JP5528794B2 - 交流駆動型発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、交流駆動型発光装置に関し、特に、少なくとも一つの直流駆動型発光ダイオードチップグループと、少なくとも一つの交流駆動型発光ダイオードチップの構造を提供するによって、電圧が安定、演色性と発光効率を高める交流駆動型発光装置に関する。
図1は、米国特許第6957899号(特許文献1)に係わる発光ダイオードアレイの態様図である。図1を参照すると、発光ダイオードアレイ1は、交流電源装置12と、第1発光ダイオードアレイ14と、第2発光ダイオードアレイ18とを含む。この図において、第1発光ダイオードアレイ14と、第2発光ダイオードアレイ18は複数の小型化発光ダイオードチップ(micro-LED chip)の直列接続することにより、同一平面10上に配列されている。交流正半波周期(positive half wave period)である場合には、第1発光ダイオードアレイ14を駆動し発光させるに対し、交流負半波周期(negative half wave period)の場合では、第2発光ダイオードアレイ18を駆動し、発光させる。一般的に、世界各国の商用電源の周波数が50〜60Hzで、人間の目の残像効果の必要な時間より長い周波数である。これによって、人間の目が知覚しないように、発光ダイオードアレイ1において、該第1発光ダイオードアレイ14と第2発光ダイオードアレイ、18が交互に発光し、一般な発光装置に応用する目的を達成できる。
米国特許第6957899号明細書 台湾特許出願公開第200826320号 米国特許出願公開第2008083929号明細書 米国特許出願公開第2008218098号明細書
なお、現在、窒化ガリウム系発光ダイオードチップの製造工程において、各小型化発光ダイオードチップの光電特性が均一的、かつ発光効率が100%に達成できることには保証できない。よって、交流電圧を供給して第1発光ダイオードアレイ14を駆動し発光させる場合、光の生成につれ、熱も生成する。それによって、温度と電圧特性とも偏移が発生しやすく、発光の均一度が良くなくなる。また、交流電圧の印加によるサージ波が発生する場合には、発光装置の発光ダイオードチップの焼損を引き起し、信頼性に極めて大きな問題となり、また、解決すべき問題が残っている。
前記米国特許第6957899号の欠点について、図2を参照して以下の説明をする。図2は、台湾特許出願公開第200826320号(特許文献2)の発光装置態様図である。この図において、該発光装置は少なくとも一種の修正回路20を交流駆動用発光ダイオード素子21が操作されている時の温度と電圧補償回路とする。さらにサージ波を吸収する効果を有する。しかしながら、該特許発明にて開示された技術手段は、発光する際の演色性を補償することができないため、また、解決すべき問題が残っている。
また、図3は、米国特許出願公開第20083929号(特許文献3)の発光ダイオード素子態様図である。この図において、交流又は直流駆動型発光ダイオード素子を操作する時の信頼性を高めるために、発光ダイオードチップの製造工程において、少なくとも一つの限流抵抗(current limit)30を追加されて、発光ダイオードアレイ31を保護するに用いる。しかしながら、該限流抵抗30には発光できないため、演色性の補償効果が提供できないことから、また、解決すべき問題が残っている。
さらに、図4は、米国特許出願公開第2008218098号(特許文献4)の発光ダイオード素子の態様図である。交流駆動型発光ダイオード素子を操作する時の信頼性を高めるために、もう一組の発光ダイオードからなるブリッジ整流回路(bridge rectifying circuit)40を追加されて、発光ダイオードアレイ41を保護するに用いる。しかしながら、該ブリッジ整流回路40は発光ダイオードアレイ41が使用さる基板の上方の外縁部に位置して直接に製造される。言い換えれば、該発光ダイオードアレイ41と該ブリッジ整流回路40は同じチップの製造工程に完成できたもので、該ブリッジ整流回路40は交流から直流に変換する効果があるほか、発光することもできる。しかし、このような技術手段では、同じ基板の上方に一つのチップの製造工程のみで、異なる発光波長の発光ダイオードの組合せを作り出すことができない。よって、演色補償効果を提供できないことから、また、解決すべき問題が残っている。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、これらの問題を合わせて解決できるように、この発明の発明者らは,長年にわたるこの分野における実務経験に基づいて、一種の発光装置を提出することを、上記欠点を克服し得る実現方法と根拠とする。
本発明の目的は、一種の交流駆動に応用できる交流駆動型発光装置を提供することである。この交流駆動型発光装置において、リードフレームと、少なくとも一つの交流駆動用発光ダイオードアレイと、少なくとも一つの分離式補償回路とを含む。
本発明の別の目的は、直流駆動用発光ダイオードチップからなるブリッジ直列接続の補償回路を有し、かつ交流駆動用発光ダイオードチップから独立した一種のパッケージ構造を提供することである。電圧が安定、演色性を補償する効果を有するのみならず、交流駆動型発光装置の発光効果を向上することも可能である。
本発明のさらに別の目的は、一種の交流駆動に応用できる交流駆動型白光装置を提供することである。この交流駆動型発光装置において、リードフレーム、少なくとも一つの交流駆動用発光ダイオードチップ、少なくとも一つのブリッジ直列接続の直流駆動用発光ダイオードチップ、少なくとも一つの蛍光粉およびパッケージ覆蓋用コロイドとを含む。
本発明のさらにもう一つの目的は、電圧が安定、演色性を補償する効果を有する一種の交流駆動に応用できる交流駆動型白光装置を提供することである。
前記した本発明の技術内容、特長および効果については、以下の参考図面に沿って実施形態の詳細説明により明らかになろう。
従来の発光ダイオードアレイの態様図である。 従来の発光装置の態様図である。 従来の発光ダイオード素子の態様図である。 従来の発光素子の態様図である。 本発明のパッケージ構造の態様図である。 本発明のリードフレームの電気回路設計の断面図である。 本発明の実施例に係る等効果回路の態様図である。 本発明の実施例に係わる各部品配置の立体態様図である。 本発明の一つの実施例に係わる第1発光ダイオードチップの態様図である。 本発明の別の実施例の態様図である。 本発明のさらに別の実施例の態様図である。
図5は、本発明のパッケージ構造の態様図である。この図を参照し、リードフレーム51、第1発光ダイオードチップ52および少なくとも一つの該第1発光ダイオードチップ52から独立した第2発光ダイオードチップ53とを含む。該リードフレーム51は、凹槽区域511を有し、該第1発光ダイオードチップ52と該第2発光ダイオードチップ53を、ダイボンディングとワイヤーボンディングプロセスの提供に用いられ、電気導通するための各電気回路とリード線を有する。該第1発光ダイオードチップ52は、複数の小型化発光ダイオードチップの直列接続から組合せた公知技術の交流駆動用発光ダイオードチップであり、特に二つの小型化発光ダイオードチップからなる電極が逆方向接続される一つの組立ユニットを、さらに凹槽区域511の中央区域に配置される。該第2発光ダイオードチップ53は、従来の直流駆動用発光ダイオードチップであり、分離式を採用され、凹槽区域511の外縁区域に配置される。
図6は、本発明のリードフレームの電気回路設計の断面図である。この図を参照し、該リードフレーム51の構成材料は、セラミック系(Ceramic based)、窒化アルミニウム系(AlN−based)または、酸化アルミニウム系(AlO−based)あるいは前記したものの組合による複合材料のいずれかであっても良い。また、最下層回路61は、複数のワイアボンディングパッド(bonding pad)を有する回路であり、発光装置50と従来の表面実装技術(Surface Mount Technology)と相互運用できる主要な機能を有しているため、この発光装置50は、従来のプリント回路板(Printed Circuit Board)と直接にモジュール化できる。中間部における2層の中間層回路62、63は、第2発光ダイオードチップ53がブリッジ接続できるの必要な電気回路である。または、第2発光ダイオードチップ53と第1発光ダイオードチップ52と接続するための電気回路でもある。最上層回路64は、第1発光ダイオードチップ52と第2発光ダイオードチップ53がダイボンディングするとワイヤーボンディングするの必要な回路である。
図7は、本発明の実施例に係る等効果回路の態様図である。この図を参照し、五つの第2発光ダイオードチップ71、72、73、74、75は、ブリッジ整流方式により接続され、交流電源を印加させて、正半波周期(positive half wave period)において、駆動される時、電流は、順次にノード(node)70より第2発光ダイオードチップ71、73および75を通過し、ノード76を介して、第1発光ダイオードチップ77と接続される。これに対して、交流電源を印加させて、負半波周期(negative half wave period)において、駆動される時、電流は、順次にノード70より第2発光ダイオードチップ72、73、74を通過し、ノード76を介して、第1発光ダイオードチップ77と接続される。5つの第2発光ダイオードチップ71、72、73、74、75は、ブリッジ整流方式により接続されているため、電圧の補償効果を有する。また、これらの部品自身が発光ダイオードであるため、外部駆動電流に相応して、同一または異なる波長の光を放出させ、白光の発光装置に応用する時では、演色補償効果を有する。
図8は、本発明の実施例に係わる各部品配置の立体態様図である。この図において、リードフレーム51、第1発光ダイオードチップ52、垂直電極式直流駆動用発光ダイオードチップ53a、別の水平電極式直流駆動用発光ダイオードチップ53b、リードフレーム51上に備えるワイアボンディングパッド回路54および方位標示点(marker)55を含む。
前記した本発明の技術内容、特長および効果については、以下の参考図面に沿って、好ましい実施形態の詳細説明により明らかになろう。
図9は、本発明の一つの実施例に係わる第1発光ダイオードチップの態様図である。この図を参照し、第1発光ダイオードチップ52は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法によりサファイア基板80上の順次に少なくとも一つのN型窒化ガリウム層81、窒化インジウムガリウム発光層82およびP型窒化ガリウム層83を成長させ、エピタキシウェハーを形成する。そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により一部のP型窒化ガリウム層83、窒化インジウムガリウム発光層82およびN型窒化ガリウム層81を取り除き、絶縁サファイア基板80を露出して、各独立の小型化チップの電気導通を隔離する。それに、P型窒化ガリウム層上に透明導電層(transparent conductive layer)84を形成した上、フォトリソグラフィとエッチング技術により一部の透明導電層84、P型窒化ガリウム層83、窒化インジウムガリウム発光層82およびN型窒化ガリウム層81を取り除き、N型窒化ガリウム層を露出して、このN型窒化ガリウム層をオーム接触層とする。さらに、SiO2、Si3N4またはSOGを成長して、第1絶縁層85とし、サファイア基板80上にそれぞれ独立していた小型化チップを接続するの電極をジャンパーする工程においての電気隔離に用いられる。それで、透明導電層84とN型窒化ガリウム層81上にオーム接触の正電極86とオーム接続の負電極87をそれぞれ形成し、異なる小型化チップの正負電極を接続する直列接続電極88を形成して、従来の水平電極の分布形態の窒化ガリウム系の発光ダイオードチップアレイを形成する。それにつれて、そのチップアレイの上には、さらに、第2絶縁保護層89を作製し、第1発光ダイオードチップ52の正負電極のワイアボンディングパッド90を露出させる。最後に、ウェハーの研磨と切断の製造工程を経て、それぞれ独立した第1発光ダイオードチップ52を形成する。また、垂直電極式直流駆動用発光ダイオードチップ53aは、従来のAlGaInP/GaAs系、AlGaAs/GaAs系、GaAsP/GaP系またはGaInN/SiC系のいずれかであって、さらに別の製造工程により完成するものである。また、水平電極式直流駆動用発光ダイオードチップ53bは、第1発光ダイオードチップ52の製造技術とは同様であるが、別の異なる製造工程を介して完成する場合、各発光ダイオードチップはそれぞれ独立し、何らかの電極で直列接続する製造工程がない。
一般的に言えば、現在の発光ダイオードの製造工程の良品率は、それぞれ独立した第1発光ダイオードチップ52が同一の光電特性であることを保証できない。よって、同一の直流電流で測定する際においてでも、同一の直流電圧値が得られないため、直流電圧値で分類しなければならない。一例として、 第1発光ダイオードチップ52は、40個の小型化チップからなり、正方向または負方向の半波周期の交流電源で駆動する場合にあたり、言い換えれば、直流電源で駆動する場合に相当し、約28個の小型化チップが同時に発光するに相当する。そこで、従来技術によれば、10ミニアンペアの正方向直流電流で印加し、いずれの窒化ガリウム系小型化チップを測定する時、各小型化チップの正方向直流電圧値が37ボルトである場合には、28個の小型化チップで合計される電圧は、およそ1036ボルトである。そこで、10ミニアンペアの正方向直流電流で印加し、いずれの窒化ガリウム系小型化チップを測定する時、各小型化チップの正方向直流電圧値が40ボルトである場合には、28個の小型化チップで合計される電圧は、およそ112ボルトである。しかしながら、前記した通り、各小型化チップの光電特性は、僅かな差異があるため、各第1発光ダイオードチップ52の小型化チップで合計される電圧は一致できない。これによって、交流の応用する際には、第1発光ダイオードチップ52を電圧の範囲による分類を行う必要がある。たとえば、100.1〜102.5ボルトを一類として、102.6〜105ボルトは別の類とし、以上のように類推する。
ただし、一般の交流商用電源が110ボルトまたは220ボルトの規格というのは二乗平均値(RMS)であり、その表示式はVrmsであり、ピーク電圧(peak voltage)Vpが155.5ボルトまたは311.1ボルトに相当する。そこで、前記102.6〜105ボルトの第1発光ダイオードチップ52に一般の交流商用電源である110ボルトを印加して使用する場合には、各小型化チップに分配されるピーク電圧値が約555ボルトであり、余分な電流が各小型化チップに通過してしまうことになり、発光装置が焼損の恐れがある。図7を参照し、パッケージ工程に第2発光ダイオードチップ71、72、73、74、75を加えて、ブリッジ方式で互いに接続する。また、第2発光ダイオードチップ71、73、75は少なくとも一つの発光ダイオードチップを有し、発光装置の正半波周期の駆動電流を10mA前後に制御することができる。これに対して、第2発光ダイオードチップ72、73、74はそれぞれ少なくとも一つの発光ダイオードチップを含む。同じように、発光装置の正半波周期の駆動電流を10mA前後に制御することができる。このように、前述した問題が防止でき、電圧補償の効果を達成する。
図10は、本発明の別の実施例の態様図である。この図を参照し、窒化ガリウム系の第1発光ダイオードチップ52、その発光波長が青色バンド(455nm〜460nm)であり、および別の発光波長が青色バンド(490nm〜510nm)の直流駆動用第2発光ダイオードチップ71、72、73、74、75を提供する。イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)蛍光粉91と珪酸塩系蛍光粉92をパッケージ用シリカゲル材料93と均一に混合した後、該チップとリードフレーム上面にモールドする。該イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)蛍光粉91を介して、一部の青色バンド(455nm〜460nm)である光線を吸収して、緑色バンド(550nm〜570nm)の波長である光線を放出する。該珪酸塩系蛍光体92では青色バンド(490nm〜510nm)である光線を吸収して、赤色バンド(620nm〜650nm)の波長である光線を放出する。なお、青色バンド(455nm〜460nmおよび490nm〜510nm)、緑色バンド(550nm〜570nm)および赤色バンド(620nm〜650nm)、この3種類の波長を混合して、高い演色性を持つ白光発光装置が得られる。前記のほか、珪酸塩系蛍光粉または窒化物系蛍光粉の活性体組織をイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)蛍光粉91または珪酸塩系蛍光体92に変更して、本発明の目的も達成することができる。
図11は、本発明のさらに別の実施例の態様図である。この図を参照し、窒化ガリウム系の第1発光ダイオードチップ52、その発光波長が青色バンド(455nm〜460nm)であり、および窒化インジウム系、AlGaInP系、AlGaAs系、AsGaP系またはリン化ガリウム系化合物半導体材料のいずれかの直流駆動用第2発光ダイオードチップ71、72、73、74、75を提供し、その発光の波長が赤色バンド(620nm〜670nm)である。珪酸塩系蛍光粉92とパッケージ用シリカゲル材料93とを均一に混合した後、該チップとリードフレーム上面にモールドする。該珪酸塩系蛍光体92を介して、一部の青色バンド(455nm〜460nm)である光線を吸収して、緑色バンド(550nm〜570nm)の波長である光線を放出する。青色バンド(455nm〜460nm)、緑色バンド(550nm〜570nm)および赤色バンド(620nm〜670nm)の3種類の波長を混合した後、高演色性を持つ白光発光装置が得られる。前記のほか、珪酸塩系蛍光粉または窒化物系蛍光粉の活性体組織をイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)蛍光粉91または珪酸塩系蛍光粉92に変更して、本発明の目的も達成実現できる。
以上は、本発明の好ましい実施形態であり、本発明の権利範囲に制限を加わるものではない。よって、本発明の権利範囲および明細書の内容による効果等の変化や変更はなお本発明の範囲に含まれるものとする。
1 発光ダイオードアレイ
10 平面
12 交流電源装置
14 第1発光ダイオードアレイ
18 第2発光ダイオードアレイ
20 修正回路
21 交流駆動用発光ダイオード素子
30 限流抵抗
31 発光ダイオードアレイ
40 ブリッジ整流回路
41 発光ダイオードアレイ
50 発光装置
51 リードフレーム
511 凹槽区域
52、77 第1発光ダイオードチップ
53、71、72、73、74,75 第2発光ダイオードチップ
53a 垂直電極式直流駆動用発光ダイオードチップ
53b 水平電極式直流駆動用発光ダイオードチップ
54 ワイアボンディングパッド回路
55 方位標示点
61 最下層回路
62、63 中間層回路
64 最上層回路
70、76 ノード
80 サファイア基板
81 N型窒化ガリウム層
82 窒化インジウムガリウム発光層
83 P型窒化ガリウム層
84 透明導電層
85 第1絶縁層
86 オーム接触の正電極
87 オーム接続の負電極
88 直列接続電極
89 第2絶縁保護層
90 ワイアボンディングパッド
91 イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉
92 珪酸塩系蛍光粉
93 パッケージ用シリカゲル材料

Claims (12)

  1. 交流駆動型発光装置であって、
    リードフレームと、
    前記リードフレーム上に配置して形成する少なくとも一つの第1発光ダイオードチップと、
    少なくとも一つの電圧補償回路と、を含み、
    前記電圧補償回路は、少なくとも5つの第2発光ダイオードチップがブリッジ方式で接続された回路からなり、且つ、第1ダイオードチップから分離して前記リードフレーム上に配置され、
    前記電圧補償回路と前記第1発光ダイオードチップは交流電源の間で直列接続され、交流電源の正及び負の半周期の間、少なくとも一つの第2発光ダイオードチップは継続的に通電し、
    前記第1発光ダイオードチップの発光波長と前記第2発光ダイオードチップの発光波長は異なり、
    前記電圧補償回路、前記第一発光ダイオードチップ、及び前記リードフレームの上方には、少なくとも2種類の蛍光粉及びゲル材料が配置されて形成される、ことを特徴とする交流駆動型発光装置。
  2. 前記第1発光ダイオードチップは、複数の小型発光ダイオードチップの直列接続により形成されることを特徴とする請求項1に記載の交流駆動型発光装置。
  3. 前記複数の小型発光ダイオードチップの直列接続は、二つの小型チップの電極が逆方向接続により、一つの組立ユニットを形成することを特徴とする請求項2に記載の交流駆動型発光装置。
  4. 前記組立ユニットが交流駆動するとき、正及び負の半周期に対応して、二つの電極が逆方向接続された小型チップが交互に発光することを特徴とする請求項3に記載の交流駆動型発光装置。
  5. 前記電圧補償回路は、電圧補償と演色性補償の機能を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の交流駆動型発光装置。
  6. 前記リードフレーム上の配置は、前記電圧補償回路で使用される複数の第2発光ダイオードチップおよび前記第1発光ダイオードチップが、それぞれ異なる基板上で製作されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の交流駆動型発光装置。
  7. 前記第1発光ダイオードチップおよび前記第2発光ダイオードチップは窒化ガリウム系化合物半導体材料であることを特徴とする請求項1に記載の交流駆動型発光装置。
  8. 前記第1発光ダイオードチップおよび前記第2発光ダイオードチップはそれぞれ異なる波長である光線を放出することを特徴とする請求項1に記載の交流駆動型発光装置。
  9. 前記第2発光ダイオードチップは、窒化インジウム系、AlGaInP系、AlGaAs系、AsGaP系またはリン化ガリウム系化合物半導体材料のいずれかで形成することを特徴とする請求項8に記載の交流駆動型発光装置。
  10. 前記複数の第2発光ダイオードチップは、ブリッジ方式で接続することにより、電圧補償と演色性補償の機能を達成することを特徴とする請求項に記載の交流駆動型発光装置。
  11. 前記リードフレームは、さらにワイアボンディングパッドを含む多層プリント回路板であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の交流駆動型発光装置。
  12. 前記蛍光粉は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光粉、珪酸塩系蛍光粉または窒化物系蛍光粉のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の交流駆動型発光装置。
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