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JP2006128701A - ユニバーサル結合パッド及び接続構造を備えた高出力ｌｅｄパッケージ - Google Patents

ユニバーサル結合パッド及び接続構造を備えた高出力ｌｅｄパッケージ Download PDF

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JP2006128701A JP2005315150A JP2005315150A JP2006128701A JP 2006128701 A JP2006128701 A JP 2006128701A JP 2005315150 A JP2005315150 A JP 2005315150A JP 2005315150 A JP2005315150 A JP 2005315150A JP 2006128701 A JP2006128701 A JP 2006128701A
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Abstract

【課題】光源としてのＬＥＤ、特に、高出力ＬＥＤの重要性に鑑み、より良好な熱性能（例えば、接合部からケースへの熱抵抗の向上）、及び、より高い信頼性（例えば、パッケージ材料内のより低い応力）を提供することによって、上記に特定された問題を軽減するための改良されたＬＥＤ実装方法及び材料が必要である。
【解決手段】１以上の種類のＬＥＤを収容し得るＬＥＤパッケージが提供されている。これらのパッケージは、２つが１つの種類のＬＥＤに適し、且つ、他の２つが他の種類のＬＥＤに適するよう配置された、少なくとも３つの結合パッドを含む。パッケージは、結合パッド及び関連するトレースが配置される熱伝導層を含み得る。パッケージは、パッケージの端部又は隅部に沿って金属化されたビア又は部分ビアによって結合パッドに電気的に連結される頂面又は底面のいずれかの上に、電気接点も含む。これらのパッケージはＬＥＤを選択的に動作し得る。
【選択図】図４Ａ

Description

（関連出願）
本発明は、２００４年１０月２９日にそれぞれ出願された「１〜５ワット及びそれより大きなＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，２６６号、「３〜１０ワット及びそれより大きなＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，１７１号、及び、「５〜１５ワット及びそれより大きなＬＥＤパッケージ」と題する米国仮出願第６０／６２３，２６０号の利益を請求し、それらの全文を参照として本明細書に引用する。本出願は、「高熱放散のための構造及び材料を備えたＬＥＤパッケージ」と題する米国特許出願第＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号：ＰＡ２９５９ＵＳ）及び「セラミックＬＥＤパッケージの製造方法」と題する米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿号（代理人整理番号：ＰＡ２９６１ＵＳ）に関連し、それらは本出願と同日付で出願されている。本出願は、２００５年１月１３日に出願された「断熱及び屈折率適合材料を備える発光装置」と題する米国特許出願第１１／０３６，５５９号にも関連し、その全文を参照として本明細書に引用する。
本開示は概ね発光ダイオードに関し、より詳細には、高出力ＬＥＤのためのパッケージに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流通過時に光を生成する半導体装置である。ＬＥＤは、他の光源に比べ、コンパクトさ、超軽量、安価且つ単純な製造、焼損問題がないこと、高耐振性、及び、頻繁な繰り返し動作に耐える能力を含む多くの利点を有する。表示光等の電子製品のための広範な用途を有することに加え、ＬＥＤは、白熱灯及び蛍光灯が伝統的に主流を占めてきた多様な用途のための重要な代替的な光源となっている。
蛍光体を光「変換器」として用いることで、ＬＥＤは白色光を生成する働きもする。典型的なＬＥＤに基づく白色光生成装置では、単色性のＬＥＤが適切な蛍光体を含有する透明材料によって封入される。一部のシステムにおいて、単色性の可視光を生成するＬＥＤは、補償的蛍光体を含有する材料によって封入される。ＬＥＤ及び補償的蛍光体からの波長が一緒に混合して白色光を生成するよう、補償的蛍光体から放射される光の波長は、ＬＥＤによって放射される光の波長に対して補償的である。例えば、青色ＬＥＤに基づく白色光源は、青色光ＬＥＤと、ＬＥＤから放射される青色光によって励起されると黄色光を放射する蛍光体とを用いることによって、白色光を生成する。これらの装置では、青色光の極少量のみが蛍光体によって吸収されるのに対し残余は非吸収で通過するよう、透明材料中の蛍光体の分量は注意深く制御される。黄色光及び非吸収青色光は混合し、白色光を生成する。他の例示的スキームは、励起されると赤色、緑色、又は、青色の光を生成し得る蛍光体の混合物と共に、紫外線（ＵＶ）光のような可視的スペクトルの外側の光を生成するＬＥＤを用いる。このスキームでは、ＬＥＤによって放射される光は、蛍光体を励起する働きをするだけであり、最終的な色バランスに寄与しない。
半導体技術の近年の進歩は、可視的スペクトル（４００〜７００ｎｍ）に亘って選択的な波長で光を生成する高出力ＬＥＤの製造を可能にした。そのような高出力ＬＥＤは、多くの照明用途における白熱灯、アーク灯、及び、蛍光灯のような既存の技術に対して信頼性及び費用効果を有し得る。高出力ＬＥＤは、消費者用コンピュータ、テレビモニタ、プロジェクションテレビ、及び、大型の宣伝用ディスプレイのような用途におけるアクティブマトリックス型ＴＦＴ液晶ディスプレイ（ＴＦＴＬＣＤ）のような次世代のカラーディスプレイ技術の設計のためにも利点をもたらす。
高出力ＬＥＤ装置は製造されてきたが、ＬＥＤ用の適切なパッケージの欠如の故に、それらの広範な使用は限定的である。現在のＬＥＤパッケージはＬＥＤチップの高出力密度を処理し得ない。具体的には、先行技術のパッケージは、ＬＥＤダイからの不十分な熱放散を提供している。不十分な熱放散は、パッケージの最小サイズ、よって、ユニット領域当たりＬＥＤ密度を制限する。パッケージがどれぐらい効率的に熱を放散するかの１つの指標は、所与の入力電力に関するパッケージに亘る温度上昇である。この指標は、現在のＬＥＤパッケージ内の接合部からケースへ概ね１５〜２０摂氏度毎ワット（℃／Ｗ）の範囲であり、１ワットより高い出力を有するＬＥＤパッケージのための十分な熱放散をもたらすのには通常高過ぎる。
十分な熱放散がなければ、高出力ＬＥＤを組み込んだ装置は極めて熱く動作し得る。軽出力、ＬＥＤ効率、及び、ＬＥＤ寿命は、ＬＥＤダイ接合部の温度にそれぞれ依存する。不十分な熱放散は、ＬＥＤダイを高温で動作させ、よって、ＬＥＤダイがパッケージの限界を超える出力レベルで動作し得るとき、ＬＥＤダイの性能を制限する。ＬＥＤパッケージによる不十分な熱放散は、ＬＥＤ装置を早期に故障させるか、或いは、熱過ぎて安全に用い得なくする。
余り厳しくない条件下でさえ、ＬＥＤパッケージのための不十分な熱伝導は、蛍光体を利用する装置における蛍光体、並びに、封入及びレンズ材料の貧弱な熱安定性を招来し得る。特に、長時間に亘って高温に晒すことは、そのような蛍光体、封入、及びレンズ材料の化学的及び機械的特性を変える傾向があり、性能低下を招く。例えば、光変換効率は低下し、出力光の波長はシフトすることが可能であり、これら双方は光混合のバランスを変え、全体出力の強度を潜在的に減少する。例えば、現在利用可能な蛍光体は、特定の希土類イオンを含む酸化物又は硫化物のホスト格子に基づくことが多い。長時間の高温状態の下で、これらの格子は分解し、それらの光学動作を変える。ＬＥＤに基づく白色光源に共通して見い出される他の問題点は、一時的な色変化及び不均一な色分布であり、双方とも蛍光体含有材料内の温度勾配並びに封入及びレンズ材料の劣化によって引き起こされる。そのような動作は満足できない照明を創成することが多い。上述の熱問題は、温度上昇と共にさらに悪化され、よって、蛍光体を備えた高出力ＬＥＤを組み込んだ装置にとって特に厳しい。
上記の問題を軽減するための試みが現在のＬＥＤパッケージにおいてなされてきた。１つの例は、ＬＥＤダイを銅板のような金属ヒートスラグの頂面に直接的に取り付けることである。銅板は熱を拡散し、ＬＥＤダイと電気接続をなす働きをする。この設計は、ＬＥＤダイと銅ヒートスラグの頂面との間の伝導接触を成すために、少なくとも部分的に銅の伝導性に依存するので、この設計はヒートスラグのための材料の選択を限定する。銅ヒートスラグの使用は、ＬＥＤダイ材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）とＬＥＤダイが取り付けられる銅の熱膨張係数との間の大幅な不適合のような他の制限も有する。大きなＣＴＥ不適合は、結合された接触面での冷却を加熱した後、高い応力を創成し得る。この場合、これらの接触面に形成するクラックは、ＬＥＤパッケージを信頼できないものにする。加えて、上記の設計は比較的高価であり、製造が困難である。
光源としてのＬＥＤ、特に、高出力ＬＥＤの重要性に鑑み、より良好な熱性能（例えば、接合部からケースへの熱抵抗の向上）、及び、より高い信頼性（例えば、パッケージ材料内のより低い応力）を提供することによって、上記に特定された問題を軽減するための改良されたＬＥＤ実装方法及び材料が必要である。そのような実装方法及び材料は、ＬＥＤがより小さなパッケージ又はフットプリント（ルーメン／領域）からより高い光学性能（ルーメン／パッケージ）を生成することを許容し、それらは多くの光源用途のために重要である。
本開示は、ＬＥＤ用のパッケージを提供することによって上記の問題の解決を図る。パッケージの例示的な実施態様は、様々な製造業者からの垂直型、フリップチップ型、及び、平面型ＬＥＤのような異なる種類のＬＥＤを収容するための普遍的なＬＥＤパッケージである。この実施態様において、普遍的なＬＥＤパッケージは、頂面及び底面と、頂面から底面の方向に延び、且つ、底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、キャビティのフロア上に配置された第一、第二、及び、第三の導電性の結合パッドとを含む本体から成る。第一及び第二の結合パッドは、第一の種類のＬＥＤのための電気接点を提供するよう配置され、第二及び第三の結合パッドは、第二の種類のＬＥＤのための電気接点を提供するよう配置される。一部の実施態様において、導電性結合パッドの１つは、キャビティ内のフロア上の中央に位置する。
さらなる実施態様において、パッケージは、例えば本体の頂面又は底面上に配置された外部接点に第一パッドを接続する、トレース及びビアのような機能を含む電気経路も含む。電気経路は、本体の端部又は隅部に配置された、金属化された部分ビアを含み得る。
他の例示的な実施態様は、頂面及び底面と、頂面から底面の方向に延び、且つ、側部と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、キャビティの前記フロア上に配置された第一及び第二の導電性の結合パッドとを含む本体から成るＬＥＤパッケージである。第一及び第二の結合パッドは、キャビティとフロアとの間の狭い間隙を除き、キャビティのフロアを完全に被覆するよう構成される。結合パッドはキャビティのフロアを実質的に被覆するので、フロアは極めて反射的にされる。これらの実施態様の一部において、本体は、セラミック層の上に配置された上部本体層をさらに含む。これらの実施態様において、キャビティは、上部本体層を通じて配置される。また、これらの実施態様の一部において、上部本体層はセラミックも含む。
さらに他の例示的な実施態様は、複数のＬＥＤ用のＬＥＤパッケージである。このパッケージは、本体を含み、本体は、頂面及び底面と、頂面から底面の方向に延び、且つ、底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、フロアと底面との間に配置された熱伝導材料と、フロア上に配置された複数のＬＥＤ結合パッドと、ＬＥＤ結合パッドの近傍で、本体の表面に配置された複数の電気接点と電気通信してフロア上に配置された複数の電気結合パッドとを含む。様々なこれらの実施態様において、熱伝導材料は、セラミックを含むことが可能であり、複数のＬＥＤ結合パッドは導電性を有さない。複数の電気接点を本体の頂面又は底面に配置可能であり、複数の電気結合パッドを、部分ビアであり得る複数のビアを通じて、複数の電気接点に電気通信可能である。パッケージは、複数の電気結合パッドの２つの間に連結されるＥＳＤ保護装置も含み得る。
パッケージ及び１つ又はそれ以上のＬＥＤを含む発光装置も設けられている。１つのそのような実施態様において、パッケージは、本体を含み、本体は、頂面及びと、頂面から底面の方向に延び、且つ、底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、フロアと底面との間に配置された熱伝導材料と、フロア上に配置された複数のＬＥＤ結合パッドと、ＬＥＤ結合パッドの近傍で、本体の表面に配置された複数の電気接点と電気通信して前記フロア上に配置された複数の電気結合パッドとを含む。この実施態様において、複数のＬＥＤダイが、複数のＬＥＤ結合パッド上に配置され、且つ、複数の電気結合パッドに電気的に連結される。様々なさらなる実施態様において、ＬＥＤダイは直列に電気的に接続されるか、或いは、選択的に動作可能である。複数のＬＥＤ結合パッドは導電性を有し得る。発光装置は、ＬＥＤダイ上に配置された発光層と、発光層とＬＥＤダイとの間の断熱層も含み得る。
１．外観
本開示は、現在利用可能であるよりも高い熱放散をもたらす構造及び材料を備えたＬＥＤパッケージを提供する。本発明のさらなる利益は、より高い信頼性のために、ＬＥＤダイの熱膨張係数（ＣＴＥ）とそれらが結合される材料の熱膨張係数との間の適合を向上することである。熱伝導の向上の故に、本発明のパッケージは、高出力ＬＥＤが全能力で動作することを可能にする。熱伝導の向上は、より小さなパッケージと、その内部でパッケージが全体的により近接して配置される装置の双方も可能にする。
パッケージがどれだけ効率的に熱を放散するかの１つの指標は、パッケージに亘る熱上昇である。この指標を用いることで、現在の高出力ＬＥＤパッケージにおいて、接合部からケースへの熱抵抗は、概ね１５〜２０℃／Ｗの範囲内である。比較すると、本開示の例示的な実施態様は、４つのＬＥＤダイスパッケージに関して、約６℃／Ｗ又は３℃／Ｗだけのより低い熱抵抗を有する。従って、本開示は、高温環境（例えば、自動車エンジンコンパートメント内）、及び、高温構成部材を収容し得ない環境（例えば、患者の口内での使用のための歯科用治療光）の双方における新規な用途のためのＬＥＤ装置を可能にする。
従って、例示的なパッケージは以下の機能を有する。即ち、１）従来技術のパッケージに比べて５０％以上のＬＥＤダイ当たり光度を可能にすることによって、それらはより高い性能をもたらす。２）熱をＬＥＤダイから導出するために、それらは高い熱伝導経路を提供する。３）それらは、低い立体角（接線光）で、ＬＥＤダイの表面に対してより近接して直交する方向に光を方向変更する。そして、４）それらは、ＬＥＤダイへの結合のために、界面応力を最小限化し且つ信頼性を向上するよう、ＬＥＤダイのＣＥＴに密接に適合するＣＴＥを有する材料層を提供する。
本開示は、上記に議論された所望の機能をもたらす１〜７ワットの出力電力範囲にある単一の高出力ＬＥＤダイ用のパッケージのための実施態様を提供する。本開示は、ＬＥＤダイの波長（即ち、色）を安定化するための実施態様も提供する。白色ＬＥＤ用途の場合には、本開示は白色ＬＥＤの効率を向上するための実施態様も提供する。
本開示は、１〜１５ワットの総出力電力範囲を備えた多数の高出力ＬＥＤダイ用のパッケージのための実施態様も提供する。これらのパッケージは極めて小さな形状因子を有し、低コストで製造し得る。小さな形状因子は、よりコンパクトなサイズを備えた光源光学素子の設計を可能にする。従って、本発明は、新しい分類の高出力ＬＥＤに基づく光源及びディスプレイ用途が出現することを可能にする。
本発明のパッケージを、２００〜２０００ナノメータの範囲をカバーする紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）の波長範囲に亘って動作するＬＥＤ装置と共に使用し得る。さらに、本発明のパッケージは、現在市場で入手可能な如何なる数の異なるＬＥＤダイ設計を収容するよう構成された結合パッドも含み得る。本開示は、一部の実施態様において、熱経路と電気経路とが分離される多用途パッケージ設計も提供する。このようにして、熱伝導性及び導電性のエポキシ若しくははんだ、又は、熱伝導性及び非導電性のエポキシを用いて、パッケージを回路板のヒートシンクに取り付け得る。
２．例示的な実施態様
図１は、本発明の実施態様に従った例示的なＬＥＤパッケージ１００の斜視図である。発光装置を形成するために、ダイ１１０が図示のようにＬＥＤパッケージ１００に結合されている。ＬＥＤパッケージ１００は、頂面１４０から下方に延びるキャビティ１３０を有する本体１２０を含む。キャビティ１３０は、ＬＥＤダイ１１０への結合のためのフロア１５０を含む。一部の実施態様において、ＬＥＤパッケージ１１０は、多数の発光装置を正方形配列に密接に配置され得るようにする正方形フットプリントを有する。ＬＥＤパッケージ１００は、主として１〜５ワットの出力を生成するＬＥＤダイのために意図されているが、それに限定されない。
図１に示される実施態様において、キャビティ１３０が倒立され且つ切頭された円錐の形状をとるよう、キャビティ１３０の側壁１６０は所定角度で傾斜している。側壁は垂直又はほぼ垂直であり得る。一部の実施態様において、キャビティ１３０の側壁１６０は４５°の角度で傾斜している。側壁１６０は、ＬＥＤダイ１１０によって放射される波長で極めて反射的であるのが好ましい。これは例えば銀のような高反射性材料の塗膜を備えることによって達成し得るが、ＬＥＤダイ１１０によって生成される光の波長に依存して、他の材料も用い得る。よって、側壁１６０は、ＬＥＤダイ１１０の端面から放射される光を方向変更する働きをし得る。ＬＥＤダイ１１０の側面から放射される光は、ＬＥＤダイ１１０の頂面から放射される光を増大するよう、ＬＥＤダイ１１０の端面からの光はＬＥＤダイ１１０の頂面に対して直交する方向に方向変更される。他の実施態様において、方向変更された光をより良好に集束するために、側壁１６０は放物線形状を取る。
図２は、本開示のＬＥＤパッケージ２００の１つの例示的な実施態様の断面図である。ＬＥＤパッケージは、上部本体層２１０、中間本体層２２０、及び、熱伝導層２３０として上から下に指し示された３つの層（４層を備える実施態様が本明細書の他の場所に記載されている）を含むことが図２から分かる。熱伝導層２３０は底面２３５を有する。層２１０及び２２０を通じて形成されるキャビティ２５０内で、ＬＥＤダイ２４０を熱伝導層２３０の頂面に結合し得る。中間本体層２２０の厚さは、ＬＥＤダイ２４０を熱伝導層２３０に結合するダイ取付層２４５の厚さとほぼ同一であるように設計されている。一部の実施態様では、上部本体層２１０の側壁２５５上の金属化層も、上部本体層２１０の頂面２８０にある頂部リム２６０から、上部本体層２１０の底面近傍の底部リム２７０に延びている。
図３は、図２の例示的なＬＥＤパッケージ２００の上面図である。頂部リム２６０及び底部リム２７０は、それぞれ、キャビティ２５０の外径及び内径に対応し、２つの円によって分離されている。ＬＥＤダイ２４０は内径２７０内に位置しているのが分かる。本実施態様は、ＬＥＤパッケージ２００の４つの隅部の各１つである部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６も含む。ここで用いられているように、部分ビアはＬＥＤパッケージ２００の端部又は隅部に定められるビアであり、従って、半円又は４分円のように見える。一部の実施態様において、層２１０，２２０，２３０の表面上の電気接点及びトレースの間の電気経路として機能するよう、部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６は金属化されている。部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６は、図８に関連して以下に議論される組立方法によって便利に形成され且つ金属化されているが、そのような電気接続を作成するために、層２１０，２２０，２３０を通じて定められる標準的な（例えば、完全な円の）金属化ビアも利用し得ることが理解されよう。
熱伝導層２３０は、好ましくは、約１４Ｗ／ｍ°Ｋより大きな熱伝導率を有する、より好ましくは、１５０Ｗ／ｍ°Ｋより大きな熱伝導率を有する熱伝導材料を含む。用途、出力密度、所望パッケージサイズ、及び、幾つかの層の厚さに依存して、熱伝導層２３０を形成するために、多様な熱伝導材料を用い得る。そのような材料は、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、合金４２、銅（Ｃｕ）、銅−タングステン（Ｃｕ／Ｗ）合金、炭化ケイ素アルミニウム、ダイヤモンド、黒鉛、及び、酸化ベリリウムを含む。熱伝導率に加えて、熱膨張係数（ＣＴＥ）、破壊靱性、ヤング率、及び、費用が、熱伝導層２３０用の材料を選択するときに考慮されるべき他のパラメータである。
熱伝導材料のＣＴＥをＬＥＤダイのＣＴＥと適合させることは、界面応力を減少し、よって、信頼性を向上する。シリコンのような典型的なＬＥＤダイ材料のＣＴＥをより緊密に適合させるために、好ましくは、熱伝導材料のＣＴＥは１５パーツ毎ミリオン毎摂氏度（ｐｐｍ／℃）未満であるべきである。本開示の実施態様に従ったＬＥＤパッケージとＬＥＤダイとの間のＣＴＥの不適合は約４．７：３であるのに対し、従来技術に関しては最善比率は１７：３である。熱放散の向上は、本開示のパッケージが、従来技術のパッケージよりも小さなフットプリントを有し、且つ、より薄くなることを可能にする。本開示の例示的な実施態様は、１４ｍｍ×７ｍｍ×２．５ｍｍの寸法を有する縦ら技術のパッケージに対し、４．４ｍｍ×４．４ｍｍ×０．９ｍｍの寸法を有する。
熱伝導層２３０は、一部の実施態様では層２１０，２２０の助けを得て、ＬＥＤ２４０によって発生する熱の多くを放散する。最高の熱放散能力を要求する用途のために、３つの層２１０，２２０，２３０の各々は、セラミックＡＩＮを含む。ＡＩＮは、高い熱伝導率を、固体状態ＬＥＤが組み立てられることの最も多い材料であるＳｉＣ、サファイア、又は、シリコンのようなＬＥＤ基板材料のＣＴＥと極めて類似するＣＴＥと組み合わせるので、ＡＩＮが望ましい。しかしながら、他の用途のために、Ａｌ２Ｏ３をこれらの層のために用い得る。一部の用途のために、熱伝導層２３０は、ＡＩＮ又はＡｌ２Ｏ３のいずれかで形成されるのに対し、層２１０，２２０は、プラスチック、並びに、銅、アルミニウム、及び、合金４２を含む他の適切な材料で形成される。一部の用途のために、熱がパッケージ２００の上方に向けられるのを阻止するよう、熱伝導層２３０をＬＥＤダイ２４０から離れる主要な熱伝導経路として用いるのが望ましい。例えば、発光装置の頂部を触ってみると冷たく維持するのが望ましいであろう。
パッケージ２００が図２によって描写されるような３つの層から形成される必要はなく、より多く又はより少ない層を用い得ることが理解されよう。例えば、４層を備える実施態様も本明細書中に記載される。本体を一体ユニットして形成するために、セラミック処理技法を用い得る。しかしながら、組立の容易さのために、層状構造が望ましい。補助レンズを備える一部の用途にとって、層２１０，２２０は選択的である。
ＬＥＤダイ２４０によって生成される熱は、主として熱伝導層２３０を通じてパッケージから放散されることが理解されよう。この結果、熱伝導層２３０は、そこを通じた熱伝導のために最適化される厚さを有するのが好ましい。所与の材料のために、もし層２３０が薄過ぎるか或いは厚過ぎるならば、熱伝導は減少し、従って、最適な熱伝導のための最適な厚さがあることが分かった。熱伝導層２３０のためにＡＩＮが用いられている場合、層２３０の最適な厚さは、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲内であり、理想的には、約０．３ｍｍである。
ＬＥＤパッケージ２００を底面２３５に沿ってさらにヒートシンク（図示せず）に接続し得ることが理解されよう。加えて、パッケージ２００からヒートシンクへの熱放散を最適化するために、ダイ取付層２４５も熱伝導性を有するのが好ましい。本開示において、薄層が熱伝導性を有するように特徴付けられるために、層の材料は少なくとも０．５Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率、理想的には、約５０Ｗ／ｍ°Ｋの熱伝導率を有するべきである。
一部の実施態様において、ダイ取付層２４５の熱伝導率は少なくとも１Ｗ／ｍ°Ｋである。ダイ取付層２４５は、例えば、導電性エポキシ、はんだ、熱伝導性且つ非導電性エポキシ、又は、接着剤充填ナノカーボン樹脂を含み得る。以下に議論される一部の実施態様において、ＬＥＤダイ２４０が中央パッドを通じて熱伝導層２３０と電気接続をなす必要がある場合、ダイ取付層２４５も導電性を有する。本開示において、薄層材料が１×１０−２オームメートル未満の体積抵抗率を有するならば、それは導電性を有すると考えられる。導電性ダイ取付層２４５のための材料は１×１０−４オームメートル未満の体積抵抗率を有するのが望ましい。
本開示によれば、熱伝導層２３０は、導電性を有するか或いは導電性を有さないのいずれかであり得る。以下に記載されるように、熱伝導層２３０が導電性を有さない場合には、所要の電気接点をもたらすよう、本開示は熱伝導層２３０の頂面のために金属化パターンを用いる。この特異な設計は、セラミックのような非導電性の熱伝導材料から熱伝導層２３０を組み立てることを可能にする。非導電性の材料はヒートスラグを作成するのに不適当であると従来考えられてきた。
図４は、図２及び３のＬＥＤパッケージの熱伝導層２３０の頂面のための例示的な金属化パターンを描写している。概ね正方形の中央パッド４１０が、トレース４２０によって４つの部分ビア（２９０，２９２，２９４，２９６）の１つ、図４Ａでは具体的に部分ビア２９４に接続されているのが見られる。ニッケル及びタングステンが、金属化のための例示的な金属である。ＬＥＤダイ２４０の底面は、例えば、はんだ、熱伝導性及び導電性を有する接着剤、又は、熱伝導性及び非導電性を有する接着剤によって、中央パッド４１０に結合されている。
中央パッド４１０は、３つの側面で、残余の３つの部分ビア２９０，２９２，２９６の１つにそれぞれ接続された３つの結合パッド４３０，４４０，４６０によって取り囲まれている。ＬＥＤダイ２４０の頂面上の電気接点（図示せず）が、３つの結合パッド４３０，４４０，４６０の１つに、キャビティ２５０のフロア上に晒されたところで（即ち、円２７０内で）、ワイヤボンディングされている。４つの部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６は、結合パッド４３０，４４０，４６０を、層２１０の頂面若しくは層２３０の底面のいずれか又はそれらの双方の上の外部電気接点（図示せず）に接続している。これらの外部電気接点は、回路板上の動力源へのリードをもたらす。パッケージ２００が完全に組み立てられた後、図４Ａに示される金属化パターンの殆どが、層２３０と層２２０との間に介装され、且つ、視界から遮られているのが図２乃至４から分かる。
上記の図４Ａに示される実施態様において、中央パッド４１０は、ＬＥＤダイ２４０と熱伝導層２３０の頂面との間の電気コネクタ及び熱結合パッドとして働いている。電気接続を促進するために、ＬＥＤダイ２４０を、導電性接着剤を用いて、中央パッド４１０に結合するか或いはそれに接続し得る。本開示において、もし接着剤が１×１０−２オームメートル未満の体積抵抗率を有するならば、それは導電性を有すると考えられる。より良好な性能のために、導電性接着剤は、望ましくは、１×１０−４オームメートル未満の体積抵抗率を有するべきである。しかしながら、一部の実施態様において、本明細書の他の場所に記載されるように、中央パッド４１０は熱結合パッドとして働くが、電気コネクタとして働かないことが理解されるべきである。そのような実施態様において、中央パッド４１０は部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６の１つに接続されない。その代わり、全てのビア２９０，２９２，２９４，２９６がそれぞれの側部パッド（例えば、側部パッド４３０，４４０，４６０）に接続される。
中央パッド４１０の周りの結合パッド４３０，４４０，４６０の配置は、パッケージ２００を、異なる結合パッド配置を必要とする異なる種類のＬＥＤダイ２４０と共に用いることを許容する。例えば、第一種類のＬＥＤダイ２４０は、中央パッド４１０及び結合パッド４３０への電気接続をなし得るのに対し、第二種類のＬＥＤダイ２４０は、中央パッド４１０及び結合パッド４４０への電気接続をなし得る。中央パッド４１０が熱結合パッドであるが電気結合パッドではないそれらの実施態様において、第三種類のＬＥＤダイ２４０は、例えば、結合パッド４３０，４６０との電気接続をなす。従って、異なる種類のＬＥＤダイ２４０は異なるサブセットの結合パッドを利用し得る。よって、パッケージ２００は、１つの種類のＬＥＤダイ２４０に対してユニバーサル（普遍的）であると考えられる。
図４Ｂは、図２及び３のＬＥＤパッケージ２００の熱伝導層２３０の頂面のための他の例示的な金属化パターンを描写している。この実施態様では、第一パッド４７０が２つの部分ビア２９２，２９４に接続され、第二パッド４８０が他の２つの部分ビア２９０，２９６に接続されている。第一パッド４７０と第二パッド４８０との間の例示的な間隔は、０．１０ｍｍである。ニッケル、タングステン、及び、銀が金属化のための例示的な金属である。一部の実施態様において、銀はニッケルのような他の金属の上に塗布される。ライン４９０は、ＬＥＤダイ２４０の底面が第一パッド４７０に結合される場所を指し示している。図４Ａに示される金属化パターンに比べると、図４Ｂの例示的な金属化パターンの１つの利益は、内径２７０内のキャビティのフロアのより大きな領域が金属化されることであり、それはより多量の光を上方に且つパッケージの外に反射する働きをする。
図５は、熱伝導層２３０の底面２３５のための例示的な金属化パターンを描写している。この実施態様において、中央に位置するパッド５１０は、層２３０の底部５２０からパッケージ２００が取り付けられる基板（図示せず）への熱経路を提供している。基板はヒートシンクを含み得る。パッド５１０は一部の実施態様において円形又は正方形であるが、如何なる特定の形状にも限定されない。
パッケージ２００の隅部の４つの部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６の各々は、別個の半円形電気接点５３０，５４０，５５０，５６０の１つにそれぞれ接続している。４つの半円形電気接点の１つ、この具体的な実施態様では５５０は、図４Ａに示されるように、４つの部分ビアの１つ（この場合には２９４）及びトレース４２０を通じて、中央パッド４１０に接続されているのに対し、他の３つの半円形の電気接点（この実施態様では５３０，５４０，５５０）は、３つの結合パッド４３０，４４０，４６０にそれぞれ接続している。よって、基板に取り付けられると、中央に位置するパッド５１０は、熱放散のために、基板にはんだ付けされ（さもなければ、熱伝導性エポキシのようなものを用いて結合され）、４つの半円形の電気接点５３０，５４０，５５０，５６０の２つは、ＬＥＤパッケージ２００を通じてＬＥＤダイ２４０に電気経路を提供するために、基板上の電気接点に接続されている。２つの半円形の電気接点の１つ（この実施態様では５５０）は、中央パッド４１０を通じて、ＬＥＤダイ２４０の底部に接続しているのに対し、他の電気接点（５３０，５４０，５６０のうちの任意の１つ）は、各側部結合バッド（４３０，４４０，４６０）を通じて、ワイヤボンディング（図示せず）によって、ＬＥＤダイ２４０の頂部に接続されている。ＬＥＤダイ２４０に接続するために用いられる具体的な半円形の電気接点５３０，５４０，５６０は、具体的なＬＥＤダイ２４０の特徴及び条件に従って決定される。
幾つかの結合パッドの配置を多数の異なる場所に有することによって、同一のパッケージを異なるＬＥＤ設計と共に用いることを可能にすることが理解されよう。よって、ある製造業者からのＬＥＤを１つの組の結合パッドに結合し得ると同時に、他の製造業者からのＬＥＤを他の組の結合パッドに結合し得る。この観点において、パッケージは異なるソースからの異なるＬＥＤに対して普遍的である。さらに、本発明のパッケージの設計は、ＬＥＤをパッケージに取り付けるための柔軟且つ単純なプロセスを可能にする。
代替的な実施態様において、熱伝導層２３０の底面よりもむしろ、上部本体層２１０の頂面２８０が、電気接点を提供するための金属化パターンを有する。ＬＥＤパッケージ２９０の隅部及び側部にある部分ビア２９０，２９２，２９４，２９６の各々は、上部本体層２１０の頂面１４０上の別個の電気接点に接続している。これらの実施態様では、上部本体層２１０の頂面１４０上の電気接点へのワイヤボンディングが、ＬＥＤパッケージ２００を電源又は回路板に接続している。電気接点をパッケージ２００の底部よりもむしろ頂部に位置付けることは、一層大きな熱放散のために、底面２３５と基板との間により広い接点領域をもたらす。これらの実施態様におけるＬＥＤパッケージ２００を、例えば、はんだ又は熱伝導性エポキシによって、基板に結合し得る。結合が導電性を有する必要はない。
本開示のパッケージは幾つかの方法で熱放散の向上をもたらすことが理解されよう。それらの一部が以下に列挙されている。一部の実施態様において、優れた熱導電率を有する材料を熱伝導層２３０のために使用することは、熱放散を向上する。他の実施態様において、熱伝導のために非導電性材料を収容することは、熱伝導層を形成するために、非通常な熱伝導材料、例えば、ＡＩＮセラミックを使用することを可能にする。他の実施態様において、熱伝導層２３０の厚さを最適化することは、熱放散をさらに向上する。さらに他の実施態様において、熱伝導層２３０の底面２３５と熱伝導層が付着する基板との間に大きな領域の接触をもたらすことは、熱放散をさらに向上し得る。一部の実施態様において、本開示のパッケージは、より大きな割合の光をパッケージから外に向け、吸収光からのパッケージの加熱を減少し、且つ、光生成効率を増大する。
熱放散の向上の故に、本開示に従った例示的なパッケージは、１ワット毎パッケージより大きな出力で、約６℃／Ｗの熱抵抗を示す。４つのＬＥＤダイスを備える本開示に従った例示的なパッケージは、７ｍｍ×７ｍｍ×１ｍｍの概略寸法を備えて、３℃／Ｗの熱抵抗を示す。本開示は、極めてコンパクトなＬＥＤパッケージも可能にする。一部の例示的な実施態様において、正方形ＬＥＤパッケージは、（上部本体層、中間本体層、及び、熱伝導層のそれぞれのために約０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、及び、０．３ｍｍの厚さを有した状態で）約４．４ｍｍの幅及び高さ並びに約１ｍｍの厚さを有する。従って、本開示は、自動車エンジン構成部材内のような、より高温の環境において、及び、例えば、歯科用途、例えば、歯科用セメントを硬化するために用いられる照明装置内のような、高温構成部材が許容され得ない用途において高出力ＬＥＤを用いることを可能にする。
本開示において開示されている機能をＬＥＤ実装（パッケージング）の他の技法と組み合わせ得る。例えば、本開示のパッケージは、参照としてその全文が本明細書に引用される、２００５年１月１３日に出願された「断熱及び屈折率適合材料を備える発光装置」と題する米国特許出願第１１／０３６，５５９号に記載されているような封入技法をさらに用い得る。
図６Ａは、本開示のＬＥＤパッケージの他の例示的な実施態様を示す断面図である。上から下へ、ＬＥＤパッケージ６００は、層６１０，６２０，６３０を含む。図２のＬＥＤパッケージ２００と同様に、層６１０は上部本体層、層６２０は中間本体層、層６３０は熱伝導層である。ＬＥＤ６４０は、ＬＥＤダイ取付層６４５を通じて、熱伝導層６３０の頂面に取り付けられている。断熱層６５０及び発光層６５５が、倒立円錐の形状を有するテーパ付きキャビティ内に配置されている。キャビティは頂部リム６６０から底部リム６７０に延在する側壁を有する。ＬＥＤパッケージ６００は、パッケージを上から取り囲む補助部材６８０も有する。補助部材６８０は選択的であり、例えば、ＬＥＤパッケージ６００から放射される光を集束するための光学レンズであり得る。補助部材６８０は保護キャップ層としても機能し得る。
断熱層６５０が発光層６５５とＬＥＤダイ６４０の頂面との間に配置されているのが分かる。断熱層６５０は、発光層６５５内の発光材料をＬＥＤダイ６４０によって生成される熱から少なくとも部分的に保護し、よって、光変換効率及び出力波長のような熱特性を従来技術の下におけるよりも長時間に亘って最適値又はほぼ最適値により良好に保持する。断熱層６５０の断熱材料は、ＬＥＤダイ６４０材料の屈折率に密接に適合するよう選択された屈折率を備える材料であり得る。
封入部材内の発光材料をＬＥＤによって生成される熱から保護するために断熱材料を用いることは、本開示のＬＥＤパッケージに適用されるときに特に有効にされる。熱放散が従来技術の発光装置における最重要な関心であったため、そのような装置はＬＥＤによって発生する熱から蛍光体を保護するための断熱材を含まないことが理解されよう。別の言い方をすれば、従来技術の発光装置の設計者は、可能な限り多量の熱を蛍光体含有層（例えば、発光層６５５）を通じて放散することを追求した。何故ならば、別の方法で行うことは、発光装置の残部を通じた過剰な熱放散を必要とするであろうからである。しかしながら、熱伝導層６３０が十分な熱伝導をもたらす場合には、蛍光体含有層６５５を通じて熱を伝導することは最早不要であり、発光材料を遮断するために断熱材を導入し得る。
断熱層６５０は、ＬＥＤダイ６４０から放射される光を通し、或いは、殆ど通すのが好ましい。従って、断熱材料はＬＥＤダイ６４０によって放射される少なくとも１つの波長を通すのが好ましい。様々な利用可能なＬＥＤによって放射される波長は、ＬＥＤの種類に依存して、可視光及び不可視光の双方を含む広いスペクトルに亘って広がる。一般的なＬＥＤの波長は、概ね約２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内、即ち、赤外線から紫外線の範囲内にある。
発光層６５５を効果的に断熱するために、断熱層６５０の断熱材料は、低い熱伝導率、望ましくは、０．５ワット毎メートル毎摂氏度（Ｗ／ｍ°Ｋ）未満の熱伝導率、より望ましくは、０．１５ワット毎メートル毎摂氏度（Ｗ／ｍ°Ｋ）未満の熱伝導率を有するべきである。断熱層６５０のための断熱材料は、高い熱抵抗を有するべきであり、１７０℃より上のガラス遷移温度Ｔｇを備えるのが好ましく、２５０℃より上のガラス遷移温度を備えるのがより好ましい。さらに、断熱層６５０と、典型的には半導体材料である他の構成部材、具体的には、ＬＥＤダイ６４０との間の良好な熱適合性及び機械的適合性を得るために、断熱材料は１００ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有するのが望ましく、３０ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を有するのがより望ましい。
本発明に適した発光材料は、蛍光材料（蛍光体）及びリン光材料の双方を含む。蛍光体はＬＥＤに基づく白色光源のために特に有用である。こららの目的のための一般的な蛍光体は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）材料、テルビウムアルミニウムガーネット（ＴＡＧ）材料、ＺｎＳｅＳ＋材料、及び、（α−ＳｉＡｌＯＮのような）酸窒化ケイ素アルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）材料を含む。
本発明は、ＬＥＤダイ及び発光材料で構成された本発明のパッケージを含む発光装置も提供する。１つの実施態様において、発光装置は、単色性のＬＥＤに基づいて白色光を生成する。これは、例えば、可視光ＬＥＤ及び補償的蛍光体を用いることによって、或いは、ＲＧＢ蛍光体と共に不可視光ＬＥＤを用いることによってなし得る。例えば、青色ＬＥＤに基づく白色光源は、青色光ＬＥＤ及び黄色光を生成する蛍光体を用いることによって、白色光を生成する。
図６Ｂ及び６Ｃは、ＬＥＤパッケージ６００の追加的な実施態様の断面図を示している。図６Ｂでは、上部本体層６１０は、レンズ６９０を収容するために、円形ノッチ６８５を含む。レンズ６９０は、例えば、ガラス又はプラスチックであり得る。ノッチ６８５は、組立中にレンズ６９０をＬＥＤダイ６４０の上に心合わせするガイドを有益に提供する。これらの実施態様の一部において、上部本体層６１０は、銅−タングステン（Ｃｕ／Ｗ）合金のような金属を含む。これらの実施態様の一部において、テーパ付きキャビティ及びノッチ６８５は、打抜き操作によって形成される。さらなる実施態様では、中間本体層６２０及び熱伝導層６３０もアルミナから成る。
図６Ｃにおいて、ＬＥＤパッケージ６００は、上部本体層６１０の上に配置された整列層６９５を含む。整列層６９５内の円形開口は、図６Ｂに関して上記に記載されたようなレンズ６９０のための本質的に同一なガイドを創成する。整列層６９５は、例えば、金属又はセラミックを含み得る。層６１０，６２０，６３０がＡＩＮを含むこれらの実施態様では、整列層６９５はＡＩＮも含み得る。
一部の実施態様において、本発明のＬＥＤパッケージは、出力レベル及び密度をさらに増大するために、多数のＬＥＤダイを単一パッケージ内に支持し得る。図７は、本開示の他の実施態様に従ったＬＥＤパッケージ７００の上面図である。ＬＥＤパッケージ７００が単一のＬＥＤの代わりに多数のＬＥＤ（７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄ）を包含する点を除き、ＬＥＤパッケージ７００は、図２乃至５のＬＥＤパッケージ２００と類似している。ＬＥＤパッケージ７００の上面図は、キャビティ７３０と、頂面７４０と、キャビティ７３０の外径７６０及び内径７７０と、４つの部分ビア７９０，７９２，７９４，７９６とを示している。図７に示される具体的な実施態様において、ＬＥＤパッケージ７００は、４つのＬＥＤ７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄを含むが、原理上、任意の他の数のＬＥＤを本発明のパッケージ内に配置し得る。４つのＬＥＤ７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄは、同一であっても相違してもよく、一部の実施態様では、個々に動作可能である。例えば、多数のＬＥＤ（７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄ）は選択的に動作可能であっても、任意の組み合わせで動作可能であってもよい。ＬＥＤパッケージ７００は、３℃／Ｗの熱抵抗を備えた１〜１５ワットの出力を生成し得るＬＥＤパッケージを提供することが意図されているが、それに限定されない。
図９は、図７のＬＥＤパッケージ７００の熱伝導層９００の頂面のための例示的な金属化パターンを描写している。４つの概ね正方形の中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０が正方形配列に配置されているのが分かる。ＬＥＤ７１０Ａ乃至Ｄ（図７）は、中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０に載っている。中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０は、５つの結合パッド９２５，９３０，９３５，９４０，９４５によって囲繞されている。この実施態様において、中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０の各々は、トレースによって、結合パッド９２５，９３０，９３５，９４０の１つと、１つの金属化された部分ビア９５０，９５５，９６０，９６５とに接続されている。第五の結合パッド９４５は、トレースによって、第五の部分ビア９７０に接続されている。ＬＥＤダイ２４０の底面は、例えば、はんだ、又は、熱伝導性及び導電性を有する接着剤によって結合されている。
１つの実施態様において、ＬＥＤ７１０Ｃ（図７）は中央パッド９１５上に配置され、ＬＥＤ７１０Ｃの頂面上の接点は、結合パッド９４５にワイヤボンディングされている。同様に、ＬＥＤ７１０Ｄ（図７）は中央パッド９２０上に配置され、ＬＥＤ７１０Ｄの頂面の接点は結合パッド９３５にワイヤボンディングされ、ＬＥＤ７１０Ｂ（図７）は中央パッド９１０上に配置され、ＬＥＤ７１０Ｂの頂面の接点は結合パッド９３０にワイヤボンディングされ、ＬＥＤ７１０Ａ（図７）は中央パッド９１０上に配置され、ＬＥＤ７１０Ａの頂面の接点は結合パッド９２５にワイヤボンディングされている。この実施態様において、結合パッド９４５は設置として働いている。ＬＥＤ７１０Ｃを活性化するために、十分な電圧が部分ビア９６５に印加される。ＬＥＤ７１０Ｃ及び７１０Ｄを活性化するために、十分な電圧が部分ビア９６０に印加される。全ての４つのＬＥＤ７１０Ａ乃至Ｄを活性化するために、十分な電圧が部分ビア９５０に印加される。一部の実施態様では、ＥＳＤ保護装置９７５が結合部材９４０及び９４５の間に接続されている。
上記に記載された幾つかの実施例におけるように、さらなる実施態様において、中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０は熱結合パッドであり、電気結合パッドではない。これらの実施態様において、中央パッド９０５，９１０，９１５，９２０は、トレースによって、結合パッド９２５，９３０，９３５，９４０と部分ビア９５０，９５５，９６０，９６５とに接続されていない。これらの実施態様の一部において、ＬＥＤ７１０Ａ上の２つの接点は、結合パッド９４０，９２５にワイヤボンディングされ、ＬＥＤ７１０Ｂは、結合パッド９２５，９３０にワイヤボンディングされ、ＬＥＤ７１０Ｄは、結合パッド９３０，９３５にワイヤボンディングされ、ＬＥＤ７１０Ｃは、結合パッド９３５，９４５にワイヤボンディングされている。ＬＥＤ７１０Ａ乃至Ｄのより大きな動作的な独立性のために、一層さらなる結合パッドを内径２７０内に収容するために、結合パッド９２５，９３０，９３５，９４０，９４５をより小さく成し得る。これらのさらなる結合パッドを、ＬＥＤパッケージ７００の端部で、追加的な部分ビアに電気的に接続し得る（図７）。ＬＥＤダイスを結合するための結合パッドが導電性を有さないこれらの実施態様において、結合パッドは、キャビティのフロア上の何らかの材料のパターン化層であるよりむしろ、単にキャビティのフロア上の領域であり得る。換言すれば、ダイ取付層２４５は、ＬＥＤダイスを結合パッド領域内のキャビティのフロアに直接的に結合する。
図１０は、図７のＬＥＤパッケージ７００の熱伝導層９００の底面のための例示的な金属化パターンを描写している。例えば、はんだくずの配列を用いて、基板への電気接続を成すためにＬＥＤパッケージ７００の底面を用いる場合、この金属化パターンを用い得る。よって、例えば、部分ビア９５０，９５５，９６０，９６５，９７０の各々は、接点１０００，１００５，１０１０，１０１５，１０２０に接続する。追加的な中央接点１０２５が基板との接触を向上させるのに役立つ。中央接点１０２５は選択的に電気接点としても機能し得る。これらの実施態様では、はんだ付け中に、はんだがトレース１０３５に沿って流れるのを防止するために、ＡＩＮの小さなパッチ１０３０又は他の材料を中央接点１０２５と部分ビア９５０との間のトレース１０３５の上に配置し得る。
他の実施態様において、図１１に示されるように、部分ビア９５０，９５５，９６０，９６５，９７０は、ＬＥＤパッケージ７００（図７）の上部本体層１１２５の頂面上の接点１１００，１１０５，１１１０，１１１５，１１２０に電気的に接続される。これらの実施態様において、接点１１００，１１０５，１１１５，１１２０は、可撓な回路板上の結合パッドに取り付けられる。これらの実施態様において、パッケージの底部は結合パッドがなく、熱経路だけのために用いられる。これらの構成は小さなパッケージのための熱性能を著しく向上する。
３．組立方法
図２乃至７を参照して記載されたような層状ＬＥＤパッケージを組み立てる方法が開示されている。方法は、各層のために選択される材料、金属化のパターン並びに電気接続の場所及び経路指定のような特別な設計、並びに、ＬＥＤパッケージの用途に依存して異なる。全ての３つの層２１０，２２０，２３０が、例えば、セラミックから成る図２乃至５に示される実施態様において、層２１０，２２０，２３０を別個に製造し、一体に層状化し、層２１０，２２０，２３０を一体に結合するために共に焼付け（焼結し）得る。しかしながら、非セラミック材料が層２１０，２２０のために用いられるとき、層２１０，２２０を適切な接着材又ははんだを用いて一体に結合し得る。
本発明の方法の１つの実施態様において、多数のＬＥＤパッケージがバッチプロセスで一体に形成され、そこでは、個々のＬＥＤパッケージはパネル８００として並行して組み立てられ、個々のＬＥＤパッケージを後にそこから分離し得る。図８は、例示的な実施態様の組立プロセス中に並行して製造される複数のＬＥＤパッケージ８１０の上面図を示している。この実施態様において、ＬＥＤダイ８２０を含むよう組み立てられ得るＬＥＤパッケージ８１０は、スナップライン８３０によって分離される正方形グリッドパターンに組み立てられる。パッケージ８１０の行列をスナップライン８３０に沿ってパチンと割って分離し、次に、個々のＬＥＤパッケージ８１０にさらに細分し得る。この実施態様によれば、複数のＬＥＤパッケージ８１０のための上部本体層（例えば、２１０）、中間本体層（例えば、２２０）、及び、熱伝導層（例えば、２３０）は一体ピースとして生成され、各層はシートとして個々に組み立てられ、次に、一体に結合される。グリッドが個々のＬＥＤパッケージ８１０に分離される前に、ＬＥＤダイ８２０をＬＥＤパッケージ８１０のグリッドに加え得る。
セラミックのような容易に製造される材料は上記に記載の実施態様に特に適している。もし銅のような金属が熱分散のために底板として用いられるならば、グリッドを個々のＬＥＤパッケージ８１０に分離することは困難であろう。もし容易に破砕されない材料が３つの層（例えば、上部本体層２１０、中間本体層２２０、熱伝導層２３０）のいずれかのために用いられるならば、分離を容易にするよう深い溝又は穿孔を備えるスナップライン８３０に沿ってそのような層を準備することが必要となり得る。
図８中のグリッドは、スナップライン８３０に沿ってビア（穴）８４０の配列も含む。端部又は隅部に位置するビアを除き、各ビア８４０は、４つの隣接するＬＥＤパッケージ８１０によって共有されており、端部又は隅部に位置するビアは、１つ又は２つの隣接するＬＥＤパッケージによって共有されている。個々のＬＥＤパッケージ８１０がスナップライン８３０に沿って分離された後、ビア８４０は分離され、部分ビア（例えば、２９０，２９２，２９４，２９６）になる。
具体的な実施態様に従ってセラミック材料を用いて熱伝導層（例えば、２６０又は６３０）を生成するために、例えば、ＡＩＮのようなセラミック層の材料が、層を通じて配置されたビア８４０の正方形配列を備えた状態で準備される。図８において、ビア８４０はスナップライン８３０の交差点にある。最終的には、ＬＥＤパッケージ８１０が互いに分離されると、各ビア８４０は４つの異なる隣接パッケージ８１０の部分ビア（例えば、２９０，２９２，２９４，２９６）になる。例示的な実施態様において、セラミック層の頂面及び底面は図４及び５に示されるような金属化を備えてパターン化される。例えば、メッキによってパターン化を達成し得る。金属化のための適切な金属は、タングステン及びニッケルを含む。これらのパターンは生成される各パッケージのために反復される。
異なる効果を達成し且つＬＥＤダイ８２０の異なる条件に適応させるために、多様なパターンの金属化を用い得る。一部の実施態様において、例えば、中央パッド（例えば、図５中の中央パッド（４１０）は、熱接点及び電気接点の双方の働きをする。これらの実施態様では、電気接続が中央パッドから熱伝導層の反対面に延びるよう、熱伝導層（２３０）の頂面上の中央パッドは、トレース（４２０）によって、部分ビア（２９４）の１つに接続されている。所望であれば、電気接続を中央パッド（５１０）にさらに延ばし得る。これらの実施態様において、はんだ付け中に、はんだがトレースに沿って流れるのを阻止するために、ＡＩＮ又は他の材料の小さなパッチを中央パッドと部分ビアとの間のトレース（４２０）上に配置し得る。
中間本体層（例えば、層２２０）を生成するために、この実施態様によれば、ＡＩＮのような材料の層が、層を通じて配置されるビアの正方形配列を備えた状態で準備される。ビアの正方形配列は、熱伝導層中のビアの正方形配列と適合する。加えて、各孔が４つの隣接するビアによって定められる正方形内で中心化されるよう、孔の正方形配列が層中に定められる。これらの孔は、各ＬＥＤパッケージのキャビティの内径（例えば、図２乃至５における内径２７０）と一致する。
上部本体層（例えば、層２１０）を生成するために、この実施態様によれば、ＡＩＮのような材料の層が、層を通じて配置されるビアの正方形配列を備えた状態で準備される。ビアの正方形配列は、熱伝導層及び中間本体層中のビアの正方形配列と適合する。加えて、各孔が４つの隣接するビアによって定められる正方形内で中心化されるよう、孔の正方形配列が層中に定められる。上部本体層上の孔の配列は中間本体層上の孔の配列に適合するが、異なる直径を有する。図１乃至３に関連して上記に議論された側壁を提供するために、これらの孔は傾斜されるか或いは別な方法で形成されるのが好ましい。具体的には、好適な実施態様において、各傾斜孔は、各ＬＥＤパッケージ中のキャビティの外径（例えば、図２乃至５中の外径２６０）に対応する頂部リムと、各ＬＥＤパッケージ８１０中のキャビティの内径（例えば、図２乃至５中の内径２７０）とを有する。次に、側壁の金属化及び頂面の如何なる電気接点をも提供するよう、上部本体層は金属化される。上部本体層の頂面のために電気接点を必要としない実施態様に関しては、如何なる電気接点も頂面上に形成されない。
熱伝導層、中間層、及び、上部本体層が個々に準備されるや否や、これらの層は一体的に組立体に至らされ、各層中のビアは整列され、且つ、３つの層は一体に結合される。上記のように、全ての３つの層がセラミックである場合、組立体を共に焼付け可能であり、さもなければ、これらの層を適切な接着剤又ははんだを用いて一体に結合し得る。後者の実施態様において、接着剤は、熱伝導層の頂面上の金属化（例えば、図４Ａに示される金属化パターン）を銅のような金属を含む中間層から電気絶縁する働きをし得る。これらの層が互いに結合されるや否や、これらの層の様々な表面上の金属化間の電気接続をもたらすよう、ビア８４０をメッキし得る。
この時点で、後続の発光装置への組立のために、ＬＥＤパッケージ８１０を分離し得るが、発光装置の全体パネル８００を並行して形成するために、先ずＬＥＤダイ８２０を取り付けるのがしばしば望ましい。発光装置のパネル８００を創成するために、はんだ融剤又は熱伝導性ダイ取付が施され、ＬＥＤダイ８２０がＬＥＤパッケージ８１０に結合される。次に、各ＬＥＤダイ８２０が適当な結合パッドにワイヤボンディングされる。次に、ＬＥＤダイ８２０を封入するために、ＬＥＤパッケージ８１０のキャビティは充填されるのが好ましい。一部の実施態様において、このプロセスは、ＬＥＤダイ８２０に熱伝導層を形成するステップ、熱伝導層上に発光層を形成するステップ、次に、発光層上にレンズを形成するステップを含む。最終的に、組立体はスナップライン８３０に沿ってガイスカットされる。本発明の発光装置を従来技術の装置よりも少ない処理ステップ、幾つかの場合には、半分より少ないステップで製造し得ることが理解されよう。
セラミック整列層６９５が含まれている図６Ｃに示されるような実施態様を生成するために、整列層６９５が熱伝導層、中間本体層、及び、上部本体層と共に焼き付けられるよう、上記に記載された方法を修正し得る。代替的に、適切な接着剤又ははんだを用いて、金属整列層６９５を上部本体層に結合し得る。
図６Ｂ及び６Ｃにおけるレンズ６９０のようなレンズを整列するための整列機構を含む実施態様では、多数の異なる方法でレンズをパッケージ８１０に加え得る。一部の実施態様において、レンズを持ち上げ且つレンズを所定位置に移動するために、真空工具を用い得る。他の実施態様において、多数のレンズはテープのストリップ上に保持され、テープ上のレンズはパッケージ８１０と整列され、レンズをテープからパッケージ８１０に移転するために、工具はレンズをガイドに押し付ける。ＬＥＤパッケージ８１０が互いに分離される前又は後のいずれかに、真空工具による或いはテープからのレンズ移転を達成し得ることが理解されよう。
ＬＥＤパッケージ８１０がパネル８００から分離される前に遂行し得る例示的なバッチプロセスにおいて、レンズは射出成形によって形成される。このプロセスでは、レンズ形状の井戸の配列を有する型が、１つの井戸がパッケージ８１０の各々に整列されるよう、パネルに封止される。井戸を充填するために、適切なプラスチックが型内に射出される。次に、プラスチックは硬化されてレンズを形成する。他の例示的なバッチプロセスにおいて、レンズはマスク印刷によって形成される。
上記の明細書において、本発明はその具体的な実施態様を参照して記載されているが、当業者であれば、本開示がそれらに限定されないことを認識するであろう。上記に記載された発明の多様な機能及び特徴を個別に或いは一緒に用い得る。さらに、本明細書のより広い精神及び範囲から逸脱することなく、ここに記載されたものを超えて、如何なる数の環境及び用途において本発明を利用し得る。従って、明細書及び図面は、制限的と言うよりも例示的なものと考えられるべきである。ここで用いられているような「含む」、「包含する」、及び、「有する」という用語は、制約のない技術用として読み取られることが特に意図されていることが認識されよう。本明細書において「ＬＥＤ」及び「ＬＥＤダイ」は交換可能に用いられていることがさらに認識されよう。
態様に従った例示的なＬＥＤパッケージに結合されたＬＥＤダイを示す斜視図である。 本開示のＬＥＤパッケージの例示的な実施態様を示す断面図である。 本開示の例示的なＬＥＤパッケージを示す上面図である。 本開示の実施態様に従ったＬＥＤパッケージの熱伝導層の頂面のための例示的な金属化パターンを示す概略図である。 本開示の実施態様に従ったＬＥＤパッケージの熱伝導層の頂面のための例示的な金属化パターンを示す概略図である。 本開示の実施態様に従ったＬＥＤパッケージの熱伝導層の底面のための例示的な金属化パターンを示す概略図である。 本開示のＬＥＤパッケージの例示的な実施態様を示す断面図である。 本開示のＬＥＤパッケージの例示的な実施態様を示す断面図である。 本開示のＬＥＤパッケージの例示的な実施態様を示す断面図である。 本開示の他の実施態様に従ったＬＥＤパッケージを示す上面図である。 組立プロセスの例示的な実施態様中に並行して製造される複数のＬＥＤパッケージを示す上面図である。 本開示の他の実施態様に従ったＬＥＤパッケージの熱伝導層の上面のための他の例示的な金属化パターンを示す概略図である。 本開示の他の実施態様に従ったＬＥＤパッケージの熱伝導層の底面のための他の例示的な金属化パターンを示す概略図である。 本開示の実施態様に従った、パッケージの本体の頂面上の例示的な金属化パターンを示すＬＥＤパッケージの上面図である。
符号の説明
１００ ＬＥＤパッケージ
１１０ ダイ
１２０ 本体
１３０ キャビティ
１４０ 頂面
１５０ フロア
１６０ 側面
２００ ＬＥＤパッケージ
２１０ 上部本体部
２２０ 中間本体部
２３０ 熱伝導層
２３５ 底面
２４０ ＬＥＤダイ
２４５ ダイ取付層
２５０ キャビティ
２５５ 側壁
２６０ 頂部リム
２７０ 底部リム
２８０ 頂面
２９０ 部分ビア
２９２ 部分ビア
２９４ 部分ビア
２９６ 部分ビア
４１０ 中央パッド
４２０ トレース
４３０ 結合パッド
４４０ 結合パッド
４６０ 結合パッド
４７０ 第一パッド
４８０ 第二パッド
４９０ ライン
５１０ パッド
５２０ 底部
５３０ 電気接点
５４０ 電気接点
５５０ 電気接点
５６０ 電気接点
６００ ＬＥＤパッケージ
６１０ 上部本体層
６２０ 中間本体層
６３０ 熱伝導層
６４０ ＬＥＤダイ
６４５ ＬＥＤダイ取付層
６５０ 断熱層
６５５ 発光層
６６０ 頂部リム
６７０ 底部リム
６８０ 補助部材
６８５ ノッチ
６９０ レンズ
６９５ 整列層
７００ ＬＥＤパッケージ
７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄ ＬＥＤ
７３０ キャビティ
７４０ 頂面
７６０ 外径
７７０ 内径
７９０ 部分ビア
７９２ 部分ビア
７９４ 部分ビア
７９６ 部分ビア
８１０ ＬＥＤパッケージ
８２０ ＬＥＤダイ
８３０ スナップライン
８４０ ビア
９０５ 中央パッド
９１０ 中央パッド
９１５ 中央パッド
９２０ 中央パッド
９２５ 結合パッド
９３０ 結合パッド
９３５ 結合パッド
９４０ 結合パッド
９４５ 結合パッド
９５０ 部分ビア
９５５ 部分ビア
９６０ 部分ビア
９６５ 部分ビア
９７０ 部分ビア
９７５ ＥＳＤ保護装置
１０００ 接点
１００５ 接点
１０１０ 接点
１０１５ 接点
１０２０ 接点
１０２５ 上部本体層
１０３０ パッチ
１０３５ トレース
１１００ 接点
１１０５ 接点
１１００ 接点
１１２０ 接点

Claims (24)

  1. 頂面及び底面と、
    前記頂面から前記底面の方向に延び、且つ、前記底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、
    該キャビティの前記フロア上に配置された第一、第二、及び、第三の導電性の結合パッドとを含み、
    前記第一及び第二の結合パッドは、第一の種類のＬＥＤのための電気接点を提供するよう配置され、前記第二及び第三の結合パッドは、第二の種類のＬＥＤのための電気接点を提供するよう配置された本体を含む、
    異なる種類のＬＥＤを収容するためのユニバーサルＬＥＤパッケージ。
  2. 前記導電性の結合パッドの１つは、前記キャビティ内の前記フロア上で中央に位置する、請求項１に記載のパッケージ。
  3. 前記第一パッドを外部接点に接続する電気経路をさらに含む、請求項１に記載のパッケージ。
  4. 前記外部接点は、前記底面上に配置されている、請求項３に記載のパッケージ。
  5. 前記外部接点は、前記頂面上に配置されている、請求項３に記載のパッケージ。
  6. 前記電気経路は、金属化された部分ビアを含む、請求項３に記載のパッケージ。
  7. 前記本体は、前記キャビティの前記フロアと前記底面との間のセラミック層を含む、請求項１に記載のパッケージ。
  8. 頂面及び底面と、
    前記頂面から前記底面の方向に延び、且つ、前記側部と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、
    該キャビティの前記フロアと前記底面との間のセラミック層と、
    前記キャビティの前記フロア上に配置された第一及び第二の導電性の結合パッドとを含み、
    前記第一及び第二の結合パッドは、前記キャビティと前記フロアとの間の狭い間隙を除き、前記キャビティの前記フロアを完全に被覆するよう構成されている本体、
    を含むＬＥＤパッケージ。
  9. 前記本体は、前記セラミック層上に配置された上部本体層をさらに含み、前記キャビティは該上部本体層を通じて配置されている、請求項８に記載のＬＥＤパッケージ。
  10. 前記上部本体層はセラミックを含む、請求項９に記載のＬＥＤパッケージ。
  11. 本体を含み、
    該本体は、
    頂面及び底面と、
    前記頂面から前記底面の方向に延び、且つ、前記底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、
    前記フロアと前記底面との間に配置された熱伝導材料と、
    前記フロア上に配置された複数のＬＥＤ結合パッドと、
    前記ＬＥＤ結合パッドの近傍で、前記本体の表面に配置された複数の電気接点と電気通信して前記フロア上に配置された複数の電気結合パッドとを含む、
    複数のＬＥＤのためのパッケージ。
  12. 前記熱伝導材料はセラミックを含む、請求項１１に記載のパッケージ。
  13. 前記複数のＬＥＤ結合パッドは導電性を有さない、請求項１１に記載のパッケージ。
  14. 前記複数の電気接点は、前記本体の前記底面上に配置されている、請求項１１に記載のパッケージ。
  15. 前記複数の電気接点は、前記本体の前記頂面上に配置されている、請求項１１に記載のパッケージ。
  16. 前記複数の電気結合パッドは、複数のビアを通じて、前記複数の電気接点と電気通信している、請求項１１に記載のパッケージ。
  17. 前記複数のビアは部分ビアを含む、請求項１６に記載のパッケージ。
  18. 前記複数の電気結合パッドの２つの間に連結されたＥＳＤ保護装置をさらに含む、請求項１１に記載のパッケージ。
  19. 本体と、複数のＬＥＤダイとを含み、
    前記本体は、
    頂面及び底面と、
    前記頂面から前記底面の方向に延び、且つ、前記底面と実質的に平行なフロアを有するキャビティと、
    前記フロアと前記底面との間に配置された熱伝導材料と、
    前記フロア上に配置された複数のＬＥＤ結合パッドと、
    前記ＬＥＤ結合パッドの近傍で、前記本体の表面に配置された複数の電気接点と電気通信して前記フロア上に配置された複数の電気結合パッドとを含み、
    前記複数のＬＥＤダイは、
    前記複数のＬＥＤ結合パッド上に配置され、且つ、前記複数の電気結合パッドに電気的に連結されている、
    発光装置。
  20. 前記ＬＥＤダイは、直列に電気的に接続されている、請求項１９に記載の発光装置。
  21. 前記ＬＥＤダイは、選択的に動作可能である、請求項１９に記載の発光装置。
  22. 前記複数のＬＥＤ結合パッドは、導電性を有する、請求項１９に記載の発光装置。
  23. 前記ＬＥＤダイの上に配置された発光層をさらに含む、請求項１９に記載の発光装置。
  24. 前記発光層と前記ＬＥＤダイとの間に断熱層をさらに含む、請求項２３に記載の発光装置。
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