JP2009530841A

JP2009530841A - 発光ダイオードモジュール及びこのようなｌｅｄモジュールの製造方法

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Publication number: JP2009530841A
Application number: JP2009500984A
Authority: JP
Inventors: クレメンスブルナー; アルデホンダエルウェイェルス; ノルベルテュスアーエムスウェーヘルス; コルネリスヘーフィセル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2009-08-27
Also published as: EP1999800A1; WO2007107922A1; CN101405878A; US20090080197A1

Abstract

本発明は、基板（１２）に取り付けられ光を放出するＬＥＤ（１４）チップと、ＬＥＤチップの頂部に位置決めされ、ＬＥＤチップから放出された光の少なくとも一部の波長を変換する光学素子（１６）とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュール（１０）に関する。ＬＥＤモジュールは、光学素子とＬＥＤチップを横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする手段（１８，２０，２２，２４，２６，２８，３２，３４）を有することを特徴とする。位置合わせ手段は、光学素子がチップ上に位置決めされると、光学素子がそれ自体自動的にＬＥＤチップに整列するようにすると共にその後に行われるＬＥＤモジュールの製造及び動作中、光学素子の向きが維持されるようにする。本発明は又、このようなＬＥＤモジュールの製造方法に関する。

Description

本発明は、基板に取り付けられ光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、ＬＥＤチップの頂部に位置決めされ、ＬＥＤチップから放出された光を受ける光学素子とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールに関する。本発明は又、このようなＬＥＤモジュールを製造する方法に関する。

上述した形式の発光ダイオードの一例が、例えば米国特許出願公開第２００５／０１１００３４号明細書に開示されている。米国特許出願公開第２００５／０１１００３４号明細書では、ＬＥＤチップは、電極又は接点がリード線に向いた状態でリード線にフリップチップ方式で取り付けられている。発光デバイスは、ＬＥＤチップの頂部に、即ち、接点に対してＬＥＤチップの反対側の面に接着された光学素子、即ち蛍光プレートを更に有している。このプレートの機能は、例えば白色光を生じさせるために、ＬＥＤチップから放出された光のうちの何割かを異なる波長の光に変換することにある。光は、変換プレートの頂部側の面、即ち、ＬＥＤチップが変換プレートに接続されている面と反対側の変換プレートの面で出力される。

このような変換プレートは、他の光学素子、例えばレンズ又はフィルタと共にＬＥＤチップの頂部に非常に正確に位置決めされなければならない。位置決め不良であると、デバイス間整合性とデバイス内整合性の両方に悪影響が生じる場合がある。前者の場合、変換プレートがＬＥＤチップに対して正しく位置決めされていないと、結果として、色点（カラーポイント）及び効率に関して変換プレートが種々の仕方で取り付けられている幾つかのデバイス相互にばらつきが生じることになる。後者の場合、放出角度の関数としての単一のＬＥＤモジュールに関する色点は、主として、変換プレートがＬＥＤチップに対して正確に位置決めされているかどうかで決まり、色点は、変換プレートが変位され、傾けられ又は狂った状態で取り付けられている場合、放出角度の関数として変化する。即ち、ＬＥＤの色が、観察角に応じて変化することになる。

このような正確な位置決めが、次の２つの理由、即ち、１）生産機械が光学素子を第１の場所に正しく配置しないという理由、及び２）光学素子が正しく配置されているが、次の処理中にその位置から動くという理由で高速ピックアンドプレース生産設備では深刻な問題になる場合がある。

本発明の目的は、この問題を解決し、ＬＥＤチップに対する光学素子の正確の位置決め容易にする改良型ＬＥＤモジュールを提供することにある。別の目的は、光学素子が次の処理及び動作中にＬＥＤチップに対して定位置に保たれるＬＥＤモジュールを提供することにある。

上記目的及び以下の説明から明らかになる他の目的は、特許請求の範囲に記載されたＬＥＤモジュール及び、このようなＬＥＤモジュールの製造方法によって達成される。

本発明の一態様によれば、ＬＥＤモジュールであって、基板に取り付けられ光を放出するＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの頂部に位置決めされ、ＬＥＤチップから放出された光を受ける光学素子とを有する、ＬＥＤモジュールにおいて、光学素子とＬＥＤチップを横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする手段を有することを特徴とするＬＥＤモジュールが提供される。位置合わせ手段は、有利には、１）光学素子がチップ上に配置されると、光学素子がそれ自体自動的にＬＥＤチップに整列するようにすると共に、２）その後に行われるＬＥＤモジュールの製造及び動作中、光学素子の正確な位置及び向きが維持されるようにする。したがって、このようなＬＥＤモジュールは、高速ピックアンドプレース方法を用いた製造に適している。

位置合わせ手段は、光学素子及び基板のうちの少なくとも一方に設けられるのが良い。一実施形態では、位置合わせ手段は、光学素子から下方に延びＬＥＤチップに係合する少なくとも１つの要素を含む。即ち、この場合、位置合わせ手段は、光学素子に設けられる。少なくとも１つの要素は、例えば、光学素子の少なくとも２つの側部に設けられたピラー（例えば、本質的に正方形のベースを備えた光学素子の２つの隣り合う側部の各々に１つずつ設けられたピラー）であるのが良く、又は、光学素子の少なくとも２つの隅部（即ち、「延長隅部」）に設けられた山形材であるのが良い。

変形例として、少なくとも１つの要素は、光学素子の周囲の大部分に沿って設けられた１つ又は２つ以上のリムであっても良い。リムは、光学素子と同じ又は類似の材料で作られるのが良い。これは、光学素子が色変換プレートである場合に特に有利であり、この場合、ＬＥＤチップの片面で放出された光を変換することができる。これにより、非変換光がＬＥＤチップの片面から「逃げる」場合と比較して、色温度の狭い角度分布が保証される。したがって、このような位置合わせ手段は、ＬＥＤチップに対する変換プレートの正確且つ容易な位置合わせを保証するだけでなく、色温度と観察角との相互依存性を軽減するようにする。変形例として、リムは、ＬＥＤチップの片面で放出された光を反射してＬＥＤチップ及び（又は）光学素子に戻してＬＥＤモジュールの輝度及び（又は）効率を増大させるために、鏡面状又は散光性の反射内面及び外面を有しても良い。

別の実施形態では、位置合わせ手段は、基板から上方に延び光学素子に係合する少なくとも１つの要素を含む。即ち、位置合わせ手段は、この場合には基板に設けられる。この実施形態で得られる利点は、光学素子が必ずしもＬＥＤチップよりも広い面積を有する必要がないということにある。少なくとも１つの要素は、例えば、光学素子の少なくとも２つの側部に係合するように構成されたピラー又は光学素子の少なくとも２つの隅部に係合するように構成された山形材であるのが良い。

変形例として、少なくとも１つの要素は、光学素子の周囲の大部分に係合するように構成された１つ又は２つ以上のリムであっても良い。上述したように、リムは、光学素子と同じ又は類似の材料で作られるのが良く、或いは、鏡面状又は散光性の反射内面又は外面を有するのが良い。

位置合わせ手段を光学素子と基板の両方に設けるのが良いことは注目されるべきである。例えば、光学素子は、光学素子の互いに反対側の側部に設けられた下方に延びるピラーを備えるのが良く、基板は、光学素子の残りの側部に係合するように構成された上方に延びるピラーを備えている。

上述のＬＥＤチップは、例えば、フリップチップモードで基板に取り付けられるのが良く、即ち、チップは、上下逆さまの状態で取り付けられる。しかしながら、別の実施形態では、ＬＥＤチップは、ボンディングワイヤにより直接又は基板を介して電気的に接続されても良い。この場合、ボンディングワイヤは、位置合わせ手段として機能することができる。変形例として、ボンディングワイヤをＬＥＤチップ又は基板に接続するパッドが、位置合わせ手段であっても良い。１つのボンディングワイヤ及び（又は）パッドを例えば確実な位置合わせが得られるようＬＥＤチップ及び光学素子の各側部上に位置決めするのが良い。

上述の光学素子は、例えば、ＬＥＤチップから放出された光の少なくとも一部の波長を変換する変換プレートであるのが良い。好ましくは、変換プレートは、ソリッドステート変換プレートである。変形例として、光学素子は、例えば、レンズ又はフィルタであって良い。上述の位置合わせ手段は、実質的に正方形のベースを備えた光学素子に特に適している。

本発明の別の態様によれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールの製造方法であって、光を放出するように構成されたＬＥＤチップを基板上に取り付けるステップと、ＬＥＤチップから放出された光を受けるためにＬＥＤチップの頂部に位置決めされるように構成された光学素子を準備するステップとを有する、方法において、基板及び光学素子のうちの少なくとも一方は、変換プレートとＬＥＤチップを横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする手段を備え、この方法は、変換プレートをＬＥＤチップの頂部に位置決めし、位置合わせ手段が変換プレートをＬＥＤチップに位置合わせするようにするステップを更に有することを特徴とする方法が提供される。光学素子は、例えば、色変換プレートであるのが良い。本発明のこの観点は、本発明の上述した観点とほぼ同じ利点を奏する。

次に、本発明の現時点において好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して本発明の上記観点及び他の観点を詳細に説明する。

図１ａ〜図１ｆは、本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュール１０の種々の形態を示す斜視図である。ＬＥＤモジュール１０は、光を放出するように構成されたＬＥＤチップ１４が実装される（取り付けられる）基板１２を有している。図１ａ〜図１ｆに記載されたＬＥＤチップ１４は、基板１２に向いた下面に設けられ電流源（図示せず）に電気的に接続可能な接点（図示せず）を備えたフリップチップである。ＬＥＤモジュール１０は、ＬＥＤチップ１４の頂部に取り付けられるべき光学素子、即ち変換プレート１６を更に有する。

変換プレート１６は、ＬＥＤチップ１４から放出された光の少なくとも一部の波長を変換するように構成されている。ＬＥＤチップ１４は、例えば、青色光を放出することができ、この青色光の一部は、変換プレート１６によって黄色／橙色の光に変換され、それにより、非変換青色ＬＥＤ放出光と黄色／橙色変換光の組合せ状態の放出により、白色の印象が与えられる。変形例として、ＵＶ光を放出するＬＥＤを用いても良く、ＵＶ光は、例えば、青色／赤色／緑色光に変換可能である。別の代替手段として、変換プレートを用いると、青色ＬＥＤチップからの青色光を赤色又は緑色蛍光体の使用により赤色又は緑色光に本質的に完全に変換することができ、それにより、非変換青色ＬＥＤからの光、赤色光への変換を行う変換プレートを備えた青色ＬＥＤチップからの光及び緑色光への変換を行う変換プレートを備えた青色ＬＥＤチップからの光を混光して白色光にすることができる。変換プレートは、好ましくは、ソリッドステートセラミック製変換プレートである。適当な変換プレートが、例えば、米国特許出願公開第２００５／０５６９５８２号明細書に開示されている。

本発明の実施形態によれば、変換プレート１６は、変換プレート１６とＬＥＤチップ１４を横方向且つ角度方向に互いに位置合わせするために、変換プレート１６から下方に延びＬＥＤチップ１４に係合する少なくとも１つの要素を有している。

図１ａ及び図１ｂでは、この少なくとも１つの要素は、２つのピラー１８により構成されている。一方のピラー１８は、変換プレート１６の一方の側部に取り付けられ、他方のピラー１８は、変換プレート１６の隣接の側部に取り付けられている。図１ａは、変換プレート１６をＬＥＤチップ１４上に配置する前の変換プレート１６を示し、これに対し、図１ｂは、ＬＥＤチップ１４上の定位置に配置された変換プレートを示している。変換プレート１６をＬＥＤチップ１４上に位置決めすると、ピラー１８は、ＬＥＤチップ１４の側部に係合し、変換プレート１６が横方向且つ（或いは）角度的に変位する（即ち、側方に変位すると共に（或いは）回転する）のを阻止する。また、ピラー１８は、ＬＥＤチップ１４上への変換プレート１６の初期配置を容易にする。

図１ｃ及び図１ｄでは、変換プレート１６は、ピラーに代えて、２つの山形材（アングルバー）２０を備え、各山形材は、変換プレート１６の互いに反対側の隅部に設けられている。山形材２０は、変換プレート１６の「延長隅部」として機能する。山形材２０は、変換プレート１６をＬＥＤチップ１４上に位置決めしたときにＬＥＤチップ１４の隅部に係合し、変換プレート１６が横方向に且つ（或いは）角度的に変位するのを阻止する。また、これら山形材は、ＬＥＤチップ１４上への変換プレート１６の初期配置を容易にする。

図１ｅ及び図１ｆでは、変換プレート１６とＬＥＤチップ１４を横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする少なくとも１つの要素は、変換プレート１６の周囲の大部分に沿って設けられたリム２２により構成されている。変形例として、変換プレート１６の本質的に周囲全体に沿って延びる単一の周囲方向リムを用いても良い。リム２２は、変換プレート１６と同じ又は類似の材料、例えばＹＡＧ：Ｃｅで作られるのが良く、それにより、ＬＥＤチップ１４の側部で放出された光も又、変換することができる。変形例として、リム２２は、ＬＥＤチップ１４の片面で放出された光を反射してＬＥＤチップ１４及び（又は）変換プレート１６に戻してＬＥＤモジュール１０の輝度及び（又は）効率を増大させるために、鏡面状又は散光性の反射内面又は外面を有しても良い。反射面は、例えば、Ａｇをリム２２に蒸着させることにより（それにもかかわらず、リムは、製造を簡単にするために変換プレート１６と同じ又は類似の材料で作られるのが良い）又は反射性の材料で作られたリム（２２）を用いることにより実現できる。

本発明の別の実施形態によれば、基板１２は、変換プレート１６とＬＥＤチップ１４を横方向且つ角度方向に互いに位置合わせするために、基板１２から上方に延び変換プレート１６に係合する少なくとも１つの要素を有する。この実施形態の種々の形態が、図２ａ〜図２ｆに示されている。

基板１２に設けられた少なくとも１つの要素は、変換プレートの４つの側部に係合するように構成された４つのピラー（図２ａ及び図２ｂ）から成るのが良く、或いは、各々が変換プレート１６の互いに反対側の隅部に係合するように構成された２つの山形材（アングルバー）２６（図２ｃ及び図２ｄ）から成るのが良い。変形例として、少なくとも１つの要素は、変換プレート１６の周囲の大部分に係合するように構成された１つ又は２つ以上のリム２８（図２ｅ及び図２ｆ）から成っていても良い。図１ｅ及び図１ｆに関して説明したように、リム２８は、変換プレート１６と同じ又は類似の材料で作られるのが良く、或いは、鏡面状又は散光性の反射内面又は外面を有するのが良い。

変換プレート１６をＬＥＤチップ１４上に位置決めすると、ピラー２４、山形材２６又はリム２８は、変換プレート１６に係合し、変換プレートが横方向に且つ（或いは）角度的に変位するのを阻止する。また、ピラー２４／山形材２６／リム２８は、ＬＥＤチップ１４上への変換プレート１６の初期配置を容易にする。上記図１ａ〜図１ｆを参照して説明した実施形態と比較した場合のこの実施形態により得られる利点は、変換プレート１６が必ずしもＬＥＤチップ１４よりも大きいものである必要はないということにある。

本発明の更に別の実施形態では、基板１２と変換プレート１６の両方が、位置合わせ手段（即ち、最初の２つの実施形態の組合せ）を備えるのが良い。例えば、図３ａ及び図３ｂに示すように、変換プレート１６は、変換プレート１６の互いに反対側の側部に設けられた下方に延びるピラー１８を備えるのが良く、基板１２は、変換プレート１６の残りの側部に係合するように構成された上方に延びるピラー２４を備える。

図４ａ〜図４ｈは、本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュール１０の種々の形態を示している。この実施形態では、ＬＥＤチップ１４は、ボンディングワイヤ３２によって電流源（図示せず）に電気的に接続されている。１つのボンディングワイヤ３２が、正方形ＬＥＤチップ１４及び正方形変換プレート１６の各辺又は各側部に設けられている（４つのボンディングワイヤ３２のうちの２つだけが図４ａ〜図４ｈに示されている）。ボンディングワイヤ３２は、変換プレート１６とＬＥＤチップ１４を横方向且つ角度方向に互いに位置合わせするために変換プレート１６に係合するように設計されている。ボンディングワイヤ３２は、ＬＥＤチップに直接（図４ａ及び図４ｂ）か基板１２を介して（図４ｃ及び図４ｄ）かのいずれかで接続されるのが良く、この場合、各ボンディングワイヤ３２の本質的に垂直部分３３が、変換プレート１６に係合し、変換プレートが側方に動き又は回転するのを阻止する。また、ボンディングワイヤ３２をＬＥＤチップ１４（図４ｅ及び図４ｆ）又は基板１２（図４ｇ及び図４ｈ）に接続するパッド３４が、上述のボンディングワイヤと同一の位置合わせ機能を有するのが良い。

当業者であれば認識されるように、本発明は、上述の好ましい実施形態に限定されるわけではない。それどころか、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において多くの改造及び変形が可能である。例えば、上述の例がたとえ色変換プレートに関していても、本発明の位置合わせ手段は、有利には、他の光学素子、例えばレンズ又はフィルタを位置合わせするために利用できる。

さらに、図１ａ及び図１ｂに関し、ピラーは、変換プレートの３つ以上の側部に設けられても良く、例えば、正方形変換プレートの各辺又は各側部に１つずつピラーを設けても良い。また、図１ａ及び図１ｂ並びに図２ａ及び図２ｂに関し、２つ以上のピラーを変換プレートの各側部に設けても良い。さらに、図１ｃ及び図１ｄ並びに図２ｃ及び図２ｄに関し、山形材を変換プレートの３つの以上の隅部に設けても良い。さらに、図１ｅ及び図１ｆならびに図２ｅ及び図２ｆに関し、リムを２つ又は３つ以上の側部にのみ設けても良く、この場合、リムは、「細長いピラー」として見える。

さらに、一例が図３ａ及び図３ｂに開示されている組合せによる実施形態では、他の組合せが可能であり、例えば、山形材が、変換プレートの２つの互いに反対側の隅部に係合するよう基板から延びても良く、ピラーは、ＬＥＤチップの対応の側部に係合するよう変換プレートの２つの反対側の側部に設けられる。

また、特許請求の範囲に記載された方向を表す記載は、デバイスの全体的な方向とは無関係に相対的なデバイス内方向を示すようになっている。

本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの一形態を示す図である。本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの一形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールを示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールを示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの一形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。本発明の更に別の実施形態としてのＬＥＤモジュールの別の形態を示す図である。

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュール（１０）であって、
基板（１２）に取り付けられ光を放出するＬＥＤ（１４）チップと、
前記ＬＥＤチップの頂部に位置決めされ、該ＬＥＤチップから放出された光を受ける光学素子（１６）とを有する、ＬＥＤモジュールにおいて、
前記光学素子と前記ＬＥＤチップを横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする手段（１８，２０，２２，２４，２６，２８，３２，３４）を有する、
ことを特徴とするＬＥＤモジュール。
前記位置合わせ手段は、前記光学素子及び前記基板のうちの少なくとも一方に設けられている、
請求項１記載のＬＥＤモジュール。
前記位置合わせ手段は、前記光学素子から下方に延び前記ＬＥＤチップに係合する少なくとも１つの要素を含む、
請求項２記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の少なくとも２つの側部に設けられたピラー（１８）である、
請求項３記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の少なくとも２つの隅部に設けられた山形材（２０）である、
請求項３記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の周囲の大部分に沿って設けられた１つ又は２つ以上のリム（２２）である、
請求項３記載のＬＥＤモジュール。
前記位置合わせ手段は、前記基板から上方に延び前記光学素子に係合する少なくとも１つの要素を含む、
請求項２記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の少なくとも２つの側部に係合するように構成されたピラー（２４）である、
請求項７記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の少なくとも２つの隅部に係合するように構成された山形材（２６）である、
請求項７記載のＬＥＤモジュール。
前記少なくとも１つの要素は、前記光学素子の周囲の大部分に係合するように構成された１つ又は２つ以上のリム（２８）である、
請求項７記載のＬＥＤモジュール。
前記リムは、前記光学素子と同じ又は類似の材料で作られている、
請求項６又は１０記載のＬＥＤモジュール。
前記リムは、反射性の内面又は外面を備えている、
請求項６、１０又は１１記載のＬＥＤモジュール。
前記ＬＥＤチップは、フリップチップである、
請求項１ないし１２のうちいずれか一に記載のＬＥＤモジュール。
前記ＬＥＤチップは、ボンディングワイヤ（３２）によって電気的に接続されている、
請求項１記載のＬＥＤモジュール。
前記ボンディングワイヤが、前記位置合わせ手段である、
請求項１４記載のＬＥＤモジュール。
前記ボンディングワイヤを前記ＬＥＤチップ又は前記基板に接続するパッド（３４）を更に有し、前記パッドは、前記位置合わせ手段である、
請求項１４記載のＬＥＤモジュール。
前記光学素子は、前記ＬＥＤチップから放出された光の少なくとも一部の波長を変換する変換プレート（１６）である、
請求項１ないし１６のうちいずれか一に記載のＬＥＤモジュール。
前記変換プレートは、ソリッドステート変換プレートである、
請求項１７記載のＬＥＤモジュール。
発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールの製造方法であって、
光を放出するように構成されたＬＥＤチップを基板上に取り付けるステップと、
前記ＬＥＤチップから放出された光を受けるために前記ＬＥＤチップの頂部に位置決めされるように構成された光学素子を準備するステップとを有する、方法において、
前記基板及び前記光学素子のうちの少なくとも一方は、変換プレートと前記ＬＥＤチップを横方向且つ角度方向に互いに位置合わせする手段を備え、
前記方法は、前記変換プレートを前記ＬＥＤチップの頂部に位置決めし、前記位置合わせ手段が前記変換プレートを前記ＬＥＤチップに位置合わせするようにするステップを更に有する、
ことを特徴とする方法。