(57)【要約】  カプセル化ＬＥＤは、レンズ形状を画成する凹部を画成する成型ツールを取り、フィルムの表面にミクロ構造の反転物を画成するパターン化離型フィルムを提供することによって作製されることができる。パターン化離型フィルムは、成型ツールの凹部の形状に倣っている。ＬＥＤチップは、凹部内で、パターン化離型フィルムから離隔関係に配置される。そして、樹脂が、凹部内のＬＥＤチップとパターン化離型フィルムとの間の空間に導入される。樹脂は、凹部内のＬＥＤチップとパターン化離型フィルムとの間の空間内で硬化され、その間、パターン化離型フィルムと硬化樹脂との間の接触が維持される。そして、カプセル化ＬＥＤは、成型ツール及びパターン化離型フィルムから分離される。
2013510446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カプセル化ＬＥＤを製造するための方法において、
ＬＥＤチップを設ける工程と、
レンズ形状を画成するための凹部を画成する成型ツールを設ける工程と、
ミクロ構造の反転物をその表面に画成するパターン化離型フィルムを設ける工程と、
前記パターン化離型フィルムを前記成型ツールの前記凹部の形状に沿わせる工程と、
前記凹部内で前記パターン化離型フィルムからＬＥＤチップを離脱させる工程と、
前記凹部内の前記ＬＥＤチップと前記パターン化離型フィルムとの間の空間に樹脂を導入する工程と、
前記パターン化離型フィルムと前記樹脂との間の接触を維持している間に、前記凹部内の前記ＬＥＤチップと前記パターン化離型フィルムとの間の空間内の樹脂を硬化させる工程と、
前記成型ツール及び前記パターン化離型フィルムから前記カプセル化ＬＥＤを離型させる工程とを備える、方法。
【請求項２】
前記パターン化離型フィルムは、ディフューザを形成する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記パターン化離型フィルムは、光成形ディフューザを形成する請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ＬＥＤチップは、ＲＧＢダイオード・パッケージまたは蛍光物質をコーティングした青色ＬＥＤパッケージのいずれかであり、
前記成型ツールは、概して半球状である凹部を画成し、
前記パターン化離型フィルムは、該フィルムに一体成形された前記ミクロ構造を有するフッ素重合体フィルムであり、
前記樹脂は、光学品質のシリコン樹脂である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記離型フィルムに具現化された前記パターンは、ミクロ構造を備え、該ミクロ構造は、約１００μｍまでのフィーチャサイズを有している請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記離型フィルムに具現化されたパターンは、エンボシング・ツール（ニッケル製のシムなど）のミクロ構造の反転物である請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記光成形ディフューザのミクロ構造は、前記ミクロ構造を通じた光の非不連続な透過によって散乱を提供するように、非不連続であり、滑らかな変化を有した、ランダムで不規則で非平面の斑点である請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記光成形ディフューザ構造は、記録されたレーザ斑点の構造を有している請求項７記載の方法。
【請求項９】
発光ダイオードと、
該発光ダイオードをカプセル化する硬化樹脂と、
該硬化樹脂の表面に一体成形された光成形ディフューザを構成するミクロ構造とを備える発光ダイオード・パッケージ。
【請求項１０】
光成形ディフューザ構造を備える前記ミクロ構造は、記録されたレーザ斑点の構造を有している請求項９記載のパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学に分野に関する。より詳細には、本発明は、半導体照明に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国は、照明に毎年７００億ドル以上を費やしている。ＬＥＤは、照明エネルギーの経済及び環境上の両方のコストを著しく低減することができ、それによって、外国の供給源からエネルギーを輸入する必要性と、温室効果ガスを含むエネルギー関連排出とを低減する一方で、すべての経済部門のエネルギー効率を向上させる。継続的な高い成長率は、ＬＥＤ照明市場において、特にＬＣＤテレビ、信号／サイン、自動車、道路／駐車場の照明、及び一般的な商業／産業照明用の高輝度ＬＥＤ（ＨＢ−ＬＥＤ）の商業的入手性と共に期待されている。
【０００３】
相当な研究開発の努力が、ＬＥＤチップのレベルでＨＢ−ＬＥＤ効率を向上させることに注力されてきた。しかし、ＨＢ−ＬＥＤの全体的な明度は、ＬＥＤのパッケージ化処理（成型／カプセル化）によって影響を受ける。ＨＢ−ＬＥＤの全体的な発光効率を高めることに対してはより少ない努力がなされてきた。それは実用用途における最終製品としてのＬＥＤ性能に影響する。
【０００４】
現在、シリコン樹脂が、ＨＢ−ＬＥＤ用のチップ・カプセル材料として使用されている。ＬＥＤパッケージを成型するのに先立って、金型は、柔軟性がありパターンがなく使い捨ての離型フィルム（フッ素重合体ＥＴＦＥから作られるようなものであるが、これに限定されない）でその内側を覆われ、それによって、金型及びＬＥＤパッケージの２つが処理の終了時に分離されるときに、これらの両方が損傷から保護される。次に、液体のシリコン樹脂が金型に注入され、最終生産物（カプセル化ＬＥＤ）が形成される。そして、部分真空下で、ＬＥＤチップが、液体シリコン樹脂に対してプレスされ、その液体を離型フィルムと共に成型凹部の全体に亘って拡げる。シリコンが高温下で凝固すると、最終成型ＬＥＤパッケージが凹部から分離される。しかし、シリコンは、その高い屈折率及び全内反射（ＴＩＲ）のために、ＬＥＤチップによって生成された相当な量の光をトラップする。トラップされた光は、不必要にトラップされた光によって生成される異常な高温のために、ＬＥＤパッケージの光学的効率とその全体寿命とを低下させる。
【発明の概要】
【０００５】
カプセル化ＬＥＤは、レンズ形状を画成する凹部を画成する成型ツールを取り、フィルムの表面にミクロ構造の反転物を画成するパターン化離型フィルムを提供することによって作製されることができる。パターン化離型フィルムは、成型ツールの凹部の形状に倣っている。ＬＥＤチップは、凹部内で、パターン化離型フィルムから離隔関係に配置される。そして、樹脂は、凹部内のＬＥＤチップとパターン化離型フィルムとの間の空間に導入される。凹部内のＬＥＤチップとパターン化離型フィルムとの間の空間内で樹脂を硬化させ、その間、パターン化離型フィルムと硬化樹脂との間の接触が維持される。そして、カプセル化ＬＥＤは、成型ツール及びパターン化離型フィルムから分離される。
【０００６】
操作可能には、パターン化離型フィルムは、硬化樹脂の表面上に光学ディフューザを形成し、光成形ディフューザをさらに形成することが可能である。光成形ディフューザのミクロ構造は、非不連続であり、ミクロ構造を通じた光の非不連続な透過による散乱を提供するように滑らかな変化を有した、ランダムで不規則で非平面の構造であることができる。その構造は、図３に示されるような、記録されたレーザ斑点のものであることができる。
【０００７】
ＬＥＤチップは、ＲＧＢダイオード・パッケージまたは蛍光物質をコーティングした青色ＬＥＤパッケージのいずれかであることができる。レンズは、概して半球状の形状を有することが可能であり、光学品質のシリコン樹脂からなることが可能である。パターン化離型フィルムは、フィルムに一体成形されたミクロ構造を有したフッ素重合体フィルムであることができ、離型フィルムに具現化されたパターンは、約１００μｍまでの特徴サイズを有したミクロ構造であることができる。
【０００８】
本発明の別の態様は、発光ダイオードから作られる発光ダイオード・パッケージ（発光ダイオードをカプセル化した硬化樹脂）であり、ミクロ構造は、硬化樹脂の表面に一体成形された光成形ディフューザを構成する。
【０００９】
本開示のカプセル化発光ダイオードの利点も、付加的な利点も、操作可能な実施形態及び次の図面についての詳細な記述の結果としてより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＬＥＤのカプセル化／パッケージ化の既存の処理を示す断面図。
【図２】本発明の操作可能な実施形態、及び本発明が使用される方法を示す断面図。
【図３】光学的ミクロ構造の一例の顕微鏡写真（その操作可能な実施形態のうちの１つにおける本発明装置の表面分離パターンを備えている）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の技術分野における当業者の開示された実施形態は、様々な知覚された用途に対して修正及び追加されることができる。従って、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されるものとしては理解されない。
【００１２】
図１を参照して、カプセル化ＬＥＤを形成する従来技術の方法が示されている。従来技術の処理１００は、成型ツール１０３に形成された凹部１１０上にある滑らかな離型フィルム１０２から離隔されたＬＥＤチップ１０１を提供することによって開始される。ＬＥＤチップ１０１は、典型的には、赤、緑、及び青色ＬＥＤのパッケージ、または、青色ＬＥＤ上の蛍光体の使用のいずれかによる白色光と共に、任意の種類の色であることができる。記述される技術は、特に高輝度ＬＥＤ照明用途に適している。離型フィルム１０２は、柔軟性があり、その結果、それはその内部の成型ツール１０３及び凹部１１０の形状に倣うことができる。成型ツール１０３中の凹部１１０は、パッケージ化ＬＥＤチップによって生成される光のためのレンズを形成するように構成されている。レンズ形状は、図示されるようなドーム形状、または当業者が所望の結果を達成することを望むような他の形状であることができる。ステップ１０８では、樹脂１０４が凹部１１０上のＬＥＤチップ１０１と滑らかな離型フィルム１０２との間の容積を実質的に満たす。そして、樹脂１０４がカプセル材料１０５に硬化され、その間、離型フィルム１０２は、成型ツール１０３及び樹脂１０４の両方との接触を維持し、樹脂１０４は、ＬＥＤチップ１０１との接触を維持する。そして、離型フィルム１０２及び成型ツール１０３は、カプセル材料１０５との接触を解除される。その結果、パッケージ化ＬＥＤチップ１０１は、カプセル材料１０５で包まれ、カプセル材料は、滑らかな表面１０７を有する。
【００１３】
図１の製品を製作すべく図１の処理を行なう典型的な成型装置は、郵便番号６０１−８１０５京都市南区上鳥羽上調子町５番地に所在のＴＯＷＡ株式会社から入手することができる。現在のモデルは、ＦＦＴ１０３０Ｗ及びＰＭＣ１０４０−Ｓを含んでいる。ＴＯＷＡ社には、滑らかなフッ素重合体の離型フィルムに関しても注文することができる。高輝度ＬＥＤチップは、少なくともノーズカロライナ州ダーラムのＣＲＥＥ社から入手することができる。シリコン樹脂は、記述された処理において操作可能であり、ミシガン州ミッ
ドランドのダウ・コーニング社を含む複数のサプライヤから入手することができる。樹脂は、価格、保護、透明度、安定性、応力緩和性、光源の屈折率との一致、成型処理条件、及び熱管理などの要因の所望のトレードオフによって選択されることが可能である。他の透明な樹脂もまた操作可能であり、同様の考察で選択されるが、一般に取引ではシリコンよりも劣っているものとして見られる。
【００１４】
図２を参照して、本開示の操作可能な処理２００が示されている。処理２００は、成型ツール２０３内に形成された凹部２１０上にあるパターン化離型フィルム２０２から離隔されたＬＥＤチップ２０１の提供によって開始される。離型フィルム１０２は、柔軟性があり、その結果、それが成型ツール１０３及び凹部１１０の形状に倣うことができる。パターン化離型フィルム２０２は、ミクロ構造２１１によってエンボス加工され、それによってそれ自体がミクロ構造を形成するための成型ツールを構成する。操作可能には、ミクロ構造は、パターン化離型フィルムに一体成形される。ミクロ構造は、離型フィルム２０２の厚さと同じくらいの大きさである、１μｍ未満の特徴サイズを有することができる。ＬＥＤチップ２０１は、典型的には、赤、緑、及び青色ＬＥＤのパッケージ、または、青色ＬＥＤ上の蛍光体の使用のいずれかによる白色光と共に、任意の種類の色であることができる。記述される技術は、特に高輝度ＬＥＤ照明用途に適している。成型ツール２０３中の凹部２１０は、パッケージ化ＬＥＤチップによって生成される光のためのレンズを形成するように構成されている。レンズ形状は、図示されるようなドーム形状、または当業者が所望の結果を達成することを望むような他の形状であることができる。ステップ２０８では、樹脂２０４が凹部２１０上のＬＥＤチップ２０１と滑らかな離型フィルム２０２との間の容積を実質的に満たす。そして、樹脂２０４がカプセル材料２０５に硬化され、その間、離型フィルム２０２は、成型ツール２０３及び樹脂２０４の両方との接触を維持し、樹脂２０４は、ＬＥＤチップ２０１との接触を維持する。そして、離型フィルム２０２及び成型ツール２０３は、カプセル材料２０５との接触を解除される。その結果、ＬＥＤチップ２０１は、カプセル材料２０５で包まれ、カプセル材料は、ミクロ構造化表面２０７を有する。実施される処理２００の材料は、パターン化離型フィルムを例外として、処理１００のものと同じである。処理２００の１つのパターン化離型フィルム２０２は、下で記述するような製造工程によって操作可能に作られることができるが、排他的なものではない。他のパターンは、パターン用のマスタを作製するための他の処理によって作製されることができる。
【００１５】
ミクロ構造２１１の規則的及び不規則的なパターンは、ミクロ構造２１１用の成型ツールとして離型フィルム１０２を使用することによって一体にエンボス加工されることができる。マイクロレンズ・アレイの多数の例が従来技術で知られている。規則的なパターンの例は、プリズム、角錐、半球（ドット）、立方体などであり、その形状がパターン化離型フィルム２０２から分離させることができればよい。不規則的に形成されたミクロ構造パターンの一例は、図３のミクロ構造に示されている。なお、反転物は、図３に示される種類のものと同一の光学的性質を一般には有しているが、図３の構造そのものではなく、図３における構造の鏡像である。ミクロ構造２１１のパターンに関して、エンボス加工されることができる１つの種類のミクロ構造は、図３に示される種類の反転物である。図３は、以下の記述に従い、レーザ斑点パターンによって生成されたマイクロレンズ・アレイ構造の顕微鏡写真図である。パッケージ化ＬＥＤのカプセル材料２０５の表面２０７上のマイクロレンズ・アレイ構造３０１の使用は、既存のＬＥＤカプセル化手順１００で見られる光学的損失を低減することができる。
【００１６】
パターン化離型フィルムを作製する１つの方法は、直接的な熱複製を利用する。この方法では、パターン化表面を持つニッケル製のシムが、金型またはツールとして使用されることができる。熱複製中、高い温度（離型フィルムのガラス転移温度よりも高い）及び均一な圧力の下では、ニッケル表面上のパターンは、適切な材料のフィルム（滑らかな離型
フィルムでも）の表面に転写されることができる。フィルムが冷却され、フィルムがニッケル製のシムから取り除かれた後で、結果として生じるパターン化離型フィルムは、ニッケル製のシムからパターンをエンボス加工されたカプセル材料を形成する際の使用に適している。
【００１７】
カプセル化ＬＥＤは、その表面２０７でマイクロレンズ・アレイ構造を有したカプセル材料２０５中でカプセル化されたＬＥＤチップ２０１を含んでいる。カプセル材料は、シリコンまたは他の適切な光学樹脂２０４から作製されることができる。パターン化構造３０１は、成形処理２００によって生成されたカプセル材料２０５の、元は滑らかであった表面２０７上に一旦エンボス加工または印刷される。図３に示されるようなミクロ構造パターンがカプセル化ＬＥＤチップの表面を提供するために使用される場合、ＬＥＤのカプセル材料及び周囲環境の境界で見つかる反射を低減または排除することによって、比較可能な構造の合計内部反射率程度（典型的には２．５％）で、成型されたＬＥＤパッケージから抽出される光量を著しく増加させる。この改善は、滑らかな表面１０７とされたカプセル材料１０５を有した同一の構造に対するものである。さらに、そのようなミクロ構造は、実際の色温度の低減を提供することができる。ＬＥＤの色温度に影響を及ぼす能力は、高輝度ＬＥＤから、より暖かい光を求める人には有利である場合がある。さらに、そのようなミクロ構造は、光成形ディフューザとして作用し、特徴サイズに依存して、光がカプセル化ＬＥＤから狭くまたは広くなるように指向されることを可能にする。より広い特徴は、カプセル化ＬＥＤからの光のより狭い分散を提供する。
【００１８】
米国特許第５，３６５，３５４号明細書におけるように、マスタ・パターンは、重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）などの記録媒体、またはガラスなどの安定した基板上の別の大容量記録材料を提供することによって作製されることができる。そして、マスク・ディフューザ開口部が、記録媒体とコヒーレント光源との間に配置されることができる。そして、ランダムで不規則で非平面の斑点が、記録媒体が位相情報を保持しないように、記録媒体の表面上で、マスク・ディフューザによって散乱されたコヒーレント光を光らせることによって、記録媒体上に非ホログラフィ記録される。ランダムで不規則で非平面の斑点の領域は、記録媒体に記録される、図３に示される種類のパターンを構成する。そして、記録媒体は、そのような記録媒体に対する処理付随物に従って処理される。記録中、光が制御され、その結果、斑点が記録媒体の非不連続で滑らかな変化を画成し、それによって、第１表面から第２表面へと移動する光の、非不連続の反射を伴った、散乱を提供する。記録された斑点の統計的な平均サイズは、ディフューザの中心から見た開口部の角度の大きさに反比例する。
【００１９】
米国特許第６，１５８，２４５号明細書におけるように、サブマスタは、マスタから作製されることができる。フレームが、マスタの縁部に固定される。マスタは、該マスタの上面よりも僅かに上にある縁部を有するべきである。そして、シリコンゴムがフォトレジスト層に亘ってフレームに注がれることができ、硬化される。シリコンゴムは、フォトレジスト／ガラス製のマスタからその後に分離される反転サブマスタを構成する。シリコンゴムの使用は、マスタを破損することなく、サブマスタの分離を可能にする。そして、マスタと合致する後続のフィルムは、ポリプロピレン製のシートまたは他の望ましいフィルム媒体に支持されたエポキシ樹脂を使用することによって、反転サブマスタから作製されることが可能である。
【００２０】
米国特許第６，１１０，４０１号明細書は、比較的剛性のある基板の積層表面上に光成形表面構造を複製する、単純で、速く、信頼できる方法及び装置を開示している。離型フィルムの場合、基板は、ポリエステル、ナイロン、または酢酸セルロース製のフィルムであることができる。基板がテーブル上に取り付けられ、エポキシ層が基板と反転サブマスタとの間で蒸着されて、階層構造を生成した後で、この階層構造は、テーブルと回転する
加圧ローラの外面との間に形成されるニップ（ｎｉｐ）に自動的に圧縮され、それによって、エポキシ層に表層構造を複製する。サブマスタは、それに組み込まれたパターン化表面の反転物を備えたポリカーボネート製のシートであることができる。そして、エポキシ樹脂が硬化され、サブマスタが基板から分離され、その表面にマイクロレンズ・アレイ構造を有した積層構造を残す。操作可能には、サブマスタは、加圧ローラの周囲に掛巻されることができ、テーブルがニップにおける階層構造を圧縮すべく直線往復運動する一方で、加圧ローラは回転する。サブマスタと基板との間のスリップを防止すべく、加圧ローラの回転速度は、圧縮動作中のテーブルの並行移動速度に一致する（好ましくは、ローラを駆動してテーブル動作の際に回転させるために駆動ベルトとしてサブマスタを使用することによって）。さらに、複製器は、好ましくは、圧縮動作の後にエポキシ樹脂を自動的に硬化させ、次に、基板からサブマスタを自動的に分離させる。
【００２１】
さらに、放射分析法の光線追跡（参照によってその全体を援用する米国特許第５，９９５，７４２号明細書に詳述されるように）モデリング及びシミュレーション技術は、半導体照明装置（例えばＬＥＤ）源と、本発明のランダムにされた光学的ミクロ構造と、本発明のランダムにされた光学的ミクロ構造の前述の半導体照明装置への適用の後で、関連する半導体照明装置またはそれを組み込んだシステムの光学出力の結果として生じる増加とのモデル化に使用されることが可能である。前述のモデリング及びシミュレーションの努力における光学倍率を演算する基本的な公式は、
【００２２】
【数１】
2013510446.tif 000003
【００２３】
である。ここで、Ｐは、前述の半導体照明装置の出力倍率であり、Ｂ（ｘ，ｙ；ｋｘ，ｋｙ）は、位相空間密度に等しく、ｘ及びｙは、前述の半導体光源の平面を備えた特定の光線の空間交点を画成する空間座標であり、ｋｘ及びｋｙは、前述の光源の平面との特定の光線の交叉角度を画成する方向座標である。
【００２４】
本発明の上の記述的及び描写的な記載、ならびにその使用方法は、本発明の実質的にベストモードであると現在考えられるものを当業者に製作及び使用させることが可能であり、さらに、ここで記述される特定の方法、実施形態、及び／または例に包含される要素の変形物及び組合せが存在すると当業者は理解するであろう。従って、ここで開示される本発明は、上述した記載または図における特定の実施形態、例、または方法によって限定されるものではなく、そのような変形物及び組合せはすべて本発明者（ら）によって本発明の範疇及び精神の範囲内であると意図されている。
【図１】
2013510446.tif 000004
【図２】
2013510446.tif 000005
【図３】
2013510446.tif 000006
【国際調査報告】
2013510446.tif 000007
2013510446.tif 000008