JP5320060B2 - 発光半導体デバイス用冷却装置及びそのような冷却装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光半導体デバイスを冷却するための冷却装置に関する。
本発明は、更に、発光半導体デバイスを冷却するための装置を形成する方法に関する。
半導体照明、特に、イルミネーション照明を目的とするＬＥＤ（発光ダイオード）の利用は、益々関心が高まってきている。単なる表示ランプとしてではなく、イルミネーション照明のソースとしてＬＥＤが使用され得る用途は、室内照明、特に、ショッピングエリアにおける照明、道路照明、及び、自動車照明、特に自動車用ヘッドライトへの適用を含む。これら全ての新しい用途に共通するのは、ＬＥＤ、又は、多くの場合チップ上に備えられるＬＥＤ配列が、所望の光出力を得るために高出力で作動されることである。その高出力はまた、ＬＥＤチップにおける熱の蓄積をもたらす。そのような熱の蓄積は、電気出力を光に変換する効率を低減させ、すなわち、ｌｍ／Ｗ値を低減させ、また、不可逆的な熱損傷に起因するＬＥＤチップの破壊をもたらし得る。この種の用途に有用なＬＥＤデバイスのより新しい種類の一部は、ハイブリッド蛍光体変換モジュール及び色混合ＲＧ（Ａ）Ｂモジュールを含む。ＬＥＤデバイスにおける熱の蓄積はまた、例えば、ハイブリッド蛍光体変換モジュールである発光材料における熱の蓄積につながる。蛍光物質の効率は、温度上昇につれて落ち、従って、光出力は、所望のものより低いものとなる。ＷＯ３０／０９６３８７は、基板上に配置されるＬＥＤのミクロアレイを含む高輝度光源を説明する。
一実施例では、導電基板上に形成されるＬＥＤデバイスの配列を含むモジュールがその中に搭載されるところのライトバーが提供される。そのライトバーは、冷却液と共に供給される流体循環チャネルを備える。その冷却液は、冷却を必要とするそのライトバーハウジングのそれらの部分を冷却するために、上部金属プレートと下部金属プレートとの間を循環させられる。ＷＯ０３／０９６３８７の照明装置における問題は、それが非常に複雑であり、かつ、非常に大きなスペースを必要とすることである。
このことは、それを高価なものとし、また、スペースが限られたところでの適用に対して有用性の低いものとする。
国際公開３０／０９６３８７号パンフレット
Peterson G.P他、"Experimental investigations of micro heat pipes fabricated in silicon wafers"、Journal of Heat Transfer, vol.pp751-756, 1993
本発明の目的は、発光半導体デバイスを冷却するための冷却装置を提供することであり、その冷却装置は、狭い空間に対する要求を満たし、かつ、効率的な冷却をもたらす。
この目的は、発光半導体デバイスを冷却する冷却装置によって達成され、その冷却装置は、その中に組み込まれる冷却液運搬チャネルを有するセラミックプレートを含み、そのセラミックプレートは、発光半導体デバイスの光学システムにおける欠くことのできない部分を形成するよう構成される。
この冷却装置の有利点は、それが、実際の発熱位置に置かれるよう構成され、ひいては、局所的な冷却、及び、発光半導体デバイス内の熱損傷につながり得る局所的なホットスポットの回避をもたらす点である。セラミック材料は、熱に対して堅牢であり、また、その中に組み込まれるチャネルを持つ薄いプレートを形成するのに適している。特別な有利点は、冷却に加え、発光半導体デバイスにおける光学アクティビティを得るために、例えば、透明度及び屈折率に関して適切な特性を有するセラミック材料が存在する点である。
請求項２に従った手段の有利点は、如何なるポンプや同様の装置を必要とすることなく、ヒートパイプが、ホットスポットからヒートシンクへの極めて効率的な熱の運搬をもたらす点である。このように、ヒートパイプ原理に従って動作するチャネルを持つセラミックプレートは、ほとんどスペースを必要とせず、また、如何なる追加的な機械部品をも必要としない。上記チャネルは、このようにして、狭い空間に対する要求、堅牢かつ単純な設計、及び、長い耐用年数に対する要求が厳しい発光半導体デバイスに組み込まれるセラミックプレートにとって特に好適である。
請求項３に従った手段の有利点は、セラミックプレートが、放たれた光を吸収せず、その光を、少なくとも部分的には、通過させるようにする点にある。このように、本発明の冷却装置は、放たれた光の量を実質的に低減させない。
請求項４に従った手段の有利点は、それが、発光材料の最適な冷却、ひいては、この材料の高い有効性をもたらす点にある。発光材料は、そのセラミックプレート内のチャネルによって直接冷却されるからである。例えば、そのセラミックプレートに含まれる発光する蛍光粒子は、極めて効率的に冷却され、従って、その蛍光体の有効性が高くなる。このことは、それが、高い蛍光効果を持つパワー蛍光体変換ＬＥＤデバイスを製造することを可能にする点において特に有利である。
請求項５に従った手段の有利点は、その冷却装置が、その発光半導体デバイスの発光部分の極めて近くに、或いは、もっと言えば直接接して置かれ得るという点にある。このように、その冷却装置は、実際の発熱源のところに置かれ、その発光部分から熱を直接的に取り除き、従って、その発光効率及びその耐用年数を増大させる。更なる有利点は、セラミックプレートが、発光半導体デバイスからの光アウトカプリングを実際に提供し得、従って、アウトカプリングされた光の量を増大させる点にある。
請求項６に従った手段の有利点は、その発光部分とその冷却装置との良好な熱的及び光学的接触が得られるという点にある。
請求項７に従った手段の有利点は、冷却装置が、放たれた光の邪魔になって置かれるようなことなく、その発光部分の効率的な冷却をもたらす点にある。このことは、見込まれるセラミック材料のより広い選択肢を与える。更に、その発光部分自身及びそれが取り付けられるところのスラグの双方における効率的な冷却が提供される。
請求項８に従った手段の有利点は、アウトカプリングされた光の量が、冷却器及び反射器としての二重の目的を果たすその冷却装置によって高められる点にある。
本発明の別の目的は、発光半導体デバイス用冷却装置、特に、その発光半導体デバイスに組み込まれるのに適したサイズを有する冷却装置を製造するための効率的な方法を提供することである。
この目的は、発光半導体デバイスを冷却する装置を形成する方法によって実現され、その方法は、セラミック粒子のチャージ（装填物）を形成するステップ、上記チャージをスタンプでエンボス加工するステップ（上記スタンプは、冷却液運搬チャネルを上記チャージ内に形成するためのパターンを有する。）、上記チャージを固めるステップ、及び、それらを密封し、かつ、冷却液運搬チャネルを含むセラミックプレートを形成するために、カバーを上記チャネルの上に提供するステップ（上記プレートは、上記発光半導体デバイスの統合要素を形成するよう構成される。）を含む。
この方法の有利点は、スタンプによるエンボス加工が、小型の構造、また、複雑な幾何学的設計を持つ小型の構造を、高精度でかつ良好な再現性により産生する効率的な方法である点にある。特に、焼結活性であるチャージを形成するセラミック粒子に関し、この方法は、セラミックプレートを形成すべくそのセラミック粒子を焼結する前に構造体を形成するのに適している。
請求項１０に従った手段の有利点は、それが、ヒートパイプ特性をそれに提供するために、その冷却装置のチャネル内の液体を密封する単純な方法を備える点にある。
本発明のこれらの及び他の態様は、以下で説明される実施例から明白となり、それらを参照することで明りょうとなる。
本発明は、これより、添付図面を参照しながらより詳細に説明される。
図１ａは、セラミックプレートを形成する第一ステップを概略的に示し、そのセラミックプレートは、その中に組み込まれる冷却液運搬チャネルを有する。セラミックの（サブ）ミクロンパウダーの懸濁液のチャージ１は、モールド２内で形成される。モールド２の底は、多孔セラミック板等の多孔板３である。エラストマーのスタンプ４は、その表面５に構造化パターンを備える。その構造化パターンは、多数の細長いリッジ６の形状を有する。スタンプ４は、それ自体良く知られた技術であるフォトリソグラフィーによって構造化されたテンプレートから製造される。
セラミックミクロンパウダーを構成するセラミック材料は、好適には、少なくとも部分的にはその焼結状態において半透明の材料である。そのようなセラミック材料の例は、多結晶アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ＹＡＧとも呼ばれる。）、及び、セリウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ）等の発光性セラミック材料を含む。これらのセラミック材料は、追加的に高い熱伝導率を有する透明材料に対して半透明であり、そのことは、良好な伝熱性をもたらす。更に、これらの材料は、サファイアの屈折率に近いか又はそれよりも高い屈折率を有し、そのことは、光アウトカプリング（取り出し）を容易にする。好適な実施例では、セラミック材料は、発光材料を含む。例えば、そのセラミック材料は、発光する蛍光粒子が埋め込まれた基質を形成し得る。別の代替案は、それ自身が発光するセラミック材料を利用することである。
図１ｂは、上記セラミックプレートを形成する第二ステップを概略的に図示する。この第二ステップでは、その構造化パターンのリッジ６がチャージ１にエンボス加工されるような方法で、スタンプ４がチャージ１に対して押し付けられる。そのパターンのリッジ６は、このようにして、細長い溝７をチャージ１に形成する。チャージ１に押し込まれたそのパターンをそのまま有しながら、毛管力を介して液体が多孔板３に吸い込まれる。チャージ１の懸濁液からその液体を取り除けるようにするためである。その液体がチャージ１から無くなるにつれて、チャージ１の残りの部分、すなわち、そのセラミック粒子は、粉体粒子の構造化された成形体（コンパクト）を形成する。
成形体を形成するために懸濁液を含むチャージから液体を除去する方法は、一般的に、スリップキャスティングと呼ばれ、それ自体知られている。
当然のことながら、いくつかの他の方法がそのチャージを固めるために利用される。例えば、セラミック粒子の懸濁液は、熱処理及び／又は紫外線処理の下で固まる成分を備え得る。そのチャージの温度上昇、又は、紫外線光によるモールドの照射は、そのスタンプを取り除くことができるように、そのチャージを硬化させる。追加される成分は、そのスタンプを取り除いた後に燃やし尽くされる光活性有機材料又は熱活性有機材料であってもよい。
図１ｃは、スタンプ４が取り除かれた後に溝７を備えるチャージ１を示す。
図２ａは、カバープレート８の隣に、溝７を備えるチャージ１の上面図を示す。図２ａに示されるように、溝７は、チャージ１の上面全体に亘って拡がるものではない。従って、後部壁９が各溝７で形成される。チャージ１及びカバープレート８は、図２ａに示されるように、チャージ１及びカバープレート８の双方が焼結活性状態にあることを意味するいわゆるグリーン状態にある。
図２ａに示される溝７は、単に真っ直ぐな溝７であるが、当然のことながら、更にずっと複雑な溝構造がチャージに形成されてもよい。このように、如何なる種類のグリッドパターンをも形成する溝、また、ほとんど如何なる種類のマイクロ構造をも備える溝が、以下で説明されるように、ホットスポットからの熱をヒートシンクに運ぶための必要条件に適合させるために、形成され得る。
図２ｂは、セラミックプレートを作る方法の第三ステップを図示する。トッププレート８は、溝７を覆うために、チャージ１の上に置かれる。トッププレート８及びチャージ１は、その後、共焼結される。その焼結は、選択的に、熱間等静圧圧縮成形を含んでもよい。その共焼結は、トッププレート８によって形成されるルーフ１１を用いて上から溝７が覆われるブロック１０を作り出す。このようにして、チャネル１２がブロック１０内に形成される。
図２ｃは、代替実施例を図示する。この実施例では、溝１０７を有する第一圧縮チャージ１０１が、同様の溝１０７を有する第二圧縮チャージ１０２の上に置かれる。トッププレート８は、第一チャージ１０１の上に置かれ、そのチャージ１０１の溝１０７を覆うようにする。チャージ１０１自身の下面は、第二チャージ１０２の溝１０７を覆う。チャージ１０１、１０２の双方、及び、トッププレート８は、焼結活性状態（グリーン状態）にある。チャージ１０１、１０２、及び、トッププレート８は、共焼結に晒され、また、選択的に、熱間等静圧圧縮成形に晒されて、溝が覆われ、そして、三次元チャネル構造内に配置されるチャネル１１２を有することとなるブロック１１０を形成する。図２ｃで図示される代替的な第三ステップが、互いの上に積み上げられる如何なる数のチャネル層を持つブロックを形成するために採用されてもよいことは明らかである。
図２ｄは、その中に冷却液運搬チャネルが組み込まれるセラミックプレートの形成における最終ステップを図示する。第一に、ある量の液体１３が各チャネル１２に追加される。チャネル１２は、その後、空にされ、すなわち、如何なる空気をもが取り除かれる。その後、シール１４が、チャネル１２の開口端に適用される。シール１４は、ガラス等、気密シールをもたらす種々の材料であってもよく、また、液体１３が処理中に蒸発しないような方法で適用される。可能性のある一解決策は、溶けたガラスをチャネル１２の開口部に適用することである。これは、その密封処理において液体の蒸発を防ぐために液体１３が置かれるブロック１０のその部分の冷却の提供を含むかもしれない。チャネル１２を密封した後、以下に説明されるように、冷却液運搬チャネル１２がその中に組み込まれるセラミックプレート１５が形成され、発光半導体デバイスへ適用されるための準備が整う。
チャネル１２の寸法の適切な選択により、セラミックプレート１５は、ヒートパイプ原理に従った冷却器として機能する。ヒートパイプの原理は、周知であり、Peterson G.Pらによる“Experimental investigations of micro heat pipes fabricated in silicon wafers”,Journal of Heat Transfer, vol.pp751-756, 1993といった、他の文献の間で説明される。要するに、ヒートパイプは、小さな断面寸法の密封された細長いチャネルである。液体は、さもなければ空となるそのヒートパイプの中に適用される。その細長いヒートパイプの第一端は、熱が吸収されその液体を蒸発させる受熱端として使用される。その細長いヒートパイプの第二端は、凝縮器として使用され、ヒートシンクに接続される。その第二端において、液体を回復させるために蒸気が凝縮される。第一端から第二端に移動する蒸気の比率は、二つの端の間の蒸気圧の違いによって左右される。そのチャネルのサイズ及び形状の適切な設計により、ヒートパイプの第二端で形成される液体は、毛管力により、再び蒸発が行われるところである第一端に運ばれる。典型的には、そのヒートパイプは、毛管力を高めるために、角度のある断面又は毛管の微細構造を備える。このようにして、その液体は、効率的に循環する熱輸送媒体として働く。このようにして、ヒートパイプ原理は、如何なるポンプ又は同様の装置を必要としない効率的な冷却を提供する。毛管力だけを用いて冷却液が輸送されるからである。適切な冷却液は、メタノール及び水を含む。断面寸法及びそのヒートパイプの詳細な設計は、適切な毛細管圧を提供するために、対象となるそのセラミック材料に対して最適化される。典型的には、ヒートパイプは、１０〜５００μｍの水力直径、及び、１０〜７０ｍｍの長さを有する。小型のヒートパイプは、重力に鈍感であり、そのことは、そのヒートパイプの幾何学的配置における追加的な自由度をもたらす。
図３は、高出力ＬＥＤ（発光ダイオード）デバイス２０の形で高出力半導体デバイスに組み込まれるセラミックプレート１５を図示する。ＬＥＤデバイス２０は、例えば、車用ヘッドライトを形成する、或いは、ショッピングエリアのイルミネーション光源を形成するＬＥＤの列又は配列の一部を形成し得る。ＬＥＤデバイス２０は、接着剤２２を用いて熱拡散ボード２３に固定される、アルミニウム製のスラグ（小塊）２１を含む。ボード２３は、外気に熱を放つよう構成される冷却フランジ２５を有する冷却器２４の上に置かれる。ダイ（金型）２６の形をとる発光部分は、ダイ接着エポキシ樹脂２７を用いてスラグ２１に接着される。スラグ２１は、ダイ２６に隣接した反射コーティングを備え、それ故に、ダイ２６からスラグ２１の方向に放たれる如何なる光をも反射する働きをする。プリント回路板２８は、ＬＥＤデバイス２０にパワーを供給する。半透明で、かつ、好適には、発光する蛍光粒子のような発光材料を含むセラミックプレート１５は、ＬＥＤデバイス２０におけるダイ２６との光学的及び熱的接触を得るために、光学接着剤２９を用いてダイ２６に接着される。接着剤２９は、例えば、好適には、ナノサイズの粉末と混ぜられ得る光学タイプの接着剤である。ナノサイズの粉末は、好適には、大きなバンドギャップ、高い熱伝導率、並びに、ダイ２６及びセラミックプレート１５の双方に適合する屈折率を有するための高い屈折率を有する材料で作られる。上記ナノサイズの粉末を形成するための適切な材料の例は、ナノサイズのＡｌＮ及びＴｉＯ２を含む。
動作中、光Ｌは、ダイ２６から放たれる。光Ｌは、光学接着剤２９を通って、かつ、半透明のセラミックプレート１５を通って伝えられる。セラミックプレート１５の上には、一の追加層３０、又は、いくつかの追加層群が置かれてもよい。この層又は層群は、更に、セラミックプレート、光拡散器、光アウトカプリング構造、光平行化（コリメーティング）構造、発光する蛍光粒子等を含んでもよい。スラグ２１、ダイ２６、ダイ接着エポキシ樹脂２７、光学接着剤２９、セラミックプレート１５及び光学層３０は、一緒になって、高出力ＬＥＤデバイス２０の光学システムを形成する。光の放出は、セラミックプレート１５に伝えられる熱を生成する結果となる。その熱は、チャネル１２にある液体を蒸発させる（図３では、ただ一つのチャネル１２が側方から見られるが、当然のことながら、セラミックプレート１５は、複数のチャネルを含む。）。従って、ダイ２６に隣接するチャネル１２内で蒸気が産生される。各側面３１、３２で、また、ダイ２６から離れたところで、セラミックプレート１５は、導体柱３３、３４と熱的に接触している。導体柱３３、３４は、冷却器２４に接触しており、また、金属や多結晶アルミニウム等の高い熱伝導率を持つ材料でできている。従って、蒸気は、側面３１、３２のところで凝縮される。柱３３、３４は、冷却器２４によって間接的に冷却されるからである。ヒートパイプ原理に従って、凝縮された液体は、毛管力を用いて、端部３１、３２から、ダイ２６に隣接する、チャネル１２のエリア３５まで運ばれ、そこで、その液体は、再び蒸発させられる。当然のことながら、チャネル１２内の液体は、好適には、液相及び気相状態の双方で透明な水や低級アルコール等の液体である。ブロック矢印は、どのように熱がダイ２６及び同様にＬＥＤデバイス２０の他の構成要素から運ばれるかを示し、セラミックプレート１５におけるチャネル１２のエリア３５から端部３１、３２へどのように熱が運ばれるかを示す。端部３１、３２から、その熱は、更に柱３３、３４へ運ばれ、そして、冷却器２４にまで運ばれる。冷却器２４は、フランジ２５を利用して、その熱を外気に放出する。このようにして、ＬＥＤデバイス２０の、特にダイ２６の極めて効率的な冷却が得られ、そのことは、ＬＥＤデバイス２０が、ダイ２６又はＬＥＤデバイス２０の他の構成要素の熱破壊のリスク無しに、極めて高い出力で作動され得ることを意味する。セラミックプレート１５が、発光する蛍光粒子等の発光材料を含む場合、或いは、それ全体が発光するセラミック材料で形成されている場合、発光材料は、セラミックプレート１５内に形成される冷却チャネル１２によって効果的に冷却され、それによって、発光材料の高い有効性をもたらす。
更に、セラミックプレート１５はまた、光アウトカプリング機能を有していてもよい。この目的のため、チャネル１２は、図２ｃで示されるようなピラミッドを逆さまにした形状以外の他の断面で作られてもよい。例えば、チャネルは、コーン又はレンズの形状が与えられてもよい。チャネルの配置も同様に、最適な光アウトカプリングをもたらすように設計されてもよい。
図４は、多結晶アルミニウム、ＹＡＧ又はＡｌＮ等の半透明のセラミックでできたセラミックプレート２１５の形をとった本発明の第二の実施例を図示する。好適には、セラミックプレート２１５は、発光材料を含む。セラミックプレート２１５は、図４において断面で示される、細長いチャネル２１２を有する。チャネル２１２は、紙面に垂直な方向に延び、かつ、ヒートシンクに接続される（図４では図示せず。）。図４で示されるように、ＬＥＤデバイス２２０は、部分的に実際のセラミックプレート２１５内に位置付けられる。図４に示される事例では、ＬＥＤデバイス２２０のダイ２２６及びダイ取り付け用接着剤２２７は、完全に或いはほぼ完全にセラミックプレート２１５内に置かれ、一方、ダイ２２６が取り付けられるスラグ２２１は、セラミックプレート２１５の外に置かれる。ＬＥＤデバイス２２０は、更に、図３を参照して説明されるものと同様、接着剤２２２、熱拡散ボード２２３及び冷却用フランジ２２５を有する冷却器２２４を含む。
チャネル２１２は、ピラミッドの断面形状を有する。ピラミッドのベースは、典型的には、１〜数ｍｍのサイズを有する。当然のことながら、セラミックプレート２１５は、図１ａ〜１ｃ及び図２ａ〜２ｄの方式に従って作られ、その後に、向きを変えられるだけであってもよい。図４に示されるチャネル構造は比較できるほどに大きいので、代替案の一つとして、スタンプを利用する代わりに焼結活性状態の圧縮されたセラミックチャージを機械加工することにより、チャネルの基礎を形成することになっている溝を形成することが可能である。図３で説明されたように、適切な光学接着剤（図４では図示せず。）は、ダイ２２６とセラミックプレート２１５との間の適切な光学的及び熱的接触を得るために使用される。コリメータレンズ２３０が、セラミックプレート２１５の上に備えられてもよい。
スラグ２２１、ダイ２２６、ダイ取り付け用接着剤２２７、セラミックプレート２１５及びレンズ２３０は、一緒になって、ＬＥＤデバイス２２０の光学システムを形成する。動作中、光Ｌは、ダイ２２６から放たれる。図４で示されるように、光の一部は、セラミックプレート２１５及びコリメータレンズ２３０を通って直接的に放たれる。しかしながら、その光の一部は、ピラミッド形状のチャネル２１２の壁で反射され、その後、コリメータレンズ２３０を介してアウトカプリングされる。このようにして、セラミックプレート２１５内のチャネル２１２は、ＬＥＤデバイス２２０からの光のアウトカプリングを改善する目的を果たす。更に、図３を参照して説明される同様の方式に従って、そのチャネルは、ヒートパイプ原理により、ＬＥＤデバイス２２０、特に、埋め込まれたダイ２２６を冷却する働きをする。
このようにして、図４に示されるセラミックプレート２１５は、ＬＥＤデバイス２２０から光をアウトカプリングすること、（増大したアウトカプリングは、そのＬＥＤデバイス内で生成された熱が低減されるという肯定的な副作用を有する。）、並びに、効率的な発光及び高出力ＬＥＤ適用における熱破壊のリスクの限定をもたらすために、ＬＥＤデバイス２２０及びダイ２２６を冷却することという二重の目的を果たす。
図５は、セラミックプレート３１５の形をとった本発明の第三の実施例を図示する。セラミックプレート３１５は、図２ｂで図示されるチャネル１２に類似した、図５の断面に示される多くの細長いチャネル３１２を備える。セラミックプレート３１５は、ＬＥＤデバイス３２０のスラグ３２１に組み込まれる。ダイ３２６は、ダイ取り付け接着剤３２７を用いてセラミックプレート３１５に取り付けられる。ＬＥＤデバイス３２０は、更に、図３を参照して説明されるものと同様、接着剤３２２、熱拡散ボード３２３、及び、冷却用フランジ３２５を有する冷却器３２４を含む。セラミックプレート３１５は、ＺｒＯ２等、高い屈折率の粒子と混ぜられた多結晶アルミニウムでできている。高い屈折率の粒子は、セラミックプレート３１５に拡散反射特性をもたらす。代案として、その上面を白いセラミックコーティング剤でコーティングすることが、上記特性をもたらす。更なる可能性は、陶性合金のセラミックプレート、すなわち、選択的に反射コーティングでコーティングされた、金属とセラミックとの合成物を製造することである。セラミックプレート３１５は、その上面に、セラミックウィング３１６、３１７が備えられ、それは、多結晶アルミニウムからできていてもよい。セラミックウィング３１６、３１７はまた、拡散反射特性を有し、それは、例えば、高い屈折率の粒子を混ぜたり、反射コーティングでコーティングしたり、或いは、制御された多孔率をセラミックウィング３１６、３１７に与えたりすることによって、提供され得る。
動作中、光Ｌは、ダイ３２６から放たれる。図５に示されるように、その光の一部は、コリメータレンズ３３０を通って直接的に放たれる。しかしながら、その光の一部は、セラミックウィング３１６、３１７及び／又はセラミックプレート３１５で反射され、その後、コリメータレンズ３３０を介してアウトカプリングされる。このようにして、そのウィング３１６、３１７を持つセラミックプレート３１５は、ＬＥＤデバイス３２０からの光のアウトカプリングを改善するという目的を果たす。更に、図３を参照して説明される同様の方式に従って、チャネル３１２は、ヒートパイプ原理により、ＬＥＤデバイス３２０、特に、ダイ３２６を冷却する働きをし、ヒートシンク（図５では図示せず。）に熱を運ぶ働きをする。このようにして、スラグ３１２、ダイ３２６、ダイ取り付け接着剤３２７、ウィング３１６、３１７を有し、かつ、スラグ３２１に組み込まれるセラミックプレート３１５、及び、レンズ３３０は、一緒になって、ＬＥＤデバイス３２０の光学システムを形成し、セラミックプレート３１５は、その光学システムの一部を形成する。このようにして、図５に示されるセラミックプレート３１５は、ＬＥＤデバイス３２０から光をアウトカプリングすること、並びに、効率的な発光及び高出力ＬＥＤ適用における熱破壊のリスクの限定をもたらすために、ＬＥＤデバイス３２０及びダイ３２６を冷却することという二重の目的を果たす。
当然のことながら、上述の実施例に対する多数の変形が、添付の特許請求の範囲内で可能である。
例えば、ダイの両側の強烈な冷却を提供するために、図３及び図４に示されるようなダイの前に置かれたセラミックプレートと、図５に示されるようなダイの後ろにあるセラミックプレートとを組み合わせることが可能である。
更に、当然のことながら、チャネルは、ＬＥＤデバイスからヒートシンクへの適切な熱輸送を提供するために、ＬＥＤデバイス又はＬＥＤデバイス群の配列の設計に適合させるのに適切な如何なるパターンで、セラミックプレート内に備えられてもよい。図２ｃで示されるように、多数層のチャネルを使用することが可能である。チャネルの他の形状を設計し、また、毛管力を高めるために内部のミクロ構造をそれらチャネルに備えることもまた可能である。
セラミックプレートは、発光半導体デバイスにおける光学システムの欠くことのできない部分を形成するよう構成され、また、光学特性、すなわち、セラミックプレートが透明か、或いは、反射特性を備えるかという光学特性を有するよう構成されることが上述された。当然のことながら、セラミックプレートは、それ自身では光学特性を有すること無しに、光学システムの欠くことができない部分を形成することもできる。例えば、セラミックプレートは、光が放たれ、かつ、熱が産生される位置近くの発光半導体デバイスを冷却するためにそのスラグ内に埋め込まれてもよく、光学特性、すなわち、反射は、セラミックプレートがその内側に埋め込まれるスラグに属する。しかし、当然のことながら、多くの応用において、セラミックプレートが、冷却効果をもたらすことに加え、例えば、放たれた光を所望の方向に進めたり或いは向けたりするのに役立てるためのウィンドウ、レンズ又はミラーとして働くといった光学アクティビティをも有することが好適である。
図３及び４を参照すると、発光材料は、好適には、セラミックプレート１５、２１５内に組み込まれることが説明されている。これは、しばしば、高出力ＬＥＤの適用において好適である。セラミックプレート１５、２１５内の冷却用チャネル１２、２１２により、発光材料の冷却が、極めて効率的となるからである。別の選択肢は、発光材料をセラミックプレートの上に置くことである。例えば、発光する蛍光粒子は、セラミックプレートの上面（“上面”は、図３及び図４で示されるようなセラミックプレートの上面を意味する。）に取り付けられてもよい。また、そのような場合にも、発光材料の冷却は、効率的となる。更に別の選択肢は、発光する蛍光粒子等の発光材料をそのダイに含めることであり、その場合、セラミックプレートにあるチャネルもまた、極めて効率的に発光材料を冷却する。このようにして、発光材料をどこに置いて、更にセラミックプレートを用いた極めて効率的な冷却をどこで得るかということに対する複数の選択肢がある。
セラミックプレートのチャネルがヒートパイプ原理に従った冷却をどのように実行するかということが上述されている。他の原理に従った冷却のために本発明に従ったセラミックプレートを利用することもまた当然可能である。より大きなサイズのチャネルは、例えば、液体ポンプを用いた循環する冷却液流を備えることができる。
ＬＥＤデバイス２０のような発光半導体デバイスを冷却するための冷却装置を要約すると、その中に組み込まれる冷却液運搬チャネル１２を有するセラミックプレートを含む。セラミックプレート１５は、発光半導体デバイス２０の光学システムの欠くことのできない部分を形成するよう構成され、また、発光半導体デバイス２０の発光部分２６を冷却するよう構成される。
冷却装置を形成する方法は、セラミック粒子のチャージ１を形成するステップ、上記チャージ１内に冷却液運搬チャネル１２を形成するためにスタンプ４で上記チャージ１をエンボス加工するステップ、チャージ１を固めるステップ、及び、それらを密封するためにカバー８を上記チャネル１２の上に用意するステップを含む。
Claims (12)
- 発光部分を有する発光半導体デバイスを冷却するための冷却装置であって、
セラミックプレートであり、その中に組み込まれる冷却液運搬チャネルを有するセラミックプレートを含み、
前記セラミックプレートは、前記発光半導体デバイスにおける光学システムの一部を形成するよう構成され、
前記セラミックプレートは、光学的及び熱的に前記発光部分と接触するよう構成される、
冷却装置。 - 前記冷却液運搬チャネルは、前記冷却液運搬チャネル内に密封された液体を含むヒートパイプチャネルである、
請求項１に記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、少なくとも部分的には半透明であるセラミック材料を含む、
請求項１又は２に記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、発光材料を含む、
請求項３に記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、少なくとも部分的には前記発光部分の正面に置かれる、
請求項３又は４に記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、前記発光部分に接着されるよう構成される、
請求項５に記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、前記発光半導体デバイスの発光部分の裏面に置かれるスラグに囲まれるよう構成される、
請求項１乃至４の何れか一つに記載の冷却装置。 - 前記セラミックプレートは、前記発光半導体デバイスの前記発光部分によって放たれる光を反射するよう構成される、
請求項７に記載の冷却装置。 - 発光半導体デバイスを冷却するための装置を形成する方法であって、
セラミック粒子のチャージを形成するステップ、
前記チャージに冷却液運搬チャネルを形成するため、パターンを含むスタンプで前記チャージをエンボス加工するステップ、
前記チャージを固めるステップ、及び、
前記冷却液運搬チャネルを密封するため、かつ、前記冷却液運搬チャネルを含む、前記発光半導体デバイスの統合要素を形成するよう構成されるセラミックプレートを形成するため、前記冷却液運搬チャネルの上にカバーを提供するステップ、
を含む方法。 - 前記カバーを提供した後、前記冷却液運搬チャネルにヒートパイプ特性を与えるために、液体が各冷却液運搬チャネルに供給され、かつ、前記冷却液運搬チャネル内に密封される、
請求項９に記載の方法。 - 前記チャージは、セラミック粒子の液体懸濁液を含み、前記チャージを固めるステップは、前記チャージから液体を吸い取ることを含む、
請求項９又は１０に記載の方法。 - 請求項１乃至８の何れかに記載の冷却装置を備える発光半導体デバイス。
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