(57)【要約】【課題】光源としてのＬＥＤ、特に、高出力ＬＥＤの重要性に鑑みれば、より良好な熱抵抗、より高い光抽出効率、及び、より高い信頼性を提供することによって上記問題点を軽減するために、ＬＥＤ実装方法及び材料を改良する必要がある。【解決手段】発光装置は、封入部材によって封入されたＬＥＤを有する。封入部材は、蛍光体のような発光材料と、断熱材料とを含む。断熱材料は、発光材料をＬＥＤによって発生する熱から有効に絶縁する。熱伝導材料は、熱放散を助けるよう、ＬＥＤの背面と熱接触して配置されるのが好ましい。発光材料が発光層を形成し、且つ、発光層とＬＥＤとの間に配置された断熱材料が断熱層を形成した状態で、封入部材を２つの別個の層で形成し得る。【選択図】図４
2006128700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードと、
該発光ダイオードの頂面を被覆する封入部材とを含み、
該封入部材は、発光材料及び断熱材料を含む、
発光装置。
【請求項２】
前記封入部材は、発光材料を含む発光層と、該発光層と前記発光ダイオードとの間に配置された、断熱材料を含む断熱層とを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記発光層は、前記断熱層の外面上に正角に配置されている、請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記断熱材料は、前記発光ダイオードによって放射される波長を通す、請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記断熱材料は約２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の波長を通す、請求項１に記載の発光装置。
【請求項６】
前記断熱材料はポリマーを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
前記断熱材料はポリイミドを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項８】
前記断熱材料はセラミックを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記断熱材料はガラスを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記断熱材料は、０．５Ｗ／ｍ°Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記断熱材料は、０．１５Ｗ／ｍ°Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記断熱材料は、２００℃より上のガラス遷移温度を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記断熱材料は、約２５０℃より上のガラス遷移温度を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記断熱材料は、１．８より大きな屈折率を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記断熱材料は、１．５〜２．１の範囲の屈折率を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記断熱材料は、１００ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記断熱材料は、３０ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１８】
約１ワット又はそれより大きな出力を生成し得る、請求項１に記載の発光装置。
【請求項１９】
約５ワット又はそれより大きな出力を生成し得る、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２０】
約１０ワット又はそれより大きな出力を生成し得る、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２１】
約１５ワット又はそれより大きな出力を生成し得る、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２２】
青色光を生成し得る、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２３】
前記発光材料は、前記青色光によって励起されるときに白色光を生成する、請求項２２に記載の発光装置。
【請求項２４】
前記発光材料は、蛍光体を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２５】
前記発光材料は、イットリウムアルミニウムガーネット材料を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２６】
前記発光材料は、テルビウムアルミニウムガーネット材料を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２７】
前記発光材料は、ＺｎＳｅＳ＋材料を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２８】
前記発光材料は、酸窒化ケイ素アルミニウムを含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項２９】
１つ又はそれ以上の追加的な発光ダイオードをさらに含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３０】
前記発光ダイオードの背面と熱接触する熱伝導材料層をさらに含み、該熱伝導材料層は、２００Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きな熱伝導率を有する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３１】
前記熱伝導材料層は、セラミックを含む、請求項３０に記載の発光装置。
【請求項３２】
前記熱伝導材料層は、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項３０に記載の発光装置。
【請求項３３】
前記熱伝導材料層は、窒化アルミニウムを含む、請求項３０に記載の発光装置。
【請求項３４】
前記熱伝導材料層は、酸化アルミニウムを含む、請求項３０に記載の発光装置。
【請求項３５】
２００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな熱伝導率を有する熱伝導材料から成る熱伝導層と、
該熱伝導層に結合された発光ダイオードと、
該発光ダイオードの上に配置された断熱材料と、
該断熱材料の上に配置された発光材料と、
を含む発光ダイオードパッケージ。
【請求項３６】
前記断熱材料は断熱層を形成し、前記発光材料は前記断熱層の外面上に正角に配置されている、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項３７】
前記断熱材料は、セラミックを含む、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項３８】
前記断熱材料は、窒化アルミニウムを含む、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項３９】
前記断熱材料は、酸化アルミニウムを含む、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項４０】
１つ又はそれ以上の追加的な発光ダイオードを含む、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項４１】
約１０ワット又はそれより大きな出力を生成し得る、請求項３５に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項４２】
２００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな熱伝導率を有する熱伝導セラミックから成る熱伝導層と、
該熱伝導層に結合された発光ダイオードと、
該発光ダイオードの頂面を被覆する封入部材とを含み、
該封入部材は、発光材料及び断熱材料を含む、
１ワット又はそれより大きな出力を生成するための発光ダイオードパッケージ。
【請求項４３】
前記熱伝導セラミックは、窒化アルミニウムを含む、請求項４２に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項４４】
前記熱伝導材料は、酸化アルミニウムを含む、請求項４２に記載の発光ダイオードパッケージ。
【請求項４５】
１つ又はそれ以上の追加的な発光ダイオードをさらに含む、請求項４２に記載の発光ダイオードパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本開示は、２００４年１０月２９日にそれぞれ出願された、「１〜５ワット及びそれより高いＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，２６６号、「３〜１０ワット及びそれより高いＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，１７１号、及び、「５〜１５ワット及びそれより高いＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，２６０号の利益を請求し、それぞれの全文を参照として本明細書に引用する。
【０００２】
本発明は概ね発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、高出力ＬＥＤのためのパッケージに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流通過時に光を生成する半導体装置である。ＬＥＤは、他の光源に比べ、コンパクトさ、超軽量、安価且つ単純な製造、焼損問題がないこと、高耐振性、及び、頻繁な繰り返し動作に耐える能力を含む多くの利点を有する。表示光等の電子製品のための広範な用途を有することに加え、ＬＥＤは、白熱灯及び蛍光灯が伝統的に主流を占めてきた多様な用途のための重要な代替的な光源となっている。
【０００４】
ＬＥＤの適用性を広げた１つの改良は、ＬＥＤと共に蛍光体を用いたことである。蛍光体は、特定波長の光によって励起されると、異なる波長で光を生成する発光材料であり、よって、ＬＥＤの出力光を変更する。よって、特定の色が望ましく、その色が利用可能なＬＥＤ（費用効率の良いＬＥＤ）によって製造し得ない場合には、利用可能なＬＥＤによって生成される光の色を所望の色に変えるために、蛍光体を光「変換器」として用い得る。
【０００５】
例えば、白色光を生成するために、蛍光体は、現在、単色性ＬＥＤと共に用いられている。ＬＥＤによって生成される光を白色光に変換するために蛍光体を用いることは、白熱灯光源、及び、白色光を生成するために複合的な単色性ＬＥＤがＲＧＢスキームに組み合わせられている直接的な赤−緑−青（ＲＧＢ）ＬＥＤ方法を含む、他の従来的な白色源に対する優れた代替的方法であることが分かった。
【０００６】
典型的なＬＥＤに基づく白色光生成装置において、単色性ＬＥＤは適切な蛍光体を包含する透明材料によって封入されている。一部のシステムにおいて、単色性の可視光を生成するＬＥＤは補償蛍光体を包含する材料によって封入されている。ＬＥＤ及び補償蛍光体からの波長が白色光を生成するために混合されるよう、補償蛍光体から放射される光の波長は、ＬＥＤによって放射される光の波長に対して補償的である。例えば、青に基づく白色光源は、青色光ＬＥＤ、及び、ＬＥＤから放射される青色光によって励起されると黄色光を放射する蛍光体を用いることによって白色光を生成する。これらの装置では、青色光の極く少量のみが蛍光体によって吸収されるのに対し残余は吸収されずに通過するよう、透明材料中の蛍光体の分量は注意深く制御される。黄色光及び非吸収の青色光は、白色光を生成するために混合される。
【０００７】
他の例示的スキームは、紫外線（ＵＶ）光のような可視的スペクトルの外側の光を生成するＬＥＤを、励起されると赤色、緑色、又は、青色の光のいずれかを生成し得る蛍光体の混合物と共に用いる。このスキームでは、ＬＥＤによって放射される光は、蛍光体を励起する働きをするだけであり、最終的な色バランスに寄与しない。
【０００８】
図１及び２は、先行技術に従った蛍光体を組み込んだ２つの代替的な封入型の発光装置を描写している。図１は、基板１４に取り付けられたＬＥＤ１２を有する発光装置１０の概略図を示している。ＬＥＤ１２は、蛍光体含有層１６によって封入されている。概ね半球形であり且つ透明なスペーサ層１５が、ＬＥＤ１２と蛍光体含有層１６との間に配置されている。スペーサ層１５は、粘性のある透明なＵＶ光硬化樹脂をＬＥＤ１２上にドロップすることによって形成されている。スペーサ層１５は、蛍光体含有層１６の厚さの均一性を向上するための充填剤又はスペーサとして機能している。
【０００９】
図２は、基板２４上に取り付けられたＬＥＤ２２を有する他の発光装置２０の概略図を示している。ＬＥＤ２２は、正角の蛍光体含有層２６によって封入されている。発光装置１０と異なり、発光装置２０は、蛍光体含有層２６とＬＥＤ２２との間に充填剤又はスペーサを用いない。蛍光体含有層２６の厚さの均一性は、その代わりに、スクリーン印刷技法を用いることによって達成される。具体的には、パターン化されたステンシルがＬＥＤ２２上に置かれ、硬化可能な蛍光材料を含有するシリコーン液体マトリックスがＬＥＤ２２上にスクリーン印刷される。硬化されると、蛍光体を含有するシリコーン液体マトリックスはＬＥＤ２２上に蛍光体含有層２６を形成する。
【００１０】
上記に記載されたＬＥＤに基づく白色光源の１つの問題は、蛍光体の貧弱な熱安定性である。具体的には、高温に長時間晒すことは、そのような蛍光体の化学的及び物理的特性を変化する傾向があり、性能低下を招く。例えば、光変換効率が低下し、且つ、出力光の波長がシフトし、双方は光混合バランスを変え、且つ、全体出力の強度を潜在的に減少し得る。例えば、現在利用可能な蛍光体は、特定の希土類イオンを含む酸化物又は硫化物ホスト格子に基づいていることが多い。長時間の高温状態下で、これらの格子は分解し、それらの光学的動作を変える。
【００１１】
ＬＥＤに基づく白色光源に共通に見い出される他の問題は、一時的な色変化及び不均一な色分布であり、双方とも蛍光体含有材料内の温度勾配によって引き起こされる。そのような動作は不満足な照明を創成することが多い。
【００１２】
上記に提示された課題に加えて、ＬＥＤに基づく白色光源からのより良好な光抽出の必要が存在する。具体的には、ＬＥＤ／封入剤接触面での内部反射は、ＬＥＤ内部で発生した光の極少量が逃げ出すのを阻止し、装置の光効率（ワット毎ルーメン）を著しく低減する。ＬＥＤから逃げ出すのが阻止された光の極少量は、接触面の両側上の材料の屈折率間の差の関数として増大する。ＬＥＤの製造に用いられる半導体材料の殆どは、２．５〜３．５の範囲の屈折率を有する。他方、一般的に用いられる封入材料、例えば、ポリマー及びエポキシの屈折率は、１．５〜１．５５の範囲内である。光屈折効率を増大するために、ＬＥＤと封入剤との間の接触面での反射損失を削減するよう、より高い屈折率を備える材料が必要とされる。
【００１３】
さらに、高信頼性が封入材料のための他の要件である。理想的に言えば、封入材料は、ＬＥＤ及びパッケージ材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するべきである。この条件が適合困難であるとき、封入材料の弾性係数は、ワイヤボンディング及びＬＥＤ上の応力を削減するのに十分な程度に低いべきである。
【００１４】
半導体技術の近年の進歩は、約１ワット以上の出力電力で光を生成する高出力ＬＥＤを製造することを可能にした。そのような高出力を用いると、そのようなＬＥＤを組み込んだ装置は極めて高温で動作し得る。上述の熱問題は温度上昇に伴ってさらに悪化し、従って、蛍光体を備える高出力ＬＥＤを組み込んだ装置に関して特に厳しい。現在、上述の熱問題は、許容ＬＥＤ温度を約１２５℃までだけに厳しく制限し、従来技術照明システムの許容熱抵抗を制限している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
光源としてのＬＥＤ、特に、高出力ＬＥＤの重要性に鑑みれば、より良好な熱抵抗、より高い光抽出効率、及び、より高い信頼性を提供することによって上記問題点を軽減するために、ＬＥＤ実装（パッケージング）方法及び材料を改良する必要がある。そのような実装方法及び材料は、光源用途のために重要な、より小さなパッケージ及びより高い光度を備えた装置を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、発光ダイオードの頂面を被覆する封入部材とを含み、封入部材が発光材料及び断熱材料を含む発光装置を提供することによって上記問題点の解決を図る。断熱材料は光学的屈折率適合材料でもあり得る。一部の実施態様において、封入部材は、発光材料を含む発光層と、断熱材料を含む断熱層とを含む。これらの実施態様において、断熱層は、発光層とＬＥＤの頂面との間に配置される。
【００１７】
ポリマー、セラミック、及び、ガラスを含む様々な材料を断熱材料として用い得る。１つの実施態様において、断熱材料はポリイミドである。他の実施態様において、断熱材は溶剤溶解性の熱可塑性ポリイミドである。一部の実施態様において、断熱材料は０．５Ｗ／ｍ°Ｋ未満の熱伝導率を有する。一部の実施態様において、断熱材料は０．１５Ｗ／ｍ°Ｋ未満の熱伝導率を有する。一部の実施態様において、断熱材料は２００℃より上のガラス遷移温度を有する。一部の実施態様において、断熱材料は１．３より大きな屈折率を有する。他の実施態様において、断熱材料は、屈折率整合の向上のために、１．５〜２．０の範囲の屈折率を有する。一部の実施態様において、断熱材料は１００ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有する。他の実施態様において、断熱材料は３０ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有する。断熱材料はＬＥＤによって放射される波長を通すことが望ましい。
【００１８】
本発明は、異なる用途のために異なる製造業者によって作成される広い範囲のＬＥＤを実装するのに適している。発光材料は以下の発光体を含む如何なる材料であってもよい。即ち、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、テルビウムアルミニウムガーネット（ＴＡＧ）、セレン化亜鉛スルフィド（ＺｎＳｅＳ＋）、及び、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）。
【００１９】
一部の実施態様において、効率的な熱放散のために、熱伝導材料がＬＥＤの背面に接触して配置される。１つの実施態様において、熱伝導材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。最適な熱伝導のために熱伝導材料の厚さを最適化し得る。
【００２０】
本開示の発光装置は様々な用途に適している。それは、青色ＬＥＤ又は紫外線ＬＥＤを用いた白色光源を含む高出力ＬＥＤを用いた光源として特に適している。１つの実施態様において、発光装置は１ワット又はそれより大きな出力を生成し得る。他の実施態様において、発光装置は、１５ワット又はそれより大きな出力を生成し得る。一部の実施態様において、発光装置は、より高い出力を生成するために共に実装される１以上のＬＥＤを含む。
【００２１】
断熱材料の使用は、ＬＥＤから蛍光体への熱伝導を減少し、よって、蛍光体を熱崩壊から保護する。さらに、より高い屈折率を有する断熱材料を選択する結果、断熱材料の屈折率とＬＥＤ材料の屈折率との間のより緊密な適合が得られる。これは発光装置の光発生効率を向上するのに役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本開示は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びＬＥＤから断熱された蛍光体を用いた発光装置を提供している。当業者であれば、実施態様と関係して開示される様々な機能を個別に或いは一緒に用い得ることを認識するであろう。本発明は好適な実施例を参照して記載されているが、当業者であれば、本発明を如何なる数の環境及び実施において有利に利用し得ることを認識するであろう。
【００２３】
図３は、本発明の実施態様に従った発光装置１００の概略図を示している。下から上へ、発光装置１００は、基板１１０と、基板１１０に取り付けられた底面を有するＬＥＤ１２０と、ＬＥＤ１２０の頂面に配置された封入部材１３０と、封入部材１３０上に配置された選択的な補助部材１４０とを含み、これらの全てはテーパ付き側壁を備えたキャビティ内に置かれている。よって、キャビティは倒立円錐のような形状である。補助部材１４０は選択的であり、例えば、装置１００から放射される光を集束するための光学レンズであり得る。補助部材１４０は、保護キャップ層としても働き得る。
【００２４】
明瞭性のために、特定の機能が図３から省略されていることが理解されるであろう。例えば、キャビティの側壁及び基板１１０は、ＬＥＤ１２０への電気接続（図示せず）をもたらすより大きなパッケージの一部である。一部の実施態様では、側壁及び基板１１０を形成するために、キャビティは既存の材料中に定められる。以下により詳細に記載されるように、他の実施態様では、基板１１０は別個の層であり、キャビティは、基板１１０の上に結合された１つ又はそれ以上の層内に定められている。
【００２５】
封入部材１３０は、蛍光材料のような発光材料と、断熱材料とを含む。断熱材料は、発光材料をＬＥＤ１２０によって生成される熱から少なくとも部分的に保護し、よって、最適値又はその近傍で、従来技術下よりも一層長く、光変換効率及び出力波長のような熱特性をより良好に維持する。以下に議論されるように、断熱材料は屈折率整合材料でもあることも可能である。
【００２６】
図３の発光装置１００は、封入材料１３０中の発光材料をＬＥＤ１２０によって生成される熱から保護し、且つ、光抽出効率を向上するために、断熱材料を用いることの基本的着想を描写している。先行技術の発光装置（図１及び２）では熱損失が最も重要な関心であったため、それらは蛍光体をＬＥＤによって発生する熱から保護するための断熱を含まないことが理解されよう。言い換えれば、従来技術の発光装置の設計者は、可能な限り多くの熱を蛍光体含有層１６，２６を通じて放散することを追求した。何故ならば、別なやり方で行うことは、発光装置の残部を通じたより多くの熱損失を必要とするからである。
【００２７】
従って、従来技術における焦点は、蛍光体含有層１６，２６、及び、存在する場合には、スペーサ層１５の熱伝導特性を増大することにあり、それはこれらの構造の残余部の限定的な熱伝導特性に起因する。しかしながら、基板１１０が十分な熱伝導をもたらす場合には、蛍光体含有層１６，２６を通じて熱を伝導することはもはや不要であり、本発明におけるように、発光材料を保護するために、断熱材を導入し得る。本発明は、そのような可能化基板の実施例を記載するが、本発明は如何なる特定の基板設計又は材料にも限定されないことが理解されよう。
【００２８】
図３を参照すると、一部の実施態様において、蛍光体材料は断熱材料中に混合されて、混合物を形成し、この混合物は封入材料１３０を形成する。例えば、多くの一般的に用いられる蛍光体材料は粉末又は顆粒として供給され、これらの粒子は単に断熱材料中に混合或いは分散されて、マトリックスを形成する。このマトリックスで形成された封入部材１３０は、ＬＥＤ１２０により接近してというよりも、むしろより離間して位置付けられたこれらの蛍光体粒子のためのより良好な熱保護をもたらすが、一部の用途のために、これは十分であり得る。他の実施態様において、以下に描写されるように、封入部材１３０は断熱材料及び発光材料の別個の層を含む。
【００２９】
図４は、本発明の他の実施態様に従った発光装置２００の概略図である。下から上へ、発光装置２００は、基板２１０と、ＬＥＤ２２０と、断熱層２３０と、発光層２３５と、補助部材２４０とを含み、これらの全ては倒立円錐の形状を有するテーパ付きキャビティ内に位置付けられている。図３の発光装置１００と比べると、発光装置２００内の封入部材は、２つの別個の層、即ち、発光材料を含む発光層２３５と、断熱材料から成る断熱層２３０とを含む。断熱層２３０は、発光層２３５とＬＥＤ２２０の頂面との間に配置されている。
【００３０】
図４に示される実施態様は、図３の実施態様に比べ、少なくとも２つの追加的な利益をもたらす。第一に、断熱層２３０及び発光層２３５は別々に形成されるので、断熱材料は蛍光体材料のためのホストとして働く適切な特性を有する必要がなく、同様に、発光体材料は断熱材料と適合する必要がない。これは断熱材料及び蛍光体材料の双方のために選択され得る材料の範囲を拡げる。第二に、発光層２３５は、断熱層２３０によって、ＬＥＤ２２０から個別的に分離されているので、発光層２３５に設けられた熱保護は、発光層２３５に亘ってより完全であり且つ均一である。
【００３１】
発光層２３５は、断熱層２３０の外面上に正角に配置されるのが望ましい。これは均一な厚さの発光層２３５を形成するのに役立つ。発光層２３５は断熱層２３０に直接結合されても、或いは、接着剤のような結合剤を用いて断熱層２３０に結合されてもよい。
【００３２】
断熱層２３０は、ＬＥＤ２２０から放射される光を通し或いは殆ど通すのが好ましい。従って、断熱材料はＬＥＤ２２０によって放射される波長の少なくとも１つを通すのが好ましい。様々な利用可能なＬＥＤによって放射される波長は、ＬＥＤの種類に依存して、可視光及び不可視光の双方を含む広域スペクトルに及ぶ。一般的なＬＥＤの波長は概ね約２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲、即ち、赤外線から紫外線の範囲である。
【００３３】
発光層２３５を効果的に断熱するために、断熱層２３０の断熱材料は、好ましくは、僅か０．５毎ワット毎メートル毎ケルビン温度（Ｗ／ｍ°Ｋ）、より望ましくは、僅か０．１５毎ワット毎メートル毎ケルビン温度（Ｗ／ｍ°Ｋ）の低熱伝導率を有するべきである。断熱層２３０のための断熱材料も、好ましくは、約１７０℃より高いガラス遷移温度（Ｔｇ）、より好ましくは、２５０℃より高いガラス遷移温度の高熱抵抗を有するのが望ましい。さらに、断熱層２３０と他の構成部材、特に、典型的には半導体材料であるＬＥＤ２２０及び基板２１０との間の良好な熱適合性及び機械的適合性を有するために、断熱材料は、１００ｐｐｍ／℃程度の熱膨張率を有するのが望ましく、３０ｐｐｍ／℃程度の熱膨張率を有するのがより望ましい。
【００３４】
さらに、内部全反射を減少するために、断熱層２３０中の断熱材料は、望ましくは、断熱層２３０に隣接するＬＥＤ２２０の層中の材料の屈折率と類似する屈折率を有するべきである。内部全反射は、ＬＥＤの効率に影響を与える重要な要因の１つである。内部全反射の故に、もし入射角がスネルの法則によって決定される臨界角よりも大きいならば、ＬＥＤ２２０と断熱層２３０との間の接触面に衝突する光は、ＬＥＤ２２０内で内部全反射され得る。スネルの法則によれば、２つの隣接する材料の間の屈折率が増大するに応じて臨界角は減少する。従って、屈折率の差が最小限化されるので、臨界角が増大するのに応じて効率が増大する。内部全反射を減少し、従って、ＬＥＤ２２０の効率を増大するために、断熱材料は１．６よりも大きな屈折率を有するのが望ましく、１．８よりも大きな屈折率を有するのがより望ましく、２．０よりも大きな屈折率をを有するのがより一層望ましい。一部の実施態様において、断熱材料は１．５〜２．１の範囲の屈折率を有する。
【００３５】
本開示に従った断熱層２３０のための断熱材料として、上記要件を満足する如何なる材料も用い得る。断熱材料は、ポリマー、セラミック、ガラス、及び、これらの混合物、並びに、他の適切な材料を含み得る。具体的な実施例は、Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．及びＨｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．によって供給されている高光学品質ポリイミド材料である。これらの商業的に入手可能な高透過性ポリイミド材料の中でも、とりわけ、ＯｐｔｉＮＤＥＸ  Ｂ３８（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ）及びＰＩＱ２２００（Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ）が、本発明の断熱材料として用いられるのに特に適している。ＯｐｔｉＮＤＥＸ  Ｂ３８及びＰＩＱ２２００は硬化性液体である。硬化後、液状ＯｐｔｉＮＤＥＸ  Ｂ３８及びＰＩＱ２２００は、本発明のために満足できる特性の膜を形成し、本発明の断熱層２３０を形成するために用い得る。これらのポリイミド材料に関する典型的な特性の一部を表１に列挙する。
【００３６】
【表１】
2006128700.tif 000003
ＯｐｔｉＮＤＥＸ  Ｂ３８及びＰＩＱ２２００を硬化するために、製造業者によって推奨される硬化条件を用い得る。典型的な条件は、スピンコーティングと、後続のＮ２下の炉内でのベークによる硬化とを包含する。ＰＩＱ  ２２００が塗布される表面へのより良好な接着のために、接着促進剤が用いられるのが好ましい。接着促進剤はＬＥＤ２２０の表面への塗膜として塗布され、次に、接着促進剤はベークされ、次に、ＰＩＱ  ２２００ポリイミドが接着促進剤の上に塗布され、熱板接触を用いてプリベークされ、最終的に、Ｎ２炉内でポストベークされる。特に適した接着促進剤の１つは、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．によって供給されているＰＩＱ−Ｃｏｕｐｌｅｒ３である。同様に、接着促進剤ＡＰＸ−Ｋ１はＯｐｔｉＮＤＥＸ  Ｂ３８に適している。
【００３７】
上記のように、一部の実施態様では、断熱材料をスピンコーティングによって塗布し得る。装置を個々に製造するのと対照的に、ウェハレベルで製造するときには、スピンコーティングが望ましい。断熱材料をスピンコーティングによって塗布するとき、断熱材料を４〜４０マイクロメートルの範囲内の厚さで蒸着し得る。さらなる処理の後、個々の装置はウェハシンギュレーション(wafer singulation)プロセスによって得られる。
【００３８】
断熱材料のために上記列挙された特性の多くは、発光層２３５内又は封入部材１３０内に発光材料を懸架するために用いられるマトリックスにも当て嵌まることが理解されよう。従って、マトリックス材料は、関連波長で高透過性を有し、且つ、存在するときには、断熱層２３０の屈折率に密接に適合された、或いは、さもなければ、封入部材１３０と接触するＬＥＤ１２０の層に適合された屈折率を有するのが望ましい。発光層２３５内で用いられるとき、マトリックス材料は低熱伝導率を有する必要がないのは明らかであるが、断熱層２３０なしの封入部材１３０内で用いられるとき、低熱伝導率が必要である。類似の推論がガラス遷移温度に及ぶ。
【００３９】
任意の既存のＬＥＤ及び発光材料を用いて発光装置を作成するために、本発明を用い得る。１つの実施態様において、本発明は単色性のＬＥＤに基づいて白色光を生成し得る光源を提供する。例えば、可視光ＬＥＤ及び補償蛍光体を用いることによって、或いは、ＲＧＢ蛍光体と一緒に非可視光ＬＥＤを用いることによって、これをなし得る。例えば、背景技術の箇所で上記記載されたように、広く用いられている青色ＬＥＤに基づく白色光源は、青色光ＬＥＤ、及び、青色光を部分的に吸収した後、黄色光を生成する蛍光体を用いて白色光を生成する。
【００４０】
本発明に適した発光材料は、蛍光材料（蛍光体）及びリン光性材料の双方を含む。蛍光体はＬＥＤに基づく白色光源のために特に有用である。これらの目的のための一般的な蛍光体は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）材料、テルビウムアルミニウムガーネット（ＴＡＧ）材料、ＺｎＳｅＳ＋材料、及び、酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）材料（例えば、α−ＳｉＡｌＯＮ）を含む。
【００４１】
本発明を、図１及び２に関して上述された蛍光層の厚さの均一性を向上するための従来技術の方法を含むＬＥＤ実装のための様々な方法と組み合わせ得る。一般的に言って、封入材料１３０は、図１中の層１５及び１６、並びに、図２中の層２６と置換可能である。より具体的には、図１に関して、断熱層２３０及び発光層２３５は、それぞれ層１５及び１６と置換可能であるので、断熱層２３０は半球形キャップの形状に形成され、且つ、発光層２３５はそれに合致する。同様に、図２に関して、断熱層２３０は蛍光体含有層２６と置換可能であり、発光層２３５を断熱層２３０上に形成し得る。
【００４２】
具体的には、本発明によれば、高出力ＬＥＤ光源を作成するために、蛍光体をＬＥＤ発生熱から保護するために断熱材を用いるという着想を、関連出願の箇所で上記列挙された米国仮出願第６０／６２３，２６６号、第６０／６２３，１７１号、及び、第６０／６２３，２６０号に記載されたＬＥＤパッケージと組み合わせ得る。図５乃至７を参照して下述されるように、約１ワット又はそれより高い出力を生成するＬＥＤ光源を達成し得る。一部の実施態様において、ＬＥＤ光源は約５ワット又はそれより高い出力、約１０ワット又はそれより高い出力、及び、約１５ワット又はそれより高い出力さえも生成し得る。
【００４３】
図５及び６は、それぞれ、本発明の実施態様に従った例示的な発光装置３００の断面図及び上面図である。図５の断面図から、パッケージの本体が、下から上に指し示された３つの層、即ち、熱伝導層３１４と、中間本体層３１６と、上部本体層３１８とを含むことが分かるであろう。熱伝導層３１４、中間本体層３１６、及び、上部本体層３１８は、全体で、正方形の横断面（図６）と、（内径に対応する）底部リム３５２から（外径に対応する）頂部リム３５４へ上方に延在するテーパ付き倒立円錐の形状のキャビティとを備える本体を形成している。キャビティが中間本体層３１６及び上部本体層３１８を通じて延在しているのが分かるであろう。ＬＥＤ３２０、断熱層３３０、発光層３３５、及び、選択的な補助部材３４０を含む他の構成部材もキャビティ内に収容されている。
【００４４】
図５を参照すると、結合層３１７がＬＥＤ３２０を熱伝導層３１４の頂面に結合していることが分かる。中間本体層３１６の厚さは、結合層３１７の厚さとほぼ同一であるよう設計されている。結合層３１７は、例えば、導電性エポキシ、はんだ、熱伝導性且つ非導電性エポキシ、又は、ナノカーボン繊維充填接着剤を含み得る。
【００４５】
本実施態様は、パッケージの４つの隅部のそれぞれに部分ビア（３６０，３６２，３６４，３６６）も含む。一部の実施態様では、多数の発光装置３００が正方形配列で並列に組み立てられ、各部分ビア３６０，３６２，３６４，３６６は、４つの隣接する発光装置３００の間に形成される垂直空孔の４分の１である。垂直空孔の内壁は、メッキ又は他の適切な方法を用いて金属化される。部分ビア３６０，３６２，３６４，３６６の金属化は電気接続として働く。これらの実施態様では、個々の発光装置３００が互いに分離されると、垂直空孔は各個別の発光装置３００の部分ビア３６０，３６２，３６４，３６６になる。
【００４６】
図５の実施態様において、キャビティの側壁３５０は４５°の角度で傾斜している。側壁３５０は、ＬＥＤ３２０によって放射される波長で極めて反射的な金属化３５６（図６）のような反射コーティングを有するのが好ましい。例示的な反射コーティングは銀であるが、ＬＥＤ３２０によって生成される光の波長に依存して、他の材料も用い得る。側壁３５０は、ＬＥＤ３２０の端面から放射される光を方向変更する働きをする。ＬＥＤ３２０の側部から放射される光がＬＥＤ３２０の頂面から放射される光を増大するよう、ＬＥＤ３２０の端面からの光は、ＬＥＤ３２０の頂面と直交する方向に方向変更される。他の実施態様において、方向変更された光をより良好に集束するよう、側壁３５０は放物線形状をとる。
【００４７】
熱伝導層３１４は高出力ＬＥＤから熱を放散するための大幅な利点をもたらすので、発光装置３００を過熱させることなく断熱層３３０を採用し得る。ＬＥＤ３２０によって発生する熱を効率的に放散するよう、熱伝導層３１４はＬＥＤ３２０の背面に隣接して配置される。熱伝導層３１４は、以下に記載されるような熱伝導材料から成る。この設計は発光装置３００を動作中に多量の熱を発生する高出力ＬＥＤに特に適したものにする。
【００４８】
熱伝導層３１４が効率的に熱を放散するために、熱伝導層３１４を作成するために用いられる熱伝導材料は、好ましくは、約２００Ｗ／ｍ°Ｋよりも大きな熱伝導率を有するべきである。熱伝導材料は、望ましくは、熱膨張係数及び弾性係数のような適切な熱的及び機械的特性も有するべきである。これらの特性は、望ましくは、発光装置３００中の他の構成部材、特に、ＬＥＤ３２０の半導体材料の特性と適合するべきである。
【００４９】
好適実施態様において、熱伝導層３１４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックから成る。１つの実施態様において、熱伝導層３１４、中間本体層３１６、及び、上部本体層３１８は、それぞれＡｌＮセラミックから成る。ＡｌＮは高熱伝導率をもたらし、且つ、ＬＥＤ材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するので、ＡｌＮが望ましい。しかしながら、他の実施態様においては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）をこれらの層のために用い得る。一部の実施態様において、熱伝導層３１４は、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３のいずれかから成るのに対し、中間本体層３１６及び上部本体層３１８は、プラスチック、並びに、銅、アルミニウム、Ｃｕ／Ｗ、及び、合金４２を含む他の適切な材料からなる。
【００５０】
全ての３つの層がセラミックであるこれらの実施態様において、層を一体に結合するために、一体に積層され且つ共に焼付られた（焼結された）状態で、これらの層を別個に製造し得る。しかしながら、非セラミック材料が中間本体層３１６及び上部本体層３１８のために用いられるとき、これらの層を適切な接着剤で一体に結合し得る。
【００５１】
ＬＥＤ３２０によって生成される熱は、主として熱伝導層３１４を通じて、発光装置３００のパッケージからヒートシンク（図示せず）に伝達されることが理解されよう。その結果、熱伝導層３１４は、熱伝導層を通じた熱伝導のために最適化された厚さを有するのが好ましい。もし熱伝導層３１４が薄過ぎるか或いは厚過ぎるならば熱放散の効率は減少し、従って、最適な熱伝導のための最適な厚さがあることが分かった。これは熱が２つの機構、即ち、面内熱拡散、及び、面を通じた熱転移によって放散されるからである。熱伝導層３１４が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る実施態様において、推定される最適な厚さは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内である。１つの具体的な実施態様において、厚さは約０．３ｍｍである。
【００５２】
図７は、本発明の他の実施態様に従った発光装置４００の上面図である。発光装置４００が単一のＬＥＤの代わりに多数のＬＥＤを包含している点を除いて、発光装置４００は図６中の発光装置３００と類似している。図７に示される具体的な実施態様において、発光装置４００は、４つのＬＥＤ４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃ，４２０Ｄを含む。これらの４つのＬＥＤは、同一であっても相違してもよく、一部の実施態様では、個別に動作可能である。
【００５３】
前述の明細書において、本開示は具体的な実施態様を参照して記載されているが、当業者であれば、本開示はそれらに限定されないことを認識するであろう。上記に記載の様々な機能及び特徴を個別に又は一緒に用い得る。さらに、明細書のより広い精神及び範囲から逸脱することなく、ここに記載されたものを超えて、本開示を如何なる数の環境及び用途に利用し得る。従って、明細書及び図面は制限的というよりもむしろ例示的と考えられるべきである。ここで用いられている「含む」、「包含する」、及び、「有する」という用語は、制約のない技術用語として読み取られるべきことが特に意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来技術に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す概略図である。
【図２】従来技術に従った他のＬＥＤに基づく発光装置を示す概略図である。
【図３】本発明の実施態様に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す概略図である。
【図４】本発明の他の実施態様に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す概略図である。
【図５】本発明の実施態様に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す断面図である。
【図６】本発明の実施態様に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す上面図である。
【図７】本発明の他の実施態様に従ったＬＥＤに基づく発光装置を示す上面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０      発光装置
１２      ＬＥＤ
１４      基板
１５      スペーサ層
１６      発光体含有層
２０      発光装置
２２      ＬＥＤ
２４      基板
２６      発光体含有層
１００    発光装置
１１０    基板
１２０    ＬＥＤ
１３０    封入部材
１４０    補助部材
２００    発光装置
２１０    基板
２２０    ＬＥＤ
２３０    断熱層
２３５    発光層
２４０    補助部材
３００    発光装置
３１４    熱伝導層
３１６    中間本体層
３１７    結合層
３１８    上部本体層
３２０    ＬＥＤ
３３０    断熱層
３３５    発光層
３４０    補助部材
３５０    側壁
３５２    底部リム
３５４    頂部リム
３５６    金属化
３６０，３６２，３６４，３６６    部分ビア
４２０Ａ，４２０Ｂ，４２０Ｃ，４２０Ｄ    ＬＥＤ
【図１】
2006128700.tif 000004
【図２】
2006128700.tif 000005
【図３】
2006128700.tif 000006
【図４】
2006128700.tif 000007
【図５】
2006128700.tif 000008
【図６】
2006128700.tif 000009
【図７】
2006128700.tif 000010
【外国語明細書】
2006128700.tif 000011
2006128700.tif 000012
2006128700.tif 000013
2006128700.tif 000014
2006128700.tif 000015
2006128700.tif 000016
2006128700.tif 000017
2006128700.tif 000018
2006128700.tif 000019
2006128700.tif 000020
2006128700.tif 000021
2006128700.tif 000022
2006128700.tif 000023
2006128700.tif 000024
2006128700.tif 000025
2006128700.tif 000026
2006128700.tif 000027
2006128700.tif 000028
2006128700.tif 000029
2006128700.tif 000030
2006128700.tif 000031
2006128700.tif 000032
2006128700.tif 000033
2006128700.tif 000034
2006128700.tif 000035
2006128700.tif 000036
2006128700.tif 000037
2006128700.tif 000038
2006128700.tif 000039
2006128700.tif 000040
【図１】
2006128700.tif 000041
【図２】
2006128700.tif 000042
【図３】
2006128700.tif 000043
【図４】
2006128700.tif 000044
【図５】
2006128700.tif 000045
【図６】
2006128700.tif 000046
【図７】
2006128700.tif 000047