JP2021114614A - 蛍光体変換ｌｅｄのための反射カップアレイを含むフラッシュモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来のフラッシュモジュールよりも薄く、かつカメラの視野のアスペクト比にもっと緊密に整合するビームを生成するLEDカメラフラッシュモジュールを提供する。【解決手段】複数のLED２０の長方形アレイが単一リードフレーム上１２に取り付けられ、リードフレームは、複数のLEDを直列に接続する。LEDは、例えば５×３アレイ又は４×３アレイ内にある。反射性カップ１８のアレイがリードフレーム上に成型され、或いはリードフレームに固着され、カップの各々が実質的に正方形開口部２４を有し、正方形サブビームを生成する。蛍光体の層が各カップ内部に位置され、関連するLEDを覆い、白色光を生成する。アレイのアスペクト比が、カメラの視野のアスペクト比（例えば１６：９）にほぼ整合するように選択される。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１４年６月１７日に出願された米国仮出願第６２／０１３０１０号に基づく優先権を主張して２０１５年６月１６日に発明の名称を「蛍光体変換LEDのための反射カップアレイを含むフラッシュモジュール」として出願された国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１５／０５４５３９の３７１条国内移行出願である。国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１５／０５４５３９及び米国仮出願第６２／０１３０１０号を参照して本明細書に引用する。本発明は、パッケージされた発光ダイオード（LEDs）に関し、特に、薄型カメラフラッシュのためのコリメーティング反射カップ又はレンズのアレイ内に取り付けられた蛍光体変換LEDダイのアレイに関する。

カメラは、スマートフォン及び比較的薄い他のデバイスにおいて広く用いられている。カメラフラッシュは、1個又は2個の蛍光体変換LEDで形成されることが多い。複数のLEDを組み合わせた面積が典型的に、所与の駆動電流パルスに対するフラッシュの瞬間的輝度を決定する。裸LEDダイはGaN系であり青色光を出射し、蛍光体が黄色成分（又は赤色及び緑色成分）を追加し、それにより蛍光体を通って漏出する青色光と蛍光体光との組み合わせが、フラッシュのための明るい白色光を生成する。

光の大部分をカメラの視野内の対象物に方向付けることを企図して光をコリメーティング（collimate）するために、カメラは典型的にフレネルレンズ又は他のタイプの成型プラスチックレンズを用いる。

レンズは、いくらかの逆反射をもたらす、これがフラッシュモジュールにより実質的に吸収される。レンズは比較的厚く、レンズの頂部からLEDダイ表面までの距離はLEDダイの占有面積（footprint）に依存する。少ない個数のLEDダイで要求される輝度を得るために比較的大きなLEDダイ寸法が用いられるので、レンズはかなり厚くならざるを得ない。さらに、レンズは概して、カメラの長方形視野に対応しない円錐形放射パターンを作る。したがって、カメラのための従来技術のLEDフラッシュモジュールは、比較的厚く、カメラの視野を越えて大きな面積を照射し、光エネルギーを浪費する。必要とされるものは、従来のフラッシュモジュールよりも薄く、かつカメラの視野のアスペクト比にもっと緊密に整合するビームを生成するLEDカメラフラッシュモジュールである。

カメラのための薄いフラッシュモジュールが、小さい複数のLEDダイのアレイを用いる。複数LEDダイの総発光面積は、所望のフラッシュ輝度を達成するための従来のフラッシュ内の１個又は２個の大きなLEDの面積と等しい大きさである。例えば、３×５アレイのLEDダイの場合、各LEDダイの寸法は、フラッシュモジュール内で用いられる従来のLEDダイの寸法の約１５分の１程度に小さくできる。

小さなLEDダイの各々が反射性カップにより包囲される。各カップの発光開口部は実質的に正方形（LEDの形状に対応する）であり、それによりフラッシュモジュールの全体ビームはほぼ正方形のサブビームのアレイで形成される。他の長方形形状又は楕円形形状も想定され、本発明の範囲内に含まれる。

カップはリードフレーム上に成型されたプラスチックカップの接続アレイに形成することができ、リードフレームのリードが、LED電極への接続のために各カップの底部で露出される。カップの壁は、銀、アルミニウム又はクロミウムなどの反射性金属膜で被覆される。リードフレームが複数のLEDを直列に又は直列と並列との組み合わせに接続する。カップは１６×９アレイ（列×行）、５×３アレイ、４×３アレイその他の寸法を形成することができ、カメラの視野のアスペクト比に大体対応することができる。例えば、もしカメラの視野アスペクト比が１６：９であれば、そのアスペクト比を十分に近似するのに、適切な反射性カップアレイは５×３であって良い。比較的に小さい端部寸法を有するLEDダイを使用することによって、各長方形カップの必要な高さ（ｚ軸高さ）及び面積をかなり小さくできる。より多くのLEDダイを用いることにより、各LEDダイをより小さくすることができ、フラッシュモジュールをより薄くすることができる。カップの高さは、従来技術で用いるコリメーティングレンズの高さよりも十分低い。

他の実施形態において、LEDダイがリードフレーム上に予め取り付けられ、そして、反射性カップ（底部にホールを有する）がリードフレームに固着され、各LEDダイを包囲する。

他の実施形態において、カップのアレイが金属シートからスタンピングされ、LEDに対面する各カップの端部をナイフエッジとすることができ、それにより、全ての光がカップの出口開口部方向へ反射される。

小さなLEDダイの２次元アレイを用いることからフラッシュモジュールの横方向寸法が従来のフラッシュモジュールよりも大きいけれども、厚さはかなり小さくなる。

一実施形態において、LEDダイはGaN系であり、青色光を放出する。光取出を増大するようなGaNと空気との間の屈折指数（index of refraction）を有する、蛍光体（例えばYAG蛍光外）とシリコーンとの混合物が、各カップ内で正確な厚さに付着され、ターゲットである白色光温度を生成する。カップの縁は蛍光体よりも高く、カップが蛍光体光をコリメーティングする。蛍光体混合物がLEDダイを封止し、湿度をブロックし、機械的支持等を与える。

他の実施形態において、LEDダイは、カップ内での取付けに先立ち、蛍光体で同一平面に被覆される。そのような実施形態において、透明な封止材（例えばシリコーン）がカップ内に付着されて、LEDダイを封止し、光取出を増大する。

さらなる特徴及び実施形態を本明細書で説明する。

本発明の一実施形態に従った複数反射カップ内の小さな複数LEDダイの２次元アレイを有するフラッシュモジュールの断面図である。各カップは正方形出口開口部を有し、アレイ寸法はカメラ視野のアスペクト比に大体対応する。 図１のアレイの、LEDダイが封止される前の、小部分の斜視図である。カップ内のLEDダイを見えるようにするために、カップは実際よりもかなり浅く描いている。 各カップからの放射プロファイルの一例を示す。プロファイルはかなりコリメーティングされていて、フラッシュモジュールによる全体的照射をカメラの視野に大体制限している。 本発明の一実施形態に従った小さなLEDダイのアレイ及びコリメーティングレンズのアレイを有するフラッシュモジュールの断面図である。アレイは、カメラ視野のアスペクト比に大体対応する寸法を有する長方形を形成する。LEDダイの小寸法のためにレンズは薄い。 カメラの長方形フラッシュモジュール及びレンズ領域を示すスマートフォンの背面図であり、フラッシュモジュールは本発明の一実施形態に従っている。 フラッシュモジュールを形成するLEDダイ及びカップの長方形アレイにより生成された理想的なフラッシュ出射プロファイルを示す。 同一の又は同様な要素には、同一の参照符号を付してある。

図１は、LEDダイのアレイ及び関連するカップを２次元アレイとして含む反射性カップパッケージ１０の断面図である。銅リードフレーム１２がシートからスタンピングされ、各反射性カップ１８の底部において金属コンタクトパッドをもたらす。LEDダイ２０のアノード及びカソードが関連するコンタクトパッド１４及び１６に接続される。リードフレーム１２が４個のLEDダイ２０を直列に接続するように図示されており、プラスチックカップ材料がリードフレーム１２の周りで成型（mold）され、個片化後のリードフレームの構造的一体性を維持する。リードフレーム１２はまた、LEDダイを直列かつ並列結合状態に接続する。単にパッケージを処理するためにリードフレームのアレイが互いに接続することができ、個々のパッケージ１０へ処理した後にリードフレームが分離（個片化）される。

銅リードフレーム１２が底部LEDダイ電極へとボンディングされるべき領域は、銅、ニッケル又は合金などの適切な金属でメッキすることができ、コンタクトパッド１４及び１６を形成できる。LEDダイ電極へのボンディングを可能にするために、金ボール、ハンダウェッティング及び、所望のその他の技法を用いることができる。LEDダイ２０はフリップチップとして図示されているけれども、LEDダイは、コンタクトパッド１４／１６にワイヤボンディングされる１個又は２個の電極を頂部表面に設けても良い。リードフレーム１２及びカップ材料は、ヒートシンクとして機能し、LEDダイ２０から熱を除去する。

LEDダイ２０がリードフレーム１２上に取り付けられる前又は後のいずれかに、プラスチックカップ１８のアレイがリードフレーム１２上に成型される。圧縮成型又は射出成型を用いることができる。好適には、プラスチックは熱伝導性である。もしプラスチックが（熱伝導度を増大させるために）金属粒子を含むことにより導電性でもあれば、リードフレーム１２のうちプラスチックと接触する部分の上には、パッド１４及び１６を互いに短絡させることを防ぐために成型工程に先立って、誘電被覆を形成する。

各カップ１８は概して方形の中央の底部２２、方形外方周辺及び方形発光開口部２４を形成する。本明細書で用いられているように、長方形の語は正方形を含む。カップ１８の形状は、LEDダイ２０の形状に対応する。LEDダイ２０が長い形状であれば、カップ１８の開口部もLEDダイ２０と同じような寸法になり、方形ではなくなる。各カップ１８の内壁２６は、付着された金属膜（例えば、銀、クロミウム、アルミニウム）などの反射性材料で被覆される。蒸着、スパッタリング、噴霧その他の技法を用いることができる。内壁２６は、直接LEDダイ光及び蛍光体光を反射し、或いはLEDダイ光のみを反射し、或いは蛍光体光のみを反射する二色性被覆（dichroic coating）などの他のタイプの膜で被覆することもできる。反射性材料は、最も狭いビームのためには鏡面反射性で良く、より広いビームのためには（白色ペイント又は白色カップ材料によるなど）拡散性であって良い。

リードフレーム１２上にカップ１８のアレイを成型する代わりに、アルミニウムなどの反射性材料から機械加工やスタンピングすることによって、カップ１８のアレイを形成することができる。金属シートからカップ１８のアレイをスタンピングすることにより、底部LEDダイ２０に対面する底部端がナイフエッジであって良く、それによりLEDダイ２０へと戻る反射は殆どないか全くない。もしカップ１８のアレイがリードフレーム１２上方に成型されないのであれば、アレイは熱導電エポキシなどの接着剤によりリードフレーム１２へと固着される。もしカップ１８のアレイが金属で形成されるならば、カップ１８のアレイとリードフレーム１２との間に誘電層が形成される。LEDダイ２０は、各カップ１８の底部の開口を通って延びる。

図１はまた、リードフレーム１２及びカップ１８を支持する基板２８を示しており、基板２８はリードフレーム１２とプリント回路板との間のインタポーザ（interposer）として機能し、熱を拡散（spread）するのに有用である。基板２８は、成型したセラミック、他の熱伝導性材料であって良い。一実施形態において、基板２８は、成型プラスチックであり、リードフレーム１２上方に成型されたプラスチック１８との一体部分をなし、カップ１８の一部である。他の実施形態において、基板２８を除去しても良く、リードフレーム１２がパッケージ１０を回路ボードに取り付けるのに用いられることができる。

基板２８は、LEDダイ２０の列のアノード端及びカソード端に接続された頂部金属パッド３０及び３２を含む。基板２８を通って伸びる金属ビア３４及び３６が、プリント回路ボードにハンダ付けされた強固な底部金属パッド３８及び４０に接触する。プリント回路ボードは、写真を撮影する時にLEDダイ２０へ１パルスの電流を配信するためのカメラフラッシュコントローラ４１に接続されたトレース（traces）を有して良い。

図２は、パッケージ１０の小さな部分の斜視図であり、４個のカップ１８及びそれに関連するLEDダイ２０を示している。カップ１８の底部にあるLEDダイ２０を見せるために、図２のカップ１８の相対的高さは、図１に示す高さよりも低くされている。

図２は、各カップ１８の底部に取り付けられたLEDダイ２０を示す。本実施形態において、LEDダイ２０は、GaN系フリップチップであり、青色光を発する。他の実施形態において、LEDダイ２０は、UVを発することができ、且つ／或いはフリップチップではない。頂部に一つの電極又は両電極を有するLEDダイ２０の場合には、ワイヤがその電極をパッド１４／１６に接続でき、パッド１４／１６の一方又は双方がLEDダイ２０の占有面積を越えて延びる。LEDダイ２０の如何なる金属熱的パッドも基板２８に熱的に結合される。

カップ１８のアレイが５ｘ３アレイ（典型的な１６：９のカメラ視野を近似）又は他の寸法を形成するので、各カップ１８内のLEDダイ２０は、フラッシュモジュールに用いられる従来のLEDダイ２０よりもかなり小さい。例えば、５ｘ３アレイの場合には、LEDダイ２０は、同じ電流パルスで同じ光出力パワーを配光する単一LEDダイの寸法より１／５未満になり得る。理想的には、５ｘ３アレイの場合、LEDダイ２０は、従来のLEDダイの寸法より１／１５未満であって良い。各カップ１８の要求される高さＨ及び各カップ１８の他の寸法は、LEDダイ２０の寸法に依存する。個々で述べる極めて小さい寸法のLEDダイ２０の場合には、各カップ１８の高さは、わずかに約１ｍｍであって良い。LEDダイ２０の各側部は0.25ｍｍ未満であって良く、成長基板（例えば、サファイア）が除去された後、LEDダイ２０はわずか数十ミクロンの高さを有して良い。フリップチップの場合には、LEDダイ２０上に透明成長基板が残ることができ、側部放射を増大させ、各カップ１８からのより一様な光放出をもたらす。

各カップ１８の光出口開口部は、わずかに１〜３ミリメートルであって良い。カメラ視野に大体対応するアレイの代表的な寸法は、５ｘ３及び４ｘ３である。

一実施形態において、正確な量の蛍光体粉末とシリコーンとの混合物が各カップ１８内に分配され、LEDダイ２０を封止してLED光を波長変換する。所定量の青色LED光が硬化した混合物４３を通過して漏出し、該青色光が蛍光体光と混合して、フラッシュのための白色光などのような全体色をも生成する。蛍光体粉末は、YAGその他の蛍光体であって良い。

変形的には、各LEDダイ２０は、リードフレーム１２上への取付けに先立ち、１層の蛍光体で同一平面に被覆される。蛍光体を、各LEDダイ２０上に予備形成タイルとして固着させても良い。そのような場合には、透明封止材を各カップ１８内に付着させても良い。封止材は、赤色蛍光体などの追加的な蛍光体を含み、フラッシュのための所望の波長を生成する。

図１において、LEDダイ２０からの光線４４が混合物４３を通って漏出するものとして示されており、光線４５が蛍光体粒子から放出されたものとして示されている。光線４４はカップ１８の壁２６から反射されたものとして示されている。壁２６は半放物面であり、光をコリメーティングするので、光線４４は、フラッシュモジュールに実質的に垂直に放出される。壁２６は、より広範なビームを生成するように形状づける（shape）ことも可能である。

レンズを用いていないので、全体的なフラッシュモジュールから基板２８を引いた厚さは約１〜３ｍｍ厚が可能である。リードフレーム１２は、機械的支持のために用いられていないので、非常に薄くできる。

もし、各カップ１８の開口部が２ｍｍであるならば、５ｘ３アレイの最小占有面積は、約６ｘ１０ｍｍとなるであろう。これは、（１個又は２個のLEDダイを用いる）従来のフラッシュモジュール占有面積よりも大きいが、高さはかなり低い。

各カップ１８が大体正方形ビームを放射するので、１６：９、５：３、４：３等のカメラ視野の長方形アスペクト比に大体整合させるようにアレイのアスペクト比を選択する。

選択的な基板２８の寸法は本発明の動作に関係がなく、代表的にはカップ１８のアレイよりもわずかに大きい占有面積を有する。もし、リードフレームが十分な構造的強度を有し、或いはアレイの取付領域が十分に硬ければ、基板２８を除去できる。

図３は、単一カップ１８からのサンプル半輝度放出プロファイル（sample half-brightness
emission profile）を示している。Ｙ軸は輝度レベルに対応し、Ｘ軸は視野角に対応（９０度がカップ１８の中心線に沿った視野角である）する。放出光がカメラ視野内に集中されるよう意図されているので、プロファイルは代表的な放出プロファイルよりかなり狭い。

各LEDダイ２０はフラッシュ内の従来のLEDダイよりもかなり小さいので、薄いフラッシュモジュール外形を維持したまま成型レンズをさえ用いることも可能である。図４は、リードフレーム１２上に取り付けられた３個のLEDダイ２０と、LEDダイ２０を封止する透明レンズの成型アレイを示すフラッシュモジュール４８の一部の断面図である。レンズ５０は、LEDダイ２０毎に所望の放出プロファイルを達成する如何なる形状（shape）を有しても良い。結果としてのビームは、長方形アレイ（例えば、５：３、４：３等のアスペクト比）の寸法に大体対応するプロファイルを有する。各レンズ５０の高さは、３ｍｍ未満であり、代表的には１ｍｍ未満である。

図５は、カメラを含む従来のスマートフォン５４の背面図であり、カメラレンズ領域５６及び長方形フラッシュモジュール領域５８を示している。フラッシュモジュールは、カメラの視野アスペクト比にほぼ等しいアスペクト比を有する。透明で平坦な保護窓が、フラッシュモジュールを保護するハウジングの一部を形成することができる。スマートフォン５４がカメラとして用いられるときに、本開示の目的のために、スマートフォンをカメラであるとみなす。スマートフォンの代わりに、図５は、ビデオ機能を有する専用のカメラを示していると考えることもできる。フラッシュモジュールは、ビデオモードで用いられるときには、その完全輝度のうちのあるパーセントで動作可能である。

図６は、写真を撮影するときのスマートフォンによるカメラフラッシュの半輝度放出プロファイルを示す。ビーム６０が、長方形ソースフラッシュモジュールから広がり、その長方形形状を大体維持する。各反射性カップが大体正方形のビームを放出し、結果としてのビームはLED／カップアレイのアスペクト比に対応するアスペクト比を有する。

一実施形態において、カップ１８又はレンズ５０は、最適なビームを生成するために、アレイに亘って異なる形状であっても良い。

本発明の複数の特定実施形態を図示し説明してきたが、本発明の広い特徴から逸脱することなく、変更及び修正がなされうることは当業者にとって明白であろう。したがって、添付の特許請求の範囲がそのような変更及び修正を内包し、そのような変更及び修正は本発明の真意及び範囲内に該当する。

Claims (16)

1. 光を生成するように構成された複数の発光ダイオードのアレイ；及び
   前記発光ダイオードのアレイに関連した複数のカップのアレイ；
   を含む照射装置であって：
   各カップが、関連する発光ダイオードを包囲する断面において半放物面である反射性壁を有し、当該カップを出射して視野を照射する光をコリメーティングし、
   各カップが、出口開口部を有し、
   各発光ダイオードが、関連するカップの前記出口開口部内部の相対的発光ダイオード位置に位置づけられ、
   前記相対的発光ダイオード位置が、前記カップのアレイ内の全てのカップについて同じである、
   照射装置。
2. 前記カップのアレイが、前記視野のアスペクト比にほぼ整合するアスペクト比を有する、 請求項１に記載の照射装置。
3. 少なくともいくつかの前記発光ダイオードを直列に接続するように構成された１つのリードフレームをさらに含む請求項１に記載の照射装置。
4. 前記発光ダイオードのアレイが前記リードフレーム上に取り付けられた、請求項３に記載の照射装置。
5. 前記カップのアレイが、前記リードフレーム上に成型されたカップの単一アレイとして形成されている、請求項３に記載の照射装置。
6. 前記カップのアレイが、スタンピングされた金属シートで形成され、前記リードフレームに固着されている、請求項３に記載の照射装置。
7. 前記リードフレームに電流を提供して、前記発光ダイオードのアレイを照射させるように構成された駆動回路をさらに含む請求項３に記載の照射装置。
8. 関連する発光ダイオードを覆い、各カップ内部に位置される蛍光体をさらに含む請求項１に記載の照射装置。
9. 前記蛍光体がバインダーと蛍光体粉末との混合物を含み、該混合物が各カップ内部の発光ダイオードを少なくとも部分的に封止している、請求項８に記載の照射装置。
10. 前記蛍光体が関連するカップを部分的にのみ充填して、前記蛍光体により放出される光が前記カップにより前記出口開口部へと実質的に反射されコリメーティングされ；かつ
    全ての前記蛍光体が前記カップの底部と等しく又は上方に位置されて、前記発光ダイオードの頂部表面に平行に放出される蛍光が関連するカップの反射性壁に衝突して前記出口開口部へと実質的に反射される；
    請求項８に記載の照射装置。
11. 各カップが実質的に長方形の出口開口部を有する、請求項１に記載の照射装置。
12. 各カップが実質的に正方形の開口部を有する、請求項１に記載の照射装置。
13. 前記発光ダイオードの上に、光をコリメーティングするための成型レンズが存在しない、請求項１に記載の照射装置。
14. 関連するカップ内部の各発光ダイオードの頂部表面及び側部が関連するカップの底部より上方にあって、前記関連する発光ダイオードの側部を出る光が前記カップにより前記出口開口部へと反射される、請求項１に記載の照射装置。
15. 前記視野が、前記発光ダイオードのアレイ及び前記カップのアレイに結合されたカメラの視野に対応する、請求項１に記載の照射装置。
16. 視野を有するカメラ；
    前記カメラに結合され、光を生成するように構成された複数の発光ダイオードのアレイであり、少なくともいくつかの前記発光ダイオードを直列に接続する１つのリードフレーム上に取り付けられた発光ダイオードのアレイ；
    前記リードフレームに電流を提供して、前記発光ダイオードのアレイを照射させるように構成された駆動回路；及び
    前記発光ダイオードのアレイに関連した複数のカップのアレイ；
    を含む照射装置であり、
    各カップが、関連する発光ダイオードを包囲する断面において半放物面である反射性壁を有し、前記カップを出射して前記カメラの前記視野を照射する光をコリメーティングし、各カップが出口開口部を有し、各発光ダイオードが、関連するカップの前記出口開口部内部の相対的発光ダイオード位置に位置づけられ、前記相対的発光ダイオード位置が、前記カップのアレイ内の全てのカップについて同じである、
    照射装置。

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