JP2007533082A - 光取出しが改善された発光ダイオード・アレイ - Google Patents
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Abstract
本発明によれば、照明デバイスは、表面を有する高熱伝導性基板と、表面によって支持され、照明を提供するためにアレイに配列された複数の発光ダイオード(LED)とを備える。少なくとも1つの反射障壁は、各LEDを少なくとも部分的に囲む。反射障壁は、アレイ内の他のLEDによって放出される光をLEDから離れた方向へ反射するように形作られる。有利には、基板および反射障壁は、熱拡散部に熱結合して、LEDによって発生された熱を消散させる。基板は、好ましくは、LTTC−M熱拡散部を備え、反射熱障壁は、好ましくは、金属***部またはカップを備える。
Description
本発明は、発光ダイオード(LED)アレイに関し、特に、一体形反射障壁を有するLEDアレイおよびその製造方法に関する。
発光ダイオード(LED)は、通信用および計装用から家庭用、自動車用、および他の視覚用ディスプレイにわたる益々いろいろな用途における光源として使用されている。LEDアレイは、共通基板上に配列された複数のLEDを備える。LEDアレイに関する1つの問題は、LEDの密な集中によって発生するかなりの熱である。LEDアレイに伴う熱問題に対する解決策は、2003年8月11日に出願された、「Light Emitting Diodes Packaged For High Temperature Operation」という名称の関連出願、米国特許出願第10/638,579号の主題である。10/630,579号出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
LEDアレイにおける別の問題は、照明効率に関する。照明効率は、実際にLEDパッケージを離れ、意図される用途において、使用可能な光として役立つことができる発生した光のパーセンテージの尺度である。図1および図2は、典型的なLEDアレイ10を示す。LEDダイ(半導体チップ)12は光を発生する。LEDダイ12は、通常、6面を有する構造において箱に似ている。LEDダイ12は、ほとんど常に、光表面の1つの上に実装されるため、他の5つの表面は、デバイスによって発生された光を放出することが可能である。光の一部は、アレイ・パッケージ11の近くの壁22によって吸収され、一部は、もとの発光ダイへ反射され、一部は、アレイ内の近くのLEDダイ12によって直接吸収される。光の残りは、パッケージを出る。
LEDアレイにおける別の問題は、照明効率に関する。照明効率は、実際にLEDパッケージを離れ、意図される用途において、使用可能な光として役立つことができる発生した光のパーセンテージの尺度である。図1および図2は、典型的なLEDアレイ10を示す。LEDダイ(半導体チップ)12は光を発生する。LEDダイ12は、通常、6面を有する構造において箱に似ている。LEDダイ12は、ほとんど常に、光表面の1つの上に実装されるため、他の5つの表面は、デバイスによって発生された光を放出することが可能である。光の一部は、アレイ・パッケージ11の近くの壁22によって吸収され、一部は、もとの発光ダイへ反射され、一部は、アレイ内の近くのLEDダイ12によって直接吸収される。光の残りは、パッケージを出る。
LEDアレイの照明効率と熱問題との間の関係が存在する。吸収による自己加熱が熱問題の一因となる。
米国特許出願第10/638,579号
米国特許第6,455,930号
米国特許第5,581,876号
米国特許第5,725,808号
米国特許第5,953,203号
米国特許第6,518,502号
したがって、LEDアレイ・デバイスの照明効率を増加させ、吸収によって生じる熱問題を減らすことができるLEDパッケージング機構についての必要性が存在する。
本発明によれば、照明デバイスは、表面を有する高熱伝導性基板と、表面によって支持され、照明を提供するためにアレイに配列された複数の発光ダイオード(LED)とを備える。少なくとも1つの反射障壁は、各LEDを少なくとも部分的に囲む。反射障壁は、アレイ内の他のLEDによって放出される光をLEDから離れた方向へ反射するように形作られる。有利には、基板および反射障壁は、熱拡散部に熱結合して、熱を消散させる。基板は、好ましくは、LTTC−M熱拡散部を備え、反射熱障壁は、好ましくは、金属***部またはカップを備える。
本発明の利点、特質、および種々の付加的な特徴は、添付図面に関連してここで詳細に述べられる例証的な実施形態を考えることによって、より完全に明らかになるであろう。
これらの図面は、本発明の概念を示すためであり、一定の比例に応じて描かれていないことを理解されたい。
本説明は、2つのパートに分割される。パートIは、本発明による高照明効率のためにアレイにパッケージングされた発光ダイオード(LED)の構造および特徴を説明し、適例の実施形態を示す。パートIIは、LEDアレイに適用可能なLTCC−Mパッケージング技術のさらなる詳細を提供する。
I.高照明効率のためにパッケージングされたLED
図4は、窪み部41とテーパ付き反射***部42の周期的アレイとして作製されたテーパ付き障壁反射器40を示す。このアコーデオンに似た構造は、製造するのに特に費用効果的である。テーパ付き反射障壁42を形成するために、金属反射材料を、アコーデオンのように折畳むことができる。LEDダイ12を、反射障壁42の間の窪み部43内に固着することができる。
図4は、窪み部41とテーパ付き反射***部42の周期的アレイとして作製されたテーパ付き障壁反射器40を示す。このアコーデオンに似た構造は、製造するのに特に費用効果的である。テーパ付き反射障壁42を形成するために、金属反射材料を、アコーデオンのように折畳むことができる。LEDダイ12を、反射障壁42の間の窪み部43内に固着することができる。
障壁反射器40は、LEDダイ12のアノードまたはカソードへの接続部を提供することができる。障壁40はまた、熱冷却機能を果たす。LEDダイ12からの熱は、障壁反射器40によって、関連する熱拡散部および支持用LTCC−M基板に運ばれることができる。
図5は、離散的な反射障壁構造52を備える代替の高効率LEDアレイ50を示す。反射熱障壁52は、有利には、フィンとして形作られ、フィンは、LED12の底部から熱伝導性材料(はんだまたは銀エポキシ53など)を通してフィンの上部へ熱を移動させる。フィンの長さおよび角度は、当業者によって変更されることができる。LEDアレイ・パッケージの熱抵抗は、熱消散面積に逆比例する。そのため、反射性熱障壁52が大きく、長いほど、熱消散用の面積は大きくなる。LEDデバイスは、その後、光取出しを増加させ、全反射(TIR)を最小にするために、ドーム形状に形成された光学的に整合した透明エポキシ55によって封止される。
LEDダイ12は、基板54の上に載るアレイ・パターンで配設される。テーパ付きの離散的反射障壁52によって、他のダイまたはパッケージの壁によって吸収されているはずである光が、アレイ・パッケージの外に反射し、したがって、照明効率が増加する。LEDダイ12は、はんだまたはエポキシ53によって基板54に固着されることができる。
基板54は、非伝導性か、または、伝導性であってよい。基板54が伝導性であるか、または、上に載る伝導性パターンおよびトレース(図示せず)を有する場合、LEDダイ12のアノードか、カソードのいずれかに対して、実装表面上で電気接続を行うことができる。伝導性トレースの場合、アノード接続とカソード接続を共に、ダイ12の実装表面上で行うことができる。
図3は、ダイ12の、可能な電気接続のさらなる詳細を示す。LEDのアノードおよびカソードに対して、電気接続を、ワイヤ・ボンド32によって行うことができる。あるいは、アノードか、カソードのいずれかが、絶縁基板上の導体または伝導性基板と電気接触することができる。この場合、残りの端子は、次に、単一ワイヤ・ボンドによって、ダイ12に接続されることができる。LEDダイは、(金属基板36または上に載る導体35に)はんだ付けされることができるか、または、LEDダイは、基板36にエポキシ樹脂で接着される。通常半透明か、または、透明なパッケージ壁34は、半透明か、または、透明なLED封止材料31を支持することができる。
もとの図5を考えると、液状エポキシ53は、金属導体52上に付着することができ、導体52は、基板54に取り付けられることができることがわかる。導体52は、厚膜導体、薄膜導体、電着導体、金属積層導体、または、他の適した電気的および熱的導体であることができる。電気接触が必要とされない場合、導体52は、省略されることができるが、導体52が使用される場合、ダイからのさらなる熱拡散を達成することができる。基板54は、セラミック、多層プリント配線板、低温同時焼成セラミック(LTCC)、LTCC on metal(LTCC−M)、高温同時焼成セラミック(HTCC)、または、他の適した電気絶縁体および熱導体であることができる。基板54は、ダイ12に対する電気接触が望ましい場合、導電性材料であることができ、または、基板とダイ12の間に電気絶縁層が形成されることができる。
図6は、テーパ付き障壁が反射性カップ61であるデバイス60を示す分解図である。LEDダイ12は、次に、各カップ61内で固着されることができる。各カップ61は、はんだまたはエポキシによって、基板54に固着される。ダイの幅よりわずかに小さい径を有する小さな穴62が、カップ61に形成されることができる。穴62によって、液状エポキシまたははんだの一部が、カップ内に浸透することが可能になる。ダイ12は、次に、カップ中で、エポキシまたははんだの上部に設置される。同様に、LEDダイ12は、カップ61内に設置され、エポキシまたははんだによって、穴62を通して基板54に直接接合されることができる。穴62は、組立て60において必要とされないが、穴は作製を容易にする。その理由は、ダイのために、カップ内にエポキシまたははんだを付加するさらなる工程を避けることができるためである。
カップ61は、アルミニウム、ステンレス鋼、錫、ニッケル、または他の反射性材料から作製されることができる。カップは、スタンピング、エッチング、コイニング、機械加工、または他の製造法によって形成されることができる。反射性カップ・テーパ付き障壁内でのLEDダイ・アレイの組立ては、費用のかからないピック・アンド・プレース組立てを使用して達成することができる。
図7は、カップ71のアレイを使用した有利な実施形態70を示す。この複数カップ組立品は、金属シート72から、成形、スタンピング、または、その他の方法で形成することができる。カップ71は、丸い必要はなく、形状が、楕円、四角形、または長方形であることができる。金属は、0.002''〜0.030''の寸法にすることができ、真鍮、銅、リン青銅、ベリリウム銅、ステンレス鋼、チタン、Inconel、炭素鋼または合金鋼、あるいは貴金属を含むことができる。
図8は、楔形セクタ・カップ81から作られた円アレイ80を示す。各楔81は、LEDダイ12を含むことができ、セクタ・カップは、円の形態で配列されることができる。
図9、10、および11を参照すると、LEDキャビティ壁上に反射表面を作る、さらに別の方法は、銀などの厚い反射性金属膜または薄い反射性金属膜101で、キャビティ壁を金属被覆することである。次に、キャビティ縁部を毛管保持部(図9)として使用するために、はんだなどの溶融反射性金属92が塗布される。溶融金属は、縁部毛管に一致することになり、組立品100および110に見られる放物形状に反射器カップ壁を形作ることになる。カップの中央は、高温はんだボール91(図10)または金属/はんだ柱状部111(図11)などの金属挿入物を有することができる。
上述した実施形態の全てにおいて、反射障壁を形成するのに使用される材料は、300〜800nm波長範囲において低吸収特性を有するべきである。障壁表面は、用途に応じて、分散性か、または、非分散性であることができる。
LEDから出て来る光をあるターゲットに向けることが望ましいことがある。図12は、マッシュルームに似たヒート・シンク122の外周から照明する複数の小組立品121からなる従来の組立品120を示す。この小組立品のターゲット照明プロファイルは、傾斜角度θで360度である。光をこの角度に向けるために、切頂円錐形状ヒート・シンクが、機械加工されなければならないことになる。小組立品をヒート・シンクの傾斜の付いた表面上に設置することは難しい。標準的な表面実装(SMT)技術を使用することはできない。そのため、作製は、複雑で、面倒で、費用がかかるプロセスとなる。
本発明のこの態様によれば、反射器壁は、アレイから指向性を持って光を反射させるための誘導部として使用される。障壁表面は、光を特定のターゲット角度で反射させる光誘導部として形作られることができる。図13は、指向性発光アレイ用に適合したスタンピングされた反射器カップ131の略図を示す。角度θの方向は、カップを成形することによって達成される。ダイは、カップの傾斜に従う角度で載置することになる。LEDダイは、伝導性エポキシを使用して基板に接続され、ワイヤボンド・スルー・ホール132を使用して配線されることになる。ダイ/カップ組立品は、SMT組立てによって平坦基板上に実装されることができる。
別の有利な実施形態が図14に示される。LED12は、標準SMT機器を使用して、熱伝導性基板と平行に設置されることができる。伝導性エポキシ142の小滴が、カップ141の底部に分配され、カップとLEDダイと共にボードに取り付けられる。カップ141は、光線の大部分が角度θで出て来るように形作られる。カップ内の穴132を通して、金ワイヤボンド32によって電気接続を行うことができる。この実施形態は、大量製造の簡便さおよび容易さのために有利である。カップ141は、アルミニウム、ステンレス鋼、錫、ニッケル、または他の反射性材料から作製されることができる。カップ141は、スタンピング、エッチング、コイニング、機械加工、または他の製造法によって形成されることができる。
II.LTCC−Mパッケージング
LTCC−Mパッケージングは、密に詰め込まれたLEDダイ・アレイによって発生した熱を分散するのに特に適する。この章は、反射障壁を有するLEDアレイの作製に対して適用可能なLTCC−Mパッケージングの重要な態様の一部を強調する。
LTCC−Mパッケージングは、密に詰め込まれたLEDダイ・アレイによって発生した熱を分散するのに特に適する。この章は、反射障壁を有するLEDアレイの作製に対して適用可能なLTCC−Mパッケージングの重要な態様の一部を強調する。
多層セラミック回路板は、グリーン・セラミック・テープ層から作られる。グリーン・テープは、特定のガラス組成物および任意選択のセラミック粉末から作られ、両者は、有機バインダと溶媒と共に混合され、流延され、切断されて、テープが形成される。配線パターンは、種々の機能を実行するために、テープ層上にスクリーン印刷されることができる。次に、バイアが、テープに穿孔され、導体インクを充填されて、1つのグリーン・テープ上の配線が別のグリーン・テープ上の配線に接続される。次に、テープは、位置合わせされ、張り合わされ、焼成されて、有機材料が除去され、金属パターンが焼結され、ガラスが結晶化する。これは、一般に、約1000℃未満、好ましくは、約750〜950℃の温度で実行される。ガラスの組成は、熱膨張係数、誘電率、および種々の電子部品に対する多層セラミック回路板の適合性を決定する。温度範囲700〜1000℃で焼結する無機充填剤を有する適例の結晶化ガラスは、マグネシウム・アルミノシリケート、カルシウム・ボロシリケート、鉛ボロシリケート、およびカルシウム・アルミノボリケート(Alumino−Boricate)である。
ごく最近になって、グリーン・テープを支持するために、金属支持基板(金属板)が使用されている。金属板は、ガラス層に強度を与える。さらに、グリーン・テープ層は、金属板の両面に搭載されることができ、適した接合ガラスによって金属板に付着されることができるため、金属板は、回路およびデバイスの複雑さと密度の増加を可能にする。さらに、抵抗器、インダクタ、およびコンデンサなどの受動部品および能動部品は、付加的な機能のために回路板内に組み込まれることができる。LEDなどの光学部品が設置される場合、セラミック層の壁は、パッケージ、または、本明細書のパートIで説明した反射障壁の反射光学特性を高めるように形作られ、かつ/または、コーティングされることができ、LEDアレイ・パッケージの照明効率と熱効率の両方をさらに改善するために使用されることができる。
低温同時焼成セラミック−金属支持板またはLTCC−Mとして知られる、このシステムは、単一パッケージへの種々のデバイスおよび回路要素の高集積化手段であることがわかった。システムは、たとえば、支持板用の金属およびグリーン・テープのガラスを適切に選択することによって、シリコン・ベース・デバイス、インジウム・リン・ベース・デバイス、およびガリウム・ヒ素ベース・デバイスを含むデバイスに適合するように調節されることができる。
LTCC−M構造のセラミック層は、金属支持板の熱膨張係数に一致しなければならない。種々の金属または金属基複合材の熱膨張特性に一致するガラス・セラミック組成物が知られている。LTCC−M構造および材料は、Ponnuswamy他に対して2002年9月24日に発行され、Lamina Ceramicsに譲渡された米国特許第6,455,930号「Integrated heat sinking packages using low temperature co−fired ceramic metal circuit board technology」に記載されている。米国特許第6,455,930号は、参照により本明細書に組み込まれる。LTCC−M構造は、米国特許第5,581,876号、第5,725,808号、第5,953,203号、および第6,518,502号にさらに記載され、これらの特許は全て、Lamina Ceramicsに譲渡され、同様に、参照により本明細書に組み込まれる。
LTCC−M技術について使用される金属支持板は、実際に、高熱伝導率を有するが、いくつかの金属板は、高熱膨張係数を有し、そのため、ベア・ダイは、常に、こうした金属支持板に、直接実装されることができるわけではない。しかし、粉末治金技法を使用して作られた、銅とモリブデンの金属複合材(銅10〜25重量%を含む)または銅とタングステンの金属複合材(銅10〜25重量%を含む)などの、こうした目的のために使用することができる、いくつかの金属支持板が知られている。Copper clad Kovar(登録商標)、鉄、ニッケル、コバルト、およびマンガンの金属合金(Carpenter Technologyの商標)は、非常に有用な支持板である。AlSiCは、アルミニウム・グラファイト複合材または銅グラファイト複合材が直接取付けできるように、直接取付けに使用することができる別の材料である。
良好な冷却が必要とされる別の事例は、フリップ・チップ・パッケージングの熱管理についてである。密に詰め込まれたマイクロ電子回路、ならびに、大量の熱を発生する、デコーダ/ドライバ、増幅器、発振器などのようなデバイスはまた、LTCC−M技術を有利に使用することができる。集積回路の上部層での金属被覆化は、チップを含むパッケージまたはモジュールに対してワイヤ・ボンディングすることができるように、チップの縁部まで入力/出力線をもたらす。そのため、ワイヤボンド・ワイヤの長さが、問題となり、ワイヤが長過ぎると、寄生容量がもたらされる。超高集積チップのコストは、回路要素を作るのに必要とされるシリコン面積によってではなく、ボンド・パッドの配置によって決められてもよい。フリップ・チップ・パッケージングは、接続を行うために、ワイヤボンド・パッドではなく、はんだバンプを使用することによって、これらの問題の少なくとも一部を克服する。これらのはんだバンプは、ワイヤ・ボンド・パッドより小さく、チップが逆さに向けられる、すなわち、裏返される時に、はんだリフローを使用して、チップをパッケージに取り付けることができる。はんだバンプは小さいため、多層パッケージングが使用される場合、チップは、内部に入力/出力接続部を含むことができる。そのため、ボンド・パッドの数とサイズではなく、チップ内のダイの数が、チップ・サイズを決めることになる。
しかし、単一チップ上での密度の増加および機能の集積は、チップ上に高温をもたらし、最適回路密度の完全な利用を妨げる場合がある。唯一のヒート・シンクは、チップをパッケージに接続する小型はんだバンプである。これでは不十分である場合、小型の能動または受動ヒート・シンクが、フリップ・チップの上部に付加されなければならない。こうした付加的なヒート・シンクは、組立てコストを増加させ、必要とされる部品の数を増加させ、パッケージ・コストを増加させる。特に、ヒート・シンクが小さな熱質量を有する場合、有効性も制限される。
本発明の最も簡単な形態では、LTCC−M技術を使用して、半導体部品および伴う回路要素のための集積化パッケージが提供され、伝導性金属支持板は、部品のためのヒート・シンクを提供する。たとえば、ベア半導体ダイは、半導体部品を冷却するための高熱伝導率を有するLTCC−Mシステムの金属ベース上に直接実装されることができる。こうした場合、部品を動作させる電気信号は、セラミックから部品に接続されなければならない。
金属支持板への間接的取付けも使用されることができる。このパッケージでは、集積化パッケージ内で、種々の部品、すなわち、半導体部品、回路、ヒート・シンクなどを接続するために、必要とされる部品の全てが、金属支持板に熱的に結合され、金属支持板はまた、導体および抵抗器などの埋込み式受動部品を多層セラミック部分内に組み込むことができる。電気回路の考慮事項が、使用される絶縁材料を左右することになるLEDアレイの場合、熱伝導が、問題となる可能性がある。ここでは、本発明の反射障壁は、さらに、金属ベースに対する絶縁層を通した伝導および放射によって受け取られた熱を伝達するのを助ける熱拡散デバイスとして役立つ。
ヒート・シンク動作が改善されたより複雑な構造の場合、本発明の集積化パッケージは、第1および第2のLTCC−M基板を組み合わせる。第1基板は、半導体デバイス、および、部品を動作させるための埋込み式回路要素を有する多層セラミック回路板が実装されており、第2基板は、ヒート・シンクまたは伝導性熱拡散部が実装されている。半導体デバイスの改善された温度制御を提供するために、第1基板と第2基板との間に、熱電(TEC)プレート(ペルチエ・デバイス)および温度制御回路要素が実装される。密封容器を、金属支持板に固着することができる。
LTCC−M技術の使用はまた、集積化されたヒート・シンク動作と共に、フリップ・チップ・パッケージングの利点を利用することができる。本発明のパッケージは、既存の現代のパッケージングと比べて、より小さく、安価で、効率的に作られることができる。金属基板は、熱拡散部またはヒート・シンクとして役立つ。フリップ・チップは、パッケージの一体部である金属基板上に直接実装されることができ、さらなるヒート・シンク動作についての必要性がなくなる。可撓性回路を、フリップ・チップ上のバンプの上に実装することができる。多層セラミック層の使用はまた、パッケージの周辺に対するファンアウトおよびトレースの経路作成を達成させることができ、さらに、ヒート・シンク動作が改善される。熱管理要求の大きい高出力集積回路およびデバイスは、この新しいLTCC−M技術と共に使用されることができる。
上述した実施形態は、本発明の適用形態を示すことができる、多くの可能な特定の実施形態のうちの2、3の実施形態のみを示すことが理解される。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの、また、種々の他の機構が、当業者によって作られることができる。
Claims (9)
- 照明デバイスであって、
表面を有し、高熱伝導性の熱拡散部を含む基板、
前記表面によって支持され、照明を提供するためにアレイに配列された複数の発光ダイオード(LED)、及び
各LEDを少なくとも部分的に囲み、前記アレイ内の他のLEDによって放出される光を前記LEDから離れた方向へ反射するように形作られた少なくとも1つの反射障壁
からなり、
前記LEDおよび前記反射障壁が前記熱拡散部に熱結合されて前記LEDによって発生された熱および光吸収によって生成した熱を放散させる照明デバイス。 - 前記基板がLTCC−M熱拡散部からなる請求項1記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁が窪み部と反射性***部の周期的アレイからなる前記***部は、隣接する窪み部内のLEDからの光をLEDから離れた方向に反射するように形作られた請求項1記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁は、隣接するLEDからの光をLEDから離れた方向に反射するように形作られた反射性***部からなる請求項1記載のデバイス。
- 少なくとも1つの反射障壁は、隣接するLEDからの光を離れた方向に反射するために、LEDを実質的に外周にわたって囲むカップからなる請求項1記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁がカップのアレイからなり、各カップは、隣接するLEDからの光を離れた方向に反射するために、それぞれのLEDを実質的に外周にわたって囲む請求項4に記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁は、円に配列された複数の反射性円セクタからなり、各反射性セクタは、前記アレイ内の他のセクタからの光を離れた方向に反射するように形作られた請求項1記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁は、溶融金属の冷却によって形成された反射性壁および1以上の滑らかに湾曲した反射性縁部を有するキャビティからなる請求項1記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの反射障壁は、指向性照明を提供するように形作られた請求項1記載のデバイス。
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