(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、高伝熱性材料、特に金属、からなるベース（５）を有する多層基板（１７）と、発光ダイオードチップ（１）の発光表面と基板（１７）との間に設けられる電気絶縁・伝熱接続層（２）と、を備えた発光ダイオードの構成に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、
高伝熱性材料、特に金属、からなるベース（５）を有する多層基板（１７）と、
前記発光ダイオードチップ（１）の発光表面と前期基板との間に設けられる電気絶縁・伝熱接続層（２）と、
を備えた発光ダイオードの構成。
【請求項２】
前記電気絶縁接続層（２）は前記基板（１７）側にある発光ダイオードチップ（１）の少なくとも境界表面（１５）であることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項３】
前記電気絶縁接続層は少なくとも接着層（２）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の構成。
【請求項４】
前記発光ダイオードチップ（１）は前記基板（１７）の窪み（１６）に収容されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項５】
前記発光ダイオードチップ（１）は前記基板（１７）のベース材料（５）における窪み（１２）の領域に配設されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項６】
前記発光ダイオードチップ（１）は前記基板（１７）の輪郭から突出しないことを特徴とする、請求項４または５に記載の構成。
【請求項７】
前記発光ダイオードチップ（１）は前記基板（１７）の上面と面一であることを特徴とする、請求項４から６のいずれかに記載の構成。
【請求項８】
前記窪み（１２、１６）は反射体の機能を有することを特徴とする、請求項４から６のいずれかに記載の構成。
【請求項９】
前記窪み（１２、１６）の壁は少なくとも部分的に傾斜していることを特徴とする、請求項４から８のいずれかに記載の構成。
【請求項１０】
前記発光ダイオードチップ（１）は発光ダイオードの基体が前記板（１７）の側にあるように配設されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項１１】
前記発光ダイオードの基体は電気絶縁性材料からなることを特徴とする、請求項１０に記載の構成。
【請求項１２】
前記発光ダイオードの基体はサファイアからなることを特徴とする、請求項１１に記載の構成。
【請求項１３】
前記発光ダイオードチップ（１）は発光ダイオードの基体が基板（５）から離れた側にあるように配設されることを特徴とする、請求項１から１９のいずれかに記載の構成。
【請求項１４】
前記発光ダイオードチップ（１）と前記基板（１７）との間に、それらと別体の中間担体（１０）が設けられ、前記発光ダイオードチップ（１）が該中間担体と電気的に接触することを特徴とする、請求項１３に記載の構成。
【請求項１５】
前記中間担体（１０）は窒化アルミニウム基体により形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の構成。
【請求項１６】
前記中間担体（１０）の基板（１７）側の側面は電気絶縁性であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の構成。
【請求項１７】
前記中間担体（１０）の発光ダイオードチップ（１）側の領域は導電性領域を有することを特徴とする、請求項１６に記載の構成。
【請求項１８】
少なくとも前記発光ダイオードチップ（１）の領域はレンズ（６）、特にフレネルレンズ（９）で覆われることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項１９】
前記基板（１７）と前記レンズ（６、９）との間の領域は少なくとも部分的に色変換材料（１３）で充填されることを特徴とする、請求項１８に記載の構成。
【請求項２０】
前記発光ダイオードチップ（１）はワイヤ（１１）により回路基板（３）に接触しており、該回路基板は間に存する絶縁層（４）を介してサンドイッチ状に前記基板（１７）に設けられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の構成。
【請求項２１】
少なくとも高伝熱層（５）と電気絶縁層（４）と回路基板（３）とを有し、該電気絶縁層（４）及び該回路基板（３）は前記伝熱層（５）が露出する少なくとも１つの凹部（１２、１６）を各々有する多層基板（１７）と、
前記高伝熱層（５）上の凹部（１６）の領域に配置される、少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、
を備える発光ダイオードの構成。
【請求項２２】
前記発光ダイオードチップ（１）は前記回路基板（３）と電気的に接触していることを特徴とする、請求項２１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
前記発光ダイオードチップ（１）の発光部分と前記高伝熱層（５）との間に伝熱接続層（２）を設けることを特徴とする、請求項２１または２２に記載の発光ダイオードの構成。
【請求項２４】
前記発光ダイオードチップ（１）の前記高伝熱層（５）側の表面は導電性であり、前記接続層（２）は別体の電気絶縁層であることを特徴とする、請求項２３に記載の発光ダイオードの構成。
【請求項２５】
前記電気絶縁層は接着ホイルにより形成されることを特徴とする、請求項２４に記載の発光ダイオードの構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤダイス（発光ダイオードチップ）が放熱板上に配設される発光ダイオードの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
より高輝度のＬＥＤの利用を実現するため、近年、作動出力が１ワット（電気）を超える今までにない高出力のＬＥＤが使用されている。こうしたＬＥＤダイスのチップ面積は、現在約１ｍｍ２である。将来、ＬＥＤ１個あたりの作動出力が更に増加することが期待されており、それは、より大きな半導体によるかあるいはより高い電流密度により達成されるであろう。具体的には、電流密度の増加により、近い将来ＬＥＤの出力密度は、現在の最高値の１〜２電気ワット／ｍｍ２から４電気ワット／ｍｍ２  を超える値まで増加するであろう。
【０００３】
出力密度の増加に伴って、同様に増加する熱の損失を促して、半導体において熱損失が十分に行われるようにする必要が同時にある。
【０００４】
作動中にＬＥＤが過度に加熱されると、特に部品が破壊される。このために、ＬＥＤの作動中は、ＬＥＤのｐｎ接合の境界層での温度が、例えば１２５°Ｃを超えないようにしなくてはならない。具体的には、ＬＥＤが取り込んだ電力の一部だけが光に変換され、残りの電力が熱に変換される危険性がある（現在、ＬＥＤの光効率はまだ１０％未満である）。従って、ＬＥＤの境界層温度が例えば１２５°Ｃを超えないように、インストール（アセンブリ）の種類、実装条件や環境条件に応じて、ＬＥＤの作動パラメータが選択される。
【０００５】
而して、本発明は、前記構成における熱抵抗を改良することにより熱損失をより効率的に促進できるという認識に基づく。本発明によって、熱がわずかな熱抵抗により十分に発散できれば、大きな温度差がなくてもＬＥＤの担体に熱を伝達できる。従って、熱抵抗は、Ｋ（ケルビン）／Ｗ（ワット）で表される。
【０００６】
従来技術では、境界層からＬＥＤ担体（板等）までの領域で一般に１５Ｋ／Ｗを超える熱抵抗を有する高電力ＬＥＤ用の構成が公知である。すなわち、従来技術では、５Ｗ（電気）で作動する際には、ＬＥＤ担体とＬＥＤの活性領域（境界層）の温度差は７５ケルビンまで上がるであろう。連続作動での上記最大許容境界層温度に基づけば、環境温度が例えば４０°Ｃであるとき、熱変換器（冷却体）での温度降下は最大１０°Ｃであることを意味する。これは、３５０ｃｍ２の冷却表面積を要するということであり、明らかに問題を生じる。これ以上の、５０°Ｃを超える温度での使用は実質的に不可能であり、例えば自動車分野などの特定の技術分野でのＬＥＤの利用は不可能であろう。
【０００７】
従来技術では、ＬＥＤ担体としてプリント回路基板（ＰＣＢ）を使用することが知られている。従来、これらは、熱伝導の非常に低い有機エポキシ樹脂を有し、担体上のＬＥＤにおける熱損失のための熱放散を更に困難にしている。
【０００８】
また、セラミック製の基板も公知であり、エポキシ樹脂による回路基板に比べてより良い熱特性を有するが、セラミック製基板は脆弱で破損しやすいため、担体材料として使用するのには更に適さない。
【０００９】
高出力技術の応用分野では、従来技術によれば、メタルコア基板も使用されている。これらの基板は、一般にメタルコアベース、絶縁層、導電路からなるサンドイッチ構造を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これら従来技術に鑑みて、本発明の目的は、放熱性を改善した発光ダイオードの取付け構成を提案することである。
【００１１】
従って、本発明は、従来技術によるメタルコア基板の使用においては、導電路に配置されたＬＥＤにおける熱損失のための放散がその下にある絶縁層により制限され、その結果ＬＥＤの電力密度が制限されてしまう、という見識に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、本発明の独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は、特に好適に、本発明のその中心的コンセプトを更に発展させる。
【００１３】
本発明によれば、少なくとも１つの発光ダイオードチップ（ＬＥＤダイス）を有する発光ダイオードの構成が提供される。また、例えば金属などの高伝熱性材料からなるベースを有し、発光ダイオードチップの発光部分とベースとの間に電気絶縁・高伝熱接続層を配置した多層基板が提供される。背景技術とは対照的に、熱絶縁性（エポキシ）層が不要であるので、発光ダイオードチップから基板の熱発散ベース材料への熱伝達が大幅に向上する。
【００１４】
電気絶縁接続層は、例えば基板側の、発光ダイオードチップの境界面またはその基体ベース（例えばサファイア）でもよい。
【００１５】
代替的にまたは追加的に、接続層は、それ自身がすでに電気絶縁性である接着層を備えてもよい。
【００１６】
例えば接着ホイルなどにより実現されるようなかかる絶縁性接着層は、ベース側の表面が電気伝導性である発光ダイオードチップを使用する際は、特に有利である。この場合、短絡とＥＳＤ故障を回避するために、チップとベースとの間に特定の電気絶縁が必要とされる。
【００１７】
発光ダイオードチップは、基板の窪みに収容してもよい。これにより、発光ダイオードチップはその上側が基板の輪郭から突出しないように、例えば基板の上側と面一となるように埋没される。
【００１８】
ＬＥＤダイスが配置される窪みは、基板の放熱性ベースに形成してもよい。
【００１９】
同時に、窪みは更なる機能を有してもよい。例えば窪みは反射体の効果を有してもよく、その場合、窪みの壁は少なくとも部分的に傾斜していると有利である。
【００２０】
発光ダイオードチップは、発光ダイオードの基体が基板側に設けられるように適用することができ、この場合、基体は例えばサファイアなどの電気絶縁性材料から形成してもよい。この種の取付け方法は、当該分野の専門用語ではしばしば「フェースアップ」と呼ばれる。
【００２１】
この点に関して、発光ダイオードの基体が基板から離れた側に設けられるよう発光ダイオードチップを構成する「フェースダウン」式取付け技術も想到される。この場合、発光ダイオードチップと基板の間に、これらの部品とは別の中間担体を配設してもよく、発光ダイオードチップはこの中間担体と電気的に接触する。
【００２２】
中間担体の基板側の側面は電気絶縁性でもよく、中間担体の発光ダイオードチップ側の領域に例えば導電路などの導電性領域を有してもよい。
【００２３】
少なくとも１つの発光ダイオードチップは、少なくともその領域を例えばフレネルレンズなどのレンズによって覆われてもよい。
【００２４】
基板とレンズとの間の領域は、少なくとも部分的に色変換材料で充填してもよい。よって、色変換材料は、発光ダイオードチップに隣接し、及び／またはその上に配置される。妥当な場合には、実質的により白い光特性を有するＬＥＤを設けるために、チップの側方の窪みにも色変換材料を充填してもよい。
【００２５】
発光ダイオードチップへの接触は、回路基板から延びるワイヤによって行ってもよく、それによりこの回路基板が発光ダイオードチップの側方で絶縁層を挟んで基板にサンドイッチ状に適用される。
【００２６】
本発明の更に他の側面によれば、サンドイッチ構造を有する発光ダイオードの構成が提案される。この構造は、例えば金属などの高伝熱層と、電気絶縁層と、回路基板とを有する。電気絶縁層と回路基板とは、互いに重なり合う凹部を有するので、伝熱層は上方側でこれらの凹部の領域において露出する；すなわち、電気絶縁層が露出することになる。少なくとも１つの発光ダイオードチップを、この高伝熱層上の凹部の領域に配置することが可能である。
【００２７】
そして、発光ダイオードチップは回路基板の側に電気的に接触してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明の更なる特徴、利点および特性について添付図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１実施例を示す。
【００３０】
図２は、ＬＥＤダイスが配置される窪みを金属ベース材料に設けた、図１の変形例を示す。
【００３１】
図３は、担体の窪み全体に色変換材料を充填した、図２の変形例を示す。
【００３２】
図４は、複数のＬＥＤダイスからなるＬＥＤ構成が平坦状フレネルレンズで覆われている様子を示す。
【００３３】
図５は、ＬＥＤダイスを「フェースダウン」式で実装した、別の実施例を示す。
【００３４】
図６は、ＬＥＤダイスを「フェースダウン」式で実装した、更に別の実施例を示す。
【００３５】
既に述べたように、本発明によれば、ＬＥＤダイスは、例えばメタルコア基板などの熱発散ベース上にできる限り直接に配置される。この工程で、ＬＥＤダイスはそのＬＥＤ基体面またはベース側のその表面においてしばしば導電されてしまい、こうした構成では回路基板ベース材料への短絡が発生してしまう可能性があり、特にＬＥＤの接続様式に関して設計の自由が全く許されないという問題を解決しなくてはならない。
【実施例１】
【００３６】
図１に示すように、ＬＥＤダイスは、メタルコア基板１７のベース材料（例えば金属）５上に伝熱・電気絶縁層２を介して配置される。
【００３７】
メタルコア基板１７は、ベースメタルコア５の他に、その上に存する電気絶縁層４と導電路３を有する導電層を有し、電気絶縁層４と導電路層３はＬＥＤダイス１が配置される凹部１６をそれぞれ有することが好ましい。
【００３８】
ＬＥＤダイスの基体が基板１）側にある上記構成により、ＬＥＤダイスは、ＬＥＤダイス１の上面にあるワイヤ１１によって導電路３の側へ電気的に接触する。
【００３９】
メタルコア基板７のベース材料５の下側には、公知の種類の冷却体１４を更に配設してもよい。
【００４０】
特に、ＬＥＤダイス１と凹部１６の領域を、ＬＥＤダイス１が発した光を束ねるほぼ円天井形のレンズ６によって覆ってもよい。
【００４１】
図１に示したＬＥＤ構成の電気接触は、レンズ６で覆われた領域の外側に設けられたプラグイン端子７などによって実現してもよい。
【００４２】
基板１７のベース材料５としては、一般に高伝熱性材料が使用され、好ましくは例えばアルミニウムや銅などの金属が使用できる。
【００４３】
電気絶縁・伝熱接続層２は、例えばＬＥＤの非導電基体層（緑色ＬＥＤには、例えばサファイアがしばしば用いられる）あるいは伝熱・電気絶縁接着剤でもよい。電気絶縁・伝熱接続層２は、多層基板１７におけるＬＥＤダイス１の一部でも、及び／またはそれとは別の層であってもよい。ＬＥＤダイス１の、多層基板１７側の表面が導電性となるように構成する場合は、別の層とすることが特に必要である。また、例えば互いに重ね合わせて構成した２つのダイオード層からなる赤色ＬＥＤの場合、２つの層の１つは必ず多層基板１７側にあるので、短絡やＥＳＤ故障を回避するために別の絶縁が必要となる。
【００４４】
メタルコア基板１７の絶縁層４は、例えば有機材料や薄いセラミックでもよい（後者を例えば金属担体５上に塗布するか、金属担体を焼付けセラミックテープで被覆する）。
【００４５】
図２の実施例では、基板１７のベース５も同様にＬＥＤダイス１を配置する窪み１８を有する。基板１７の金属製ベース材料５中の窪み１８の壁が傾斜しているので、窪み１８のこれらの金属製の壁は、鏡面や反射体の効果を好適に発揮する。また、窪みが、鏡面や反射体の効果を発揮する他の形状の壁および／または底面を備えてもよいことも想到できる。
【００４６】
このように、多層基板１７のベース材料５は、ＬＥＤダイス１の取付けや熱発散の機能を有するだけでなく、基板から離れる方向に光を向ける機能をも有する。基板１７のベース材料５における窪み１８の反射体効果によるこの光の方向付けは、レンズ６の効果に適合させることが好ましい。
【００４７】
色変換剤により「白色ＬＥＤ」が得られることは従来技術により公知である。そのようなＬＥＤは、しばしば専門分野では「蛍光体変換ＬＥＤ」あるいは「発光変換ＬＥＤ」とも呼ばれる。図３に示されるように、そのような色変換材料１３はレンズ６とＬＥＤダイス１との間のスペースでＬＥＤ上に直接適用されるか、あるいは図３に示す特に好ましい形態によって、充填材料が基板１７の導電路層３の上側に面一となるように窪み１２、１８を充填して構成してもよい。
【００４８】
図４の形態では、円天井形状のレンズの代わりに平坦状フレネルレンズ９を用いる。さらに図４からわかるように、そのようなレンズで複数のＬＥＤダイス１を覆ってもよい。フレネルレンズ９の下の２つのＬＥＤの間の領域には、ＬＥＤ用のコントロール用電子機器８（定電流源など）を配設してもよい。
【００４９】
図１〜４の実施例は、すべて「フェースアップ」、すなわちＬＥＤ基体が下側（基板１７のベース材料５の方向）に配置されるＬＥＤダイスを示している。
【実施例２】
【００５０】
図５は、上記と反対の例を示す；すなわち、図５によれば、ＬＥＤの基体が基板１７のメタルコアから離れる方向を向くように、ＬＥＤダイス１を「フェースダウン」に構成する。この場合、ＬＥＤダイス１は導電性接着剤２０を介して中間担体１０上に配置される。導電性接着剤２０は、例えば１０μｍ未満の厚さと２Ｗ／ｍＫを超える伝熱性を有する。図５のＬＥＤダイス１の電気接触は、中間担体１０に接続されるワイヤ１１により実現される。このような「フェースダウン」式に実装したＬＥＤダイスは、「フェースアップ」式に実装したＬＥＤダイスと比べて一般に効率が良い。
【００５１】
中間担体１０は例えばセラミック材料からなり、その上面に導電路を有し、その下面は、妥当な場合には、別の絶縁層１９により基板１７のメタルコア５に関して電気的に絶縁される。そして、絶縁層１９も高伝熱性を有するように構成される。
【実施例３】
【００５２】
最後に、発光を改善して高輝度を達成するためにＬＥＤダイス１を中間担体１０上に「フェースダウン」式に配設した実施例を、図６に示す。この中間担体の場合は、優れた伝熱特性を有すると同時に電気絶縁的に作用するＡｌＮ（窒化アルミニウム）セラミック担体基体を備えることが好ましい。この追加の中間担体１０を用いる利点は、より高いＥＳＤ（静電気放電）抵抗が達成されるとともに、メタルコア基板が電気的に中性に保たれることにある。
【００５３】
ここでは、光を所望の色（混色）へ変換するために、図５の形態に追加して、ＬＥＤダイス１が色変換材料１３で包囲される。レンズ６を固定するために、導電層３の上側が更なる接着層２１により覆われる。最後に、図示されたこの実施例では、基板１７の下側に、発光ダイオードの構成全体を簡単に取付け可能にする両面接着バンド２２が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施例を示す図である。
【図２】ＬＥＤダイスが配置される窪みを金属ベース材料に設けた、図１の変形例を示す図である。
【図３】担体の窪み全体に色変換材料を充填した、図２の変形例を示す図である。
【図４】複数のＬＥＤダイスからなるＬＥＤ構成が平坦状フレネルレンズで覆われている様子を示す図である。
【図５】ＬＥＤダイスを「フェースダウン」式で実装した、別の実施例を示す図である。
【図６】ＬＥＤダイスを「フェースダウン」式で実装した、更に別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１          発光ダイオードチップ
２          電気絶縁・伝熱接続層
３          回路基板
４          電気絶縁層
５          高伝熱層
６          レンズ
９          フレネルレンズ
１０        中間担体
１１        ワイヤ
１２、１６  窪み
１３        色変換材料
１５        境界表面
１７        基板
【図１】
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【図２】
2007510297.tif 000004
【図３】
2007510297.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007510297.tif 000008
【国際調査報告】
2007510297.tif 000009
2007510297.tif 000010
2007510297.tif 000011
2007510297.tif 000012
2007510297.tif 000013
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2007510297.tif 000018
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