JP2016001756A - 高屈折率レンズを有するｌｅｄモジュール - Google Patents

高屈折率レンズを有するｌｅｄモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】 ハウジング本体にレンズが結合されたLEDモジュールが提供される。
【解決手段】 ハウジング本体とレンズとを有するハウジングのアレイを形成するために、ハウジング本体106とレンズ102とを有するハウジングのアレイがモールド成形されるか、又はハウジング本体のアレイがレンズとモールド成形されて結合される。発光ダイオード（LED）116がアレイのハウジングに取り付けられる。ハウジングの背面に接続パッドを形成するために、金属パッド112のアレイがアレイの背面に結合されるか、又はハウジングのアレイとインサート・モールド成形される。個々のLEDモジュールを形成するために、アレイが切り離される。
【選択図】 図１

Description

本発明の一つ以上の実施例が、エネルギー省により授与された契約、番号DE-FC26-08NT01583に基づいて政府の援助によって作られた。政府は本発明の特定の権利をもっている。
本発明は、発光ダイオード（LED）のモジュールに関する。
幾つかのLEDモジュールにおいて、レンズはLEDの上部に結合されるか、又は上部モールド成形される。当該LEDモジュールが印刷回路基板（PCB)などの基板に半田付けされる。レンズとLEDとの間の接触面積によっては、使用の間にレンズがLEDダイから外れることがある。
LEDが、サブマウント上に載置された薄膜のフリップチップなどの複数のLEDダイを備えていてもよい。LEDデバイスから最も多くの光を取り出すためのドーム状のレンズでは、当該レンズはLEDダイよりも大きくなければならない。これは、レンズを収容するためのエリアを提供するために、より大きなサブマウントを必要とすることになり、従って、基板は高価なことがあるのでモジュールのコストを上昇させる。
本発明の一つ以上の実施例において、ハウジング本体とレンズとを備えたハウジングのアレイを形成するために、複数のハウジング本体と複数のレンズとを備えたハウジングのアレイがモールド成形されるか、又はハウジング本体のアレイがモールド成形され、レンズと結合される。LEDが、アレイ内でハウジングに取り付けられる。ハウジングの背面に接続パッドを形成するために、金属パッドのアレイがハウジングアレイの背面に結合されるか、又はハウジングアレイにインサート成形される。当該アレイは、個々のLEDモジュールを形成するために切り離される。
本発明の一つ以上の実施例によるLEDモジュールの分解図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるLEDモジュールの組み立て図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるLEDモジュールの断面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図1のハウジングのアレイの斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図1のハウジングにLEDを設置している斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるLEDを有するハウジングの斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体とレンズとを各々有するハウジングのサンプルアレイの斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイの一例のハウジングの底面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイの一例のハウジングの底面の平面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイの別の一例のハウジングの底面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイの別の一例のハウジングの底面の平面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイのハウジングへとLEDを設置する際の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図7のアレイのハウジングへとLEDを設置した後の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図11のLEDが設置されたアレイの背面に金属片のアレイを結合した後の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図12のアレイから切り離された一つのサンプルLEDモジュールの断面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図12のアレイから切り離された一つのサンプルLEDモジュールの底面の平面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるレンズのサンプルアレイの斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図15のアレイ中の一つのサンプルレンズの断面図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体のアレイの上面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体のアレイの下面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図15レンズのアレイと図17のハウジングのアレイとの結合から成る複合アレイであって、当該複合アレイのハウジングへLEDが設置された状態の同複合アレイの下面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図19のアレイから切り離された一つのサンプルLEDモジュールの上面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図19のアレイから切り離された一つのサンプルLEDモジュールの下面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による図21のLEDモジュールの背面に結合される金属パッドのアレイの斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例による金属パッドのアレイの上面の斜視図を例示する。 本発明の一つ以上の実施例によるハウジングへと結合された図23のアレイのうちの一つのサンプル金属パッドの下面の斜視図を例示する。
異なる図における同じ参照番号の使用は、類似のエレメント又は同一のエレメントであることを示す。
図1、図2、及び図3は、本発明の一つ以上の実施例による発光ダイオード（LED）モジュール100の分解図と、斜視した組み立て図と、組み立て後の断面図と、をそれぞれ例示する。当該モジュール100は、レンズ102と、波長変換エレメント104と、底部開口部110につながっている頂部開口部108を有するハウジング本体106と、モールド成形用のタブ114を有する金属シム112と、一つ以上のLEDダイ117を有するLED116と、を備える。
レンズ102は、従来からあるモールド成形されたガラスレンズでもよい。普通に見られるモールド成形可能なガラス材料には、B270、Pyrex（登録商標）、Tempax（登録商標）、Borofloat（登録商標）33、及びF2ガラスがある。代替的にはレンズ102は1.5又はより大きな（例えば1.7以上の）屈折率（RI）をもつ、高RIのガラス（例えばS-LAH51）、サファイヤ、キュービックジルコニア、又はダイヤモンドなどの別の材料でもよい。波長変換エレメントがレンズに取り付けられない場合、レンズ102は1.4以上のRIをもつハードシリコーン若しくはソフトシリコーンから製造されてもよい。レンズ102はドーム状の形状を有するか、又はドーム状でなければ、光を波長変換エレメント104及びLEDダイ116から取り出すのを助ける形状をもつ。
波長変換エレメント104がレンズ102の底面に固定される。波長変換エレメント104は、所望の色を提供するためにLEDダイ117の発光スペクトルを変更する。波長変換エレメントは米国特許公報US7,361,938に記載されているような一つ以上のセラミック蛍光体の板でもよく、当該米国特許公報が本願明細書に共通に割り当てられ、参照されて組み込まれる。波長変換エレメント104が、米国特許公開公報USXX/XXX，XXXに記載されている高屈折率の接着剤によってレンズ102の底面に固定されてもよい。当該米国特許公開公報は、題名が「窓エレメントを組み込んだモールド成形されたレンズ」であり、本願明細書と並行して出願され、出願人整理番号PH012893US1をもち、共通に割り当てられ、参照されて組み込まれる。
ハウジング本体106は、波長変換エレメント104を備えたレンズ102を収容するための凹部118と頂部開口部108とを含む。波長変換エレメント104が完全に頂部開口部108を覆うように、レンズ102がハウジング本体106に位置合わせされる。レンズ102が、位置合わせを維持するために凹部118へと結合される。接着剤がレンズ102の底部、凹部118、又は両方に塗布されてもよい。当該接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。クランプ120が凹部118の周囲に配置されている。クランプ120はレンズ102の縁部又はフランジ122を固定するために、熱カシメと呼ばれるプロセスにて塑性変形される。レンズ102がハウジング本体106に結合され且つ固定されるので、レンズがハウジング本体から外れることはないであろう。レンズ102がハウジング本体106に固定されるので、レンズのサイズがLED116のサブマウントのサイズによって限定されることはない。例えば、レンズ102がLED116の上面よりも大きな底面をもってもよい。ハウジング本体106は、従来からあるモールド成形された白いプラスチックでもよい。例えばハウジング本体106は、DuPont社のZytel（登録商標）、Solvay Advanced Polymers社のAmodel（登録商標）などのポリフタルアミド（PPA）か、又は液晶ポリマ（LCP）でもよい。
ハウジング本体106において頂部開口部108は底部開口部110よりも小さいので、底部開口部の天井部分が、頂部開口部の外周の周りにストッパ302（図3及び図5参照）を形成する。当該ストッパ302は、LED116が底部開口部110にどの程度深く着座するか、及び当該LEDが底部開口部からどの程度突出するかを規定する。LED116が底部開口部110内に設置され、波長変換エレメント104とストッパ302とに結合される。LEDが設置される前に、接着剤が波長変換エレメント104の底部、LED116の上部、又は両方に塗布される。接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。LEDダイ117に損傷を与えること無く接着剤602（図6参照）が膨張又は収縮できるよう、一つ以上の接着剤オーバーフローチャネル502（図5参照）がストッパ302に規定されている。
LED116上のLEDダイ117が頂部開口部108に僅かに突出するか、又は波長変換エレメント104が底部開口部110に僅かに突出する。どちらの場合でも、接着剤で満たされた小さなギャップが波長変換エレメント104の底部とLEDダイ117の最上部との間に存在する。LEDダイ117から波長変換エレメント104へと光を取り出すため、並びにLEDダイ及び波長変換エレメントからの何らかの端部発光も防ぐために、頂部開口部108及び底部開口部110の側壁は、反射性か又は散乱性である。
LEDダイ117が、（概して参照番号116により示されている）サブマウント又はインターポーザ上に載置される。各々のLEDダイは、n型層、n型層の上にある（一般に「活性領域」と呼ばれる）発光層、及び発光層の上にあるp型層を備える。サブマウントは、LEDダイ117の金属パターンのサブマウント上（オン・サブマウント）再配線又は貫通ビアを備えた基板を含む。サブマウントはLEDダイ117を直列又は並列に接続するか、金属接続のパッドのパターンを適切に再配線するか、又は両方を行う。サブマウントは、LED116の背面にある二つ以上の接続パッド304（図3及び図5参照）を含んでいる。
金属シム112がハウジング本体106とインサート・モールド成形される。金属シム112は一体構造を形成するために、ハウジング用の材料が流れて通過できる孔を備えたモールド成形用のタブ114を有する。金属シム112は、金属接続パッドをハウジング本体106の底部に形成する。ハウジング本体106の（概して参照番号112により示されている）接続パッドは、LED116の接続パッド304（図3及び図5参照）がモジュール100をPCBなどの基板へと固定するのを助ける。
モジュール100は以下のように製造される。レンズ102が個々にモールド成形されるか、又はアレイの状態でモールド成形され、次に個々のレンズへと切り離される。図4に示すように、（1個のみがラベル付けされた）ハウジング本体106のアレイ400が、（1個のみがラベル付けされた）シム112のアレイと共にインサート・モールド成形される。アレイ400はどのようなサイズでもよく、より簡単な取り扱い及び加工のために、大きなアレイがより小さなアレイへと（例えば鋸で）切り離されてもよい。個々のレンズ102がアレイ400のハウジング本体106へと結合され、熱カシメされる。図5に示すように、アレイ400がひっくりかえされ、個々のLED116が底部開口部110に設置されて、ハウジング106と結合されてもよい。
図7は、本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体とレンズとを各々もっているハウジング702の（1個のみがラベル付けされた）サンプルアレイ700を例示する。アレイ700は、従来からあるモールド成形されたガラスでもよい。知られているモールド成形可能なガラス材料には、B270、Pyrex（登録商標）、Tempax（登録商標）、Borofloat（登録商標）33、及びF2ガラスがある。代替的には、アレイ700が1.5又はより大きな（例えば1.7以上の）RIを有する、サファイヤ、ダイヤモンド、アルミナ、又はキュービックジルコニアなどの別の高インデックス材でもよい。アレイ700は1.4又はより大きなRIを有するハードシリコーン若しくはソフトシリコーンで作られてもよい。アレイ700はどのようなサイズでもよく、より簡単な取り扱い及び加工のために、大きなアレイがより小さなアレイへと（例えば鋸で）切り離されてもよい。
図8A及び図8Bは、本発明の一つ以上の実施例によるアレイ700の一つのサンプルハウジング702の底面の斜視図及び底面の平面図をそれぞれ例示する。ハウジング702は、LEDを収容するための底部開口部804と、ハウジング本体の上にあるレンズ806とを規定しているハウジング本体802を含む。ハウジング本体802は、四つの着座（ランディング）パッド/角部（コーナー）ストッパ808（図8B参照）を底部開口部804に備えている。角部ストッパ808は、LEDの上面とレンズ806の底面との間に空隙1304（図13参照）を提供する。角部ストッパ808は、LEDが底部開口部204にどの程度深く着座するか、及びLEDが底部開口部からどの程度突出するかも規定している。レンズ806はドーム状の形状を有するか、又はドーム状でなければ、光をLEDから取り出すのを助ける形状をもつ。レンズ806はハウジング本体802の一部であるので、レンズのサイズがLEDのサブマウントのサイズにより限定されることはない。例えば、レンズ806はLEDの上面よりも大きな底面をもってもよい。
図9A及び図9Bは、本発明の一つ以上の実施例による代替実施例のハウジング702（これ以降ハウジング902と呼ぶ）の底面の斜視図及び底面の平面図をそれぞれ例示する。ハウジング902はLEDを収容するための底部開口部904と、ハウジング本体の上にあるレンズ806とを規定しているハウジング本体802を含む。ハウジング702とは異なり、ハウジング902は、底部開口部904に如何なる角部ストッパも備えておらず、LEDの上面とレンズ806の底面との間に空隙がないようにLEDが開口部の天井に対して着座する。
図10は、LED1000（1個のみがラベル付けされている）が底部開口部804（図8A及び図8B参照）に設置され、ハウジング702の角ストッパ808（図8B参照）へと結合される様子を示す。LEDが設置される前に、接着剤が角部ストッパ808、LED1000の角部、又は両方に塗布される。接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。LED1000が図9の底部開口部904に設置され、開口部の天井に結合されてもよい。
LED1000は、サブマウント又はインターポーザ上に載置された一つ以上のLEDダイを含む。各々のLEDダイは、n型層、n型層の上にある（一般に「活性領域」と呼ばれる）発光層、及び発光層の上にあるp型層を含む。LEDデバイスの各々が、n型層の上に波長変換エレメントを備えてもよい。波長変換エレメントは、所望の色を提供するためにLEDデバイスの発光スペクトルを変更する。波長変換エレメントは一つ以上の蛍光体の層か、又は一つ以上のセラミック蛍光体の板である。当該セラミック蛍光体の板が米国特許公報US7,361,938に記載されており、本願明細書に共通に割り当てられ、参照されて組み込まれる。端部発光を減じるために、LEDデバイスの端部が側面コーティングによって覆われてもよい。
サブマウントは、LEDダイの金属パターンのサブマウント上（オン・サブマウント）再配線又は貫通ビアを備えた基板を含む。サブマウントは、LEDダイを直列又は並列に接続する役割もある。サブマウントは、LED1000の背面上にある二つ以上の接続パッド1002を含んでいる。
図11は、LED1000が全て取り付けられたハウジング702を有するアレイ700を示す。図12は、アレイ700の背面に結合された金属片のアレイ1200を示す。当該金属片は格子パターンを形成している。二つのアレイを結合するために、接着剤がアレイ700、アレイ1200、又は両方に塗布される。接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。複合アレイは次に、個々のLEDモジュールを形成するために切り離される。
図13及び図14は、本発明の一つ以上の実施例による複合アレイから切り離されたモジュール1300の一例の、側面の断面図及び底面の平面図をそれぞれ例示する。一旦切り離されると、アレイ1200の金属片は各ハウジング702の周辺部に沿って一つ以上の接続パッド1302を形成する。ハウジング702の接続パッド1302は、LED1000の接続パッド1002がモジュール1300をPCBなどの基板に固定するのを助ける。
一体化されたハウジング本体とレンズとを有するハウジングの代わりに、本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体とレンズとが別々のアレイで製造され、次に一緒に結合されてもよい。図15は、本発明の一つ以上の実施例によるレンズ1502（1個のみがラベル付けされている）のサンプルアレイ1500を例示する。アレイ1500は、従来からあるモールド成形されたガラスでもよい。知られている成形可能なガラス材料には、B270、Pyrex（登録商標）、Tempax（登録商標）、Borofloat（登録商標）33、及びF2ガラスがある。代替的には、アレイ1500は1.5又はより大きな（例えば1.7以上）のRIを有する、サファイヤ、ダイヤモンド、アルミナ、又はキュービックジルコニアなどの別の高インデックス材でもよい。アレイ1500が1.4又はより大きなRIを有するハードシリコーン若しくはソフトシリコーンで作られてもよい。アレイ1500はどのようなサイズでもよく、より簡単な取り扱い及び加工のために、大きなアレイがより小さなアレイへと（例えば鋸で）切り離されてもよい。
図16は、本発明の一つ以上の実施例によるアレイ1500の1個のサンプルレンズ1502の側面の断面図を例示する。レンズ1502はレンズ部1602と、平らな底面1606をもつマウント部1604とを備えている。レンズ部1602はドーム状の形状を有するか、又はドーム状でなければ、光をLEDから取り出すのを助ける形状をもつ。
図17は、本発明の一つ以上の実施例によるハウジング本体1702（1個のみがラベル付けされている）のアレイ1700の平面図を例示する。ハウジング本体1702は、レンズ1502を収容するための平坦な上面1704を有する。図18は、ハウジング本体1702（1個のみがラベル付けされている）のアレイ1700の下面図を例示する。ハウジング本体1702の各々が、4箇所の着座パッド/角部ストッパ1804を有する底部開口部1802を規定している。角部ストッパ1804は、LEDの上面とレンズ1502（図15及び図16参照）の底面1606（図16参照）との間に空隙を提供する。角部ストッパ1804は、LEDが底部開口部1802（図18参照）にどの程度深く着座するか、及びLEDが底部開口部からどの程度突出するかも規定している。アレイ1700は、従来からあるモールド成形された白いプラスチックでもよい。例えばアレイ1700は、DuPont社のZytel（登録商標）、Solvay Advanced Polymers社のAmodel（登録商標）などのポリフタルアミド（PPA）か、又は液晶ポリマ（LCP）でもよい。アレイ1700はどのようなサイズでもよく、より簡単な取り扱い及び加工のために、大きなアレイがより小さなアレイへと（例えば鋸で）切り離されてもよい。
図19は、ハウジング1902（1個のみがラベル付けされている）の複合アレイ1900を形成するために、アレイ1500及びアレイ1700が結合され、LED1000が底部開口部1802（図18参照）に設置され、ハウジング本体1702（図17及び図18参照）の角部ストッパ1804（図18参照）に結合されている様子を示す。LEDを設置する前に、接着剤が角ストッパ1804、LED1000の角部、又は両方に塗布される。接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。複合アレイ1900は次に、個々のLEDモジュールを形成するために切り離される。
図20及び図21は、本発明の一つ以上の実施例による複合アレイ1900から切り離されたLEDモジュール2000の一例の、側面の断面図及び底面の平面図をそれぞれ例示する。レンズ1502がハウジング本体1702に固定されるので、レンズがハウジング本体から外れることはないであろう。レンズ1502がハウジング本体1702へと固定されるので、レンズのサイズがLED1000のサブマウントのサイズにより限定されることはない。例えば、ドーム状のレンズ102がLED116の上面よりも大きな底面を有してもよい。図22は、LEDモジュール2000の底部に結合される金属接続パッド2202を示す。これらを一緒に結合するために、接着剤がモジュール2000、接続パッド2202、又は両方に塗布される。接着剤はシリコーン接着剤、エポキシ接着剤、又は別の接着剤でもよい。代替的には、個々のモジュールを形成するために複合アレイが切り離される前に、金属パッド2202のアレイ2200が複合アレイ1900の背面に結合される。
上記したモジュールの背面の金属接続パッドが、本発明の一つ以上の実施例によるLEDを保持するタブを備えてもよい。図23は、本発明の一つ以上の実施例による金属接続パッド2302（1個のみがラベル付けされている）のアレイ2300を示す。アレイ2300はどのようなサイズでもよく、より簡単な取り扱い及び加工のために、大きなアレイがより小さなアレイへと（例えば鋸で）切り離されてもよい。図24は、ハウジング902と結合又はインサート・モールド成形された接続パッド2302の一例の拡大図を例示する。接続パッド2302は、LEDを収容し且つ位置決めするための案内を規定する一つのまっすぐな垂直タブ2402と、二つのL字状の垂直タブ2404とを備えている。案内タブ2402、同2404を接続パッド2302に具備することによって、LEDは、アレイ2300がハウジングのアレイと一貫して位置決めされている限りはLEDモジュールからLEDモジュールへと一貫して位置決めされることができる。接続パッド2302がハウジング702、同1902と共に用いられてもよい。
開示された実施例の特徴の様々な他の改作及び組合せは本発明の範囲内である。多数の実施例が以下の請求項に含まれる。

Claims (5)

  1. ハウジング本体であり、
    凹部、
    前記凹部内の頂部開口部、
    前記凹部の周囲に配置されたクランプ、及び
    前記頂部開口部へつながっている底部開口部であり、接着剤オーバーフローチャネルを画成する天井部を有する底部開口部、
    を有するハウジング本体と、
    前記ハウジング本体の底部にボンドパッドを形成する金属シムであって、前記ハウジング本体とインサート成形された金属シムと、
    レンズと、
    前記レンズの底部に固定されたセラミック蛍光体プレートと、
    サブマウントと、該サブマウント上にマウントされた１つ以上のLEDダイとを有するLEDであり、各LEDダイが、n型層、発光層及びp型層を有し、前記サブマウントが底部パッドを有する、LEDと、
    を有し、
    前記クランプが、塑性変形して、前記凹部に受け入れられた前記レンズを固定しており、
    前記セラミック蛍光体プレートが前記頂部開口部を完全に覆うよう、前記レンズが前記ハウジング本体に位置合わせされており、
    前記サブマウントが前記底部開口部内に完全に着座している、
    ことを特徴とする発光ダイオード(LED)モジュール。
  2. 一つ以上の前記頂部開口部及び前記底部開口部が反射性の側壁又は拡散性の側壁を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  3. 前記レンズが前記LEDの上面よりも大きな底面をもつ、ことを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  4. 前記金属シムが、前記LEDを受け入れて位置決めするためのガイドを画成する垂直なタブを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  5. 前記ハウジング本体が、前記底部開口部内に４つのコーナーストッパを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
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