熱伝導率を向上させた発光デバイス・アセンブリ、それを含むシステム及び熱伝導率を向上する方法
【課題】ＬＥＤからの放熱性能を向上させることのできる発光デバイス・アセンブリ、システム、及びその方法を提供する。
【解決手段】本発明による発光デバイス・アセンブリ（１０、５０）は、発光ダイオードチップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、２つの端子を持つ基板であって、第１の端子（１０１、５０１）が少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持ち、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を持つ部分（１０３、５０３）を有する基板と、ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと接続する接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具える。
【解決手段】本発明による発光デバイス・アセンブリ（１０、５０）は、発光ダイオードチップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、２つの端子を持つ基板であって、第１の端子（１０１、５０１）が少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持ち、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を持つ部分（１０３、５０３）を有する基板と、ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと接続する接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子デバイスに関するものであり、より具体的には放熱特性を高めた発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）とは、大量の光子を外部に放射することにようにして電気エネルギーを光へと変換するために特別な構造を有する複合的な固体半導体デバイスである。ＬＥＤは一般に、そのサイズが小型であること、耐久性があること、そして長寿命であることから、白熱灯よりも好まれる。加えて、ＬＥＤは電気エネルギーから光へと変換する際に放射される熱が少ないことからも白熱灯よりも好まれるのである。
【０００３】
ＬＥＤランプは、ビデオ信号、交通信号灯及び自動車のブレーキライト等、様々な用途に幅広く使用されている。ＬＥＤはさらに、テレビやビデオカセットレコーダ、車の電子部品等の機器における可視インジケータとして様々な民生用電子製品及びサービスにおいても使用されている。ＬＥＤは、多くの電子機器において回路が閉じた場合を知らせる「パイロット」ランプとして動作する場合も多い。さらにＬＥＤは、普及している自動挿入機器を使った量産に非常に適していることから、電子部品産業においてもボードアセンブラの用途に用いられることも多い。
【０００４】
発光デバイス・アセンブリの動作中においては、基板に接続された２つの端子を通じて電流がＬＥＤ中を流れる。ＬＥＤは電気エネルギーが光エネルギーへと変換された場合に点灯することになる。電気から光エネルギーへの変換は、一般に１００％の効率で行われるものではなく、この結果、この変換プロセス中に幾分かの熱が生じることになる。
【０００５】
ＬＥＤが起動すると、アセンブリにおいては電圧が徐々に上がり、電流が急速に増加する。最も伝導の大きい方向において約２０ｍＡの順方向電流を生じるには、一般に約１．９Ｖの順方向電圧が必要とされる。よって２０ｍＡにおける電圧は、そのＬＥＤの製作に使用した半導体材料の種類に応じて異なることになる。例えば、アルミニウム・インジウム・ガリウム燐（ＡｌＩｎＧａＰ）ＬＥＤに要するのは１．９Ｖであるが、インジウム・ガリウム窒素（ＡｌＧａＮ）ＬＥＤには３．４Ｖが必要である。順方向バイアス電圧によって電子及び正孔は空乏領域へと入って再結合する。即ち、この電圧により提供される外部エネルギーが伝導帯の電子を励起させ、これらが価電子帯へと落ちて正孔と再結合することから、可視スペクトルにおける光放射が生じるのである。
【０００６】
ＬＥＤにより放射される光子数を最大化し、これによりもっと大量の光を生じさせる為には、順方向電流を最大化しなければならない。順方向電流が大きくなると伝導帯においてより多くの電子が励起されることになり、より大量の光子が放射されることになる。ＬＥＤが放射する光は、ＬＥＤ中を通る電流に直接比例する。光出力と電流の関係に直線性があったとしても、図２に示したように、より大量の電流を流すことによるＬＥＤの自己加熱でＬＥＤの作動温度が上昇するに従い、ＬＥＤの放射曲線に効率低下が生じてしまう。また、変換効率も低下することになる。従ってこのプロセスでは、駆動電流の上昇に伴い、より大量の熱が発生することによる損失が出るのである。ＬＥＤの発光性能は最大の重要課題であり、この発光性能を維持する為には、生じた熱を除去しなければならないのである。
【０００７】
ＬＥＤ業界においては、デバイス全体としての伝熱能力を得る上で、熱抵抗が参照される。例えば、５ｍｍのスルーホールランプは一般に、２４０℃／Ｗの熱抵抗（ピンへの接合部）を持っており、これはＬＥＤが１Ｗの熱を放出する場合、ＬＥＤとピン中のその地点との間の温度差が２４０℃であることを示す。従って、これらのデバイスからの熱除去能力を最大化する為には、熱抵抗を改善することが望ましい。
【０００８】
従来デザインの特定の実施例として、ある種の導電性接着剤を使ってＬＥＤチップを一般的にはリードフレームである基板へと固定したものがある。基板は軸方向に伸びる２つの端子を持っており、第１の端子の一部分は空洞部と直線的な部分から構成されている。電気接続はＬＥＤチップと基板の第２の端子との間に作られる。この組立部品は光学的に透明なエポキシにより封入される。
【０００９】
従来デザインの更なる実施例として、特許文献１においてＬＥＤの二重封入層が開示されている。第１の封入層は光、即ち放射に対して透明であり、第２の封入層はＬＥＤの動作温度を低下させる為に高い熱伝導率を持つものである。二重封入層によれば熱伝導率はある程度改善するものであるが、ＬＥＤからの熱除去能力はさらに改善する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許番号第６，５１８，６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
熱の除去は、一般に、基板の第１の端子までへの伝導に制約されている。第１の端子の第１の部分の垂直方向の断面積は通常、封入されたアセンブリの総垂直断面積の３０％以上を構成することは無い為、ＬＥＤから大量の熱を除去することは一般的に困難なのである。よって過去においては、これらのデバイスにおける順方向電流の最高値は５０ｍＡ以下（一般的には１０〜４０ｍＡの範囲）に制約されている。従って、これらのパラメータとした結果、望まれるよりも効率が悪く、性能も低いＬＥＤを作らざるを得なかったのである。ＬＥＤの利用は普及していることから、ＬＥＤからの熱の除去能力を強化する（放熱性能を向上させる）ことのできる方法を見出すことにより、これらのデバイスの性能を改善する必要があるのである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ、２つの端子を持つ基板（望ましくはリードフレーム）であって、一方の端子が少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積における３０％以上の垂直断面積と、ＬＥＤチップを収容する空洞を持つ部分を含んでいることを特徴とする基板と、ＬＥＤチップ及び基板を接続する金属性接着剤とを具備した発光デバイス・アセンブリを提供するものである。このアセンブリは少なくとも１層の封入層で封入されている。できれば、強化した熱伝導特性を持つ第１の封入材の層により第１の端子の拡張した部分を収容し、そして光学的に透明な第２の封入材の層を第１の封入材の層に取り付ける形でアセンブリの残りの部分を収容するようにすることが望ましい。
【００１３】
本発明の実施例は、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を強化する為の方法を提供するものであり、この方法は、ＬＥＤチップを、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封入されたアセンブリの総垂直断面積における３０％以上の垂直断面積を持つ部分を含む第１の端子中の空洞内に配置するステップと、ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと金属系接着剤により接着して取付、接続するステップと、基板の第２の端子を第１の端子の近傍に配置するステップと、そしてＬＥＤを基板の第２の端子へと接続して取り付けるステップとを含む。方法はさらに、第１の端子の拡張した部分を第１の封入材の層で封入し、この第１の封入材の層に対して第２の封入材の層をアライメントすることによりアセンブリの残りの部分を封入するステップを含む。方法の更なる実施例においては、第１の封入材の層へとフィラーを導入することによりアセンブリの熱伝導率が高められている。
【００１４】
上の説明は、本発明の詳細な説明に対するより深い理解を得る上で本発明の特徴及び技術的利点の概要を要約して説明したものである。本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の請求項の対象を構成する以下の説明に記載されている。開示した概念及び特定の実施例は、本発明と同じ目的を実施する為に他の構造へと変更すること、或いは他の構造を設計する場合の基本として容易に用いることが出来ることは、当業者には明らかである。さらに、このような同等の構造は、請求項に定める本発明の精神及び範囲から離れるものではないことも当業者には明らかである。本発明の特性とされる新規の特徴は、添付図を参照しつつ以下の説明を読むことにより、更なる目的及び利点と共にその構造及び動作方法の両面において容易に理解することが出来るものである。しかしながら図の各々は説明することのみを目的に提供されるものであり、本発明の定義及び限界を示すことを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に基づく発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図２】代表的なＬＥＤの発光特性を説明するグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に基づくフローチャートである。
【図４】従来の発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図５】本発明の一実施形態に基づく発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図６】本発明の更なる実施形態に基づくフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、放熱特性を向上させた発光デバイス・アセンブリを提供するシステム及び方法に関するものである。本発明のより深い理解を得る為に、以下に添付図面を参照して、最良の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
本発明の実施例は、基板と、エポキシ系接着剤の代わりに金属系接着剤を用いて接続したＬＥＤチップとを用いたものである。本発明において使用する基板は、２つの端子を含んでおり、一方の端子は、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封止されるアセンブリ全体の垂直断面積の３０％以上を占める垂直断面積とを持つ部分を含んでいることが望ましい。第１の端子の拡張した部分は、熱伝導特性を強化した第１の封入材の層で封入される。その後、光学的に透明な第２の封入材の層が、アセンブリの残りの部分を収容するように、第１の封入材の層の一方の側に取り付けられる。代わりにシェル又はモールドを使用することも可能であり、この場合、ＬＥＤチップへと接続した基板をシェルの内部へと配置し、第２の封入材の層がシェル中に注ぎ込まれ、その後第１の封入材の層が注ぎ込まれる。第１及び第２の封入材の層が固化し、アセンブリの残りの部分を収容するシェルの形状となる。
【００１８】
実施例を説明する前に、理解を容易にする上で図４に示した従来デバイス４０を参照する。従来デザインにおいては、一般に空洞４０４を持つリードフレームである基板は、ＬＥＤチップ４００へと接続されており、二つの端子を持っている。第１の端子４０１は第１の部分４０３及び直線的部分４０５を持っており、第２の端子４０７は電気接続４０６を通じて第１の端子４０１へと接続している。第１の端子４０１における第１の部分４０３は、典型的にはこの第１の端子部分４０３が作られた封入アセンブリの総垂直断面積の３０％しか構成しておらず、ＬＥＤチップ４００からの放熱に使用出来る面積は小さくなっている。導電性接着剤４０２を使用してＬＥＤチップ４００が基板の第１の端子４０１へと固定される。導電性接着剤は、典型的にはエポキシ系のものであり、これは劣悪な熱伝導性能と、大量の熱の発生を招くものである。よってＬＥＤ４００から発された熱は、熱伝達に最小面積しか提供しない第１の端子４０１における第１の部分４０３に留まることになるのである。発光デバイス・アセンブリ４０の収容には、少なくとも１つの封入層４０８が使用されている。
【００１９】
図１に示したように、一実施例における発光デバイス・アセンブリ１０は、有利な金属系接着剤１０２を用いてリードフレームの第１の端子１０１へと接着して取り付けられたＬＥＤチップ１００を含んでいる。このような金属系接着剤はＬＥＤ１００と基板の第１の端子１０１の部分１０３との間に良好な熱伝導特性を提供するものである。これは従来技術（図４）におけるエポキシ系接着剤４０２の劣悪な熱伝導特性とは対照的な点である。第１の端子１０１はＬＥＤチップ１００を収容してＬＥＤチップ１００から光を集める為の空洞１０４を含む部分１０３を持っている。このような部分１０３は、少なくともＬＥＤチップ１００の幅と同じ幅を持っている。第１の端子１０１における部分１０３の垂直断面積は、その第１の端子の部分１０３を含む封入アセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％を占めている。封入パッケージ１０８のサイズが固定の場合、このような部分１０３は一般に、封入パッケージ１０８の端部と面一となる地点まで拡張することが出来る。しかしながら、他の実施例においては、第１の端子１０１の部分１０３を封入パッケージ１０８から突き出るまで伸ばし、その後部分１０３をＰＣＢの金属パッド等の金属と接触させるように配置することが出来る。金属同士を接触配置させると熱伝導が増大する。
【００２０】
一般に、封入パッケージ１０９におけるドーム型部分の基部の直径、或いは封入パッケージ１０９の円筒形部分の直径は、３ｍｍ、４ｍｍ又は５ｍｍのいずれかである。従って、ＬＥＤパッケージのタイプは、３ｍｍ、４ｍｍ又は５ｍｍスルーホールランプと呼ばれており、第１及び第２の端子の直線部分が実装ＰＣＢ等の部品の穴へと挿入されることを示している。他の封入パッケージサイズは可能であるが、これらは一般的ではなく、工業規格に合致しない場合が多い。よってパッケージ１０９の円筒形部分は、一般に垂直方向に伸ばすことは出来るが、パッケージ１０９の直径は一定に保たれるものである。従って、第１の端子における部分１０３の垂直断面積と封入アセンブリの総垂直断面積との間の比率を決定する場合、封入パッケージ１０８の面積の増大によりその比率を変えることになるのである。
【００２１】
従来技術においては、５ｍｍスルーホールランプが使用された場合、第１の端子４０１における部分４０３の面積は約０．００９９６平方インチということになる。しかしながら、推奨される実施例においては、第１の端子１０１における部分１０３の面積は少なくとも０．０１４平方インチあり、これはこの領域の約４１％増を意味するものである。部分１０３の面積を拡張したことにより、より大量の金属が封入パッケージ１０８と接触することになり、放熱量も増加する。しかしながら第１の端子部分４０３の面積は、使用されるスルーホールランプの直径によって異なることは言うまでもない。例えば、３ｍｍスルーホールランプが使用された場合に計算されるこの面積は５ｍｍランプの場合よりも小さくなるものの、同様のパーセンテージの増加を実現することが可能である。
【００２２】
さらに、第１の端子１０１は、第１の端子部分１０３の延長部として直線部分１０５を含む。第１の端子１０１における部分１０５の面積は、第１の端子１０１の部分１０３よりも小さいことから、第１の端子部分１０３を拡張してより広い面積とすることが出来るが、しかしこれは発光デバイス・アセンブリ１０における短絡を回避する為に第１の端子部分１０３と第２の端子１０７が接触しない程度としなければならない。第２の端子１０７と第１の端子１０１における直線部分１０５の寸法は、ＰＣＢにおいてそうであるように、端子取り付け用の穴が固定されている限りにおいては一定であることに留意が必要である。第１の端子１０１の部分１０３を拡張した場合、封入パッケージ１０８中に埋め込まれる直線部分１０５の面積が小さくなり、熱が直線部分１０５及びＰＣＢ等に入る前に熱を放出することが出来る面積がより大きくなるのである。
【００２３】
熱伝導性能は、Ｑ／ｔ＝ｋＡ（Ｔｈｏｔ−Ｔｃｏｌｄ）／ｄの式で表される（Ｑ／ｔが熱伝達速度、ｋが熱伝導率、Ａが垂直断面積、Ｔｈｏｔが最高温度、Ｔｃｏｌｄが最低温度、そしてｄが使用材料の厚さである）。熱伝達速度は熱伝導率と垂直断面積に比例する。第１の端子１０１が拡張された場合、水平断面積が大きくなる為に熱伝達速度は高まる。５ｍｍスルーホールランプを使用した場合を考えると、従来技術においては第１の端子４０１の直線部分４０５は０．０００４平方インチの水平断面積を持つ。しかしながら、推奨される実施例においては、第１の端子１０１の面積は０．００１１２平方インチ分増大することになり、これは約２８０％の増加を意味する。従って増大した面積はＰＣＢへの放熱に使用可能なのである。第１の端子１０１の直線部分１０５への入口地点は固定されてはいるものの、第１の端子部分１０３が拡張された場合は、熱がＰＣＢとの交点に届く前に第１の端子１０１中でより大量の熱を放熱することが可能である。しかしながら、第１の端子の拡張させた部分１０３の面積は、使用されるスルーポールランプのパッケージ径によって変化する点に留意が必要である。
【００２４】
さらに、発光デバイス・アセンブリ１０の熱伝導率を増大させ、ＬＥＤチップ１００からより大量の熱を基板へと送る為に、第１の端子１０１及び第２の端子１０７の全体を含むがこれらに限られないアセンブリ１０中における全ての金属要素の厚さを増大させるという他の実施例がある。アセンブリ１０の熱容量を大きくする為に、この厚さの増大は、一般に金属であるバルク材料をさらに用いることで実施することが望ましい。代わりに、選択的に第１の端子１０１の部分１０３に限定して厚さを増大させることも可能である。
【００２５】
第１の端子１０１の全体的な面積を大きくすることにより、これに応じて封入パッケージ１０８と接触する金属量も増大することになる。よって封入パッケージ１０８が良好な熱伝導率を持ち、第１の端子１０１の部分１０３が封入パッケージ１０８とより大きな接触を持つ場合、ＬＥＤアセンブリ１０の放熱性能は改善されるのである。
【００２６】
通常は金ワイヤ１０６である電気接続は、ＬＥＤ１００の一端とリードフレームの第２の端子１０７との間に作られる。次にリードフレームが少なくとも１つの封入層１０８、１０９に封入される。出来ればこのリードフレームは、通常は第１の端子１０１における部分１０３の上部あたりの高さまでの空洞１０４内部を除き、第１の端子１０１の部分１０３を包む第１の封入材の層１０８中に収容することが望ましい。光学的に透明な第２の封入材の層１０９は、第１の封入材における層１０８の一方の側に空洞１０４を覆うように設けられる。第２の封入材の層１０９は、一般にレンズ形状に作られる。代わりに、シェル又はモールドを用いて二重封入を実現しても良い。ＬＥＤチップ１００を基板に接続した後にそのようなシェル中に入れる。その後第２の層用の封入材１０９をシェル中に注ぎ、続いて第１の層用の封入材１０８を設ける。アセンブリの残りの部分を封入するように、これらの封入材１０８、１０９がシェル形状に固化する。
【００２７】
本発明の一実施例においては、少なくとも１つの封入層１０８、１０９が発光デバイス・アセンブリ１０を封入することになっている。しかしながら、二重封入層１０８、１０９とすることにより、アセンブリ１０の放熱性を強化する働きが得られる。
【００２８】
このような二重系においては、第１の封入材の層１０８は強化された熱伝導率を持ち、第１の端子の１０１における部分１０３と接触している場合には放熱器として作用する。第１の封入材の層１０８は一般に、熱伝導率を高める為に熱伝導性フィラーを含ませたポリマー系封入材である。第１の封入材の層１０８用フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子を含むものとすることが出来る。これらのフィラー選択肢の各々は、熱伝導率に著しい向上をもたらすものである。例えば、フィラーを含まないエポキシ系の封入材は一般に約０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を持っているが、好適なフィラーを加えた封入材１０８であれば、少なくとも１０〜２０Ｗ／ｍＫまで熱伝導率を向上させることが出来るのである。フィラーを付加した場合、第１の封入材の層１０８は透明である必要はない。第１の封入材の層１０８を半透明或いは不透明としても、デバイス性能に損失を与えることはないのである。第２の封入材の層１０９は、ＬＥＤ光、即ちＬＥＤ放射に対して透明である等、光学的に透明なものとすることが望ましい。
【００２９】
発光デバイス・アセンブリ１０への導入が望ましいとされるこの二重封入構造は、単一封入構造が望まれる場合においては採用しなくても良い。しかしながら、従来技術によって二重封入構造の熱抵抗は単一封入構造のＬＥＤよりも２１．５％も低いことが示されている。計測中に生じ得るバラツキを考慮しても、少なくとも１０％、望ましくは１１〜２１．５％の熱抵抗の低下を二重封入構造によって得ることが出来る。よって二重封入層は熱伝導率を高めるものであり、そして金属系接着剤を採用すると同時に第１の端子１０１の部分１０３を拡張することにより、ＬＥＤから除去される熱の量をさらに大きくすることが出来るのである。
【００３０】
リードフレーム上で第１の端子の部分１０３をＬＥＤチップ１００へと固定する金属系接着剤１０２としては、はんだ合金が望ましいが、通常、これは錫又は金ベースの合金である。しかしながら、このような接着剤としてはインジウム等の単一元素のものを使用しても良い。エポキシ系接着剤と比較すると、金属系接着剤はＬＥＤ１００と第１の端子１０１の部分１０３との間により良好な熱伝導を提供するものである。従ってこの代替によって熱伝導率に約１０倍の向上を得ることが出来るのである。例えば、エポキシ系接着剤の熱伝導率は６Ｗ／ｍＫであるのに対し、金属系接着剤の熱伝導率は５０〜１００Ｗ／ｍＫである。
【００３１】
従って、金属系接着剤をアセンブリ１０に導入すると共に第１の端子１０１における部分１０３の大きさを拡張した場合、熱抵抗は最大でも１５０℃／Ｗへと改善され、従来技術と比べると、熱抵抗に少なくとも３８％の改善が得られることになるのである。
【００３２】
次に図５を参照するが、この発光デバイス・アセンブリ５０は本発明の他の実施例を示すものである。このようなアセンブリ５０は、第２の端子が少なくとも２つ（５０７−１〜５０７−Ｎ）あるという点が図１に描いた実施例と異なっている。従って、第１の端子５０１の空洞５０４中に収容されるＬＥＤチップは２つ以上（５００−１〜５００−Ｎ）あり、これらは金属系接着剤５０２−１〜５０２−Ｎにより接着して取付、接続されている。各ＬＥＤチップ５００−１〜５００−Ｎは、通常は金ワイヤである電気接続５０６−１〜５０６−Ｎを通じて対応する第２の端子５０７−１〜５０７−Ｎへと取り付けられる。少なくとも１つの封入層５０８、５０９が発光デバイス・アセンブリ５０を封入している。
【００３３】
従って、発光デバイス・アセンブリの熱伝導率を向上させるには、アセンブリは金属系接着剤、拡張した第１の端子の部分及び封入層を、熱がＰＣＢへと伝わる前の第１次放熱要素として頼るものである（更なる放熱性を得る為に他の造作をさらに導入することも可能である）。金属系接着剤は、ＬＥＤに直接接触していることから、ＬＥＤチップ１００を発生源とする熱を最初に放散することになる。熱は金属系接着剤を通じてＬＥＤ１００から除去され、第１の端子１０１の拡張部分１０３へと入る。第１の端子１０１の部分１０３は拡張されていることから、熱伝導及び熱放散に供される面積はより大きく、さらには、上述したように第１の封入材の層が良好な熱伝導率を持っている場合においては、ＰＣＢへと入る前に更なる熱の放出経路が使えるのである。
【００３４】
次に図３を参照しつつ説明するが、本発明の他の実施例は、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を向上させる為の方法を提供するものである。この方法は、プロセス３０１に示すように、ＬＥＤチップを第１の端子の、少なくともＬＥＤチップと同じ幅にまで拡張した、封入アセンブリの垂直総断面積の少なくとも３０％はある垂直断面積を持つ部分の空洞中に配置するステップを含む。プロセス３０２においては、ＬＥＤチップ（チップ１００等）を、望ましくはリードフレームである基板の空洞中の、第１の端子の拡張した部分へと接着して取り付ける。このボンディングには金属系接着剤を使用することが望ましい。プロセス３０３に示したように、第１の端子の傍に第２の端子が配置される。プロセス３０４においては、第２の端子がＬＥＤチップへと接続される。プロセス３０５においては、第１の端子の拡張部分が第１の封入材の層により封入され、プロセス３０６において第２の封入材の層が第１の封入材の層に対し、アセンブリ全体が封入されるように配置される。さらに、熱伝導率を高める為にフィラーを第１の封入材の層に導入しても良い。
【００３５】
本発明の方法の更なる実施例として、図６に、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を強化する方法を提供する例を示す。図６の方法も図３に示した方法と同様に、プロセス６０１に示したように、ＬＥＤチップを第１の端子の、少なくともＬＥＤチップと同じ幅にまで拡張した、封入アセンブリの垂直総断面積の少なくとも３０％はある垂直断面積を持つ部分の空洞中に配置するステップを含む。ＬＥＤチップは、プロセス６０２に示すように、基板の空洞中で第１の端子の拡張部分に金属系接着剤により接着して取り付けられる。プロセス６０３においては、ＬＥＤチップが基板の第２の端子へと取り付けられる。しかしながら、プロセス６０４においては、ＬＥＤチップが接続された基板はシェル、即ちモールド（鋳型）へと挿入される。その後、第２の層の封入材がプロセス６０５においてシェル中へと注入され、その後プロセス６０６において第１の層の封入材がシェルへと注入され、これらの封入材が固化されてアセンブリの残りの部分を封止するシェル形状を形成する。
【００３６】
先の説明は、発光デバイス・アセンブリに導入されて実施された本発明に関する説明であり、他の実施例においてはＬＥＤチップをレーザーダイオード又は他の推奨される発光デバイスに置き換えたものもある。ＬＥＤ同様、レーザーダイオードは電流を光へと変換する複雑な半導体であるが、これも熱の除去能力の増強、よって本発明が提供する強化した熱伝導率から恩恵を得るものである。
【００３７】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、（ａ）発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、（ｂ）２つの端子を持つ基板であって、２つの端子のうち、第１の端子（１０１、５０１）が少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持ち、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を持つ部分（１０３、５０３）を有する基板と、（ｃ）ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと接続する接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具備したことを特徴とする発光デバイス（１０、５０）アセンブリを提供する。
【００３８】
好ましくは、第１の端子（１０１、５０１）の部分（１０３、５０３）が、１つ以上の封入層（１０８、５０８）の一端と少なくとも面一となるように拡張されている。
【００３９】
好ましくは、第１の端子（１０１、５０１）の部分（１０３、５０３）が、アセンブリの熱容量を増大させ、ＬＥＤチップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）からより大量の熱を吸い出す為に厚くされる。
【００４０】
好ましくは、１つ以上の封入層（１０８、５０８）が、前記第１の端子（１０１、５０１）の前記部分を実質的に収容する、熱伝導率を強化した第１の封入材の層と、前記アセンブリの残りの部分を封入する為に前記第１の層の封入材を一端に取り付けられた第２の封入材の層を有している。
【００４１】
好ましくは、第１の封入材の層（１０８、５０８）が、透明材料、半透明材料、不透明材料、及びポリマー系材料から成るグループから選択される。
【００４２】
さらに、本発明は、アセンブリを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具備したシステムであって、アセンブリが、（ａ）少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、（ｂ）端部から封入層へと入る第１の端子（１０１、５０１）であって、少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持つ部分（１０３、５０３）を有し、当該部分が１つ以上の封入層の端部と少なくとも面一となるように拡張されている第１の端子と、（ｃ）少なくとも１つのＬＥＤチップと対応する数の少なくとも１つの第２の端子（１０７、５０７−１、５０７−Ｎ）と、（ｄ）少なくとも１つのＬＥＤチップを第１の端子へと接続する少なくとも１つの接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを具備したことを特徴とするシステムを提供する。
【００４３】
好ましくは、１つ以上の封入層（１０８、５０８）が、第１の端子（１０１、５０１）の部分を実質的に収容する、熱伝導率を強化した第１の封入材の層と、アセンブリの残りの部分を収容する為に第１の層における封入材の一端に取り付けられた第２の封入材の層とを具備する。
【００４４】
更に、本発明は、発光デバイス（１０、５０）アセンブリの発光ダイオード（ＬＥＤ）（１００、５００−１、５００−Ｎ）の放熱特性を強化する為の方法であって、ＬＥＤチップを、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、アセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％を占める垂直断面積とを持つ部分を含む第１の端子の空洞中に配置するステップ（６０１）と、ＬＥＤチップを第１の端子へと接着剤により取り付けるステップ（６０２）と、ＬＥＤチップを第２の端子へと接続するステップ（６０３）と、ＬＥＤチップへと接続された端子の一部分をシェル中へと挿入するステップ（６０４）と、第２の封入材の層をシェルへと注ぎ込むステップ（６０５）と、第１の封入材の層をシェルへと注ぎ込み、第１及び第２の層の封入材を固化させ、シェルの形状を形成するステップ（６０６）とを有することを特徴とする方法を提供する。
【００４５】
好ましくは、第１の層の封入材中にフィラーを導入して熱伝導率を強化するステップをさらに有する。
【００４６】
以上のように、本発明及びその利点を詳細にわたって説明して来たが、請求項に定義される本発明の精神及び範囲から離れることなく様々な変更、置換、及び改変を加えることが出来ることは言うまでもない。さらに、本願の範囲は、本明細書において説明したプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップの特定の実施例に限られたものではない。本発明の開示から本願に記載された対応実施例と実質的に同じ機能を実施する、或いは実質的に同じ結果を得ることが出来る、現在既存の、或いは将来的に開発されるであろうプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップを本発明に基づいて実施することが出来ることは、当業者であれば容易に想至することが出来る。よって本願請求項は、そのようなプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップをその範囲に含むことを意図したものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０、５０ 発光デバイス
１００、５００−１、５００−Ｎ 発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ
１０１、５０１ 基板の第１の端子
１０２、５０２−１、５０２−Ｎ 接着剤
１０３、５０３ 第１の端子の拡張部分
１０７、５０７−１、５０７−Ｎ 第２の端子
１０８、５０８ 封入層
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子デバイスに関するものであり、より具体的には放熱特性を高めた発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）とは、大量の光子を外部に放射することにようにして電気エネルギーを光へと変換するために特別な構造を有する複合的な固体半導体デバイスである。ＬＥＤは一般に、そのサイズが小型であること、耐久性があること、そして長寿命であることから、白熱灯よりも好まれる。加えて、ＬＥＤは電気エネルギーから光へと変換する際に放射される熱が少ないことからも白熱灯よりも好まれるのである。
【０００３】
ＬＥＤランプは、ビデオ信号、交通信号灯及び自動車のブレーキライト等、様々な用途に幅広く使用されている。ＬＥＤはさらに、テレビやビデオカセットレコーダ、車の電子部品等の機器における可視インジケータとして様々な民生用電子製品及びサービスにおいても使用されている。ＬＥＤは、多くの電子機器において回路が閉じた場合を知らせる「パイロット」ランプとして動作する場合も多い。さらにＬＥＤは、普及している自動挿入機器を使った量産に非常に適していることから、電子部品産業においてもボードアセンブラの用途に用いられることも多い。
【０００４】
発光デバイス・アセンブリの動作中においては、基板に接続された２つの端子を通じて電流がＬＥＤ中を流れる。ＬＥＤは電気エネルギーが光エネルギーへと変換された場合に点灯することになる。電気から光エネルギーへの変換は、一般に１００％の効率で行われるものではなく、この結果、この変換プロセス中に幾分かの熱が生じることになる。
【０００５】
ＬＥＤが起動すると、アセンブリにおいては電圧が徐々に上がり、電流が急速に増加する。最も伝導の大きい方向において約２０ｍＡの順方向電流を生じるには、一般に約１．９Ｖの順方向電圧が必要とされる。よって２０ｍＡにおける電圧は、そのＬＥＤの製作に使用した半導体材料の種類に応じて異なることになる。例えば、アルミニウム・インジウム・ガリウム燐（ＡｌＩｎＧａＰ）ＬＥＤに要するのは１．９Ｖであるが、インジウム・ガリウム窒素（ＡｌＧａＮ）ＬＥＤには３．４Ｖが必要である。順方向バイアス電圧によって電子及び正孔は空乏領域へと入って再結合する。即ち、この電圧により提供される外部エネルギーが伝導帯の電子を励起させ、これらが価電子帯へと落ちて正孔と再結合することから、可視スペクトルにおける光放射が生じるのである。
【０００６】
ＬＥＤにより放射される光子数を最大化し、これによりもっと大量の光を生じさせる為には、順方向電流を最大化しなければならない。順方向電流が大きくなると伝導帯においてより多くの電子が励起されることになり、より大量の光子が放射されることになる。ＬＥＤが放射する光は、ＬＥＤ中を通る電流に直接比例する。光出力と電流の関係に直線性があったとしても、図２に示したように、より大量の電流を流すことによるＬＥＤの自己加熱でＬＥＤの作動温度が上昇するに従い、ＬＥＤの放射曲線に効率低下が生じてしまう。また、変換効率も低下することになる。従ってこのプロセスでは、駆動電流の上昇に伴い、より大量の熱が発生することによる損失が出るのである。ＬＥＤの発光性能は最大の重要課題であり、この発光性能を維持する為には、生じた熱を除去しなければならないのである。
【０００７】
ＬＥＤ業界においては、デバイス全体としての伝熱能力を得る上で、熱抵抗が参照される。例えば、５ｍｍのスルーホールランプは一般に、２４０℃／Ｗの熱抵抗（ピンへの接合部）を持っており、これはＬＥＤが１Ｗの熱を放出する場合、ＬＥＤとピン中のその地点との間の温度差が２４０℃であることを示す。従って、これらのデバイスからの熱除去能力を最大化する為には、熱抵抗を改善することが望ましい。
【０００８】
従来デザインの特定の実施例として、ある種の導電性接着剤を使ってＬＥＤチップを一般的にはリードフレームである基板へと固定したものがある。基板は軸方向に伸びる２つの端子を持っており、第１の端子の一部分は空洞部と直線的な部分から構成されている。電気接続はＬＥＤチップと基板の第２の端子との間に作られる。この組立部品は光学的に透明なエポキシにより封入される。
【０００９】
従来デザインの更なる実施例として、特許文献１においてＬＥＤの二重封入層が開示されている。第１の封入層は光、即ち放射に対して透明であり、第２の封入層はＬＥＤの動作温度を低下させる為に高い熱伝導率を持つものである。二重封入層によれば熱伝導率はある程度改善するものであるが、ＬＥＤからの熱除去能力はさらに改善する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許番号第６，５１８，６００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
熱の除去は、一般に、基板の第１の端子までへの伝導に制約されている。第１の端子の第１の部分の垂直方向の断面積は通常、封入されたアセンブリの総垂直断面積の３０％以上を構成することは無い為、ＬＥＤから大量の熱を除去することは一般的に困難なのである。よって過去においては、これらのデバイスにおける順方向電流の最高値は５０ｍＡ以下（一般的には１０〜４０ｍＡの範囲）に制約されている。従って、これらのパラメータとした結果、望まれるよりも効率が悪く、性能も低いＬＥＤを作らざるを得なかったのである。ＬＥＤの利用は普及していることから、ＬＥＤからの熱の除去能力を強化する（放熱性能を向上させる）ことのできる方法を見出すことにより、これらのデバイスの性能を改善する必要があるのである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ、２つの端子を持つ基板（望ましくはリードフレーム）であって、一方の端子が少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積における３０％以上の垂直断面積と、ＬＥＤチップを収容する空洞を持つ部分を含んでいることを特徴とする基板と、ＬＥＤチップ及び基板を接続する金属性接着剤とを具備した発光デバイス・アセンブリを提供するものである。このアセンブリは少なくとも１層の封入層で封入されている。できれば、強化した熱伝導特性を持つ第１の封入材の層により第１の端子の拡張した部分を収容し、そして光学的に透明な第２の封入材の層を第１の封入材の層に取り付ける形でアセンブリの残りの部分を収容するようにすることが望ましい。
【００１３】
本発明の実施例は、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を強化する為の方法を提供するものであり、この方法は、ＬＥＤチップを、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封入されたアセンブリの総垂直断面積における３０％以上の垂直断面積を持つ部分を含む第１の端子中の空洞内に配置するステップと、ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと金属系接着剤により接着して取付、接続するステップと、基板の第２の端子を第１の端子の近傍に配置するステップと、そしてＬＥＤを基板の第２の端子へと接続して取り付けるステップとを含む。方法はさらに、第１の端子の拡張した部分を第１の封入材の層で封入し、この第１の封入材の層に対して第２の封入材の層をアライメントすることによりアセンブリの残りの部分を封入するステップを含む。方法の更なる実施例においては、第１の封入材の層へとフィラーを導入することによりアセンブリの熱伝導率が高められている。
【００１４】
上の説明は、本発明の詳細な説明に対するより深い理解を得る上で本発明の特徴及び技術的利点の概要を要約して説明したものである。本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の請求項の対象を構成する以下の説明に記載されている。開示した概念及び特定の実施例は、本発明と同じ目的を実施する為に他の構造へと変更すること、或いは他の構造を設計する場合の基本として容易に用いることが出来ることは、当業者には明らかである。さらに、このような同等の構造は、請求項に定める本発明の精神及び範囲から離れるものではないことも当業者には明らかである。本発明の特性とされる新規の特徴は、添付図を参照しつつ以下の説明を読むことにより、更なる目的及び利点と共にその構造及び動作方法の両面において容易に理解することが出来るものである。しかしながら図の各々は説明することのみを目的に提供されるものであり、本発明の定義及び限界を示すことを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に基づく発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図２】代表的なＬＥＤの発光特性を説明するグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に基づくフローチャートである。
【図４】従来の発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図５】本発明の一実施形態に基づく発光デバイス・アセンブリを描いた図である。
【図６】本発明の更なる実施形態に基づくフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、放熱特性を向上させた発光デバイス・アセンブリを提供するシステム及び方法に関するものである。本発明のより深い理解を得る為に、以下に添付図面を参照して、最良の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
本発明の実施例は、基板と、エポキシ系接着剤の代わりに金属系接着剤を用いて接続したＬＥＤチップとを用いたものである。本発明において使用する基板は、２つの端子を含んでおり、一方の端子は、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、封止されるアセンブリ全体の垂直断面積の３０％以上を占める垂直断面積とを持つ部分を含んでいることが望ましい。第１の端子の拡張した部分は、熱伝導特性を強化した第１の封入材の層で封入される。その後、光学的に透明な第２の封入材の層が、アセンブリの残りの部分を収容するように、第１の封入材の層の一方の側に取り付けられる。代わりにシェル又はモールドを使用することも可能であり、この場合、ＬＥＤチップへと接続した基板をシェルの内部へと配置し、第２の封入材の層がシェル中に注ぎ込まれ、その後第１の封入材の層が注ぎ込まれる。第１及び第２の封入材の層が固化し、アセンブリの残りの部分を収容するシェルの形状となる。
【００１８】
実施例を説明する前に、理解を容易にする上で図４に示した従来デバイス４０を参照する。従来デザインにおいては、一般に空洞４０４を持つリードフレームである基板は、ＬＥＤチップ４００へと接続されており、二つの端子を持っている。第１の端子４０１は第１の部分４０３及び直線的部分４０５を持っており、第２の端子４０７は電気接続４０６を通じて第１の端子４０１へと接続している。第１の端子４０１における第１の部分４０３は、典型的にはこの第１の端子部分４０３が作られた封入アセンブリの総垂直断面積の３０％しか構成しておらず、ＬＥＤチップ４００からの放熱に使用出来る面積は小さくなっている。導電性接着剤４０２を使用してＬＥＤチップ４００が基板の第１の端子４０１へと固定される。導電性接着剤は、典型的にはエポキシ系のものであり、これは劣悪な熱伝導性能と、大量の熱の発生を招くものである。よってＬＥＤ４００から発された熱は、熱伝達に最小面積しか提供しない第１の端子４０１における第１の部分４０３に留まることになるのである。発光デバイス・アセンブリ４０の収容には、少なくとも１つの封入層４０８が使用されている。
【００１９】
図１に示したように、一実施例における発光デバイス・アセンブリ１０は、有利な金属系接着剤１０２を用いてリードフレームの第１の端子１０１へと接着して取り付けられたＬＥＤチップ１００を含んでいる。このような金属系接着剤はＬＥＤ１００と基板の第１の端子１０１の部分１０３との間に良好な熱伝導特性を提供するものである。これは従来技術（図４）におけるエポキシ系接着剤４０２の劣悪な熱伝導特性とは対照的な点である。第１の端子１０１はＬＥＤチップ１００を収容してＬＥＤチップ１００から光を集める為の空洞１０４を含む部分１０３を持っている。このような部分１０３は、少なくともＬＥＤチップ１００の幅と同じ幅を持っている。第１の端子１０１における部分１０３の垂直断面積は、その第１の端子の部分１０３を含む封入アセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％を占めている。封入パッケージ１０８のサイズが固定の場合、このような部分１０３は一般に、封入パッケージ１０８の端部と面一となる地点まで拡張することが出来る。しかしながら、他の実施例においては、第１の端子１０１の部分１０３を封入パッケージ１０８から突き出るまで伸ばし、その後部分１０３をＰＣＢの金属パッド等の金属と接触させるように配置することが出来る。金属同士を接触配置させると熱伝導が増大する。
【００２０】
一般に、封入パッケージ１０９におけるドーム型部分の基部の直径、或いは封入パッケージ１０９の円筒形部分の直径は、３ｍｍ、４ｍｍ又は５ｍｍのいずれかである。従って、ＬＥＤパッケージのタイプは、３ｍｍ、４ｍｍ又は５ｍｍスルーホールランプと呼ばれており、第１及び第２の端子の直線部分が実装ＰＣＢ等の部品の穴へと挿入されることを示している。他の封入パッケージサイズは可能であるが、これらは一般的ではなく、工業規格に合致しない場合が多い。よってパッケージ１０９の円筒形部分は、一般に垂直方向に伸ばすことは出来るが、パッケージ１０９の直径は一定に保たれるものである。従って、第１の端子における部分１０３の垂直断面積と封入アセンブリの総垂直断面積との間の比率を決定する場合、封入パッケージ１０８の面積の増大によりその比率を変えることになるのである。
【００２１】
従来技術においては、５ｍｍスルーホールランプが使用された場合、第１の端子４０１における部分４０３の面積は約０．００９９６平方インチということになる。しかしながら、推奨される実施例においては、第１の端子１０１における部分１０３の面積は少なくとも０．０１４平方インチあり、これはこの領域の約４１％増を意味するものである。部分１０３の面積を拡張したことにより、より大量の金属が封入パッケージ１０８と接触することになり、放熱量も増加する。しかしながら第１の端子部分４０３の面積は、使用されるスルーホールランプの直径によって異なることは言うまでもない。例えば、３ｍｍスルーホールランプが使用された場合に計算されるこの面積は５ｍｍランプの場合よりも小さくなるものの、同様のパーセンテージの増加を実現することが可能である。
【００２２】
さらに、第１の端子１０１は、第１の端子部分１０３の延長部として直線部分１０５を含む。第１の端子１０１における部分１０５の面積は、第１の端子１０１の部分１０３よりも小さいことから、第１の端子部分１０３を拡張してより広い面積とすることが出来るが、しかしこれは発光デバイス・アセンブリ１０における短絡を回避する為に第１の端子部分１０３と第２の端子１０７が接触しない程度としなければならない。第２の端子１０７と第１の端子１０１における直線部分１０５の寸法は、ＰＣＢにおいてそうであるように、端子取り付け用の穴が固定されている限りにおいては一定であることに留意が必要である。第１の端子１０１の部分１０３を拡張した場合、封入パッケージ１０８中に埋め込まれる直線部分１０５の面積が小さくなり、熱が直線部分１０５及びＰＣＢ等に入る前に熱を放出することが出来る面積がより大きくなるのである。
【００２３】
熱伝導性能は、Ｑ／ｔ＝ｋＡ（Ｔｈｏｔ−Ｔｃｏｌｄ）／ｄの式で表される（Ｑ／ｔが熱伝達速度、ｋが熱伝導率、Ａが垂直断面積、Ｔｈｏｔが最高温度、Ｔｃｏｌｄが最低温度、そしてｄが使用材料の厚さである）。熱伝達速度は熱伝導率と垂直断面積に比例する。第１の端子１０１が拡張された場合、水平断面積が大きくなる為に熱伝達速度は高まる。５ｍｍスルーホールランプを使用した場合を考えると、従来技術においては第１の端子４０１の直線部分４０５は０．０００４平方インチの水平断面積を持つ。しかしながら、推奨される実施例においては、第１の端子１０１の面積は０．００１１２平方インチ分増大することになり、これは約２８０％の増加を意味する。従って増大した面積はＰＣＢへの放熱に使用可能なのである。第１の端子１０１の直線部分１０５への入口地点は固定されてはいるものの、第１の端子部分１０３が拡張された場合は、熱がＰＣＢとの交点に届く前に第１の端子１０１中でより大量の熱を放熱することが可能である。しかしながら、第１の端子の拡張させた部分１０３の面積は、使用されるスルーポールランプのパッケージ径によって変化する点に留意が必要である。
【００２４】
さらに、発光デバイス・アセンブリ１０の熱伝導率を増大させ、ＬＥＤチップ１００からより大量の熱を基板へと送る為に、第１の端子１０１及び第２の端子１０７の全体を含むがこれらに限られないアセンブリ１０中における全ての金属要素の厚さを増大させるという他の実施例がある。アセンブリ１０の熱容量を大きくする為に、この厚さの増大は、一般に金属であるバルク材料をさらに用いることで実施することが望ましい。代わりに、選択的に第１の端子１０１の部分１０３に限定して厚さを増大させることも可能である。
【００２５】
第１の端子１０１の全体的な面積を大きくすることにより、これに応じて封入パッケージ１０８と接触する金属量も増大することになる。よって封入パッケージ１０８が良好な熱伝導率を持ち、第１の端子１０１の部分１０３が封入パッケージ１０８とより大きな接触を持つ場合、ＬＥＤアセンブリ１０の放熱性能は改善されるのである。
【００２６】
通常は金ワイヤ１０６である電気接続は、ＬＥＤ１００の一端とリードフレームの第２の端子１０７との間に作られる。次にリードフレームが少なくとも１つの封入層１０８、１０９に封入される。出来ればこのリードフレームは、通常は第１の端子１０１における部分１０３の上部あたりの高さまでの空洞１０４内部を除き、第１の端子１０１の部分１０３を包む第１の封入材の層１０８中に収容することが望ましい。光学的に透明な第２の封入材の層１０９は、第１の封入材における層１０８の一方の側に空洞１０４を覆うように設けられる。第２の封入材の層１０９は、一般にレンズ形状に作られる。代わりに、シェル又はモールドを用いて二重封入を実現しても良い。ＬＥＤチップ１００を基板に接続した後にそのようなシェル中に入れる。その後第２の層用の封入材１０９をシェル中に注ぎ、続いて第１の層用の封入材１０８を設ける。アセンブリの残りの部分を封入するように、これらの封入材１０８、１０９がシェル形状に固化する。
【００２７】
本発明の一実施例においては、少なくとも１つの封入層１０８、１０９が発光デバイス・アセンブリ１０を封入することになっている。しかしながら、二重封入層１０８、１０９とすることにより、アセンブリ１０の放熱性を強化する働きが得られる。
【００２８】
このような二重系においては、第１の封入材の層１０８は強化された熱伝導率を持ち、第１の端子の１０１における部分１０３と接触している場合には放熱器として作用する。第１の封入材の層１０８は一般に、熱伝導率を高める為に熱伝導性フィラーを含ませたポリマー系封入材である。第１の封入材の層１０８用フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子を含むものとすることが出来る。これらのフィラー選択肢の各々は、熱伝導率に著しい向上をもたらすものである。例えば、フィラーを含まないエポキシ系の封入材は一般に約０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を持っているが、好適なフィラーを加えた封入材１０８であれば、少なくとも１０〜２０Ｗ／ｍＫまで熱伝導率を向上させることが出来るのである。フィラーを付加した場合、第１の封入材の層１０８は透明である必要はない。第１の封入材の層１０８を半透明或いは不透明としても、デバイス性能に損失を与えることはないのである。第２の封入材の層１０９は、ＬＥＤ光、即ちＬＥＤ放射に対して透明である等、光学的に透明なものとすることが望ましい。
【００２９】
発光デバイス・アセンブリ１０への導入が望ましいとされるこの二重封入構造は、単一封入構造が望まれる場合においては採用しなくても良い。しかしながら、従来技術によって二重封入構造の熱抵抗は単一封入構造のＬＥＤよりも２１．５％も低いことが示されている。計測中に生じ得るバラツキを考慮しても、少なくとも１０％、望ましくは１１〜２１．５％の熱抵抗の低下を二重封入構造によって得ることが出来る。よって二重封入層は熱伝導率を高めるものであり、そして金属系接着剤を採用すると同時に第１の端子１０１の部分１０３を拡張することにより、ＬＥＤから除去される熱の量をさらに大きくすることが出来るのである。
【００３０】
リードフレーム上で第１の端子の部分１０３をＬＥＤチップ１００へと固定する金属系接着剤１０２としては、はんだ合金が望ましいが、通常、これは錫又は金ベースの合金である。しかしながら、このような接着剤としてはインジウム等の単一元素のものを使用しても良い。エポキシ系接着剤と比較すると、金属系接着剤はＬＥＤ１００と第１の端子１０１の部分１０３との間により良好な熱伝導を提供するものである。従ってこの代替によって熱伝導率に約１０倍の向上を得ることが出来るのである。例えば、エポキシ系接着剤の熱伝導率は６Ｗ／ｍＫであるのに対し、金属系接着剤の熱伝導率は５０〜１００Ｗ／ｍＫである。
【００３１】
従って、金属系接着剤をアセンブリ１０に導入すると共に第１の端子１０１における部分１０３の大きさを拡張した場合、熱抵抗は最大でも１５０℃／Ｗへと改善され、従来技術と比べると、熱抵抗に少なくとも３８％の改善が得られることになるのである。
【００３２】
次に図５を参照するが、この発光デバイス・アセンブリ５０は本発明の他の実施例を示すものである。このようなアセンブリ５０は、第２の端子が少なくとも２つ（５０７−１〜５０７−Ｎ）あるという点が図１に描いた実施例と異なっている。従って、第１の端子５０１の空洞５０４中に収容されるＬＥＤチップは２つ以上（５００−１〜５００−Ｎ）あり、これらは金属系接着剤５０２−１〜５０２−Ｎにより接着して取付、接続されている。各ＬＥＤチップ５００−１〜５００−Ｎは、通常は金ワイヤである電気接続５０６−１〜５０６−Ｎを通じて対応する第２の端子５０７−１〜５０７−Ｎへと取り付けられる。少なくとも１つの封入層５０８、５０９が発光デバイス・アセンブリ５０を封入している。
【００３３】
従って、発光デバイス・アセンブリの熱伝導率を向上させるには、アセンブリは金属系接着剤、拡張した第１の端子の部分及び封入層を、熱がＰＣＢへと伝わる前の第１次放熱要素として頼るものである（更なる放熱性を得る為に他の造作をさらに導入することも可能である）。金属系接着剤は、ＬＥＤに直接接触していることから、ＬＥＤチップ１００を発生源とする熱を最初に放散することになる。熱は金属系接着剤を通じてＬＥＤ１００から除去され、第１の端子１０１の拡張部分１０３へと入る。第１の端子１０１の部分１０３は拡張されていることから、熱伝導及び熱放散に供される面積はより大きく、さらには、上述したように第１の封入材の層が良好な熱伝導率を持っている場合においては、ＰＣＢへと入る前に更なる熱の放出経路が使えるのである。
【００３４】
次に図３を参照しつつ説明するが、本発明の他の実施例は、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を向上させる為の方法を提供するものである。この方法は、プロセス３０１に示すように、ＬＥＤチップを第１の端子の、少なくともＬＥＤチップと同じ幅にまで拡張した、封入アセンブリの垂直総断面積の少なくとも３０％はある垂直断面積を持つ部分の空洞中に配置するステップを含む。プロセス３０２においては、ＬＥＤチップ（チップ１００等）を、望ましくはリードフレームである基板の空洞中の、第１の端子の拡張した部分へと接着して取り付ける。このボンディングには金属系接着剤を使用することが望ましい。プロセス３０３に示したように、第１の端子の傍に第２の端子が配置される。プロセス３０４においては、第２の端子がＬＥＤチップへと接続される。プロセス３０５においては、第１の端子の拡張部分が第１の封入材の層により封入され、プロセス３０６において第２の封入材の層が第１の封入材の層に対し、アセンブリ全体が封入されるように配置される。さらに、熱伝導率を高める為にフィラーを第１の封入材の層に導入しても良い。
【００３５】
本発明の方法の更なる実施例として、図６に、発光デバイス・アセンブリの放熱特性を強化する方法を提供する例を示す。図６の方法も図３に示した方法と同様に、プロセス６０１に示したように、ＬＥＤチップを第１の端子の、少なくともＬＥＤチップと同じ幅にまで拡張した、封入アセンブリの垂直総断面積の少なくとも３０％はある垂直断面積を持つ部分の空洞中に配置するステップを含む。ＬＥＤチップは、プロセス６０２に示すように、基板の空洞中で第１の端子の拡張部分に金属系接着剤により接着して取り付けられる。プロセス６０３においては、ＬＥＤチップが基板の第２の端子へと取り付けられる。しかしながら、プロセス６０４においては、ＬＥＤチップが接続された基板はシェル、即ちモールド（鋳型）へと挿入される。その後、第２の層の封入材がプロセス６０５においてシェル中へと注入され、その後プロセス６０６において第１の層の封入材がシェルへと注入され、これらの封入材が固化されてアセンブリの残りの部分を封止するシェル形状を形成する。
【００３６】
先の説明は、発光デバイス・アセンブリに導入されて実施された本発明に関する説明であり、他の実施例においてはＬＥＤチップをレーザーダイオード又は他の推奨される発光デバイスに置き換えたものもある。ＬＥＤ同様、レーザーダイオードは電流を光へと変換する複雑な半導体であるが、これも熱の除去能力の増強、よって本発明が提供する強化した熱伝導率から恩恵を得るものである。
【００３７】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、（ａ）発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、（ｂ）２つの端子を持つ基板であって、２つの端子のうち、第１の端子（１０１、５０１）が少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持ち、封入されたアセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を持つ部分（１０３、５０３）を有する基板と、（ｃ）ＬＥＤチップを基板の第１の端子へと接続する接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具備したことを特徴とする発光デバイス（１０、５０）アセンブリを提供する。
【００３８】
好ましくは、第１の端子（１０１、５０１）の部分（１０３、５０３）が、１つ以上の封入層（１０８、５０８）の一端と少なくとも面一となるように拡張されている。
【００３９】
好ましくは、第１の端子（１０１、５０１）の部分（１０３、５０３）が、アセンブリの熱容量を増大させ、ＬＥＤチップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）からより大量の熱を吸い出す為に厚くされる。
【００４０】
好ましくは、１つ以上の封入層（１０８、５０８）が、前記第１の端子（１０１、５０１）の前記部分を実質的に収容する、熱伝導率を強化した第１の封入材の層と、前記アセンブリの残りの部分を封入する為に前記第１の層の封入材を一端に取り付けられた第２の封入材の層を有している。
【００４１】
好ましくは、第１の封入材の層（１０８、５０８）が、透明材料、半透明材料、不透明材料、及びポリマー系材料から成るグループから選択される。
【００４２】
さらに、本発明は、アセンブリを収容する１つ以上の封入層（１０８、５０８）を具備したシステムであって、アセンブリが、（ａ）少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ（１００、５００−１、５００−Ｎ）と、（ｂ）端部から封入層へと入る第１の端子（１０１、５０１）であって、少なくともＬＥＤチップと同じ幅を持つ部分（１０３、５０３）を有し、当該部分が１つ以上の封入層の端部と少なくとも面一となるように拡張されている第１の端子と、（ｃ）少なくとも１つのＬＥＤチップと対応する数の少なくとも１つの第２の端子（１０７、５０７−１、５０７−Ｎ）と、（ｄ）少なくとも１つのＬＥＤチップを第１の端子へと接続する少なくとも１つの接着剤（１０２、５０２−１、５０２−Ｎ）とを具備したことを特徴とするシステムを提供する。
【００４３】
好ましくは、１つ以上の封入層（１０８、５０８）が、第１の端子（１０１、５０１）の部分を実質的に収容する、熱伝導率を強化した第１の封入材の層と、アセンブリの残りの部分を収容する為に第１の層における封入材の一端に取り付けられた第２の封入材の層とを具備する。
【００４４】
更に、本発明は、発光デバイス（１０、５０）アセンブリの発光ダイオード（ＬＥＤ）（１００、５００−１、５００−Ｎ）の放熱特性を強化する為の方法であって、ＬＥＤチップを、少なくともＬＥＤチップと同じ幅と、アセンブリ全体の垂直断面積の少なくとも３０％を占める垂直断面積とを持つ部分を含む第１の端子の空洞中に配置するステップ（６０１）と、ＬＥＤチップを第１の端子へと接着剤により取り付けるステップ（６０２）と、ＬＥＤチップを第２の端子へと接続するステップ（６０３）と、ＬＥＤチップへと接続された端子の一部分をシェル中へと挿入するステップ（６０４）と、第２の封入材の層をシェルへと注ぎ込むステップ（６０５）と、第１の封入材の層をシェルへと注ぎ込み、第１及び第２の層の封入材を固化させ、シェルの形状を形成するステップ（６０６）とを有することを特徴とする方法を提供する。
【００４５】
好ましくは、第１の層の封入材中にフィラーを導入して熱伝導率を強化するステップをさらに有する。
【００４６】
以上のように、本発明及びその利点を詳細にわたって説明して来たが、請求項に定義される本発明の精神及び範囲から離れることなく様々な変更、置換、及び改変を加えることが出来ることは言うまでもない。さらに、本願の範囲は、本明細書において説明したプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップの特定の実施例に限られたものではない。本発明の開示から本願に記載された対応実施例と実質的に同じ機能を実施する、或いは実質的に同じ結果を得ることが出来る、現在既存の、或いは将来的に開発されるであろうプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップを本発明に基づいて実施することが出来ることは、当業者であれば容易に想至することが出来る。よって本願請求項は、そのようなプロセス、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップをその範囲に含むことを意図したものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０、５０ 発光デバイス
１００、５００−１、５００−Ｎ 発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ
１０１、５０１ 基板の第１の端子
１０２、５０２−１、５０２−Ｎ 接着剤
１０３、５０３ 第１の端子の拡張部分
１０７、５０７−１、５０７−Ｎ 第２の端子
１０８、５０８ 封入層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスアセンブリであって、
空洞（１０４）と前記空洞（１０４）を含む当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）と前記当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）の下部から延びる直線部分（１０５）とを含む第１の端子（１０１）と、
前記空洞（１０４）に金属系接着剤（１０２）を介して設置されるＬＥＤチップ（１００）と、
前記ＬＥＤチップ（１００）に接続され、拡張した部分と直線部分とを含む第２の端子（１０７）と、
前記第１の端子（１０１）については上部当たりの高さまで空洞１０４を除き、前記第１の端子（１０１）の部分（１０３）を少なくとも収納し、前記第２の端子（１０７）については前記拡張部を少なくとも収容する熱伝導性の第１の封入材の層（１０８）と、
前記第１の封入材の層（１０８）の上に配置され、空洞（１０４）を覆うように設けられる透明な第２の封入材の層（１０９）とを備え、
前記熱伝導性の第１の封入材の層（１０８）は熱電導性のフィラーを含むポリマー径材料からなり、
前記第１の端子と前記第２の端子とは上端が同じ高さである
ことを特徴する発光デバイスアセンブリ。
【請求項２】
前記金属系接着剤（１０２）は、錫若しくは金ベースのはんだ合金、又はインジウムからなる、請求項１に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項３】
前記第１の封入材の層（１０８）は、熱伝導性フィラーを含むポリマー系材料からなる、請求項１又は請求項２に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項４】
前記熱伝導性フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子からなる、請求項３に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項５】
発光デバイスアセンブリを作成する方法であって、
前記ＬＥＤチップを金属系接着剤を介して，空洞（１０４）と前記空洞（１０４）を含む当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）と前記当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）の下部から延びる直線部分（１０５）とを含む第１の端子（１０１）の前記空洞（１０４）に配置するステップ（３０２）と、
前記ＬＥＤチップを拡張した部分と直線部分とを含む第２の端子に接続するステップ（３０４）と、
前記第１の端子（１０１）については上部当たりの高さまで空洞１０４を除き、前記第１の端子（１０１）の部分（１０３）を少なくとも収納し、前記第２の端子（１０７）については前記拡張部を少なくとも収納するように一部を熱伝導性の第１の封入材の層の中に封入するステップ（３０５）と、
前記空洞（１０４）を覆うように前記第１の封入材の層の上に透明な第２の封入材の層を配置するステップ（３０６）とを含み、
前記第１の端子（１０１）と前記第２端子（１０７）とは上端が同じ高さである
ことを特徴する発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項６】
前記金属系接着剤（１０２）は、錫若しくは金ベースのはんだ合金、又はインジウムからなる、請求項５に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項７】
前記第１の封入材の層（１０８）は、熱伝導性フィラーを含むポリマー系材料からなる、請求項５又は請求項６に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項８】
前記熱伝導性フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子からなる、請求項７に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項１】
発光デバイスアセンブリであって、
空洞（１０４）と前記空洞（１０４）を含む当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）と前記当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）の下部から延びる直線部分（１０５）とを含む第１の端子（１０１）と、
前記空洞（１０４）に金属系接着剤（１０２）を介して設置されるＬＥＤチップ（１００）と、
前記ＬＥＤチップ（１００）に接続され、拡張した部分と直線部分とを含む第２の端子（１０７）と、
前記第１の端子（１０１）については上部当たりの高さまで空洞１０４を除き、前記第１の端子（１０１）の部分（１０３）を少なくとも収納し、前記第２の端子（１０７）については前記拡張部を少なくとも収容する熱伝導性の第１の封入材の層（１０８）と、
前記第１の封入材の層（１０８）の上に配置され、空洞（１０４）を覆うように設けられる透明な第２の封入材の層（１０９）とを備え、
前記熱伝導性の第１の封入材の層（１０８）は熱電導性のフィラーを含むポリマー径材料からなり、
前記第１の端子と前記第２の端子とは上端が同じ高さである
ことを特徴する発光デバイスアセンブリ。
【請求項２】
前記金属系接着剤（１０２）は、錫若しくは金ベースのはんだ合金、又はインジウムからなる、請求項１に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項３】
前記第１の封入材の層（１０８）は、熱伝導性フィラーを含むポリマー系材料からなる、請求項１又は請求項２に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項４】
前記熱伝導性フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子からなる、請求項３に記載の発光デバイスアセンブリ。
【請求項５】
発光デバイスアセンブリを作成する方法であって、
前記ＬＥＤチップを金属系接着剤を介して，空洞（１０４）と前記空洞（１０４）を含む当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）と前記当該発光デバイスアセンブリの総垂直断面積の少なくとも３０％の垂直断面積を有する部分（１０３）の下部から延びる直線部分（１０５）とを含む第１の端子（１０１）の前記空洞（１０４）に配置するステップ（３０２）と、
前記ＬＥＤチップを拡張した部分と直線部分とを含む第２の端子に接続するステップ（３０４）と、
前記第１の端子（１０１）については上部当たりの高さまで空洞１０４を除き、前記第１の端子（１０１）の部分（１０３）を少なくとも収納し、前記第２の端子（１０７）については前記拡張部を少なくとも収納するように一部を熱伝導性の第１の封入材の層の中に封入するステップ（３０５）と、
前記空洞（１０４）を覆うように前記第１の封入材の層の上に透明な第２の封入材の層を配置するステップ（３０６）とを含み、
前記第１の端子（１０１）と前記第２端子（１０７）とは上端が同じ高さである
ことを特徴する発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項６】
前記金属系接着剤（１０２）は、錫若しくは金ベースのはんだ合金、又はインジウムからなる、請求項５に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項７】
前記第１の封入材の層（１０８）は、熱伝導性フィラーを含むポリマー系材料からなる、請求項５又は請求項６に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【請求項８】
前記熱伝導性フィラーは、セラミック、ガラス、又はアルミニウム粒子からなる、請求項７に記載の発光デバイスアセンブリを形成する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１０４３５（Ｐ２０１３−１１０４３５Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２２２１３（Ｐ２０１３−２２２１３）
【出願日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【分割の表示】特願２００４−２３９５５３（Ｐ２００４−２３９５５３）の分割
【原出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【出願人】（３１２０１５４１７）インテレクチュアル ディスカバリー カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【分割の表示】特願２００４−２３９５５３（Ｐ２００４−２３９５５３）の分割
【原出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【出願人】（３１２０１５４１７）インテレクチュアル ディスカバリー カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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