JP2019530232A - Ｕｖ ｌｅｄアレイのための厚膜層を含む放熱板およびｕｖ ｌｅｄアレイを形成する方法 - Google Patents

Ｕｖ ｌｅｄアレイのための厚膜層を含む放熱板およびｕｖ ｌｅｄアレイを形成する方法 Download PDF

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Abstract

紫外線ＬＥＤアレイを提供する。前記紫外線ＬＥＤアレイは放熱板を含む。前記放熱板は、（ｉ）ベース放熱板要素、および（ｉｉ）ベース放熱板要素に適用した厚膜層、を含む。前記紫外線ＬＥＤアレイは、前記放熱板の前記厚膜層に直接連結した、複数の紫外線ＬＥＤ要素も含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年９月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／３９５，６９０号の利益を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、紫外線発光ダイオード（紫外線（ＵＶ）ＬＥＤ）アレイのための基板に関し、更に具体的には、本発明は紫外線（ＵＶ）ＬＥＤアレイのための厚膜層を含む、放熱板に関する。
紫外線ＬＥＤ（別名ＵＶ ＬＥＤまたは紫外線ＬＥＤ）は、多くの用途（例えば紫外線硬化用途（例えば、インクの紫外線硬化、接着剤など結合剤、コーティングなど））に関連して使用される。ＵＶ ＬＥＤ（紫外線（ＵＶ）ＬＥＤダイ（例えば、むき出しのＵＶ ＬＥＤダイ、パッケージ化したＵＶ ＬＥＤダイなど）と称され得る）は、基板に取り付けられて、紫外線ＬＥＤアレイ（また、ＵＶ ＬＥＤアレイと呼ばれる）を形成する。
紫外線ＬＥＤの用途の１つの問題は、アレイからの熱の除去である。放熱板は通常、熱の除去に関連して使用される。従来の放熱板構成を含む、紫外線ＬＥＤアレイ１００を図１に示す。
図１の構成で、複数の紫外線ＬＥＤダイ１１２（群として示される）は、基板１１０（例えば、ＦＲ４基板、窒化アルミニウム基板）に取り付けられる。はんだペースト層１０８（例えば、インジウム層）は、基板１１０と金メッキの銅板１０６の間に提供される。熱パッド１０４は、金メッキの銅板１０６と放熱板１０２の間に提供される。放熱板１０２は、例えば、空冷のためのフィンを含むアルミニウム放熱板でもよい。
図１の紫外線ＬＥＤアレイ１００に含まれる種々の層のため、比較的高い耐熱性が存在し、それによって、紫外線ＬＥＤダイ１１２から放熱板１０２への熱除去を不所望に非効率にする。
したがって、改善した放熱板を紫外線ＬＥＤアレイに提供することが望ましい。
本発明の例示的実施形態によれば、紫外線ＬＥＤアレイが提供される。紫外線ＬＥＤアレイは放熱板を含む。放熱板は、（ｉ）ベース放熱板要素、および（ｉｉ）ベース放熱板要素に適用した厚膜層、を含む。紫外線ＬＥＤアレイは、放熱板の厚膜層に直接連結した、複数の紫外線ＬＥＤ要素も含む。
本発明の例示的実施形態によれば、紫外線ＬＥＤアレイを形成する方法が提供される。本方法は、（ａ）厚膜層をベース放熱板要素の表面に選択的に適用することと；（ｂ）放熱板を形成するために、ベース放熱板要素およびベース放熱板要素に適用した厚膜層を焼成することと；（ｃ）複数の紫外線ＬＥＤ要素を放熱板の厚膜層に直接取り付けることと；を含む。
本発明の更に別の例示的実施形態によれば、紫外線ＬＥＤアレイを形成する別の方法が提供される。本方法は、（ａ）厚膜誘電体層をベース放熱板要素の表面に選択的に適用することと；（ｂ）工程（ａ）でベース放熱板要素の表面に適用した厚膜誘電体層に、厚膜導電層を選択的に適用することと；（ｃ）工程（ｂ）の厚膜誘電体層の表面に適用した厚膜導電層に、はんだマスク層を選択的に適用することと；（ｄ）複数のＵＶ ＬＥＤ要素をはんだマスク層に取り付けることと；を含む。
本発明は、添付の図面と共に読むと、以下の詳細な説明から最も深く理解される。一般的な慣行に従い、図面の種々の特徴は縮尺どおりではないことを強調する。反対に、種々の特徴の寸法は、明瞭さのために任意で拡大されるか、または縮小されている。
従来の紫外線ＬＥＤアレイの分解斜視図である。 本発明の例示的実施形態による、紫外線ＬＥＤアレイの分解斜視図である。 本発明の別の例示的実施形態による、別の紫外線ＬＥＤアレイの分解斜視図である。 図２の紫外線ＬＥＤアレイのアセンブリを示す、一連のブロック図である。 図２の紫外線ＬＥＤアレイのアセンブリを示す、一連のブロック図である。 図２の紫外線ＬＥＤアレイのアセンブリを示す、一連のブロック図である。 図２の紫外線ＬＥＤアレイのアセンブリを示す、一連のブロック図である。 図２の紫外線ＬＥＤアレイのアセンブリを示す、一連のブロック図である。 本発明の例示的実施形態による、紫外線ＬＥＤアレイを組み立てる方法を示すフロー図である。 本発明の例示的実施形態による、紫外線ＬＥＤアレイを組み立てる方法を示すフロー図である。
本明細書で使用する場合、「紫外線ＬＥＤ要素」および「ＵＶ ＬＥＤ要素」という用語は、これに限定されないが、基板に接続している紫外線ＬＥＤダイ（例えば、むき出しのダイ、パッケージ化したダイなど）を含む、任意の紫外線ＬＥＤ光生成要素に関連すると幅広く解釈されることを目的としている。本発明の例示的実施形態に従って、紫外線ＬＥＤ要素は、放熱板が基板として作用するように、放熱板に直接取り付けられる（例えば、はんだペーストを使用）。放熱板は、空冷式の紫外線ＬＥＤランプヘッドの一部でもよい。
すなわち、本発明の特定の例示的実施形態に従って、導電および絶縁ペーストは、熱的、絶縁および電気特性を空冷式の紫外線ＬＥＤランプヘッドに提供する。厚膜技術は、例えば図１に示すように在来工法と比較して、紫外線ＬＥＤアレイの構造を単純化するために使用できる。厚膜堆積技術を使用して、紫外線ＬＥＤ要素が取り付けられる放熱板および基板を組み合わせる、モノシリック構造を作成できる。このようなモノリシック構造は低い耐熱性を提供し、それは、放熱板（例えば、空冷式放熱板）を使用して熱の効果的な除去を可能にする。
改善した放熱板／基板は、例えば図１に示すように、在来工法と比較して改善した機械的、熱的および電気経路を提供する。本発明の方法を使用して、より少ない部品を備える紫外線ＬＥＤアレイと改善した熱経路を組み立てる、より効率的な方法を提供する。ベース放熱板要素に適用する厚膜ペースト（例えば、ベース放熱板要素は、アルミニウムまたは他の放熱材から形成されることができる）は、ベース放熱板要素のそれに非常に近い（または、実質的に同等の）熱膨張率を望ましくは有することができる。ベース放熱板要素と類似している厚膜層（一連の層としてベース放熱板要素に適用されることができる）の熱膨張率によって、装置（装置のはんだ接合部を含む）の故障のリスクは低下する。
図２は、分解図の紫外線ＬＥＤアレイ２００を示す。紫外線ＬＥＤアレイ２００は、ベース放熱板要素２０２（例えば、空冷用のための冷却リッジまたはフィン２０２ａを含む、アルミニウム要素など）を含む放熱板と、ダイ接着ＬＥＤ２０６（すなわち、放熱板に適用される複数の紫外線ＬＥＤ要素（例えば、むき出しの紫外線ＬＥＤダイ要素またはパッケージ化した紫外線ＬＥＤダイ要素））に最も近いベース放熱板要素２０２の表面に適用される厚膜層２０４と、を含む。厚膜層２０４は、例えば、印刷（例えば、スクリーン印刷、シルクスクリーン印刷など）技術などを使用して、選択的に適用されることができる。後で更に詳細に述べるように、厚膜層２０４は、複数の印刷工程および／または他の処理工程を通して、一連の層に適用されることができる。
図２で、複数の紫外線ＬＥＤ要素２０６は群として示されるが、紫外線ＬＥＤ要素２０６は、任意の望ましい方法（例えば、一度に１つの要素、「ギャング」ボンディングまたは接着処理で一度に複数の要素など）で適用され得ることは理解されるであろう。図２は、複数の紫外線ＬＥＤ要素２０６とベース放熱板要素２０２の間に適用される厚膜層２０４を示す。
図３は、本発明の紫外線ＬＥＤアレイ３００の別の例示的な構成を示す。紫外線ＬＥＤアレイ３００は、ベース放熱板要素３０２を含み、それは放熱板に適切なアルミニウムまたは別の材料により形成されることができる。図３が簡略化されたベース放熱板要素を示す一方で、ベース放熱板要素が任意の所望の構成（例えば、空冷式のリッジ／フィンなどを含む）を有し得ると理解されている。厚膜層３０４は、ベース放熱板要素に選択的に適用されることになっている（例えばスクリーン印刷技術を使用して）。厚膜層３０４は、例えばプリント導電経路／トレースが、放熱板に取り付けられる複数の紫外線ＬＥＤ要素と整列配置するように、所望の導電経路を有するために印刷されることができる。
厚膜層３０４がベース放熱板要素３０２に適用されて、それから硬化／焼成（例えば、オーブンなどで）された後、放熱板が提供される。放熱板は、複数の紫外線ＬＥＤ要素３０６を受けるように構成される基板として作用するように構成される。紫外線ＬＥＤ要素３０６は、はんだペースト３０６ｂを使用して、放熱板（すなわち、放熱板の厚膜部分）に取り付けられる。図３に示されるように、はんだペースト３０６ｂは、放熱板に取り付けの前に紫外線ＬＥＤ要素のそれぞれの裏面に適用されることができる。
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の態様に従って、紫外線ＬＥＤアレイ２００（例えば図２の分解図に示されるアレイ２００）を組み立てる例示的な方法を示す、一連のブロック図である。図４Ａで、ベース放熱板要素２０２を提供する。誘電体層２０４ａは、例えばスクリーン処理（例えば、シルクスクリーン処理など）を使用して、ベース放熱板要素２０２の表面に適用される。図４Ａの誘電体層２０４ａの適用後、図４Ｂに示すように導電層２０４ｂが適用される。例えば、導電層２０４ｂは、誘電体層２０４ａ（ベース放熱板要素２０２に適用された）上へ、スクリーン処理（例えば、シルクスクリーン処理など）を使用して適用されることができる。図４Ｂの導電層２０４ｂの適用後、図４Ｃに示すように、はんだマスク層２０４ｃが適用される。例えば、はんだマスク層２０４ｃは、スクリーン処理（例えば、シルクスクリーン処理など）を使用して、導電層２０４ｂ（ベース放熱板要素２０２に適用された誘電体層２０４ａに適用された）上へ適用されることができる。
例示の厚膜（すなわち、誘電体層２０４ａ、導電層２０４ｂおよびはんだマスク層２０４ｃ）を含む３つの層の適用後、放熱板（ベース放熱板要素２０２ならびに３つの適用した層２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃを含む）は、３つの層２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃがここで厚膜層２０４と称するものを形成するように、硬化／焼成されることができる（例えば、オーブンなどで）（例えば、図４Ｄを参照）。次に図４Ｄに示すように、複数の紫外線ＬＥＤ要素２０６は、ここで硬化した厚膜層２０４上へ適用される。紫外線ＬＥＤ要素２０６（はんだペースト（簡略化のために示さず）を含むことができる）は、任意の望ましい方法（例えば、ピックアンドプレイス処理で一度に１要素、ギャングボンディング／接着処理など）で適用され得る。図４Ｅは、（ｉ）放熱板（ベース放熱板要素２０２およびベース放熱板要素に適用した厚膜層２０４を含む）、および（ｉｉ）複数の紫外線ＬＥＤ要素２０６を含む、完全に組み立てられた紫外線ＬＥＤアレイ２００を示す。
図５〜図６は、本発明の特定の例示的実施形態によるフロー図である。当業者によって理解されているように、フロー図に含まれる特定の工程は省略できる、特定の追加工程を加えることができる、および工程の順序は示した順番から変えることができる。
図５は、提供される紫外線ＬＥＤアレイを形成する方法を示す。工程５００で、厚膜層は、ベース放熱板要素（例えば、空冷のための冷却リッジ／フィンを含む、アルミニウム放熱板要素）の表面に、選択的に適用される（例えばスクリーン印刷などを使用して）。例えば、厚膜層は、図４Ａ〜図４Ｄに関連して上記の技術を使用して適用されることができる。工程５０２で、ベース放熱板要素、およびベース放熱板要素に適用した厚膜層は、放熱板を形成するために焼成される。そうして、モノリシック構造（例えば、ベース放熱板要素２０２および厚膜層２０４を含む、図４Ｄに示す放熱板）が提供され、それは、基板（複数の紫外線ＬＥＤ要素を受ける）および放熱板（複数の紫外線ＬＥＤ要素によって発生する熱を除去する）として機能する。工程５０４で、複数の紫外線ＬＥＤ要素（例えば、図４Ｄに示す紫外線ＬＥＤ要素２０６）は、例えばはんだペースト（例えば、インジウムはんだペースト）を使用して、放熱板の厚膜層に直接取り付けられる。
図６は、紫外線ＬＥＤアレイを形成する別の方法を示す。工程６００で、厚膜誘電体層は、ベース放熱板要素の表面に選択的に適用される（例えば、図４Ａのベース放熱板要素２０２の表面に適用される層２０４ａを参照のこと）。工程６０２で、それに適用した厚膜誘電体層を備えるベース放熱板要素を、焼成する（例えば、オーブンでの硬化など）。工程６０４で、厚膜導電層は、工程６００でベース放熱板要素の表面に適用した厚膜誘電体層に選択的に適用される（例えば、図４Ｂの層２０４ａに適用される層２０４ｂを参照のこと）。工程６０６で、それに適用した厚膜誘電体層および厚膜導電層を備えるベース放熱板要素を、焼成する（例えば、オーブンでの硬化など）。工程６０８で、はんだマスク層は、工程６０４で厚膜誘電体層に適用した厚膜導電層に選択的に適用される（例えば、図４Ｃの層２０４ｂに適用される層２０４ｃを参照のこと）。工程６１０で、それに適用した厚膜誘電体層および厚膜導電層およびはんだマスク層を備えるベース放熱板要素を、焼成する（例えば、オーブンでの硬化など）。工程６１０が完了した後、ベース放熱板要素（例えば、図４Ａに示す要素２０２）およびそれに適用した厚膜層（例えば、図４Ａ〜図４Ｃの層２０４ａ、２０４ｂおよび２０４ｃを含む厚膜層２０４）を含む、放熱板が形成される。工程６１２で、複数のＵＶ ＬＥＤ要素は、放熱板（例えば、図４Ｅの厚膜層２０４に適用した）の厚膜に取り付けられる。具体的には、複数のＵＶ ＬＥＤ要素は、はんだマスク層に（または、厚膜層のはんだマスク層によって厚膜層に）直接取り付けられるとして考えることができる。
多くの利点は、本発明の種々の例示的実施形態によって得られる。最初に利点は、従来の紫外線ＬＥＤアレイアセンブリで利用される、いくつかのアセンブリ部品を省略できることで提供される。モノリシック構造、そこに放熱板機能および基板機能が単一の放熱板要素内に組み込まれており、それによって改善された機械的、熱的および電気経路を可能にする。具体的には、例えば、本発明のインタフェースが実質的に減少した厚み（例えば、ミル対マイクロメートル程度）を有することができるので、従来の放熱板インタフェースと比較して改善された熱的性能が提供される。
厚膜層を形成するために使用するペーストは、ベース放熱板要素のそれに非常に近似した熱膨張率（例えば、アルミニウムの熱膨張率に近い）を望ましくは有することができる。厚膜技術は、例えばｐｃｂ製造のための業界の標準的な技術を使用して適用でき、したがって大量生産、および自動化さえできる。このような簡略化した製造方法は、層を一緒に結合するための重要な手動工程を必要とする、従来設計の「多層スタック」とは著しく対照的である。
本発明の紫外線ＬＥＤアレイ（例えば図２〜図４に示す）と比較して、従来の紫外線ＬＥＤアレイ（例えば図１に示す）を試験することは、本発明の紫外線ＬＥＤアレイの特定の改善した特性を例示する。例えば、同じ電流および電圧が図１のアレイ対図２〜図４のアレイに加えられるとき、本発明のアレイのピーク温度は従来のアレイより非常に低い（例えば、約２０℃低い）。このようなより低い温度は、本発明の紫外線ＬＥＤアレイが、より高い電力出力（したがって、紫外線ＬＥＤアレイから出るより高い紫外線出力）で作動するのを可能にする。
紫外線ＬＥＤアレイに関する特定の詳細が、簡略化のために本明細書で省略されていることは、当業者には理解されるであろう。例えば、紫外線ＬＥＤアレイは、放熱板上の紫外線ＬＥＤ要素のそれぞれにおける電気接触領域（例えば、トレース、パッドなど）を含む。
本発明は、主に紫外線ＬＥＤアレイアセンブリに関して本明細書に例示かつ記載されているが、それには制限されない。例えば、本発明の教示は、熱管理を利用する高電流ドライバーアセンブリにも用途を有する。
本発明は、本明細書で具体的な実施形態を参照して例示および記載されているが、示されている細部に本発明を限定することを意図するものではない。むしろ、本発明の趣旨内および特許請求の範囲の相当物の範囲内で、ならびに本発明から離れることなく、細部における様々な変更が行われてよい。

Claims (20)

  1. 紫外線ＬＥＤアレイであって、
    （ｉ）ベース放熱板要素および（ｉｉ）前記ベース放熱板要素に適用した厚膜層を含む放熱板と、
    前記放熱板の前記厚膜層に直接連結した複数の紫外線ＬＥＤ要素と、
    を含む紫外線ＬＥＤアレイ。
  2. 前記複数の紫外線ＬＥＤ要素は、はんだペーストを使用して前記放熱板の前記厚膜層に直接連結している、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  3. 前記はんだペーストは、インジウムを含む、
    請求項２に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  4. 前記複数の紫外線ＬＥＤ要素は、導電性エポキシを使用して前記放熱板の前記厚膜層に直接連結している、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  5. 前記ベース放熱板要素は、アルミニウムである、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  6. 前記ベース放熱板要素および前記厚膜層の熱膨張率は、実質的に同一である、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  7. 前記厚膜層は、スクリーン処理を使用して前記ベース放熱板要素に適用される、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  8. 前記ベース放熱板要素および前記厚膜層を含む前記放熱板は、前記ベース放熱板要素への前記厚膜層の適用の後、焼成される、
    請求項７に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  9. 前記紫外線ＬＥＤアレイは、空冷式のＵＶ ＬＥＤランプヘッドである、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  10. 前記複数の紫外線ＬＥＤ要素は、むき出しの半導体ダイＬＥＤ要素である、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  11. 前記複数の紫外線ＬＥＤ要素は、パッケージ化した半導体ダイＬＥＤ要素である、
    請求項１に記載の紫外線ＬＥＤアレイ。
  12. 紫外線ＬＥＤアレイを形成する方法であって、前記方法は、
    （ａ）厚膜層をベース放熱板要素の表面に選択的に適用するステップと、
    （ｂ）前記ベース放熱板要素および前記ベース放熱板要素に適用した前記厚膜層を、放熱板を形成するために焼成するステップと、
    （ｃ）複数の紫外線ＬＥＤ要素を前記放熱板の前記厚膜層に直接取り付けるステップと、
    を含む方法。
  13. 前記ステップ（ｃ）は、前記複数のＵＶ ＬＥＤ要素を、はんだペーストを使用して前記放熱板の前記厚膜層に直接取り付けるステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ステップ（ｃ）は、前記複数のＵＶ ＬＥＤ要素を、インジウムを含むはんだペーストを使用して前記放熱板の前記厚膜層に直接取り付けるステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
  15. 前記ステップ（ｃ）は、前記複数のＵＶ ＬＥＤ要素を、導電性エポキシを使用して前記放熱板の前記厚膜層に直接取り付けるステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
  16. 前記ステップ（ａ）は、前記厚膜層を、スクリーン処理を使用して前記ベース放熱板要素の前記表面に選択的に適用するステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
  17. 前記形成した紫外線ＬＥＤアレイは、空冷式のＵＶ ＬＥＤランプヘッドである、
    請求項１２に記載の方法。
  18. 前記ステップ（ａ）は、
    （ａ１）前記ベース放熱板要素の前記表面に誘電体層を適用するステップと、
    （ａ２）前記誘電体層に導電層を適用するステップと、
    （ａ３）前記導電層にはんだマスクを適用するステップと、
    を含む一連のステップにより、前記厚膜層を前記ベース放熱板要素の前記表面に適用するステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
  19. 前記ステップ（ｃ）で取り付けた前記複数の紫外線ＬＥＤ要素は、むき出しの半導体ダイＬＥＤ要素である、
    請求項１２に記載の方法。
  20. 紫外線ＬＥＤアレイを形成する方法であって、前記方法は、
    （ａ）厚膜誘電体層をベース放熱板要素の表面に選択的に適用するステップと、
    （ｂ）前記ステップ（ａ）で前記ベース放熱板要素の前記表面に適用される前記厚膜誘電体層に、厚膜導電層を選択的に適用するステップと、
    （ｃ）前記ステップ（ｂ）で前記厚膜誘電体層の前記表面に適用される前記厚膜導電層に、はんだマスク層を選択的に適用するステップと、
    （ｄ）複数のＵＶ ＬＥＤ要素を前記はんだマスク層に取り付けるステップと、
    を含む方法。
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