(57)【要約】  光源および光源を製作する方法が開示される。光源は、非対称導体の層によって実装基板にボンディングされた複数の表面実装ＬＥＤを含む。各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出する。実装基板は、複数の接続配線を有する上端面を含む。各接続配線は、複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含み、ｐ型配線は、ｐ型コンタクトよりも大きい面積を有する。非対称導体の層は、表面実装コンタクトと接続配線の間に挟まれ、かつ任意に複数のＬＥＤ間のスペース内へ拡張してＬＥＤの側面から出射する光の方向を変える散乱媒体を設けることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の表面実装ＬＥＤであって、各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ前記第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出し、前記表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含み、各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられ、前記ｐ型コンタクトは、前記ＬＥＤ内の前記活性領域の少なくとも半分以上の面積を有する、複数の表面実装ＬＥＤと、
複数の接続配線を有する上端面を含む実装基板であって、各接続配線は、前記複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および前記複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含み、前記ｐ型配線は、前記ｐ型コンタクトよりも大きい面積を有する、実装基板と、
前記表面実装コンタクトと前記接続配線の間に挟まれた非対称導体の層と、
を備えた、光源。
【請求項２】
前記ｐ型配線は、前記ｐ型コンタクトの２倍よりも大きい面積を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記実装基板は、前記接続配線と直接に接触している絶縁層および前記絶縁層と直接に接触している熱拡散層を含み、金属の層から成る前記熱拡散層は、周囲温度を上回る７５°Ｃよりも高い温度で前記ＬＥＤが作動しないように、前記ＬＥＤによって発生した熱を放熱構造体へ移動させるのに十分な厚さを有する、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記非対称導体は、第１透明媒体内で浮遊した、変形可能で非変形直径を有する導電粒子と、前記ＬＥＤによって発生した光の前記波長よりも大きくかつ前記非変形直径の半分を下回る寸法を有する光散乱粒子とを含む、請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、前記ＬＥＤはまた、前記第１表面および前記第２表面にほぼ垂直の側面から光を放出し、前記非対称導体は、前記ＬＥＤの前記側面から出射する光が、前記複数のＬＥＤ間に位置決めされた前記非対称導体に入射するように、前記複数のＬＥＤ間のスペース内に存在している、請求項４に記載の光源。
【請求項６】
透明担体材料内で浮遊した蛍光体粒子を含む蛍光体層をさらに備えた、請求項４に記載の光源。
【請求項７】
前記担体材料は、前記第１材料とほぼ同一の熱膨張係数を有する、請求項６に記載の光源。
【請求項８】
前記担体材料は、前記第１材料を含む、請求項６に記載の光源。
【請求項９】
前記熱拡散層の下に配線層をさらに備え、前記配線層は、前記接続配線を前記配線層内の導体に接続する、請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
前記非対称導体内に熱伝導材料から成る粒子をさらに備え、前記熱伝導材料は、前記第１材料よりも大きい熱伝導率を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
前記導電粒子は、９０パーセントよりも大きい反射率を有する外面コーティングを含む、請求項４に記載の光源。
【請求項１２】
前記導電粒子は、アルミニウムを含む外面コーティングを有する、請求項４に記載の光源。
【請求項１３】
光源を製作する方法であって、
複数の表面実装ＬＥＤを設けるステップであって、各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ前記第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出し、前記表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含み、各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられ、前記ｐ型コンタクトは、前記ＬＥＤ内の前記活性領域の少なくとも半分以上の面積を有する、複数の表面実装ＬＥＤを設けるステップと、
複数の接続配線を有する上端面を含む実装基板を設けるステップであって、各接続配線は、前記複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および前記複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含み、前記ｐ型配線は、前記ｐ型コンタクトよりも大きい面積を有する、実装基板を設けるステップと、
液体状態にある非対称導体の層を前記表面実装コンタクト上に堆積させるステップと、
各表面実装コンタクトが、対応する接続配線に整列するように、前記ＬＥＤを位置決めするステップと、
前記非対称導体を硬化状態に硬化させながら、前記実装基板に対して前記ＬＥＤを押し込むステップと、
を備えた、方法。
【請求項１４】
前記非対称導体は、第１透明媒体内で浮遊した、変形可能で非変形直径を有する導電粒子と、前記ＬＥＤによって発生した光の前記波長よりも大きくかつ前記非変形直径の半分を下回る寸法を有する光散乱粒子とを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、前記ＬＥＤはまた、前記第１表面および前記第２表面にほぼ垂直の側面から光を放出し、前記液体状態にある前記非対称導体の前記層は、前記ＬＥＤの前記側面から出射する光が、前記複数のＬＥＤ間に位置決めされた前記非対称導体に入射するような高さまで、前記複数のＬＥＤ間のスペース内に前記非対称導体が存在しているような厚さを有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
透明担体材料内で浮遊した蛍光体粒子を含む蛍光体層を、前記ＬＥＤ上に堆積させるステップをさらに備えた、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）は、電気エネルギを光に変換する重要な部類の固体デバイスである。
【背景技術】
【０００２】
これらのデバイスの改善により、従来の白熱光源および蛍光光源の代替品として、照明器具へのこれらのデバイスの利用がもたらされてきた。ＬＥＤは、白熱電球および蛍光灯よりも、著しく長寿命である。加えて、ＬＥＤのエネルギ変換効率は、現在、蛍光灯器具において得られるレベルと同一レベルに到達しており、これらの効率さえも越えるように約束されている。
【０００３】
単一のＬＥＤは、大部分の用途において従来の光源の代替品として用いるには、あまりにも小さい光しか生み出さない。したがって、代替用の光源は、多数の単一ＬＥＤを利用しなければならない。多数の単一ＬＥＤを用いなければならないことに起因するパッケージ費用問題および信頼性問題は、ＬＥＤベースの光源が、従来の光源の代替品として十分な可能性に到達することになる場合、克服しなければならない課題を提起している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，９６５，３６１号明細書
【０００５】
【特許文献２】米国特許出願第１２／８４５，１０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光源および光源を製作する方法を含む。光源は、非対称導体の層によって実装基板にボンディングされた複数の表面実装ＬＥＤを含む。各ＬＥＤは、ＬＥＤの第１表面上に表面実装コンタクトを有し、かつ第１表面に対向するＬＥＤの第２表面から光を放出する。表面実装コンタクトは、ＬＥＤに電力を供給するためのｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを含む。各ＬＥＤは、所定波長の光を発生させる活性層によって特徴付けられ、ｐ型コンタクトは、ＬＥＤ内の活性領域のうちの少なくとも半分以上の面積を有する。実装基板は、複数の接続配線を有する上端面を含む。各接続配線は、複数のｎ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｎ型配線、および複数のｐ型コンタクトのうちの対応する１つの直下にあるように位置決めされたｐ型配線を含み、ｐ型配線は、ｐ型コンタクトよりも大きい面積を有する。非対称導体の層は、表面実装コンタクトと接続配線の間に挟まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様において、複数のＬＥＤは、互いにスペースを空けて配置され、ＬＥＤは、ＬＥＤの側面から光を放出する。非対称導体は、ＬＥＤの側面から出射する光が、複数のＬＥＤ間に位置決めされた非対称導体に入射するような高さまで、複数のＬＥＤ間のスペース内に存在している。非対称導体は、側面から出射する光を散乱させる散乱粒子を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、従来技術の蛍光体変換型ＬＥＤ光源の一部の断面図である。
【図２】図２は、別の従来技術の光源の一部の断面図である。
【図３】図３は、非対称導体によってボンディングされた１対の表面の断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。
【図５】図５は、ＬＥＤをｎ型配線およびｐ型配線にボンディングする前の実装基板の一部の上面図である。
【図６】図６は、本発明に従う光源の別の一実施形態の一部の断面図である。
【図７】図７は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。
【図８】図８は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。
【図９】図９は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明が効果をもたらすやり方は、従来技術の蛍光体変換型ＬＥＤ光源の一部の断面図である図１を参照して、より容易に理解することができる。光源２０は複数のＬＥＤを含み、そのうちのＬＥＤ２１が代表的である。ＬＥＤは、プリント回路基板３２上に実装され、基板は、熱拡散層３３、絶縁層３４、および導体３５などの導電体を設けるためにパターン化された導電層を含む。ＬＥＤは、ＬＥＤの側面から出射する光の方向を変える反射壁３６を有するくぼみ内に実装され、矢印で示すように、光が光源から垂直方向に出射するようにする。熱拡散層３３の表面は、典型的には、下向きの方向に放出される任意の光を、上向きの方向に方向を変える反射材料で覆われる。ＬＥＤは、ＬＥＤによって発生した青色光の一部を光スペクトルの黄色領域内の光に変換する蛍光体３７の層によって覆われる。青色光および黄色光の組み合わせは、人間観察者には「白色」光として理解される。
【００１０】
ＬＥＤは、サファイア基板２３上に堆積した発光構造体２２を含む。発光構造体は、活性層２４が、基板２３上に堆積したｎ型ＧａＮ層２８と、活性層の真上に堆積したｐ型ＧａＮ層２５との間に挟まれた構造とみなすことができる。デバイスは、コンタクト２６および２７から電力を供給される。ｐ型ＧａＮが極めて高い抵抗率を有するので、電流拡散層２９は、典型的には層２５の表面上に堆積する。図１に示された配列において、光はＬＥＤの上端面を通して抽出され、それゆえに電流拡散層は透明でなければならない。典型的には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）は、電流拡散層に用いられる。
【００１１】
ＬＥＤへの電気的接続は、ＬＥＤ上のコンタクトをプリント回路基板上の対応するコンタクトに接続するボンディング３１などのワイヤボンディングによって提供される。ワイヤボンディングは、特に光源が多数の単一ダイを含むとき、製作費用および信頼性の点で問題を提起する。ワイヤボンディングは、蛍光体層とカプセル化されたワイヤボンディングとの間の応力が原因で、ボンディングの当初の実装時点と実装後の時点で故障を受けやすくなる。加えて、ワイヤボンディングは、ボンディングパッドおよび金ワイヤが両方とも光を吸収するので、ＬＥＤから出射する光のうちのかなりの割合を遮断する。
【００１２】
図１に示された配列は、ＬＥＤの側面から出射する光に関して、良好な光の取り込みをもたらす。しかしながら、本態様は、反射性カップを有するより複雑な実装基板を必要とする。基板の費用が増加すると、光源の費用も増加する。
【００１３】
図１に示された配列は、ＬＥＤの下端面全体がプリント回路基板の熱拡散層３３と接触しているので、良好な熱伝導をもたらすという利点を有する。ＬＥＤの効率が温度とともに減少するので、熱を除去することは高出力ＬＥＤ光源の重要な態様となる。加えて、蛍光体層３７とプリント回路基板３２の間の熱膨張係数の差から生じる機械的問題は、動作温度が増加するにつれて悪化するようになる。
【００１４】
ワイヤボンディングと関連した問題は、フリップチップ実装法を利用することによって低減することができる。次に図２を参照すると、同図は、別の従来技術の光源の一部の断面図である。光源４０は、複数の表面実装されたＬＥＤを含む。この説明のために、表面実装されたＬＥＤは、ｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトが両方ともＬＥＤの一側面上にあるＬＥＤと定義され、光は主としてＬＥＤの対向面を通して放出されるが、光の一部はＬＥＤの側面を通して放出されることができる。図２に示された事例において、サファイア基板４１は上向きに面しており、ＬＥＤは、ＬＥＤに電力を供給するのに用いられるコンタクトによって、実装基板に接続される。光は、サファイア基板を通して放出される。ｐ型コンタクトは、光がサファイア基板またはＬＥＤの側面を通して抜け出るように、コンタクトに当たる光の方向を変える反射鏡４２を含む。反射鏡は、電流拡散層として機能し、それによってＩＴＯ層を用いる必要性を低減しまたは排除することもできる。ＩＴＯ層がこの配列内で電流拡散を必要としないものの、ＩＴＯ層は、依然としてｐ−ＧａＮ層とのオーム接触をもたらすことができ、それゆえに薄いＩＴＯ層をｐ型コンタクト内に含むことができる。光がｐ−ＧａＮ層を通して抜け出ないので、ｐ型コンタクトは、ほぼ活性層全体に拡張することができ、それゆえに高抵抗ｐ−ＧａＮ層全体に電流拡散をもたらす問題は、実質的に低減される。この説明のために、ｐ型コンタクトが活性層のうちの少なくとも６０パーセントを覆う場合、ｐ型コンタクトは、ほぼ活性層全体に拡張するように定義されることになる。
【００１５】
ｎ型コンタクトおよびｐ型コンタクトは、実装基板上のそれぞれ対応する配線４３および４４にボンディングされる。これらの配線は、プリント回路基板の放熱コア領域４６を覆う絶縁層４５上にパターン化される。はんだ、熱圧着、または非対称導電性接着剤を利用する適切なボンディング材料は、当技術分野で周知のことである。非対称接着剤は、以下でより詳細に説明されることになる。
【００１６】
図２に示された配列が、ワイヤボンディングと関連した問題を低減するものの、ＬＥＤの側壁を通して抜け出る光の放熱および損失は、問題の多い状態のままである。ＬＥＤが、上述したように反射性カップ内に実装される場合、基板の費用が問題になる。さらに、ボンディング工程は、ＬＥＤをボンディング工程中にプリント回路基板に押し付ける必要があり、それゆえにＬＥＤが反射性カップ内にある場合、光源内のすべてのＬＥＤに同時に作用することができる圧力機構を設けることは、問題が多い。
【００１７】
複数のＬＥＤ間の領域が、散乱粒子を含む透明材料で満たされ、かつ複数のＬＥＤ間の実装基板の表面が反射する場合、カップは、排除することができる。この場合、ＬＥＤの側面から出射する光は、この光が、光源からおおむね上向きの方向に出射するまで、または多重反射後に吸収されるまで、散乱することになる。散乱によって光の方向を変えることが、カップまたは他の反射体を利用する実施形態よりもそれほど効率的でないものの、光損失の埋め合わせのために新たなＬＥＤをアレイに追加することがあるので、製作費用の低減は、しばしばより重要である。光の方向を変えるこのモードが反射性カップを必要としないものの、工程は、散乱材料を複数のＬＥＤ間に取り入れる別個の堆積ステップを必要とする。ＬＥＤが、密に詰め込まれたアレイ内にある場合、複数のＬＥＤ間に材料を注入すると、課題が提起される。
【００１８】
放熱には、ＬＥＤから下層コア領域４６までの低い熱抵抗経路、およびコア領域４６から最後に熱を環境、典型的には空気界面、へ伝達する構造体までの低い熱抵抗経路が必要となる。これらの経路のうちのいずれかが大きい熱抵抗を示す場合、ＬＥＤは、抵抗性経路に沿って熱を追い込むように、高温で作動せざるを得ないことになる。典型的には、ＧａＮ−ＬＥＤは、１００°Ｃを下回る温度または周囲環境を上回る温度７５°Ｃで作動するように設計される。本発明の一態様において、ＬＥＤから、熱を環境へ伝達する最後の熱放射構造体までの熱経路は、問題になっている環境の温度を上回る７５°Ｃよりも高い温度でのＬＥＤの作動を必要とせずに、ＬＥＤ内に発生した熱が環境に伝達することができるように、寸法決めが行われる。
【００１９】
ＬＥＤから領域４６までの経路は、２つの潜在的なボトルネックを有する。第１は、ｐ型コンタクトと下層の電気配線、すなわち配線４４との間の接続である。第２は、配線４４からコア４６までの熱経路である。非対称導電性接着剤の場合を除いて、はんだまたは直接ボンディングによる金属−金属ボンディングが、ＬＥＤ材料よりも大きい熱伝導率を有することになるので、第１ボトルネックから制限を受ける可能性はない。第２ボトルネックは、配線が下層の放熱コアから絶縁されなければならず、かつプリント回路基板に用いられる絶縁層も高熱抵抗を有するので、より重要な問題を提起する。
【００２０】
本発明の一態様において、光散乱および垂直接続をもたらすように変型された非対称導体が利用される。非対称導体が作動するやり方は、非対称導体によってボンディングされた１対の表面の断面図である図３を参照して、より容易に理解することができる。非対称導体は、硬化工程によって固体に変換することができる硬化性エポキシ樹脂または他の絶縁担体材料内で浮遊した、複数の弾性のある金属コーティングされた球体５３を含む。各球体は、球体を導体にする金属層５４でコーティングされる。この材料の層が、図３に示すように２つの表面間へ押し付けられると、導体５１と導体５２の間に閉じ込められた球体は、５６で示すように変形する。変形した球体は、電極５１と電極５２の間を電気的に接続する。担体媒体が硬化した後、２つの表面は、同表面上の対向する導体が互いに電気的に接続された状態で、互いにボンディングされたままになる。球体の密度は、対向する導体の任意の対が同導体間に閉じ込められた１つ以上の球体を有することを確実にするのに十分に高いように、しかし球体が水平方向に互いに接触しかつ横方向に走る導電経路を形成しないことを確実にするのに十分に低いように、選ばれる。
【００２１】
非対称導体は、１０年以上にわたって、内部にスイッチング回路構造を有する下層の基板に対して、ＬＥＤのアレイをボンディングするのに用いられている。例えば、特許文献１は、有機ＬＥＤのアレイを含む層が、個々のＬＥＤをオンおよびオフ切り換えする薄膜トランジスタを備えた基板上にボンディングされるディスプレイを教示する。
【００２２】
次に図４を参照すると、同図は、本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。光源６０は、複数の表面実装ＬＥＤ６１−６４を含む。ＬＥＤは、実装基板６５上の配線にボンディングされる。典型的な配線は、６６および６７でラベル付けされる。配線は、放熱拡散層６９にボンディングされた絶縁基板６８上に堆積した金属層からパターン化される。基板６８は、以下でより詳細に説明されることになる。
【００２３】
ＬＥＤは、絶縁担体材料内で浮遊した２種類の粒子を含む非対称接着剤層によって、配線にボンディングされる。第１種類の粒子は、７２で示され、球体５３に関連して上述したものと同様のやり方で作動する外面金属コーティングを備えた圧縮可能なポリマー球体から成る。第２部類の粒子は、粒子に当たる光を散乱させる光反射粒子７１から成る。本発明の一態様において、これらの粒子は、ＴｉＯ２などの絶縁粒子である。電気的に接続される予定の複数の表面間の球体の圧縮を散乱粒子が妨げないことを確実にするために、散乱粒子は、導電球体を著しく下回る直径を有する。例えば、散乱粒子は、ＬＥＤの電極と層６８上の対応する配線との間の最小距離を下回る直径を有することができる。散乱粒子は、好ましくはＬＥＤによって発生した光の波長よりも大きい直径を有することに留意されたい。本発明の一態様において、光散乱粒子は、圧縮可能な球体が、複数の導体間に挟まれることによって変形しないときの圧縮可能な球体の直径の半分を下回る最大寸法を有する。
【００２４】
本発明の一態様において、ＬＥＤは、担体材料が液体状態にあるうちに、非対称接着剤の層へ押し込まれる。すべてのＬＥＤが材料の層へ押し込まれるときに、ＬＥＤの端が７０で示すように非対称導体によって覆われることを確実にする高さまで、複数のＬＥＤ間のスペースへ超過した材料が押し込まれることを確実にするために、この材料の層は十分な厚さを有し、ＬＥＤの側壁から出射する光が、複数のＬＥＤ間の非対称導体の層に入射し、かつ散乱粒子によって散乱するようにする。例えば、ＬＥＤの側面から出射する光のうちの少なくとも５０、６０、７０、８０、または９０パーセントが、複数のＬＥＤ間の非対称導体媒体に入射することを、複数のＬＥＤ間の非対称導体媒体の高さが、確実にするのに十分であるように、硬化前の非対称導体媒体の厚さは、設定することができる。
【００２５】
本発明の一態様において、層６８の上端面は、散乱する任意の光を、下向きの方向から折り返して上向きの方向へ反射する領域７４などの反射領域を含む。これらの反射領域は、他の構造体に接続されない別個の反射領域、またはｐ型コンタクトの反射拡張領域とすることもできる。
【００２６】
金属コーティングが、良好な反射鏡をもたらす材料から選ばれるならば、導電球体は、散乱粒子としても機能することができる。この点については、金および銀などの高導電性の金属は、表面が粗くない場合に、良好な鏡面をもたらすだけであることに留意されたい。表面が、十分に滑らかでない場合、粒子は、表面プラズモン効果を介して光を吸収することになる。従来技術の粒子は、外面コーティングに金または銀を利用して、コーティングの導電率を最大化し、それゆえに最適な反射面をもたらさない。本発明の一態様において、導電粒子は、アルミニウムを外面コーティングとして利用して、複数のＬＥＤ間に閉じ込められた粒子の反射率を改善する。
【００２７】
放熱は、いくつかの理由でＬＥＤに基づく高出力光源の重要な問題である。第１に、電気の光への変換効率は、高温で減少する。第２に、ＬＥＤの寿命もまた、温度とともに減少する。第３に、複数のＬＥＤと非対称導体内で用いられた担体材料との間の熱膨張係数に差があると、非対称導体内で破砕が生じ、ＬＥＤが下層の構造体から切り離されることがある。したがって、ＬＥＤから周囲環境までの熱伝達を最大化することは、どんな高出力ＬＥＤ光源設計にも重要な態様である。
【００２８】
ＬＥＤによって発生した熱は、ＬＥＤの上方の空気へ、または熱を自然環境に結合する放熱構造体との熱的接触状態にある熱拡散層６９へ、伝達しなければならない。層６９に熱を伝達するために、層６８の熱抵抗は、ＬＥＤ上の複数のコンタクトと層６８上の対応する配線との間の非対称導体層の熱抵抗をはるかに下回ることが好ましい。層６８の熱抵抗は、依然として電気絶縁をもたらすと同時に低熱抵抗を有する材料を用いることによって、および層６９へ熱を全面で伝達する層６８の表面積を増加させかつ層６８の厚さを減少させることによって、低減することができる。
【００２９】
ＬＥＤ上のｐ型コンタクトと層６８上の対応する配線との間の非対称導体の層の厚さが極めて薄いので、熱抵抗は、配線と層６８の間のコンタクトの面積によって決定される。上述したように、複数のＬＥＤ間に反射面７４を設けることは有利なことである。本発明の一態様において、ＬＥＤ上のｐ型コンタクトに対向して配線を拡張することによって、この表面が生み出されるが、配線は、ｐ型コンタクト配線と呼ばれることになる。これらの配線は、アルミニウムまたは他の高反射コーティングでコーティングすることができる。配線の面積が拡張されて複数のＬＥＤ間の領域を実質的に満たし、それによって熱伝達面積を実質的に増加させることができる。この面積の最大拡大値は、複数のＬＥＤのスペース配置に依存する。本発明の一態様において、複数のＬＥＤは、ｐ型配線の面積が、ＬＥＤ上のｐ型コンタクトの面積の少なくとも２倍であるように、スペースを空けて配置される。
【００３０】
次に図５を参照すると、同図は、ＬＥＤをｎ型配線およびｐ型配線にボンディングする前の実装基板の一部の上面図である。拡大したｐ型配線が、８１で示される。ＬＥＤがボンディングする面積は、８２の仮想線で示される。ｎ型配線は８３で示される。絶縁体８８の表面上における配線への電気的接続は、熱拡散層の下の層内にある導電平面へ、配線の下にあるビアを通してなされる。
【００３１】
次に図６を参照すると、同図は、本発明に従う光源の別の一実施形態の一部の断面図である。光源９０が、非対称導体によって実装基板上の配線にボンディングされた複数のＬＥＤを含む点で、光源９０は、図４を参照して上述した光源６０と同様である。ｐ型コンタクトを接続する配線は、図５に関して上述したように拡大される。典型的な拡大された配線が、９９で示される。配線は、各配線を配線層１０１上の対応する導体に接続する導電ビア９７によって、配線層９８に接続される。これらのビアは、熱拡散層９１内の絶縁体の中を通過する。したがって、唯一の高熱インピーダンスの面積は、絶縁体１０２の表面上の拡大した配線と熱拡散層９１の間の面積である。
【００３２】
光源９０は、ＬＥＤによって発生した光の一部を異なるスペクトラムを有する光に変換する蛍光体変換層９４も含み、この異なるスペクトラムは、光出射層９４が所定の色温度を有する白色光であると理解されるように選ばれる。蛍光体変換層は、エポキシ樹脂などの透明担体媒体内で蛍光体粒子９６を浮遊させ、次いで浮遊物質が光源全体にいったん広がるとエポキシ樹脂層を硬化させることによって、構成される。複数のＬＥＤ間の領域が非対称導体で満たされるので、蛍光体変換層は、より一様な厚さとすることができ、それゆえにＬＥＤからの青色光が蛍光体の厚さに差がある種々の領域の蛍光体の中を通過することから生じる、色の変動が低減される。
【００３３】
本発明の一態様において、蛍光体変換層９４は、非対称導体と同一のエポキシ樹脂媒体から構成される。本発明の別の一態様において、蛍光体変換層は、非対称導体とほぼ等しい熱膨張係数を有する。ここで、２つの層は、熱膨張係数の差が、その設計寿命にわたる光源の熱サイクル中に２つの層を分離させる恐れのある差を下回る場合、ほぼ等しい熱膨張係数を有するとして定義されることになる。この配列によって、異なる層と関連した異なる熱膨張係数を有することに関連する問題が低減される。
【００３４】
非対称導体および蛍光体変換層の熱伝導率をさらに改善するために、高熱伝導率媒体の粒子９５を層内に含むことができる。例えば、ダイヤモンド、結晶シリコン、またはＧａＮの粒子を、層９４および非対称導体内に含むことができる。これらの材料は、層を構成するのに用いられるエポキシ樹脂よりも著しく高い熱伝導率を有し、それゆえにこれらを含むと、層の平均熱伝導率はエポキシ樹脂よりも高くなる。これらの材料も透明であり、それゆえに光を吸収しない。このような材料の使用は、出願日が２０１０年７月２８日である、同時係属中の特許文献２に詳細に説明されており、参照することによって本明細書に援用される。
【００３５】
上述したように、熱拡散層９１は、ＬＥＤによって発生した熱を環境との接触を有する光源の領域まで移動させ、かつ周囲環境へ熱を放散するのに役立つ、９３で示されたフィンなどの構造体を含むことができる。典型的には、熱は空気へ放散されるが、熱拡散層が、熱を放散する他の構造体と接触している実施形態を構成することもできる。
【００３６】
上述した実施形態において、層１０２の熱抵抗は、ＬＥＤから熱を除去する点で、大部分の課題を提起する。この層は、薄いポリマー層またはガラスなどの絶縁材料の薄層から構成することができる。代替策としては、層１０２は、熱拡散層９１上に成長する非ドープ結晶材料から構成することができる。例えば、ダイヤモンドの層は、化学気相成長法または類似の技術を用いて、低温で相当数の基板上に堆積することができる。このようなコーティングは、一般に、ガラスまたはプラスチックの傷防止コーティングとして用いられる。同様に、非ドープシリコンは、絶縁体として用いることもできる。これらの結晶材料は、ポリマー層よりも著しく高い熱伝導性を有する。
【００３７】
本発明の一態様において、配線層は、ＬＥＤに電力を供給する電源コネクタ１０４を含む駆動回路１０３に結合される。駆動回路は、ＬＥＤのアレイ用の内部接続微細構成を決定するスイッチング回路構造も含むことができる。
【００３８】
本発明の一実施形態に従う光源が構成されるやり方は、図７〜図９を参照して次に説明されることになるが、同図は、製作工程の種々のステージにおいて本発明の一実施形態に従う光源の一部の断面図である。始めに、実装基板１１５は、図７に示すように未硬化の液体状態にある非対称導体の層１１６で覆われる。各ＬＥＤ１１７は、ＬＥＤ上のコンタクトが実装基板１１５上の対応する配線の真上にあるように位置決めされる。位置決めされたＬＥＤは、次いで図８に示すように実装基板１１５に対して押し込まれる。ＬＥＤは、非対称導体の層へ一度に１つずつ押し込むことができ、または一時的担体に取り付けられて、非対称導体へ同時に押し込むことができる。ＬＥＤが非対称導体の層へ押し込まれた後、ＬＥＤに圧力が加わり、非対称導体材料が加熱されて、この材料が硬化し、それゆえに非対称導体層は固体になる。上述したように、未硬化の非対称導体材料の深さは、ＬＥＤが非対称導体材料へ押し込まれるとき、非対称導体が複数のＬＥＤ間の領域を満たすように設定される。非対称導体材料が硬化した後、蛍光体含有材料の層１１８は、硬化非対称導体層の上に堆積し、図９に示すように硬化する。
【００３９】
上述した説明は、上端面または下端面に関して、種々の表面を指す。これらは、図面が特定の方向に保持されるときに図面で理解されるような表面の関係を表すラベルにすぎない。これらのラベルは、地球上の方向に関して、どんな関係も意味するものではない。
【００４０】
上述した本発明の実施形態のＬＥＤは、ｎ型層とｐ型層の間に挟まれた活性層に関して説明してきたが、種々の層が基板上で成長する。しかしながら、各層は、複数のサブ層を含むことができることを理解されたい。同様に、基板は、ＬＥＤ層を堆積させる前に堆積する１つ以上のバッファ層を含むことができる。
【００４１】
上述した本発明の実施形態は、本発明の種々の態様を説明するために提供されてきた。しかしながら、異なる特定の実施形態に示された本発明の異なる態様が組み合わされて、本発明の別の実施形態を提供することができることを理解されたい。加えて、本発明に対する種々の変型が、上述の説明および添付の図面から明らかなことになる。したがって、本発明は、単に次の請求項の範囲によって限定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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