(57)【要約】【課題】高出力ＬＥＤとともに使用するのに特に適合し、パッケージ構成部品のＣＴＥの差によるＬＥＤパッケージの欠陥を低減するように配置されたＬＥＤパッケージを提供すること。【解決手段】発光素子に、スプレッダ領域、スプレッダ領域に位置決めされた固体光源、およびスプレッダ領域に位置決めされ光源を囲む封止材が含まれる。封止材は、様々な構成部品間の熱膨張係数の差により生じた力を最小化するように、スプレッダ領域の表面での温度変化に応じた膨張および収縮が可能である。光源の近傍に１つまたは複数の反射要素を位置決めして、発光素子の発光効率を向上させる。反射要素はスプレッダ領域に反射層および／または封止材の一部に反射層を含むことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持表面の上に配置された固体光源と、
前記支持表面の上に配置され前記固体光源を囲む封止材であって、前記支持表面の上方における地点よりも該支持表面において幅が狭くなっており、前記光源から発せられた光の一部を反射させて発光効率を増加させる、封止材と、
を具備することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記封止材が少なくとも部分的にシリコーンを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記封止材を前記支持表面に接着する接着材料をさらに具備する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記支持表面及び前記封止材のうちの少なくとも一方と一体化した反射要素をさらに具備する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記封止材が前記固体光源の上に直接配置される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記封止材が前記光源を密封する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記支持表面が平面である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記封止材が前記光源の上方にドームを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記封止材が予備成形されたものである、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記封止材が前記光源の上に直接形成されている、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記封止材が、複数の異なる傾斜面を有する封止材を備えた同一の発光素子に比べて、全内部反射により光の損失を少なくする傾斜面を有する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記傾斜面が、前記光源により発せられた光を反射させる反射被覆を含む、請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記支持表面が熱伝導材料を含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記封止材が前記支持表面に適合したサイズにより形成されたレンズを含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記封止材が、該封止材の基部の周囲を成形されて、前記光源から発せられた光の一部を反射させる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記封止材が、反射した光が該封止材の焦点面を通るように成形される、請求項１５に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記封止材が、前記基部の周りにある成形された表面の上にドームを含む、請求項１５に記載の発光素子。
【請求項１８】
平らな支持表面の上に配置された固体光源と、
前記平らな支持表面の上に配置され、前記固体光源の上方に位置する封止材と、
を具備することを特徴とする発光素子。
【請求項１９】
前記封止材が、前記支持表面に適合したサイズにより形成されたレンズを含む、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２０】
前記支持表面及び前記封止材のうちの少なくとも一方と一体化した反射要素をさらに具備する、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２１】
前記封止材が前記光源を密封する、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２２】
前記平らな支持表面が高い熱伝導率を有するヒートスプレッダを含む、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２３】
前記支持表面が窒化アルミニウムを含む、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２４】
前記支持表面が金属を含む、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２５】
前記封止材が当該発光素子の上方に形成される、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２６】
前記封止材が予備成形されたものである、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２７】
前記封止材が当該発光素子の上方にドームを形成する、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２８】
前記封止材が膨張及び収縮することが可能であり、該膨張及び該収縮が前記平らな支持表面のみにより束縛される、請求項１８に記載の発光素子。
【請求項２９】
前記封止材が、温度の変化に応答して膨張及び収縮することが可能である、請求項２８に記載の発光素子。
【請求項３０】
前記封止材と前記光源との相対的な位置が前記温度の変化によっても不変となるように、前記膨張及び前記収縮が前記平らな支持表面のみにより束縛される、請求項２８に記載の発光素子。
【請求項３１】
前記膨張及び前記収縮が前記平らな支持表面への接着のみにより束縛される、請求項２８に記載の発光素子。
【請求項３２】
実質的に平らな支持表面と、
該支持表面の上に配置された固体光源と、
前記支持表面の上に配置され、前記光源を囲み、温度の変化に応答して膨張及び収縮することが可能であって、前記平らな支持表面に接着することのみにより束縛される、封止材と、
を具備することを特徴とする発光素子。
【請求項３３】
前記光源が発光ダイオードを含む、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３４】
前記支持表面がさらに熱伝導性のヒートスプレッダを含む、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３５】
前記支持表面が前記光源から逃げる熱の流れを形成する、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３６】
前記封止材が、前記支持表面とは異なる熱膨張係数を有する、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３７】
前記支持表面及び前記封止材のうちの少なくとも一方と一体化した反射要素をさらに具備する、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３８】
前記光源の或る表面が前記支持表面に隣接し、前記封止材が前記光源の他のすべての表面を覆う、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項３９】
前記封止材が前記光源を密封し、この密封が温度の変化によって破損しない、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４０】
前記封止材の基部において前記支持表面に隣接するように配置されたバリア領域であって、前記支持表面と前記封止材との間における密封を形成するバリア領域、をさらに具備する、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４１】
前記封止材の膨張及び収縮が前記支持表面においてのみ束縛されるように、該支持表面が平らである、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４２】
前記支持表面が前記光源により発せられた光を反射させる、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４３】
前記封止材は、該封止材の基部の周囲を成形されて、前記光源からの光の一部を反射する傾斜面を形成する、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４４】
前記封止材は反射した光が該封止材の焦点面を通るように成形される、請求項４３に記載の発光素子。
【請求項４５】
前記傾斜面は、前記光源により発せられた光を反射させる反射被覆を含む、請求項４３に記載の発光素子。
【請求項４６】
前記支持表面が、前記光源から離れるように熱を導くために、高い熱伝導率を有するスプレッダ領域を含む、請求項３２に記載の発光素子。
【請求項４７】
ヒートスプレッダと、
該ヒートスプレッダの実質的に平らな表面と熱的に接触し、該ヒートスプレッダにより支持されるように配置された光源と、
該光源を囲むように配置され、温度の変化に応答して膨張及び／又は収縮することが可能であって、前記平らな表面に接着するようにのみ束縛された、封止材と、
前記光源からの光を反射するように配置された第１の反射要素であって、前記ヒートスプレッダ及び前記封止材のうちの少なくとも一方と一体化した第１の反射要素と、
を具備することを特徴とする発光素子。
【請求項４８】
発光素子を製造する方法であって、
実質的に平らな支持表面を設ける段階と、
該平らな支持表面の上に配置された光源を設ける段階と、
前記支持表面の上であって前記光源の上方に配置された封止材であって、温度の変化に伴って膨張及び収縮することができ、前記平らな支持表面への接着のみによって束縛される封止材、を設ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４９】
前記発光素子の光学的効率を増加させるように配置された第１の反射要素を設ける段階をさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の反射要素を設ける段階が、前記封止材の基部に傾斜面を設けることを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記傾斜面の反射性を増加させるように配置された第２の反射要素を設ける段階をさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
前記第２の反射要素を設ける段階が、塗装、メッキ及び蒸着のうちの１つを用いることにより反射性材料の領域を形成することを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の反射要素を設ける段階が、前記支持表面に対応するように、反射性表面を有するヒートスプレッダを設けることを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５４】
前記封止材を設ける段階は、該封止材が前記光源を密封し、この密封が温度の変化によって破損しないように、前記封止材を配置することを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５５】
前記封止材を設ける段階は、該封止材と前記光源との相対的な位置が温度の変化によって変化しないように、前記封止材を配置することを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５６】
前記支持表面及び前記封止材の基部に隣接するバリア領域であって、前記光源のための密封を形成するバリア領域、を配置することをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年４月３０日に出願された米国特許仮出願番号第６０／４６７，１９３号の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、発光素子に関し、さらに詳細には、熱応力に耐えるよう配置された構成部品を有する発光素子パッケージに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光素子は、電気エネルギーを光に変換する固体デバイスの重要な一分野である。このような発光素子の１つが、逆にドープされた２つの領域の間に挟まれた半導体材料の活性領域を一般に含む発光ダイオード（ＬＥＤ）である。このドープ領域にバイアスを印加すると、ホールおよび電子が活性領域に注入され、そこでそれらが再結合して光を発生する。光は活性領域からＬＥＤの表面を通って放出される。
【０００４】
一般に、ＬＥＤはそれらの出力定格に依ってクラスに分類される。様々なクラスの基準範囲はないが、通常、低出力ＬＥＤは、０．１ワットから０．３ワットまたはそれ以下の範囲の出力定格を有し、高出力ＬＥＤは、０．５ワットから１．０ワットまたはそれ以上の範囲の出力定格を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６,２７４,９２４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、低出力ＬＥＤ用の従来のパッケージングには、底部にＬＥＤが取付けられたリフレクタカップが含まれる。陰極リードおよび陽極リードがＬＥＤに電気的に結合されて電力を供給する。陰極リードは、リフレクタカップを通して伸ばすことができ、陽極リードは、ワイヤボンドが可能である。リフレクタカップの主な機能は、ＬＥＤの遠視野強度パターンを制御するために、いくつかの方向に放出された光の方向を変えることである。リフレクタカップは、反射性の高い表面仕上げを施され、打抜き加工した板またはアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）などの金属をメッキした金属である。
【０００７】
プラスチックまたはエポキシなどの透明で硬い封止材で全構造を包むことができる。封止材は多くの機能を果たす。機能の１つは、ＬＥＤチップに密封を施すことである。別の一機能では、光が封止材／空気界面で屈折し、その結果、封止材の外側形状がレンズとして作用してＬＥＤの強度パターンをさらに制御する。
【０００８】
しかし、このパッケージの配置の１つの欠点は、一般に、ＬＥＤチップとリフレクタカップと封止材とが各々異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することである。そのため、動作上の加熱サイクル中に、それらが異なる比率で膨張かつ収縮し、高い機械的応力が装置に加わる。特に、通常封止材に使用するエポキシおよびシリコンは、金属またはセラミックとは非常に異なるＣＴＥを有する。また、エポキシの硬化中など、製造フローによって課された制約があるために、ＣＴＥのミスマッチは悪化しかねない。さらに、良好な熱特性を欠いているので、これらのパッケージは、ＬＥＤチップからの熱を効率的に放散しない。しかし、ＬＥＤは低電力で動作するので、ＬＥＤが生じる熱量は比較的低く、ＣＴＥの差が許容不可能な欠陥率につながることはない。
【０００９】
しかし、高出力ＬＥＤは、一般に大型であり、大きなパッケージ構成部品を使用し、多くの熱量を発生する。結果として、ＣＴＥのミスマッチは、はるかに大きな影響を信頼性に与え、低出力ＬＥＤ型のパッケージを使用した場合、パッケージ構成部品のＣＴＥの差が許容不可能な欠陥率につながりかねない。最も一般的な欠陥の１つは、封止材の破断またはクラックである。
【００１０】
ヒートスプレッダを有し、このヒートスプレッダが残りのパッケージ構成部品の剛性のプラットフォームとして働く高出力ＬＥＤパッケージであり、ＬＥＤチップから熱を放射するのを助ける金属またはセラミックなどの高い熱伝導率を有する材料から作られた高出力ＬＥＤパッケージが導入されてきた。プラットフォームにリフレクタカップが取付けられ、リフレクタカップの下部にＬＥＤチップが取付けられる。ＬＥＤチップは、剛性のプラットフォームからワイヤボンドによって接触される。リフレクタカップ、ＬＥＤチップおよびワイヤボンドは、環境保全に資する光学的に透明な材料で包まれる。パッケージ構成部品の異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を補うため、光学的に透明な材料は、シリコンなどの柔軟なゲルを含むことができる。柔軟なゲルは、異なる構成部品が熱サイクルによって膨張かつ収縮するのに伴い、直ちに変形し、異なるＣＴＥを即座に補う。
【００１１】
しかし、柔軟なゲルはプラスチックのように頑強ではなく、密封として作用する被覆またはカバーがなければ、厳しい環境で使用することができないので、ＬＥＤの製造工程を複雑にしてしまう。柔軟なゲルは水分を吸収する傾向もあり、そのためＬＥＤの寿命が短くなる可能性がある。また、ＬＥＤパッケージの放出パターンを制御するように柔軟なゲルを形作ることはさらに困難である。
【００１２】
エポキシの硬い封止材を利用する他の高出力ＬＥＤパッケージが導入されている。そのような装置の１つでは、封止材の内部にリフレクタカップを利用せず、代わりに、ヒートスプレッダ上に第２の領域を有し、第２領域の一部を打抜き加工するか、成形するか、エッチングして反射材料で被覆したくぼみを形成する。その後、ＬＥＤチップをくぼみの基部に置き、接触させる。硬いエポキシまたはシリコンがくぼみを充填し、ＬＥＤとすべてのワイヤボンドとを被覆する。この配置によって、エポキシまたはシリコンの封止材の破断およびクラックが低減されるが、これをなくすことはない。また、この配置のため、エポキシまたはシリコンの封止材がＬＥＤの熱サイクルによってくぼみの表面からの層割れおよび剥離という異なる問題に煩わされる。
【００１３】
Ｃａｒｅｙらの特許文献１に、別の高出力ＬＥＤパッケージが開示され、このＬＥＤパッケージは、インサート成形したリードフレームに挿入する放熱スラグを含む。スラグは、ＬＥＤチップを有するリフレクタカップとカップの基部に配置された熱伝導性のサブマウントとを含む。スラグから金属リードを、電気的かつ熱的に絶縁する。スラグ上に熱可塑性レンズを取付けることによって光学レンズを付加する。レンズを成形して、ＬＥＤとレンズの内面との間に柔軟な封止材のための余地を残すことができる。この発明では、高出力の諸条件で確実に動作することが請求されているが、製造が複雑かつ困難であり、高価である。また、熱可塑性レンズは、ＬＥＤをプリント回路基板にはんだ付けする工程で通常使用される高温に耐えられない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、高出力ＬＥＤとともに使用するのに特に適合し、パッケージ構成部品のＣＴＥの差によるＬＥＤパッケージの欠陥を低減するように配置されたＬＥＤパッケージを提供することを目的とする。ＬＥＤパッケージは、簡単で柔軟であり、また堅牢である。
【００１５】
本発明に従う発光素子の一態様は、実質的な支持表面、支持表面に位置決めされた光源、および支持表面に位置決めされた封止材を含む。封止材は、光源を囲み、温度変化に応じて膨張および収縮することができ、平面の前記支持表面への接着のみにより固定される。
【００１６】
本発明に従う発光素子の別の態様は、ヒートスプレッダと、ヒートスプレッダの実質的に平面の表面と熱的に接触した状態で位置決めされた光源とを含む。ヒートスプレッダは、前記光源を支持し、封止材を位置決めして光源を囲み、封止材は、温度変化に応じた膨張および／または収縮が可能であり、前記平面の支持表面に接着することによってのみ固定される。ヒートスプレッダおよび封止材の少なくとも１つと一体化される第１の反射要素が光源からの光を反射するように位置決めされる。
【００１７】
本発明に従う光学式ディスプレイの一態様は、実質的に平面の表面を有するヒートスプレッダを含む。複数の発光素子が、平面の表面上に位置決めされ、各発光素子は、ヒートスプレッダと熱的に接触した状態で位置決めされた光源を含む。光源を囲むように封止材を位置決めし、封止材は、温度変化に応じた膨張および収縮が可能であり、前記平面の表面への接着されることによってのみ固定される。各発光素子は、ディスプレイの発光効率を向上させるように、ヒートスプレッダおよび／または封止材に位置決めされた少なくとも１つの反射要素を備える。
【００１８】
発光素子の製造方法の一態様は、実質的に平面の支持表面を設けることおよび、実質的に平面の支持表面に位置決めされた光源を設けることを含む。温度変化に応じて膨張および／収縮することができるように支持表面上および光源上に位置決めされ、前記平面の表面に接着することによってのみ固定される封止材を設ける。
【００１９】
本発明のこれらおよび他の特長および利点は、次の添付図面とともに、下記の詳細な説明から当業者に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に従う発光素子を簡単に示す断面図である。
【図２】本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図３】形作られたレンズを有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図４】形作られたレンズに反射面を有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図５】弾丸形状のレンズを有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図６】凹形状のレンズを有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図７】マッシュルーム形状のレンズを有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図８】円形球状のレンズを有する本発明に従う発光素子の別の実施形態を簡単に示す断面図である。
【図９】本発明に従う発光素子の製造方法を簡単に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に、本発明に従う発光素子１０の一実施形態を示す。発光素子１０は、ヒートスプレッダ１２を含み、ヒートスプレッダ１２上に位置決めされ、ヒートスプレッダ領域１２と熱的に接触している光源１４を有する。スプレッダ領域１２は、光源１４を保持する支持構造を成し、少なくとも部分的に高熱伝導材で作られ、光源１４から熱流を逃がすのを容易にする。好適なヒートスプレッダは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）またはそれらの組合せなどの高熱伝導材で作られる。
【００２２】
光源１４はＬＥＤを備えるが、特に固体レーザ、レーザダイオード、または有機放出ダイオードなどの他の発光素子を含むことができる。光源１４に印加したバイアスによって第１および第２のワイヤボンド１６、１８から光源１４への電力を供給することができ、図示した実施形態では、ワイヤボンドは、ＬＥＤ光源の逆にドープされた層にバイアスを印加してＬＥＤ光源に光を放出させる。本発明に従う他の実施形態では、ワイヤボンドを１つのみ使用することができ、スプレッダ領域１２を介して光源１４に接触することもできる。なお他の実施形態では、スプレッダ領域１２を介してのみ光源１４に接触することができる。
【００２３】
本発明に従う発光素子は、単一光源として発光するか、ディスプレイ内で発光するかのいずれかに設計されたシステムに含まれることができる。本発明に従う発光素子は、同じかまたは異なる波長の光を放出する単一光源または光源のアレイも含むことができる。以下の図面の発光素子１０および複数の発光素子は、議論を単純化し、かつ容易にするため一つの光源をもって示される。ただし、この発明による発光素子は多くの様々な方法で配置されることが理解される。
【００２４】
透明封止材２０が、光源１４を囲むように位置決めされ、光源１４およびワイヤボンド１６、１８を封止および密封するよう提供される。封止材２０は、通常、スプレッダ領域２０の上面に位置決めされる。封止材２０は、エポキシ、シリコン、ガラス、またはプラスチックなどの多くの異なる硬さの、かつ光学的に透明な材料で作られ、封止材２０を、予備成形されたレンズにするか、あるいは光源１４の上方に直接形成することができる。予備成形された封止材またはレンズは射出成形などの技法を使用して製造され、その後ヒートスプレッダ２０に接合することができる。
【００２５】
スプレッダ領域１２は、反射層２２が少なくとも光源１４により被覆されない面を実質的にすべて被覆するようにして、光源１４と同じ表面に反射層２２も含むことができる。示す実施形態では、前記反射層の一部が光源１４とスプレッダ領域１２間に挟まれるように反射層２２が全表面を被覆する。光源１４は、光源からの少数の想定される光路を表す光路１、２、３、４および５により光を全方向に放出する。光路１、２および３は光源１４から封止材２０を通して伸びる。光は光源１４から反射層２２へ封止材２０を通して伸びる光路４および５に沿って進むこともできる。反射層２２は光源１４からの光を反射して発光素子１０の光学的効率を向上できる。反射層２２は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）またはそれらの組合せなどの、対象とする波長の光を反射する多くの反射材を備えることができる。
【００２６】
発光素子１０は多くの利点を有する。その一つは、発光素子が従来の装置より複雑でなく、安価である点である。反射層２２をスプレッダ領域１２と接合し、封止材２０およびヒートスプレッダ１２とは別のリフレクタ構造を必要としない方法によって複雑性が低減され、製造工程の単純化を可能にする。
【００２７】
リフレクタ機能が発光素子１０に含まれた他の構成部品と一体化されるため熱応力も低減される。それ故、様々な比率で互いに膨張かつ収縮する構成部品は少ない。その結果、光源１４はより高電力で、すなわち、より高温で、発光素子１０に障害が起こる危険がより少ない状態で確実に動作することができる。障害を起こす別の原因は、使用した様々な材料間のＣＴＥミスマッチに関連した封止材２０の破断またはクラックである。ただし、これが起こる確率は発光素子１０の配置により低減される。封止材２０とスプレッダ領域１２間の表面は平面で、その結果、封止材２０が一方の表面でのみ束縛される。これにより、ワイヤボンド１６および／または１８には、それらを破損し、または緩め、発光素子１０の有効寿命を短縮する応力はほとんどかからない。
【００２８】
封止材２０はガラスなどの硬い高融点材料を含み、これらの材料に関連した硬化工程および温度サイクルはもはや問題にならないため、密封されたパッケージを提供できる。発光素子１０は、それらが接着に良く適合するため封止材２０およびスプレッダ領域２２に使用できる材料のより柔軟な選択を可能にする。それ故、発光素子の熱サイクルにより反射層２２からの封止材２０のデラミネートおよび剥離の確率が低減される。
【００２９】
別の利点は、発光素子１０がより小さなフットプリントを有し、その結果、パッケージのアレイがともにより密接して配置されることである。この特徴は、パッケージをアレイに密に配置し、解像度および表示品質を向上させることが一般に望まれるライトディスプレイに有用である。
【００３０】
図２〜８は本発明に係る発光素子の付加的実施形態を図示する。図示する発光素子が図１に示す構成要素と同様の要素を含み、かつ発光素子１０に関する上記議論が図２〜８で論じる発光素子に十分等しく該当するため、後の開示において同じ番号付けがなされていることに留意されたい。
【００３１】
図２に、本発明に係る発光素子３０の別の実施形態を示す。発光素子３０は、スプレッダ領域１２を含み、反射層２２を含むことができる。光源１４が反射層２２上に位置決めされ、封止材４０が光源１４を封止し、かつ密封するように位置決めされる。封止材４０は、光源１４から放出された横方向に向けられた光を全て内部反射させる傾斜面４２を備えるようにその基部の周囲を成形される。
【００３２】
光路６、７は、その両方が面４２に入射する、光源１４からの２つの想定される光路を示す。光路６、７は、面４２による全内部反射（ＴＩＲ）により、それぞれ光路８、９に沿って封止材４０の上部に向かって反射される。これにより封止材４０の側面から外に放出される光が低減され、上部から外へ放出される光を増大する。その結果、発光素子３０がより良好な発光効率でより集束された光を生成することができる。光源１４から放出された光を、反射層２２から封止材４０へ反射することもでき、表面４２から直接的または間接的に放射し、発光効率をさらに高めることができることに留意すべきである。発光素子３０はより集束された光、より良好な光学的効率の付加的利点を備えた上記に説明した発光素子１０の特徴のすべてを含む。
【００３３】
図３に、図２の発光素子３０に類似の本発明に係る発光素子５０の別の実施形態を示す。発光素子５０は、スプレッダ領域１２に反射層２２を備えたスプレッダ領域１２を含む。光源１４は反射層２２上に位置決めされ、封止材６０は光源１４を囲むように位置決めされて密封状態を提供する。封止材６０は傾斜面４２に塗布された反射層６４を備えた傾斜面４２を備える。支持領域４９が第２の反射層６４およびスプレッダ領域２２に隣接して位置決めされる。
【００３４】
第２の反射層６４は、ＴＩＲを受けず、かつさもなければ傾斜面４２を通過するはずの光を含む傾斜面４２に入射する光のほとんどまたはすべてを反射する。これにより封止材６０の上部に向かう光源１４からの光がさらに集束され、放出量を増加させることにより光学的効率がさらに向上する。第２の反射層６４は銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、白色樹脂、またはそれらの組合せなどの様々な反射率を有する各種材料からなる。第２の反射層６４は塗装、メッキ、または蒸着などの多くの様々な方法を使用して塗布され、また封止材６０が光源１４上方に位置決めされる前後に塗布できる。光を通さない第２の反射層６４の付加的利点は、発光素子５０の光効率を低下させることなくそれにより機械的な支持および環境保全のため任意選択のバリア領域４９を含むことが可能になることである。領域４９に使用された材料は、それが熱サイクル下で封止材６０を抑制しないように選択する必要がある。
【００３５】
図４に、図１の発光素子１０に類似の本発明に係る発光素子７０の別の実施形態を示す。発光素子７０は、スプレッダ領域１２、光源１４、および反射層２２を含む。発光素子７０は、その基部にキャビティ８１を有する予備成形されたレンズである封止材８０も備える。上記に説明した封止材と同様に、レンズ８０はエポキシ、シリコン、ガラス、またはプラスチック製で、射出成形などの方法を使用して製造することができる。封止材８０は、キャビティ８１に配置された光源１４およびワイヤボンド１６、１８を備えたヒートスプレッダ１２の上面と、光源１４上方とに取付けられる。接合材８２がキャビティ８１の空間を充填し、レンズ８０をヒートスプレッダ１２に保持する。光源１４、ワイヤボンド１６、１８および接合材８２のためのキャビティを提供しながら、それらがヒートスプレッダ１２にはまるよう寸法が決められる様々な形の封止材が使用される。
【００３６】
接合材８２はエポキシ、膠、またはシリコンゲルなどの様々な材料を含む。接合材８２の屈折率は、２つの材料間の反射を最小にするためにレンズ８０の屈折率と同じであることが好ましく、それらの材料は所望の発光効率を達成するように選択することができる。封止材８０が光源１４上方に位置決めされるかまたは封止材８０が所定の位置に位置決めされる前に接合材８２がキャビティ８１に位置決めされ、材料８２は封止材８０を通してまたはスプレッダ１２の穴（図示せず）を通して注入できる。その後、穴を樹脂等の材料で作られたプラグで密封することができる。
【００３７】
この配置は、光源１４およびヒートスプレッダ１２上に取付けられる封止材の種類および形状の付加的柔軟性を有する発光素子１０の利点を有する。様々な種類のレンズが、スプレッダ領域においてサイズを設定するという条件のもとで使用され、その結果、光源１４、ワイヤボンド１６、１８および接合材８２のためのキャビティが提供される。材料８２にシリコンゲルが使用される場合、それは様々な材料のＣＴＥの差を補償できる。
【００３８】
図５に、本発明に係る発光素子９０の別の実施形態を示す。発光素子９０はスプレッダ領域１２、光源１４、および反射層２２を含む。発光素子９０は予備成形されたレンズまたは光源１４上に配置され、かつ成形されたエポキシの硬い「弾丸形状の」封止材１００も含む。光が表面１２１で封止材１００から消え去るため、封止材１００の形状は光路１、２、３、４および５に沿って発光素子９０の上部に向かって光を屈折させるように選択される。この光の屈折は、光源１４からの光を集めるのに役立つ。正確に９０°で（すなわち、光路２に沿って）封止材１００の表面に達する光は屈折されない。
【００３９】
図６に、スプレッダ領域１２、光源１４、および反射層２２も含むこの発明に係る発光素子１１０の別の実施形態を示す。発光素子１１０は、発光素子１１０の上部に向かって光をより効率的に内部で反射し、発光素子１１０の上部に向かって封止材１２０から放射される光をより効率的に屈折させることができる「凹」形状封止材１２０を含む。封止材１２０は封止材１２０の集束力および発光素子１１０の発光効率を向上させるような方法で成形される傾斜面１２２を含む。面１２２の角度および形状は光を集束する上での所望利得を得て、かつＴＩＲからの何らかの損失を減少させるように選択される。
【００４０】
図７に、スプレッダ領域１２、光源１４、ワイヤボンド１６、１８および反射層２２を含む本発明に係る発光素子１３０の別の実施形態を示す。発光素子１３０は、ドーム１４２および傾斜ステム１４６を有するマッシュルーム形状封止材１４０も含む。ステム１４６は、光路６、７に沿ってステム１４６に当たる光源１４からの光がそれぞれの光路８、９に沿ってドーム１４２に向かって反射されるように第２の反射層１４７により被覆される。この配置は合焦光を提供し、ＴＩＲに対する光の損失がより少ないためより効率的である。
【００４１】
図８に、スプレッダ領域１２、光源１４、および反射層２２を含む本発明に係る発光素子１５０のさらに別の実施形態を示す。発光素子１５０は球形状の封止材１６０も含み、その封止材の下半球には、反対領域１６１も含んでいて、それぞれの光路８および９に沿い、封止材１６０の上部に向かって光路６と７に沿う光を反射する。この配置は合焦光を提供し、封止材１６０および反射層６４のためより少ないＴＩＲ損失を有する。封止材はこの発明による他の詳細な形状を有することができることも理解される。
【００４２】
図９はこの発明による発光素子の製造方法の一つの実施形態に対するフローチャート２００を示す。この方法はその上に反射層を持った少なくとも一つの平面を有するスプレッダ領域を備えたステップ２０１を含み、ステップ２０２は少なくとも一つの平面に位置決めされた光源を設けるステップを含む。ステップ２０３はスプレッダ領域の平面におよび光源上に配置された封止材を設けるステップを含む。平面であることによって、温度変化による封止材の膨張および収縮が平面でのみ束縛される。
【００４３】
密封状態が温度変化でも破損されない場合、それが光源を密封するように封止材が配置される。封止材および光源の相対位置が温度変化で不変であるように封止材が配置される。温度変化にともなって封止材が押すべきものが何もない（すなわち、三次元リフレクタ構造）場合、相対位置は不変である。
【００４４】
任意のステップ２０４は、スプレッダ領域に隣接する封止材の表面を傾斜させてＴＩＲ光および屈折光を発光素子の上部に向けて送り出することにより発光素子の効率を向上させるステップを含む。
【００４５】
任意のステップ２０５は、傾斜面に配置された第２の反射要素を設けて発光素子の発光効率を向上させるステップを含む。第２の反射要素は塗装、メッキ、または蒸着を用いることにより形成される。任意のステップ２０７は、支持表面および封止材の基部に隣接する障壁領域を配置するステップを含む。障壁領域は光源用のより良好な封止を形成することができる。フローチャート２００に示したステップは異なる順序で行われることがあること、および異なるステップがこの発明による方法で使用されることに留意する必要がある。
【００４６】
本発明は、いくつかの好ましい構成を参照してかなり詳しく説明されてきたが、他の変形が可能である。上記に説明したレンズは、多くの様々な形状を有しかつ多くの様々な材料から作成される。上記に説明した光源の各々は、静電気放電（ＥＳＤ）から保護するサブマウントをさらに含む。上記各実施形態において、ヒートスプレッダをエッチングして光源がヒートスプレッダの上面の上に広がらないように光源を収納する穴を設ける。その後、封止材は光源上にヒートスプレッダに取付ける平坦な基部を有する。
【００４７】
本明細書で説明した本発明の実施形態は例示的なものであり、多数の修正、変態および再配置によって、実質的に同等の結果を実現することは容易に想像できる。それらは、すべて添付請求項で定義されたように本発明の精神および範囲内に包含されることが意図されている。
【符号の説明】
【００４８】
１２  スプレッダ領域
１４  光源
２２  反射層
３０  発光素子
４２  傾斜面
４９  支持領域
６０  封止材
６４  反射層
【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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