(57)【要約】  改善された光視準を有する発光ダイオードは、透過性のドーム内に配置される基板で支持されたＬＥＤダイスを備える。このダイスを側方に囲うこのドームの一部は、放出された光をこのダイスに反射させる光反射材料を備える。中心的にこのダイスの上にあるドームの一部は、所望の放射パターン内に光の出射を可能にするための光反射材料が実質的にない。このＬＥＤダイスは、放熱板に結合することができるセラミック被覆された金属基材にそれらを配置することによって高温動作においてパッケージングされてもよい。このパッケージングされたＬＥＤは、低温共焼成セラミックオンメタル技術（ＬＴＣＣ−Ｍ）によって行うことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性基材と、
前記基材の上に取り付けられる少なくとも１つのＬＥＤダイスと、
前記ＬＥＤダイスを覆う透過性の封入剤と、
前記ダイスによって放出される光を反射するために前記封入剤の一部を覆う反射性材料と、
を備える、光視準を改善するためにパッケージングされたＬＥＤ組立体。
【請求項２】
前記反射材料は、アルミニウム膜を含む、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記封入剤は、エポキシ樹脂のドームを含む、請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記封入剤の前記反射性材料は、所望の放射パターン内に光の放出を制限する、請求項１に記載の組立体。
【請求項５】
前記基材は、金属層と前記金属層上に配置される少なくとも１つのセラミック層とを備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項６】
前記基材は、前記セラミック層内に開口部を有する表面キャビティを備え、前記ダイスは、前記キャビティ内に取り付けられる、請求項４に記載の組立体。
【請求項７】
前記ＬＥＤダイスは、粗面を有する、請求項１に記載の組立体。
【請求項８】
前記封入剤によって覆われる前記ＬＥＤダイスの表面または前記基材の表面の少なくとも１つは、エッチング又はミリングされる、請求項１に記載の組立体。
【請求項９】
前記ＬＥＤダイスは、研磨された表面を有する、請求項１に記載の組立体。
【請求項１０】
前記ＬＥＤ上に配置されるナノ結晶をさらに含む、請求項１に記載の組立体。
【請求項１１】
前記ナノ結晶は、シリカ、シリコン、酸化チタン、酸化インジウム、酸化錫またはそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項１０に記載の組立体。
【請求項１２】
表面キャビティを有する低温共焼成セラミックオンメタル（ＬＴＣＣ−Ｍ）基材と、
前記キャビティ内に取り付けられる少なくとも１つのＬＥＤダイスと、
前記ＬＥＤダイスを覆う透過性の封入剤と、
前記ダイスのよって放出される光を反射するために前記封入剤の一部を覆う反射性材料と、
を備える、光視準を改善するためにパッケージングされたＬＥＤ組立体。
【請求項１３】
前記反射性材料は、アルミニウム膜を含む、請求項１２に記載の組立体。
【請求項１４】
前記封入剤は、エポキシ樹脂のドームを含む、請求項１２に記載の組立体。
【請求項１５】
前記封入剤の前記反射性材料は、所望の放射パターン内に光の放出を制限する、請求項１２に記載の組立体。
【請求項１６】
前記ＬＥＤダイスは、粗面を有する、請求項１２に記載の組立体。
【請求項１７】
前記封入剤によって覆われる前記ＬＥＤダイスの表面または前記基材の表面の少なくとも１つは、エッチング又はミリング、請求項１２に記載の組立体。
【請求項１８】
前記ＬＥＤダイスは、研磨された表面を有する、請求項１０に記載の組立体。
【請求項１９】
前記ＬＥＤ上に配置されるナノ結晶をさらに含む、請求項９に記載の組立体。
【請求項２０】
前記ナノ結晶は、シリカ、シリコン、酸化チタン、酸化インジウム、酸化錫またはそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項１９に記載の組立体。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのＬＥＤダイスの各々は、前記金属基材の上にあり、前記金属基材から絶縁される一対の電極を備える、請求項１２に記載の組立体。
【請求項２２】
前記金属基材から絶縁される導電性ビアをさらに備え、前記電極は、前記ビアに電気的に接続される請求項２１に記載の組立体。
【請求項２３】
前記基材に前記電極を電気的に接続するワイヤーボンドをさらに備える、請求項２２に記載の組立体。
【請求項２４】
前記ＬＥＤダイスからの熱を放散するために前記基材に取り付けられる熱接続パッドをさらに備える、請求項１２に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、２００３年５月５日付で出願された米国仮特許出願番号６０／４６７，８５７の利益を要求する、２００３年８月１１日付で出願された米国特許出願番号１０／６３８／５７９号の一部継続出願である。米国特許出願１０／６３８，５７９及び６０／４６７，８５７出願は、参照することによってここに含まれる。
【０００２】
本発明は、発光ダイオードに関し、特に、向上した視準の光線を提供するためにパッケージングされた発光ダイオードに関する。このようなＬＥＤは、画像投影システムの光源として特に有用である。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通信及び機器から家庭のイルミネーション、自動車のライト及び画像投影システムまで及ぶ増加した多様な用途における光源として使用される。画像投影システムにおいては、ＬＥＤは、一般的な高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）に対して多くの利点がある。ＬＥＤは、ＨＩＤランプより低い温度で動作し、加圧された水銀の蒸気を必要とせず、使用中により安全で信頼性がある。
【０００４】
残念ながら、画像投影を含むいくつかの用途においては、光の出力が幅広い角度でＬＥＤから放出するので、一般的にパッケージングされたＬＥＤダイスからの光の出力は、相対的に焦点が合わされない。一般的なＬＥＤ源において、出力光は、約１２０℃の角度にわたって少なくとも２分の１のピーク出力である。しかしながら、中心の約１２°内（約２４°の角度）の光のみが、一般的な画像投影システムにおいて有用である。
【０００５】
図１は、一般的なＬＥＤ１０の概略断面図であるが、本発明が直面する課題を示す。このＬＥＤ１０は、基材１２上に取り付けられ、エポキシ樹脂のドーム１３などの透過性の材料で密閉されたＬＥＤダイス１１を備える。このダイス１１は、表面キャビティ（図示されない）内に取り付けることができる。
【０００６】
示されるように、光線１４は、約１２０°の幅広い角度範囲にわたってダイス１１から出る。この範囲は、レンズとして作用するように形付けられた封入剤のドーム１３によって若干狭められるかもしれない。しかしながら、図１に示されるように、光１４のほとんどは、放出された光が一般的な画像投影システムによって有用に使用される、放射パターン１５などの比較的狭い放射パターンの外側に落ちる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，４５５，９３０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，５８１，８７６号明細書
【特許文献３】米国特許第５、７２５、８０８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，９５３，２０３号明細書
【特許文献５】米国特許第６，５１８，５０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
反射器及び光学レンズなどの光学素子の使用によってＬＥＤ光源の空間広がりを減少させるための取り組みが行われている。しかしながら、この手法によって、光放射角及び光源放射領域の生成によって測定されるような光源のエテンデューが改善されない。従って、改善された光視準を有する発光ダイオードに対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、改善された光視準のためにパッケージングされたＬＥＤ組立体が提供される。この組立体は、熱伝導性基材と、この基材の上に取り付けられる少なくとも１つのＬＥＤダイスと、このＬＥＤダイスを覆う透過性の封入剤と、を備える。この封入剤は、このダイスから放出されるダイス光に反射して戻すために、このダイスを囲ってダイスの上にある反射性材料の第１領域を備える。この封入剤は、所望の領域内で光の出射を可能にするために実質的にこの反射性材料がないダイスの上に中心的に位置する第２領域を備える。有利な実施形態では、このＬＥＤダイスは、放熱板に結合することができるセラミックが被覆された金属基材上にそれらを配置することによって、高温動作のためにパッケージングされる。このパッケージングされたＬＥＤは、低温共焼成セラミックオンメタル技術（ＬＴＣＣ−Ｍ）によって行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の利点、性質及び様々なさらなる特徴は、ここに添付の図面と共に詳細に記載されている例示的な実施形態の検討で完全に明らかになるだろう。図１は、本発明が解決する課題を理解するために有用な一般的なパッケージングされたＬＥＤ組立体の概略断面図である。図２は、本発明の一実施形態による向上した視準を有する光線を提供するためにパッケージングされたＬＥＤ組立体の概略断面図である。図３は、本発明の一実施形態によるＬＴＣＣ−Ｍの様々な有利な特徴を示す概略断面図である。図面は、本発明の概念を示すためのものであり、実際の寸法でなくてもよいことは理解されるだろう。
【００１１】
この詳細な説明は、２つの部分に分けられる。部分Ｉは、光視準を改善する構造体を記載し、部分ＩＩは、有利なＬＴＣＣ−Ｍパッケージの特徴を示す。
【００１２】
（Ｉ．光視準構造体）
図２は、向上した視準の光線を提供するためにパッケージングされた発光ダイオード（ＬＥＤ）組立体２０の概略断面図である。このＬＥＤ組立体２０は、基材１２上に取り付けられる１つ又はそれ以上のＬＥＤダイス１１を備える。このダイス１１は、好ましくはエポキシ樹脂のドーム１３である透過性の封入剤（エンキャプシュラント）内に有利には密閉される。このダイス１１は、表面キャビティ２１内に取り付けられてもよい。有利には、この基材１２は、金属基材１２上に位置するセラミック被覆２２を有するセラミック被覆された金属を備える。このセラミック被覆された金属基材は、有利には、ここでは部分ＩＩに記載されるＬＴＣＣ−Ｍ技術によって作られる。
【００１３】
図２のＬＥＤ１は、反射性及び／又は分散性の表面が備えられてもよい。このダイス１１の上部表面１１ａ及び／又は側表面１１ｂは、エッチングまたはミリングなどの粗面化処理によって好ましくは分散性にされることができ、又は、研磨または被覆によって反射性にされることができる。さらに或いは代わりに、ドーム１３によって覆われ取り付けられたこの基材１２の表面１２ａは、好ましくは分散性又は反射性にされてもよい。研磨及び粗面化は、ダイヤモンド、酸化アルミニウム粉末または他の周知の磨耗性／研磨性の砂（グリット）を用いて実施することができる。粗い砂は、粗面化に使用され、微細な砂は、研磨に使用される。この表面は、ＬＥＤ組立体パッケージからの光抽出を改善するために研磨され又は分散性にされる。
【００１４】
さらに、ダイスを側方向に囲うドーム１３の領域は、好ましくは、囲っている反射性表面２４が備えられる。ドーム１３のこの領域は、図２に示されるように反射性表面２４を形成するために反射性材料でマスクされ、被覆される。
【００１５】
この反射性表面２４がドーム１３の封入剤の材料の周囲を囲って覆われることが望ましいが、この封入剤がドーム形状にされ、又は、この反射性表面が封入剤を完全に囲う必要はない。囲んでいる反射器は、このダイス１１上に位置する平坦な封入剤上にも被覆されることができる。さらに、囲んでいる反射器は、封入剤の上に位置する追加のドーム（例えば、ガラスドーム）上に被覆されることもできる。
【００１６】
実施中、図２に示されるように、ダイスによって放出される、光線２５などの横方向に配向された光のほとんどは、受け入れ放射パターン１５などの投影システムの所望の受け入れ角度内に落ちる。ダイスによって放出された、光線２６などの周辺に配向された光のほとんどは、囲っている反射性表面２４に影響を与える。このダイス１１の表面１１ａが粗い場合、２６Ａのような光線は、スネルの法則（入射角が反射角と等しくなる）に従わないが、光線２５の方向、従って放射パターン１５内にダイス表面１１ａから散乱する可能性が高くなる傾向にある。従って、反射された光２６Ａのなかには、ダイス１１に反射して戻るものがあり、この光線エネルギーは、反射され、さらなる放出された光として再利用される。従って、この反射性表面２４は、放射パターン１５の外側の光をコーン内でＬＥＤによって放出されたさらなる光に再利用する。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、ＬＥＤ１１の表面１１ａ及び１１ｂ及び／又は取り付けら得ている基材１２の表面１２ａは、好ましくは、ＬＥＤ１１の表面粗面化と同様の方法で機能するＬＥＤ１１を粗面化するナノ結晶で被覆されることができる。このようなナノ結晶は、酸化チタンなどの高屈折率材料で作られてもよい。ナノ結晶は、溶融シリカまたはホウケイ酸ガラスから作られてもよい。それを囲う材料と比較して高屈折率材料を有するナノ結晶によって、パッケージ組立体からの光抽出が改善されるだろう。さらに、ナノ結晶は、好ましくは放射パターン１５に平行にし及び放射パターン１５内に落とすために、光の方向を変化させる拡散器として機能する。図２に示される動作と同様に、投影システムの受け入れ放射パターン内に放出されないＬＥＤ１１によって生成される光２６は、反射性表面２４から、ＬＥＤ１１のナノ結晶処理された表面に、次いで光線２５と同様の光線として放射パターン１５内に戻るように光線２６Ａとして反射されるだろう。
【００１８】
本発明は、以下の例の検討によって、ここでより明らかに理解することができる。
【００１９】
（例１）
図２の組立体は、ここでは部分ＩＩに記載されるＬＴＣＣ−Ｍ技術を用いて基材及びキャビティを形成することによって製造することができる。この封入剤のドーム１３は、ダイマックス９６１５エポキシ樹脂（Ｄｙｍａｘ ９６１５ ｅｐｏｘｙ）などの封入剤を用いて形成することができる。この周囲の反射表面２４は、当分野で周知の方法を用いてアルミニウム膜の真空蒸着によって形成することができる。
【００２０】
（ＩＩ．ＬＴＣＣ−Ｍパッケージング）
多層セラミック回路板は、グリーンセラミックテープの層から作られる。グリーンテープは、有機結合剤及び溶媒が混合される特定のガラス組成物及び任意のセラミック粉末から作られ、テープを形成するために鋳造され切断される。ワイヤーパターンは、様々な機能を実行するために、このテープ層にスクリーン印刷することができる。次いで、一方のグリーンテープ上のワイヤーを他方のグリーンテープ上のワイヤーに接続するために、ビアがテープに穴あけされ、伝導インクで充填される。次いで、有機材料を除去し、金属パターンを焼結し、ガラスを結晶化するために、これらのテープは位置合わせされ、積層され、焼成される。これは、一般的に約１０００℃以下の温度、好ましくは約７５０−９５０℃で行われる。このガラスの組成によって、熱膨張係係数、誘電定数、及び、様々な電気部品への多層セラミック回路基板の適合性が決定される。７００から１０００℃の温度範囲で焼結する、無機充填剤を有する例示的な結晶ガラスは、アルミノ珪酸塩マグネシウム（Magnesium Alumino-Silicate）、ホウケイ酸カルシウム（Calcium Boro-Silicate）、ホウケイ酸鉛（Lead Boro-Silicate）、及び、アルミノボリケートカルシウム（Calcium Alumino-Boricate）である。
【００２１】
より最近では、金属支持基板（金属板）は、グリーンテープを支持するために使用されている。この金属板は、このガラス層に強度を与える。さらに、グリーンテープ層が金属板の両側に取り付けられることができ、適切な結合ガラスを用いて金属板に固定することができ、この金属板によって、回路及び装置の増加した複雑性及び密度が可能になる。さらに、抵抗、インダクタ及びキャパシタなどの受動及び能動部品は、さらなる機能性のために回路基板に組み込むことができる。ＬＥＤなどの光学部品が取り付けられる場合、セラミック層の壁部は、パッケージの反射性の光学特性を高めるために形付けられ及び／又は被覆されることができる。従って、低温共焼成セラミック金属支持体板ないしＬＴＣＣ−Ｍとして知られるこのシステムは、単一のパッケージ内に様々な装置及び電気回路の高い集積度のための手段となっている。このシステムは、例えば、支持板における金属の又はグリーンテープのガラスの適切な選択によって、シリコンベースの素子、インジウムリンベースの素子及びガリウム砒素ベースの素子を含む素子と適合するように調整されることができる。
【００２２】
ＬＴＣＣ−Ｍ構造体のセラミック層は、有利には、金属支持板の熱膨張係数に適合される。様々な金属または金属マトリックス複合材の熱膨張係数に適合するガラスセラミック組成が知られている。ＬＴＣＣ−Ｍ構造体または材料は、米国特許第６，４５５，９３０号明細書（U．S．Patent No． 6，455，930， “Integrated heat sinking packages using low temperature co-fired ceramic metal circuit board technology”， issued Sep． 24 2002 to Ponnuswamy et al and assigned to Lamina Ceramics）に記載される。米国特許第６，４５５，９３０号は、参照することによってここに含まれる。ＬＴＣＣ−Ｍ構造体は、さらに米国特許第５，５８１，８７６号、５、７２５、８０８号、５，９５３，２０３号及び６，５１８，５０２号にさらに記載されており、それらの全てはラミナセラミックス（Lamina Ceramics）によって出願され、参照することによって同様にここに含まれる。
【００２３】
ＬＴＣＣ−Ｍ技術に使用されるこの金属支持体板は、高い熱伝導を有するが、金属板のなかには高膨張係数を有するものもあり、従って、むき出しのダイスは、常にこのような金属支持体板に直接取り付けることができるとは限らない。しかしながら、このような目的で使用することができる金属支持体板のなかには、粉末冶金技術を用いて作られる、銅及びモリブデン（１０から２５重量％の銅を含む）または銅及びタングステン（１０から２５重量％の銅を含む）の金属複合体などが知られている。銅クラッドＫｏｖａｒ（登録商標）は、鉄、ニッケル、コバルト及びマンガンの合金であり、カーペンターテクノロジー（Carpenter Technology）の商標であるが、非常に有用な支持体板である。ＡｌＳｉＣは、アルミニウムまたは銅グラファイト複合体であるような、直接的な取り付けに使用することができる他の材料である。
【００２４】
本発明の最も単純な形態では、ＬＴＣＣ−Ｍ技術は、ＬＥＤダイス及び付随する電気回路用の集積パッケージを提供するために使用され、伝導金属支持体板は、部品に対する放熱板を提供する。図３を参照すると、例えば金属基材３１に直接取り付けることができるむき出しのＬＥＤダイス１１を含むＬＴＣＣ−Ｍパッケージング３０の概略断面が示される。この金属基材は、ＬＴＣＣ３２で覆われる。ＬＴＣＣ−Ｍシステムは、半導体部品を冷却するために高熱膨張係数を有する。このような場合、この部品を動作するための電気信号は、ＬＴＣＣ３２からダイス１１まで接続されることができる。図３では、ワイヤーボンド３４は、この目的を果たす。熱支持体板に対する直接的な取り付けが使用することもできる。このパッケージにおいて、要求される部品の全ては、集積されたパッケージ内の様々な部品、すなわち半導体部品、回路、放熱板及びその等価物に接続するために、結合パッド（一対の電極）３５、熱結合パッド３６、導電ビア３７及びレジスタを多層セラミック部分に組み込んで金属支持体板上に取り付けられる。一対の電極３５は、ワイヤーボンド３４を用いて金属基材３１に電気的に接続される。基材３１上にあるこれらの電極３５は、基材３１から絶縁されるビア３７に電気的に接続することによって基材３１から電気的に絶縁される。このパッケージは、ドーム３１を形成し、周囲の反射表面２４を支持する透明な封入剤で密閉してシールされる。
【００２５】
改善した放熱板を有するより複雑な構造体において、本発明の集積されたパッケージは、第１のＬＴＣＣ−Ｍ基板を第２のＬＴＣＣ−Ｍ基板に結合する。この第１基板は、その上に、半導体素子とこの部品を作動するために組み込まれた電気回路を有する多層セラミック回路基板とを取り付けており、第２基板は、その上に取り付けられる放熱板または伝導熱散布器を有する。熱電（ＴＥＣ）プレート（ペルチェ素子）及び温度制御電気回路は、半導体素子の改善された温度制御を提供するために第１及び第２基板の間に取り付けられる。密閉包装物（エンクロージャー）は、金属支持体板に固定することができる。
【００２６】
ＬＴＣＣ−Ｍ技術の使用は、集積された放熱板と共にフリップチップパッケージの利点を利用することもできる。本発明のパッケージは、既存の現代のパッケージングより小さく、安く、効率的でありえる。この金属基板は、熱散布器または放熱板として機能する。このフリップチップは、この金属基板に直接取り付けられ、それは、パッケージの集積部分であり、追加の放熱板に対する要求を取り除く。フレキシブル回路は、フリップチップ上のバンプ上に取り付けられることができる。多層セラミック層の使用によって、ファンアウト及びこのパッケージの周囲に対するトレースの通路、さらには放熱を改善することも達成することができる。高度な熱管理要求を有する高い電力集積回路及び素子は、この新規なＬＴＣＣ−Ｍ技術を用いて使用することができる。
【００２７】
本発明の一側面が、透過性の封入剤内に封止される基板に支持されたＬＥＤダイスを備える、改善された光視準のためにパッケージングされた発光ダイオードであることがここで分かる。このパッケージングされたダイスは、ダイスから横方向に放出された光をダイスに反射するためにダイスを囲ってダイスを覆う反射構造体を備える。このダイスを覆う封入剤領域は、実質的に光反射材料がなく、低下した角度内に光の放出を可能にする。有利には、この反射構造体は、反射性材料で被覆された封入剤の領域を含む。さらに有利には、この反射構造体は、ダイスを覆う透過性のドームを備え、このドームの一部は、反射性材料で被覆させるダイスを囲う。望ましくは、透過性のドームは、封入剤を含むが、それは、追加される構成要素でありえる。
【００２８】
このＬＥＤダイス表面は、有利には、ナノ結晶の層で被覆された分散表面を提供するために粗面化され、または、反射性の表面を提供するために研磨され又は被覆される。特に有利な実施形態では、この基板で支持されたＬＥＤダイスは、セラミック被覆された金属基板を備え、このダイスは、セラミック内の開口によって形成される表面キャビティ内に取り付けられる。
【００２９】
上記実施形態は、本発明の用途を表す、単に多くの可能な特定の実施形態の１つの例示である。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの及び変形された他の配置が当業者によってなされる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明が解決する課題を理解するために有用な一般的なパッケージングされたＬＥＤ組立体の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による向上した視準を有する光線を提供するためにパッケージングされたＬＥＤ組立体の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＬＴＣＣ−Ｍの様々な有利な特徴を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ＬＥＤ組立体
１１  ＬＥＤダイス
１１ａ  上部表面
１１ｂ  側表面
１２  基材
１２ａ  表面
１３  ドーム
１４  光線
１５  放射パターン
２０  ＬＥＤ組立体
２１  基板
２２  セラミック被覆
２４  反射性表面
２５  光線
２６  光線
２６Ａ  光線
３０  ＬＴＣＣ−Ｍパッケージ
３１  金属基材
３２  ＬＴＣＣ
３４  ワイヤーボンド
３５  熱接続ボンド
３６  熱接続パッド
３７  導電ビア
【図１】
2009534864.tif 000003
【図２】
2009534864.tif 000004
【図３】
2009534864.tif 000005
【国際調査報告】
2009534864.tif 000006