JP5313143B2 - 張力緩和を備える発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも１つの発光ダイオードと、前記少なくとも１つの発光ダイオードの発光面に結合材料によって結合される少なくとも１つの光学素子とを有する発光装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、幾つかの異なる照明アプリケーションのための光源として考えられており、今後数年、発光ダイオードの使用は増加すると予想される。
発光ダイオードは、一般的に、光を生成する活性層を有する実際のＬＥＤチップと、ＬＥＤチップ上に配設される光抽出光学部品とを包含するパッケージに含まれる。パッケージのチップと光学部品との間の光抽出効率は、ＬＥＤが直面している重大な問題である。
これに関連した古典的なアプローチは、一次抽出光学部品、例えば、ＬＥＤチップ上に設けられるオプティカルドームであって、前記オプティカルドームの屈折特性に基づいて光を抽出するオプティカルドームの使用を含む。これらのオプティカルドームの材料は、多くの場合、シリコーン及び（ＰＭＭＡなどの）ポリマをベースにしている。しかしながら、これらのオプティカルドームは、光−熱安定性が限られており、このことは、使用されるＬＥＤチップのパワーを制限し、発光ダイオードのルーメンパワーを制限する。
これを解決するためのアプローチは、ＬＥＤチップからの光の抽出のために無機光学素子を使用するものである。このような光学素子の材料は、例えば、多結晶セラミック材料又はガラスであり得る。このような無機光学素子は、ずっと高い光−熱安定性を持ち、これは、高いルーメンパワー及び出力を備える発光装置を可能にする。
しかしながら、高出力ＬＥＤは大量の熱を放散するおそれがあり、放射線が強いおそれがある。これに関連して、ＬＥＤチップからの光を抽出光学部品に結合し、抽出光学部品をＬＥＤチップに物理的に結合する接合部を形成する、ＬＥＤチップと、抽出光学部品との間の結合剤は、それが、発光装置の制限要因とならず、無機抽出光学部品の高い光−熱安定性の恩恵を受けることが出来るように、それ自身、高い光−熱安定性を呈するべきである。
しかしながら、高出力ＬＥＤは、動作中多くの熱を放散するおそれがあるので、ＬＥＤチップと、結合材料と、抽出光学部品との間の熱膨張係数のわずかな差は、パッケージにおいて熱誘導張力の増大をもたらし、最終的には、パッケージの破損をもたらす。したがって、ＬＥＤチップと、抽出光学部品との間の結合剤が、それがさらされる負荷及びストレスに耐えることが出来る発光装置が必要とされる。
本発明の目的は、この問題を克服し、上記の熱誘導張力の緩和を示す、添付した請求項に記載の発光装置を提供することにある。
本願発明者は、動作中にＬＥＤパッケージにおいて到達される温度より低い又は前記温度とほぼ同じガラス転移温度（Ｔｇ）を持つガラス材料が、ＬＥＤパッケージにおいて光学素子を発光ダイオードに結合する結合材料として有利に用いられ得ることを見出した。ＬＥＤの動作中、前記ＬＥＤパッケージの温度は、周囲温度から動作温度へ徐々に増加するであろう。ここで、前記ＬＥＤチップと、前記光学素子との間の熱膨張係数の差は、前記パッケージの破損をもたらし得る。しかしながら、前記動作温度に近づくにつれて、前記結合材料のＴｇにも近づき、最終的に、前記結合材料は流体になり、あらゆる熱誘導張力は、張力緩衝材としての機能を果たすこの流体層によって緩和される。
従って、第１の態様においては、本発明は、少なくとも１つの発光ダイオードと、前記少なくとも１つの発光ダイオードの発光面に結合材料によって結合される少なくとも１つの光学素子とを有する発光装置であって、前記結合材料が、２５０℃までのＴｇを持つ、リン酸塩ガラス及び酸化物ガラスから成るグループから選択されるガラス材料を有する発光装置に関する。
リン酸塩ガラスそれ自体は既知であり、従来から発光ダイオードと関連して用いられていることに注意されたい。例えば、米国特許出願第2002/0179919 A1号は、リング状上部を、ＬＥＤのリードフレーム及びベースボディに結合するためのリン酸塩ガラスの使用を記載している。
前記材料は、ＬＥＤチップと光学素子との間の結合材料として利用される場合、前記ＬＥＤチップと、前記光学素子との間の物理的及び光学的結合を得るための結合材料として優れた特性を示し、且つ熱誘導張力を緩和することが可能であるという特別な効果がある。それ故、このことは、前記材料を、ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップ上に直接配設される光学素子との間の結合材料として非常に適切なものにする。
適切なリン酸塩ガラスの例は、スズリン酸塩ガラス、リチウムリン酸塩ガラス、ナトリウムリン酸塩ガラス、カリウムリン酸塩ガラス、セシウムリン酸塩ガラス、テルルリン酸塩ガラス及びそれらの混合物を含むが、これらに限定されない。
適切な酸化物ガラスの例は、タングステン／テルル酸化物ガラス、ナトリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラス、バリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラス及びそれらの混合物を含むが、これらに限定されない。
本発明の実施例においては、前記ＬＥＤは、陽極と陰極とが発光面の同じ側に配設されるフリップチップタイプのものである。このタイプのＬＥＤは、光学素子を直接結合するのに適している発光面を供給する。
好ましい実施例においては、前記光学素子は無機材料のものである。提案した前記結合材料を十分に活用するため、前記発光ダイオードから放射される光及び前記発光ダイオードから放散される熱が、前記光学素子を劣化させ、それによって、前記装置の機能を低下させるよう作用しないように、前記光学素子が、熱的に安定しており、光安定性のものであることは有利である。所望の特性を持つ材料の中には、多結晶セラミック材料及び特定のガラス材料などの無機材料がある。
本発明の実施例においては、前記光学素子、及び／又は前記発光ダイオードと前記光学素子との間に配設される前記結合材料は、発光化合物を有してもよい。特定のアプリケーションにおいては、前記発光ダイオードから放射される光の少なくとも部分的な色変換が望まれる。例えば、青色光の一部を黄色光に変換する黄色放射蛍光化合物を用いることによって、青色発光ダイオードから白色光が生成され得る。
第２の態様においては、本発明は、発光装置の製造方法であって、少なくとも１つの発光ダイオード及び少なくとも１つの光学素子を設けるステップと、前記少なくとも１つの発光ダイオードの発光面及び／又は前記少なくとも１つの光学素子の面に、２５０℃までのＴｇを持つ、リン酸塩ガラス又は酸化物ガラスを有する結合材料を配設するステップと、組立体を形成するよう、前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記発光面上に、前記少なくとも１つの光学素子を、それらの間に前記結合材料をはさんで、配置するステップと、前記少なくとも１つの光学素子を前記少なくとも１つの発光ダイオードに結合するよう前記結合材料を前記結合材料の前記Ｔｇ以上の温度に加熱するステップとを有する発光装置の製造方法に関する。
本発明の実施例においては、前記結合するよう加熱するステップは、前記組立体に加圧しながら行われ得る。
ここで、現在好ましい実施例を示している添付図面を参照して本発明のこれら及び他の態様をより詳細に説明する。
或る態様においては、本発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤパッケージの動作温度より低いガラス転移温度を持つガラス材料の使用をベースにした結合材料によって前記ＬＥＤチップの発光面に結合される光学素子とを有する発光装置に関する。
このような発光装置１の一実施例は、図１に図示されているように、発光面１１、即ち、面であって、生成された光が前記面を通って前記ＬＥＤを出る面を持つ発光ダイオード（ＬＥＤ）１０を有する。
光学素子１３は、ＬＥＤ１０の発光面１１に配設され、結合材料を有する結合剤１３によってそれに結合される。
結合材料は、主に、２５０℃までのガラス転移温度（Ｔｇ）を持つガラス材料によって構成される。
結合材料の位置は、ＬＥＤの発光面にしか配設されないよう限定されてはおらず、発光ダイオードと光学素子との間の他の境界面にも配置され得る。
好ましくは、ガラス転移温度が、動作時に装置において到達される温度未満であるような結合材料が選択される。
本願明細書で用いられている「発光ダイオード（略書きしたＬＥＤ）」は、当業者に知られている全てのタイプの発光ダイオードを指し、無機ベースの発光ダイオード、ポリマ発光ダイオード及び有機発光ダイオードなどの有機ベースの発光ダイオードを含むが、これらに限定されず、レーザーダイオードも指す。本発明に関しては、「光」は、紫外線から赤外線までの波長範囲、特に、その中の可視範囲及び近可視範囲を含むと解釈される。
本願の装置は、高出力ＬＥＤ、例えば、動作中に２５０℃の温度に到達し得るようなＬＥＤでの使用に特に適しているが、これに限定されない。更に、特に、陽極と陰極との両方を発光面の同じ側に持つ所謂フリップチップＬＥＤが、本発明において使用されると考えられる。
更に、特に、例えばサファイアの単結晶面などの無機発光面を持つＬＥＤが、本発明において使用されると考えられる。
ＬＥＤ１０に配設される光学素子１３は、ＰＭＭＡなどの有機材料のものであってもよく、又は多結晶セラミック材料又はガラス材料などの無機材料のものであってもよい。
光学素子１３は、一般的に、下に横たわるＬＥＤによって放射される光に対して透過性又は半透明である。
多結晶セラミック及びガラスなどの無機材料は、多くの場合、より光安定性が良く、より熱的に安定しているので、光学素子１３は、好ましくは、無機材料製である。
光学素子は、一般的に、ドーム状又は板状をしており、発光ダイオードによって放射される光を受け取り、伝送するよう設計される。
特定の実施例においては、光学素子は、ＬＥＤによって放射された光の色を変換し得る発光性（即ち、蛍光性及び／又は燐光性）材料を有し得る。
光学素子は、その形状及び／又は構成に依存して、例えば、光のアウトカップリングのためのドーム若しくはレンズなどの屈折素子、コリメータ、及び／又は色変換素子としての機能を果たし得る。
特定の実施例においては、結合材料は、ＬＥＤによって放射された光の色を変換し得る発光性（即ち、蛍光性及び／又は燐光性）材料を有し得る。
本発明における使用に適したガラス材料は、２５０℃以下のガラス転移温度Ｔｇを持つガラスを含む。このようなガラス材料の例は、スズリン酸塩ガラス、リチウムリン酸塩ガラス、ナトリウムリン酸塩ガラス、カリウムリン酸塩ガラス、セシウムリン酸塩ガラス及びテルルリン酸塩ガラスなどのリン酸塩ガラス、並びにタングステン／テルル酸化物ガラス、ナトリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラス、バリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラスなどの酸化物ガラスを含む。
装置１の動作中、ＬＥＤ１０は、熱を生成しながら光を放射する。ＬＥＤのルーメンパワーが高ければ高いほど、ＬＥＤから放散される熱は多い。熱放散は、ＬＥＤ１０、結合剤１２及び光学素子１３の温度上昇をもたらす。これは、ＬＥＤ、結合剤及び光学素子の寸法の変化をもたらす。これらの変化の程度は、熱膨張係数（Ｌ／Ｌ０（℃−１））に依存する。
大きい温度増分は、大きな寸法変化をもたらし、熱膨張係数間にはほんのわずかなずれしかない場合であっても、装置において張力が増加するであろう。
しかしながら、装置の温度が、ガラス質結合材料のＴｇに近づくにつれて、結合材料は、流体状態になる。その場合、流体状態の結合材料は、光学素子と発光ダイオードとの間の増大した張力を緩和し得る。
従って、ＬＥＤを光学素子に結合するのに本発明の結合材料が用いられる場合、熱によって引き起こされる破損の面での劇的な低減があるであろう。
本発明の発光装置は、以下の方法によって製造され得る。
最初のステップにおいて、発光ダイオード及び光学素子が、両方とも、上記のように設けられる。２５０℃以下のＴｇを持つ結合材料であって、ここでは上記のようなガラス材料を有する結合材料が、発光ダイオードの発光面、及び／又は光学素子の、発光ダイオードに面するよう適合された面に配設される。結合材料は、前記面の全体に配設されてもよく、又は前記面の一部に配設されてもよい。
結合材料は、例えば、前記面上で結合材料の一部をとかすことによって、又はガラス箔転移(glass foil transfer)によって、又はガラスの高温噴射によって、前記面に配設され得る。
光学素子は、組立体を形成するよう、ＬＥＤ上に、それらの間に結合材料をはさんで、配設される。その後、少なくとも、結合材料が、一般的には、組立体全体が、光学素子をＬＥＤに光学的に結合するよう、結合材料のＴｇを上回る温度まで加熱される。
本発明が、決して、上記の好ましい実施例に限定されないことは、当業者には分かる。それどころか、添付した請求項の範囲内で多くの修正例及び変形例があり得る。例えば、図１においては１つのＬＥＤチップが示されているが、複数のＬＥＤの組立体を形成するよう１つの光学素子に複数のＬＥＤチップが結合されてもよい。
Claims (10)
- 少なくとも１つの発光ダイオードと、前記少なくとも１つの発光ダイオードの発光面に結合材料によって結合される少なくとも１つの光学素子とを有する発光装置であって、前記結合材料が、前記発光装置の動作温度以下の２５０℃までのＴｇを持つ、リン酸塩ガラス及び酸化物ガラスから成るグループから選択されるガラス材料を有することを特徴とする発光装置。
- 請求項１に記載の発光装置であって、前記リン酸塩ガラスが、スズリン酸塩ガラス、リチウムリン酸塩ガラス、ナトリウムリン酸塩ガラス、カリウムリン酸塩ガラス、セシウムリン酸塩ガラス、テルルリン酸塩ガラス及びそれらの混合物から成るグループから選択される発光装置。
- 請求項１又は２に記載の発光装置であって、前記酸化物ガラスが、タングステン／テルル酸化物ガラス、ナトリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラス、バリウム／亜鉛／テルル酸化物ガラス及びそれらの混合物から成るグループから選択される発光装置。
- 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記少なくとも１つの発光ダイオードが、フリップチップタイプの発光ダイオードである発光装置。
- 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記光学素子が、無機材料製である発光装置。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記光学素子が、発光化合物を有する発光装置。
- 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記結合材料が、発光化合物を有する発光装置。
- 発光装置の製造方法であって、
− 少なくとも１つの発光ダイオード及び少なくとも１つの光学素子を設けるステップと、
− 前記少なくとも１つの発光ダイオードの発光面及び／又は前記少なくとも１つの光学素子の面に、前記発光装置の動作温度以下の２５０℃までのＴｇを持つ、リン酸塩ガラス及び酸化物ガラスから成るグループから選択されるガラス材料を有する結合材料を配設するステップと、
− 組立体を形成するよう、前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記発光面上に、前記少なくとも１つの光学素子を、それらの間に前記結合材料をはさんで、配置するステップと、
− 前記少なくとも１つの光学素子を前記少なくとも１つの発光ダイオードに結合するよう前記結合材料を前記結合材料の前記Ｔｇを上回る温度で加熱するステップとを有する発光装置の製造方法。 - 請求項８に記載の方法であって、前記加熱するステップが、前記組立体に加圧しながら行われる方法。
- 発光装置において光学素子を発光ダイオードの発光面に結合するための結合材料としての、前記発光装置の動作温度以下の２５０℃までのＴ ｇ を持つ、リン酸塩ガラス及び酸化物ガラスから成るグループから選択されるガラス材料の使用。
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