JP5160650B2 - 発光モジュール及び熱保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光モジュールに関する。より更に詳細には、本発明は、半導体発光装置及び熱スイッチを有するモジュールに関する。更に、本発明は、このような発光モジュールの熱保護方法に関する。

上述した種類の発光モジュールの実施例は、特許出願公開第２００６０６０１６５号から知られている。この文献には、バイメタル要素と直列に電気的に接続されているＬＥＤを有する発光装置を開示している。この装置の外部電源への接続は、前記ＬＥＤを点滅させる。この効果は、エネルギが、電流が前記装置を流れている場合に前記バイメタル要素内に放散され、前記回路が開いている場合に前記バイメタル要素から放散されるので、前記バイメタル要素の繰り返される加熱及び冷却サイクルから生じる。

前記バイメタル要素の動作による当該回路の繰り返される開閉は、前記ＬＥＤを過熱から保護することができ、従って、接合部の温度が臨界的なレベルに到達した場合の破局的な故障から保護することができる。

しかしながら、特許出願公開第２００６０６０１６５号におけるＬＥＤを流れる電流の中断は、明らかに、主に前記ＬＥＤの（接合部の）温度に依存していない。実際、前記バイメタル要素の機能のためのメインドライバは、前記バイメタル要素自体の抵抗性の電気エネルギ（resistive electrical energy）の損失である。従って、これは、良好に調整されていると共に、前記ＬＥＤ自体の接合部の温度に関連付けられている熱保護を提供していない。

本発明の目的は、上述の種類の発光モジュールであって、調整されていると共に半導体発光装置の接合部の温度と相関している熱保護を提供する発光モジュールを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の本発明の第１の見地によるモジュールによって達成される。接合部持つ半導体発光装置と熱スイッチとを有する発光モジュールであって、前記熱スイッチは前記半導体発光装置を分路するように配されることを特徴とする、発光モジュールである。

エレクトロニクスにおいて、分路とは、電流が回路内の点の周りを通過する（pass around）ことを可能にする。前記回路の前記点と並列に前記分路を組み立てることで、このことを達成する。更に、本発明における熱スイッチは、発光ダイオード又はレーザダイオードと電気的に並列に配されている。有利には、電気エネルギは、まさに動作条件下で、前記熱スイッチにおいて放散しない。その代わりに、これらの条件下で、前記半導体発光装置の（前記接合部）は、電気エネルギから光への非理想的な変換のために熱くなる。前記装置と隣接させての（又は少なくとも前記装置のすぐ近くにおける）前記熱スイッチの組み立ては、有益には、放射性のエネルギ輸送か又は前記モジュールの構成要素を介する伝導的なエネルギ輸送かの何れかによって、前記装置が前記熱スイッチを加熱する結果をもたらす。従って、有利には、前記スイッチによって提供される熱的保護は、前記半導体装置の（前記接合部の）温度に直接的に関連している。更に、多数のモジュールを直列ストリングにおいて結合する場合、本発明は、前記ストリングにおける他のモジュールを流れる電流を妨害することなく、単一のモジュールの過熱からの保護を可能にする。

実施例において、前記熱スイッチは、前記接合部が動作条件下で臨界温度に到達するのを防止する所定の分路温度において動作するように配されている。有利には、このことは、破滅的な損傷が発生する前に、前記モジュールに供給される電流を遮断するのを可能にする。

本発明の実施例において、前記熱スイッチは、熱膨張係数α_ｈを有する高熱膨張係数（ＨＣＴＥ）材料と、熱膨張係数α_ｌ（ここで、α_ｈ＞α_ｌ）を有する低熱膨張係数（ＬＣＴＥ）材料とを有している。有利には、このことは、前記熱スイッチが幾何学的に変形するのを可能にし、前記スイッチを閉じさせ、従って、当該半導体装置への前記電流供給を遮断させる。

実施例において、前記ＨＣＴＥ材料は金属を含有しており、前記ＬＣＴＥ材料はセラミックを含有している。有利には、これらの材料の種類は、従来技術において知られている通常の製作方法によって容易に組み立てられることができる。典型的には、金属は、セラミックよりも大きい係数を有する。例えば、幾つかの便利な金属の熱膨張係数は、Ｃｕ〜１８・１０^―６／℃、Ａｌ〜２４・１０^―６／℃、及びＭｎＰｄ（典型的には８０％／２０％、剛性のために微量のＮｉが付加されている）合金〜３０・１０^―６／℃である。同様に、幾つかの便利なセラミックの係数は、Ｓｉ_３Ｎ_４〜３・１０^―６／℃、ＡｌＮ〜４・１０^―６／℃及びＡｌ_２Ｏ_３〜８・１０^―６／℃である。本発明の実施例によれば、前記熱スイッチは、バイメタル要素を有している。有利には、このような要素は、直ちに利用可能であり、非常に経済的である。

本発明による発光モジュールの実施例において、前記ＨＣＴＥ材料は、２つの部分において設けられており、これらの部分は、互いに離間されて配されており、間隙を形成している。有利には、このことは、電気的に、前記ＨＣＴＥ材料の第１の部分を前記半導体装置のｎ型側に電気的に接続する及び前記ＨＣＴＥ材料の第２の部分を前記半導体装置のｐ型側に電気的に接続することを可能にする。

本発明の実施例において、前記間隙は、分路温度を規定する所定の大きさを有するように配される。有利には、前記熱膨張係数は、前記２つの部分が前記間隙をブリッジするのに必要な温度上昇の決定を可能にする。前記モジュール（材料、幾何学的な形状因子等）の設計は、前記接合部の温度上昇と前記熱スイッチの温度上昇との間の固定された関係を誘導する。従って、前記間隙の大きさは、前記接合部の熱容量と一致する保護分路のレベルにおいてブリッジされるように容易に設計されることができる。

第２の見地によれば、本発明は、半導体発光装置を過熱から保護するための方法であって、接合部を持つ半導体発光装置を設けるステップと、熱スイッチを設けるステップとを有し、前記熱スイッチによって前記半導体発光装置を分路するステップを特徴とする、方法を提供する。有利には、このような方法は、前記半導体発光装置を有する発光モジュールの熱設計の制御及び試験に使用されることもできる。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

従来技術による発光モジュールを示している。 本発明による実施例の概略図を示している。 本発明による実施例の製作ステップを示している。 本発明による実施例の製作ステップを示している。 本発明による実施例の製作ステップを示している。

本発明の更なる詳細、フィーチャ及び有利な点は、添付図面に関連する例示的で好適な実施例に関する以下の記載において開示される

図１は、従来技術による発光モジュール５００を示している。前記モジュールは、第１のリードフレーム部５２０のカップ内に位置決めされているＬＥＤ５１０を有している。更に、前記モジュールは、（隔離５４０によって前記第１のリードフレーム部から離されている）第２のリードフレーム部５３０ａ、ｂを有している。ＬＥＤ５１０は、ダイオード接合部を挟んでいるｎ型及びｐ型半導体層を有するエピタキシャルパッケージ５１１を有している。ｎ型コンタクト層５１２は、ＬＥＤ５１０を第１のリードフレーム部５２０に接続しており、ｐ型コンタクト層５１３及び結合ワイヤ５５０は、前記ＬＥＤを第２のリードフレーム部５３０ａに接続している。第１のリードフレーム部５２０及び第２のリードフレーム部５３０ｂは、電源への接続を提供している。最後に、前記モジュールは、ＬＥＤ５１０と直列に組み立てられるバイメタル要素５６０を有する。前記モジュールを介しての電流の供給は、結果として、前記ＬＥＤからの光放出と、自身の設計によってひとたび所定の温度に到達すると前記電気回路を開くように配されている電気抵抗バイメタル要素５６０におけるエネルギ放散とをもたらす。開いている場合、前記ＬＥＤは発光を停止し、前記バイメタル要素は冷える。結果として、これは、前記回路を閉じ、前記電流が前記モジュールを通って流れ、前記サイクルを再開するのを可能にする。従って、前記ＬＥＤは、自動的な点滅効果を呈する。バイメタル要素５６０の機能のためのメインドライバは、この要素自体の抵抗性の電気エネルギの損失であるので、明らかに、前記電気回路の中断は、前記ＬＥＤ自体の（接合部の）温度に主として依存しない。

図２は、本発明による実施例の概略図を示している。これは、外部電源１００に接続されている発光モジュール１を示している。前記モジュールは、半導体発光装置１０（以下、ＬＥＤとして示す）を有しているが、レーザダイオード及び熱スイッチ２０が、良好に機能することが理解されるであろう。前記ＬＥＤは、所定の波長の光を発するように配されている接合部を含むエピタキシャルパッケージ（従来技術において知られているように作製される）を有している。前記熱スイッチは、前記ＬＥＤを分路する。有利には、電気エネルギは、まさに動作条件下で熱スイッチ２０において放散しない。実際、ＬＥＤ１０は、熱スイッチ２０の動作のための熱源として機能する。従って、熱スイッチ２０をＬＥＤ１０に隣接させて位置決めすることは、放射性エネルギ輸送か又はモジュール１の構成要素（図示略）を介した伝導性エネルギ輸送かの何れかによって、熱スイッチ２０がＬＥＤ１０によって加熱されるのを可能にする。従って、熱スイッチ２０によって提供される熱保護は、ＬＥＤ１０の前記（接合部の）温度に直接的に関連する。明らかに、このスイッチは、自身が保護しなければならないＬＥＤ１０の前記接合部と同じ温度において動作していない。発光モジュール１の設計の形状因子は、前記接合部と熱スイッチ２０との間の温度差を決定する。従って、前記スイッチは、臨界的な接合部温度よりもかなり低い所定の分路温度で動作するように配される又は較正されることができる。有利には、このことは、ＬＥＤ１０を臨界的な接合部の温度への到達から保護し、従って動作条件下の破局的な故障から保護することを可能にする。ひとたび熱スイッチ２０が閉じると、前記電流はＬＥＤ１０の周りを通過し、結果として、これを冷却することをもたらす。次いで、ＬＥＤ１０における減少された熱放散は、熱スイッチ２０に冷却させ、再度開かせる。このことは、モジュール１内のＬＥＤ１０の温度の安定化を可能にする。

図３乃至５は、本発明による実施例の作製ステップを示している。図３から始まり、図３は、基板５を有する発光モジュール１を示している。基板５上に、パターン１２、１３が、ＬＥＤ１０のｎ型側及びｐ型側と電気的に接触するために堆積されている。ＬＥＤ１０に隣接した場所において、モジュール１は、熱スイッチ２０を有する。実施例において、スイッチ２０は、ＨＣＴＥ材料３０（図５）及びＬＣＴＥ材料４０（図４）を有している。ＨＣＴＥ材料３０は、熱膨張係数α_ｈを有する。同様に、ＬＣＴＥ材料４０は、熱膨張係数α_ｌを有する。α_ｈ＞α_ｌの関係が成立している。ＬＣＴＥ材料４０は、有益には、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３又はＡｌＮのような、セラミックを有するのに対し、ＨＣＴＥ材料３０は、銅、アルミニウム又はＭｎＰｄ合金のような、金属を有する。有利には、これらの材料の種類は、半導体発光装置の作製のために使用される通常の作製方法によって容易に組み立てられることができる。実施例において、ＬＣＴＥ材料４０を通るバイア３５（図３）は、ＨＣＴＥ材料３０をパターン１２、１３に接続している。ＬＣＴＥ材料４０は、電気絶縁体としても機能する。

実施例において、ＨＣＴＥ材料３０は、２つの部分３１、３２（図５）を有している。有益には、これらの部分をＬＣＴＥ材料４０上で互いに小さい距離において配することが、前記部分間に間隙３６を作る。一実施例において、間隙３６は、所定の大きさを有する。有利には、このことは、前記分路の温度の規定を可能にしている。前記分路の温度に等しい温度上昇ΔＴは、熱スイッチ２０を、前記間隙の大きさｄがｄ＝α_ｈ・ΔＴである場合に閉じるようにさせる。

本発明による半導体発光装置１０を保護するための方法は、モジュール１を有する照明アセンブリの熱設計の試験において効果的に利用されることができる。現在、前記熱設計を点検するために、過渡検査器及びＩＲイメージングのような、高価な及びエラーを起こしやすい方法が使用されているが、本発明の方法の用途は、この領域における多くの問題を軽減する。まず第一に、既知の方法は、時代遅れになる。本発明の方法は、臨界的な設計温度に前記照明アセンブリ（それぞれ、発光モジュール１）において到達した場合、肉眼に直接的に認められるからである。結局、この臨界温度限界への到達において、ＬＥＤ１０は、消える。第二に、本発明による発光モジュール１は、低い費用で大量作製されることができる。第三に、モジュール１は、所定の温度レベルにおいて機能するように設計されることができる。これらの有利な点は、前記モジュールを、広範囲の用途及び温度のための非常に多用途のツールにする。

本発明は、上述の実施例を参照して説明されたが、代替的な実施例が、同じ目的を達成するために使用されることもできることは、明らかである。従って、本発明の範囲は、上述の実施例に限定されるものではない。例えば、上述の熱スイッチ２０の代わりとして、バイメタル要素を有していても良い。

従って、本発明の精神及び範囲は、添付請求項及びこれらと同等のものによってのみ制限されるべきである。

Claims (5)

1. 接合部を持つ半導体発光装置と、
   前記半導体発光装置を分路するように配されている熱スイッチと、
   を有する発光モジュールであって、
   前記熱スイッチは、熱膨張係数α _ｈ を有する導電性材料と、α _ｈ ＞α _ｌ である熱膨張係数α _ｌ を有する非導電性材料とを有し、
   前記導電性材料は、前記非導電性材料上で２つの部分において設けられており、前記部分は、互いに離間して配され、間隙を形成しており、
   前記熱スイッチは、前記接合部が動作条件下で臨界温度に到達するのを防止するように所定の分路温度において動作し、
   前記間隙は、前記分路温度を規定する所定の大きさを有している、
   発光モジュール。
2. 前記導電性材料は金属を含有しており、前記非導電性材料はセラミックを含有している、請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記熱スイッチは、半導体発光装置に隣接して位置決めされている、請求項１又は２に記載の発光モジュール。
4. 前記半導体発光装置は、発光ダイオード又はレーザダイオードを有している、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光モジュール。
5. 半導体発光装置を過熱から保護する方法であって、
   接合部を持つ半導体発光装置を設けるステップと、
   前記半導体発光装置を分路するように熱スイッチを設けるステップであって、前記熱スイッチは、熱膨張係数α _ｈ を有する導電性材料と、α _ｈ ＞α _ｌ である熱膨張係数α _ｌ を有する非導電性材料とを有し、前記導電性材料は、前記非導電性材料上で２つの部分において設けられており、前記部分は、互いに離間して配され、間隙を形成しており、前記熱スイッチは、前記接合部が動作条件下で臨界温度に到達するのを防止するように所定の分路温度において動作し、前記間隙は、前記分路温度を規定する所定の大きさを有している、ステップと、
   を有する方法。

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