JP2008211174A - 可撓性の反射体を備えたｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程での高い温度や湿気に曝されても、また、温度サイクルに対しても障害を起こさない光源を提供する。
【解決手段】剛性の基板、第１のＬＥＤ、及び可撓性の反射体ハウジングを備える光源が開示される。この剛性の基板は、複数の電気的トレースが上に形成された第１の面を有し、第１のＬＥＤダイは第１の面上に配置されて、２つの電気的トレースに接続される。剛性の基板は、前記電気的トレースに接続するための、複数の外部接続体も含む。反射体ハウジングは、可撓性材料の層を貫通して伸びる少なくとも１つのキャビティを有する可撓性材料の層を含む。この可撓性材料の層は、キャビティが第１のＬＥＤダイに重なるように第１の面に接着される。キャビティは、第１のＬＥＤダイの中で発生された光を反射する壁を有する。シリコーンの封入剤の層の中に、第１のダイを封入することができる。反射体も同様にシリコーンで作ることができる。
【選択図】図３

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電球又は他の光源に取って代わる有力な候補者である。ＬＥＤは電球よりも高い、電力から光への変換効率を有すると共に寿命が長い。さらに、ＬＥＤは比較的低電圧で動作するため、多くの電池式装置で使用するのに好適である。その上、ＬＥＤは蛍光光源よりも点光源により近付いているため、光学系によって平行化又は集束される点光源が要求される照明システムに対しては、蛍光灯よりも適している。

ＬＥＤは、活性層がｐ型及びｎ型の層の間に挟まれた３層構造とみなすことができる。外層からのホール及び電子が活性層で再結合されて、光を発生する。この光の一部は、層状構造体の上側の水平面を通して出射する。残念なことに、外層を構成する材料の屈折率は、空気、又はＬＥＤを保護するために使用されるプラスチックのカプセルの材料と比べて比較的高い。その結果、ＬＥＤの外部境界の間の内部反射により、光のかなりの部分がＬＥＤの内部に閉じ込められる。この光は、側面を通してＬＥＤから出射する。この光を捕捉するために、多くの場合ＬＥＤには反射カップが取り付けられる。この反射カップの側壁は、光をＬＥＤの側部から前方に向け直す。さらに、ＬＥＤは多くの場合透明な封入剤で充填される。この封入剤はＬＥＤダイを保護し、表面がレンズを形成するように作られるというような付加的な光学機能を提供できる。

従来技術のＬＥＤパッケージは、剛体の反射体を利用している。表面に反射機能を与えるために、金属をコーティングしたＰＰＡやＬＣＰなどの白色プラスチックを利用する設計もある。他の設計は、金属をコーティングしたセラミックを使用している。さらに別の設計は、金属のハウジングを利用している。剛体の反射体は基板に固着されるか、又は基板に成形又は鋳造することによって作られる。費用の観点から判断すると、プラスチックの反射体は、金属又はセラミックの反射体に対して著しい利点を有している。

残念なことに、この反射体は、比較的高い処理温度に耐えることができなければならない。ＡｕＳｎ共晶ダイ用アタッチメントは、パッケージを３２０℃もの高温にかけることができる。ＰＰＡ及びＬＣＰプラスチックでは、これらの温度に曝されると、プラスチックの劣化又は反射機能の喪失などの問題が生ずる。さらに、これらの材料は、湿気を吸収する。吸収された湿気が、ＳＭＴリフローなどの湿気に影響されやすい工程の間に障害を引き起こす可能性がある。

前述したように、カップは一般に、封入剤で充填される。多くの用途では、好ましい封入剤はシリコーンである。その理由は、紫外又は青色領域のスペクトルの光による劣化に対して、この材料は耐性があるためである。残念なことに、プラスチック及び金属のカップはシリコーンの封入剤によく接着しない。このことは温度サイクルの間に特に問題である。その理由は、シリコーンの熱膨張率が異なるため、動作中に多数の温度サイクルを繰り返すとカップから剥離しやすいためである。

本発明は、剛性の基板、第１のＬＥＤ、及び反射体ハウジングを有する光源を含む。この剛性の基板は、複数の電気的トレースが上に形成された第１の面を有し、第１のＬＥＤダイは第１の面上に配置され、２つの電気的トレースに接続される。剛性の基板は、前記電気的トレースに接続するための、複数の外部電気的接続体も含む。反射体ハウジングは、可撓性材料の層を貫通して伸びる少なくとも１つのキャビティを有する可撓性材料の層を含む。この可撓性材料の層は、キャビティが第１のＬＥＤダイに重なるようにして、第１の面に接着される。キャビティは、第１のＬＥＤダイの中で発生された光を反射する壁を有する。シリコーンの封入剤の層の中に、第１のダイを封入することができる。反射体も同様にシリコーンで作ることができる。キャビティの壁を反射性金属コーティングでコーティングすることができる。

本発明がその利点を提供する方法は、図１及び図２を参照すればより容易に理解できるようになる。図１は複数ＬＥＤパッケージの断面図であり、図２はその複数ＬＥＤパッケージの平面図である。パッケージ２０は、基板２４に取り付けられた２１〜２３で示される３つのＬＥＤを含む。基板２４は、パッド３１で終端する複数の導電トレースを有する絶縁基板であり、このパッド３１は、ＬＥＤと、回路を駆動する外部回路と、の間を接続する。そのようなパッド及びトレースの数は、個々の回路構成、ＬＥＤの数、及び他の設計基準に依存する。ＬＥＤは、ワイヤボンド２７及び／又はＬＥＤダイの底部の導電パッドによって導電トレースに接続される。ＬＥＤは、層２６内に形成されたカップ２８〜３０などの反射カップの中に配置され、この層２６は一般にＡｌのような高い反射材料でコーティングされた内面を有する。

カップの内部は一般に、ＬＥＤやワイヤボンドを保護する封入材料で充填されている。ＬＥＤが発生した光をスペクトルが異なる光に変換する目的で、ＬＥＤの上に蛍光体の層を作るために封入剤も使用できる。「白色」ＬＥＤに関しては、ＬＥＤは光学スペクトルの青色領域の光を放射し、蛍光体はその光の一部を光学スペクトルの黄色領域の光に変換して、観察者にとって白色に見える出力スペクトルを提供できる。従来技術の装置では、カップはプラスチック、セラミック、又は金属で作られる剛構造である。

前述したように、多くの用途に対して好ましい封入材料はシリコーンである。このシリコーンは、粘着性が小さく及び／又は熱膨張係数が異なるために、剛性の反射体が作られる材料とは両立できない。熱膨張係数が異なることに関連する問題は、光源が発生する電力レベルが増加するにつれて重大性が増している。従来の白熱灯又は蛍光灯の光源と置き換えることを意図されたＬＥＤ光源は、高い電力レベルと高価でない構造の両方を要求されるため、この点に関しては特に問題である。たとえ固体の封入剤を利用した場合でも、熱膨張係数が異なることは高電力の装置では問題を起こす可能性がある。

本発明は可撓性のカップ構造体を利用して、封入材料とカップを構成する材料との間の熱膨張係数の相違に関連する問題を減少させる。原則として、封入剤はカップと下側の回路の支持体との両方に接着される。３つのこれら全ての材料の熱膨張係数は異なっている。本発明は、カップが材料の成形層の中の空隙から形成されたカップ構造体を利用することによって、改良された性能を提供する。この材料は、問題の動作温度において十分に柔軟性があるため、光源が動作する間に予想される温度変化から持ち上がる寸法変化に適応できる。実際には、動作温度は−５５℃から２００℃まで変化する。このため、光源がＬＥＤのオン及びオフの切換えに関連した温度サイクルを受けるときに、カップ層は封入剤及び／又は下側の回路支持体の寸法の変化を受け入れるように変化できるため、熱膨張係数の相違に適応できる。

このカップ用の好ましい材料はシリコーンである。この選択は、封入剤もシリコーンであるような設計にあっては特に魅力的である。その理由は、カップ層と封入剤の熱膨張係数は同じであるため、下側の支持体とシリコーン成分の熱膨張係数の間の相違のみを考慮すればよいからである。さらに、封入剤層をカップに接着することに関連した問題もかなり減らすことができる。

シリコーンとは別に、カップを作る層用の材料は、可撓性のグラファイト、セラミック・ファイバ、及びガラス繊維を含む高範囲の材料から選択できる。さらに、フッ素プラスチック、可撓性のポリ塩化ビニール、ポリエステル、ポリエチレン、高温ナイロン、及びポリフェニレン亜硫酸塩（polyhphenylene sulphite）を含む高温ポリマーを使用できる。

前述の実施形態の反射体は、ＬＥＤの側面から出射した光をダイが実装されている面にほぼ直角な方向に反射する反射面を備えている。この反射面は、ミラー面を提供するために銀又はクロムなどの反射材料で面をコーティングすることによって作ることができる。この種の光源は、遠方では点光源のように見える。

点光源は、光源の像を結ぶ又は光源を平行にする能力を含む多くの望ましい利点を有するが、多くの有用なＬＥＤの設計は広幅の光源を提供するため、鏡面を提供する利点は重要ではない。例えば、ＬＥＤからの光の一部又は全部を様々なスペクトルの光に変換するために蛍光体を使用する実施形態では、遠方に結像される光源は封入剤を含む蛍光体のように見えるが、ＬＥＤダイ上の点光源には見えない。こうした蛍光体で変換されたＬＥＤで一般に使用される蛍光体の組成物は、懸濁粒子である。蛍光体粒子を照射する光は、吸収又は散乱される。蛍光体粒子によって放射された新しいスペクトル領域の光は、その粒子の中で発生するため、蛍光体が発生した光は、蛍光体の封入剤と同じ寸法を有する広幅の光源から来るように見える。変換されない光でさえも、何回か散乱された後では、広幅の光源から来るように見える。「白色」光源などの多くの部分的に変換された光源は、変換されない光を拡散するために封入剤の中に付加的な粒子を含んで、変換されない光が変換された光と同じ広幅の光源から生じるように見えるようにする。

幾つかの実施形態では、部分的に変換された光源は、可溶性の蛍光体を用いることによって作られる。拡散粒子が封入剤の中で与えられない場合は、変換されない光を拡散して２つの異なる光のスペクトルが同じ光源の中で生ずるように見えるような何らかの他の方法を含むことが都合が良いこともある。そのような場合は艶消し仕上げの反射体を利用して、拡散機能を与えることができる。

前述した蛍光体材料に加えて、封入材料も、１つ以上の波長帯域の光を選択的に吸収して変更された出力スペクトルを与える染料又は他の材料を含むことができる。染料は単独で又は蛍光体変換材料と組み合わせて利用することができる。

鏡面を必要としない実施形態では、平坦な白色面を反射体として利用できる。そのような面は、表面を白色ペイントでコーティングすることで得ることができる。別の方法では、反射体層自身をＴｉＯ₂などの白色粒子に含浸させて、表面を別の製造工程でコーティングする必要なく白色面を提供できる。

反射体層は、別の部品として支持体に装着するか、又は支持体上の所定の位置に成形することができる。ここで、図３を参照する。図３は、本発明の１つの実施形態による光源の一部の断面図である。光源６０は、別々に成形された後に回路支持体６２に取り付けられた反射体層６１から構成される。反射体層６１は、シリコーンなどの可撓性の化合物から成形され、反射壁６６を有する穴部６５のような穴を含む。ＬＥＤダイ６３は、反射体層６１を回路支持体６２に取り付ける前に、回路支持体６２への取付け及び電気的な接続を行うことができる。図３に示した実施例では、ＬＥＤはダイ６３の下側にある１つのトレースに接続され、また、ワイヤボンド６４などのワイヤボンドによってそのダイに接続される１つのトレースに接続される。反射体層は、この実施形態では、シリコーン・ベースの接合剤によって反射体層を回路支持体に接着することができる。反射体層を回路支持体６２に接着した後で、反射カップを適切な封入剤で充填できる。

別の方法では、支持体上の所定の位置に、反射体層を成形することができる。ここで、図４を参照する。この図４は、本発明の別の実施形態による光源の一部の断面図である。光源７０は、前述した光源６０に類似している。しかしながら、光源７０は、回路支持体６２上に成形された反射体層７１を備えている。この層は、ＬＥＤを回路支持体６２に取り付けて接続する前又は後のいずれかに成形することができる。

本発明の前述した実施形態では、各反射体は１つのＬＥＤを収容した。しかしながら、複数のＬＥＤが１つの反射体の中に配置される実施形態も作ることができる。ここで、図５及び図６を参照する。これらの図面は、本発明の別の実施形態による光源を例示している。図６は光源８０の平面図であり、図５は図６に示した線５−５を通る光源８０の断面図である。光源８０は、可撓性の層８６内に形成された１つのキャビティ８５を共有する３つのＬＥＤ８１〜８３を含む。これらのＬＥＤは、前述した方法に類似した方法で剛性の基板８４に取り付けられる。各ＬＥＤは、個別に封入層８７の中にカプセル化される。しかしながら、全てのＬＥＤが１つの封入剤の層の中にカプセル化される実施形態も作ることができる。

さらに、２レベルの封入システムも利用できる。ここで、図７を参照する。この図は、本発明の別の実施形態による光源９０の断面図である。光源９０は、個々のＬＥＤが第１の封入剤８７の中にカプセル化され、次にキャビティは第２の封入剤の層９１で充填されるという点で光源８０とは異なる。封入層９１は、封入層９１の中に成形されたレンズ９２などの光学処理素子を含むこともできる。個々の封入層は、ＬＥＤごとに構成が異なっても良いことに注意されたい。例えば、異なる封入層は、異なるＬＥＤによって発生された光がＬＥＤごとにスペクトルが異なるように、異なる蛍光体を含むことができる。

前述した本発明の実施形態は、蛍光体変換材料を利用して、光源からの光の出力スペクトルを変更することができる。しかしながら、この変換機能を行うために、ルミネセンス材料も利用することができる。

本発明の前述した実施形態は、反射壁が付いた反射体を利用している。この説明目的で、反射壁は、その壁が、前記ＬＥＤ及び壁を照射するルミネセンス変換材料において発生された光の９０％以上を反射する場合は反射性であると定義される。

前述した実施形態は、可撓性の材料から作られた反射体を利用する。この説明目的で、反射体になるキャビティを有する材料の層は、その材料が封入剤を変形させずに又は封入剤と反射体とを互いに分離させることなく、下側の回路支持体と反射体及び封入層と反射体との間の熱膨張係数の相違を受け入れるために十分に変形する場合は、可撓性であると定義される。

本発明に対する種々の変形例は、前述の説明及び添付した図面から明らかになるであろう。従って、本発明は専ら特許請求の範囲によって限定されることになる。

複数ＬＥＤパッケージの断面図である。 図１に示した複数ＬＥＤパッケージの平面図である。 本発明の１つの実施形態による光源の一部の断面図である。 本発明の別の実施形態による光源の一部の断面図である。 図６に示した線５−５を通る光源８０の断面図である。 光源８０の平面図である。 本発明の別の実施形態による光源の断面図である。

符号の説明

６０：光源
６１：反射体層
６２：回路支持体
６３：ＬＥＤダイ
６４：ワイヤボンド
６５：穴部
６６：反射壁

Claims (8)

1. 複数の電気的トレースが上に形成された第１の面を有する剛性の基板と、
   前記第１の面上に配置され、２つの前記電気的トレースに接続された第１のＬＥＤダイと、
   前記電気的トレースに接続するための複数の外部電気的接続体と、
   少なくとも１つのキャビティを有する可撓性材料の層を含む反射体ハウジングと、
   を具備し、
   前記キャビティは、前記可撓性材料の層を貫通して伸び、かつ前記第１のＬＥＤダイにおいて発生された光を反射する壁を有し、前記可撓性材料の層は、前記キャビティが前記第１のＬＥＤダイに重なるようにして前記第１の面に接着される、光源。
2. 前記可撓性の材料がシリコーンを含む、請求項１に記載の光源。
3. 前記キャビティが透明な封入剤で充填されて、前記第１のＬＥＤダイが前記封入剤と前記剛性の基板とによってカプセル化される、請求項１に記載の光源。
4. 前記封入剤がシリコーンを含む、請求項３に記載の光源。
5. 前記封入剤が前記第１のＬＥＤダイと第１の封入剤の層の上にある第２の封入剤の層とに隣接する前記第１の封入剤の層を含み、前記第１のＬＥＤダイが放射した光が第１のスペクトルであることによって特徴付けられ、かつ前記第１の封入剤の層が、前記第１のスペクトルを変更して前記光源を出射する第２のスペクトルの光を生成するルミネセンス変換材料を含む、請求項３に記載の光源。
6. 前記キャビティの壁が、銀、ニッケル、ニッケル−金、及びアルミニウムを含むグループから選択された反射性材料の層を含む、請求項１に記載の光源。
7. 前記透明な封入剤がレンズを備えている、請求項１に記載の光源。
8. 第２のＬＥＤダイをさらに含み、該第２のＬＥＤダイに前記キャビティがかぶさる、請求項１に記載の光源。

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