JP5113349B2 - Ｒｇｂ熱隔離基板 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、異なるタイプの複数の色のＬＥＤを熱的に隔離するための装着基板に関する。

赤色、緑色、及び青色ＬＥＤダイを単一のサブマウントに装着して白色光モジュールを作成することは公知である。サブマウントは、熱伝導性で電気絶縁性の基板（例えば、セラミック）であり、ＬＥＤ接点から２つ又はそれよりも多くのリード又は半田接触パッドに至る導体が基板上に形成されている。導体は、典型的に、ＬＥＤの少なくとも一部を直列及び／又は並列に相互接続する。サブマウントは、次に、通常は電源及び／又は他のサブマウントに至るコネクタを有するプリント回路基板上に装着される。各ダイによって発生した熱は、サブマウントに移動し、最後にはサブマウントに熱的に結合した放熱板（例えば、回路基板）に移動する。サブマウント全体は実質的に同じ温度であるから、他のＬＥＤに比較して相対的に低い熱を発生するＬＥＤは、他のＬＥＤによって加熱されることになる。例えば、目標とする光出力を生成させるためには、より少ない電流が赤色ＬＥＤを通過すればよいので、赤色ＬＥＤによって発生する熱は、青色ＬＥＤによって発生する熱よりも少ないであろう。

赤色及び琥珀色ＬＥＤは、典型的に、ＡｌＩｎＧａＰエピタキシャル層を用いて形成され、一方、緑色及び青色ＬＥＤは、典型的に、ＡｌＩｎＧａＮエピタキシャル層を用いて形成される。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの光出力は、非常に温度感受性であり（より高温＝より低出力）、ＡｌＩｎＧａＮのＬＥＤの光出力よりも遥かに感受性が高い。すなわち、ＲＧＢモジュールの全体の色（例えば、白色点）は、温度で変化することになる。これは、モジュールがカラーディスプレイに又はフラットパネルディスプレイのバックライト用に使用される時には特に望ましくないことである。更に、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの過度の加熱は、その耐用期間を縮めることになる。

更に、赤色ＬＥＤは、典型的に厚い窓層を有するために、一般的に青色ＬＥＤよりも厚い。従って、赤色ＬＥＤは、共通サブマウント上でより高く着座し、赤色及び緑／青色ＬＥＤが異なる光出力出射平面を有する結果になる。これは、モジュールの全体的な色出力のばらつきを引き起こす。

米国特許第６，６４９，４４０号 米国特許第６，５４７，２４９号 米国特許第６，２７４，３９９号 米国特許第６，２２９，１６０号 米国特許第５，２３３，２０４号

上述の加熱の問題を回避するために、ＲＧＢのＬＥＤを別々のサブマウント上に装着することもできるが、これは、付加的なコスト、ＲＧＢモジュールのためのより大きい面積、割増の配線にわたる電圧降下、及び他の欠点を生じさせる。

赤色、緑色、及び青色ＬＥＤのためのサブマウントを説明する。サブマウントは、緑色／青色ＡｌＩｎＧａＮのＬＥＤによって発生した高熱が、熱感受性の赤色／琥珀色ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤに伝導しないように、サブマウント内に熱的に隔離された溝及び／又は穴を有する。サブマウントは、様々な構成にＬＥＤを相互接続するための導体を収容している。
一実施形態では、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、サブマウント内に引っ込んでおり、そのために全てのＬＥＤが同じ光出射平面を有する。
このサブマウントは、黄色、琥珀色、オレンジ色、青緑色のような他の色を発生するＬＥＤに対して使用することもできる。

予備的に、異なるタイプ及び色の従来のＬＥＤが形成される。使用される実施例において、ＬＥＤの１つのタイプは、緑色光、青緑色光、青色光、又はＵＶ光を生成するためのＡｌＩｎＧａＮのＬＥＤのようなＧａＮベースのＬＥＤである。典型的には、ｐ及びｎ型エピタキシャルＧａＮ層を従来技術を用いてサファイア基板上に成長させる。ｐ層は、典型的には上部層であり、上面で金属電極によって接触される。

様々な技術を使用して、下に重なるｎ層への電気的アクセスが得られる。フリップチップの例においては、ｐ層及び活性層の一部分がエッチングで除去され、ｎ層が金属化のために露出される。このようにして、ｐ接点及びｎ接点は、チップの同じ側にあってサブマウントの接触パッドに直接電気的に取り付けることができる。ｎ金属接点からの電流は、ｎ層を通って最初に横方向に流れる。対照的に、垂直注入型（非フリップチップ）ＬＥＤにおいては、ｎ接点は、チップの一方の側に形成され、ｐ接点は、チップの他方の側に形成される。ｐ又はｎ接点の一方への電気接触は、典型的にワイヤ又は金属ブリッジを用いて行われ、他方の接点は、サブマウントの接触パッドに直接に接合される。この例においては、フリップチップのＧａＮのＬＥＤが使用されるが、ワイヤ接合式のＧａＮのＬＥＤも本発明から同様に恩典を受けることができる。

赤色、琥珀色、オレンジ色、及び黄色光に関しては、ＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＰ材料システムを用いて形成される。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤにおいては、ｐ及びｎ型エピタキシャルＡｌＩｎＧａＰ層を通常はＧａＡｓ基板上に成長させ、引き続き導電性窓層の成長又はウェーハ接合が行われる。光吸収性のＧａＡｓ基板は除去してもよい。ＬＥＤは、フリップチップとして形成することができ、又はワイヤ接合を使用することもできる。

ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＰという表現は、望ましい色を達成するためにあらゆるＡｌ及びＩｎの割合（ゼロを含む）を有するＧａＮ又はＧａＰベースを備えたＬＥＤを意味するために用いられる。
こういった複数の色のＬＥＤを形成する方法は公知である。ＬＥＤの形成の一部の例は、引用により組み込まれている米国特許第６，６４９，４４０号、第６，５４７，２４９号、第６，２７４，３９９号、第６，２２９，１６０号、及び第５，２３３，２０４号に説明されており、その全ては、「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡されたものである。

ＬＥＤのウェーハはダイスカットされ、通常は約１ｍｍ²又はそれ未満の程度の個々のＬＥＤダイが生成される。
異なる色のＬＥＤ（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ）を白色光又は何らかの他の混成色を作り出すために単一モジュールに組み合わせるために、ＬＥＤダイは、図１−５に関して説明されるサブマウント１０上に装着される。
サブマウント１０は、セラミックのような電気絶縁性材料の層で形成される。他の実施形態では、サブマウントは、酸化物の層が電気絶縁性をもたらすシリコンとすることができる。

ＬＥＤ１２−２３が示されている。他の実施形態では、より多くの又はより少ないＬＥＤを使用することができる。熱感受性のＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ２０−２３は、引っ込んだ中央位置２６に装着される。ＬＥＤ２０−３０は、一般的に、赤色、オレンジ色、琥珀色、又は黄色光（すなわち、５７５ｎｍよりも長い波長）を発生する。ＬＥＤ１２−１９は、ＧａＮベースであり、典型的に、青色、青緑色、緑色光（すなわち、５７５ｎｍよりも短い波長）を発生する。ＧａＮのＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤよりも熱感受性が低い。８つのＧａＮのＬＥＤは、４つのＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤよりも多くの熱を通常は発生することになり、その理由は、目標とする輝度を達成するためにＧａＮのＬＥＤにより多くの電流が印加される場合があり（ＧａＮのＬＥＤは、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤよりも低効率である）、熱を生じるＧａＮのＬＥＤがより多く存在するからである。

ＧａＮのＬＥＤ１２−１９をＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ２０−２３から熱的に実質的に隔離するために、溝２８−３１がサブマウント１０内に形成され、ＧａＮのＬＥＤとＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤとの間の熱伝導経路における遮断を生じさせる。
溝２８−３１は、構造的一体性を維持するためにＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを完全には取り囲まないが、他の実施形態では、溝は、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤを完全に取り囲む。

図２は、４つのＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤのための接触パッド３４と、ＧａＮのＬＥＤのための一組の接触パッド３８との例を示している。簡単にするために、一組のみのＧａＮのＬＥＤ接触パッド３８を示すが、サブマウント１０上の多くの異なる接触パッド配列があると考えられる。
この例においては、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、フリップチップではなく、上部電極のためのワイヤ接合を必要とする。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤのための接触パッド３４は、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの底部電極（例えば、ｎ電極）に直接半田付けするための金属（例えば、金）パッド４０と、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの上部電極（例えば、ｐ電極）及びパッド４２の間のワイヤの接続のための金属パッド４２とで構成される。

ＧａＮのＬＥＤは、この例においては、ｎ及びｐ金属電極の両方をダイの底部に有するフリップチップである。ＧａＮのＬＥＤのための接触パッド３８は、ＬＥＤの底面のｎ及びｐ電極と位置合せした一組のｎ接点４４と一組のｐ接点４６とで構成される。接点は、一実施形態では金である。電極は、ＬＥＤ活性層を通る電流がより均一に分布するように分配されている。このように分布したｎ及びｐ電極を用いるフリップチップは、本出願人に譲渡された米国特許第６，５４７，２４９号に説明されている。

図３は、図１の中心線３−３に沿ったサブマウント１０の一部分の断面図である。重要な特徴をより良好に示すために、この図は必ずしも一定の比率では描かれてはいない。この例においては、サブマウント１０は、３つのセラミック層５０、５１、５２で形成され、各セラミック層の間にパターン金属層５６及び５８を有する。セラミック層は、成形によって形成することができる（結合剤中のセラミック粒子が加圧下で成形中に硬化される）。セラミック基板の形成は公知である。金属層は、スパッタリング又は別の方法で堆積させて、エッチング剤を用いてパターン化することができる。

深い溝３０が、成形工程又はエッチング工程によって上部の２つの層５１及び５２に形成され、ＬＥＤ１９の下の層部分５１及び５２をＬＥＤ２０の下の層部分５１から熱的に隔離する。別の実施形態では、溝は、層の１つの部分と層の別の部分との間の熱的接触面積を低減するための一連の穴である。
層５０における穴５４のパターン（図５にも示す）は、凹部部分２６を実質的に取り囲み、ＬＥＤ１９の下の層５０をＬＥＤ２０の下の層５０から熱的に隔離している。
すなわち、溝２８−３１（図１）及び穴５４によって実行される２つのレベルの熱隔離が存在している。溝２８−３１によって提供される熱隔離が十分である場合は、穴５４を削除することができる。
サブマウント１０の表面上の金属接点パッドは、セラミック層の間のパターン金属層５６及び５８に電気的に接続し、これは、次に、サブマウント１０の底部上の半田パッド（図５も参照されたい）に接続する。一実施形態では、半田パッド６０は、ＬＥＤ１９のｎ又はｐ電極に電気的に結合し、中心半田パッド６２は、下に重なる放熱板への熱伝導のためのみに使用される。

図５は、様々な半田パッドを示すサブマウント１０の底面図である。半田パッドの多くの構成が可能であり、それらは、使用されるＬＥＤの数及び種類に依存する。
図４は、様々なセラミック層を通って接触パッド、金属層、及び半田パッドを電気的に相互接続する可能なバイア６４を示している。バイアの穴は、成形によって形成することができ、スパッタリングを用いて金属で充填される。

金属層５６及び５８のパターン化及びバイア６４の位置は、様々なＬＥＤが相互接続される方法を決める。一実施形態では、全ての緑色ＬＥＤ（例えば、図１におけるＬＥＤ１４、１５、１８、及び１９）は、直列に接続できて、サブマウント１０の底部上の同じｎ及びｐ半田パッド６０及び６４（図５）に接続することができる。全ての青色ＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ１２、１３、１６、及び１７）は、直列に接続できて、同じｎ及びｐ半田パッド６６及び６８に接続することができる。全てのＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ２０−２３）は、直列に接続できて、同じｎ及びｐ半田パッド７０及び７２に接続することができる。別の実施形態では、ＬＥＤの群はまた、並列にも接続することができる。特定の構成は、目標とする電圧降下、要求される電流、使用されるＬＥＤのタイプ、目標とする色混合のような因子、及び他の因子に依存する。

中央半田パッド６２は、放熱板への熱的結合のためだけとすることができ、又はＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤのための接点とすることもできると考えられる。
１つ又はそれよりも多くのサブマウント１０は、他のＬＥＤモジュール及び電源に接続するための金属リードを収容することができるプリント回路基板６５（破線の外形で示す）に半田接合することができる。回路基板６５は、様々なＬＥＤと直列及び／又は並列に相互接続することができる。回路基板６５は、放熱板の目的からアルミ二ウムシートとすることができ、その表面上に薄い電気絶縁層とこの絶縁層の上に金属導体パターンとを有する。回路基板上の対応するパッドに接合されたサブマウントの半田パッドは、アルミ二ウム放熱板への良好な熱経路を提供する。この回路基板は、より大きい放熱板上に装着することができる。

サブマウント１０の底面上の半田パッドの代りに、電気接点は、表面装着パッド、サブマウントから延びるリード、プラグ又はソケット、キャステレーション、又は電気的インタフェースのための他の手段とすることができる。
サブマウントは、直接に電源に接続することができるので、回路基板上へのサブマウントの装着は任意的である。
サブマウント１０によって提供される熱的分断に加えて、凹部区域２６（図１及び図３）が、上部セラミック層５２のエッチング又は成形によって設けられる。図示の例においては、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの高さは、ＧａＮのＬＥＤの高さよりも大きいので、凹部２６は、サブマウント１０上に装着された後に、ＡｌＩｎＧａＰ及びＧａＮのＬＥＤの上部を実質的に同じ高さにする。このようにして、ＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの光出射平面は同じ高さであり、ＧａＮのＬＥＤの側面から放射された光は、より高いＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤによって阻止されない。これは、モジュール周囲のより均一な色の光パターンをもたらす。

サブマウント１０の別の恩典は、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、半田リフローによってサブマウントの接触パッド４０（図２）に接合することができ、同時にＧａＮフリップチップは、スタッドバンプ３８によって接触パッド３８に接合することができることである。ＧａＮのＬＥＤの金スタッドバンプ電極は、公知の技術によって金接触パッドに超音波溶接される。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの底面は、共晶ＡｕＳｎ半田（融点２８０℃）がその上にスパッタリングされている。ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤは、金接触パッド４０上に位置決めされ、接触パッド４０は、２８０℃よりも僅かに高温に加熱されて半田をリフローさせ、ＬＥＤ電極を接触パッドに接合する。サブマウント１０の中央部分の加熱がサブマウント１０の外側部分の温度に大きく影響しないので、半田リフローの前又は後でＧａＮのＬＥＤをサブマウント１０に接合することができる。

別の実施形態では、ＧａＮのＬＥＤは、あらゆる構成の接触パッドに半田付けされる。
ＲＧＢのＬＥＤ群のアレイを単一のサブマウント上に装着することができる。例えば、各ＲＧＢ群は、ディスプレイのためのＲＧＢピクセルとして作用することができ、従って、単一サブマウント上のＲＧＢ群のアレイは、小さいカラーディスプレイとして作用することができる。このようなサブマウントは、あらゆる大きさとすることができる。サブマウントのアレイは、全ディスプレイのための十分なピクセルを提供し、又は照明のための制御可能カラー光源として作用することができる。
一実施形態では、サブマウントの上部表面積は、６ｍｍ²−４ｃｍ²の間であり、サブマウント上に装着されるＬＥＤの数に依存する。

見て理解されるように、本発明のサブマウントは、熱感受性ＬＥＤを熱発生ＬＥＤから熱的に隔離することにより、複数の色のＬＥＤモジュールの性能を向上させるものである。その結果、混合された色は、長期にわたってより均一である。更に、凹部部分は、全てのＬＥＤの光出射平面を均等にする。
凹部部分の位置は、サブマウント上のあらゆる場所とすることができる。また、溝及び穴の配列は、あらゆる適切なパターンとすることができる。サブマウントを利用することができるＬＥＤは、ＧａＰ及びＧａＮのＬＥＤに限定されない。

ＲＧＢのＬＥＤを有するサブマウント１０は、ディスプレイバックライトのための均一な白色光を生成するのに特に有用である。図６は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）７６又はバックライトを使用する他のディスプレイのためのバックライト７４の断面図である。一般的な用途は、テレビジョン、モニタ、携帯電話などのためのものである。上述のＲＧＢのＬＥＤサブマウント７８の１つ又はそれよりも多くは、回路基板８０上に装着される。ＬＥＤサブマウント７８は、二次元アレイを形成することができる。バックライトボックスの底部及び側壁８２は、好ましくは、白色反射拡散性材料で被覆される。様々な複数色のＬＥＤからの光は、ボックス内で混合されて均一な白色光が生成される。図６には、制御可能ＲＧＢピクセル（シャッター）を有するＬＣＤ画面８４及び拡散器８６も示されている。
本発明の特定的な実施形態を示して説明したが、本発明を逸脱することなくそのより広い態様において変更及び修正を行うことができ、従って、特許請求の範囲は、その範囲内に全てのそのような変更及び修正を本発明の真の精神及び範囲に該当するものとして含むことは当業者には明らかであろう。

ＬＥＤの位置、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤに対する中央凹部部分、及びサブマウント内の熱隔離溝を示すＲＧＢのＬＥＤサブマウントの上面図である。 ＬＥＤのうちの一部に対する接触パッドを示すサブマウントの上面図である。 熱隔離溝及び穴を示すＬＥＤのサブマウントの部分断面図である。 ＬＥＤ電極を様々な導体層及び底部半田パッドに電気的に結合するためのバイアを更に示すサブマウントの部分断面図である。 あらゆる構成でＬＥＤ電極に接続することができる様々な半田パッドを示すサブマウントの底面図である。 バックライトとしてサブマウント上に装着されたＲＧＢのＬＥＤを使用する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の断面図である。

符号の説明

１０ サブマウント
１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９ ＬＥＤＧａＮのＬＥＤ
２０、２１、２２、２３ ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤ
２８、２９、３０、３１ 溝

Claims (20)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、
   電気的に絶縁した本体と、導電体と、少なくとも第１のＬＥＤに接合するための第１の接触パッドと、少なくとも第２のＬＥＤに接合するための第２の接触パッドとを含むサブマウントと、
   前記第１の接触パッドに接合した前記第１のＬＥＤと前記第２の接触パッドに接合した前記第２のＬＥＤとの間の熱隔離を高めるために該第１の接触パッドと該第２の接触パッドの間の前記サブマウントにある少なくとも１つの不連続部と、
   を含み、
   前記サブマウントは、電気絶縁材料の少なくとも第１の層及び第２の層を含み、
   前記少なくとも１つの不連続部は、前記第１の層に形成された少なくとも１つの溝を含み、
   前記少なくとも１つの不連続部はまた、第２の層に前記少なくとも１つの溝の真下ではない少なくとも１つの不連続部を含む、
   ことを特徴とする構造体。
2. 前記第１のＬＥＤは、ＧａＰベースのＬＥＤであり、
   前記第２のＬＥＤは、ＧａＮベースのＬＥＤである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記サブマウントは、中央部分及び該中央部分を取り囲む外側部分を有し、
   前記第１の接触パッドは、前記中央部分にあり、前記第２の接触パッドは、前記外側部分にあり、前記少なくとも１つの不連続部は、該中央部分と該外側部分の間にある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
4. 前記第１の接触パッドを支持する、前記サブマウントの凹部部分を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
5. 前記第２のＬＥＤは、フリップチップであることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
6. 前記第１のＬＥＤは、ワイヤによって前記第１の接触パッドの１つに接続した１つの電極を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
7. 前記サブマウントは、前記少なくとも２つの層の間に前記導電体を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
8. 前記導電体は、前記第１の接触パッドと前記第２の接触パッドを相互接続していることを特徴とする請求項７に記載の構造体。
9. 複数の組の第１の接触パッドと複数の組の第２の接触パッドがあることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
10. 前記サブマウントの中央部分に位置する複数の組の第１の接触パッドと該サブマウントの外側部分に位置する複数の組の第２の接触パッドとが存在し、
    前記サブマウントにある前記少なくとも１つの不連続部は、前記複数の組の第１の接触パッドと前記複数の組の第２の接触パッドとの間にある、
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
11. 前記サブマウントの前記中央部分は、引っ込んでいることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
12. 前記第１の表面上の前記第１の接触パッドと前記第２の接触パッドとが前記導電体によって電気的に結合した第３の接触パッドを前記サブマウントの第２の表面上に更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
13. 前記電気的に絶縁した本体は、セラミックであることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
14. 前記第１のＬＥＤは、５７５ｎｍよりも長い波長を有する光を放射し、前記第２のＬＥＤは、５７５ｎｍよりも短い波長を有する光を放射することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
15. 前記第１の表面上に少なくとも第３のＬＥＤに接合するための第３の接触パッドを更に含み、前記第１のＬＥＤは、第１の色の光を放射し、前記第２のＬＥＤは、第２の色の光を放射し、該第３のＬＥＤは、第３の色の光を放射することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
16. 前記第１の色は、赤色であり、前記第２の色は、青色であり、前記第３の色は、緑色であることを特徴とする請求項１５に記載の構造体。
17. 前記第１の接触パッドを支持する、前記サブマウントの引っ込んだ部分と、前記第２の接触パッドを支持する引っ込んでいない部分とを更に含み、
    前記第１のＬＥＤの上面と前記第２のＬＥＤの上面は、前記サブマウント上に装着された時に実質的に同じ平面にある、
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
18. 前記サブマウントが装着されたプリント回路基板を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
19. 前記サブマウントを収容し、ディスプレイのためのバックライトを形成する反射性筐体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
20. 前記サブマウントは、回路基板上に装着されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。

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