(57)【要約】【課題】フルオロポリマーレンズを有する半導体発光装置パッケージを提供する。【解決手段】レンズとレンズの下に重なる半導体発光装置チップとを含む発光装置。レンズは、フルオロポリマー材料とすることができる。いくつかの実施形態において、半導体発光装置チップは、緑色から青色の範囲のピーク波長を有する光を発することができる。フルオロポリマーレンズの透明度は、８５℃及び相対湿度６０％における６００ｍＷの光に対する５００時間の露出後でも基本的に不変である。【選択図】　　　　　図１
2004023099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フルオロポリマーを含むレンズと、
前記レンズの下に重なる半導体発光装置チップと、
を含むことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記半導体発光装置チップは、緑色から近紫外線までの範囲にあるピーク波長を有する光を発することができることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記半導体発光装置チップは、約５７０ｎｍから約３６０ｎｍまでの範囲にあるピーク波長を有する光を発することができることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記フルオロポリマーレンズは、（パーフルオロアルコキシ）フルオロポリマー樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記フルオロポリマーレンズは、ヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレンとのコポリマーであるフッ素化エチレンプロピレンを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項６】
前記フルオロポリマーレンズの透明度は、緑色から青色までの範囲にあるピーク波長を有する６００ｍＷの光に対する５００時間の露出後でも基本的に不変であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項７】
露出は、約８５℃に等しいか又はそれ以上の温度、及び、約６０％に等しいか又はそれ以上の相対湿度での露出を含むことを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記フルオロポリマーレンズの外形は、ドーム形を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記フルオロポリマーレンズの透明度は、緑色から青色までの範囲にあるピーク波長を有する７５ｍＷの光に対する１５００時間の露出後でも基本的に不変であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記半導体発光装置チップは、公式ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを有する複数の半導体層を含み、ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、及び、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記半導体発光装置チップに結合されたリードフレームを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記リードフレームの少なくとも一部分と前記半導体発光装置チップの少なくとも一部分との間にあるサブマウントを更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記サブマウントに結合された放熱スラグを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記放熱スラグは、反射カップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記レンズは、全体的にフルオロポリマーで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記レンズは、最大強度が実質的に前記半導体発光装置チップに垂直な軸線に沿って発せられるような形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記レンズは、最大強度が前記半導体発光装置チップに垂直な軸線から約３５°と約４５°との間の角度で発せられるような形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記レンズは、前記半導体発光装置チップと垂直な軸線に沿う発光が最大強度の約３５％と約７５％の間になるような形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１９】
前記レンズは、前記半導体発光装置チップと垂直な軸線に対して約６０°よりも大きい角度での発光の強度が最大強度の約１０％よりも小さくなるような形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項２０】
前記半導体発光装置チップは、歯科用接着剤を硬化させるのに適したピーク波長を有する光を発することができることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項２１】
前記半導体発光装置チップから発せられた第１の光を吸収して前記第１の光の波長よりも長い波長を有する第２の光を発することができる波長変換材料を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項２２】
前記第１の光と第２の光とが組み合わされた時、その組み合された光は白色で現れることを特徴とする請求項２１に記載の発光装置。
【請求項２３】
前記第２の光は、緑色で現れることを特徴とする請求項２１に記載の発光装置。
【請求項２４】
前記半導体発光装置チップは、約３６０ｎｍから約２００ｎｍまでの範囲にあるピーク波長を有する光を発することができることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項２５】
前記半導体発光装置チップは、約２８０ｎｍのピーク波長を有する光を発することができることを特徴とする請求項２４に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルオロポリマーレンズを有する半導体発光装置パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光装置は、今日利用可能な最も効率的な光源の１つである。現在特に関連が持たれているのは、緑色から紫外線までの波長範囲で光を発することができる発光装置である。このような発光装置から発せられる光は、蛍光体で変換するか又は他の色の光と組み合わせて白色光を生成することができる。このような光を生成することができる半導体材料系の一例は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、特に、ＩＩＩ族窒化物材料ともいわれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び、窒素から成る二元、三元、及び、四元合金である。
【０００３】
発光装置チップは、一般に基板上に形成された複数の半導体層を含む。いくつかの半導体層には、適当な接点が電気的に接続される。発光装置チップは、サブマウントに取り付けることができ、その後、発光装置チップ及びサブマウントの組合せがパッケージ化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光は、発光装置チップ内で効率的に発生されるが、チップ及びパッケージから光を抽出するのが難しい可能性がある。従って、パッケージ内で使用される材料は、光がパッケージ内で散乱するのを防止するために高い透明度を有し、光学インタフェースにおける屈折を防止するためにパッケージ内の材料とできるだけ近い値の屈折率を有するように選択される。発光装置チップの境界における全内部屈折を防止するために、チップは、通常は発光装置チップ内にある高屈折率材料とできるだけ近い値の屈折率を有する材料に埋設される。埋設材料は、硬質又は軟質とすることができる。レンズなどの光路内の構成要素は、埋設材料の屈折率と一致するように選択することができる。このような屈折率の一致によって、埋設材料及びレンズ間のインタフェースにおける屈折が防止され、屈折による光線方向の不要な変化が防止される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態によれば、発光装置は、レンズとレンズの下に重なる半導体発光装置チップとを含む。レンズは、フルオロポリマー材料とすることができる。いくつかの実施形態において、半導体発光装置チップは、緑色から青色の範囲のピーク波長を有する光を発することができる。フルオロポリマーレンズの透明度は、８５℃及び相対湿度６０％における６００ｍＷの光への５００時間の露出後でも基本的に不変である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態による発光装置パッケージの実施形態を示す。図１に示すパッケージのいくつかの態様については、本明細書において引用により組み込まれる、２００１年８月１４日に付与された「表面実装可能ＬＥＤパッケージ」という名称の米国特許第６，２７４，９２４号に更に詳細に説明されている。発光装置チップ１６は、赤外線から紫外線までの範囲のピーク波長を有する光を発することができる。一実施形態において、発光装置チップ１６は、緑色から近紫外線、つまり、約５７０ｎｍから約３６０ｎｍまでの範囲にあるピーク波長を有する光を発する。他の実施形態においては、発光装置チップ１６は、紫外線（約２００ｎｍから約３６０ｎｍ）の範囲にある、例えば、約２８０ｎｍの波長を有する光を発する。発光装置チップ１６は、一般的に、ｎ型領域と、光を発することができる活性領域と、基板上に形成されるｐ型領域とを含む幾つかの半導体層を含む。活性領域は、ｎ型領域とｐ型領域との間に形成される、ｎ型領域、ｐ型領域、及び、活性領域の各々は、単層とするか、又は、複数の層を含むことができる。例えば、ｎ型領域及びｐ型領域は、接触層及びクラッド層を含むことができ、活性領域は、量子井戸及び障壁層を含むことができる。半導体層の形成に使用される材料系により、ｎ型領域又はｐ型領域のいずれかは、基板に隣接してもよい。
【０００７】
接点は、ｎ型領域及びｐ型領域と電気的に接続される。基板が導電性である場合、一方の接点は、基板の半導体層と対向する表面上に形成することができ、他方の接点を半導体層の基板と対向する表面上に形成することができる。基板の導電性が悪い場合、両方の接点は、半導体層の同じ側に形成してもよい。発光装置チップ１６が図１に示すパッケージに含まれる時、それは、光がフリップチップ構成として知られている成長基板を通じて抽出されるように取り付けてもよく、又は、光が半導体層を通じて抽出されるように取り付けてもよい。
【０００８】
一実施形態において、発光装置チップ１６は、ＩＩＩ族窒化物装置であり、ｎ型領域、活性領域、及び、ｐ型領域がＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを意味する。ＩＩＩ族窒化物発光装置チップにおいて、基板は、例えば、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は、他の任意の適切な基板としてもよい。接点は、装置の同じ側に形成され、それらは、ＩＩＩ族窒化物発光装置チップが図１に示すパッケージにフリップチップ構成で取り付けられるように反射率が高い。
【０００９】
発光装置チップ１６は、サブマウント１８上に取り付けることができ、サブマウント１８は、例えばシリコンとしてもよい。サブマウント１８は、導電性又は絶縁性とすることができる。ＩＩＩ族窒化物発光装置チップ１６の例において、チップ１６の接点をサブマウント１８と電気的又は物理的に接続するために半田などの相互接続を使用することができる。複数のチップ１６をサブマウント１８上に取り付けてもよく、又は、単一のチップ１６が単一基板上にモノリシックに形成された複数の発光装置を含んでもよい。サブマウント１８は様々な目的のための回路を含んでもよい。その中には例えば、静電放電保護用回路又はサブマウント１８上に取り付けられた複数のチップに個別に対応する回路が含まれる。サブマウント１８は、チップ１６をリードフレーム１２に電気的に接続する。
【００１０】
サブマウント１８に取り付けられたチップ１６は、リードフレーム１２に嵌合される放熱スラグ１０に配置することができる。スラグ１０は、チップ１６から発せられた光をパッケージから出るように向けるためのオプションの反射カップ１４を含むことができる。サブマウント１８及びスラグ１０は、熱をチップから取り出して伝達させるために熱伝導性である。スラグ１０は、リードフレーム１２から断熱させてもよく、パッケージ内の熱の蓄積を防止するために外部ヒートシンク（図示せず）に取り付けることができる。スラグ１０用の適切な熱伝導材料には、例えば、銅、アルミニウム、及び、モリブデンなどの純粋材料が含まれる。サブマウント１８用の適切な熱伝導材料には、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ベリリウム、合金、及び、複合物が含まれる。反射カップ１４は、反射性が得られるようにメッキ処理された熱伝導材料で作ることができる。適切な材料には、例えば、銀、アルミニウム、及び、反射コーティングを有するプラスチックが含まれる。
【００１１】
リードフレーム１２は、例えば、電気経路を形成する金属フレームの回りに成形された充填プラスチック材としてもよい。このプラスチック材は、パッケージに構造的一体性をもたらし、通常は絶縁性であり熱伝導率は低い。
【００１２】
光学レンズ２０は、リードフレーム１２の上に取り付けられる。レンズ２０とリードフレーム１２との間の空間には、パッケージから出る光の量を最大限にするように選択された屈折率を有する硬質又は軟質の光学的に透明なカプセル材料を充填することができる。使用される光学的に透明なカプセル材料は、パッケージ内で使用される特定のチップ１６に依存する場合がある。米国特許第６，２０４，５２３号は、コラム３の３２〜３４行に「ＰＭＭＡ、ガラス、ポリカーボネート、光学ナイロン、移送成形エポキシ、及び、環状オレフィンコポリマー」を含む、レンズ２０に使用することができる幾つかの従来の材料を挙げている。
【００１３】
本装置は、チップの活性領域によって発せられた光の波長を一般により長い波長に変換する燐光体などの波長変換材料を組み込むことができる。波長変換材料は、例えば、波長変換材料のコンフォーマル層をチップ上に堆積させる方法、又は、波長変換材料を光学的に透明なカプセル材料と混ぜる方法を含む、任意の適切な技術によって装置内に組み込むことができる。一実施形態において、波長変換材料は、チップの活性領域から発せられた光が波長変換層から発せられた光と混ざり合って白色光を形成するように選択して装置内に組み込むことができる。別の実施形態において、波長変換材料は、波長変換層から発せられた光が緑色光であるように選択して装置に組み込むことができる。
【００１４】
図２は、発光装置パッケージの代替実施形態を示す。図２のパッケージにおいて、レンズ２０は、図１に示したパッケージのレンズよりもドーム形である。更に、図２のスラグ１０は、チップが位置する基部１０の表面は反射性にすることができるが、反射カップ１４を含んでいない。図２はまた、チップ１６をリードフレーム１２に接続する結合ワイヤ２２を示す。
【００１５】
本出願人は、ポリカーボネート、ポリスルホン、及び、エポキシなど、レンズ２０に使用される最も一般的な材料の一部は、緑色から青色までの波長範囲の高強度の光に露出されると劣化するが、同じレンズが赤色又は琥珀色の光に露出された時は、多くの場合、良好な性能を発揮して同じような劣化を示さないことを見出した。従来のレンズ材料が８５℃及び湿度８５％で青緑色の光（約５００ｎｍ）に露出された時、白い曇りが約５００時間から約１０００時間の間にレンズに形成される場合がある。約１５００時間後、従来のレンズは、一般的にほぼ完全に不透明である。この曇りは、光の散乱を引き起こす微細空隙のように見えた。微細空隙は、レンズを損傷する光誘導の酸化によって引き起こされる場合がある。湿気は、損傷した部分を通じてレンズに入り、最終的にレンズ材料の割れを作り出す可能性があるレンズ材料の局所的膨張を引き起こす。曇りが出現し始めると、それらは、パッケージ内に光を捕捉する散乱を引き起こす。その結果、曇りが出現し始めると、レンズは急速に劣化して不透明になる。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、ポリカーボネート、ポリスルホン、エポキシ、又は、他の従来のレンズ材料ではなく、フルオロポリマー材料がレンズ２０に使用される。レンズ２０は、全体をフルオロポリマーとしてもよく、又は、フルオロポリマーと他の材料を含有することもできる。適切なフルオロポリマー材料の例には、（パーフルオロアルコキシ）フルオロポリマー樹脂、及び、フッ素化エチレンプロピレン、ヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレンとのコポリマーが含まれる。適切な材料は、「テフロン（登録商標）ＰＦＡ」及び「テフロン（登録商標）ＦＥＰ」としてＥ・Ｉ・デュポン・デ・ネモア・アンド・カンパニーによって販売されている。８５℃及び湿度６０％で６００ｍＷ及び４４５ｎｍの光に露出されたフルオロポリマーレンズは、従来のレンズで既にこれよりも小さい強度の露出で明確な損傷が示された時間に相当する５００時間では透明度の変化は認められなかった。７５ｍＷの光に露出されたフルオロポリマーレンズは、１５００時間でも透明度の変化の証拠を何も示さなかった。
【００１７】
フルオロポリマー材料は、発光装置パッケージ用レンズとして使用された時には幾つかの欠点を有する。第一に、フルオロポリマーは、レンズを半透明ではあるが特に透明ではないものにする結晶性を有する。レンズの透明度の低下は、光をパッケージから出るのではなくパッケージ内で散乱させ、それによってパッケージ化された装置の全体的な効率を低下させる可能性があるので望ましくない。第二に、フルオロポリマーは低い屈折率を有し、これは、レンズ表面での屈折を減らし、光を特定の目標に向け直す能力を低減する。フルオロポリマーの屈折率が低いために、レンズ２０の設計が複雑になる。第三に、フルオロポリマー樹脂は、ポリカーボネート及びエポキシなどの従来の材料を形成するのに使用される原材料の値段の５倍から２５倍である。第四に、フルオロポリマーは、レンズに成形するのが難しくて高価である。非腐食性成形材料を使用しなければならず、腐食性の脱ガスから成形作業者を保護するために対策を講じなければならない。第五に、フルオロポリマーは、それに付着させるのが困難である。チップ及びレンズ間のカプセル材料がレンズに付着しなかった場合、空気の層によってカプセル材料とレンズとが分離される。空気の層は、内部反射を引き起こすか、又はそれ以外に、パッケージからの光の逃げを不都合に妨げる場合がある。その結果、適切な付着をもたらすためには、フルオロポリマーレンズは、素早くかつ慎重にパッケージ内に組み立てられるべきであり、組立費用が高くなる。従来材料の劣化及びフルオロポリマーの安定性がなかったら、フルオロポリマーは、発光装置パッケージ用レンズとしての使用には不適切であったであろう。
【００１８】
本発明の実施形態による発光装置は、例えば、歯科用接着剤を硬化させるための装置、又は、ディスプレイ内の他の発光装置との組合せを含む幾つかの用途を有する。
【００１９】
一実施形態において、フルオロポリマーレンズを含む発光装置は、発光装置チップの面積よりも大きな面積を有する平坦なパネルに対する均一な照射を必要とする用途に含まれる。このような用途において平坦なパネル全体に対する均一な照射をもたらすためには、ゼロ以外の角度で発せられた光がパネルを捕らえるためには軸線上に発せられた光よりも更に遠くまで進む必要があるので、発光装置チップによって発生される光の大部分は、発光装置チップの活性領域平面と垂直な軸線に対してゼロ以外の角度でレンズ２０を出なければならない。このような用途の一例は、交通信号灯である。交通信号灯の例においては、レンズ２０は、最大強度が垂直軸線から外れて３５°と４５°との間の角度で発せられるように設計することができる。軸線上の強度は、ピーク強度の約３５％から約７５％にすることができる。約６０°よりも大きい角度において、強度は、ピーク強度の１０％よりも小さいであろう。最大強度の位置、軸線上強度の量、及び、照射パターンの他の特性は、照射されるパネルの大きさ及び形状によって変化する。
【００２０】
本発明を詳細に説明したが、本開示内容が与えられる時、当業者は本明細書で説明した革新的概念の精神から逸脱することなく本発明に対して変更を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図示及び説明した特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による発光装置パッケージを示す図である。
【図２】本発明の代替実施形態による発光装置パッケージを示す図である。
【符号の説明】
１０　放熱スラグ
１２　リードフレーム
１４　反射カップ
１６　発光装置チップ
１８　サブマウント
２０　光学レンズ
【図１】
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【図２】
2004023099.tif 000004