JP5236803B2 - 半導体照明部品 - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明
本発明は、国立エネルギー技術研究所により授与された契約ＤＥ−ＤＥ−ＦＣ２６−０６ＮＴ４２９３２号に基づく政府支援でなされたものである。本発明において、政府は特定の権利を有する。
本願は、２００７年１０月３１日に出願されたケラー他による米国特許出願第１１／９８２，２７５号の一部継続出願であって、同出願の利益を主張するものであり、また、２００７年９月２７日に出願されたメデンドープ他による米国特許出願第１１／７４３，３２４号の一部継続出願であって、同出願の利益を主張するものである。
［発明の背景］
［発明の分野］
本発明は、半導体照明の方法に関し、具体的には、複数の照明素子を備える小型のモノリシック半導体ランプに関する。
［先行技術］
発光ダイオード（ＬＥＤまたはＬＥＤｓ）は、電気エネルギーを光に変換する半導体デバイスであり、一般的に、反対にドープされた層の間に挟まれた１つ以上の半導体材料の活性層を備える。ドープされた層の間にバイアスが印加されると、正孔と電子とが活性層中に注入され、正孔と電子とが活性層で再結合して光を生じる。光は、活性層からとＬＥＤの全表面から放射される。
ＬＥＤチップを回路または他の同様な構成物において使用するために、ＬＥＤチップをパッケージの中に封入して、環境的および／または機械的な保護、色の選択、集光等をもたらすことが知られている。また、ＬＥＤパッケージは、外部回路にＬＥＤパッケージを電気的に接続するためのリード線、接点、またはトレースを備える。図１ａに図示された典型的なＬＥＤパッケージ１０においては、単体のＬＥＤチップ１２が、はんだ接合または導電性エポキシ樹脂によって反射カップ１３上に取り付けられている。１つ以上のワイヤボンド１１が、ＬＥＤチップ１２の抵抗接点をリード線１５Ａおよび／または１５Ｂに接続しており、リード線１５Ａおよび／または１５Ｂは、反射カップ１３に取り付けられていても、反射カップ１３と一体化されていてもよい。反射カップは、例えば蛍光体等の波長変換材料を含み得る封入材料１６を充填されていてもよい。ＬＥＤによって第１の波長で発せられた光は、蛍光体によって吸収されてもよく、蛍光体は、それに応じて第２の波長で光を発してもよい。次に、アセンブリ全体が、透明の保護樹脂１４内に封入されるのであるが、透明の保護樹脂１４は、ＬＥＤチップ１２から発せられる光を平行にするために、レンズ形状に成形されてもよい。反射カップ１３は、光を上方向に方向付けることができる一方で、光が反射される際に光学的損失を生じる場合がある（すなわち、実際の反射体表面の反射率が１００％未満であることに起因して、光の一部が反射カップに吸収される場合がある）。さらに、例えば図１ａに示されるパッケージ１０等のパッケージに関して、リード線１５Ａ、１５Ｂを介して熱を取り出すことが困難な場合があるため、熱の残留が問題となることがある。
図１ｂに図示される従来のＬＥＤパッケージ２０は、より多くの熱を発生し得る高出力動作により適し得る。ＬＥＤパッケージ２０において、１つ以上のＬＥＤチップ２２が、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）キャリア、基板、またはサブマウント２３等のキャリア上に取り付けられている。サブマウント２３上に取り付けられた金属反射体２４がＬＥＤチップ２２を囲繞し、ＬＥＤチップ２２により発せられる光をパッケージ２０から離れる方向に反射する。また、反射体２４は、ＬＥＤチップ２２に対して機械的保護をもたらす。１つ以上のワイヤボンド接続１１が、ＬＥＤチップ２２上の抵抗接点と、サブマウント２３上の電気トレース２５Ａ、２５Ｂとの間になされる。次いで、取り付けられたＬＥＤチップ２２は、封入材料２６で覆われ、封入材料２６は、チップに対して環境的および機械的保護をもたらし得るとともにレンズとして機能し得る。一般的に、金属反射体２４は、はんだ、またはエポキシ樹脂接着剤を用いてキャリアに取り付けられる。
半導体照明用途のための典型的なＬＥＤ部品は、できるだけ高電流で、且つ、個々のＬＥＤには標準的である低電圧で、単体のＬＥＤチップを動作させることによって、高い光出力を達成することを試みている。より高出力の動作に関しては、ＬＥＤチップ２２によって発生される熱を伝導放散することが困難となり得る。サブマウント２３は、例えば、熱伝導が効率的でないセラミックス等の材料で作られ得る。ＬＥＤチップからの熱は、ＬＥＤチップ下方のサブマウント内へ達するものの、ＬＥＤの下方から側方へ効率的に拡散しない。こうして上昇した熱は、パッケージの寿命の短縮または故障を招く可能性がある。
システムレベルでは、高電流動作には、上述のコンポーネントに直流の定電流源を供給する比較的高価なドライバが必要となる。代わりに、より低電流且つより高電圧にてＳＳＬ部品を動作させれば、より低コストのドライバソリューションがもたらされ、最終的にはシステムコストの低減がもたらされる。より低電流且つより高電圧にてＳＳＬ部品を動作させることは、適切な電流定格の複数のＬＥＤ部品を回路基板レベルで直列に組み立てることによって、現在実現されている。個々の部品の高コストは、このようなソリューションに係る低減されたドライバコストを上回っている。
現行のＬＥＤパッケージ（例えば、クリー インコーポレイテッドが提供するＸＬａｍｐ（登録商標）ＬＥＤ）では、入力電力レベルを制限することが可能であり、その範囲が０．５〜４ワットの場合もある。このような従来のＬＥＤパッケージの多くは、ＬＥＤチップを１つ内蔵しており、単一の回路基板上にこのようなＬＥＤパッケージを数個取り付けることによって、アセンブリレベルにおいてより高い光出力が達成されている。図２は、より高い光束を達成するために、基板またはサブマウント３４に取り付けられた複数のＬＥＤパッケージ３２を備える、上記のような分散統合型ＬＥＤアレイ３０の一例の断面図を示している。一般的なアレイは多数のＬＥＤパッケージを備えるが、図２においては、理解を容易にするために２つのみが示されている。一方、キャビティのアレイを利用することによる、より高光束の部品が提供されてきているが、各キャビティには単一のＬＥＤチップが取り付けられている（例えば、ラミナ インコーポレイテッドが提供するＴｉｔａｎＴｕｒｂｏ（登録商標）ＬＥＤライトエンジン）。
このようなＬＥＤアレイソリューションは、隣接するＬＥＤパッケージやキャビティの間に、広範な非発光の「デッドスペース」をもたらすため、所望されるよりも小型にならない。このデッドスペースは、デバイスの大型化をもたらし、平行レンズまたは反射体のような単一の小型の光学素子によって出力光線を特定の角度分布に形成する機能を制限することになり得る。このことにより、既存のランプの形態係数内あるいはさらに小さい形態係数に方向付けまたは平行化された、光出力をもたらす半導体照明の照明器具の製造を実現するのが難しくなる。これらは、小さい光源から１０００ルーメン以上の範囲の光束レベルをもたらすＬＥＤ部品を内蔵する小型のＬＥＤランプ構造を提供する上での課題を提示している。
現行の高動作電圧の照明器具ソリューションは、複数の別個のＬＥＤ部品を回路基板レベルでアセンブリとして一体化している。所望の光線形状を達成するためには、個々の光学レンズに各ＬＥＤ部品を取り付けるか、あるいは、（既存の従来の光源形態より大型の）非常に大型の反射体を採用しなければならない。これらの副次的光学素子（レンズまたは反射体）は、大型且つ費用がかかり、そのような単体のチップアレイの面積が広範であることによって、ＬＥＤ照明器具はさらに高価なものとなる。さらに、パッケージおよびキャビティの側壁から反射されるあらゆる光は、さらなる光学的損失を招く可能性もあり、これらの全般的なＬＥＤ部品を低効率にしている。
［発明の概要］
本発明に係るモノリシック白色発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージの一実施形態は、約８００ルーメン超を約３０００Ｋ未満で生成する、単色または複数色のＬＥＤチップアレイを備える。上記ＬＥＤチップアレイは、単一の外側被覆レンズを有する、実質的に平面である基板上に配設される。
本発明に係る白色発光ＬＥＤパッケージの別の実施形態は、ＬＥＤチップアレイと、このアレイを覆う、５ミリメートルを超える直径を有する外側被覆レンズとを備える。
本発明に係るモノリシック白色ＬＥＤパッケージの別の実施形態は、約８００ルーメン超を約３０００Ｋ未満で発生する、単色または複数色のＬＥＤチップアレイを備える。このＬＥＤチップアレイは、複数の蛍光体変換された黄緑色発光ＬＥＤチップおよび赤色ＬＥＤチップを有する、白色発光ＬＥＤアレイを備える。
本発明に係るモノリシックＬＥＤパッケージのさらに別の実施形態は、複数のＬＥＤチップを備え、これらＬＥＤチップの各々は、少なくとも２つの色群のうちの１つで発光する。これら色群の各々で発光するＬＥＤチップは、直列接続されている。
本発明の上記および他の態様ならびに利点は、以下の詳細な説明、および、本発明の特徴を一例として図示する添付図面から明らかとなるであろう。
先行技術のＬＥＤランプの一実施形態の断面図を示している。 先行技術のＬＥＤランプの別の実施形態の断面図を示している。 先行技術のＬＥＤ部品の一実施形態の断面図を示している。 本発明に係るＬＥＤ部品の一実施形態の断面図を示している。 本発明に係るＬＥＤ部品の別の実施形態の断面図である。 図４ａに示されるＬＥＤ部品の斜視図である。 図４ａに示されるＬＥＤ部品の上面図である。 図４ａに示されるＬＥＤ部品の底面図である。 本発明に係るＬＥＤ部品のためのダイ取付パッドおよび導電性トレースの一実施形態の上面図である。 本発明に係るＬＥＤ部品のさらに別の実施形態の断面図である。 図６ａに示されるＬＥＤ部品のサブマウントの一部の詳細な断面図である。 図６ａに示されるＬＥＤ部品の底面図である。 平面レンズを有する、本発明に係るＬＥＤ部品の別の実施形態の断面図である。 集合光学レンズを有する、本発明に係るＬＥＤ部品の別の実施形態の断面図である。 本発明に係るＬＥＤ部品の一実施形態におけるＬＥＤチップの相互接続の回路図である。 本発明の別の実施形態における、異なる電流および電圧の動作要件を示すグラフである。 本発明に係るＬＥＤ部品の別の実施形態におけるＬＥＤチップの相互接続の回路図である。 本発明に係るＬＥＤ部品のさらに別の実施形態におけるＬＥＤチップの相互接続の回路図である。
［発明の詳細な説明］
本発明は、サブマウント上に取り付けられた複数のＬＥＤチップを有するモノリシックＬＥＤ部品を備え、単一の小型光源素子を創出する。本願で用いられているように、モノリシックとは、ＬＥＤチップが１つの基板またはサブマウント上に取り付けられているＬＥＤ部品のことをいう。ある実施形態では、ＬＥＤチップの少なくとも一部が、直列に電気的に接続するように配設され、別の実施形態では、複数の直列接続されたＬＥＤが、または直列／並列の相互接続配列を組み合わせたものが提供されている。本発明によれば、所望の部品サイズを達成し、且つ、個々のチップ毎にＬＥＤの最適な電流密度での所望の光出力を達成するために、ＬＥＤ部品を特定のチップサイズおよびＬＥＤ発光総面積を有するように設計および選択することができる。ＬＥＤ部品を特定のチップサイズおよびＬＥＤ発光総面積を有するように設計および選択することができることにより、特定のコストで最適に効率的にＬＥＤ部品を提供することができる。ＬＥＤチップのサイズを柔軟に選択することによって、本発明は、特定用途向けのドライバコストソリューションに最適な電圧および電流で動作する部品を提供する。
一般的に、より高電流且つより低電圧とは対照的に、より低電流且つより高電圧で出力電力を供給するＬＥＤドライバは、ドライバ効率を低下させることなく、より低コストの電子部品（例えば、パワーＦＥＴ）を内蔵することが可能である。特定の用途によっては、異なるＬＥＤ部品を、例えば２４Ｖ，４０Ｖ，８０Ｖまたは同等のように、異なるレベルで動作させることが望ましい場合がある。（チップが同じ電流密度で動作すると仮定した場合、）異なるサイズのＬＥＤチップを利用することによって、部品の動作電圧を調整することが可能である。さらに、ＬＥＤ部品上のＬＥＤチップの直列接続および並列接続の異なる組み合わせにより、最適なシステム電圧を供給することが可能であり、また、ＬＥＤチップのうちの１つが動作中に故障した場合に、冗長性を提供することが可能である。また、異なるＬＥＤデバイスを、より低い電流密度またはより高い電流密度で駆動させることも可能である。同じ光出力を達成するために、ＬＥＤチップのそれぞれについてより低い電流密度で動作させることは、ＬＥＤ部品の高効率化につながるだろうが、さらなるデバイスを追加する必要が生じる可能性がある。一方、ＬＥＤチップ毎に、より高い電流密度で動作させることに的を絞った結果、ＬＥＤ部品が低効率化する一方で、アレイからＬＥＤデバイスを除去できる結果となり、それに対応して、アレイのサイズに影響を与えることになろう。単一のキャビティ内または単一のレンズの下にモノリシックに集積したＬＥＤチップによって、光源および部品サイズを実質的に増大させることなく、ＬＥＤ部品を所望の発光で設けることが可能になる。
直列接続されたＬＥＤ、または、直列／並列接続されたＬＥＤが設けられることによって、ＬＥＤ部品に対する外部接点の数を削減することが可能である。各ＬＥＤチップに対する２つの接点に対応して、各直列接続毎に２つの接点のみが必要となる。単一の直列接続されたＬＥＤ回路を有するＬＥＤ部品では、わずか２つの外部接点が利用可能であり、２つの直列接続された回路を有するＬＥＤ部品では、わずか４つの外部接点が利用可能である。直列接続されたＬＥＤを利用することにより、静電放電（ＥＳＤ）保護チップの数を削減することも潜在的に可能になるとともに、各ランプ内にＥＳＤチップが必要となり得る、多数のＬＥＤランプを内蔵したシステムソリューションとは対照的に、適切なクランプ電圧の単一のＥＳＤチップが、直列接続された各回路における複数のＬＥＤチップに保護を与える。単一の直列接続された回路を有するＬＥＤ部品には、潜在的に単一のＥＳＤチップを用いることが可能である。
本発明に係るＬＥＤ部品は、異なる光束で動作するように設計することが可能である。また、本発明に係るＬＥＤ部品は、異なる色温度で白色光を発するように設計することも可能である。他の実施形態において、本発明に係るＬＥＤ部品は、約６０００Ｋから約２７００Ｋに至るまでの色温度で動作可能である。一実施形態では、モノリシックＬＥＤ部品は、３０００Ｋ未満の色温度で８００ルーメンを超える白色光束を発生する、複数色ＬＥＤチップアレイによって動作する。このＬＥＤ部品は、好適な電流および電流密度で動作可能なＬＥＤ発光体チップを備え、低コストで電力効率の高い発光体を用いた動作を可能にする。このような電流の範囲の１つは、５０〜１５０ｍＡである。この範囲の電流で、サイズの異なるＬＥＤチップを用いることが可能であり、様々なサイズの発光体をアレイに一体化してもよい。
本発明は、特定の実施形態を参照して本明細書において説明されているが、当然のことながら、本発明は多様な形態で実現可能であり、本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解釈されるべきでない。具体的には、本発明は様々な構成のＬＥＤアレイに関して以下に説明されるが、当然のことながら、本発明は他の半導体発光体を用いた数多くの他のアレイ構成に用いられ得る。上記部品は、例示されている以外の異なる形状およびサイズを有していてもよく、また、異なる数のＬＥＤが上記アレイに備えられてもよい。上記アレイにおけるＬＥＤの一部または全部が、蛍光体入り結合剤を含有し得る周波数逓降変換器コーティング（「蛍光体／結合剤コーティング」）で被覆され得るが、当然のことながら、変換材料を含まないＬＥＤも使用可能である。
同様に当然のことながら、例えば層、領域、または基板等の要素が、別の要素「上」と称される場合、直接他の要素に接している場合もあれば、介在要素が存在する場合もある。さらに、例えば「内側の」、「外側の」、「上方の」、「の上方に」、「下方の」、「の真下に」、および「の下方に」等のような相対的用語ならびに同様な用語は、１つの層または別の領域の関係を説明するために、本明細書において用いられ得る。当然のことながら、これらの用語は、図面に描かれている向きに加えて、デバイスの別の向きを包含することを意図している。
第１の、第２の、等の用語は、種々の素子、部品、領域、層、および／または部分を説明するために本明細書において用いられ得るが、これらの素子、部品、領域、層、および／または部分は、上記の用語によって限定されるべきではない。上記の用語は、１つの素子、部品、領域、層、または部分を、別の領域、層、または部分と区別するために使用されるだけである。したがって、以下で述べる第１の素子、部品、領域、層、または部分は、本発明の教示から逸脱しなければ、第２の素子、部品、領域、層、または部分と称されてもよい。
本発明の実施形態は、本発明の実施形態の略図である断面図の図示を参照して、本明細書にて説明されている。それゆえ、層の実際の厚さは異なっていてもよく、例えば製造技術および／または許容誤差の結果として、図示されたものと形状の差異が生じることは想定される。本発明の実施形態は、本明細書において図示された領域の特定形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば製造に起因する、形状の偏差を含むものとする。正方形または長方形として図示または記述された領域は、通常の製造上の許容誤差により、丸みを帯びた、または湾曲した外観を一般的に有するものである。したがって、図面に図示された領域は、本質的に概要であり、領域の形状は、デバイスの領域の精密な形状を図示することを目的にしているのではなく、また、本発明の範囲を限定することを目的にしているのでもない。
図３は、本発明に係るＬＥＤ部品４０の一実施形態を示しており、ＬＥＤ部品４０は、ＬＥＤチップのアレイを保持するためのサブマウント４２を備え、サブマウントは、当該サブマウントの上面上にダイパッド４４と、導電性トレース４６とを有している。ＬＥＤアレイを備えるＬＥＤチップ４８は、ＬＥＤチップ４８の各々がダイパッド４４のそれぞれ１つに取り付けられた状態で備えられる。ワイヤボンド５０が、導電性トレース４６とＬＥＤチップ４８の各々との間を通り、ＬＥＤチップ４８の各々のダイパッド４４とワイヤボンド５０とのうちのそれぞれ１つを介して、電気信号がＬＥＤチップ４８の各々に印加される。あるいは、ＬＥＤチップ４８が、ＬＥＤの片側（底部側）上に、同一平面上の電気的接点を備えるとともに、発光面の大部分が、上記電気的接点と反対側のＬＥＤ側（上側）上に位置してもよい。このようなフリップチップＬＥＤは、１つの電極（各々がアノードまたはカソード）に対応する接点をダイパッド４４上に取り付けることによって、サブマウント４２上に取り付けられ得る。他方のＬＥＤ電極（各々がカソードまたはアノード）の接点は、トレース４６に取り付けられ得る。他の実施形態では、反射体は異なる位置に配設されたり、別の形に成形され得るが、ＬＥＤチップ４８の周囲のサブマウントに取り付けられる任意の反射体５２が備えられてもよい。このような実施形態におけるＬＥＤチップ４８は、単色で発光し得るか、あるいは、各タイプのＬＥＤが１つの直列接続回路内に少なくとも接続された状態で、低い周波数に変換する蛍光体で被覆され得る。あるいは、独立した直列回路をそれぞれ用いて、複数のタイプのＬＥＤをサブマウント４２上に同時に取り付けることが可能である。例えばレンズ等の光学素子５４が、ＬＥＤチップ４８を覆って備えられる。
３つのＬＥＤチップ４８を備えたＬＥＤ部品４０が図示されているが、当然のことながら、さらなるＬＥＤチップが備えられ得る。ＬＥＤチップ４８のうちの少なくとも一部は、ＬＥＤ部品との接点の数を最小限にするため、および、例えば５０〜１５０ｍＡの範囲等のような所望の駆動電流での、好適なドライバによる動作を可能にするために、直列に相互接続される。ＬＥＤチップ間の「デッドスペース」は、先行技術のＬＥＤ部品よりも小さく、一般的に０．５０ｍｍ未満である。一実施形態においては、その間隔は取り付け工程次第で０．１５ｍｍ〜０．０１ｍｍとなり、サブマウント４２の上面上にＬＥＤ部品を高密度で配設することを可能にしている。サブマウント４２の上面上にＬＥＤ部品を高密度で配設することが可能となることにより、既存のランプ並みの、またはさらに小さい形態係数を有し得る、より小型のデバイスが可能になり、さらに、出力光線を特定の角度分布に形成する機能がもたらされ得る。
図４ａ〜４ｄは、サブマウント６４の表面上に取り付けられたＬＥＤチップ６２のアレイを備える、本発明に係るモノリシックＬＥＤ部品６０の別の実施形態を示す。ＬＥＤチップ６２の少なくとも一部は、直列回路において相互接続され、蛍光体コンバータで被覆されたＬＥＤチップを有する図示された実施形態が、１つの直列回路において相互接続され、また、赤色発光ＬＥＤが、第２の直列回路に連結されている。本実施形態では、蛍光体変換されたＬＥＤのための色空間は、ｕ’＝０．１３；ｖ’＝０．４２を有する座標Ａ、ｕ’＝０．１３；ｖ’＝０．５７を有する座標Ｂ、ｕ’＝０．２６；ｖ’＝０．５４を有する座標Ｃ、ｕ’＝０．２２；ｖ’＝０．５１を有する座標Ｄ、およびｕ’＝０．１８；ｖ’＝０．４２を有する座標Ｅによって創出される、ＣＩＥ１９７６年ｕ’ｖ’色空間での四辺形を備える。それに応じて、赤色ＬＥＤは、ｕ’＝０．２９；ｖ’＝０．５４を有する座標Ｅ、ｕ’＝０．３１；ｖ’＝０．５６を有する座標Ｆ、ｕ’＝０．５５；ｖ’＝０．５５を有する座標Ｇ、およびｕ’＝０．５３；ｖ’＝０．４７を有する座標Ｈによって創出される、色四辺形をカバーする。当然のことながら、本発明に係る別の実施形態は、多様に配設された種々のチップタイプの直列相互接続回路を有していてもよく、且つ、以下で述べるように、直列／並列を組み合わせた相互接続回路を備えていてもよい。
ＬＥＤチップ６２は、サブマウント６４の実質的に平らである表面上に取り付けられることが好ましく、単一の光学レンズ素子の下に配設される。図示された実施形態において、部品６０は、種々のＬＥＤからの光を組み合わせたものとして、所望の色点および演色評価数で白色光を発し、同時に、高効率で所望の光束を発する。
ＬＥＤチップ６２は、多様に配設された多数の異なる半導体層を有することが可能であり、本発明に係る別の実施形態において、多数の異なる色を発することが可能である。ＬＥＤの構造、特性、ならびにその製造および動作は、当技術分野で広く知られており、本明細書においては簡単に述べるに留める。ＬＥＤチップ６２の層は、周知の処理を用いて製造され得るが、好適な処理は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）を用いての製造である。ＬＥＤチップの層は、反対にドープされた第１および第２のエピタキシャル層の間に挟まれた、活性層／活性領域を通常備え、全てのエピタキシャル層は、成長基板上に続いて形成される。ＬＥＤチップは、ウエハ上に形成された後に、パッケージ内に取り付けられるためにダイシングされ得る。当然のことながら、上記成長基板は、ダイシングされた最終的なＬＥＤの一部として残留してもよく、あるいは、上記成長基板は、全体的または部分的に除去されてもよい。
同様に当然のことながら、ＬＥＤチップ６２には、さらなる層および素子が備えられ得る。さらなる層および素子には、バッファ、核生成、接点、および電流拡散層の他に、光抽出層および光抽出素子も含まれるが、それらに限られるものではない。活性領域は、単一量子井戸（ＳＱＷ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）、二重へテロ構造、または超格子構造を備え得る。活性領域とドープ層とは、異なる材料系から製造されてもよく、好適な材料系は、ＩＩＩ族窒化物ベースの材料系である。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、通例アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）である周期表ＩＩＩ族元素との間に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体化合物のことを指す。この用語はまた、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の、三元化合物および四元化合物のことも指す。好適な実施形態では、ドープ層は窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、活性領域はＩｎＧａＮである。別の実施形態では、ドープ層は、ＡｌＧａＮ、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、またはアルミニウムガリウムインジウム砒素リン（ＡｌＧａＩｎＡｓＰ）であってもよい。
成長基板は、例えばサファイア、炭化ケイ素、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ）等の多くの材料で作られることが可能であり、好適な基板は、炭化ケイ素の４Ｈ型ポリタイプであるが、３Ｃ型、６Ｈ型、および１５Ｒ型のポリタイプを含む他の炭化ケイ素ポリタイプを用いることも可能である。炭化ケイ素は、例えば、サファイアより結晶格子がＩＩＩ族窒化物に緊密に合う等の一定の利点があるため、より高品質なＩＩＩ族窒化物フィルムが得られることになる。炭化ケイ素は非常に高い熱伝導率も有するため、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力は、基板の熱放散によって制限されない（サファイア上に形成されたデバイスの場合には制限され得る）。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのクリー リサーチ インコーポレイテッドから入手可能であり、その製造方法は科学文献に記載されているとともに、米国特許再発行第３４，８６１号、米国特許第４，９４６，５４７号および第５，２００，０２２号にも記載されている。
ＬＥＤチップ６２は、導電性電流拡散構造、およびその上面上にワイヤボンディングパッドを備えることも可能である。導電性電流拡散構造およびワイヤボンディングパッドの双方は、導電性材料で作られており、周知の方法を用いて堆積される。これらの素子に用いられ得る材料には、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、またはこれらを組み合わせたもの、ならびに、導電性酸化物および透明導電性酸化物を含むものがある。上記電流拡散構造は、ＬＥＤチップ６２上に格子状に配設された導電性フィンガを備えてもよく、フィンガは、パッドからＬＥＤ上面への電流拡散を促進するために離間される。動作中、電気信号は、後述するようにワイヤボンドを通してパッドに印加され、その電気信号は、電流拡散構造のフィンガおよび上面を介してＬＥＤチップ６２へと拡散する。電流拡散構造は、上面がｐ型であるＬＥＤに用いられることが多いが、ｎ型材料にも用いられ得る。
ＬＥＤチップ６２の各々は、１つ以上の蛍光体で被覆されることが可能であり、蛍光体は、ＬＥＤ光の少なくとも一部を吸収し、且つ、ＬＥＤがＬＥＤおよび蛍光体からの合成光を発するように異なる波長の光を発する。本発明に係る一実施形態では、白色発光ＬＥＤチップ６２は、青色波長スペクトルの光を発するＬＥＤを有し、蛍光体は青色光の一部を吸収し、黄色光を再び発する。ＬＥＤチップ６２は、青色光と黄色光とが合成された白色光を発する。一実施形態では、蛍光体は、市販されているＹＡＧ：Ｃｅを備えるが、例えばＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（ＹＡＧ）等の、（Ｇｄ，Ｙ）3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅ系をベースとした蛍光体でできた変換粒子を使用すると、広範囲にわたる黄色スペクトルの全範囲発光が可能となる。白色発光ＬＥＤチップに使用できる他の黄色蛍光体には、
Ｔｂ3-xＲＥxＯ12：Ｃｅ（ＴＡＧ）； ＲＥ＝Ｙ， Ｇｄ， Ｌａ， Ｌｕ； または
Ｓｒ2-x-yＢａxＣａyＳｉＯ4：Ｅｕ
が含まれる。
赤色光を発するＬＥＤチップ６２は、活性領域から直接赤色光を発することを可能にする、ＬＥＤ構造および材料を備え得る。また、他の実施形態では、赤色発光ＬＥＤチップ６２は、ＬＥＤ光を吸収して赤色光を発する蛍光体に覆われたＬＥＤを備え得る。この構造に適した蛍光体は、以下のものを備え得る。
赤色
Ｌｕ2Ｏ3：Ｅｕ3+
（Ｓｒ2-xＬａx）（Ｃｅ1-xＥｕx）Ｏ4
Ｓｒ2Ｃｅ1-xＥｕxＯ4
Ｓｒ2-xＥｕxＣｅＯ4
ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ3+，Ｇａ3+
ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+
Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+
ＬＥＤチップ６２は、多くの異なる方法を用いて蛍光体で被覆されることが可能である。共に「ウエハレベルでの蛍光体コーティング方法、および該方法を利用して製造されたデバイス」と題された、米国特許出願第１１／６５６，７５９号および第１１／８９９，７９０号に、好適な一方法が記載されており、両出願は、参照により本明細書に援用される。あるいは、ＬＥＤは、例えば電気泳動堆積法（ＥＰＤ）等の他の方法を用いて被覆されることが可能である。「半導体デバイスの閉ループ電気泳動堆積」と題された米国特許出願第１１／４７３，０８９号に、好適なＥＰＤ法が記載されており、この出願も参照により本明細書に援用される。当然のことながら、本発明に係るＬＥＤパッケージはまた、異なる色の複数のＬＥＤを有することが可能であり、それらの１つ以上は白色発光であってもよい。
サブマウント６４は、多くの異なる材料で形成することが可能であり、好適な材料は、例えば誘電体素子のように電気的に絶縁されたものであり、サブマウントは、ＬＥＤアレイと部品の裏面との間に存在する。サブマウントは、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、および炭化ケイ素等のセラミックス、または、例えばポリイミドおよびポリエステル等の高分子材料を含むことが可能である。好適な実施形態では、誘電材料は、例えば窒化アルミニウムおよび炭化ケイ素等がそうであるように、高い熱伝導性を有する。他の実施形態では、サブマウント６４は、例えば反射セラミックス、または銀のような金属層等の、高反射性材料を含むことが可能であり、部品からの光抽出を高めることとなる。他の実施形態では、サブマウント６４は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、アルミナ、サファイア、もしくはシリコン、または、例えばミネソタ州チャンハッセンのザ・バーグクイスト・カンパニーから入手できる、Ｔ−Ｃｌａｄ熱被覆絶縁基板材料等の他のあらゆる適切な材料を含むことが可能である。ＰＣＢの実施形態に関して、例えば標準ＦＲ−４ ＰＣＢ、メタルコアＰＣＢ、または他のあらゆるタイプのプリント基板等の、異なるＰＣＢタイプが使用されてもよい。
当然のことながら、本発明に係るＬＥＤ部品は、複数のサブマウントを備えるサブマウントパネルまたはウエハを組み込む方法を用いて製造され得る。複数のＬＥＤ部品６０がサブマウントパネルの至る所に形成され得るように、サブマウント６４の各々は、当該サブマウント６４自体のＬＥＤアレイおよび光学素子６６で形成され得る。複数のＬＥＤ部品６０は、続いてサブマウントパネルからダイシングされる。各サブマウント６４は、例えば、サブマウント平面上に取り付けられた複数の「サブマウント」アセンブリ等のように、素子のより複雑な組み合わせを備えてもよい。さらに詳しく後述するように、サブマウントアセンブリは、例えば各種ＬＥＤチップにＥＳＤ保護を与える、等の様々な機能性を有することが可能である。
ＬＥＤパッケージ６０におけるサブマウント６４の大きさは、例えばＬＥＤのサイズおよび数等、何らかの要因によって変動し得る。一実施形態では、サブマウントの両辺は約１２ｍｍ×１３ｍｍであってもよい。さらに当然のことながら、サブマウント６４は、円形、楕円形、四角形、六角形、またはその他の多角形を含む、他の形状を有し得る。
次に図５を参照すると、パターン化された導電性特徴部６８を備えた平面を有する、サブマウント６４の上面が示されており、導電性特徴部６８は、ダイ取付パッド７０と相互接続導電性トレース７２とを備え得る。これらの特徴部６８は、周知の接触方法を用いて、（図４ａ〜４ｃに示された）ＬＥＤチップ６２との電気的接続のための導電経路を提供する。ＬＥＤチップ６２の各々は、周知の方法と材料とを用いて、取付パッド７０のそれぞれ１つに取り付け可能であり、周知の方法および材料は、フラックス材料を含んでいても含んでいなくてもよい従来のはんだ材料を用いて取り付けるものである。ＬＥＤチップ６２は、ＬＥＤチップ６２の形状次第で、周知の表面実装法またはワイヤボンディング法を用いて、導電性トレース７２に同様に取り付けられ、且つ、電気的に接続され得る。あるいは、フリップチップＬＥＤを、上述のように取付パッドと導電性トレースとに取り付けることも可能である。
取付パッド７０および相互接続トレース７２は、例えば金属またはその他の導電性材料等の多数の異なる材料を備えていてもよく、一実施形態では、例えば鍍金等の周知技術を用いて堆積された銅を備え得る。代表的な堆積処理の１つにおいては、チタン接着層と銅シード層とが、基板上に順次スパッタされる。次に、約７５ミクロンの銅が銅シード層上に鍍金されるが、様々な金属厚が用いられてもよい。得られた堆積銅層には、続いて標準的なリソグラフィ処理を用いて、パターン形成される。他の実施形態では、所望のパターンを形成するために、マスクを用いて層をスパッタすることが可能である。
本発明に係る他の実施形態では、上記特徴部６８の一部または全部は、銅以外の他の追加材料を備え得る。例えば、ダイ取付パッドは、ＬＥＤチップ６２の１つを取り付けるのにより適したものとなるように、追加の金属または材料で、鍍金または被覆されることが可能である。取付パッドは、接着材料もしくは結合材料、または反射層およびバリア層で鍍金され得る。
上記のように、ＬＥＤチップ６２は、蛍光体被覆されたＬＥＤチップ、および赤色発光ＬＥＤチップをそれぞれ備える、２つの直列回路において相互接続される。ＬＥＤ部品は、白色発光ＬＥＤおよび赤色発光ＬＥＤに各電気信号を印加するための接着パッドを備える。図４ｂに最もよく示されるように、ＬＥＤアレイ６２の直列赤色ＬＥＤチップに電気信号を印加するための、第１および第２の接着パッド７４，７６が、サブマウント６４の表面に設けられている。ＬＥＤアレイ６２の直列接続された蛍光体被覆ＬＥＤチップに電気信号を印加するための、第３および第４の接着パッド７８，８０も設けられている。ＬＥＤ部品は、Ｒ１およびＲ２と指定された、赤色ＬＥＤチップ用の適切な接着パッド、ならびに、Ｂ１およびＢ２と指定された、白色発光ＬＥＤ用の接着パッドと、適正に電気的接続することの一助となるマーキングを備え得る。導電性トレース７２は、赤色および青色の直列接続回路に相互接続スキームを提供し、一実施形態では、相互接続スキームは、ＬＥＤ間に２つ未満のトレースが通っている状態で、単層に相互接続を提供する。
第１、第２、第３、および第４の接着パッドとの電気的外部接触を提供することによって、電気信号がＬＥＤ部品６０に印加され得るが、その電気的外部接触は、例えばワイヤボンディングもしくはリボンボンディング、または、例えば鉛はんだ付け、特別なコネクタ、もしくは、例えばＰＣＢ上の導電性経路にＬＥＤ部品を取り付ける等の、その他の接続方法によって提供される。例示された実施形態では、ＬＥＤ部品６０は、表面実装技術を用いた取り付けのために配設されている。ＬＥＤ６０は、サブマウント６４の裏面に形成され得る、（図４ｄに最もよく図示された）第１、第２、第３、および第４の表面実装パッド８２，８４，８６，８８を備えているが、それらの表面実装パッドは、サブマウントの表側上の接着パッド７４，７６，７８，８０のうちの対応する１つと、少なくとも部分的に位置が合致している。導電性ビア９０が、対応する表面実装パッドと接着パッドとの間のサブマウント６４を貫いて形成され、その結果、信号が表面実装パッド８２，８４，８６，８８に印加されると、そのビアを介して、対応する接着パッドに信号が伝導される。表面実装パッド８２，８４，８６，８８によって、ＬＥＤパッケージ６０の表面実装が可能になるとともに、ＬＥＤ部品に印加されるべき電気信号が表面実装パッドに印加され得る。ビア９０および表面実装パッド８２，８４，８６，８８は、取付パッドおよび接着パッドに用いられるような様々な技術を用いて堆積される、多くの異なる材料で製造され得る。
当然のことながら、表面実装パッド８２，８４，８６，８８およびビア９０は、多様な方法で配設可能であり、多様な形状およびサイズを有し得る。他の実施形態では、例えばサブマウントの側面に沿うように、実装パッドと接触パッドとの間のサブマウント表面上にある１つ以上の導電性トレースを含む、ビア以外の構成を使用することが可能である。
導電性トレース７２、他の導電性特徴部、またはセラミックス表面の部分を少なくとも部分的に覆うように、ソルダーレジストもまた、サブマウントの上面あるいは底面に備えられ得る。接着パッドおよびダイ取付パッドは、通常覆われないままであり、続く処理工程の間、特に、ＬＥＤチップ７２をダイ取付パッド７０に取り付ける間、ソルダーレジストが、導電性トレース７２および他の覆われた特徴部を保護している。上記工程の間には、はんだまたは他の材料が望ましくない領域に堆積する虞があり、そのような事態は、当該領域への損傷または電気的短絡をもたらし得る。ソルダーレジストは、このようなリスクを削減または防止することができる絶縁物質および保護物質として機能する。
ＬＥＤ部品６０はまた、静電放電（ＥＳＤ）に起因する損傷に対する保護のための素子を備えることも可能であり、サブマウント６４をオンまたはオフ可能である。例えば多様な縦型シリコン（Ｓｉ）ツェナーダイオード、ＬＥＤチップ６２に並列に配設され、且つＬＥＤチップ６２に対して逆バイアスされた種々のＬＥＤ、表面実装バリスタ、および横型Ｓｉダイオード等の異なる素子が用いられ得る。ツェナーダイオードを用いた実施形態では、周知の実装技術を用いて、別個の取付パッドにツェナーダイオードが取り付けられ得る。ツェナーダイオードは比較的小型であるため、サブマウント６４の表面上の領域を過度に覆うことはなく、直列接続されたＬＥＤ群を利用する際に、各直列群毎に１つのＥＳＤ素子が必要となるだけである。
サブマウント６４、および部品の実装面積の大きさを最小にするため、且つ、異なる色の光を発するＬＥＤチップ６２を有する上記の実施形態において、混色を向上させるために、サブマウント６４上にＬＥＤチップ６２を密集して配設することが望ましい。しかしながら、相互に密接したＬＥＤチップ６２では、ＬＥＤチップ６２からの熱が、隣接するＬＥＤチップ６２に拡散したり、ＬＥＤチップ６２の下方のサブマウント６４の集中領域に蓄積したりする可能性がある。動作中にＬＥＤチップ６２によって生成される熱の放散を向上させるために、ＬＥＤ部品６０は、熱放散を向上させる一体型機構を備え得る。サブマウント６４の表面での熱放散を向上させる１つの方法は、熱伝導性があり、且つ、サブマウント６４の表面でＬＥＤチップの端部を越えて延在するダイ取付パッドを備えることである。各ＬＥＤチップからの熱は、そのダイ取付パッド内へと、そして熱を放散するためにより大きい表面積をもたらす、延在したダイパッドの幅を越えて拡散し得る。しかしながら、より大型のダイパッドは、ＬＥＤをどれほど相互に密接させられるかについて制限要因となり得る。
実施形態によっては、ＬＥＤチップは密集して配設されたままであることが可能であり、ダイ取付パッド７０および相互接続されたトレース７２を、導電性および熱伝導性を有する材料で製造することによって、部品６０におけるＬＥＤチップ６２からの熱放散は高められ得る。部品の動作中、取付パッドおよびトレース７０，７２を通して電気信号が印加されることが可能であり、同様にして、ＬＥＤチップから取付パッドおよびトレース７０，７２へと熱が拡散し得る。取付パッドおよびトレース７０，７２では、熱がサブマウントを通して放散または伝導され得る。導電性および熱伝導性を有する多様な材料を使用することが可能であり、好ましい材料は、例えば銅等の金属である。
次に図４ｄを参照すると、熱放散をさらに高めるために、ＬＥＤ部品６０は、中性な金属化パッド９２をサブマウント６４の裏面上にさらに備え得る。金属化パッド９２について、中性とは、パッド９２がＬＥＤチップまたは（図５に示されるような）特徴部６８に電気的に接続されていないことを意味する。金属化パッド９２は、熱伝導性材料で製造されるのが好ましく、少なくとも部分的にＬＥＤチップ６２と縦方向に位置合わせされるのが好ましい。ＬＥＤチップからの熱のうち、取付パッドおよびトレース７０，７２を通して拡散しない熱は、ＬＥＤチップ６２の直下および周囲のサブマウント６４へと伝導され得る。金属化パッド９２は、ＬＥＤチップ６２の下方および周囲のこの熱を、金属化パッド９２の中へと拡散させることによって、熱放散を促進し得る。そして、その熱は、金属化パッド９２から放散するか、または適切なヒートシンクにより容易に伝導され得る。パッド９２は、長方形として示されているが、当然のことながら、多様な形状および大きさを有していてもよく、また、異なる形状および大きさを有する複数のパッドを備えていてもよい。熱は、サブマウント６４の上面からビア９０を通って伝導することも可能であり、その場合、その熱は第１および第２の実装パッド８２，８４，８６，８８に拡散可能であり、そこで放散することも可能である。
光学素子すなわちレンズ６６は、ＬＥＤチップ６２を覆うように、サブマウント６４の上面に形成することが可能であり、環境的および／または機械的保護をもたらし、また、ＬＥＤ６２からの光抽出および光線形成を同時に促進しつつ、ビーム成形を行う。レンズ６６は、図示のように、レンズ基部の略中心にあるＬＥＤチップアレイの中心に位置を合わせて配置されていれば、サブマウント６４上の別の場所にも配置可能である。実施形態によっては、レンズ６６は、ＬＥＤチップ６２および上面６４に直接接触して形成される。他の実施形態では、ＬＥＤチップ６２とレンズ６６との間に、例えば導波管または空隙等の介在物質または介在層が存在してよい。ＬＥＤチップ６２との直接接触によって、例えば光抽出が改善されたり、製造が容易になる等の一定の利点がもたらされる。
一実施形態では、レンズ６６は、様々な成形技術を用いて、サブマウント６４上およびＬＥＤチップ６２上にオーバーモールドすることが可能である。そして、レンズ６６は、光出力の所望の形状次第で、多様な形状となり得る。例示されている好適な一形状は半球であるが、代替の形状例には、楕円体の弾丸、平ら、六角形、四角形がある。半球状レンズは、半値全幅が１２０度である、本質的に均等拡散である発光を可能にし得るが、一方、その他の光学レンズは別の形状を有することで、異なる角度で異なる発光パターンをもたらし得る。
半球状の実施形態では、多様なレンズサイズが用いられ得るが、代表的な半球状レンズは、直径が５ｍｍより大きく、一実施形態では、約１１ｍｍを上回る。ＬＥＤアレイサイズのレンズ直径に対する好適な比率は、約０．６未満、好ましくは、０．４未満であるべきである。このような半球状レンズでは、レンズの焦点は、本質的にＬＥＤチップの発光領域と同じ水平面にあるものとする。
さらに他の実施形態では、レンズは、ＬＥＤアレイの差し渡し、もしくは幅とほぼ同じか、または、より大きな大直径を有し得る。円形のＬＥＤアレイでは、レンズの直径は、ＬＥＤアレイの直径とほぼ同じ、または、より大きくなり得る。このようなレンズの焦点は、ＬＥＤチップの発光領域によって創出される水平面の下方にあることが好ましい。このようなレンズの利点は、より大きな連続した発光角度に渡って光を拡散することができる点であり、その結果、照射面積を拡大できる点である。
レンズ６６には、例えばシリコーン、プラスチック、エポキシ樹脂、ガラス等多様な材料を使用することが可能であり、成形処理に対応可能な材料が好適である。シリコーンは成形に適しており、好適な光透過性をもたらす。シリコーンはまた、後に続くリフロー処理に耐えることができ、著しい経年劣化もみられない。当然のことながら、レンズ６６は、光抽出改善のために、反射防止膜でテクスチャ加工または被覆もされてよく、あるいは、例えば蛍光体もしくは散乱粒子等の物質を含んでいてもよい。
一実施形態では、サブマウントパネル上の複数のＬＥＤアレイを覆うレンズ６６を同時に形成する、成形処理が用いられる。このような成形処理の１つは、圧縮成形と称され、各キャビティがレンズを逆にした形状である、複数のキャビティを有する型が備えられる。各キャビティは、サブマウントパネル上のＬＥＤアレイのそれぞれ１つと整合するように配設される。型には、キャビティを満たす液状のレンズ材料が充填されるが、好ましい材料は、液状の硬化性シリコーンである。サブマウントパネルは、キャビティの方に移動させることが可能であり、その際、各ＬＥＤアレイは、キャビティのそれぞれ１つ内の液状シリコーンに埋め込まれる。一実施形態では、隣接するレンズの間に、シリコーン層を残すことも可能であり、それにより、サブマウントの上面を覆う保護層が提供される。液状シリコーンは、続いて、周知の硬化処理を用いて硬化され得る。続いて、パネルが型から除去され、パネルは複数のレンズを備えることができ、各レンズがＬＥＤチップ６２のそれぞれ１つを覆う。個々のＬＥＤ部品は、その後、周知の技術を用いて、サブマウントパネルから分離すなわちダイシングされ得る。
本発明に係る他の実施形態は、熱放散を高めるための異なる機構を備え得る。図６ａ〜６ｃは、本発明に係るＬＥＤ部品１００の別の実施形態を示しており、この別の実施形態は、サブマウント１０４に取り付けられたＬＥＤアレイ１０２を備えており、光学素子すなわちレンズ１０６がＬＥＤアレイ１０２を覆っているが、全て、図４ａ〜４ｄにおいて上述したＬＥＤ部品６０の、対応する素子と類似している。サブマウント１０４を貫通して、接着パッド１１０と表面実装パッド１１２との間に電気的接続を提供する、導電性ビア１０８が備えられている。導電性ビア１０８により、ＬＥＤ部品の表面実装が可能になるが、当然のことながら、他の機構を備えることで他の実装技術を可能にしてもよい。ＬＥＤ部品１００は、上述した熱放散を促進するために、中性な金属化パッド１１４をさらに備える。
ＬＥＤ部品１００における熱放散をさらに促進するために、サブマウント１０４は、サブマウント内に組み込まれた、さらなる熱機構を備え得る。この機構は、多様な材料で製造されたサブマウントに用いられ得るが、セラミック製のサブマウントに特に適用可能である。このさらなる機構は、サブマウント１０４内部に熱拡散層１１６を備え得るが、ビア１０８に電気的に接続されていないことが好ましい。層１１６は、ＬＥＤアレイ１０２からの熱が層１１６内に拡散するように、ＬＥＤアレイ１０２の下方に配設されることが好ましい。層１１６は、銅、銀、またはそれらを組み合わせたものを含み、それらに限定されない、多様な熱伝導性材料で製造され得る。ＬＥＤ部品は、熱拡散層１１６と中性な金属化パッド１１４との間を通る、部分的な熱ビア１１８を備えることも可能である。図示された実施形態では、部分的な熱ビア１１８は、層１１６を通過してサブマウント１０４の上面まで突出しておらず、ＬＥＤアレイ１０２およびそれに対応する実装パッドのために、平坦な実装面を維持している。しかしながら、実施形態によっては、ビアは熱拡散層１１６の上に少なくとも部分的に突出し得ることは当然のことである。
層１１６および部分的ビア１１８は、様々な方法を用いてサブマウント内に形成され得るが、好適な１つの方法は、高温または低温の同時焼成セラミック技術、または多層厚膜後焼成技術を利用したものである。層１１６が銅または銀で製造される実施形態では、これらの材料が高い熱伝導性を有することにより、厚膜同時焼成処理または後焼成処理を用いて所望の形状を生み出すことが可能である。拡散層１１６およびビア１１８を形成するための他の製造処理は、当該産業で一般的に知られている、多層プリント回路基板およびフレキシブル回路基板技術により可能である。
図７および８は、異なる形状のレンズを用いた、本発明に係るモノリシックＬＥＤ部品のさらなる実施形態を示している。図７のＬＥＤ部品１４０は、サブマウント１４４にアレイ状に取り付けられたＬＥＤチップ１４２を備え、平坦な光学レンズがＬＥＤチップを覆っている。図８のＬＥＤ部品１５０は、サブマウント１５４上にアレイ状に取り付けられたＬＥＤチップ１５２を備え、集合光学レンズ１５６がＬＥＤチップ１５２を覆っている。集合レンズ１５６は、ＬＥＤアレイからの光抽出を制御して、放射光を特定のビーム形および放射角度に形成するための、複数の凸面光学特徴部を備える。他の実施形態では、集合レンズは、凹面光学特徴部、または、例えばフレネルレンズ等のような凸面特徴部と凹面特徴部とを組み合わせたものを含み得る。
本発明に係る他のモノリシックＬＥＤ部品は、例えば光ファイバー、ミラー、反射体、散乱面もしくは散乱レンズ、またはそれらの組み合わせ等の複数の異なる特徴を組み込むことが可能である。これらの特徴は、部品からの配光を誘導あるいは調整するように作用し得る。ビーム成形を促進するために、ＬＥＤ部品６０のレンズ構成も、レンズを覆って備えられ得る二次的なレンズまたは光学素子を用いた用途に、エンドユーザによって容易に適用される。このような二次的レンズは、当該技術分野において一般的に知られており、このような二次的レンズの多くが市販されている。
上述のように、ＬＥＤアレイにおけるＬＥＤチップは、ＬＥＤ発光体間の非発光空間を最小化して、サブマウント上の発光体が高密度実装となるような方法で、相互接続する電気的トレースを用いて好適に配設される。非発光空間は、異なる実施形態によって多様であってもよく、また、一つの実施形態では、ＬＥＤチップ間で多様であってもよい。ＬＥＤチップ間の距離は、５ミクロン以下から５００ミクロン以上に及び得る。一つの実施形態では、非発光空間は、１５０ミクロン以下である。
実施形態によっては、発光体は、実質的に対称な二次元レイアウトで、サブマウント表面上にアレイ状に配設される。そのような実施形態の１つでは、アレイにおけるＬＥＤは、実質的に球形に密集して配設される。異なる色の光を発するＬＥＤ群を有するＬＥＤアレイについては、対称的なパターンは、ＬＥＤアレイにおけるより小型のＬＥＤに特に適用できる。そのような場合、異なる色がアレイにおいて混合されることが可能であり、所望の混色が得られる。より大型のＬＥＤを有するアレイについては、非対称のアレイが混色を向上させ得る。
他の実施形態では、特定の色の光を発するＬＥＤは、規則正しい幾何学的配列で、他の色で発光するＬＥＤに対して配設可能である。そのような実施形態の１つでは、異なる色の光のＬＥＤは、各色群で内接面積が略同一である、実質的に円形のアレイに配設可能であり、ＬＥＤ群は、相互に対して半径方向にオフセットされ得る。
ＬＥＤ部品６０の別の実施形態は、異なるサイズのＬＥＤおよび異なる数のＬＥＤを有するＬＥＤアレイを備えることが可能であり、所望のサイズおよび数の構成を決定する際に、特定の要因を適用できる。より大きいサイズのＬＥＤには、より少ないＬＥＤを用いて所望の光束がもたらされ得るが、異なる色の光を発するＬＥＤを利用するＬＥＤ部品では、より大型のＬＥＤでは、混色不良を引き起こす可能性がある。混色を改善するためには、より小型のＬＥＤをより多数用いることができる。しかしながら、より小型のＬＥＤをより多数用いることにより、相互接続スキームがより複雑化する結果となり得る。
ＬＥＤアレイは、実質的に同一サイズのＬＥＤを有することも可能である。一実施形態では、ＬＥＤチップサイズの範囲は５００ミクロンより大きいが、より小さいチップサイズを有するＬＥＤも用いられてよい。一実施形態では、ＬＥＤは約７００ミクロンのチップサイズを有する。ＬＥＤ発光体の端部は異なる長さであってもよく、一実施形態では、約０．４〜０．７ｍｍの長さを有する。アレイには多様な数のＬＥＤチップを備えることができ、実施形態によってはＬＥＤチップの数は２０個を上回るが、より少ないＬＥＤチップを用いることも可能である。ＬＥＤ部品６０は、２６個のＬＥＤチップを備えているが、そのうち２０個が白色発光ＬＥＤチップであり、６個が赤色発光ＬＥＤチップである。
上述したように、ＬＥＤ発光体のうちの少なくとも一部が電気的に直列接続されて、少なくとも１つの直列回路をもたらしており、ＬＥＤアレイ部品は、白色光を含む多色光を発することができる。（例えば、白色および赤色といった）異なる色の光を発するＬＥＤ群を有するアレイを備える実施形態の中には、各色のＬＥＤが電気的に直列接続されている場合もある。上述したように、ＬＥＤ部品６０は、これらの直列回路にそれぞれの電気接続部を提供することができ、各回路の動作電圧および動作電流を別個に制御する。このような電気接続パッドは、表面、裏面、またはその両面に設けることが可能である。裏面の電極は、ＰＣＢ基板上でのＳＭＴ実装を可能にする。
図９は、図４ａ〜４ｄに示されるＬＥＤチップのアレイに用いられ得る、２つの直列接続ＬＥＤ回路の一実施形態の回路図を示している。第１の直列回路１６０は、１つ以上の蛍光体で被覆された直列接続青色発光ＬＥＤを有し得る、（８個のみ示された）２０個の蛍光体被覆ＬＥＤチップ１６２を備える。ＬＥＤ発光と蛍光体発光とが組み合わされることによって、青色が緑色、および／または黄色スペクトル領域に変換され、ＬＥＤは、ＬＥＤおよび蛍光体からの光を組み合わせた混合光を発する。第２の直列１７０は、６個の直列接続された赤色発光ＬＥＤチップ１７２を備える。第１の回路１６０および第２の回路１７０の各々が異なる駆動電流によって駆動され得るように、各電気信号が第１の回路１６０および第２の回路１７０に印加され得る。
赤色ＬＥＤチップは、変換器材料を使用することなく、直接発光することが可能である。蛍光体被覆ＬＥＤチップ１６２および赤色ＬＥＤチップ１７２が、理解を容易にするために、物理的に別個のものとして上記回路図に示されているが、実際にアレイに配置された場合、赤色および白色のＬＥＤチップは無作為に混合されていてもよい。第１および第２の直列接続回路からの混合発光は、寒色系白色光または暖色系白色光となり得る。この混合発光は様々な演色を有し得るが、一実施形態では、８５を超える演色評価数を有する。
アレイ内で、各電気信号が蛍光体被覆ＬＥＤチップおよび赤色ＬＥＤチップに印加されると、異なるＬＥＤ色群を個別に電気的に制御することが可能になる。具体的には、各電気信号が蛍光体被覆ＬＥＤチップおよび赤色ＬＥＤチップに印加されることにより、異なる群に対して個別の駆動電流を供給することが可能になる。一実施形態では、赤色ＬＥＤチップは、蛍光体被覆ＬＥＤチップと比較すると、異なる温度感応性を有し得る。そして、温度が上昇するにつれて、所望の光束を維持するために赤色ＬＥＤチップへの駆動電流を増加させることが必要となったり、あるいは、蛍光体被覆ＬＥＤを通る駆動電流をそれぞれ減少させることが必要となったりし得る。駆動電流を温度によって変化させることにより、蛍光体被覆ＬＥＤチップのいかなる温度感度も相殺することが可能である。蛍光体被覆ＬＥＤチップのいかなる温度感度も相殺することが可能であることにより、ＬＥＤアレイは、異なる温度を通して、所望の色点または所望に近い色点で発光することができる。他の実施形態では、ＬＥＤ部品に見込まれる温度範囲を知ることができる。ＬＥＤ部品は、その場合、駆動条件が存在するように、その範囲に合わせて設計され得る。
他の実施形態では、所望の演色評価数を達成するために、蛍光体被覆ＬＥＤおよび赤色発光ＬＥＤの異なる組合せが用いられ得る。２０個の蛍光体被覆発光ＬＥＤチップと６個の赤色発光ＬＥＤチップとを有する実施形態では、蛍光体被覆ＬＥＤチップは、ＣＩＥ１９７６年色座標系における約０．２２０のｕ’および約０．５６０のｖ’に対応する放射特性を有する蛍光体で被覆されることが好ましい。ＬＥＤ部品からの、それに対応する混合白色光の放射は、約２８００Ｋの色温度と、８５を超える演色評価数とを有する。約０．２０６のｕ’と約０．５６０のｖ’に対応する放射を有する蛍光体で被覆された蛍光体被覆ＬＥＤチップでは、所望の色温度および演色評価数に達するために、１８個の白色ＬＥＤチップを８個の赤色発光ＬＥＤチップと組み合わせることが可能である。これは、赤色発光ＬＥＤを多く必要としない、ＣＩＥ曲線上の黒体放射軌跡（ＢＢＬ）に近い放射を行う蛍光体被覆ＬＥＤチップに対応する。一方、その反対に、ＢＢＬから離れた放射を行う蛍光体被覆ＬＥＤチップは、黒体放射軌跡上の白色発光を達成するために、より大きな赤色光束、またはより多くの数の赤色発光ＬＥＤを必要とし得る。当然のことながら、蛍光体被覆ＬＥＤチップと赤色ＬＥＤチップとの他の比率および色点が、異なる白色発光特性を目標とするのに用いられてもよい。
上述したように、異なる数の直列接続ＬＥＤチップ回路が、本発明に係るＬＥＤ部品の動作電圧および動作電流に影響を与え得る。図１０は、クリー インコーポレイテッドによって提供される市販のＥＺ７００およびＥＺ１０００ ＥＺＢｒｉｇｈｔ（登録商標）のための、１０００ルーメンの異なるＬＥＤ部品構成を比較したグラフを示している。単一の直列接続回路に２４個のチップを有するＥＺ７００を使用した場合、０．１７５アンペアの動作電流および７６．８ボルトの動作電圧が用いられ得る。０．１７５アンペアの動作電流および７６．８ボルトの動作電圧が用いられることにより、最も低コストのドライバソリューションがもたらされる。直列接続回路の数が増加するにつれて、必要とされるドライバ電流も増大する一方で、ドライバ電圧は減少する。必要とされるドライバ電流が増大する一方でドライバ電圧が減少することにより、ドライバコストは一般的に増大するが、さらなる直列接続回路によって、ＬＥＤ部品におけるＬＥＤチップをよりよく制御することが可能になる。電圧要件または電流要件と、放射制御との間の同様のトレードオフは、１２個のＥＸ１０００ＬＥＤチップを有するＬＥＤ部品にあてはまる。
本発明に係るＬＥＤアレイは、直列／並列相互接続に配設されたＬＥＤチップのアレイも備え得る。図１１は、３×６の直列／並列相互接続に配設された、１８個の白色ＬＥＤチップ１８２を備える、直列／並列相互接続部１８０の一実施形態を示し、直列／並列相互接続部１８０は、直列接続された６個のＬＥＤチップ１８２を３セット備えている。その３セットがさらに並列に連結されている。この直列／並列配列は、ＬＥＤの駆動に必要な電圧の低減を可能にする一方で、駆動電流をも低減し得る。相互接続部１８０は、ジャンパ１８４、すなわち、１つ以上の直列接続されたＬＥＤ群の後ろ、且つ、ＬＥＤの間に配置される相互接続ノードも備え得る。ジャンパ１８４は、ＬＥＤに印加された電気信号が、故障したＬＥＤを迂回することを可能にする。例えば、ＬＥＤチップ１８２のうちの１つ、例えばＬＥＤチップ１８２ａなどが故障しても、直列に続くＬＥＤチップに印加されるはずの電気信号は遮断され得る。バイパスジャンパ１８４、具体的にはバイパスジャンパ１８４ａを備えることによって、電気信号は、例えばジャンパ１８４ａを介して、故障したＬＥＤチップ１８２ａを迂回することが可能であり、その結果、電気信号は、故障したＬＥＤチップ１８２ａから直列に続くＬＥＤチップに到達することができる。
図１２は、直列に連結された９個のＬＥＤチップ１９２を２セット有し、その２セットが並列に連結されている、直列／並列相互接続部１９０の別の実施形態を示している。故障したＬＥＤチップを迂回するために、ジャンパ１９４が備えられている。別の直列／並列相互接続部は、同数または異なる数のＬＥＤチップを備える、別の直列連結されたＬＥＤチップを含む、異なる配列を有し得る。例えば、図示されている１８個のＬＥＤチップは、５，６および７つの直列ＬＥＤ回路を有してもよく、直列回路の各々は並列に連結されている。
他の実施形態では、組み合わされることによって特定の色を実現する、ＬＥＤの色の下位群が備えられ得る。特定の色というのは、さもなければ単一の色群によって提供されるものである。例えば、第１の色群から特定の色の発光が提供されることが求められる場合、第１群は、特定の所望のカラーラインで発光する蛍光体被覆ＬＥＤを備え得る。第２の色群は、第１群および第２群から結果として生じる、ＣＩＥ曲線の黒体放射軌跡上の所望の放射またはそれに近い放射である、組み合わせられた発光が与えられ得る赤色発光ＬＥＤを備える。特定の状況下では、第１群または第２群のうちの１つから所望の色を実現するために、２つ以上の直列接続された下位群を含んでいることが望ましい場合がある。一例として、第１の色群の発光を提供するために、２つの色の下位群が利用され得る。第１群からの所望の発光が特定のカラーラインにあるならば、第１の下位群はカラーラインを下回って発光することが可能であり、第２の下位群はカラーラインを超えて発光することが可能である。下位群からの光の組み合わせは、さもなければ第１群によって提供されることになるであろう、所望の光を実現し得る。
下位群は、各々が個々に制御されて所望の光束および色混合をもたらし、且つ、放射の非効率性を相殺するように、直列に連結され得る。下位群の束が、同じ電気信号を印加すれば所望の色点が生じる結果となるような実施形態では、同じ信号が下位群の各々に印加され得る。
本発明は、多様なＬＥＤチップ配列を対象としており、個々のＬＥＤチップは、変換蛍光体で被覆されているか、または、当該ＬＥＤチップの活性領域から光を直接発するものである。別の一実施形態では、単一または複数の直列接続されたＬＥＤチップ回路は、ＬＥＤチップであって、全てのＬＥＤチップが単一の周波数逓降材料で被覆されている、ＬＥＤチップを備え得る。ＬＥＤおよび周波数逓降材料からの混合発光は、寒色光または暖色光であり得る。一実施形態では、全てのＬＥＤチップ発光体は、蛍光体で被覆された青色ＬＥＤである。
当然のことながら、アレイにおけるＬＥＤチップは、「ＣＲＩの高い暖色系白色光を供給するマルチチップ発光デバイス、およびこれを含む照明器具」と題された米国特許公報第２００７／０２２３２１９号に記載されているような、１つ以上のマルチチップＬＥＤランプとして配設され得る。当該公報の開示は、参照により援用される。
別の実施形態は、単一または複数の直列接続ＬＥＤ回路であって、全てのＬＥＤチップが、蛍光体等の２つ以上の周波数逓降材料で被覆されたＬＥＤを有する、単一または複数の直列接続ＬＥＤ回路を備え得る。ＬＥＤと蛍光体との複合発光は、例えば青色、緑色、黄色および赤色のスペクトル領域等の、異なるスペクトル領域をカバーし得る。混合発光は、色点が黒体放射軌跡上にあるか、または、８５を超える高い演色評価数を有する８ステップマクアダム楕円内に収まる、寒色系または暖色系の白色光であり得る。蛍光体組成物は、例えば上述の物質から選択され得る。
本発明に係るＬＥＤ部品のさらに他の実施形態は、ＬＥＤチップであって、当該ＬＥＤチップ自体の活性領域から光を直接発するＬＥＤチップを有する、複数の直列接続回路を備え、少なくとも１つの直列回路が、赤色、緑色および青色発光ＬＥＤにそれぞれ設けられてもよい。他の実施形態では、シアン光、黄色光、および／または琥珀光を発する直列接続されたＬＥＤ回路も追加され得る。ＬＥＤ部品は、８５を超える高い演色評価数を有する直列回路からの光を組み合わせた白色光を発することが好ましい。
さらに他の実施形態は、異なる波長で発光するＬＥＤを有する、異なるＬＥＤチップを備え得る。例えば、発光体のうち少なくとも１つが、１つ以上の蛍光発光体と共に短波長発光体を備えている、上記のＬＥＤチップ構成のいずれかでは、紫外線発光ＬＥＤがＬＥＤとして用いられ得る。紫外線発光ＬＥＤがＬＥＤとして用いられることにより、ＬＥＤチップの主要な発光成分が、紫外線ＬＥＤを被覆する蛍光体に由来する結果となる。以下の蛍光体の各々が、ＵＶ発光スペクトルにおいて励起され、好ましいピーク発光をもたらし、効率的な光変換を有し、そして許容可能なストークス偏移を有する：
黄色／緑色
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）2Ｓ4：Ｅｕ2+
Ｂａ2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+
Ｇｄ0.46Ｓｒ0.31Ａｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06
（Ｂａ1-x-yＳｒxＣａy）ＳｉＯ4：Ｅｕ
Ｂａ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+
本発明に係るＬＥＤ部品は、半導体照明器具の集積に特に適用可能であり、当該照明器具において表面実装またはワイヤボンディング実装を提供する。本ＬＥＤ部品は、上述したようなドライバコストの削減とともに、照明器具におけるアセンブリ要件および実装面積の削減によって、コスト当たりで可能となる光束数を改善するものである。
特定の好ましい構成を参照して本発明を詳細に説明してきたが、他のバージョンも可能である。したがって、本発明の精神および範囲は、上述のバージョンに限定されるべきではない。

Claims (8)

  1. モノリシック白色発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージであって、
    ８００ルーメンを超える光束を３０００Ｋ未満の色温度で発生する、単色または複数色のＬＥＤチップアレイと、
    一体化した熱拡散構造と
    を備え、
    前記ＬＥＤパッケージは、前記ＬＥＤチップアレイにおけるＬＥＤチップからの発光を合成することにより、白色光を発し、
    前記ＬＥＤチップアレイは、単一のオーバーモールドレンズを有する、平面である基板上に配設され、
    前記一体化した熱拡散構造は、
    前記基板の内部の熱拡散層と、
    前記基板における、前記ＬＥＤチップアレイが配置された側とは反対側に配置された中性な金属化パッドと、
    前記熱拡散層と前記中性な金属化パッドとの間を通る熱ビアと
    を備えることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  2. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記ＬＥＤチップアレイは、２次元的に対称なレイアウトで配設されている
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  3. 請求項２に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記ＬＥＤチップアレイにおける前記ＬＥＤチップは、５００ミクロンを超える大きさを有している
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  4. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記基板は、１３ｍｍ×１２ｍｍの大きさを有している
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  5. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記ＬＥＤチップアレイは、２色で発光するＬＥＤチップを備え、
    前記２色で発光するチップ数の間の割合は、４：１以上である
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  6. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記ＬＥＤチップアレイは、２色で発光するＬＥＤチップを備え、
    前記２色で発光するチップ数の間の割合は、３：１以上である
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  7. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記アレイにおけるＬＥＤチップの総数は２６である
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
  8. 請求項１に記載のＬＥＤパッケージであって、
    前記ＬＥＤチップアレイにおける前記ＬＥＤチップの少なくとも一部は、直列接続されている
    ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
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