(57)【要約】【課題】フレキシブル回路キャリアおよびフレキシブル反射体を利用する光源を提供する。【解決手段】光源、フレキシブル回路キャリア、および、フレキシブル反射体が開示されている。フレキシブル回路キャリアは、複数の電気トレースがその上に形成されて成る第１の表面を有するフレキシブル基板を含む。第１のＬＥＤダイは、第１の表面上に配置されるとともに、電気トレースのうちの２つに対して接続されている。回路キャリアには、電気トレースにアクセスするための複数の外部電気接続部も含められている。フレキシブル反射体は可撓性材料の層を含み、可撓性材料の層は当該層を通して延びる少なくとも１つのキャビティを有する。可撓性材料の層は、キャビティが第１のＬＥＤダイ上にわたって位置するように第１の表面上に結合される。キャビティは、第１のＬＥＤダイ内で発生される光を反射する壁を有する。可撓性材料およびフレキシブル基板はシリコンを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気トレースがその上に形成されている第１の表面を有するフレキシブル基板を備えるフレキシブル回路キャリアであって、第１のＬＥＤダイが前記第１の表面上に配置されて前記電気トレースのうちの２つに対して接続され、前記電気トレースにアクセスするための複数の外部電気接続部を備える、フレキシブル回路キャリアと、
可撓性材料の層を備えるフレキシブル反射体であって、前記可撓性材料の層が当該層を通して延びる少なくとも１つのキャビティを有し、前記キャビティが前記第１のＬＥＤダイ上にわたって位置するように前記可撓性材料の層が前記第１の表面上に結合され、前記キャビティが、前記第１のＬＥＤダイ内で発生される光を反射する壁を有する、フレキシブル反射体と、
を備えることを特徴とする光源。
【請求項２】
前記可撓性材料の層がシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記ＬＥＤは、上端面と、下端面と、複数の側面とを備え、前記下端面が前記フレキシブル回路キャリアに対して結合され、前記キャビティは、前記ＬＥＤの側面から出る光を前記ＬＥＤの前記上端面から出る光と平行な方向へ向け直す反射壁を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記反射壁が金属コーティングを備えることを特徴とする請求項３に記載の光源。
【請求項５】
前記フレキシブル回路キャリアは、複数の行および列を有する２次元配列で配置される複数のＬＥＤを備えることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項６】
前記キャビティは、前記ＬＥＤを覆う可撓性カプセル材料の層を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項７】
前記可撓性カプセル材料がシリコンを含むことを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項８】
前記カプセル材料の層は、前記第１のＬＥＤダイに隣接するカプセル材料の第１の層と、前記カプセル材料の第１の層上にわたって位置するカプセル材料の第２の層とを備え、前記第１のＬＥＤダイによって発せられる光が第１のスペクトルによって特徴付けられ、前記カプセル材料の第１の層は、前記光源を出る第２のスペクトルの光を形成するために前記第１のスペクトルを変化させる発光変換材料を備えることを特徴とする請求項６に記載の光源。
【請求項９】
前記カプセル材料の層は、前記第１のＬＥＤダイに隣接するカプセル材料の第１の層と、前記カプセル材料の第１の層上にわたって位置するカプセル材料の第２の層とを備え、前記第１のＬＥＤダイによって発せられる光が第１のスペクトルによって特徴付けられ、前記カプセル材料の第２の層は、前記光源を出る第２のスペクトルの光を形成するために前記第１のスペクトルを変化させる発光変換材料を備えることを特徴とする請求項６に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレキシブル回路キャリアおよびフレキシブル反射体を利用する光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、多くの用途において、蛍光電球および白熱電球などの従来の光源に取って代わっている。ＬＥＤは、同様の電気的効率を有するとともに、蛍光光源よりも長い寿命を有する。また、必要な駆動電圧は、多くの携帯機器で利用できるバッテリ電力に適合する。
【０００３】
しかしながら、代替光源を設けるためには、一般に、複数のＬＥＤを利用する光源が必要とされる。ＬＥＤは、比較的狭い波長帯域で光を発する。したがって、任意の色の光源を設けるためには、多くの場合、異なる色を有するＬＥＤの配列が利用される。
【０００４】
また、従来の光源から利用できる強度のＬＥＤ光源を設けるためには、各色の複数のＬＥＤを含めなければならない。１つのＬＥＤから得られる最大光強度は、一般に、数ワットの白色光から利用できる最大光強度よりも小さい。したがって、１００ワット電球相当のものを得るためには、代替光源において多数の低電力ＬＥＤを組み合わさなければならない。
【０００５】
ＬＥＤの配列に基づく光源は、一般に、硬質なプリント回路基板（ＰＣＢ）に対してパッケージ化された多数のＬＥＤを取り付けることによって構成される。ＬＥＤダイは、一般に、ＬＥＤの活性層内で発生される光のかなりの部分をダイの側面から発する。この光を捕らえるため、ＬＥＤは、一般に、ダイの側面から発せられる光を前方へと向け直す反射壁を有する硬質カップ内に配置される。また、多くの構造において、カップは透明なカプセル材料で満たされる。カプセル材料は、ダイを周囲環境から保護する。また、カプセル材料は、ＬＥＤによって発生される光を異なるスペクトルの光へと変換するために使用される燐光体のためのキャリアとしての機能を果たす。
【０００６】
２００５年８月９日に出願された同時係属の特許出願ＵＳ１１／２２３，７４３号には、フレキシブル回路キャリア上に構成された光源が記載されている。その光源においては、前述したＰＣＢがフレキシブル回路キャリアに取って代えられており、このフレキシブル回路キャリアは、当該フレキシブル回路キャリア上に実装されるＬＥＤに給電するための電気トレースを含む。しかしながら、反射体を利用する実施形態は、依然として、ダイの側面からの光を前方へと向け直すために硬質の反射体を利用している。
【０００７】
幾つかの従来の反射体構造は、反射面を設けるために金属コーティングされるＰＰＡまたはＬＣＰなどのような白色プラスチックを利用している。他の構造は、金属コーティングされたセラミックを利用している。更なる他の構造は、金属ハウジングを利用している。硬質反射体は、基板に対して強固に取り付けられ、あるいは、基板と共に成形または鋳造によって形成される。コストの観点から、プラスチック反射体は、金属またはセラミック反射体を超えるかなりの利点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
残念ながら、反射体は、比較的高い処理温度に耐えることができなければならない。ＡｕＳｎ共晶ダイアタッチメントは、パッケージを摂氏３２０度程度の温度に晒すことができる。ＰＰＡプラスチックおよびＬＣＰプラスチックは、これらの温度に晒される際に、プラスチックの劣化または反射損失を含む問題を有する。また、これらの材料は水分を吸収する。吸収された水分は、ＳＭＴリフローなどのような水分感知プロセス中に故障を引き起こす可能性がある。
【０００９】
前述したように、カップは一般にカプセル材料で満たされる。多くの用途において、好ましいカプセル材料は、スペクトルの紫外領域または青色領域の光による劣化に対する耐性に起因して、シリコンである。残念ながら、プラスチックカップおよび金属カップは、シリコンカプセル材料に対してうまく結合しない。これは、シリコンが異なる熱膨張係数を有し、そのため、動作中に複数の温度サイクル後にカップから剥離し易いことから、温度サイクル中に特に問題となる。
【００１０】
本発明は、フレキシブル回路キャリアとフレキシブル反射体とを有する光源を含む。フレキシブル回路キャリアは、複数の電気トレースがその上に形成されている第１の表面を有するフレキシブル基板を含む。第１のＬＥＤダイは、第１の表面上に配置されるとともに、電気トレースのうちの２つに対して接続される。フレキシブル回路キャリアには、電気トレースにアクセスするための複数の外部電気接続部も含められる。フレキシブル反射体は、可撓性材料の層を含み、可撓性材料（フレキシブル材料）の層は、当該層を通して延びる少なくとも１つのキャビティを有する。可撓性材料の層は、キャビティが第１のＬＥＤダイ上にわたって位置するように第１の表面上に結合される。キャビティは、第１のＬＥＤダイ内で発生される光を反射する壁を有する。可撓性材料およびフレキシブル基板はシリコンを含むことができる。
【００１１】
本発明は、カプセル材料とカップを構成する材料との間の熱膨張係数の違いに関連する問題を減少させるために、フレキシブルカップ構造を利用する。原則として、カプセル材料は、カップおよび下側の回路キャリアの両方に対して結合される。これらの３つの材料の全ては異なる熱膨張係数を有することができる。本発明は、光源の動作中に予期される温度変化から生じる寸法変化に対応するために、当該動作温度で十分に柔軟な成形材料層中の空隙からカップが形成されるカップ構造を利用することによって、性能を向上させる。したがって、ＬＥＤをＯＮおよびＯＦＦすることに伴う温度の周期的変化に光源が晒されるときに、カプセル材料及び／又は下側の回路キャリアの寸法の変化に対応するようにカップ層が伸縮できるため、熱膨張係数の違いに対応することができる。
【００１２】
さらに、本発明は、フレキシブル回路キャリアを使用する。フレキシブル回路キャリアも、様々な構成要素の熱膨張係数の違いから生じる構成要素の膨張差に対応するように伸縮できる。また、フレキシブル回路キャリアが非平面に対して適合され、或いは光源の動作中に曲がるように移動する実施形態では、カップを構成する可撓性の層も、非平面形態に関連する寸法変化に対応するように曲がることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明がその利点を与える様式は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤの２次元配列の一部を示す図１および図２を参照して、更に容易に理解できる。図１は、配列（アレイ）２０の簡略化された平面図であり、図２は、図１に示される線２−２に沿う配列２０の断面図である。配列２０は、フレキシブル回路キャリアを使用して構成されている。この配列２０は、複数の行および列として編成されているが、他のＬＥＤ配置を利用することができる。フレキシブルプリント回路基板または回路キャリアは、当分野において既知であり、そのため、ここでは詳細に説明しない。本説明の上では、フレキシブル樹脂基板２９上に薄い金属層を堆積させ或いは金属層を付着させ、その後に、従来のフォトリソグラフィ技術によって前記層を複数の個々の導体へ変換することによって、フレキシブル回路キャリアを製造できることに留意すれば十分である。配列２０は、２つのそのような金属層を含む。下端層２８は、配列２０のＬＥＤのための共通の電気的接続を行なうことに加え、ヒートシンクとしての機能を果たす。典型的なＬＥＤダイが２２および２３で示されている。上端層は、フレキシブル回路キャリア上または別個の基板上に位置された他の回路に対してＬＥＤを接続するために使用される、トレース２７等のトレースを形成するようにパターニングされている。ＬＥＤは、ボンド２６等のワイヤボンドを使用してトレース２７に対して接続される。図１および図２に示される実施形態において、各ＬＥＤに対する第２の接続は、ＬＥＤダイの底部（下端面）によって行なわれる。図面を簡略化するために、フレキシブル回路キャリアの上端面上の回路トレースは図１から省かれている。
【００１４】
ＬＥＤは、熱伝導接着剤または半田を使用して下端導電層２８に対して結合することができる。ダイは熱伝導層上に直接に取り付けられるため、本発明は、予めパッケージ化されたＬＥＤに対する熱伝達を向上させる。以下で更に詳しく説明するように、フレキシブル回路キャリアの下端面（底面）は、熱を更に効率的に周囲環境へ移動させることができる場所へと熱を移動させる表面と、熱接触状態で配置することができる。
【００１５】
前述したように、本発明は、ＬＥＤダイの側面から出る光を前方向へと向け直す反射カップを提供する。カップ２４は、可撓性材料のシートから構成される反射層３１内の空隙によって形成される。カップの壁３２が反射性を有する。銀またはクロムの金属層などの反射コーティング剤で壁をコーティングすることにより、あるいは、白色境界層をカップに与える可撓性材料を利用することにより、壁に反射性を与えることができる。例えば、可撓性材料において透明シリコン材料を使用することができる。材料のシートを成形してカップ層３１を形成する前に、ＴｉＯ2粒子をシリコン中に懸濁させることができる。あるいは、白色「塗料」を使用してカップの側面をコーティングすることができる。
【００１６】
ダイは、一般に、ダイを水分から保護する透明なカプセル材料３５によって、カプセル封入されている。また、カプセル材料は、幾つかの実施形態では、ＬＥＤにより発せられる光を異なるスペクトルの光へ変換する燐光体粒子のためのキャリアとしても使用される。例えば、いわゆる「白色」ＬＥＤでは、ダイが青色ＬＥＤからなる。カプセル材料は、青色光の一部をスペクトルの黄色領域内の光へ変換する燐光体粒子を含む。黄色光と青色光の残りの部分との組み合わせが、人間の観察者により白色として認識される。また、ＬＥＤによって発生される光を散乱する拡散粒子をカプセル材料が含み、それにより、蛍光および残りの青色光の両方が、カプセル材料から発生するかのごとく見えるようになっていてもよい。
【００１７】
図１および図２に示される実施形態において、反射カップは、可撓性も有する透明カプセル材料で満たされている。例えば、カプセル材料および反射層３１の両方をシリコンから構成することができる。そのような構造は、反射カップの壁に対するカプセル材料の結合に関連する問題を最小限に抑える。また、全ての構成要素は、光源が組み付けられた形態とは異なる形態まで光源を曲げることに関連する寸法変化に対応するように伸縮することができる。なお、シリコンは、青色光および近ＵＶ光によるダメージを受けにくい。燐光体変換光源では、多くの場合、ＵＶ発光ＬＥＤが使用される。そのため、シリコンカプセル材料を有する光源が特に有益である。
【００１８】
反射層は、別個の構成要素としてキャリアに加えることができ、あるいは、キャリア上の所定の位置に成形することができる。ここで、本発明の一実施形態に係る光源の一部の断面図である図３を参照されたい。光源６０は、別個に成形された後に回路キャリア６２に対して取り付けられる反射層６１から構成される。反射層６１は、２つの構成要素の結合直前に回路キャリア６２に対して位置決めされた状態で示されている。反射層６１は、シリコンなどの可撓性化合物から成形されており、反射壁６６を有する穴６５などの穴を含む。ＬＥＤダイ６３は、回路キャリア６２に取り付けることができ、反射層６１の取り付け前に回路キャリア６２に対して電気的に接続することができる。図３に示される実施例において、ＬＥＤは、ダイ６３の下側にある１つのトレースと、ワイヤボンド６４などのワイヤボンドによってそのダイに接続される１つのトレースとに対して接続される。反射層は、この実施形態では、シリコンベースのセメント（シリコン系セメント）によって回路キャリアに対して結合することができる。反射層が回路キャリア６２に対して結合された後、反射カップを適切なカプセル材料で満たすことができる。
【００１９】
前述した実施形態はシリコン反射層を利用する。しかしながら、他の材料を利用することができる。例えば、ポリアミド絶縁層を使用して構成されるフレキシブル回路キャリアがデュポンから市販されている。また、金属層を伴わないポリアミドからなる層もデュポンから市販されている。これらの非金属化層は、１つの表面上の接着剤の薄層と共に利用できる。これらの層は、通常、回路キャリア上の上端回路トレースを覆うためのカバー層として使用される。反射層は、そのようなカバーシートを貫通する円錐形状の穴を開けることにより、あるいは、穴を伴って形成される特別なカバーシートを前記カバーシートに成形することにより構成することができる。その後に、適切な金属コーティングを加えることにより、露出面に反射性を与えることができる。最後に、カバー層は、回路キャリア上にわたって位置されるとともに、ＬＥＤダイが穴内に位置されるように回路キャリアに対して結合される。
【００２０】
本発明の前述した実施形態では、各反射体が１つのＬＥＤを収容した。しかしながら、複数のＬＥＤが１つの反射体内に位置される実施形態を構成することもできる。ここで、本発明の他の実施形態に係る光源を示す図４および図５を参照されたい。図５は光源８０の平面図であり、図４は、図５に示される線４−４に沿う光源８０の断面図である。光源８０は、層８６中のキャビティから構成される単一のキャビティ８５を共有する３つのＬＥＤ８１，８２，８３を含む。ＬＥＤは、前述した様式と類似する様式でフレキシブル回路キャリア８４に対して取り付けられる。回路キャリア８４内の導電トレースは、外部コネクタ８８によってアクセスされる。各ＬＥＤはカプセル封入層８７内に個別にカプセル封入されているが、カプセル材料からなる１つの層内に全てのＬＥＤがカプセル封入される実施形態を構成することもできる。
【００２１】
また、２レベルカプセル封入システムを利用することもできる。ここで、本発明の他の実施形態に係る光源の断面図である図６を参照されたい。光源９０は、個々のＬＥＤが第１のカプセル材料８７内にカプセル封入された後、キャビティが第２の層のカプセル材料９１で満たされるという点で光源８０とは異なっている。カプセル材料層９１は、カプセル材料層９１中に成形されるレンズ９２などの光学処理要素を含むこともできる。なお、個々のカプセル材料層は、ＬＥＤ毎に組成が異なっていてもよい。例えば、異なるカプセル材料層が異なる燐光体を含み、それにより、異なるＬＥＤによって発生される光のスペクトルがＬＥＤ毎に異なるようにすることができる。１つの実施形態では、カプセル材料の両方の層が透明なシリコンから構成される。
【００２２】
前述した本発明の実施形態は、光源からの光の出力スペクトルを変えるために燐光体変換材料を利用する。しかしながら、この変換機能のために発光材料を利用することもできる。
【００２３】
本発明の前述した実施形態は、反射壁を有する反射体を利用する。この説明の目的のため、反射壁は、ＬＥＤまたはその蛍光変換層で発生された光の９０％を上回る光を反射する場合に反射性があると定義される。
【００２４】
前述した実施形態は、可撓性材料から形成される回路キャリアおよび反射体を利用する。この説明の目的のため、反射体となるキャビティを有する材料層は、当該材料が光源を損傷させることなく少なくとも４５度の角度まで曲がることができる場合に可撓性があると定義される。
【００２５】
カプセル材料が透明であり、かつ、燐光体または光を拡散する散乱中心を含まない場合には、ミラー状の反射体が、遠距離場内の点光源であるように見える光源を形成することができる。点光源は、光源を結像でき或いは視準できることを含む多くの望ましい利点を有するが、多くの有用なＬＥＤ構造は広範な光源を形成し、そのため、ミラー状の表面を形成するという利点はあまり重大ではない。例えば、ＬＥＤからの光の一部または全てを異なるスペクトルの光へと変換するために燐光体を利用する実施形態において、遠距離場内で結像される光源は、カプセル材料を含む燐光体であるように見え、ＬＥＤダイ上の点光源であるようには見えない。そのような燐光体変換ＬＥＤで一般に利用される燐光体組成は、一般に、懸濁粒子である。燐光体粒子とぶつかる光は、吸収され或いは散乱される。燐光体粒子によって発せられる新たなスペクトル領域の光はその粒子を源としており、そのため、燐光体から発生された光は、燐光体カプセル材料と同じ寸法を有する広範な光源から来るように見える。変換されていない光であっても、幾つかの散乱事象後は、広範な光源から来るように見える。実際には、多くの部分的に変換された光源、例えば「白色光」源は、変換されていない光を散乱するためにカプセル材料中に更なる粒子を含み、それにより、変換されていない光は、変換された光と同じ広範な光源を起源としているように見える。
【００２６】
幾つかの実施形態において、部分的に変換された光源は、カプセル材料中で可溶性燐光体を利用することによって提供される。カプセル材料中に拡散粒子が設けられない場合には、時として、変換されない光を拡散させるための何らかの他の機構を含めることにより、光の２つの異なるスペクトルが同じ光源から発生するかの如く見えるようにすることが有益である。そのような場合に、つや消し仕上げを有する反射体を利用すると、拡散機能を与えることができる。
【００２７】
前述した燐光体材料に加えて、カプセル材料は、修正された出力スペクトルを与えるために１つ以上の波長帯域の光を選択的に吸収する、色素または他の材料を含むこともできる。色素は、単独で利用することができ、あるいは、燐光体変換材料と組み合わせて利用することができる。
【００２８】
本発明に対する様々な変更は、前述した説明および添付図面から当業者に明らかとなる。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】配列２０の簡略化された平面図である。
【図２】図１に示される線２−２に沿う配列２０の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光源の一部の断面図である。
【図４】図５に示される線４−４に沿う光源８０の断面図である。
【図５】光源８０の平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る光源の断面図である。
【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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【外国語明細書】
2008135390.tif 000009
2008135390.tif 000010
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2008135390.tif 000014
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