JP7297768B2 - 発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用ランプの分野に関する。特に、本発明は、自動車用ランプに使用するのに適した発光素子及びその製造方法に関する。

近年、LED電球は、従来のハロゲン電球に代わるものとして自動車照明市場でますます使用されるようになっている。交換可能なリードフレーム（interchangeable leadframe, LF）構造を有するように構成されたLED電球は、サイズ、コスト及び交換可能性において、従来のレトロフィット設計を超える利点を有する。ワンピースLF設計は、LEDチップ及び電球内部の電気部品の急速な放熱を可能にする。典型的には、そのような設計では、電気部品は、レンズのような光学構造としても機能するトランスファー成型プラスチックで封止される。金属LFを用いてLED電球を製造するためのキープロセスとして、従来のトランスファー成型法では、透明な成型材料を用いて光学要求を満たしている。しかし、透明プラスチックは熱伝導率が低く、典型的には0.1W／ (m・K)未満であることが多く、これは熱放散の効率を低下させる。また、光学要求のためにフィルタが追加されるので、これらの透明材料は、銅などの金属LFの熱膨張係数とは大きく異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することが多い。これは大きな応力をもたらし、LED電球に層間剥離又は他の欠陥を生じさせる。

以上のことから、最近、２成分(短くして２Ｋ)トランスファー成型法としても知られているトランスファー成型法に２種類の材料を用いることが提案されている。２Ｋトランスファー成型プロセスでは、一つのタイプの材料は光学構造として作用するために透明であり、他のタイプの材料は迅速な熱放散と低いCTE不整合を保証するために透明でない。2Kトランスファー成型法は、従来のトランスファー成型法の限界を完全に克服し、LED電球の信頼性と容量を向上させる。

しかしながら、通常、２Ｋトランスファー成型工程では、透明材料と不透明材料は、それぞれ別々のサブプロセスで成型される。一般に、透明材料は、例えば光学レンズが形成されるように、最初にトランスファー成型される。その後、不透明材料をオーバーモールド成型して、最終的な封止、特に電気部品の封止を可能にする。２つのタイプの材料の異なる成型(すなわち、第１のトランスファー成型及び第２のオーバーモールディング)のため、従来の２Ｋトランスファー成型プロセスは複雑な手順を必要とし、従って、コストが増加する。また、従来の２Ｋトランスファー成型法はしばしば、２種類の材料間の接触不良をもたらし、引き続き、LED電球のギャップ形成、層間剥離及び他の欠陥をもたらす可能性がある。

本発明は、上記欠点又は不利点の1つ以上を除去又は少なくとも軽減するために、自動車ランプに使用するのに適した発光素子の製造方法及び発光素子自体を提供する。

本発明の一態様によれば、自動車用ランプに使用することができる発光素子の製造方法が提案される。製造方法は、ベース基板(11)並びにその上に取り付けられたLEDダイ(12)及び１つ以上の電気部品(13)を、第1モールド内へと提供するステップ；前記LEDダイ上に光学的透明材料を溶融及び射出して光学構造体(14)を形成するステップ；前記光学的透明材料が部分的に固化された後、前記ベース基板を前記第1モールドから取り出すステップ；前記ベース基板を、第1モールドとは異なる第２モールド内へと提供するステップ；及び前記光学的透明材料が完全に固化されない間に熱伝導性材料を溶融して第２モールドへと射出するステップであり、前記1つ以上の電気部品上に熱伝導性本体を形成し、前記熱伝導性材料と前記光学的透明材料との間に密接な接続が形成される、ステップを含む。

発光デバイスを製造するための上述の提案された方法では、光学構造体が形成されるだけでなく、発光デバイスの1つ以上の電気部品が良好に封止され、同時に２つの材料間に密着接続が形成されるようなプロセスで、一方が光学的透明で他方が熱伝導性である２つの異なる材料が成型される。本発明において、光学的透明材料は、光学構造体を形成するように成型され、他方、優れた熱伝導性、低いCTE不整合、及び潜在的に強い機械的強度が、全て、第２の熱伝導性材料によって保証される。特に、本発明によって提供される上記製造方法では、第2の熱伝導性材料を溶融及び射出するための特別なタイミングが選択されることに留意されたい。すなわち、熱伝導性材料は、第1の光学的透明材料がまだ完全には固化していないときに溶融され、射出される。このように、２種類の材料の間には、第２の熱伝導性材料を持ち込んだときに透明材料が既に完全に硬化している従来の場合と比較して、密着した緊密結合が形成される。以上を考慮すると、本発明は、少なくともこの緊密かつ密接な接続において、従来の２Ｋトランスファー成型と比較した場合の改良及び利点を含む。特別なタイミング選択及びその後に得られる密接な接続は、発光デバイスの品質及び寿命にとって有益である。

本発明の例示的な実施形態では、発光デバイスを製造するための上述の方法は、光学的透明材料及び熱伝導性材料を完全に硬化させるステップと、得られた発光デバイスを第２のモールドから取り出すステップとをさらに含む。この場合、光学的透明材料と熱伝導性材料の両方が一緒に硬化されるので、両方の材料を含む完全に硬化された本体が得られる。これにより、光学的透明材料と熱伝導性材料との間の密接な接続及び緊密な接触を形成する際の強化が可能になる。

本発明の任意の実施形態では、上述の発光デバイスの製造方法は、光学的透明材料又は熱伝導性材料を溶融し、射出した後に、冷却するステップをさらに含む。代表的には、溶融及び射出後の任意の冷却工程で、光学的透明材料又は熱伝導性材料の固化が加速され、これは、発光デバイスの全製造プロセスを高速化するのに有用であり得る。本開示の教示から利益を得る当業者にとって、光学的透明材料は、第２の熱伝導性材料がその周囲に射出されたときにまだ完全に固化されないように冷却されるべきであることは容易に理解されるであろう。

本発明により提案される発光デバイスの製造方法の例示的な実施形態では、熱伝導性材料を溶融及び射出する工程は、光学構造体の外側で、熱伝導性材料による１つ以上の電気部品の封止をもたらす。熱伝導性材料を特別に溶融及び射出することによって、１つ以上の電気部品などの電子機器は、発光デバイスに封止された状態を維持する。また、熱伝導性材料を使用するため、従来の透明プラスチックと比較して、良好な熱伝導率だけでなく、制御可能なCTEミスマッチも保証される。

本発明により提案される発光デバイスの製造方法の例示的な実施形態では、熱伝導性材料を溶融及び射出する工程は、光学的透明料を溶融及び射出する工程から1～10秒後に生じる。本開示の教示によれば、当業者は、第２の熱伝導性材料がそれに接触したときに光学的透明材料が部分的に固化し続ける限り、２つの材料の溶融と射出との間の時間間隔の間に、他の適切な値を考案するであろう。この点に関して、本発明は限定されない。

好ましくは、本発明によって提供される上記実施形態のいずれかにおいて、発光デバイスの製造方法において使用される熱伝導性材料は、不透明材料を含む。不透明な熱伝導性材料は、発光デバイス内の1つ以上の電気部品の良好な封止に有用であり得、これらの電気部品及び周囲のリードフレームによって引き起こされる光干渉の抑制に潜在的に寄与する。さらに、特定の実施例では、熱伝導性材料及び光学的透明材料は、好ましくは、同じ基材、例えば、エポキシ又は樹脂から作られる。

さらなる改良点として、本発明によって提供される発光デバイスの製造方法において、熱伝導性材料及び光学的透明材料は、互いに遭遇するときに、液体又はゼラチン状の状態にある。熱伝導性材料と光学的透明材料の両方に同一の材料が使用される場合、特に液体又はゼラチン状である場合でも、それらが互いに接するときに、両者の間には高い緊密性及び強度を有する接続部が形成される。

具体的な選択肢としては、本発明によって提供される発光デバイスの製造のための上記方法において、140℃から250℃の範囲の温度で、10秒から200秒の範囲の期間にわたって、光学的透明材料を溶融し、射出することが好ましい。同様の方法で、140℃～250℃の範囲の温度で、10秒～200秒の範囲の期間にわたって、熱伝導性材料を溶融し、射出することが好ましい。さらに好ましくは、本発明により提供される発光デバイスの製造において、光透過性材料の射出速度は、0.1mm／秒～5mm／秒の範囲に選択され、熱伝導性材料の場合、射出速度は、0.1mm／秒～5mm／秒の範囲にあることが好ましい。従って、異なる溶融及び射出パラメータのための上記のリストされた値又は間隔は、例示的又は例示的にのみ提供されるが、本発明がこれに限定されるものではないことに留意されたい。本開示の教示の利点を有するが、当業者は、圧力のような光学的透明材料又は熱伝導性材料を溶融及び射出するのに適した他の異なるパラメータ、ならびにそれらの対応する値又は範囲を容易に思いつくであろう。この点に関して、本発明は限定されない。

本発明の別の態様によれば、発光デバイスが提案される。発光デバイスは、ベース基板と、前記ベース基板上に取り付けられたLEDダイと1つ以上の電気部品と、前記LEDダイを覆う光学的透明構造体と、前記1つ以上の電気部品を覆う熱伝導性本体とを備え、前記光学的透明構造体と前記熱伝導性本体との間に緊密な接続が形成されている。

発光デバイスの製造方法に関して前述したように、２つの異なる材料を使用することにより、光学要件が満足されるだけでなく、優れた熱伝導性、低いCTE不整合、及び潜在的に強い機械的強度がすべて保証される。さらに、上述の提案された発光デバイスでは、光学的透明構造体と熱伝導性本体との間に密接な接続も形成される。密接接続は、最終生成物、すなわち発光デバイスの断面チェックから検出することができる。発光デバイス内のこの密接接続は、例えば、望ましい或いは完全な光学機能、例えば、望ましい或いは完全な光の屈折のような、高い製品品質及び寿命を容易にする。

上述の提案された発光デバイスの例示的な実施形態では、1つ以上の電気部品は、熱伝導性本体によって光学構造の外側で封止される。熱伝導性の本体が電気部品を封止することにより、制御可能なCTE不整合、及び良好な熱放散が達成される。

選択的に、本発明によって提供される上述の発光デバイスにおいて、熱伝導性本体は、不透明材料によって形成される。この場合、光学的干渉は、1つ以上の電気部品及び周囲のリードフレームによって殆ど或いは全く生じない。なぜならば、これらはすべて、光学構造体の外側の不透明な熱伝導性材料によって良好に封止されているからである。

さらに、本発明の別の実施形態によれば、熱伝導性本体及び光学的透明構造体は、エポキシ又は樹脂のような1つの同じ基材から作られることが好ましい。熱伝導性本体と光透過性構造体の両方に同じ基材を使用することにより、これらの間の密着性がさらに向上し、製品の品質と寿命をさらに向上させることができる。

当業者には理解されるであろうが、上述の実施形態、実装、及び／又は、本発明の態様のうちの２つ以上が、何らかの方法で、有用とみなされるように組み合わされ得る。本開示に基づいて、当業者は、発光デバイス及びその製造方法に対する異なる修正及び変更を実施することができる。

本発明のこれらの及び他の態様を以下に詳述し、実施形態を示し本発明の一部を構成する添付図面を参照する。

本発明の一実施形態に従った発光デバイスの製造方法のフローチャートを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従った発光デバイスの、異なる製造ステージにおける断面図を概略的に示す。 本発明の一実施形態に従った発光デバイスの、異なる製造ステージにおける断面図を概略的に示す。 本発明の一実施形態に従った発光デバイスの、異なる製造段階における断面図を概略的に示す。 図面において、同一又は同様な素子又は部材は同一の参照符号が付されている。

本発明は、異なる形態の実施形態の余地があるが、1つ以上の特定の実施形態を図面に示し以下に詳細に説明する。本開示は、本発明の基本原理の単なる例示であり、本発明を本明細書に示される如何なる特定の実施形態にも限定することを意図しないことを理解されたい。

図面中に示された種々の構成要素又は素子は、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。さらに、図面中に示された種々の構成要素又は素子の間の相対的位置は、本発明の基本原理を説明するためにのみ使用され、本発明の精神又は保護の範囲を制限するものと考えるべきではない。

図１、図２ａ～図２ｃをまとめて参照すると、自動車ランプに使用できる発光素子の製造方法と、異なる製造段階での発光素子自体がそれぞれ示されている。図面から分かるように、製造方法は、詳細には第1の型又はモールド（mold）にベース基板(11)を提供するステップを含む。ベース基板(11)は、LEDダイ(12)と、その上に取り付けられた1つ以上の電気部品(13)とを有する。図2aの断面図を参照されたい。その後、光学的透明材料を溶融し、LEDダイ(12)上に射出（inject）して光学構造(14)を形成する。図2bの断面図を参照されたい。次に、ベース基板(11)が第1のモールドから取り出され、光学的透明材料が部分的に固化され、ベース基板が第1のモールドとは異なる第２のモールド内に挿入される。最後に、光学的透明材料が完全には固化されていない間に、熱伝導性材料が溶融され、第2のモールド内へ射出される。それにより、熱伝導性材料(すなわち、後述する対応する熱伝導性本体15)と光学的透明材料(すなわち、対応する光学構造14)との間に密接な接続が形成される。図2cの断面図を参照されたい。この場合、1つ以上の電気部品(13)が熱伝導性材料によって覆われ、したがって、見えなくなる。

上記の提案された製造方法では、２Ｋトランスファー成型法が用いられ、その改良がなされ、２種の異なる材料が単一のトランスファー成型プロセスでモールドされ、一方の材料は光学構造として作用するために光学的に透明であり、他方の材料は電気部品を封入するために熱伝導性である。このようにして、光学的要求が満たされるだけでなく、制御可能なCTE不整合及び良好な熱伝導率が、第２の熱伝導性材料によって達成される。さらに、本発明によって提供される上記製造方法では、熱伝導性材料の溶融及び射出のタイミングに関して、特別な選択がなされる。詳細には、熱伝導性材料は、第1の光学的透明材料がまだ完全には固化していないとき、すなわち、部分的にだけ固化しているときに、溶融及び射出される。このように、これら２種の材料が、固体状態ではなく、互いに出会うため、２種の材料間に密着した緊密な接触が形成される。これは、優れた製品品質と寿命を達成するために有利である。

選択的に、図１の破線ボックスによって示されるように、発光デバイスを製造するための上述の方法はさらに、以下のステップを有する。すなわち、光学的透明材料及び熱伝導性材料を完全に硬化させるステップと、結果としての発光デバイスを第２のモールドから解放するステップとをさらに含む。このようにして、２種の材料は、液体又はゼラチン状の状態の間に一緒に硬化され、これにより、２種の材料間の密接で緊密な結合を形成することを強化できる。さらに、上述の方法の別の実施形態では、熱伝導性材料を溶融及び射出するステップは、光学構造体(14)の外側の1つ以上の電気的構成要素(13)を熱伝導性材料によって封止する結果となる。電気部品(13)の封止は、図２ｂと図２ｃの断面図の比較から明らかである。図２ｃでは、1つ以上の電気部品(13)が全て熱伝導性本体(15)によって覆われているという事実により、見えない、これは、電気構成要素(13)を発光素子内に良好に封入された状態に維持することを助ける。

好ましくは、上記製造方法の実施形態のいずれにおいても、熱伝導性材料は不透明である。不透明な熱伝導性材料は、1つ又は複数の電気構成要素(13)の良好な封止化を達成するのに役立ち、これらの構成要素は、図２ｃの熱伝導性本体(15)によって完全に覆われ、したがって、見えず、それらの光学的干渉を潜在的に抑制する。

上述のように、発光素子(10)自体もまた提案されている。図２ｃを参照すると、発光素子(10)は、ベース基板(11)と；LEDダイ(12)と；ベース基板(11)上に取り付けられた1つ以上の電気部品(図２ｃでは見えず、図２ａ～２ｂの参照番号13で示される)と、LEDダイ(12)上の光学的透明構造体(14)と、1つ以上の電気部品(図２ｃでは見えず、図２ａ～２ｂの参照番号13で示される)上の熱伝導性本体(15)とを備える。また、上述した発光素子(10)では、光学的透明構造体(14)と熱伝導性本体(15)との間に密接な接続が形成されている。

同様に、発光素子(10)に光学構造対(14)用の材料と熱伝導性本体(15)用の材料との2種の異なる材料が使用されるので、光学的要求が満足されるだけでなく、優れた熱伝導率、低CTE不整合、及び潜在的に強い機械的強度すべてが保証される。さらに、上記提案された発光素子(10)では、光学的透明構造体(14)と熱伝導性本体(15)との間に密接な接続も形成される。緊密接続は、光学顕微鏡検査などによって、最終的な発光デバイス(15)の断面チェックから検出することができる。この緊密な接続、すなわち、２種の材料が密接に結合することで、製品の品質と寿命が改善される。

以上をまとめると、本発明で提案されている発光素子の製造方法は、１つのプロセスで２つの材料を成型することを可能にし、一方の材料は光学的な考慮のために設計され、他方の材料は熱効果のために設計される。結果として生じる発光デバイスでは、２種類の材料の界面又は合体部分で密着かつ緊密な接続が形成される。このように、２つの材料、すなわち最終製品は、耐久性があり、コスト効率が高く、密着性が高く、優れた光学性能と寿命の向上に有利である。

本発明は、リードフレーム及びトランスファー成型を使用する全てのLED用途に適しており、上記の特定の実施形態及び実施例に限定されないことに留意されたい。また、本開示の図面には、光学構造体がドーム形状のみを有するように示されているが、本発明は、この点に限定されるべきではなく、半球形状などの他の任意の異なる形状が、光学構造体に適宜使用され得る。

さらに、上述の実施形態は、本発明を限定するものではなく、例示するものであり、当業者は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの代替実施形態を設計することができることに留意されたい。本発明は、いくつかの実施形態に関連して説明されたが、本明細書に記載された特定の形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。さらに、ある特徴は特定の実施形態に関連して説明されるように見えるが、当業者は、説明された実施形態の様々な特徴が本発明に従って組み合わされ得ることを認識するであろう。

さらに、個々の特徴が異なる請求項に含まれ得るが、これらは、有利に組み合わされ得ること、及び、異なる請求項に含まれることは、特徴の組み合わせが、実現可能でないこと、及び／又は、有利であることを意味しない。また、クレームの１つのカテゴリーにある特徴を含めることは、このカテゴリーへの限定を意味するものではなく、むしろ、その特徴が他のカテゴリーのクレームにも適切に等しく適用可能であることを意味する。

クレームにおいて、括弧内に記載された参照符号は、クレームを限定するものと解釈されるべきではない。動詞「有する、含む」及びその活用形の使用は、クレームに記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素又は素子の前の冠詞「a」又は「an」は、その要素の複数の存在を除外するものではない。さらに、第１、第２等の記述は、単にラベルと見なされるに過ぎず、これらの用語によって接頭された特徴の順番、順序、関係又は特性を暗示したり、記述したりしない。特定の措置が相互に異なる従属クレームに記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせが有利に利用できないことを示すものではない。

参照符号のリスト：
10 発光素子
11 ベース基板
12 LED ダイ
13 1つ以上の電気部品
14 光学構造体
15 熱伝導性本体

Claims (10)

1. 発光デバイスの製造方法であって：
   ベース基板並びにその上に取り付けられたLEDダイ及び１つ以上の電気部品を、第１モールド内へと提供するステップ；
   前記LEDダイ上に光学的透明材料を溶融及び射出して光学構造体を形成するステップ；
   前記光学的透明材料が部分的に固化された後、前記ベース基板を前記第１モールドから取り出すステップ；
   前記ベース基板を、前記第１モールドとは異なる第２モールド内へと提供するステップ；及び
   前記光学的透明材料が完全に固化されない間に熱伝導性材料を溶融して第２モールドへと射出するステップであり、前記1つ以上の電気部品上に熱伝導性本体を形成し、前記熱伝導性材料と前記光学的透明材料との間に密接な接続が形成される、ステップ；
   を含む発光デバイスの製造方法。
2. 請求項1に記載の発光デバイスの製造方法であって、さらに：
   前記光学的透明材料及び前記熱伝導性材料を完全に硬化させるステップ；及び
   得られた発光デバイスを前記第２モールドから取り出すステップ；
   を含む発光デバイスの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって、さらに：
   前記光学的透明材料又は前記熱伝導性材料を溶融及び射出した後、冷却するステップ
   を含む方法。
4. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記熱伝導性材料を溶融及び射出するステップは、前記熱伝導性材料による、前記光学構造体の外側の前記1つ以上の電気要素の封止をもたらす、
   方法。
5. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記熱伝導性材料を溶融及び射出するステップは、前記光学的透明材料を溶融及び射出するステップから１～10秒後に生じる、
   方法。
6. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記熱伝導性材料は、不透明材料を含む、
   方法。
7. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記熱伝導性材料及び前記光学的透明材料は、同一の基材から作られる、
   方法。
8. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記熱伝導性材料及び前記光学的透明材料は、互いに遭遇するとき、両方とも液体又はゼラチン状である、
   方法。
9. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
   前記光学的透明材料は、140℃～250℃の範囲の温度で10秒～200秒間、溶融及び射出され；
   前記熱伝導性材料は、140℃～250℃の範囲の温度で10秒～200秒間、溶融及び射出される、
   方法。
10. 請求項１又は２に記載の発光デバイスの製造方法であって：
    前記光学的透明材料の射出速度は、0.1mm／秒～5mm／秒の範囲であり；
    前記熱伝導性材料の射出速度は、0.1mm／秒～5mm／秒の範囲である；
    方法。

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