JP5280686B2 - 無機ハウジングを有する発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光を放射する発光ダイオードと、前記光の少なくとも一部を受光するように配置されたハウジングとを有する発光装置に関する。また、本発明は、そのような発光装置を製造する方法に関する。
発光ダイオード（LED）およびレーザダイオード（LD）のような半導体発光装置は、現在利用できる光源の中で最も効率的で、丈夫な光源である。
発光装置において、光抽出は、重要事項である。半導体発光装置の共通の問題は、装置と周囲環境の界面での内部反射によって、装置から抽出される光の効率が低下し、装置内で反射光の再吸収が生じることである。内部反射は、装置材料の屈折率が装置を包囲しまたは取り囲む材料の屈折率よりも大きいことにより生じる。
光抽出の効率を高めるには、光抽出材料を発光装置と直接接させることが有意である。しかしながら、高出力用途、例えば、単位平方ｍｍ当たり最大3ワットの効率を示す単一の半導体発光装置、または全高率が100ワット以上となる、そのような装置の配列では、多くの熱が発光装置から逸散する。そのような高出力用途では、最大250℃の温度に、容易に到達する。
従って、高出力用途の場合、耐熱性の覆いが利用される。この場合、全体を無機材料とすることが有意である。無機材料には、極めて良好な耐高温性を有するものが選定される。
日本特許出願第2003179270号には、ポリメタロキサンまたはセラミックで構成された、耐熱性を有する半透明コーティング材料が直接コーティングされた、半導体発光素子が示されている。
しかしながら、コーティング材料および発光素子を接合する際の処理温度は、例えば340℃未満にする必要があり、これを超えると発光素子のn／p接合が損傷を受けてしまう。
セラミック材料のコーティング／包囲を行う場合、包囲のため、例えばレンズのような他の部材を設置するステップにおいて、例えば、使用可能な異なる材料の範囲を拡大するため、高い温度が利用できることが有意である。
しかしながら、上部に発光半導体装置が配置される基板および回路は、しばしば熱に弱い。従って、高温での包囲処理の際に、基板および／または回路に損傷が生じないようすることができる装置が有意である。
また高強度用途では、一つの同じ包囲内に、いくつかの半導体発光装置を容易に配置できることが有意であり、この場合、例えば、装置の寸法が抑制され、色混合が改善することができる。
特開2003−179270号公報
本発明の課題の一つは、前述の従来の問題を解決する発光装置を提供することである。別の課題は、そのような発光装置を製造する方法を提供することである。
まず、本発明の第1の態様は、光を放射する少なくとも一つの発光ダイオードと、前記光の少なくとも一部を受光するように配置されたハウジングとを有する発光装置に関する。
ハウジングは、半透明無機材料を有し、このハウジングには、位置決め手段および配向手段を有する少なくとも一つの凹部が設けられる。
少なくとも一つの凹部には、少なくとも一つの発光ダイオードが配置され、このダイオードは、前記位置決めおよび配向手段によって、位置決めおよび配向され、少なくとも一つの発光ダイオードとハウジングの間の、少なくとも一つの凹部には、半透明無機接触層材料が配置され、光の少なくとも一部が受光され、前記発光ダイオードと前記ハウジングが接続される。
無機ハウジング材料および無機接触層の使用により、高出力LEDを用いて装置が作動された際に生じ得る、有機材料が分解するような200℃を超える高温でも、装置が耐久性を有するようになる。
位置決めおよび配向手段は、例えば、少なくとも一つの凹部を有する壁により構成されても良い。
少なくとも一つの発光ダイオードを電源に接続するため、本発明による装置内の発光ダイオードは、さらに、上部に回路が配置される基板を有し、少なくとも一つの発光ダイオードは、この回路上に配置され、この回路と接続される。
装置は、複数の発光ダイオードの配列を有しても良く、LEDは、凹部に配置され、各々は、位置決めおよび配向手段によって、個々の位置に位置決めされ配向される。その後、回路が、各LEDの位置で各LEDと接続するように配置される。
複数のLEDの配列を有する本発明の装置では、各LEDは、個々の凹部に配置されても良い。この場合、例えば、異なるLED用に異なる接触層材料を選択する可能性が広がる。
ハウジングを構成する無機材料は、セラミック材料であっても良い。これらの材料は、耐熱性を有することに加えて、しばしば発光ダイオードと実質的に同等の熱膨張係数を有するため、ハウジング材料としてセラミック材料を使用することが有意である。この場合、装置の作動の際に、装置には温度変化による引張応力が実質的に生じない。
無機ハウジング材料は、蛍光体化合物を有しても良い。蛍光体化合物をハウジング材料に使用した場合、発光ダイオードからの受光の色を、所望の変換色に変換することができる。
半透明無機接触層材料は、ガラス材料であっても良い。
ガラス材料は、ガラスが液体になるような温度での溶融によって、ガラスが容易に凹部を充填するように形成される点で好ましい。また、熱膨張係数は、セラミック材料および発光ダイオードと実質的に同等である。
さらに半透明無機接触層材料は、発光材料を有しても良い。
接触層内に発光化合物を使用することにより、発光ダイオードからの受光の色を、所望の色の光に変換することができる。
ハウジングの個々の凹部に、複数の発光ダイオードが配置された実施例では、例えば異なる発光材料を有する、異なる接触層材料が、異なるLEDとハウジングの間に配置されても良い。この場合、同じ固有色を有する発光ダイオードを使用しても、個々の発光ダイオードの接触層からの発光は、異なる色を有する。
また第2の態様では、本発明は、発光装置を製造する方法に関する。そのような方法は、少なくとも一つの発光ダイオード提供するステップと、少なくとも一つの凹部を有するハウジングを提供するステップとを有し、前記ハウジングは、半透明無機材料を有する。少なくとも一つの凹部には、位置決めおよび配向手段が配置され、凹部には、半透明無機接触層材料が配置される。その後、前記凹部の前記接触層材料上には、少なくとも一つの発光ダイオードが配置され、配向および位置決め手段および接触層によって、少なくとも一つの発光ダイオードが、位置決めされ配向され、前記ハウジングは、前記発光ダイオードによって放射された光の少なくとも一部を受光する。
この方法の一つの利点は、高温で凹部に接触層が配置され得ることである。この温度は、接触層材料が液体状態となり、凹部に容易に広がるような高温であることが好ましく、これにより、接触層とハウジングの間に、良好な接触が得られる。次に、発光ダイオードが凹部に配置され、高温で接触層と接続され、接触層と発光ダイオードの間に、良好な接触が得られる。
本発明の方法は、さらに、発光ダイオードを回路に配置するステップを有し、このステップは、発光ダイオードがハウジングに配置されてから実施されることが好ましい。このステップは、回路、または上部に回路が配置される基板のような、回路と関連する部材に影響を及ぼさない温度で実施することができる。
以下、添付図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
本発明の好適実施例は、図1に示すように、回路を備える基板1を有する。回路上には、発光ダイオード（LED）2の配列が配置され、配列の各LEDは、それぞれが金属突起3により、所定の位置で回路と接続されている。
LED2は、半透明無機材料のハウジング4内の個々の凹部に配置され、各LEDの位置および配向は、凹部の壁によって定められる。半透明無機接触層5は、各LEDとハウジング4の間で、凹部に配置され、LEDとハウジングを光学的に接続し、物理的に結合する。
また基板1上には、鏡面反射器6が配置され、装置によって放射された光が平行化される。
本発明の発光装置を製造する好適方法は、図2a乃至fに示されている。
複数の凹部7を有する無機半透明ハウジング4が提供される（図2a）。
各凹部7には、半透明無機接触層材料5が配置され、この温度は、接触層材料の軟化温度を超え、接触層材料が液体となる温度であることが好ましく、接触層の材料にも依存するが、例えば300℃から1600℃の範囲である。これにより、材料のハウジングに対する接触が改善される（図2b）。
次に、接触層材料のガラス温度と軟化温度の間の温度、例えば250℃から400℃の範囲であって、好ましくは350℃以下の温度（接触層材料に依存する）で、接触層材料5が設置された各凹部7にLED2が配置され、接触層材料とLEDと接続の間に、良好な接触が得られる。このようにして構成されたハウジング−LED組立体は、接触層を介して、LEDとハウジングとの間に結合が得られる温度に冷却される（図2c乃至d）。
次にハウジング−LED組立体は、基板1上に配置され、LEDのコネクタが、基板に配置された回路8上に配置された金属突起3と接触するようにされる（図2e）。ハウジング−LED組立体と基板は、LEDが回路と結合するには十分に高い温度であって、基板および基板上の回路が損傷を受けないような十分に低い温度で、熱圧縮される（図2f）。
前述の方法により、回路および基板が損傷を受けるような温度での処理を含むプロセスで、LED−ハウジング組立体を形成することが可能となる。これにより、ハウジングおよび接触層材料として、無機材料を使用することが可能となる。
前述の好適実施例は、一例を示すだけのために提供されたものであり、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解される。当業者には、本発明の変更が可能であり、この変更は、特許請求の範囲に属するものである。
基板は、上部に回路が配置されるいかなる基板であっても良い。一般に使用される基板は、従来よりよく知られており、これには、例えばシリコン基板、および窒化アルミニウム基板が含まれる。
回路は、金属または非金属導電性化合物のような導電性材料のパターンを有する。図2では、回路は、全てのLEDと直列に接続するように配置されている。しかしながら、他の回路配置も可能であり、各LEDと平行な接続、または個々の接続としても良い。
金属突起は、LEDを回路に接続するために使用されても良く、金属、例えば金またはスズのような導電性材料を有しても良い。これらの金属突起は、回路上にパターンとして配置され、このパターンは、ハウジング内のLEDの設置位置に対応しても良い。この場合、LEDがハウジングに配置されてから、LEDの接触パッドの位置が金属突起のパターン上に固定される。
本発明での使用に適した発光ダイオードには、紫外線から赤外線の範囲での発光が可能なLEDが含まれる。
本願に使用されている「発光ダイオード」という用語は、UV線から赤外線のいかなる波長間隔の光を放射するダイオードをも意味し、これにはレーザダイオードが含まれる。
本発明での使用に適したLEDの一例には、サファイア（単結晶アルミナ）基板上に、ｎ／ｐ発光層を成長させることにより構成されたものが含まれ、LEDの下側に設置されたダイオードのカソードおよびアノードの両方に対するコネクタを有する平坦なプロファイルを有するLEDが得られ、すなわちLEDの上側には、ワイヤ結合が全く設置されず、LEDのこの側で主に発光が生じるLEDが得られる（「フリップチップ」LED）。そのようなLEDは、上側がハウジングの方を向くようにしてハウジングに取り付けられ、コネクタが容易に使用できるようになる。
本発明の好適実施例では、LEDは、青色またはUV発光ダイオードであり、青色／UV光は、発光化合物によって、他の色の光に容易に変換することができる。
単位平方ｍｍ当たり3ワット以上の特性を有する高出力LEDを、本発明に使用することが有意である。
接触層は、LEDとハウジングを光学的に接続し、物理的に結合する層として機能する。また、接触層は、光抽出層として機能し、発光ダイオードからの光を抽出する。
接触層材料は、半透明な、特に透明なガラス材料であっても良く、例えば、カルコゲナイドガラス、ケイ酸鉛ガラス、テルル酸ガラス、ビスマスガラス等を含む群から選定されても良い。
本願で使用される「半透明」という用語は、「透明」を含み、その意味では、透明材料は、半透明材料である。ガラス材料は、ガラスの良好な光学特性により、またこれらの材料が、材料の軟化点を超え、ガラス材料が液体となる温度であって、ハウジング材料の融点よりも低い温度で、液体ガラス材料を凹部に分散させることにより、または分散ガラスを凹部で溶融させることにより、ハウジングの凹部に容易に配置することができる点で有意である。
本発明での使用に適した他の接触層材料には、リン酸アルミニウム、酸化アルミニウムおよび両者の混合物が含まれる。
接触層材料は、少なくとも1.7から2.3の範囲、またはそれ以上の屈折率を有することが好ましい。
接触層の厚さは、2μｍ未満から150μｍを超える範囲で変えることができる。さらに、接触層材料は、発光化合物を有しても良く、これにより、LEDによって放射された光の色が所望の色に変換され、例えば青色光が、緑または赤の光に変換され、あるいはUV光が、青、緑または赤の光に変換される。接触層材料に組み込まれる、そのような好適な発光化合物は、当業者には公知である。一例には、これに限られるものではないが、ユーロピウム、アルミニウムまたは酸素がドープされたSr2Si5N8のような、発光窒化珪素化合物が含まれる。
ここで使用される、「発光材料」という用語は、ある波長または波長間隔の光を吸収して、別の波長または波長間隔の光を放射する、蛍光材料とリン光材料の両方を含む。
個々の凹部に配置された、いくつかのLEDを有する本発明の実施例では、異なる接触材料、例えば異なる発光材料を有する材料が、個々の凹部に配置されても良い。この場合、同じ種類のLEDの配列、例えばUV発光ダイオードの配列がハウジング内に配置され、異なるLEDからの発光が、接触層内の異なる発光材料によって、異なる色、例えば、それぞれ青、緑および赤の光に変換され、RGB配列が提供される。そのような配列を用いて、白色光を提供することができ、また個々のLEDを独立に駆動させた際には、色が可変の発光装置を提供することができる。あるいは、RGB配列を形成するため、青および緑のLEDの配列をハウジング内に配置して、いくつかのLED用の接触層内で、青または緑のいくつかのLEDからの光を、それぞれ、青から赤、または緑から赤に変換する発光材料によって変換しても良い。
本発明のハウジングは、無機半透明材料で構成される。この材料は、例えば、これに限定されるものではないが、多結晶アルミナ（Al2O3）、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（YAG、Y3Al5O12）、イットリア（Y2O3）、（MgAl2O4）、MgAlON、窒化アルミニウム（AlN）、AlON、SiON、SiAlON、チタニア（TiO2）ドープされたジルコニア（ZrO2）およびこれらの混合物からなる群から選定された材料を含む、セラミック材料であっても良い。本発明の使用に適した他の材料には、例えばAlMgSi酸化物のようなセラミックガラス複合材、およびサファイアに近い熱膨張係数を有し、接触層材料の軟化点よりも高い融点を有するガラス材料が含まれる。
本発明での使用に適したセラミック材料には、高耐熱性で、高出力LEDによって放出される高温に耐え、凹部に接触層材料を充填する際に使用される高温に耐え得るものである。好適なハウジング材料は、ハウジングをセラミックまたはガラス状の光抽出体に接続する追加のステップに使用される温度のような、より高い温度でも耐熱性を有するものである。
本発明のハウジングは、いくつかの機能を有する。一つの機能は、LED−ハウジング組立体が基板上に配置される前であって、LEDと接続が回路と接続される前に、LEDを所望の位置に所望の配向で配置することである。
ハウジング内の凹部は、LEDが凹部に容易に固定され、所望の位置および配向に配置され、回路に適正に接続されるように寸法化されることが好ましい。これは、LEDの配列が、ハウジング内の個々の凹部に配置される場合、特に有意である。全てのLEDが適正に設置され、ハウジング内で整列されることにより、LEDが事前に製作された回路上に固定される。
図1および2に示す実施例では、各LEDは、個々の凹部に配置され、凹部の壁が、各LED用の位置決めおよび配向手段を構成する。しかしながら、本発明の他の実施例では、一つの凹部に2以上のLEDが配置されても良く、そのような場合、位置決めおよび配向手段は、例えば、LEDがLEDの平面内で移動したり回転したりすることを防止する素子によって、構成されても良い。これは、凹部を複数の凹部に分離する壁を形成しないことを意味する。
ハウジングの別の任意の機能は、ハウジングによって受光される光の色を、所望の色に変換することである。そのような例では、ハウジング材料は、一つの発光化合物、または2もしくは3以上の発光化合物の組み合わせを有する。そのような発光化合物は、例えば（YAG：Ce）、（YAG：Ce，Pr）、（YAG：Ce，Eu）のような、セリウム、プラセオジム、ユーロピウム、またはこれらの組み合わせがドープされた、イットリウム−アルミニウム−ガーネットから選定されることが好ましい。
接触層とハウジングの材料の異なる組み合わせも可能であることは、当業者には予想できる。
例えば、LED配列に、発光材料を有する接触材料を設け、例えばRGB配列を提供しても良く、このRGB配列では、白色光または可変色の光が提供される。そのような場合、ハウジングは、光色の更なる変換のため、いかなる蛍光体材料を有する必要もない。
別の実施例では、接触層がいかなる発光材料も有さない、青色のLEDの配列が使用され、ハウジングが例えばYAG：Ceを有し、青色光が白色光に変換される。ただし、後者の場合、青色のLEDのいくつかは、必要に応じて、緑のLEDと置換することができ、および／またはいくつかの青色のLEDの接触材料には、必要に応じて、青色を赤色に変換する発光材料が提供され、生成される光の色温度が変化する。
また、他の光学部材を、本発明の装置と組み合わせて使用しても良い。例えば、ハウジングに、平行レンズ、焦点レンズ、または分散レンズを配置して、LEDから放射される光の方向を変更しても良い。図1に示されているように、ハウジングを取り囲むように、基板上に配置された鏡面反射器を使用して、放射光を平行化／焦点化しても良い。
Claims (16)
- 作動時に光を放射する少なくとも一つの発光ダイオードと、前記光の少なくとも一部を受光するように配置されたハウジングと、を有する発光装置であって、
前記ハウジングは、半透明無機材料を有し、前記ハウジングには、位置決めおよび配向手段を有する少なくとも一つの凹部が設けられ、
前記少なくとも一つの発光ダイオードは、前記少なくとも一つの凹部に配置され、前記位置決めおよび配向手段によって、位置決めされ配向され、
前記少なくとも一つの凹部において、前記少なくとも一つの発光ダイオードと前記ハウジングの間には、半透明無機接触層材料が配置され、該半透明無機接触層材料は、前記光の少なくとも一部を受光し、前記少なくとも一つの発光ダイオードを前記ハウジングに接続し、
前記ハウジングの前記半透明無機材料は、前記接触層材料の軟化点よりも高い融点を有することを特徴とする発光装置。 - 前記少なくとも一つの凹部は、前記位置決めおよび配向手段を構成する壁を有することを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- さらに、上部に回路が配置される基板を有し、前記少なくとも一つの発光ダイオードは、前記回路上に、該回路と接続されるように配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置。
- 複数の発光ダイオードの配列を有し、
第1の発光ダイオードは、第1の位置に設置され、第1の配向に配向され、第2の発光ダイオードは、第2の位置に設置され、第2の配向に配向され、
前記回路は、前記第1の発光ダイオード上に、前記第1の位置で、前記第1の発光ダイオードと接続されるように配置され、前記回路は、前記第2の発光ダイオード上に、前記第2の位置で、前記第2の発光ダイオードと接続されるように配置されることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。 - 前記第1の発光ダイオードは、第1の凹部に配置され、前記第2の発光ダイオードは、第2の凹部に配置されることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。
- 前記ハウジング内に含まれる前記半透明無機材料は、多結晶アルミナ（Al2O3）、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（YAG、Y3Al5O12）、イットリア（Y2O3）、（MgAl2O4）、MgAlON、AlON、AlMgSi酸化物、SiON、SiAlON、チタニア（TiO2）ドープされたジルコニア（ZrO2）およびこれらの混合物からなる群から選定されたセラミック材料であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記ハウジング内に含まれる前記半透明無機材料は、セリウム、プラセオジム、ユーロピウム、およびこれらの混合物からなる群から選定された元素がドープされた、イットリウム−アルミニウム−ガーネット（YAG）を含む蛍光体化合物を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記接触層材料は、カルコゲナイドガラス、ケイ酸鉛、テルル酸ガラス、ビスマスガラスおよびこれらの組み合わせからなる群から選定されたガラス材料を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記接触層材料は、発光材料を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記第1の発光ダイオードと前記ハウジングの間には、第1の接触層材料が配置され、前記第2の発光ダイオードと前記ハウジングの間には、第2の接触層材料が配置され、
前記第1および第2の接触層材料の少なくとも一つは、発光材料を有することを特徴とする請求項4乃至9のいずれか一つに記載の発光装置。 - 発光装置を製造する方法であって、
少なくとも一つの発光ダイオードを提供するステップと、
少なくとも一つの凹部を有するハウジングを提供するステップであって、前記ハウジングは、半透明無機材料を有する、ステップと、
前記少なくとも一つの凹部に、位置決めおよび配向手段を配置するステップと、
前記凹部に、半透明無機接触層材料を配置するステップと、
前記凹部内の前記接触層材料上に、前記少なくとも一つの発光ダイオードを配置するステップであって、前記発光ダイオードは、前記位置決めおよび配向手段によって、位置決めされ配向され、前記接触層および前記ハウジングは、前記発光ダイオードによって放射される光の少なくとも一部を受光する、ステップと、
を有する方法。 - さらに、前記少なくとも一つの発光ダイオードを、回路に接続するステップを有することを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記無機接触層材料は、該無機接触層材料の軟化温度を超える温度で、前記凹部に配置されることを特徴とする請求項11または12に記載の方法。
- 前記無機接触層材料の前記軟化温度を超える前記温度は、300℃から1600℃の範囲であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記発光ダイオードは、前記無機接触層材料のガラス温度と軟化温度の間の温度で、前記凹部に配置されることを特徴とする請求項11乃至14のいずれか一つに記載の方法。
- 前記ガラス温度と前記軟化温度の間の前記温度は、300℃から400℃の間であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
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