JP2013529370A - Ｌｅｄ光モジュール - Google Patents

Abstract

発光モジュール１０００は、リードフレーム本体１０１０、リードフレーム１０２０、中間ヒートシンクおよび少なくとも１つの発光素子（ＬＥＤ）１０８０を有する。リードフレーム本体は、熱拡散器を正確に位置合わせするキャビティを画定し、熱拡散器の金属被覆された配線上ではんだ付けされた発光素子を囲む光学壁または反射壁を有する。リードフレーム本体は、リードフレームの所定部分を収容し支持する。リードフレームは、熱拡散器のはんだパッドに正確に位置合わせするために、本体の外側からキャビティ内に延在する。予め位置合せされた全ての機械的、熱的および電気的接点は、発光素子に対する損傷を防止するために、厳密な環境制御下ではんだリフロープロセスによりはんだ付けされる。発光素子から中間ヒートシンクまでの熱伝達経路において非常に低い熱耐性を有する頑健で健全な３次元の光学電気機械組立品が作製される。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、その全体の開示が参照により本明細書に組込まれる２０１０年２月８日に出願された米国仮特許出願番号第６１／３０２，４７４号の、米国特許法１１９条および１２０条の下での優先権の利益を主張する。本特許出願は、その全体の開示が参照により本明細書に組込まれる２０１０年７月１５日に出願された米国仮特許出願番号第６１／３６４，５６７号の、米国特許法１１９条および１２０条の下での優先権の利益を主張する。出願人は、最先の優先日として、２０１０年２月８日に対する利益を主張する。

本発明は、発光デバイスに関する。より詳細には、本発明は、発光デバイスモジュールおよび照明デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通常、Ｐ−Ｎ接合を作成するために不純物をドープされた半導体材料を使用して作られる。電位（電圧）がＰ−Ｎ接合に印加されると、接合を通して電流が流れる。電荷キャリア（電子および正孔）が接合に流れる。電子は、正孔にぶつかると、低いエネルギーレベルに落ち、エネルギーを光（光子、放射エネルギー）および熱（フォノン、熱エネルギー）の形態で放出する。

ほとんどの用途において、光がＬＥＤからの所望されるエネルギー形態であり、熱は所望されない。これは、熱が、ＬＥＤに対する損傷を永久的にもたらす可能性があり、またもたらすことが多く、光出力の減少をもたらすことによってＬＥＤ性能を低下させ、早期のデバイス故障をもたらすからである。

しかし、従来技術では、望ましくない熱の発生は、回避することができない。面積が１ｍｍ^２で厚さが０．１０ｍｍの典型的なハイパワーＬＥＤチップは、たった０．００３ｍｍ厚のＰ−Ｎ接合活性層を有する。それでも、そのＬＥＤチップは、１〜２Ｗの電気エネルギーを放射エネルギーと熱エネルギーの両方に変換できる。電気エネルギーの５０％を超える量が、実際には熱エネルギーに変換され、１秒の何分の１の間にＬＥＤ全体を加熱しうる。通常、こうしたＬＥＤは、接合部が１２０℃の温度で動作する。すなわち、これらのＬＥＤは、沸騰水（水は１００℃で沸騰する）の温度より高い温度で動作する。１２０℃を超えると、ＬＥＤの順方向電圧が増大することになり、その結果、より高い電力消費をもたらす。同様に、ＬＥＤの発光出力は、相応して低下することになり、また、その信頼性および耐用年数もまた、悪い影響を及ぼされることになる。

熱の問題は、ハイパワーＬＥＤにおいてさらに明らかである。益々明るいＬＥＤについての需要の増加が存在する。より明るいＬＥＤを作るために、最も明らかな解決策は、ＬＥＤに印加される電力を増加することである。しかし、これは、ＬＥＤがさらに高い温度で動作することをもたらす。動作温度が上昇するにつれて、ＬＥＤの効率が減少し、予想されるかまたは所望されるより低い光出力となる。すなわち、単に例としてであるが、ＬＥＤの電力を２倍にしても、発光量が２倍にはならない。むしろ、光出力は、予想される２倍の光度よりずっと低い。

熱の問題は、電球などの発光デバイス内にＬＥＤがパッケージングされる方法によって一層ひどくなる。従来の技術における（デバイスのコアとしてＬＥＤを使用する）発光デバイスは、デバイス自体の中に熱を封じ込めることが多い。これは、ＬＥＤの、また、デバイス自体の予想寿命を減少させる。たとえば、市場の多くのＬＥＤは、５０，０００時間の予想動作寿命（その時点で、ＬＥＤ出力は、その元の出力の７０％に低下する）を持つとして販売されている。しかし、（デバイスの発光素子としてこうしたＬＥＤを有する）発光デバイスは、通常、予想動作寿命の３５，０００時間だけが規定される。

したがって、熱に伴うこれらの問題をなくすかまたは軽減する改良型ＬＥＤモジュールが望まれている。

本発明は、この要望に適うものである。本発明の第１の実施形態では、発光モジュールが開示される。発光モジュールは、リードフレーム本体、リードフレーム、熱拡散器、および熱拡散器上に設置された少なくとも１つの発光素子を有する。リードフレーム本体はキャビティを画定する。リードフレームの第１の部分は、リードフレーム本体内に収容され、リードフレーム本体は、リードフレームの構造を支持し、リードを分離する。熱拡散器は、少なくとも一部がリードフレーム本体のキャビティ内に配置される。熱拡散器は、リードフレームに接続される。少なくとも１つの発光素子が熱拡散器上に設置され、発光素子が発生する熱は、熱拡散器によって発光素子から取り除かれる。

種々の実施形態において、発光モジュールは、以下の特徴の１つまたは複数を任意に組み合わせることができる。リードフレーム本体は、キャビティを囲む反射面を画定する。リードフレームは、少なくとも２つの導電体を有する。リードフレームは、熱拡散器上の発光素子に電気的に接続される。スナップイン本体はリードフレームの第２の部分に取り付けられる。リードフレーム本体は、第１の主面を含み、第１の主面は第１の平面を規定し、リードフレームは第１の平面に対して屈曲する。

熱拡散器は、セラミックス基板と、この基板上に作製された金属配線層とを有する。基板は、第１の主面および第１の主面に対向する第２の主面を有する。金属配線は、発光素子の実装に適合可能であると共に、リードフレームの実装に適合可能である。

熱拡散器の他の実施形態では、熱拡散器は、金属基板と、金属基板の上側の第１の誘電体層と、金属基板の下側の第２の誘電体層と、第１の誘電体層上に作製された金属配線層と、第２の誘電体層の下側に作製された金属層とを有し、金属配線は、発光素子の実装に適合可能であると共に、リードフレームの実装に適合可能である。

発光素子は、樹脂内に収容された発光ダイオードとすることができる。あるいは、発光素子は、発光ダイオードチップとしてもよい。

本発明の第２の実施形態では、発光モジュールが開示される。発光モジュールは、リードフレームとリードフレーム本体と熱拡散し発光する部品（熱拡散発光部品）とを有する。リードフレームは導電体を含む。リードフレーム本体は、リードフレームの第１の部分を収容し、リードフレームを機械的に支持する。リードフレーム本体はキャビティを画定する。熱拡散発光部品は、第１の主面を有する熱伝導性基板と、この基板の第１の主面上に電気配線とを有する。基板上に載置された発光素子は、金属被覆された電気配線に電気的に接続される。リードフレームは、熱拡散器の第１の主面の金属被覆された電気配線に電気的に接続される。

本発明の第３の実施形態では、熱拡散装置が開示される。この熱拡散器は、金属基板と、この金属基板の上方に第１の誘電体層と、この金属基板の下方に第２の誘電体層と、第１の誘電体層上に作製された金属配線層と、第２の誘電体層の下方に作製された金属層とを有する。金属配線は、発光素子の実装に適合可能であり、また、リードフレームの実装に適合可能である。金属基板はアルミニウムとしてもよく、第１の誘電体層は酸化アルミニウムとしてもよい。第２の誘電体層は酸化アルミニウムとしてもよい。

本発明の第４の実施形態では、発光する部分組立品が開示される。この部分組立品は、中間ヒートシンクと、中間ヒートシンク上に搭載された少なくとも１つの発光モジュールとを有する。発光モジュールは、キャビティを画定するリードフレーム本体と、第１の部分がリードフレーム本体内に収容されたリードフレームと、少なくとも一部がリードフレーム本体のキャビティ内に配置され、リードフレームに接続された熱拡散器と、熱拡散器上に設置された少なくとも１つの発光素子とを有する。熱拡散器は、その底部表面エリア全体を覆う頑健なはんだ接合によって中間ヒートシンクに機械的かつ熱的に接続される。

部分組立品において、中間ヒートシンクは、発光モジュールを係合させるためのスロットを画定する。中間ヒートシンクは反射性を有する上部表面を有する。

本発明の一実施形態における発光モジュールの上部斜視図である。 図１の発光モジュールの底部斜視図である。 図１および図２の発光モジュールの平面図である。 図１〜図３の発光モジュールの第１の側面図である。 図１〜図３の発光モジュールの第２の側面図である。 図１および図２の発光モジュールの底面図である。 図３のラインＡ−Ａに沿って切断した図１〜図３の発光モジュールの切欠き側面図である。 図３のラインＢ−Ｂに沿って切断した図１〜図３の発光モジュールの切欠き側面図である。 発光モジュールの所定の部分が強調されている、図１および図２の発光モジュールの他の平面図である。 発光モジュールの所定の部分が強調されている、図１および図２の発光モジュールの他の底面図である。 本発明の他の実施形態における発光モジュールの上部斜視図である。 図１１の発光モジュールを部分的に分解した上部斜視図である。 図１１の発光モジュールを部分的に分解した底部斜視図である。 発光モジュールの一部分の第１の代替の実施形態の分解側面図である。 発光モジュールの一部分の第２の代替の実施形態の分解側面図である。 本発明の他の実施形態における部分組立品の上部斜視図である。 図１６の部分組立品の底部斜視図である。 図１６および図１７の部分組立品の平面図である。 図１６および図１７の部分組立品の底面図である。 ラインＣ−Ｃに沿って切断された図１８の部分組立品の切欠き側面図である。 ラインＤ−Ｄに沿って切断された図１８の部分組立品の切欠き側面図である。 本発明のさらに他の実施形態における部分組立品の上部斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態における部分組立品の上部斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態における部分組立品の上部斜視図である。

ここで、本発明について、本発明の種々の態様、実施形態、または実施態様を示す図を参照して説明する。各図において、構造、部分、または要素のいくつかのサイズは、説明の便宜上および発明の開示を助けるために、他の構造、部分、または要素のサイズに対して誇張されることがある。

本特許出願は、２０１０年２月８日に出願された米国仮特許出願番号第６１／３０２，４７４号および２０１０年７月１５日に出願された米国仮特許出願番号第６１／３６４，５６７号の優先権の利益を主張し、その全体を参照により組込む。組込まれるこれらの仮出願はそれぞれ、図面と明細書とを含み、明細書には図の名称、参照番号およびこれらに対する説明が含まれている。混乱を回避するとともに発明をより明確に説明するために、本明細書では、これらの組み込まれる書類中で使用された図の名称および参照番号は用いない。本明細書では、新たな図の名称、参照番号および図の名称に対する説明を使用する。

図１は、本発明の一実施形態における発光モジュール１０００の上部斜視図を示す。図２は、図１の発光モジュール１０００の底部斜視図を示す。図３は、図１および図２の発光モジュール１０００の平面図を示す。図４は、図１〜図３の発光モジュール１０００の第１の側面図を示す。図５は、図１〜図３の発光モジュール１０００の第２の側面図を示す。図６は、図１および図２の発光モジュール１０００の底面図を示す。図７は、図３のラインＡ−Ａに沿って切断した図１〜図３の発光モジュール１０００の切欠き側面図を示す。図８は、図３のラインＢ−Ｂに沿って切断した図１〜図３の発光モジュール１０００の切欠き側面図を示す。図９は、発光モジュール１０００の所定の部分が強調されている、図１および図２の発光モジュールの他の平面図である。図１０は、発光モジュール１０００の所定の部分が強調されている、図１および図２の発光モジュールの他の底面図である。

図１１は、本発明の他の実施形態による発光モジュール１１００の上部斜視図を示す。発光モジュール１１００は、図１〜図１０の発光モジュール１０００と同じ構成要素および素子を有し、複数の部分が異なる構成である。図１２は、図１１の発光モジュール１１００を部分的に分解した上部斜視図を示す。図１３は、図１１の発光モジュール１１００を部分的に分解した底部斜視図である。図１４は、図１１の発光モジュール１１００の一部分の第１の代替の実施形態の分解側面図を示す。図１５は、図１１の発光モジュール１１００の一部分の第２の代替の実施形態の分解側面図を示す。

すなわち、図１〜図１０は、本発明の発光モジュール１０００を異なる視点から見た図を示す。図１１および図１２は、異なる構成の発光モジュール１０００を示し、発光モジュール１１００として参照する。重複および混乱を回避し、明確さを向上させるために、各図において、すべての図ごとには全ての参照部分についての注釈はしない。

図１〜図１３を参照して、本発明の一実施形態では、発光モジュール１０００は、リードフレーム本体１０１０、リードフレーム１０２０、少なくとも１つの熱拡散器１０５０、および熱拡散器１０５０上に設置された少なくとも１つの発光素子１０８０を有する。

（リードフレーム本体）
リードフレーム本体１０１０は、通常、成形プラスチックであるが、任意の他の材料とすることができる。リードフレーム本体１０１０は、キャビティ１０１２を画定し、熱拡散器１０５０がその中に正確に位置決めして配置される。本体キャビティ１０１２は、図１２および図１３に最も明確に示される。例示した実施形態では、熱拡散器１０５０は、ほとんどまたは全体が本体キャビティ１０１２内に配置される（図１２および図１３に最もよく示される）。しかし、他の実施形態では、熱拡散器１０５０は、本体キャビティ１０１２内に一部だけが隠されるように配置してもよい。リードフレーム本体１０１０は、短期間の間、２００℃を超える高温に耐えうる熱可塑性または熱硬化性プラスチックを用いて作ることができる。いずれにしても、本体キャビティ１０１２は、リードフレーム１０２０を機械的かつ構造的に支持しながら、発光素子１０８０を露出するのに十分に大きく構成される。

リードフレーム本体１０１０は、本体キャビティ１０１２を囲む反射体表面１０１４を画定する。例示した実施形態では、本体キャビティ１０１２は、実質的に長方形の形状を有する。したがって、リードフレーム本体１０１０は、４つの反射体表面１０１４を画定する。しかし、長方形の表面の数は、本体キャビティ１０１２の形状に応じて変動する可能性がある。反射体表面１０１４は、発光素子１０８０が設置される本体キャビティ１０１２を囲む。その結果、反射体表面１０１４は、（発光素子１０８０から反射体表面１０１４に向けられた）光を反射し所望の方向に向かって光の方向を変える。反射体表面１０１４に向けられた光は、非常に低い角度（図８の角度１０１５として示される）にあり、通常は非反射性の平坦な表面を有するＭＣＰＣＢ（金属コアプリント回路基板）またはＰＣＢ（プリント回路基板）である従来技術のデバイスでは失われる。その結果、本モジュールの発光効率は、従来技術の発光効率より高い。

例示した実施形態では、反射体表面１０１４の反射率は、８５％を超える。反射体表面１０１４を実現するために、リードフレーム本体１０１０は、単に例としてであるが、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）などのような反射材料を添加した高温熱可塑性または熱硬化性プラスチックとすることができる。一実施形態では、リードフレーム本体１０１０のために使用される材料は、９０％の反射率を有し、低い散乱率を有するアモデル（Ａｍｏｄｅｌ、登録商標）との商標名を有するポリフタルアミド（ＰＰＡ、高性能ポリアミドとしても知られる）である。

（リードフレーム）
リードフレーム１０２０は、図示したように、複数のリード、複数の部分、またはその両方を含むことができるが、これらを含むことは必要とされない。例示した実施形態では、リードフレーム１０２０は、電力を伝導させるために使用され、単に例としてであるが、銅または他の金属合金などを打抜き加工した金属である。打抜き加工した金属は、たとえば板金とするともできる。

例示した実施形態では、リードフレーム１０２０は、リードフレーム本体１０１０の外側からリードフレーム本体１０１０の基材を通って本体キャビティ１０１２内に入るように延在する４つのリードを有する。本体キャビティ１０１２内において、リードフレーム１０２０は熱拡散器１０５０と接触する。その結果、例示した実施形態では、リードフレーム本体１０１０は、リードフレーム１０２０がリードフレーム本体１０１０から本体キャビティ１０１２内に延在するので、リードフレーム本体１０１０内に存在するリードフレーム１０２０の部分を収容する。この部分は、第１の部分と呼ばれる。図９および図１０においては、リードフレーム１０２０のリードフレーム本体１０１０との関係をさらに明確に示すために、リードフレーム１０２０にハッチングを施して強調している。こうした収容構造は、オーバーモールディングと呼ばれることが多い。

説明を容易にするために、リードフレーム１０２０の種々の部分を、リードフレームの参照番号１０２０に続けてアルファベット文字を使用して参照する。たとえば、本体キャビティ１０１２内に延在するリードフレーム１０２０の部分は、リードフレーム１０２０の内側端部１０２０Ａとする。一般に、参照番号１０２０は、全体としてまたは一般としてのリードフレーム１０２０を示す。

リードフレーム１０２０の内側端部１０２０Ａは、熱拡散器１０５０の金属配線１０５２に係合する。例示した実施形態では、リードフレーム１０２０の内側端部１０２０Ａは、熱拡散器１０５０の金属配線１０５２にはんだ付けされる。はんだ付け方法は、任意の適した方法、たとえば、はんだリフロープロセスとすることができる。はんだリフロープロセスでは、はんだペーストの小さなドットがその融解温度まで加熱され、こうして、内側端部１０２０Ａと配線１０５２とは、頑健なはんだ接合によって結合される。

ここで、リードフレーム本体１０１０は、全てのリードフレーム１０２０と、対応する金属回路配線１０５２との間の位置合わせ治具として作用し、発光素子１０８０の全ての熱拡散器１０５０へのはんだ付けを同時に行うことができる。これによって、プロセスを簡略化し、ＬＥＤが２回以上熱にさらされないようにすることができる。さらに、リードフレーム本体１０１０は、リードフレーム１０２０の複数のリード間の電気絶縁および位置合わせを可能にする。

リードフレーム１０２０の外側端部１０２０Ｂは、外部電源との接続に適合するものである。リードフレーム１０２０は、搭載要件に合うように屈曲されたり、または種々の形状に形成されたりすることができる。同様に、他の部分１０２０Ｃは、単に例としてであるが、ここに図示しない別の構成要素を搭載させるかまたはそれに係合させることなど、他の目的で本体から外に延在させることができる。

図１および図２の発光モジュール１０００を再構成した一実施形態を、発光モジュール１１００として図１１〜１３に示す。発光モジュール１１００は、図１および図２の発光モジュール１０００と同じ素子または構成要素を有する。しかし、そのリードフレーム１０２０は、９０°（直角に）屈曲しているため、モジュールの光学前面の後に配置されたその電気構成要素とのはんだ接続を容易にし、また同様に、単に例としてであるが、図１６〜２４に示され、詳細な説明は後記する中間ヒートシンク１０９０などの熱的または機械的構成要素との係合を容易にする。この直角屈曲は、リードフレーム本体１０１０により画定される第１の主面１０１６によって規定される面に対して９０°となっていることである。しかし、屈曲角度は、本発明では、９０°に限定されない。

この曲げ構造は、発光モジュール１１００が、図に示され、後記する、そのスナップイン本体構造によって別の組立品にスナップインされることを可能にする。これによって、その製造プロセスが容易となり、製造コストおよび時間を低減することができる。

一旦中間ヒートシンク１０９０を組み付けると、組立品全体は、単に例としてでありまた制限するものではないが、電球、照明器具、街路灯、または駐車灯モジュールなどの一般的な照明用途のコア構成要素とすることができる。

（スナップイン本体）
スナップイン本体１０３０は、リードフレーム１０２０のさらなる構造的支持ならびにリードフレーム１０２０のリード間の電気絶縁を提供するために使用することができる。例示したように、スナップイン本体１０３０は、リードフレーム１０２０の外側端部１０２０Ｂに近接したリードフレーム１０２０の第２の部分に係合し、またはそれを取り囲む。スナップイン本体１０３０は、後記する中間ヒートシンクなどの他の構成要素にしっかり係合するためにスナップインフィンガー１０３０Ａなどの部分を有するようにしてもよい。スナップイン本体１０３０のストッパー１０３０Ｂ部分によって、スナップイン本体１０３０が、図１６〜図２４に示した中間ヒートシンクなどの嵌合部品に固定される。

（熱拡散器）
熱拡散器１０５０は、図示したように、最も明確には図９および図１０に示したように、リードフレーム１０２０に接続される。熱拡散器１０５０に関連する層およびリードフレーム１０２０へのその接続について、以下にさらに詳細に説明する。

少なくとも１つの発光素子１０８０が、熱拡散器１０５０上に設置される。例示した実施形態では、発光モジュール１０００は、６つの発光ダイオードパッケージ（ＬＥＤ）を有する。各ダイオードパッケージは、少なくとも１つの発光チップを有し、発光チップは、封止剤（たとえばシリコーンまたはエポキシ）によって封止されている。代替の実施形態では、各発光素子１０８０は、少なくとも１つの裸の発光チップを有することができる。各発光素子１０８０は、任意の色の、または異なる色あるいはサイズを混合した、数個のＬＥＤチップを有するようにすることができる。さらに、熱拡散器１０５０上に設置されうる発光素子１０８０の異なる色およびサイズは、物理的制約および電気的制約によって制限されるだけであり、用途に応じて、非常に広範囲になりうる。

発光チップが発光素子１０８０として使用される場合、チップのダイ接合が、熱拡散器１０５０上で行われ、続いてワイヤボンディング、続いて最後に封止プロセスが行われる。この構成では、熱拡散器１０５０はまた、複数の発光チップ用の基板として役立つ。また、封止プロセスは、その光学レンズが大きいために簡単になりうる。光学レンズは、本体キャビティ１０１２全体を覆うように設置され、次に、光学レンズの下の発光素子に光学レンズが光学的に結合するようにシリコーンゲルで充填されうる。封止剤には、熱拡散器上の搭載されたＬＥＤチップの波長を変換するために蛍光体を充填することができる。また、封止剤に、単に例としてであるが、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）などのようなある反射材料の微粒子を添加することができる。

熱拡散器１０５０は、任意の熱伝導性材料、たとえばセラミックスまたは誘電体をコーティングしたアルミニウムで作ることができる。熱拡散器１０５０用の適した材料の他の例としては、限定するものではないが、アルミナ、窒化アルミニウムのようなセラミックス、または陽極酸化アルミニウムがある。

熱拡散器１０５０の寸法は、非常に様々になりうる。たとえば、熱拡散器１０５０は、サブミリメートル（ｍｍ）以下から数センチメートル（ｃｍ）の範囲の厚さを有することができる。例示した実施形態では、熱拡散器１０５０の厚さは、サイズおよび要件に応じて１ｍｍ未満から数ｍｍの範囲にある。

図１４は、熱拡散器１０５０の第１の代替の実施形態の分解側面図を示し、本明細書で熱拡散器１０５０Ａと呼ばれる。図１〜図１４を、しかし主に図１４を参照して、熱拡散器１０５０Ａは、セラミックスで作られた基板１０５４Ａを有する。基板１０５４Ａは、第１の主面１０５６および第１の主面１０５６に対向する第２の主面１０５８を有する。金属配線層１０５２は、第１の主面１０５６上に作製される。金属配線１０５２は、発光素子１０８０の実装に適合するものである。

さらに、金属配線１０５２は、リードフレーム１０２０の内側端部１０２０Ａの実装に適合可能である。基板１０５４Ａがセラミックスである（それにより、電気絶縁性である）ため、配線１０５２から基板１０５４Ａを絶縁するために絶縁材料は全く必要とされない。金属層１０６０は、第２の主面１０５８上に作製される。金属層１０６０によって、図１６〜図２４に示され、以下に詳細に説明する中間ヒートシンク１０９０に熱拡散器１０５０をはんだ接合できる。それから、熱拡散器１０５０を中間ヒートシンク１０９０に結合するために、はんだ層１０６２が使用される。このはんだ層１０６２は、無鉛とすることができるが、そうであることを必要とされない。無鉛はんだは、典型的には約５７Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。これは、他の熱的な接触法よりかなり高い。はんだ層１０６２は、図１６〜図２４に示され、以下にさらに詳細に説明する中間ヒートシンク１０９０上で熱拡散器１０５０Ａをはんだ付けするために使用される。熱拡散器１０５０Ａをはんだ付けすることにより、従来使用されているネジ止め技術と比較して、（熱拡散器１０５０Ａと中間ヒートシンク１０９０との間の）ずっと良好に熱的に接触する。

図１５は、熱拡散器１０５０の第２の代替の実施形態の分解側面図を示し、本明細書で熱拡散器１０５０Ｂと呼ばれる。図１〜図１５を、しかし主に図１５を参照して、熱拡散器１０５０Ｂは、アルミニウムで作られた基板１０５４Ｂを有する。誘電体層１０６４および１０６６は、たとえば酸化アルミニウムなどの絶縁材料を含む。絶縁層は、陽極酸化プロセスを使用して作製することができる。これは、配線１０５２がショートすることを防止する。やはり、その誘電体層１０６４および１０６６を有する基板１０５４Ｂは、第１の主面１０５６および第１の主面１０５６に対向する第２の主面１０５８を有する。金属配線層１０５２は、薄膜プロセスとメッキプロセスの組合せを使用して、第１の主面１０５６の誘電体層１０６４上に作製される。金属配線１０５２は、たとえばチタン、ニッケル、銅、および金だけからなるとすることができ、発光素子１０８０とのはんだ付けに適合可能である。さらに、金属配線１０５２は、リードフレーム１０２０の内側端部１０２０Ａとのはんだ付けに適合可能である。

配線１０５２を誘電体層１０６４に結合するための結合用接着剤は陽極酸化アルミニウム上に全く必要とされない。例示した実施形態では、陽極酸化層の厚さは、約３３〜５５μｍの範囲内にある。酸化アルミニウム層１０６４および１０６６が、約１８Ｗ／ｍ・Ｋの高い熱伝導率を有するように、陽極酸化アルミニウムの熱伝導率は、従来技術の照明モジュールで使用されることが多いＭＣＰＣＢ（金属コアプリント回路基板）の熱伝導率と比較してずっと高い。ＭＣＰＣＢを使用する既存の設計は、通常、２Ｗ／ｍ・Ｋ未満の低い熱伝導率を有する。したがって、本発明においては、発光素子１０８０から熱を取り去るために、既存の技術の熱伝導率と比較して、高い熱伝導率とすることができる。

陽極酸化アルミニウム熱拡散器１０５０Ｂは、生来の誘電体層としてその酸化アルミニウム層１０６４および１０６６を使用する。これに比べて、従来技術のＭＣＰＣＢは、誘電体として有機誘電体層を使用する。

例示した実施形態では、陽極酸化された酸化アルミニウム誘電体層１０６４および１０６６は、約３３〜５５μｍ厚であり、その熱伝導率は、約１８Ｗ／ｍ・Ｋである。これに比べて、ＭＣＰＣＢの有機誘電体層は、通常、７５〜１２５μｍ厚であり、その熱伝導率は、約２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。したがって、本発明の陽極酸化アルミニウム熱拡散器１０５０は、ずっと優れた熱伝導性を有する。

金属層１０６０は、第２の主面１０５８の誘電体層１０６６上に作製される。さらに、金属層１０６０は、中間ヒートシンク１０９０に対する熱拡散器１０５０のはんだ接合を可能にする。はんだ層１０６２は、図１６〜図２４に示され、以下にさらに詳細に説明する中間ヒートシンク１０９０上で熱拡散器１０５０Ｂをはんだ付けするために使用される。熱拡散器１０５０Ｂをはんだ付けすることにより、従来使用されているネジ止め技術と比較して、（熱拡散器１０５０と中間ヒートシンク１０９０との間の）ずっと良好に熱的に接触する。

実施形態の一例では、熱拡散器１０５０はアルミニウムで作製され、上面領域の面積が１７４ｍｍ^２であり、厚さが０．６３ｍｍである。６つの発光素子１０８０が、金属配線１０５２上にはんだ付けされ、それぞれが約１ｍｍ^２の面積を要する。このとき、熱拡散器１０５０と発光素子１０８０との表面積比は、１７４：６、すなわち、ほぼ２９：１である。したがって、その熱拡散抵抗はほぼゼロである。

熱拡散器１０５０と発光素子１０８０とを合わせて、本明細書では熱拡散照明構成要素と呼ぶ。

（中間ヒートシンク）
図１６は、本発明の別の実施形態による発光部分組立品１２００の上部斜視図を示す。図１７は、図１６の発光部分組立品１２００の底部斜視図を示す。図１８は、図１６および図１７の発光部分組立品１２００の平面図を示す。図１９は、図１６および図１７の発光部分組立品１２００の底面図を示す。図２０は、ラインＣ−Ｃに沿って切断された図１８の発光部分組立品１２００の切欠き側面図を示す。図２１は、ラインＤ−Ｄに沿って切断された図１８の発光部分組立品１２００の切欠き側面図を示す。

図１６〜図２１を参照して、部分組立品１２００は、中間ヒートシンク１０９０と中間ヒートシンク１０９０上に搭載された少なくとも１つの発光モジュール１１００とを有する。発光モジュール１１００は、図１１〜図１３の、また、より詳細に先に本明細書で説明したのと同じ発光モジュールである。

中間ヒートシンク１０９０は、熱拡散器１０５０にはんだ付けされる（構造的かつ熱的に接続される）。熱拡散器１０５０は、次に、発光素子１０８０にはんだ付けされる（構造的かつ熱的に接続される）。これは、図２０および図２１に最も明確に示される。これによって、発光素子１０８０が発生する熱は、熱拡散器１０５０によって発光素子１０８０から取り除かれる。熱は、その後、中間ヒートシンク１０９０によって熱拡散器１０５０から取り除かれる。

中間ヒートシンク１０９０は、最終製品の設計要件に応じて任意の形状およびサイズとすることができる。例示した実施形態では、中間ヒートシンク１０９０は、単に例としてであるが、銅合金またはアルミニウム合金などの金属で作られ、ニッケルでメッキを施すこともできる。こうしたメッキによって、中間ヒートシンク１０９０に対する熱拡散器１０５０のはんだ付けを容易にすることができる。中間ヒートシンク１０９０は、スロット１０９４を画定する。発光モジュール１１００の所定部分を、そのスロットを通過させることにより、中間ヒートシンク１０９０に係合される。さらに、スロット１０９４は、発光モジュール１１００と中間ヒートシンク１０９０との位置合わせをするのに役立つ。この位置合わせ技術を使用することで、製造プロセスは、既存の製品の製造プロセスと比較して、必要な工数が少なくなる。これによって、組立品の生産性が高くなり、コストが低減される。

中間ヒートシンク１０９０は、上面１０９２が、光反射素子によって覆われるか、または、反射材料で被覆され、反射ボウル（ｂｏｗｌ；椀）を形成する。反射ボウルは、光を反射して再利用することにより、光の損失を最小にする。反射材料または反射部材は、鏡面仕上げされたアルミニウムまたは数オングストロームの厚さの銀被膜とすることができる。

例示した実施形態では、発光素子１０８０が発生する熱は、熱拡散器１０５０によって発光素子１０８０から取り除かれる。熱拡散器１０５０は、発光素子１０８０よりずっと大きな熱容量を有する自分自身の本体内に熱を拡散させる。熱伝達経路に沿ってさらに下り、熱は、その寸法および表面が熱拡散器１０５０の寸法および表面の何倍もある中間ヒートシンク１０９０に伝導される。その結果、発光素子１０８０が発生する熱は、発光素子１０８０から効率的に除去され、それにより、発光出力の減少、ＬＥＤチップに対する損傷、および最終的には耐用年数の短縮などの発光素子１０８０に対する熱の有害な影響を低減する。

図２２は、本発明の他の実施形態による発光部分組立品１３００の上部斜視図を示す。図２２を参照して、部分組立品１３００は、中間ヒートシンク１３１０と中間ヒートシンク１３１０上に搭載された少なくとも１つの発光モジュール１１００とを有する。発光モジュール１１００は、これまでに、より詳細に説明したのと同じ図１１〜１３の発光モジュールである。

中間ヒートシンク１３１０は、（図１６〜図２１の）ボウル（椀）形状の中間ヒートシンク１０９０とは対照的に、例示するこの実施形態では、実質的に平坦である。さらに、中間ヒートシンク１３１０は、一般に、平たい円柱形状を有する。しかし、中間ヒートシンク１３１０は、構成および機能が、（図１６〜図２１の）中間ヒートシンク１０９０と類似する。たとえば、中間ヒートシンク１３１０は、金属合金などの熱伝導性材料で作られる。さらに、中間ヒートシンク１３１０は、上面１３１２が反射材料で被覆されている。また、中間ヒートシンク１３１０は、スロット１３１４を画定し、このスロット１３１４によって発光モジュール１１００を中間ヒートシンク１３１０に係合する。これはまた、中間ヒートシンク１３１０と発光モジュール１１００との位置合わせをするのに役立つ。

図２３は、本発明のさらに他の実施形態による発光部分組立品１４００の上部斜視図を示す。図２３を参照して、部分組立品１４００は、中間ヒートシンク１４１０と中間ヒートシンク１４１０上に搭載された少なくとも１つの発光モジュール１１００とを有する。発光モジュール１１００は、これまでに、より詳細に説明したのと同じ図１１〜図１３の発光モジュールである。

中間ヒートシンク１４１０は、（図１６〜図２１の）ボウル形状の中間ヒートシンク１０９０とは対照的に、例示するこの実施形態では、実質的に平坦である。さらに、中間ヒートシンク１４１０は、一般に、四角柱形状を有する。しかし、中間ヒートシンク１４１０は、構成および機能が、（図１６〜２１の）中間ヒートシンク１０９０と類似する。たとえば、中間ヒートシンク１４１０は、金属合金などの熱伝導性材料で作られる。さらに、中間ヒートシンク１４１０は、上面１４１２が、光反射素子によって覆われるか、または、反射材料で被覆される。また、中間ヒートシンク１４１０は、スロット１４１４を画定し、このスロット１４１４によって発光モジュール１１００を中間ヒートシンク１４１０に係合する。これはまた、中間ヒートシンク１４１０と発光モジュール１１００との位置合わせをするのに役立つ。

図２４は、本発明のさらに他の実施形態による発光部分組立品１５００の上部斜視図を示す。図２４を参照して、部分組立品１５００は、中間ヒートシンク１５１０と中間ヒートシンク１５１０上に搭載された少なくとも１つの発光モジュール１１００とを有する。実際には、例示した実施形態では、発光部分組立品１５００は、２つの発光モジュール１１００を有する。発光モジュール１５００は、これにまでに、より詳細に説明したのと同じ図１１〜図１３の発光モジュールである。

やはり、中間ヒートシンク１５１０は、（図１６〜図２１の）ボウル形状の中間ヒートシンク１０９０とは対照的に、例示したこの実施形態では、実質的に平坦である。さらに、中間ヒートシンク１５１０は、一般に、四角柱形状を有する。しかし、中間ヒートシンク１５１０は、構成および機能が、（図１６〜図２１の）中間ヒートシンク１０９０と類似する。たとえば、中間ヒートシンク１５１０は、金属合金などの熱伝導性材料で作られる。さらに、中間ヒートシンク１５１０は、上面１５１２が、光反射素子によって覆われるか、または、反射材料で被覆される。また、中間ヒートシンク１５１０は、スロット１５１４を画定し、スロット１５１４によって発光モジュール１１００を中間ヒートシンク１５１０に係合する。これはまた、中間ヒートシンク１５１０と発光モジュール１１００との位置合わせをするのに役立つ。

中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、１５１０は、熱拡散器１０５０から最終的なヒートシンクまで熱を伝達する。最終的なヒートシンクは、多くの用途において、発光部分組立品１２００、１３００、１４００、および１５００を含む電球などの照明デバイスの本体である。照明デバイスの本体において、熱は、しばしば、周囲の空気の対流に、またはさらに、外部ヒートシンクなどの他の熱放散機構に伝達されて放散する。

（熱経路）
図１から図２４を参照して、より具体的には図１６〜図２４を参照して、例示したように、発光素子１０８０が発生する熱は、熱拡散器１０５０によって発光素子１０８０から取り除かれる。熱拡散器１０５０は、発光素子１０８０よりずっと大きな熱容量を有する自分自身の本体内に熱を拡散させる。同時に、熱は、その後、熱拡散器１０５０の寸法よりさらに大きな寸法ならびにずっと大きな表面積を有する中間ヒートシンク１０９０に伝導される。その結果、発光素子１０８０が発生する熱は、発光素子１０８０から効率的に除去され、それにより、発光出力の減少、ＬＥＤチップに対する損傷、および最終的には耐用年数の短縮などの発光素子１０８０に対する熱の有害な影響を低減する。

図１４に示した構成の熱拡散器１０５０Ａを有する部分組立品１２００、１３００、１４００、１５００の場合、発光素子１０８０から中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、１５１０への熱伝達経路は次の通りである。熱流束は、発光素子１０８０から、以下の順番で、すなわち、はんだ、金属配線１０５２、セラミックス基板１０５４Ａ、金属層１０６０、はんだ１０６２、最終的に中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、１５１０に流れる。

図１５に示した構成の熱拡散器１０５０Ｂを有する部分組立品１２００、１３００、１４００、１５００の場合、発光素子１０８０から中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、１５１０への熱伝達経路は、次の通りである。すなわち、発光素子１０８０から、はんだへ、金属配線１０５２へ、誘電体層１０６４へ、基板１０５４Ａへ、誘電体層１０６６へ、金属層１０６０へ、はんだ１０６２へ、中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、１５１０へ向かう。

たとえば、実験および試験において、約１５０平方ｍｍの上部表面積および０．６３ｍｍの厚さを有するアルミナ熱拡散器１０５０の構成は、６つの発光素子（各素子が１〜２ＷのＬＥＤパッケージを有する）の熱拡散抵抗を無視できる程度であり、この構成が有効であることが実証された。ＬＥＤチップが非常に密に集合された場合にだけ、ＡＩＮのようなより熱伝導性の良好なセラミックスまたは陽極酸化アルミニウムが使用される。

（組立て、構造、およびさらなる利点）
図１〜図２４を参照して、より具体的には図１４、図１５、図２０、および図２１を参照して、発光素子１０８０が、発光モジュール１０００および１１００の金属配線１０５２上にはんだ付けされること、および、熱拡散器１０５０が、中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、および１５１０上にはんだ付けされることは既に説明した。

本発明の例示した設計では、金属配線１０５２に対して全ての発光素子１０８０を、また、中間ヒートシンク１０９０、１３１０、１４１０、または１５１０に対して全てのリードフレーム１０２０と熱拡散器１０５０とを、全て同時にはんだ付けするために、はんだリフロー技術を使用することができる。すなわち、全ての発光素子１０８０をはんだ付けして、熱的に効率のよい部分組立品を形成するために、１回だけまたはせいぜい２回のはんだ付けサイクルが必要とされる。これは、ホットバーを用いたはんだ付け技術が、電源からＭＣＰＣＢ（金属コアプリント回路基板）へのルースワイヤ（ｌｏｏｓｅ ｗｉｒｅ；弛み線）をはんだ付けするために必要であり、その際に、発光ダイオードパッケージが最初にはんだ付けされるという既存の技術に優る顕著な利点である。さらに、本発明では、１回のまたは２回のはんだリフローサイクル中に、発光素子１０８０は、許容範囲のピーク温度に許容範囲の加熱時間さらされるだけであり、したがって、過昇温および過剰時間の加熱から保護される。これらの因子は、製造プロセス中に発光素子１０８０を損傷するリスクを低減する。

また、製造時に、１回目のはんだリフロープロセスは、熱拡散器１０５０に対して全ての発光素子１０８０をはんだ付けするために行われ、その後、２回目のはんだリフロープロセスは、リードフレーム１０２０と中間ヒートシンクとに対して熱拡散器１０５０を全て同時にはんだ付けするために行われる。同じはんだ合金を、両方のリフロープロセスについて使用することができる。その理由は、１回目のはんだリフローからのはんだが、他の金属を不純物として吸収してしまい、２回目のはんだリフロー中に融解しないことになるからである。したがって、発光素子１０８０は、同じ共晶はんだ付け温度による２回目のリフロー中に再びはんだが外されないことになる。

本発明は、任意のワット（Ｗ）数の、また、種々の発光性能および物理的サイズおよび接続の電球などの照明製品を含む多数の潜在的な用途を有する。こうしたデバイスは、同じ発光性能を有する既存の技術より安価に作製することができる。その３次元モジュール式設計は、街路灯、競技場照明灯、工業照明灯、防犯照明灯、または任意の照明製品などの、任意の知覚可能な照明製品用の照明エンジンとして利用することができる。

（結論）
前記したことから、本発明が、新規であり、既存の技術に優る利点を提供することが認識されるであろう。本発明の特定の実施形態を記載し例示したが、本発明は、そのように記載し例示した特定の形態または部材の配置構成に限定されない。たとえば、異なる構成、サイズ、または材料を、本発明を実施するために使用することができる。

Claims (21)

1. キャビティを画定するリードフレーム本体と、
   前記リードフレーム本体内に収容される第１の部分を有するリードフレームと、
   少なくとも一部が前記リードフレーム本体の前記キャビティ内に配置され、前記リードフレームに接続される熱拡散器と、
   前記熱拡散器上に設置された少なくとも１つの発光素子と、
   を備える発光モジュール。
2. 前記リードフレーム本体は、前記キャビティを囲む反射面を画定する請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記リードフレームは、少なくとも２つの導電体を備える請求項１に記載の発光モジュール。
4. 前記リードフレームは、前記熱拡散器上の前記発光素子に電気的に接続される請求項３に記載の発光モジュール。
5. 前記リードフレームの第２の部分に取り付けた第１のスナップイン本体をさらに備える請求項１に記載のモジュール。
6. 前記リードフレーム本体は、第１の主面を有し、前記第１の主面は第１の平面を規定し、前記リードフレームは前記第１の平面に対して屈曲する請求項５に記載の発光モジュール。
7. 前記熱拡散器は、
   第１の主面および前記第１の主面に対向する第２の主面を有するセラミックス基板と、
   前記第１の主面上に作製された金属配線と、を備え、
   前記金属配線は、発光素子の実装に適合可能であり、
   前記金属配線は、前記リードフレームの実装に適合可能である請求項１に記載の発光モジュール。
8. 前記熱拡散器は、
   金属基板と、
   前記金属基板の上方の第１の誘電体層と、
   前記金属基板の下方の第２の誘電体層と、
   前記第１の誘電体層上に作製された金属配線と、
   前記第２の誘電体層の下方に作製された金属層と、を備え、
   前記金属配線は、発光素子の実装に適合可能であり、
   前記金属配線は、前記リードフレームの実装に適合可能である請求項１に記載の発光モジュール。
9. 前記発光素子は、樹脂で封止された発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える請求項１に記載の発光モジュール。
10. 第１の色の光を放出する第１のＬＥＤおよび第２の色の光を放出する第２のＬＥＤをさらに備える請求項９に記載の発光モジュール。
11. 前記発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを備える請求項１に記載の発光モジュール。
12. 第１の色の光を放出する第１のＬＥＤチップおよび第２の色の光を放出する第２のＬＥＤチップをさらに備える請求項１１に記載の発光モジュール。
13. 前記ＬＥＤチップを封止する封止剤をさらに備える請求項１１に記載の発光モジュール。
14. 前記封止剤は、前記ＬＥＤチップによって放出される光の波長を変換するための蛍光体を含有する請求項１３に記載の発光モジュール。
15. 前記封止剤は、前記ＬＥＤチップによって放出される光を拡散させるための拡散剤を含有する請求項１３に記載の発光モジュール。
16. 導電体を備えるリードフレームと、
    前記リードフレームの第１の部分を収容して、前記リードフレームを機械的に支持し、キャビティを画定するリードフレーム本体と、
    熱拡散し発光する熱拡散発光部品であって、第１の主面を有する熱伝導性基板、前記基板の前記第１の主面上の電気配線、および前記基板上に搭載され、前記電気配線に電気的に接続された発光素子を備える熱拡散発光部品と、を備え、
    前記リードフレームは、前記熱拡散発光部品の前記第１の主面の前記電気配線に電気的に接続される発光モジュール。
17. 金属基板と、
    前記金属基板の上方の第１の誘電体層と、
    前記金属基板の下方の第２の誘電体層と、
    前記第１の誘電体層上に作製された金属配線と、
    前記第２の誘電体層の下方に作製された金属層と、を備え、
    前記金属配線は、発光素子の実装に適合可能であり、
    前記金属配線は、前記リードフレームの実装に適合可能である熱拡散装置。
18. 前記金属基板はアルミニウムを含み、前記第１の誘電体層は酸化アルミニウムを含み、前記第２の誘電体層は酸化アルミニウムを含む請求項１７に記載の熱拡散装置。
19. 発光する部分組立品である発光部分組立品であって、
    中間ヒートシンクと、
    前記中間ヒートシンク上に搭載された少なくとも１つの発光モジュールと、を備え、
    前記発光モジュールは、
    キャビティを画定するリードフレーム本体と、
    第１の部分が前記リードフレーム本体内に収容されるリードフレームと、
    少なくとも一部が前記リードフレーム本体の前記キャビティ内に配置され、前記リードフレームに接続される熱拡散器と、
    前記熱拡散器上に設置された少なくとも１つの発光素子と、を備え、
    前記熱拡散器は、前記中間ヒートシンクに熱的に接続される発光部分組立品。
20. 前記中間ヒートシンクは、前記発光モジュールを係合させるためのスロットを画定する請求項１９に記載の発光部分組立品。
21. 前記中間ヒートシンクは反射性を有する上面を備える請求項１９に記載の発光部分組立品。

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