JP6549043B2 - 底面反射器を用いたカプセル化のためのｌｅｄレンズ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のカプセル化に関する。より特定的には、底面に反射性機能を有するレンズを用いたＬＥＤダイ（ｄｉｅ）のカプセル化に関する。

サブマウント（サブストレート）上にＬＥＤダイをマウントし、カプセル化するためにＬＥＤダイの上に事前に形成されたドームレンズを配置することは一般的である。ドームレンズは、ＬＥＤダイのためのキャビティを有しており、透明または半透明の弾力性のあるシリコンを含んでいる。レンズの底面は、そうではなく、平坦である。ドームレンズがＬＥＤダイの上に押し付けられると、シリコンがＬＥＤダイの周りのボイド（ｖｏｉｄ）を満たす。

そうした構造を使用した、発光は一般的に完全拡散（ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）である。ＬＥＤダイの側面から又は浅い角度で発せられた光は、しばしば無駄な光である。有効な発光は、一般的に、前方（ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に発せられる光だからである。そうしたカプセル化されたＬＥＤダイは、小さい反射性の円錐状キャップの中にマウントされ、全ての光を前方に方向付けする。しかし、そうしたキャップはＬＥＤモジュールに対するコストとサイズを追加してしまう。

加えて、下方（ｄｏｗｎｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に発せられた光は、サブマウント表面によっていくらか吸収され、浅い角度で反射され得る。従って、この光も、また、無駄である。

必要とされるのは、上記の欠点に煩わされることのないカプセル化技術である。

一つの実施例においては、ＬＥＤダイのアレイがサブマウントウエハ（ｗａｆｅｒ）の上にマウントされ、ＬＥＤダイの電極がサブマウントウエハ上の金属パッドに電気的に接続される。フリップチップＬＥＤまたはワイヤーボンドされた（ｗｉｒｅ−ｂｏｎｄｅｄ）ＬＥＤが使用され得る。本発明は、また、一時に一つのＬＥＤを処理することにも適用される。

レンズは、モールド（ｍｏｌｄｉｎｇ）プロセスといったものによって、事前に形成される。レンズは、硬化されたシリコンまたは他の好適な透明材料で形成されてよい。レンズは、典型的には、円形であり、ドーム状または所望の光パターンを達成するための他の形状として形成された上面を有し得る。レンズは、ＬＥＤダイに対するキャビティを有している。反射器パターンが、レンズの底面において形成される。角度の付いた表面を伴うファセット（ｆａｃｅｔ）リングといったものである。一つの実施例において、ファセットは、レンズの底面において形成された角度の付いたギザギザである。角度は、平坦または丸みを帯びてよい。

レンズの底面とファセットは、任意的に反射フィルムを用いて被膜されてよい。反射性金属フィルムといったものである。

軟化されたシリコンが、キャビティの中に注入される。

レンズがＬＥＤダイの上に押し付けられると、キャビティの中のシリコンがＬＥＤダイをカプセルで包み込み、ＬＥＤダイはファセットリングによって周りを囲まれる。ファセットリングの角度の付いた表面は、ＬＥＤダイからの下方または浅い発光を上方に反射する。反射フィルムがファセットを被膜していない場合には、上方への反射は、全内部反射（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、ＴＩＲ）によるものであってよい。

発光を拡散するために、異なる半径と高さの複数の同心円状のファセットリングが、レンズの底面に形成されてよい。異なるファセットリングの角度は、異なっても同一であってもよい。別の実施例において、ファセットリングは円形である必要はなく、しかし、所望の発光パターンに応じて、正方形、長方形、楕円形、または他の形状であってよい。同様に、レンズは、あらゆる形状を有してよい。

ファセットリングは、ＬＥＤモジュールが、狭ビームまたは他の発光パターンを発するようにさせるために形成され得る。レンズの上面は、あらゆる発光パターンを達成するように形成されてよい。

別の実施例において、レンズの底面は、ＬＥＤ光を上方に反射するように丸みを帯びて形成される。

サブマウントウエハの上面は、反射フィルムで被膜され得る。

カプセル化プロセスは、ハンドリングを簡素化し、かつ、コストを低減するために、ウエハスケールで実行され得る。カプセル化プロセスの後、個々のＬＥＤモジュールを形成するためにサブマウントウエハが単体化（ｓｉｎｇｕｌａｔｅ）される。

他の実施例が説明される。

図１は、ＬＥＤダイのアレイが取り込まれているサブマウントウエハを上から見下ろした図である。 図２は、本発明の一つの実施例に従って、ＬＥＤダイキャビティとレンズの底面において形成された反射性ファセットを説明する、レンズを二分している断面図である。 図３は、円形のファセットの頂点およびＬＥＤダイキャビティを示している、図２のレンズを下から見上げた図である。 図４は、ＬＥＤダイが取り込まれたサブマウントウエハの断面図であり、カプセルで包み込むために、ＬＥＤダイの上に図２のレンズが置かれている。 図５は、本発明の別の一つの実施例に従った、レンズを二分している断面図である。 同一または類似のエレメントは、同一の数字を用いてラベル付けされている。

図１は、ＬＥＤダイ１２のアレイが取り込まれたサブマウントウエハ１０を示している。別の実施例においては、一つのＬＥＤダイ１２だけが一時にプロセスされる。ＬＥＤダイ１２は、あらゆるタイプのものであってよく、フリップチップ、バーティカル、ワイヤーボンド、等を含んでいる。簡素化された実施例では、たった１２個のＬＥＤダイ１２しか示されていないが、実際の実施例においては、典型的に、数百個のＬＥＤダイ１２が一つのサブマウントウエハ１０の上にマウントされるであろう。ＬＥＤダイ１２は、典型的には、側面ごとに約１ｍｍである。サブマウントウエハ１０は、伝導性トレースを用いたセラミックウエハといった、従来のものであってよく、または、別の材料で形成されてよい。ウエハ１０は、また、正方形、六角形、または、あらゆる他の好適な形状であってよい。

図２は、本発明の一つの実施例に従って、事前に形成されたレンズ１４の断面図である。図３は、ファセットの頂点１８と２２、およびＬＥＤダイキャビティ１６外形を示している、レンズ１４を下から見上げた図である。図４は、ＬＥＤダイ１２の上にマウントされたレンズ１４を示している。レンズ１４は、モールドされたシリコンであってよい。典型的なＬＥＤダイに対して、レンズ１４は、約３−５ｍｍの直径を有してよい。

レンズ１４は、中央キャビティ１６を有している。ＬＥＤダイ１２よりわずかに大きいものである。キャビティ１６を取り囲んで反射性機能が存在し、ＬＥＤダイの側面光を上方に向け直す（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）。図２の実施例において、円形の第１ファセット１８は、あらゆる側面光を反射する角度の付いた表面を有している。図４において光線２０によって示されるようにである。円形の第２ファセット２２は、レンズ１４の中により長い距離で延び、当たっている光を上方に反射する角度の付いた表面を、また有している。図４において光線２４によって示されるようにである。他のあらゆるタイプの反射性機能が、光を上方に反射するために、レンズ１４の底面に形成されてよい。

別の実施例において、ファセット１８と２２の光衝突面（ｌｉｇｈｔ−ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）は平坦でなく、より狭いビームを作成するようにカーブしている（パラボラ形状といったもの）。異なる高さのファセットの同心円リングをより多く追加することは、レンズ１４の上面にわたり発光を拡散させるために役に立ち得る。

別の実施例において、ファセット１８と２２は、所望の発光パターンに応じて、正方形、長方形、楕円形、または他の形状である。レンズ１４も、また、所望の発光パターンに応じて、正方形、長方形、楕円形、または他の形状であってよい。

一つの実施例において、ファセット１８と２２、および、レンズ１４の底面の残りと同様に、反射フィルムを用いて被膜される。反射性金属フィルムといったものである。別の実施例においては、ファセット１８と２２を被膜する反射フィルムは存在せず、ファセット１８と２２はエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）を定めている。レンズ／空気のインターフェイスにおける屈折率の違いは、ある角度の範囲内で光が衝突している場合に、ＴＩＲを結果として生じる。

サブマウントウエハ１０は、白色塗料または反射性金属リングといった、反射性レイヤを有してよい。図４は、サブマウント１０の表面に反射する光線２６を示している。

ファセットリングの形成の他に、ファセットは、より均一に光を拡散するために個々のファセットのアレイであってよい。そうした場合に、図２は、４つの別個のファセットを示すであろう。それぞれが長方形の反射性光衝突表面を有するものである。

粘着性シリコン２８（図４）、典型的にはＬＥＤダイ１２とレンズ１４の間の屈折率を伴うものが、キャビティ１６の中でレンズ１４の底面上に投与される。キャビティ１６の中のシリコン２８は変形可能である。レンズ１４は、次に、図４に示されるように、ＬＥＤダイの上に押し付けられて、ＬＥＤダイ１２をカプセル化するように、シリコン２８をキャビティ１６の中でＬＥＤダイ１２の周りで変形させる。カプセル化は、エアーを取除くために真空において実行されてよい。粘着性シリコンは、次に、キュアされて硬化する。別の実施例において、ＬＥＤダイ１２をカプセル化するためにキャビティ１６の中で使用されるシリコン２８は、レンズ１４の底面上の粘着剤とは異なる。両方の材料を最適化できるようにするためである。キャビティ１６の中のシリコン２８は、粘着剤である必要はなく、ＬＥＤダイ１２とレンズ１４の熱膨張係数の違いに適応するように弾力性を維持し得る。

図４は、サブマウントウエハ１０の対応する金属パッドに接合されたＬＥＤダイ電極３０を示している。サブマウントウエハ１０の金属パッドは、サブマウントウエハ１０を通じて延長し、かつ、底面パッド３４において終了するビア（ｖｉａ）３２に接続されている。パッド３４は、単体化の後でプリント回路基板に半田付けされ得る。単体化ライン３６が示されている。単体化は、ソーイング（ｓａｗｉｎｇ）または他の技術によるものであってよい。単体化は、ウエハ１０を、個々のデバイスまたはデバイスのアレイへと分割し得る。

サブマウントウエハ１０と単体化されたサブマウント部分は、また、サブストレートとしても参照される。サブストレートは、パッド３４の代わりに、電源に対するあらゆるタイプの電気的コネクタを使用し得る。

図５は、レンズ４２の底面の別の形状を示しており、ＬＥＤダイ１２の光線４４を上方に反射するように動作する。形状は、一般的には、上部の半球形状に接続されたパラボラ型のボウル形状である。低い角度のＬＥＤ光を反射するために多くの他の反射性表面が使用されてよい。発光されたビームが比較的に狭くなるようにである。事実上あらゆるビーム形状が達成可能である。反射は、ＴＩＰによるものであってよく、または、レンズ４２の底面は反射性材料を用いて被膜されている。

レンズ１４の上面は、さらなる発光パターンを形成するために、あらゆる形状であってよい。いくつかの形状は、粗面、ディンプル付表面、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズ表面、コリメーティング（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）レンズ表面、等を含んでいる。ＬＥＤダイ発光の大部分は、上面からのものであり、レンズ上面の形状は、光を方向付けるための主要な手段である。レンズ形状と反射器形状の組合せが、明るい光の非常に狭いビームを作成するために使用され得る。

事前に形成されているレンズ１４の他に、レンズ１４は、圧縮成形プロセスにおいてＬＥＤダイ１２の上に直接的にモールドされ、かつ、キュアされてよい。そうした場合には、粘着剤またはキャビティ充填剤は使用されない。

ＬＥＤダイ１２は、白色光を含む、あらゆる発光色を作成するために蛍光体を含んでよい。複数のＬＥＤダイが相互に接続され、一つのＬＥＤモジュールに対するアレイにおいて配置され得る。そして、全てのＬＥＤダイは、適切な大きさのキャビティを用いて一つのレンズによってカプセル化される。

レンズ１４は、ＬＥＤ１４によって発せられた光を、白色光または他の好適な光へと転換するために蛍光体を含んでよい。典型的に、ＬＥＤ１２は、青色光を発し、レンズ１４はＹＡＧ蛍光体を含むであろう。

本発明を使用することにより、反射性キャップの中にＬＥＤダイをマウントする必要はない。

本発明の所定の実施例が示され、説明されてきたが、当業者にとっては、変更および変形が、本発明の範囲から逸脱することなく、より広い態様においてなされ得ること、かつ、従って、添付の特許請求の範囲は、全てのそうした変更および変形を本発明の真の主旨および範囲内にあるものとして包含するものであることが、明らかであろう。

Claims (12)

1. 発光デバイスであって、
   サブストレートの上にマウントされた発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
   前記ＬＥＤダイの上に置かれ、かつ、前記ＬＥＤダイをカプセル化するレンズと、
   を含み、
   前記レンズの底面は、前記ＬＥＤダイを取り囲む少なくとも外側と内側に係る複数のファセットにおいて角度の付いた表面を有し、前記角度の付いた表面は、前記ＬＥＤダイからの光を前記レンズの上面を通じて上方に向けて反射するように構成されており、
   前記レンズは、前記ＬＥＤダイが配置されるキャビティを有し、
   外側のファセットの高さは、内側のファセットより大きい、
   デバイス。
2. 前記レンズの前記上面は、ドーム状である、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記レンズの前記上面は、さらに、光を向け直すように形成されている、
   請求項１に記載のデバイス。
4. 前記複数のファセットは、光衝突面を含み、
   前記光衝突面は、パラボラ形状にカーブしている、
   請求項１に記載のデバイス。
5. 前記複数のファセットは、第１ファセットリングを取り囲んでいる少なくとも一つの第２ファセットリングを含む、
   請求項１に記載のデバイス。
6. 前記複数のファセットは、個々のファセットのアレイを含む、
   請求項１記載のデバイス。
7. 前記デバイスは、さらに、前記ＬＥＤダイをカプセル化するために変形可能な物質を含む、
   請求項１に記載のデバイス。
8. 前記サブストレートは、反射性表面を有する、
   請求項１に記載のデバイス。
9. 前記レンズは、前記底面の少なくとも一部分が前記サブストレートに取り付けられている、
   請求項１に記載のデバイス。
10. 発光デバイスを動作させる方法であって、
    発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイにエネルギを与えるステップであり、前記ＬＥＤダイが、上面と同様に側面からも光を発している、ステップと、
    前記ＬＥＤダイの前記側面から発せられた光を、前記ＬＥＤダイをカプセル化しているレンズの底面に形成された反射性パターンによって上方に向け直すステップと、
    を含み、
    前記レンズは、前記ＬＥＤダイが配置されるキャビティを有し、
    前記反射性パターンは、前記ＬＥＤダイを取り囲み、前記レンズの前記底面の中に形成され、前記ＬＥＤダイからの光を上方に向けて反射するための角度の付いた表面を含む、少なくとも外側と内側に係る複数のファセットを含み、
    外側のファセットの高さは、内側のファセットの高さより大きい、
    方法。
11. 前記ファセットは、前記レンズの上面に向かって光を反射する角度の付いた表面を有している、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数のファセットは、第１ファセットリングを取り囲んでいる少なくとも一つの第２ファセットリングを含む、
    請求項１１に記載の方法。

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