＣＢ内のキャップド・フィルドビアを用いて、熱を、ＰＣＢを通してＰＣＢの背面上の熱伝導体に導く態様である。熱伝導体はしばしば、周囲空気にさらされる金属製ヒートシンクの一部である。しかしながら、熱伝導のためのビアを用いることは、費用がかかり、且つ電子絶縁が要求され、部品及びそのＰＣＢの設計が限定されて複雑になる。

例えばＵＳ７，２８２，７４０に開示される別の選択肢は、光学性能とヒートシンク機能とが一体化されたより複雑なＬＥＤパッケージを設計し、製造することである。これは、部分的に課題に対処する一方で、特別に適合されたＬＥＤパッケージを必要とする。ＬＥＤモジュールの費用効率の高い生産を達成するために、大量に製造される標準ＬＥＤパッケージを使用することが通常好ましい。

従って、費用効率の高い製造プロセスで実行することができる満足な熱放散を達成するために改良された態様のニーズがある。

本発明の目的は、費用効率の高い態様で製造することができる、満足な熱放散及び発光制御を提供する発光装置を提供することである。この目的及び他の目的は、導電回路層を有する基板と、基板に表面実装され、回路層に電気的に接続されるＬＥＤパッケージと、ＬＥＤパッケージから離れて基板に表面実装されるヒートシンク要素とを有する発光装置により達成される。ヒートシンク要素は、ＬＥＤパッケージを囲む熱伝導材料でできた本体を有し、前記本体は、回路層に熱接触し、前記回路層から周囲環境へ熱放散を提供するように適合されている。ＬＥＤパッケージに面するヒートシンク要素の表面は、ＬＥＤパッケージから放射される光を整形するためのビーム整形器としての機能を果たすように更に適合されている。

ヒートシンク本体は、回路層と熱接触しているので、ＬＥＤパッケージから回路層を介してヒートシンク本体への熱抵抗は、最小となる。ヒートシンク要素は、（ＬＥＤパッケージと同様に）基板に表面実装されるので、これは更に、回路層に非常に近接して、好ましくは直接接触して配置されてもよい。このことは更に、ＬＥＤパッケージからヒートシンク本体への熱抵抗を低減させる。

ＬＥＤパッケージは、このコンテキストでは、基板に表面実装されてもよい、少なくとも一つのＬＥＤダイを含む部品を意味する。

基板は、通常はＰＣＢであるが、ＬＥＤパッケージ及び他の電気部品が実装されてもよい導電回路層を有する任意の他の基板があり得る。熱伝導材料でできているヒートシンク本体は、周囲環境の方がヒートシンク本体よりも冷えているとき、熱インターフェースに熱を導く。光インターフェースは、ＬＥＤパッケージから放射される光を指向するために、ＬＥＤパッケージに面して配置される。光インターフェースは通常、基板上のＬＥＤパッケージを囲む。

回路層上のヒートシンク要素の表面実装は、ＬＥＤパッケージを回路層にはんだ付けする前又は後に行うことができ、ビーム整形光学系の実装をＬＥＤ基板製造プロセス中の統合された一部分にすることができる。

標準の表面実装技術を用いることにより、ＬＥＤパッケージを実装するのに用いられるのと同じプロセスにおいて、光学機能及び熱機能を同時に加えることができる。ヒートシンク要素は、ＬＥＤパッケージ用と同じプロセスを用いて、同時に選定され、配置され、はんだ付けされる。これは、費用を節約し、所望の発光品質を備える安価なＬＥＤ製品を作るという可能性を可能にする。単純なヒートシンク要素を選択することにより、合理的な品質を有しながら、費用を低く保つことができる。より洗練されたヒートシンク要素を選択することで、直接的な伝熱による良好な熱放散によって、品質は非常に良くなる。

ヒートシンク要素及びＬＥＤパッケージが適所にはんだ付けされた場合、はんだがその最も低いエネルギー状態に到達するよう努めるため、ビーム整形光学系は、ＬＥＤパッケージと更に自己整合される。

ヒートシンク要素は、回路層に好ましくは電気的に接続される。これは、ヒートシンク要素が電気回路の一部を形成し、回路を通して電力を供給され、制御され得る部品を含むことができることを意味する。ヒートシンク要素は、例えば光センサ（Ｌｍ、ＣＴＴａ．ｏ．）、及びビーム整形光学系に接続されたアクチュエータ（シャッター）を含んでもよい。ビーム内の光を直接検出することにより、これは、非常に有利な機能性を提供することができる。

ヒートシンク本体は、金属、例えばアルミニウム、銅、好ましくは高い熱伝導率を有する金属でできていてもよい。ヒートシンク本体は、例えば金属シート又はホイルでできていてもよく、ＬＥＤパッケージに面する側に反射面を有する。この解決策は単純であるが、かなり効率的であり、費用効果の高い解決策を提供する。

ヒートシンク本体は、少なくとも部分的に、透明な材料でできていてもよい。ＬＥＤパッケージからの発光を整形することが必ずしも所望されるわけではない。ＬＥＤが拡散光だけを与えるべきである場合、光ヒートシンク本体は、吸収を低レベルに保ったまま材料の散乱係数を増大するために組み込まれた高反射性の粒子を有する透明な材料でできていてもよい。

ＬＥＤパッケージに面する表面は、透明、高反射性、ランバーシアン反射性、又は鏡面反射性でもよい。選択は、求められる光ビーム特性、製品の価格などに依存する。

ＬＥＤパッケージに面する表面は、ＬＥＤ放射の色を変換するのに適したリン光材料を更に具備してもよい。良く知られているように、ほとんどのハイパワー白色ＬＥＤは、狭い青色波長領域の光を放射するので、人間の目によって白色として知覚されるために、色変換される必要がある。これは、通常、蛍光体粉末、例えばＹＡＧ：Ｃｅが、青色ＬＥＤ発光によって励起され、大部分の青色発光を赤色領域の広帯域の発光に変換する蛍光体変換を用いてなされる。蛍光体を光ヒートシンク本体の光インターフェースに加えることは、光ヒートシンクを実装する前に付与することができるため、より安価に且つより低い精度でも行うことができる。蛍光体を直接ＬＥＤダイに加えることは、精巧で、それ故に費用のかかる工程である。

ヒートシンク要素は、各々が回路層に熱的に接続される２つの電気的及び熱的に別個の部品を有してもよい。２つの部品は、回路層に実装されたＬＥＤパッケージの異なる端子に接続されてもよく、この場合には、２つの部品は、短絡を回避するために電気的に絶縁されなければならない。部品は、空気、又はセラミック若しくはゴム材料のような非導電材料のいずれかにより分離される。分離する材料は、２つの部品を基板上に配置しなければならないことを回避するために、好ましくは予め実装される。ヒートシンク要素をＬＥＤパッケージの２つの電気端子に接続する利点は、熱がＬＥＤダイの２つの側から放散されてもよい点である。

本発明の他の実施形態では、ヒートシンク要素は、本体によって保持され、本体と熱的に接続されるレンズを更に有し、レンズは、ＬＥＤパッケージの発光表面の前に位置付けられる。この態様では、光レンズをヒートシンクによって冷却しながら、正確なビーム整形が、表面実装技術により達成される。レンズは、成形レンズ又は基本的にヒートシンク要素に予め実装された任意のレンズが有り得る。レンズの精密実装は、従って標準ＳＭＴにより自動的に達成される。別の利点は、レンズがＬＥＤダイに非常に近接して配置されてもよい点である。

本発明は、基板の表面に導電回路層を提供するステップと、ＬＥＤパッケージを基板に回路層と電気的に接続して表面実装するステップと、回路層から周囲環境へ熱放散を提供するために、ヒートシンク要素が回路層と熱的に接続されるように、ＬＥＤパッケージに隣接して、別個のヒートシンク要素を基板に表面実装するステップと、を有する発光装置の組み立て方法に更に関する。

実装ステップは、上述の通り利点を全て備えながら、標準ＳＭＴプロセスを用いて実行されてもよい。

上記目的は、本発明の付加的な目的、特徴、及び利点と同様に、添付の図面と共に、本発明の好ましい実施形態の以下の例示的及び非限定の詳細な説明を参照することで、より完全に理解されるだろう。

図１は、本発明の第１の実施形態による発光装置の実施形態の断面図である。 図２ａは、ヒートシンク要素が、パラボラ形状に成形された金属シートである実施形態の断面図である。 図２ｂは、ヒートシンク要素が、ＬＥＤの真上に位置付けられたレンズを有する実施形態の断面図である。 図２ｃは、ヒートシンク要素が、白色のカップである実施形態の断面図である。 図３ａは、レンズを備えるヒートシンク要素が、複数のＬＥＤの周辺に配置される実施形態の断面図である。 図３ｂは、ヒートシンク要素が、複数のＬＥＤ周辺に配置された白色のカップである実施形態の断面図である。 図４ａは、本発明の２つの実施形態のＰＣＢレイアウトのトポグラフィック図である。 図４ｂは、図４ａにおける２つの実施形態の銅層レイアウトのトポグラフィック図である。 図４ｃは、図４ａにおける２つの実施形態のＬＥＤフットプリントのトポグラフィック図である。 図４ｄは、図４ａにおける２つの実施形態の光ヒートシンク・フットプリントのトポグラフィック図である。 図４ｅは、基本的に図４ａと図４ｃとの組み合わせである、ＬＥＤを備えるＰＣＢレイアウトの２つの実施形態の斜視図である。 図４ｆは、追加されたヒートシンク要素の金属部品を備える図４ｅの２つの実施形態の斜視図である。 図４ｇは、白色のカップの光インターフェースを備える実施形態を提供するために加えられた金属部品をカバーする材料を有する図４ｆの２つの実施形態の斜視図である。 図４ｈは、ヒートシンク要素として使用される折り曲げられた金属シートを示す。 図４ｉは、ヒートシンク要素として使用される折り曲げられていない金属シートを示す。

図１は、ＬＥＤパッケージ７と、ヒートシンク要素１とが、表面実装技術（ＳＭＴ）を用いて実装された基板６（ここではＰＣＢ）を含む本発明による発光装置の実施形態の断面図を示す。「光ヒートシンク」とも呼ばれるヒートシンク要素１は、熱伝導性材料でできたヒートシンク本体２と、本体２の表面に配置された光インターフェース３とを有する。光インターフェースは、ビーム整形光学系の一部を形成し、所望の光学特性を提供する材料でできており、透明、高反射性ランバーシアン／白色、又は鏡面反射性でもよい。ヒートシンク本体２は、周囲環境、通常は空気にさらされる熱インターフェース４を更に有する。光ヒートシンク１は、はんだ接続部５を更に有する。光ヒートシンク１は、はんだ接続部５を用いてＰＣＢ基板６の銅配線８上に接続されることが意図される。ＬＥＤパッケージからの光が光インターフェース３に入射するように、及び、ＬＥＤパッケージ７からの熱が、銅層８と、ヒートシンク本体２とを介して周囲へと放散されるように、光ヒートシンクは、ＬＥＤパッケージ７を囲むように配置される。

ヒートシンク要素は、熱的にだけでなく電気的にも回路層に接続されてもよい。例えば、これは、ＬＥＤパッケージ用の端子の一方若しくは両方に電気的に接続されてもよく、又は、ＬＥＤパッケージのいわゆる「ヒートスラグ（heat slug）」に接続されてもよい。光ヒートシンクが接続される電気端子は、好ましくは、ヒートシンク本体の接続部のフットプリント（基板と接触する部分）に適合するのに十分に大きく作られている。それ故、このようなＬＥＤパッケージ端子は、普通のＬＥＤパッケージ端子に比べて表面積がはるかに大きくてもよい。

満足なビーム形状を作るために、ヒートシンク要素の光インターフェース２は、自動車のヘッドランプの反射器のようなパラボラ形状を有してもよい。ＬＥＤパッケージ７は、通常矩形であるが、光インターフェースも、従ってヒートシンク要素全体を矩形に作ることは、より実用的である。簡便性のため、及び平行ビーム形状が必ずしも所望されるとは限らないため、光インターフェース２の形状は、平面として作られ、ＬＥＤから離れる方向に角度が付けられ、パラボラではないが、ベース／ＰＣＢに（ＰＣＢから離れた）上部よりも小さいエリアを有するカップの形状をしていてもよい。

図２ａは、光ヒートシンク１が、パラボラ形状に成形された金属シート２１でできている実施形態の断面図を示す。金属シートは、光ヒートシンク本体２、２１と、光インターフェース３、２１と、熱インターフェース４、２１と、はんだ接続部５、２１とを単体で提供する。金属シート２１を用いる実施形態は、安価であるが、多くの場合満足な解決策を提供する。金属シートは、種々異なる形状を有してもよい。図２では、シートは、ＬＥＤからのかなり平行なビーム形状を作るパラボラ形状を有するが、形状は、カップのように直線でも、又は任意の他の求められる形状でも可能である。金属シートは、所望され得る任意のコーティングのための基礎部、例えば図２ｃの実施形態における基礎部として用いられてもよい。

ヒートシンク要素が回路層上の２つの接続点間に電気的に接続される場合、これは、電気回路の一部を形成し、従って回路層を通して電力が供給され、制御されることができる電気部品を含んでもよい。電気部品は、例えば光センサ、アクチュエータなどでもよい。これは、部品２９で図２ａに模式的に例示されている。光センサは、例えば露出計（Ｌｍ）、ＣＴＴなどでもよく、放射された光の強度又は色などの特性を測定するために設けられる。アクチュエータは、例えば上記の実施形態による反射器、コリメータ、又はレンズに影響を及ぼすシャッターであり得る。熱ヒートシンク上に取付けられたセンサを用いて、センサによる測定は、例えば光センサからの直結フィードバック制御でビームを実際に制御するために用いられてもよい。

一例として、図２ｂは、光ヒートシンクがＬＥＤの真上に配置されるレンズ９を有する実施形態の断面図を示す。レンズ９は、熱インターフェースとして、及び任意選択で反射性光インターフェースとしても機能する折り曲げられた金属シート２１'によって保持される。金属シート２１'は、レンズ９を保持するために取り付けられる保持具１０にレンズ９を保持する。ＬＥＤ照明製品のための光学設計は、通常は、２つの機能、光源の輝度の低下と、ビーム整形とを管理しなければならない。本発明の説明された実施形態は、後者の機能に特に有用である近接ダイのような光学系を含む。基板レベルのビーム整形の問題を解決することは、照明器具レベルの光学設計を、光源の輝度を低下させることだけに限定する。

本発明によれば、レンズは、ＬＥＤ発光の波長変換を提供するために、蛍光体コーティングにより覆われる下面２３を有してもよい点に留意すべきである。蛍光体コーティングは、その結果、ＬＥＤダイに直接コーティングされる蛍光体の機能に完全に取って代わる。レンズ９の残りの表面は、より完全な波長変換を提供するために、レンズ効果を犠牲にして、蛍光体コーティングにより覆われることもできる。しかしながら、レンズが安価な成形レンズである場合、後者は、生産設備における可能な部品の数を減らすのに、依然として興味深い。

レンズ９は、クリアなレンズでもよい。しかしながら、拡散光が所望される場合、レンズは、ヒートシンク要素により保持される任意の他の同じような大きさの光学部品により置き換えられてもよい。例えば、レンズは、蛍光体粒子がこれの中に成形された透明な材料で作られてもよい。ヒートシンク要素の光学系は、その結果、蛍光体粒子から誤った方向に放射されたリン光も反射する働きをする。

図２ｃは、光ヒートシンクが白色カップ２２である実施形態の断面図を示す。白色表面は、ＬＥＤからの光を拡散し、方向性を持たせないようにする。表面は、ＬＥＤ装置を見ている人によって知覚される輝度を低減する働きをする。

図３ａは、クリアレンズが取り付られた光ヒートシンクが、複数のＬＥＤの周辺に配置された実施形態の断面図を示す。ＬＥＤ７につき１つのクリアレンズ９は、折り曲げられた金属シート３１と、レンズ保持具１０'により保持される。

図３ｂは、光ヒートシンクが、複数のＬＥＤ周辺に配置された白色カップ３２である実施形態の断面図を示す。金属シート３１'は、回路層を介してＬＥＤパッケージ７から熱を導くために白色カップに組み込まれる。白色の材料は、図２ｃのような強く拡散する特性があるプラスチックでもよいが、光波長変換のための組み込まれた蛍光体粒子を有する蛍光体含有材料でもよい。

図４ａ乃至図４ｉは、本発明の２つの可能な実施形態の部品及び層を示す。図４ａでは、２つの実施形態４１、４２のＰＣＢレイアウトが示される。左の実施形態４１は、１個のＬＥＤパッケージを有し、一方で、右の実施形態４２は、８個のＬＥＤパッケージを有する。図４ｂは、銅層レイアウトを示し、図４ｃは、ＬＥＤフットプリントを示し、図４ｄは、２つの実施形態の光ヒートシンク・フットプリントを示す。図４ｅは、基本的に図４ａと図４ｃとの組み合わせであるＬＥＤを備えるＰＣＢレイアウトの２つの実施形態の斜視図を示し、一方で、図４ｆは、追加された光ヒートシンクの金属部品を備える図４ｅの２つの実施形態を示す。本実施形態における金属部品は、図４ｈ及び図４ｉに示される通り、折り曲げられた金属シートである。図４ｇでは、図４ｆの２つの実施形態は、白色カップの光インターフェースを備える実施形態を提供するために、金属部品を覆う材料が提供される。

本発明における他のバリエーションが検討され、場合によっては、発明のいくつかの特徴は、対応する他の特徴を用いずに使用することができることを理解されたい。従って、添付の請求項は、本発明の範囲と整合が取れた態様で広く解釈されることが適切である。

Claims (12)

1. 導電回路層を有する基板と、
   前記基板に表面実装され、前記回路層に電気的に接続されるＬＥＤパッケージと、
   前記ＬＥＤパッケージから離れて前記基板に表面実装されるヒートシンク要素であって、前記ヒートシンク要素は、前記ＬＥＤパッケージを囲む熱伝導材料でできた本体を有し、前記本体は、前記回路層に熱的に接続され、前記回路層から周囲環境へ熱放散を提供する前記ヒートシンク要素と、を有し、
   前記ＬＥＤパッケージに面する前記ヒートシンク要素の表面は、前記ＬＥＤパッケージから放射される光を整形するためのビーム整形光学系の一部を形成する、
   発光装置。
2. 前記ヒートシンク要素は、前記回路層に電気的に接続される、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記ヒートシンク要素は、前記回路層と電気接触する電気部品を更に有する、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記本体は、カップ形状に折り曲げられる金属シートである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記本体は、金属でできている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記本体は、少なくとも部分的に、透明な材料でできている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記ＬＥＤパッケージに面する前記本体の前記表面は、透明、高反射性、ランバーシアン反射性、又は鏡面反射性である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記ＬＥＤパッケージに面する前記本体の前記表面は、ＬＥＤ放射の色を変換するのに適したリン光材料を具備する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光装置。
9. 前記ヒートシンク要素は、各々が前記回路層に熱的に接続される２つの電気的及び熱的に別個の部品を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光装置。
10. 前記ヒートシンク要素は、前記回路層にはんだ付けされる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光装置。
11. 前記ヒートシンク要素は、前記本体によって保持され、前記本体と熱的に接続されるレンズを更に有し、前記レンズは、前記ＬＥＤパッケージの発光表面の前に位置付けられる、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光装置。
12. 基板の表面に導電回路層を提供するステップと、
    ＬＥＤパッケージを前記基板に前記回路層と電気的に接続して表面実装するステップと、
    前記回路層から周囲環境へ熱放散を提供するために、前記ヒートシンク要素が前記回路層と熱的に接続されるように、前記ＬＥＤパッケージに隣接して、別個のヒートシンク要素を前記基板に表面実装するステップと、
    を有する、発光装置の組み立て方法。

Images