JP6641291B2 - パターン付けされた封止材を伴うハイブリッドチップオンボードｌｅｄモジュール - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年１月２１日に出願された米国仮出願第６１／９２９５３０号に基づく優先権を主張して２０１４年８月２６日に発明の名称を「パターン付けされた封止材を伴うハイブリッドチップオンボードＬＥＤモジュール」として出願された国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１４／０６４０７０の国内移行出願である。国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１４／０６４０７０及び米国仮出願第６１／９２９５３０号を参照して本明細書に引用する。
本発明は、アメリカ合衆国エネルギー省（ＤＯＥ）により授与された契約（No. DE-EE0005099）に基づく米国政府支持によりなされたものである。

本発明は、発光素子の分野に関し、特に、異なる色に対して異なる波長変換をもたらすパターン付けされた封止材を含むハイブリッド（異なる色の複数の発光素子）ＬＥＤモジュールに関する。

拡大する高出力半導体発光デバイスの（ＬＥＤ）の需要に伴い、発光素子配列を含むモジュールがしばしば使用されている。個々の発光素子は、１／２ワット以下を消費する「中電力」であってよく、数１０個の発光素子が配列内に含まれて、相対的に高い光出力強度をもたらす。

白色光などの所望の色を作り出すために、異なる波長の光が合成（混合）される。ある実施形態において、発光素子の配列（アレイ）が、赤色、及び緑色／黄色などの異なる色の数組の発光素子を含んでもよい。各色の光出力の強度がアレイからの合成光出力の色を定義する。

他の実施形態において、発光素子のアレイがすべて同じ波長の光を放出してもよく、波長変換材料を用いて、発光素子から放出された光の少なくとも一部を異なる波長に変換してもよく、光出力を元の放出された光と波長変換された光との合成にすることができる。この波長変換材料は、アレイを覆う封止材内に共通して含まれる。

チップオンボード（ＣＯＢ）は、その柔軟性及び低費用により、通常的に使用されている。ＣＯＢは、基板上に配置され、封止材で覆われた発光素子の配列を含む。封止材は、発光素子を包囲するリング又はダムの中にある。封止材は、ダム内へと注がれ、硬化されるシリコーン化合物であってよく、或いは、リング内に含まれるシリコーンシート又はセラミックなどの予備成型素子であってもよい。通常、封止材は、発光素子により放出された光を１つ以上の他の波長へ変換する波長変換材料を含む。

チップオンボード構造内にハイブリッド発光モジュールを提供することが有利であり、従来のチップオンボードモジュールよりも効率的である。

１つ以上のこれらの懸念へのより良い対策として、本発明の一実施形態において、異なる波長変換材料又は異なる濃度の波長変換材料を用いて、異なる色の発光素子を封止することができる。本発明の一実施形態において、特定色の発光素子が透明封止材で封止される一方、異なる色の発光素子が波長変換材料で封止される。本発明の他の実施形態において、異なる色の特定組の発光素子が、他の組の発光素子用の封止材とは異なる封止材で封止される。

各蛍光体は、第１範囲の波長の光を効率的に吸収して所望の第２範囲の波長の光を放出するが、蛍光体は他の波長の光を吸収せずに全く光を放出しないこともあり、或いはおそらく不所望の第３の範囲の波長の最小量の光を放出することもあり、その結果、吸収された光の損失となり、光出力効率の損失となることを出願人は認識した。

したがって、本発明の実施形態において、異なる色の発光素子が封止材と対をなして、最小の効率低減吸収を以て所望の光出力を効率的にもたらす。波長変換材料による変換を意図していない特定波長の光の発光素子は、例えば、蛍光体のない封止材で封止されてもよく、一方で、変換されることを意図した光の発光素子は、光の一部又は全部を所望の波長または波長の組に効率的に変換する蛍光体又は蛍光体混合体で封止されてもよい。

添付図面を参照して、例として、本発明をさらに詳細に説明する。

図面を通して、同一の参照符号は同様な又は対応する特徴または機能を示す。図面は例示の目的のためのものであり、本発明の範囲を制限することを意図していない。
異なる色の発光素子の組の上に位置づけられた異なる封止材料を含む例示的な発光モジュールを示す。 異なる色の発光素子の組の上に位置づけられた異なる封止材料を含む例示的な発光モジュールを示す。 各組の発光素子からの光出力の相対的強度を調節する例示的なコントローラを示す。 異なる色の発光素子の組の上に位置づけられた異なる封止材料を含む他の発光モジュールの例を示す。 異なる色の発光素子の組の上に位置づけられた異なる形状の封止材料を含む発光モジュールの例を示す。 発光素子の異なる組の上に位置づけられた異なる封止材料を含む発光モジュールの例を示す。

以下の説明においては、限定ではなく説明の目的で、本発明の概念の完全なる理解を提供するために、例えば特定のアーキテクチャ、インタフェース、技術などの具体的に詳細な事項を説明する。しかしながら、当業者に明らかなように、本発明は、これらの具体的詳細事項からは外れる他の実施形態でも実施され得るものである。同様に、本明細書の説明は、図面に示した実施形態例に向けられたものであり、請求の範囲に明示的に含まれる限定を超えて、請求項に係る発明を制限することを意図していない。単純化及び明瞭化の目的のため、不要な詳細事項で本発明の説明を不明瞭にしないよう、周知のデバイス、回路及び方法についての詳細な説明は省略する。

図１Ａは例示的な発光モジュール１０の側部断面図であり、図１Ｂは発光モジュール１００の平面断面図である。発光モジュール１００は、異なる色の数セットの発光素子上方に位置する異なる封止材料を含む。参照及び理解を容易にするために、用語「封止材（encapsulant）」及び「封止する（encapsulate）」は、本書面において、複数発光素子の発光表面を覆って、単数発光素子又は複数発光素子から放出される光の実質的に全てを受ける材料を含む一般的な意味に用いられる。

図１Ａ、１Ｂにおいて、発光素子１６０は、発光素子１７０とは異なる色の光を放出する。発光素子１６０、１７０は、図１Ａにおいて、基板又はボード１５０上に位置されているように図示されている。基板又はボード１５０は、複数発光素子１６０、１７０に外部電源を供給するよう機能する導電素子（図示せず）を含む。複数発光素子１６０、１７０は、導電素子にハンダ付け（チップオンボード（chip-on-board））された複数の個別的発光デバイスであってもよく、ボード１５０上の複数導電素子に結合された中間基板上に位置された素子であってもよい。当業者は、基板上の発光素子の他の配置を用いることができることを認識するであろう。

第１の封止材１１０が用いられて複数発光素子１６０を覆い、他の封止材１２０が用いられて複数発光素子１７０を覆う。封止材１１０、１２０の各々は、異なる波長変換特性を有する。選択的に、ボード１５０上の壁部１５５がモジュール１００の扱いを容易にし、封止材１１０、１２０を収容するよう機能し得る。

数列の帯状（bands）の封止材１１０、１２０を形成する。各帯状部（bands）の間に相当する場所に薄いバリア（barriers）を位置し、次にバリア間の領域に適切な封止材１１０、１２０を充填し、封止材を硬化させることにより数列の帯状部を形成することができる。充填する封止材１１０、１２０は代表的には、シリコーン化合物などの半流動体形態である。バリアは、封止材硬化の際に除去してもよいし、モジュール１００内に残してもよい。残す場合には、所望の光出力パターンに依存して、バリアは透明でもよいし、反射性でもよい。変形的な実施形態では、数列の帯状部の封止材１１０、１２０を含んだ予備成形したシートを提供してもよい。予備成形シートは、上述のバリアを用いて封止材１１０、１２０でパターン付けした、部分的に硬化したシリコーンシートであってよい。部分的に硬化したシリコーンシートを発光素子１６０、１７０の上に位置づけ、次に米国特許第７３３４９５２号公報に記述されているように、ボード１５０に積層する。米国特許第７３３４９５２号公報「蛍光体を含む封止フィルムをＬＥＤ状に積層する方法」は、２００８年７月３日にHaryanto Chandra氏に発行されたものであり、本明細書において参照として引用する。この変形例においては、封止材１１０の予備成形シートを発光素子１６０上に積層し、第１積層後に、封止材又は液体１２０を発光素子１７０の上に用いることができる。他の変形実施例では、その作業及び材料を逆にすることができる。

一例の実施形態において、発光素子１６０が青色光を放出し、発光素子１７０が赤色光を放出する。そのような実施形態において、幾つかの青色光は黄色／緑色光へ変換されることが意図され、赤色光は直接に放出されることが意図される。従って、この例の実施形態では、封止材１１０は青色光を黄色／緑色光へ変換する蛍光体を含んでよく、封止材１２０は蛍光体がなくてよい。

他の実施形態において、発光素子１６０は第１の波長の光をもたらし、発光素子１７０は、第２の波長の光をもたらし、そして封止材１１０、１２０が対応する第３及び第４の波長の光をもたらす。本例においては、異なる二色のみの発光素子を示したが、発光素子モジュールには多様な複数の異なる色／波長の発光素子が含まれることができ、多様な複数の異なる封止材も含まれることができることを当業者は認識するであろう。

同様に、チェッカーボード（市松模様）パターンや不均一な配置の異なるタイプの発光素子といった帯状ではないパターン及び対応する封止材が、本発明の範囲内に意図され含まれる。他の変形例では、３対またはそれ以上の対の発光素子／封止材が、本発明の範囲内に意図され含まれる。

図２は、各組（each set）の発光素子からの光出力の相対的強度を調節するための例示的なコントローラを示す。コントローラ２５０は、電源を設けられ、この電力を２組の発光素子１６０、１７０に分配して、２組の間の光出力の所望の比率をもたらす。各組の発光素子１６０、１７０について直列配置が示されているが、並列や直−並列といった変形的な配置を用いて各組を構成することもできることを当業者が認識するであろう。変形的な３種またはそれ以上の種類の発光素子が本発明の範囲内で意図され含まれる。

例示的な実施形態において、コントローラ２５０は、発光素子１６０と封止材１１０の組合せ及び発光素子１７０と封止材１２０との組合せによりもたらされる光出力の比率だけではなく、全体的な光出力強度をユーザーが調節することができるようなコントロールを含み得る。

一様なプロフィール及び明確に画成された境界／端部を備えた封止材１１０、１２０が図１Ａ、１Ｂに示されているが、変形的な形状が用いられ、また異なる組合せが用いられて端部の光とは異なる光を中央部に配し得ることを当業者は認識するであろう。例えば、発光素子間の間隙を変化させることができ、そのため所望の光出力分布を達成でき、或いは異なる光出力強度の発光素子を収容できるなどその他のことが可能となる。

例えば、封止材１１０、１２０の異なる光散乱特性その他の光学効果により、異なる封止材１１０、１２０が異なる光出力パターンを呈示することを当業者は認識するであろう。もし望まれるならば、封止材１１０、１２０の一方又は両方に散乱材その他の材料を添加でき、各封止材１１０、１２０からの同様な散乱効果を生じさせるなど、所望の効果の組合せを生じさせることができる。同様にして、後述するように、封止材１１０、１２０の幾何学的形状が異なって、所望の効果を達成することができる。

図３は、異なる色の発光素子の組の上に位置する異なる封止材料を含む他の発光素子モジュールの例を示す。この実施形態においては、封止材内部の波長変換素子（例えば、蛍光体）の濃度に変化をつけており、発光素子１６０の上に高い濃度３１０の蛍光体が位置づけられ、発光素子１７０の上に実質的に低い濃度３２０の蛍光体が位置づけられる。する。

変化をつけた蛍光体濃度は、例えば、シリコーンなどの半流動体材料を発光素子の上に適用し、次に、例えばスクリーン印刷その他のパターニング技法を用いて、選択した領域に蛍光体材料を適用することによりもたらすことができる。変形的には、多数ノズルディスペンサーが、多数行の発光素子の上に多数行の異なる半流動体形態封止材を分配することができ、各行間の境界において異なる封止材のある混合が生じうるという事態が可能となる。

図４は、異なる色の発光素子の数組の上に、異なる形状の封止材料を位置づけた発光素子モジュールの例を示す。

図４のこの実施形態において、発光素子１７０が最初に、例えば、発光素子１７０の上でモールドされるシリコーンを用いて、半球形状の封止材４２０内に封止される。半球形状の封止材４２０は、封止材４２０からの光出力パターンの領域を増大させ、もし封止材が蛍光体を含んでおらず発光素子１７０が波長変換なしで直接に発光する場合には、特に光出力パターンの領域を増大させる。

形状づけた封止材４２０の製造に続き、蛍光体含有シリコーンなどの第２の封止材４１０がドーム４２０間の領域を充填するように適用される。

封止材４１０、４２０の特定の製造順序を逆転でき、所望の光出力パターンに依存して各封止材の特定の側面形状を変更できることを当業者は認識するであろう。

本発明は２色ハイブリッドモジュールで各色が同じ封止材で排他的に封止された典型例を用いて提案をしてきたが、色の数組や異なる組合せに異なる封止材を適用することができることを当業者は認識するであろう。

図５は、発光素子の異なる組の上に異なる封止材料を位置づけた発光素子モジュールの例を示している。

上述したように、従来から、放出された光と変換された光との比は、波長変換材料内の波長変換素子の濃度により制御される。本発明の実施形態において、第１の色の光と変換された色の光との比が、第１の色を放出する発光素子の一部のために異なる封止材を提供することにより制御することができる。

図５の例において、封止材５２０内に封止された発光素子１７０の組の内部に、幾つかの発光素子５８０が含まれる。これらの発光素子５８０は、発光素子１６０と同じ波長の光を放出することができ、或いは発光素子１６０又は発光素子１７０のいずれとも異なる波長の光を放出することもできる。

発光素子５８０が発光素子１６０と同じである実施形態において、封止材５２０内部の発光素子５８０（１６０でもある）の組合せ及び封止材５１０内部の発光素子１６０の組合せは、異なる光出力をもたらす。

発光素子１７０を伴う封止材５２０内部の発光素子５８０は、発光素子１７０と共通して制御されることができ、或いは、別個に制御されることもできる。例えば、発光素子１７０が赤色放出素子であり、発光素子５８０が青色放出素子１６０であり、封止材５１０が青色−黄色／緑色変換性であり、かつ、封止材５２０が透明である場合には、透明封止材５２０下の発光素子５８０（１６０）の個別的制御により複合光出力内の青色成分の独立的制御の対策がもたらされる。

変形的には、透明封止材下の発光素子５８０（１６０）、発光素子１７０共通の制御により、赤色−青色光と青色／黄色／緑色光との比の制御がもたらされる。

図面及び上記記述において詳細に本発明を図示、説明してきたけれども、そのような図示及び説明は例示的なものであり、制限的なものではないと解釈されるべきであり、本発明は開示した実施形態に限定されない。例えば、発光素子を覆う封止材とは独立に、特定の色の発光素子の全てを共通に制御するように、本発明を動作させることが可能である。変形的には、各発光素子を個別的に制御することも可能である。

開示した実施形態に対する他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”及び“含む”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。複数の特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、請求項の範囲を限定するものとして解されるべきではない。

Claims (13)

1. 光モジュールであって、
   第１の色の第１の複数の発光素子と、
   第２の色の第２の複数の発光素子と、
   前記第1の色の第３の複数の発光素子と、
   その上に前記第１、第２及び第３の複数の発光素子を配列した基板と、
   前記第１の複数の発光素子の各々の発光素子の上に位置づけられた第１の封止材、及び前記第２の複数の発光素子及び第３の複数の発光素子の各々の発光素子の上に位置づけられた第２の封止材であり複数のドームを有する第２の封止材を含む、封止層であって、前記第１の封止材が、前記第２の封止材内の波長変換材料の濃度よりも実質的に高い濃度の波長変換材料を含み、前記ドームの間の領域を充填している、封止層と、
   を有する光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであり、さらに
   当該光モジュールの全体的出力、及び前記第１の複数の発光素子の発光素子と前記第２及び第3の複数の発光素子の発光素子との光出力比を制御するコントローラ
   を含み、
   前記コントローラが、電力を分配することにより、当該光モジュールの全体的出力、及び前記第１の複数の発光素子の発光素子と前記第２の複数の発光素子の発光素子との光出力比を制御する、
   光モジュール。
3. 前記第２の封止材の中の波長変換材料の濃度が実質的にゼロである、請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記第２の封止材が、前記第１の封止材の中に含まれない散乱材を含む、請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記第１の封止材のプロフィール形状が、前記第２の封止材のプロフィールとは異なる、請求項１に記載の光モジュール。
6. 前記第１の色の発光素子が青色光を放出し、前記第２の色の発光素子が赤色光を放出する、請求項１に記載の光モジュール。
7. 前記第１及び第２の複数の発光素子が、基板上に互い違いのパターンで配列されている、請求項１に記載の光モジュール。
8. 前記第１の封止材及び前記第２の封止材が基板上に位置する包囲体内に含まれる、請求項１に記載の光モジュール。
9. 基板上の前記第１及び第２の複数の発光素子の間隔が一様でない、請求項１に記載の光モジュール。
10. 光モジュールを製造する方法であって、
    第１の色の第１の複数の発光素子、第２の色の第２の複数の発光素子及び前記第1の色の第３の複数の発光素子を基板上に位置づけるステップと、
    第１、第２及び第3の複数の発光素子の上に、封止層を位置づけるステップであり、
    前記封止層が、前記第１の複数の発光素子の各々の発光素子の上に位置づけられた第１の封止材、及び前記第２の複数の発光素子及び第３の複数の発光素子の各々の発光素子の上に位置づけられた、複数のドームを含む第２の封止材を含み、前記第１の封止材が、前記ドームの間の領域を充填し、前記第２の封止材内の波長変換材料の濃度よりも実質的に高い濃度の波長変換材料を含む、ステップと、
    を含む方法。
11. 前記の封止層を位置づけるステップが、部分的に硬化したシリコーンシートを積層するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の封止材が、前記第１の封止材の中に含まれない散乱材を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記第１の封止材のプロフィール形状が、前記第２の封止材のプロフィールとは異なる、請求項１０に記載の方法。

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