JP5520426B2 - 物理的空間を照らすための、３次元リードフレームを具備した半導体光源 - Google Patents

物理的空間を照らすための、３次元リードフレームを具備した半導体光源 Download PDF

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Description

本願は、２００６年４月４日付けで出願された先行出願の米国特許（実用特許）出願第１１／３９７，３２３号の一部継続出願である。本特許出願は、２００４年２月５日付けで出願された米国特許（実用特許）出願第１０／７７３，１２３号（現在は＿＿＿＿＿＿＿＿の一部継続出願であり、前記米国特許出願第１０／７７３，１２３号は、２００１年８月２４日付けで出願された米国特許出願第０９／９３８，８７５号の継続出願（現在は米国特許第６，７４６，８８５号）である。これらの特許出願は、それぞれ本参照により本明細書に組み込むまれるものである。
本発明は、電気照明（電灯照明）および照明の分野に関し、より具体的には、３次元内部リードフレーム発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ：ＬＥＤ）を利用した光源に関する。
本開示は、物理的空間を照らす電球などの光源に関する。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源で十分な光を生成して物理的空間を照らすことの難しさに対処するものである。これまで、ＬＥＤ光は、光出力が不十分なため、アクセント照明としての機能に限られることが多かった。ＬＥＤ出力を増加させる方法はいくつかある。その１つは、チップのサイズを大きくすることである。別の方法は、より多くのチップを光源に利用することである。
チップサイズを大きくすると、いくつか問題が生じる。第一に、チップサイズの増大に伴い生産工程をより精確にしなければならなくなるため、コストが増大する。第２に、熱問題によりチップの発光効率が落ちる。ＬＥＤチップを大きくすると、発生する熱も比例的に増える。チップから生じる大量の熱は容易に除去できないため、全体的なチップ温度が上昇して発光効率が低下してしまう。
先行技術では、複数のＬＥＤチップを２次元プレート形態上に一体化して、出力増加を実現していた。２次元アレイに複数チップを一体化する方法にも、設置面積が大きくなり生産工程がより複雑になるという欠点がある。
本開示は、複数の小面を伴った３次元リードフレームを使ってＬＥＤ光源を作製し、小型で効率的な光源を作製する構造および工程に関する。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
米国特許第６，６３５，９８７号明細書 米国特許第６，６０１，９８２号明細書 米国特許第６，２２０，７２２号明細書 米国特許第６，６０１，９６２号明細書
３次元多面リードフレームは、小型で効率的な光源を作製するため使用される。この目標等を達成するため、本発明は３次元リードフレームを有し、この３次元リードフレームは、シャフトと、標準的ネジ山や電気パネル接続などの電気接続構造とを伴う。前記ネジ式構造により、当該光源は、従来の電球ソケットへ回し入れて先行技術の白熱電球と置き換えることができる。前記リードフレームには面（ｆａｃｅ）または小面（ｆａｃｅｔ）が提供され、当該リードフレームは、それに取り付けられるＬＥＤ用の陰極（カソード）として作用する。陽極（アノード）キャップには、延出したピンが設けられ、この陽極キャップは、絶縁層により前記陰極から単離される。前記リードフレームの選択された小面上にはＬＥＤチップが１若しくはそれ以上配置され、最高３６０度の照明円弧をもたらす。前記チップの陽極と前記リードフレームの前記陽極とはワイヤーにより接続され、当該チップの陰極と当該リードフレームの本体とは別のワイヤーにより接続される。複数のチップはアレイまたはモジュールに配置でき、その場合、前記チップはすべて個別に基部ユニットに接続され、前記基部ユニットは、前記リードフレームに接続される（添付の請求項を含む本明細書における用語「アレイ」は、アレイおよびモジュールの双方を包含する）。前記リードフレームおよび前記チップは、エポキシ、シリコン、プラスチック、または同様な材料でできた封入（カプセル化）構造で覆われ、この構造は、チップから発せられる光に対し光学レンズとして作用する。この構造は、前記チップおよび前記リードフレームの保護層としても作用し、理想的には、当該光源を防水加工する。この全体的な設計により、最高３６０度の円弧にわたり発光し、光源が容易に交換可能で、光源が完全に密閉され防水仕様であるという、光源としての特徴が実現される。
なお、厳密には体積を伴うすべての形態が３次元であり、それには２次元のＬＥＤアレイを搭載したプレートも含まれると考えられることを、本出願人は認識している。ただし、本願の目的のため、「３次元リードフレーム」は、本発明の実施において、陽極装着面以外の各表面がＬＥＤ装着に使用できることにより３次元の使用可能な表面を呈するリードフレームを意味するものと解釈する。これに含まれる形状は、ほぼすべての円柱形（断面が円形または多角形のもの）、半球形、球形、またはドーム形状である。プレートは、厳密には３次元であるが、ＬＥＤ装着に使える表面が２次元のみである（両面が使用できても平行な２平面でしかない）ため、含まれない。
以上に述べた本発明の特徴および利点等は、以下の説明および添付の請求項で記述され、またはより明確に理解されるであろう。これらの特徴および利点は、添付の請求項で特筆された手段およびその組み合わせにより実現され、得られる。さらに、本発明の特徴および利点は、本発明の実施により学習でき、または下記の説明から明らかになるであろう。
本発明の目的の多くは、この明細書の一部をなす添付の図面を参照して以下の説明および添付の請求項に記載されており、前記図面において、同様な参照番号はそれに対応した部分をいくつかの図で示している。
本発明の一実施形態を少なくとも１つ詳述する前に、本発明はその用途について、以下の説明に記載され図面に例示された構造の詳細と構成要素の配置とに限定されるものではないことを理解すべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、種々の方法で実施できる。また、本明細書で使用する表現および用語は、説明目的のものであり、限定的なものと見なすべきでないことは言うまでもない。
したがって、当業者であれば、本明細書に記載したもの以外の構造、方法、およびシステムを設計する基礎として本開示の基となる概念を容易に利用し、それにより本発明のいくつかの目的を実施できることが理解されるであろう。そのため、そのような均等（等価）な構造は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で前記請求項に含まれると見なすことが重要である。
本明細書では、ここで添付の図面を参照し、応用ツールの好適な実施形態について説明する。なお、本明細書で単数形扱いしている名称は、別段の断りがない限り、複数形も含むことを理解すべきである。この説明に記載する材料（物質）も例示的なものであり、そのすべてが、本発明を実施するにあたり同様に作用する当該技術分野で公知の材料（物質）により代用できる。したがって、以下の説明は、例示的かつ非限定的なものと見なすべきである。
図１は、複数の小面（ｆａｃｅｔ）または面（ｆａｃｅ）により複数のＬＥＤチップを収容した３次元リードフレームを有する光源１００を示したものである。３次元リードフレーム１０１には、シャフト１０２および標準的なネジ山１０３が設けられている。このネジ式構造により、当該光源は、従来の電球ソケットへ回し入れて先行技術の白熱電球と置き換えることができる。面または小面１０４は、前記リードフレーム１０１上に設けられている。前記リードフレーム１０１は、それ自体、当該ＬＥＤ １００の陰極（カソード）として作用する。陽極（アノード）であるキャップ１０５には、延出したピン１０６が設けられている。前記陰極および陽極は、絶縁層１０７により単離されている。前記ＬＥＤチップ１０８は、前記リードフレーム１０１の各小面上に配置される。小面または面ごとに１若しくはそれ以上のチップを使用できる。ワイヤー１０９は、前記チップ１０８の陽極を、前記リードフレームの前記陽極１０５に接続し、ワイヤー１１０は、当該チップの陰極を、当該リードフレームの本体に接続する。複数のチップを伴ったこのリードフレームは、エポキシキャップ１２０で覆われている。このエポキシキャップ１２０は、チップから発せられた光の光学レンズとして作用し、また当該チップおよびリードフレームの保護層としても作用する。この全体的な設計により、最高３６０度の円弧にわたり発光し、光源が容易に交換可能で、光源が完全に密閉され防水仕様であるという、光源としての特徴が実現される。
図２は、図１で説明した光源の断面２００を示したものである。この図にはリードフレーム２０１の断面が示されている。基部２０２は当該ＬＥＤの陰極で、この陰極のシャフト２０３は、ネジ式適合部（フィッティング）２０４につながっている。前記陰極の小面部分２０５は、この例において前記基部２０２にほぼ垂直である。設計要件に基づき、前記小面は、前記基部に垂直であっても、垂直でなくてもよい。前記リードフレームの前記陽極のキャップ２０６は、リードフレームの陰極から当該リードフレームを貫通して延出したピン２０７を有する。前記陽極および陰極は、絶縁材２０８により単離されている。この絶縁材は、エポキシ、ＡＴＯ、または絶縁特性を有する他の任意材料であってよい。この絶縁層により、前記陽極および前記陰極が電気的に絶縁される。２０９などのチップは、前記リードフレームの小面に取り付けられる。チップ２０９は、ワイヤー２１０ａを使って陽極２０６に接続され、金またはＡｌ（アルミニウム）のワイヤー２１０ｂを使って陰極２０１に接続される。チップ２０９の上からコーティングされる光変換層２１１は、前記チップから発せられた光を、必要に応じて異なる色に変換するもので、不要な場合には配設されない。上記のリードフレーム、陽極、陰極、およびチップは、エポキシキャップ２１２で覆われる。このエポキシキャップ２１２は、光学レンズとして、またリードフレームおよびチップの保護層として作用する。これらの図には示していないが、言うまでもなく、前記ＬＥＤチップおよび前記リードフレームの接続は電気的に直列であっても並列であってもよく、前記ＬＥＤチップは図示したようにアレイ構造に組み立て、またはモジュールとして事前に組み立てて前記リードフレームの陽極および陰極に取り付けることができる。これらの変形形態は、すべて本発明の実施形態と見なされる。
図３ａ〜３ｆは、リードフレームの外形（プロファイル）例を示したものである。前記リードフレームの主な形状は、陰極の形状により画成される。陽極は陰極と同じ形状を有し、どちらも必要に応じて任意形状にできる。
図４は、複数の小面を伴った表面実装型パッケージ４００の光源を示したものである。基部４０１は、熱伝導体として作用するよう設けられている。これは、セラミックスやプラスチックなどの電気絶縁材料で作製できる。前記基部４０１上では、一方の側部に電極４０２および４０３が敷設され、他方の側部には電極４０４および４０５が敷設される。また、陽極４０２および４０４は、当該回路が陰極４０３および４０５により閉じるよう設けられる。電極は、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、または他の合金などの金属層をセラミック基部上にコーティングすることにより作製できる。基部４０１上には、リードフレーム４０６の陰極４０７が配設される。このリードフレーム４０６の陰極４０７は、基部４０１に接続される。基底４０７には、複数の垂直小面４０８が接続される。陽極キャップ４０９は、前記陰極のリードフレーム頂部に、絶縁層４１０を挟んで配置される。図示したように、チップアレイ４１１は、各前記小面上に敷設されている。このチップアレイ４１１は、ワイヤー４１２および４１３を通じて陰極および陽極に接続されている。前記リードフレームおよび前記チップは、キャップおよび光学レンズとして作用するエポキシ層４１４で覆われる。本願において「表面実装（型）」とは、光源が平面上に取り付けられる任意の構成をいうことに注意すべきである。表面実装型構成としては、プリント基板に光源を搭載するものや電気パネルに光源を取り付けるものなど（これに限定されるものではないが）種々存在する。平面上に光源を取り付けられるこのような構成は、すべて上記の用語に含まれると見なすべきである。この例示的な実施形態では、チップアレイ４１１が使用されることにも注意すべきである。個々のチップおよびアレイの使用は言うまでもない。
図５は、図４を参照してすでに説明した光源などの、光源５００の断面図を示したものである。リードフレーム陰極５０１には、基部５０２が設けられている。キャップ５０４および陽極ピン５０５も設けられている。絶縁層５０６は、前記陰極および前記陽極の間に位置する。ＬＥＤチップアレイ５０７は、５０３など各フレーム面上に位置する。任意選択の蛍光体コーティング層５０８を使用すると、光の色を変換できる。ワイヤー５０９および５１０は、前記チップを陽極および陰極に接続する。エポキシキャップ５１１は、前記リードフレーム全体を覆う。前記ＬＥＤの基部外形は５１２で示されている。基部５１２用の材料は、熱伝導および電気絶縁の両特性を有する。陰極および陽極用の電極は、金属コーティング層５１３および５１４を使ってそれぞれ敷設される。前記リードフレームの前記陰極５０３は、接続部５１５を通じて前記基部内の陰極５１３に接続され、前記リードフレームの前記陽極５０５は、接続部５１６を通じて前記基部内の陰極５１４に接続される。
図６は、光が１方向だけに放射される、すなわち照明する円弧の角度が３６０度未満の別のパッケージングスタイルを示したものである。フレーム上の小面数がより少ないことに注意されたい。このＬＥＤ ６００は、基部６０１および電極６０２、６０３、６０４、および６０５を有する。リードフレーム６０６は１方向だけに複数の小面を有し、チップは、それらの小面上に配置される。照明方向として望ましくない方向に面した小面は、この構成では使用されない。ただし、照明する円弧の角度を３６０度未満に限定する上でＬＥＤチップを取り付けない小面は、リードフレーム形状に応じて任意数であってよい。エポキシキャップ６０７は、前記リードフレームおよび前記ＬＥＤチップを保護する。光は、１方向に放射される。そのような光を使用すると、異なるバックライト（背面照明）用途が可能である。
図７は、相互接続された２つの多面リードフレームから成る円筒形または棒状のスタイルの光源を示したものである。光源７００は、複数の小面を伴った２つの陰極リードフレーム７０１および７０２を有する。１つの陽極７０３は、絶縁層７０４を挟んで陰極７０１の横に配置されている。チップ７０５は、陽極および陰極へのワイヤー接続により小面の１つに配置されている。２つの絶縁層７０７および７０８に挟まれた別の陽極７０６は、フレーム７０１および７０２の間に配置されている。ＬＥＤチップ７０９は、面７０２のうち１つの頂部に配置されている。エポキシキャップ７１１は、前記リードフレームおよび構成要素の全体を覆うよう成形される。電極７１２および７１３は、陽極および陰極用のリード線としてそれぞれ配設される。
図８は、図７に例示したＬＥＤの断面図を示したものである。この図では、陽極および陰極の間の構成を示している。前記陽極内には接触子８０１がある。プラットフォーム８０２および８０３は、ロッド８０４により接続されている。プラットフォーム８０２および８０３には、２つの小面８０５および８０６がそれぞれ接合している。複数の小面を伴った２つの陰極８０７および８０８は、接続ロッド８０９を通じて接続されている。絶縁層８１０および８１１は、陽極および陰極の間の空間を埋めるため使用される。陰極用の接触子は８１２である。チップ８１３は、前記リードフレームの小面上に取り付けられる。任意選択の蛍光体コーティング８１４を使うと、波長を変換することができる。ワイヤー８１５および８１６は、前記チップを前記陽極および前記陰極に接続する。なお、上記で例示した構造およびアセンブリ（組み立て品）を使用すると、３つ、４つ、５つ若しくはそれ以上のリードフレームを当該構造に実装することにより、より長い棒状光源を作製できることにも注意すべきである。同様に、前記フレームも、本明細書で前述したように単一方向にすることができる。
そのため、それぞれにＬＥＤチップが取り付けられた複数の小面を伴うリードフレームを具備した光源を提供することにより、複数のチップを１つの小設置面積パッケージに一体化できる。前記リードフレームの小面数は、要件に応じて１〜無限大にできる。前記リードフレームは、望ましい方向に角度を付けた小面を伴う３次元装置である。前記リードフレームの陰極および陽極は、絶縁材により単離される。各小面には、１若しくはそれ以上のＬＥＤチップを取り付けることができる。ＬＥＤの頂部には、前記チップから発せられる光の色を変換するための光変換層をコーティングできる。前記リードフレームは、保護および光学レンズの双方としてエポキシまたは同様な材料で作製したカプセルに覆われる。前記リードフレームは、前記基部にネジ山を伴ったダイオード型、または前記基部に電極を伴った表面実装型のものであってよい。前記複数の小面を伴ったリードフレームは、１つの部分または複数の部分で棒状タイプの光源を形成するものであってよい。小面が複数あるリードフレームを伴った白色光源は、青色チップの頂部に蛍光体を塗布することにより作製される。前記リードフレームは、前記チップから熱を逃がし熱作用によるルーメン出力の損失を避けるため、熱伝導材料で作製される。
以上、いくつかの具体的な実施形態を参照して本発明を説明および例示したが、当業者であれば、本明細書で例示および説明し、また特許請求の範囲に記載した本発明の原理を逸脱することなく変形形態および変更（修正）形態が可能なことが理解されるであろう。本発明は、その本質および基本的特徴から逸脱しない範囲で他の形態でも実施可能である。説明した実施形態は限定を目的としたものではなく、あらゆる点で単に例示的なものと見なすべきものである。添付の請求項の均等物（等価物）の意味内および範囲内に含まれる変更は、すべて当該請求項の範囲内に包含される。本明細書に開示した具体的な実施形態に関する制限は、一切意図されておらず、また推定すべきでもない。
産業上の応用性
本発明では、固体（物性）技術および改善された構造を利用して小型で効率的な光源を提供する。その製造技術は、複数の小面を伴ったリードフレームがＬＥＤ取り付け用に構成される点を除き、現在使用されている同様な光源の製造技術に類似する。したがって、先行技術装置と比べて小さい体積により多くのＬＥＤを取り付けることができ、より光量の多い照明を提供することができる。
図１は、３次元多面リードフレームを使って物理的空間を照らす光源の斜視図を示した図である。 図２は、図１の装置の断面図を示したものである。 図３は、リードフレームの形状例をいくつか示した図である。 図４は、３次元多面リードフレームを使った代替光源の斜視図を示した図である。 図５は、図４の装置の断面図を示したものである。 図６は、３次元多面リードフレームを使った別の代替光源の斜視図を示した図である。 図７は、３次元多面リードフレームを使った別の代替光源の斜視図を示した図である。 図８は、図７の装置の断面図を示したものである。

Claims (23)

  1. 物理的空間を照らす半導体光源であって、
    ａ．３次元リードフレームであって、
    筒状の電極であって、この筒状の電極には電気接触子が接続された基部が設けられている、前記筒状の電極と、
    前記筒状の電極内に挿入された第２の電極であって、当該第２の電極の前記筒状の電極内への完全な挿入を防止するキャップを有すると共に電気接触子が接続されている、前記第２の電極と、
    前記筒状の電極と前記第２の電極との間に配置された電気絶縁材であって、前記筒状の電極を前記第２の電極から電気的に絶縁する、前記電気絶縁材と
    を有する前記３次元リードフレームを備え、
    ｂ．前記リードフレームは、当該リードフレームに取り付けられた半導体チップから熱を逃がすため、熱伝導材料で作製されており、
    この半導体光源は、
    ｃ．前記筒状の電極上に位置する複数の小面であって、それぞれ平坦な表面を有し、異なる方向を向き、前記平坦な表面に発光半導体チップの取り付けを受容するよう構成されている、複数の小面を有し、
    ｄ．前記各小面上に取り付けられた複数の発光半導体チップを有する
    半導体光源。
  2. 請求項１記載の装置において、
    前記リードフレームのキャップは陽極として作用するものである。
  3. 請求項２記載の装置において、
    前記リードフレームの基部は陰極として作用するものである。
  4. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、
    前記チップを陽極および陰極に接続するための複数のワイヤーを有するものである。
  5. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、
    前記リードフレームおよび前記チップを覆う封入（カプセル化）構造を有するものである。
  6. 請求項５記載の装置において、前記封入構造は、前記チップにより発せられた光に対し光学レンズとして作用するものである。
  7. 請求項５記載の装置において、前記封入構造は、シリコン、エポキシ、およびプラスチックから成る材料リストから選択される少なくとも１つの材料から成るものである。
  8. 請求項７記載の装置において、前記封入構造は、前記チップにより発せられた光に対し光学レンズとして作用するものである。
  9. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、
    前記チップにより発せられた光を白色光に変換する光変換層を有するものである。
  10. 請求項９記載の装置において、前記光変換層は蛍光体層である。
  11. 請求項１記載の装置において、前記リードフレームは、少なくとも１つの小面上に取り付けられた少なくとも１つの発光半導体チップを有するものである。
  12. 請求項１記載の装置において、少なくとも２つの前記半導体チップは、前記リードフレームに動作可能に接続された半導体チップアレイに配置されているものである。
  13. 請求項１記載の装置において、前記小面は前記筒状の電極上にその周方向に並ぶように設けられ、これにより、前記光源は前記筒状の電極の中心軸周りの３６０度の範囲にわたり光を発するものである。
  14. 請求項１記載の装置において、前記小面は前記筒状の電極上における周方向の所定範囲に前記筒状の電極の周方向に並ぶように設けられ、これにより、前記光源は前記筒状の電極の中心軸周りの３６０度未満の範囲にわたり光を発するものである。
  15. 請求項１４記載の装置において、前記光源は、前記小面が面する側に光を発するものである。
  16. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、
    電源への接続用構造を有するものである。
  17. 請求項１６記載の装置において、前記電源への接続用構造は、電球ソケットに取り付けるための機械的な手段を伴った基部である。
  18. 請求項１６記載の装置において、前記電源への接続用構造は、前記光源を表面上に装着（実装）するための構造を伴った基部であるものである。
  19. 物理的空間を照らす半導体光源であって、
    ａ．第１の３次元リードフレームであって、
    筒状の電極であって、この筒状の電極には電気接触子が接続された基部が設けられている、前記筒状の電極と、
    前記筒状の電極内に挿入された第２の電極であって、当該第２の電極の前記筒状の電極内への完全な挿入を防止するキャップを有すると共に電気接触子が接続されている、前記第２の電極と、
    前記筒状の電極と前記第２の電極との間に配置された電気絶縁材であって、前記筒状の電極を前記第２の電極から電気的に絶縁する、前記電気絶縁材と
    を有する前記３次元リードフレームと、
    ｂ．前記第１の３次元リードフレームに取り付けられた第２の３次元リードフレームと、
    を備えており、
    ｃ．前記第１の３次元リードフレームおよび前記第２の３次元リードフレームは、当該第１の３次元リードフレームおよび当該第２の３次元リードフレームに取り付けられた半導体チップから熱を逃がすため、熱伝導材料で作製されているものであり、
    この半導体光源は、
    ｄ．前記筒状の電極上に位置する複数の小面であって、それぞれ平坦な表面を有し、前記平坦な表面に発光半導体チップの取り付けを受容するよう構成されている、複数の小面と、
    ｅ．前記第１の３次元リードフレームおよび前記第２の３次元リードフレーム上に位置する前記複数の小面の各小面上に取り付けられた少なくとも１つの発光半導体チップと
    を有する半導体光源。
  20. 請求項１９記載の装置において、前記リードフレームは、棒状の光源を形成するよう、相互に構成されているものである。
  21. 請求項１９記載の装置において、この装置は、さらに、
    前記棒状の光源を覆う封入構造を有するものである。
  22. 請求項１９記載の装置において、この装置は、さらに、
    前記構造へ動作可能に接続された複数の小面を伴い、少なくとも１つの小面上に少なくとも１つのＬＥＤチップを有した少なくとも１つの他のリードフレームを有するものである。
  23. 請求項１９記載の装置において、前記半導体チップのうち少なくとも２つは、前記リードフレームに取り付けられた半導体チップアレイに配置されているものである。
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