JP2008135701A - 発光ダイオードのための封入体外形 - Google Patents

Abstract

【課題】適当なレンズ又は封入体形状により、輝度及びファーフィールド特性を向上させた高品質な発光ダイオードを提供する。
【解決手段】パッケージ化された発光ダイオードは、反射性パッケージ内に実装される発光ダイオードであって、当該ダイオードに隣接する表面は近似的ランベルト反射面である、発光ダイオードを含む。パッケージ内にある封入体は、ランベルト反射面によって画定され、封入体の中にある蛍光体は、ＬＥＤチップによって放射される周波数を変換し、且つＬＥＤチップによって放射される周波数と共に白色光を生成する。封入体によって形成される概ね平坦なメニスカスは、パッケージ化されるダイオードの放射面を画定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）内の封入体材料の幾何学的形状に関し、より詳細には、白色光を生成する表面実装横向きタイプのＬＥＤから放射される光パターンに関する。

本出願は、２００６年９月１日に出願された仮特許出願第６０／８２４，３９０号からの優先権を主張する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、半導体材料の一種を表しており、ｐ−ｎ接合を横断する電流が加えられるときに、電子と正孔との間の再結合が引き起こされ、その再結合のうちの少なくともいくつかが、光子を生成する。電子工学及び物理学の十分に理解されている原理によれば、光子の波長（それゆえ周波数）は、再結合のエネルギー変化に基づく。さらに、そのエネルギーは、半導体材料のバンドギャップ、すなわち材料の価電子帯と伝導帯との間のエネルギー差によって規定又は抑制される。

結果として、ＬＥＤによって放射される色は、そのＬＥＤが形成される材料によって概ね決定される。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）及びガリウムリン（ＧａＰ）から形成されるダイオードは、可視スペクトルの低い方のエネルギーである赤色部分及び黄色部分において光子を発する傾向がある。炭化シリコン（ＳｉＣ）及び第ＩＩＩ族窒化物のような材料は、さらに広いバンドギャップを有し、それゆえ、可視スペクトルの緑色部分、青色部分及び紫色部分において、並びに電磁スペクトルの紫外線部分において現われる、さらにエネルギーが高い光子を生成することができる。

応用形態によっては、その出力が加減されるか、又は異なる色に変換されるときに、ＬＥＤの有用性が高くなることがある。詳細には、青色発光ＬＥＤの利用可能性が大幅に増えたことで、青色光子を変換する黄色発光蛍光体の使用量も同じく増えている。具体的には、ダイオードが発光する青色光と、蛍光体が発光する黄色光とを組み合わせると、白色光を生成することができる。固体源からの白色光を利用できるようになると、特に照明を含む多数の応用形態で、及びカラーディスプレイのためのバックライトとして、それらの固体源を組み込むことができるようになる。そのようなデバイス（たとえば、フラットコンピュータ画面、携帯情報端末及び携帯電話）では、青色ＬＥＤ及び黄色蛍光体によって白色光を生成し、その後、カラー素子（多くの場合に、液晶、「ＬＣＤ」によって形成される）を照明するために、その白色光を何らかの方法で行き渡らせる。

本出願では、用語「白色光」は一般的な意味において用いられる。色の発生及び人間の目による色の知覚に精通する人であれば、正確を期すために、ある特定の周波数混合を「白色」と定義することができることは理解されよう。本明細書において説明されるダイオードのうちのいくつかは、そのような正確な出力を生成することができるが、本明細書では、用語「白色」は、それよりも幾分広く用いられ、種々の人又は検出器が、たとえばわずかに黄色みがかっているか、又は青みがかっているものと知覚することになる光を含む。

多数の従来の応用形態では、発光ダイオード（その基本半導体構造において、典型的にはチップと呼ばれる）は、その意図されている用途に合わせてパッケージ化される。本明細書において用いられるときに、用語「パッケージ」は典型的には、ダイオードを或る程度まで物理的に保護し、且つ光出力を光学的に誘導することができるプラスチックレンズ（樹脂、エポキシ、封入体）と共に、適当な電気的構造（多くの場合に、小さな金属片程度に簡単である）上に半導体チップを配置したものを指している。

多数の従来の応用形態では、レンズは少なくとも部分的には半球から形成される。一例は、古典的なＴ１ ３／４パッケージであり、そのパッケージは広く認識されており、多数のＬＥＤの応用形態に組み込まれる。

最近になって、発光ダイオードは照明の目的で使用されている。詳細には、色を生成又は表示するために、白色光を生成することができるＬＥＤが、いくつかの他のタイプのデバイス（典型的には、液晶）を介して、バックライト式フラットパネルディスプレイ（コンピュータ画面、携帯情報端末、携帯電話）のために用いられる。これらの応用形態のうちの多くでは、ＬＥＤは、関連する画面の表面に対して垂直に実装される。この向きでは、画面そのものの後方に向けられる代わりに、ＬＥＤは、多くの場合に平坦なプラスチック片である光導波路のエッジに向かって誘導されるので、ＬＥＤからの光が光導波路のエッジに入るとき、光導波路によって、その光がディスプレイ画面の平面に向かって垂直に向きを変更されるようにする。

このためにパッケージ化される発光ダイオードは、表面実装横向きタイプのＬＥＤ又はサイドルッカと呼ばれる。多くの表面実装横向きタイプのダイオードは、そのハウジングの中に凹形メニスカスを組み込む。凹形メニスカスは、光を合焦し、より高い密度をもたらす傾向があるが、全体として光束を損失する。それでもやはり、凹形メニスカスは、封入体が機械的に損傷を受けるのを防ぐ（封入体は一般的には、パッケージの他の部分よりも壊れやすい）。

白色光を放射する表面実装横向きタイプのＬＥＤは典型的には、青色発光ＬＥＤチップを黄色発光蛍光体と共に組み込むことによって、それを果たす。チップからの青色光が、蛍光体を励起して、黄色光を放射する。これにより、青色及び黄色の周波数が組み合わせられて、適当な色合いの白色光が生成される。

しかしながら、従来の凹形メニスカスが、或る特定の高輝度のダイオードと共に表面実装横向きタイプのＬＥＤにおいて用いられるときに、封入体の凹形が、光束及び色の均一性の両方を低減することがあるので、不都合になることがわかっている。

これらの不都合は、典型的なＬＥＤよりも、ランベルト度合い（Lambertian）が高いファーフィールドプロファイル（far field profile）を有するチップの場合に特に顕著である。ランベルト度合いとは、完全拡散面の１つの要素から任意の方向に反射又は透過した光度（光束）が、その面のその方向と法線ベクトルとの間の角度の余弦に応じて変化することを述べるランベルト余弦則に、或る表面が従う度合いを指している。ランベルト余弦則は、公式Ｎ＝Ｎ０ｃｏｓＡと表されることもある。ただし、Ｎは放射強度であり、Ｎ０は放射面に対して垂直な放射輝度であり、Ａは視認方向と放射面に対する法線との間の角度である。

実用的には、ランベルト放射源からの放射は、低ランベルト放射源又は非ランベルト放射源からの放射よりも均一である。
したがって、凹形メニスカスは、近似的ランベルトファーフィールドパターンを生成するＬＥＤのファーフィールドの利点を部分的に、又は完全に損なう傾向がある。

したがって、意図されている目的を果たすために、光出力を妨げるのではなく、光出力を高める適当なレンズ又は封入体形状で、高品質ダイオードの輝度及びファーフィールド特性を補う必要がある。

本発明は、パッケージ化された発光ダイオードであって、当該パッケージ化された発光ダイオードは、反射性パッケージ内に実装される近似的ランベルトファーフィールドパターンを有するＬＥＤチップであって、ダイオードに隣接する表面も近似的ランベルト反射面である、ＬＥＤチップと、パッケージ内にあり、ランベルト反射面によって画定される封入体と、封入体の中にあり、ＬＥＤチップによって放射される周波数を変換し、且つＬＥＤチップによって放射される周波数と共に白色光を生成する蛍光体と、封入体によって形成され、パッケージ化されたダイオードの放射面を画定する実質的に平坦なメニスカスとを備える。

本発明の上記及び他の目的及び利点、並びに本発明が達成される態様は、添付の図面と共に取り上げられる以下の詳細な説明に基づいて、さらに明らかになるであろう。

図１は、表面実装横向きダイオードと呼ばれるタイプの従来の発光ダイオードの断面図である。そのダイオードは概して１０で示される。パッケージ化されているダイオード１０は、白色樹脂パッケージ１２の中に発光ダイオードチップ１１を含む。それぞれの電気的コンタクト１３及び１４が、パッケージ化されているダイオード１０を回路又はデバイスに接続するために設けられる。明確にするために、図１は、全ての配線を示すことは控えるが、チップ１１を１つの電極に接続するために典型的に用いられるワイヤ１５が含まれており、一方、チップそのものは第２の電極（図示せず）に載置される。多数のそのような従来のパッケージの場合と同様に、チップ１１は封入体１６によって覆われており、封入体１６は、樹脂パッケージ１２の壁部１７及び底部２０によって画定される凹部を満たす。光を変換するための蛍光体が黒い点２１として示される。

そのような従来のパッケージ１０では、封入体は凹形メニスカス２２を形成する。先に言及されたように、そのような従来のダイオードでは、凹形メニスカス２２は、光を特定の方向に合焦するのを助けることができるが、色の均一性を損なうことがある。しかしまた、これによって、方向性強度を高めることと引き換えに、光束が減少する。また、凹形メニスカス２２は、白色樹脂パッケージ１２の縁の中に封入体を画定する。これは、封入体と他の物体との物理的な接触を防ぐのを助けることができ、それゆえ、少なくとも或る程度まで、ダイオード１０を物理的に保護する。

図２は、本発明による、パッケージ化されたダイオード２５を示す。ただし、図１と同じ構成要素は、同じ参照符号を有する。したがって、図２の表面実装横向きタイプの実施形態では、ダイオード２５は、白色樹脂パッケージ１２と、ＬＥＤチップ１１と、個々のコンタクト１３及び１４と、側壁１７及び底部２０によって画定されるパッケージ１２内の凹部とを含む。パッケージ１２の壁部１７及び底部２０は、その反射特性において概ねランバーティアンであることが好ましい。そのようなパッケージのために用いられる白色樹脂は広く市販されており、当該技術分野において十分に理解されているので、他には詳細には説明されないであろう。

図２では、封入体は図１に示される従来のメニスカスとは異なる形状を有するので、２６で示される。詳細には、本発明では、封入体は実質的に平坦なレンズ２７に形作られる。後者の設計は、製造中の利点、より良好なファーフィールド均一性、及びより高輝度の光束を与える。

封入体として、本発明の目的を果たすのに適しており、且つそれ以外の点ではチップの動作を妨げない任意の材料を用いることができる。２００６年９月１日に出願された同時係属で、同じ譲受人に譲渡される「Phosphor Position In Light Emitting Diodes」と題する特許出願第６０／８２４，３８５号に記載されるように、ＬＥＤチップが、スペクトルの高い方のエネルギー部分（たとえば、青色、紫色及び紫外線）において発光するときに、封入体は、そのような周波数において放射される光子と化学反応しにくいか、又は不活性であるべきである。したがって、ポリシロキサン（「シリコーン」）樹脂は、封入体に特に適していると言える。

本発明者らは、いかなる理論によっても縛られることは望まないが、平坦なレンズ２７を使用することによって、本発明の譲受人であるCree社（Durham North Carolina）から市販されるＥＺＢＲＩＧＨＴ（商標）ＬＥＤチップ及びＥＺＲ（商標）ＬＥＤチップのようなランベルト又は近似的ランベルトファーフィールド特性を有するチップが補完され、改良されることがわかっている。

蛍光体を組み込むことは、当該技術分野において十分に理解されており、本明細書において詳細には説明されない。青色発光ダイオードの場合、高い方のエネルギーの周波数に応答し、それに応じて黄色周波数を放射するので、セリウム添加イットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）が、相応しい蛍光体材料の一例である。本明細書において先に言及されたように、これらの青色及び黄色の周波数を合成することによって、適当な色合いの白色光を生成することができる。

図３は、本発明の別の実施形態を示す。同じく、適切な場合には、類似の参照符号は同じ構成要素を示すであろう。図３では、パッケージ化されているダイオードは概して３０で示されており、白色樹脂パッケージ１２の中にＬＥＤチップ１１を含む。しかしながら、図３では、封入体は３４で示されており、わずかにドーム形のレンズ３１に形作られる。白色樹脂パッケージ１２の上側表面から約５０ミクロン以内に保持される非常にわずかなメニスカス（凹形又は凸形）であれば、図２に示される平坦な表面の均一性の利点が依然として提供されることがわかっている。５０ミクロンの寸法は、メニスカスの最も高い（又は最も低い）部分と、白色樹脂パッケージ１２の上側表面との間で定義される。相対的な比較として、パッケージ１２は、長さ、幅及び高さにおいて概ね２ミリメートル〜４ミリメートルの寸法を有するであろう。

さらに、本発明によれば、封入体３４の中に小さな点によって示される散光体で、ドーム形のレンズ３１による放射の混合を高めることができることがわかっている。一般的に言うと、散光体は任意の１組の物体であり、封入体３４内で光を物理的に散乱する、封入体内の泡を含むことがある。

図２及び図３は、蛍光体２１が、チップ１１及び白色樹脂パッケージ１２の底部２０の直ぐ上に、又はそれらに極めて近接して配置されることが好ましいことを示す。このように蛍光体を配置するための方法が、先に援用された「Phosphor Position In Light Emitting Diodes」と題する特許出願第６０／８２４，３８５号に記載される。

図４は、本発明によるダイオード４０の断面図であり、ドーム形のレンズ３１に関しては図３に類似である。しかしながら、図４では、封入体は散光体を含まないので、４１で示される。蛍光体はチップ１１の放射エリアだけを覆うので、４２で示される。このように蛍光体４２の位置を制限することによって、ドーム形のレンズ３１を幾分大きくしても、依然として良好な色の均一性を生み出すことができるようになる。

光取出し及びひいてはその効率は、そのような緩やかなドーム３１（図３及び図４）でも最適化することができ、緩やかなドームは、他の方向において焦点を外しながら、光を特定の方向において合焦するという利点を提供することができる。これはさらに、特に液晶を備えるディスプレイを含む、フラットディスプレイのためのバックライトユニットの一部として用いられる、光導波路のような平坦な構成要素への結合を最大にする。そのような応用形態において、本発明は、効率及び均一性を最大にするために、光を光導波路の平面にわたって拡散しながら、厳密にその平面の中に合焦する能力を提供する。

図５はこの概念を示しており、本発明による２つのダイオード（それぞれ４５で示される）が、光導波路４７の後方エッジ４６に沿って配置される。ベクトル矢印によって示されるように、わずかにドーム形のメニスカス（図３及び図４の３１）は、光導波路４７の主面の上方及び下方において光を失うのを避けながら、その面内により多くの光を生成することができ、それゆえ、ダイオード４５及び光導波路４７の組み合わせの効率を高めることができる。

また図５は、いくつかの実施形態において、表面実装横向きタイプのダイオードが、正方形又は円形の外形ではなく、長方形の外形によって特徴付けられるという事実を示す。そのような事例では、緩やかにドーム形の封入体の発光表面は、主な放射方向に、且つ図５にさらに示されるように、そのダイオードが照明しようとする光導波路のエッジに向かって延在する弧状の外形を形成する。

そのような事例において、封入体が個別に視認されたなら、白色樹脂パッケージ（たとえば、図１〜図４の１２）の平面から封入体が延在する広がりは、１つの長方形の面、長方形の面に対して垂直な２つの弧状の平面、及び長方形の面の端から端まで延在し、２つの弧状の平面の弧に従う縦方向の曲壁とを有する立体の多角形を画定するであろう。これは、本発明のドームを、表面実装ＬＥＤにおいて、及び表面実装横向きタイプのＬＥＤにおいてより典型的な半球又は他の部分的な球と区別する。

本発明によるドーム形レンズ３１又は平坦なレンズ２７は、ただ１つのステップにおいて形成される必要はないことは理解されよう。メニスカス２７、３１の製造時の偏差はほとんど不可避であるので、結果として、色点、色均一性、強度及びファーフィールドプロファイル（又はこれらの任意の組み合わせ）に初期のばらつきが生じる可能性がある。たとえば、封入体１６の高さ又は位置における１０ミクロン程度の小さな偏差が、有用なダイオードと失敗したダイオードとの間の差を決める可能性がある。したがって、本発明では、所望の特性が生み出されるまで、一連の薄い付加的な封入体層を被着することによって、封入体を加工し直すことができる。

図面及び明細書では、本発明の好ましい一実施形態が記載されており、特定の用語が用いられてきたが、それらの用語は一般的で、説明するだけの意味で用いられており、限定するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲において規定される。

従来の表面実装横向きタイプの発光ダイオードの断面図である。 本発明による表面実装横向きタイプの発光ダイオードの断面図である。 本発明による表面実装横向きタイプの発光ダイオードの断面図である。 本発明による表面実装横向きタイプの発光ダイオードの断面図である。 光導波路と共に本発明によるダイオードを示す斜視図である。

符号の説明

１０、２５、３０、４０、４５ ダイオード
１１ ＬＥＤチップ
１２ 白色樹脂パッケージ
１３、１４ コンタクト
１５ ワイヤ
１６，２６、３４、４１ 封入体
１７ 側壁
２０ 底部
２１、４２ 蛍光体
２２ メニスカス
２７、３１ レンズ
４６ 後方エッジ
４７ 光導波路

Claims (26)

1. パッケージ化された発光ダイオードであって、
   反射性パッケージ内に実装され、該ダイオードに隣接する表面が近似的ランベルト反射面（near-Lambertian reflectors）である発光ダイオードチップと、
   前記パッケージ内にあり、前記近似的ランベルト反射面によって画定される封入体と、
   前記封入体の中にあり、前記チップによって放射される周波数を変換し、且つ該チップによって放射される周波数と共に白色光を生成する蛍光体と、
   前記封入体によって形成され、該パッケージ化されるダイオードの放射面を画定する実質的に平坦なメニスカスと
   を備えることを特徴とする発光ダイオード。
2. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   近似的ランベルトファーフィールドパターンを有する発光ダイオードチップを含む、発光ダイオード。
3. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記封入体は、該封入体の複数の層を含む、発光ダイオード。
4. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記発光ダイオードは、第ＩＩＩ族窒化物材料系から形成される、発光ダイオード。
5. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記蛍光体は、セリウム添加イットリウム−アルミニウム−ガーネットを含む、発光ダイオード。
6. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記反射性パッケージは白色樹脂を含む、発光ダイオード。
7. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記封入体は散乱体を含む、発光ダイオード。
8. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記封入体はポリシロキサン樹脂を含む、発光ダイオード。
9. 光導波路と共に、横向きに表面実装される（side view surface mount orientation）請求項１に記載のパッケージ化されるダイオードを組み込むディスプレイ。
10. パッケージ化された発光ダイオードであって、
    表面実装横向きタイプ（side view surface mount）の反射性パッケージ内に実装され、該ダイオードに隣接する表面が近似的ランベルト反射面である発光ダイオードチップと、
    前記パッケージ内にあり、前記近似的ランベルト反射面によって画定される封入体と、
    前記封入体の中にあり、前記チップによって放射される周波数を変換し、且つ該チップによって放射される周波数と共に白色光を生成する蛍光体と、
    前記封入体によって形成され、該パッケージ化されるダイオードの放射面を画定するドーム形のメニスカスと
    を備える、発光ダイオード。
11. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    近似的ランベルトファーフィールドパターンを有する発光ダイオードを含む、発光ダイオード。
12. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記封入体は、該封入体の複数の層を含む、発光ダイオード。
13. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記発光ダイオードは、第ＩＩＩ族窒化物材料系から形成される、発光ダイオード。
14. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記蛍光体は、セリウム添加イットリウム−アルミニウム−ガーネットを含む、発光ダイオード。
15. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記反射性パッケージは白色樹脂を含む、発光ダイオード。
16. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記封入体は散乱体を含む、発光ダイオード。
17. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記封入体はポリシロキサン樹脂を含む、発光ダイオード。
18. 請求項１０記載の発光ダイオードにおいて、
    前記蛍光体は、前記チップの放射エリアだけを覆うように配置される、発光ダイオード。
19. 照明付きディスプレイであって、
    光導波路と、
    前記光導波路の１つのエッジに沿って位置する、少なくとも１つのパッケージ化された発光ダイオードであって、
    近似的ランベルト反射面を有する反射性パッケージと、
    前記反射性パッケージ内にある発光ダイオードチップと、
    前記パッケージ内にあり、前記チップを覆う封入体と、
    前記封入体の中にあり、前記チップによって放射される周波数を変換し、且つ該チップによって放射される周波数と共に白色光を生成する蛍光体と、
    前記封入体によって形成され、前記光導波路の前記エッジに対して該パッケージ化されるダイオードの放射面を画定するドーム形のメニスカスと
    を備える、少なくとも１つのパッケージ化された発光ダイオードと
    を備える、照明付きディスプレイ。
20. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記パッケージ化されるダイオードは、長方形の外形を有する表面実装横向きタイプのパッケージであり、前記ドーム形の封入体の前記放射面は、前記チップの主な放射方向に、且つ前記光導波路の前記エッジに向かって延在する弧状の外形を形成する、照明付きディスプレイ。
21. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記発光ダイオードチップは、第ＩＩＩ族窒化物材料系から形成される、照明付きディスプレイ。
22. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記反射性パッケージは白色ポリマー樹脂である、照明付きディスプレイ。
23. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記光導波路の少なくとも１つのエッジに沿って、少なくとも２つのパッケージ化される発光ダイオードを含む、照明付きディスプレイ。
24. 請求項２３に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記光導波路は長方形であり、実質的に平坦な寸法を有する、照明付きディスプレイ。
25. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記封入体はポリシロキサン樹脂である、照明付きディスプレイ。
26. 請求項１９に記載の照明付きディスプレイにおいて、
    前記蛍光体は、セリウム添加イットリウム−アルミニウム−ガーネットを含む、照明付きディスプレイ。

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