JP2013149588A - 固体照明デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】固体照明デバイスを提供する。
【解決手段】
主にパッケージケース、固体発光源、多層発光構造で構成する固体照明デバイスである。リフレクターハウジング、パッケージケースの内部に位置する固体発光源、該固体発光源を該パッケージケース内に閉じ込める透明プラスティック材料、及び該透明プラスティック材料に位置し、該固体発光源の光束を吸収したあと更に波長の長い光源を発する多層発光構造を含む。該多層発光構造の中央は蛍光体或いは燐光体とし、二層の透明プラスティック材料の中央に位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体照明デバイスに関し、特に一種の発光ダイオードパッケージ構造に関する。

エジソンが電球を発明した後、人類の生活に大きな影響と変化をもたらした。照明器具の改善はエジソンが電球を発明してから今日まで持続して研究開発されている。現在の発光ダイオードは全ての固体照明の中で、最多の研究開発資源を費やしている原因は、多くのメリットを具有するためである。例えば固体発光源は最適な耐用性があり、衝撃にも強い。それに比べ、従来光源のランプカバーはガラスを使用しているため、運搬及び使用する際に、割れるのを避けるために衝撃を与えないよう防止すべきである。

固体発光源の中で、最も広く使用されているのは発光ダイオードである。

発光ダイオードの光源の波長は一つの範囲内にあるため、光を混色しなければ、単一色しかない。白光の照明を出すために、白光ダイオードと蛍光粉で混色するのは、固体照明の中で最も重要な一環である。現在主流の白色光発光ダイオードは青色光の発光ダイオード及び黄色蛍光粉で混色を行う。ほかの方法としては、青色蛍光粉に緑色光及び赤色光の蛍光粉を加える、或いは紫外光発光ダイオードに三原色の蛍光粉を加えて混色する方法もある。

蛍光粉は製造過程の中で、まず透明プラスティック材料と混合してから発光ダイオードに固定する。該固定方法は発光ダイオードとの共形(ｃｏｎｆｏｒｍａｌ)構造を使用、或いは注射する方法を用いて、プラスティック材料をパッケージのケース内部に抽入する。

以上では幾つかの問題が生じる。まず蛍光粉の混色光は均等性の問題がある。これは蛍光粉がプラスティック材料と混合した後、蛍光粉がプラスティック材料の内部で沈殿し、沈殿した後のプラスティック材料は異なる発光ダイオードのパッケージケースの内部に抽入されると、プロセスの初期の発光ダイオードは比較的多くの蛍光粉が混色されるが、プロセスの最後の部分では、蛍光粉の量が比較的少なくなる。これでは同じロットで製造される発光ダイオードでも、色が黄色からますます青色よりになる。発光ダイオードのパッケージが完成すると、一部の製品のみが規格品となり、商業用として使用される。製造の良品率は蛍光粉がプラスティック材料での沈殿速度によって決定されるが、蛍光粉の沈殿速度は予期することができない。

また、プラスティック材料を発光ダイオードのパッケージケースに注入した後は直接固化を行う。しかし、パッケージケースの材質はポリフタルアミド(ＰＰＡ)であり、プラスティック材料はエポキシ樹脂或いはシリコーンである。どちらも有機材料であるが、二種類の材料の熱膨張率と冷却収縮率が異なるため、材料同士はパッケージ完成後のインターフェイスに一定の隙間ができ、固化が完成した後は、この隙間はますます大きくなる。このようにパッケージしたあとの発光ダイオードは気密性のあるものにするのが難しく、応用する際に多くの制限がある。

更にパッケージを完成した後、例えばアプリケーション端が必要な光の形状を提供するために、更に一つの光学レンズを追加したい場合、発光ダイオードのパッケージ本体に二次光学構造を形成する際に、比較的多くのコストを費やす必要がある。これでは製造コストを増やし、生産の良品率を下げることになることなどを鑑みて、更なる改善が必要であった。

特開２０１１−１５１０４５号公報

前記公知構造の欠点を解決するため、本発明は固体照明デバイスを提供することにある。

上述の目的を解決するために、本発明固体照明のデバイスを提供するものである。それに含まれるのは内部に一つのリフレクターハウジングを具有し、一つの固体発光源は該パッケージケースの内部に位置する。一つの透明プラスティック材料は該固体発光源を該パッケージケース内に閉じ込め、及び一つの多層発光構造を該透明プラスティック材料に位置し、且つ該固体発光源の光束を吸収したあと、更に波長の長い光源を発する。該多層発光構造は蛍光体或いは燐光体とし、且つ第一層透明プラスティック材料と貼着する。
前記の多層発光構造は更に第二層透明プラスティック材料を含み、該発光構造は該第一層透明プラスティック材料と第二層透明プラスティック材料の間に位置してサンドイッチ構造を形成する。上記の固体発光源は発光ダイオードであり、発する波長は青色光或いは紫外光である。前記透明プラスティック材料の屈折率は該固体発光源の屈折率と、該サンドイッチ発光構造の屈折率の間に位置する。前記のサンドイッチ発光構造では、該固体発光部品を気密にパッケージすることができる。

前記サンドイッチ発光体の中央にある蛍光体或いは燐光体は多層とすることができ、該固体発光源の光束を吸収した後、異なる波長の光束を発することができる。前記サンドイッチ発光構造は熱硬化或いは紫外光硬化の方法を用いて該透明プラスティック材料に固定することができる。

前記サンドイッチ発光体の光照射表面は微構造を具有して光束を散乱することができる。前記サンドイッチ発光体の光照射表面はフレネルレンズとすることができ、集光或いは散光の効果を具有する。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）パッケージケース、固体発光源、多層発光構造を含み、
該パッケージケースの内部に一つのリフレクターを具有し、
該固体発光源は該パッケージケースの内部に位置し、及び、
該多層発光構造は該パッケージケースに位置し、且つ該固体発光源の光束を吸収したあと、更に波長の長い光源を発し、
該多層発光構造は蛍光体或いは燐光体を含み、且つ第一層透明プラスティック材料と貼着することを特徴とする固体照明デバイス。
（２）更に透明プラスティック材料を含み、該固体発光源を該パッケージケース内に閉じ込めることを特徴とする（１）記載の固体照明デバイス。
（３）前記多層発光構造は更に第二層透明プラスティック材料を含み、該蛍光体或いは燐光体は該第一層透明プラスティック材料と該第二透明プラスティック材料の間に位置し、サンドイッチの構造を形成することを特徴とする（２）記載の固体照明デバイス。
（４）前記多層発光構造の光照射面に微構造を具有し、光束を散乱できることを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。
（５）前記多層発光構造の光照射表面はフレネル(Ｆｒｅｓｎｅｌ)のレンズとし、集光或いは散光の効果を具有することを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。
（６）前記多層発光構造の中央にある蛍光体或いは燐光体は多層とすることができ、該固体発光源の光束を吸収した後は、異なる波長の光束を発することができることを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。
（７）前記多層発光構造は熱硬化方法を用いて該透明プラスティック材料に固定することを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。
（８）前記多層発光構造は固体発光源を気密にパッケージできることを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。
（９）前記透明プラスティック材料の屈折率は固体発光源の屈折率と、該多層発光構造の屈折率の間に位置することを特徴とする（２）記載の固体照明デバイス。
（１０）前記固体発光源は発光ダイオードとすることを特徴とする（１）或いは（３）記載の固体照明デバイス。

本発明はリフレクターハウジング、パッケージケースの内部に位置する固体発光源、該固体発光源を該パッケージケース内に閉じ込める透明プラスティック材料、及び該透明プラスティック材料に位置し、該固体発光源の光束を吸収したあと更に波長の長い光源を発する多層発光構造を含む。該多層発光構造の中央は蛍光体或いは燐光体とし、二層の透明プラスティック材料の中央に位置するサンドイッチの形状に構成することにより、該固体発光部品を気密にパッケージすることができる。

本発明の発光ダイオードパッケージ断面構造略図である。 本発明の発光ダイオード気密タイプパッケージ断面構造略図である。 本発明の第２実施例の発光ダイオード気密タイプパッケージ断面構造略図である。 本発明の蛍光粉シートの表面微構造の略図である。 フレネルレンズの構造略図である。 フレネルレンズの原理略図である。 本発明のパッケージプロセス各ステップのフローチャートである。

本発明による固体照明デバイスの構造を明確に示すために図に沿って詳細な説明を行う。明らかに本発明の実施は固体照明デバイスの技術者が熟知する特殊なものに限定されていない。また、周知の組成或いはステップもまた詳細に描写しないことで、本発明に不必要な制限を与えるのを避ける。本発明の最良実施例を下記のように説明するが、これらの説明のほかに本発明は広くその他の実施例に応用でき、これにより本発明の保護範囲が限定されず、ほかの発明はそれぞれが定める範囲を基準とする。

図１に示すのは、本発明の発光ダイオードパッケージ構造の断面略図である。該発光ダイオードパッケージ本体１に一つのパッケージケース１４を含み、その中に一つの発光ダイオードチップ１２を具有する。図１にあるパッケージ本体の構造について、一種類のタイプはプラスティックリードフレームチップキャリヤー(Ｐｌａｓｔｉｃ Ｌｅａｄｆｒａｍｅ Ｃｈｉｐ Ｃａｒｒｉｅｒ; ＰＬＣＣ)であるが、本発明はほかに例えばプリント回路基板パッケージ本体、セラミックパッケージ本体、或いはシリコーンパッケージ本体などのパッケージ本体の構造に応用することもできる。図１に示すように、パッケージ本体はリフレクターを具有するが、本発明はリフレクターを持たないパッケージ本体に応用することができる。パッケージケース１４の材料は、プラスティックリードフレームチップキャリヤーに応用する場合は、主にポリフタルアミド(ＰＰＡ)を使用し、セラミックパッケージ本体の場合は、アルミナ或いは窒化アルミニウムセラミックスを使用し、シリコーンパッケージ本体の場合は、単結晶シリコーンを使用することができる。

本発明にて使用する固体発光源は発光ダイオードである。本実施例では、発光ダイオードチップ１２の材料は、本発明では主に窒化ガリウムをメインとするIII-V族化合物半導体であるが、II-VI 族化合物半導体を使うこともできる。本発明では、発光ダイオードは主に青色光或いは紫外光の窒化ガリウム発光ダイオードを励起することができ、発光波長は３７０−４８０ｎｍの間になる。発光ダイオードの波長は活性層のエネルギー準位によって決まる。

パッケージケース１４のリフレクター内部は透明のプラスティック材料１６を具有し、該材料は主にエポキシ樹脂(ｅｐｏｘｙ)或いはシリコーン(ｓｉｌｉｃｏｎｅ)、或いは両者のハイブリッド(ｈｙｂｒｉｄ)である。エポキシ樹脂の硬度は最良であるが、材料にベンゼン環があるため、黄変しやすく、発光ダイオードの光度を下げてしまう。シリコーンの硬度は比較的悪いが、材料は黄変の問題が発生しにくい。現在商業用では上記二種類の混合物があり、同時にベストな硬度を具有し、且つ比較的黄変しにくい。また、透明プラスティック材料１６が考慮すべきなのは屈折率であり、ベストなのは発光ダイオードチップ１２と多層発光構造２０の間である。この実施例では透明プラスティック材料１６を使用しないことも可能である。その原因として、本発明では最後にパッケージケース全体をプラスティック材料と蛍光粉によって密封されるためである。

図１の実施例では、パッケージケース１４と透明プラスティック材料１６の上に、サンドイッチの構造である一つの多層発光構造２０を具有し、主に二層の透明のプラスティック材料２２、２６の間に蛍光粉層２４を挟むものである。蛍光粉層２４は本発明では燐光体(ｐｈｏｓｐｈｏｒ)或いは蛍光体(ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ )とすることができ、主にイットリウム・アルミニウム・ガーネット(ＹＡＧ)、タンタル・アルミニウム・ガーネット（TAG）、シリケート(Ｓｉｌｉｃａｔｅ)、有機ガーネット(ｏｒｇａｎｉｃ ｇａｒｎｅｔ)、硫化物、セレン化合物、窒化物とすることができる。異なる蛍光粉を選ぶのは、アプリケーション端が決定する。例えば発光ダイオードの発する波長が青色光である場合、蛍光粉は通常黄色光を励起する蛍光粉を選ぶ。例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(ＹＡＧ)蛍光粉、タンタル・アルミニウム・ガーネット（TAG）蛍光粉、シリケート(Ｓｉｌｉｃａｔｅ)蛍光粉、或いは有機ガーネット(ｏｒｇａｎｉｃ ｇａｒｎｅｔ)蛍光粉、或いは緑色光及び赤色光の蛍光粉、例えば緑色光を発するシリケート(Ｓｉｌｉｃａｔｅ)蛍光粉、赤色光を発する硫化物、或いは窒化物蛍光粉である。

蛍光粉層２４は二層の透明プラスティック材料２２、２６の間にあるため、蛍光粉層２４の厚みは比較的簡単にコントロールをすることができる。例えばある実施例で青色光を励起できる発光ダイオードと黄色光の蛍光粉を使うと、比較的厚い蛍光粉層２４は多くの黄色光が生じる。発光ダイオードをパッケージした後は、比較的暖色系、色温度が比較的低い白色光が生まれる。一方、仮に蛍光粉層２４の厚みが薄いと、比較的少ない黄色光が生まれ、最後には光が混色して冷色系、色温度が比較的高い白色光になる。従来技術はまず蛍光粉と透明プラスティック材料を混合してから、プラスティック材料と共にパッケージケース１４に抽入する。この方法では、製造過程において、蛍光粉の顆粒は次第に沈殿し、各発光ダイオードが製造過程にて抽入される蛍光粉の量が異なるため、作り出された発光ダイオードの白色光がＣＩＥ色度図に分布する。ある応用では、特にディスプレイのバックライトの要求について、ＣＩＥ色度図において、異なる発光ダイオードの光の色の分布が広すぎると、ディスプレイの画面色が悪くなる。また、製造が完成した白色光発光ダイオードは、異なるＣＩＥの色に対して分類を行ってから、クライアントの規格のニーズに基づき商業売買を行う。しかし、マーケットが不要な規格では、既に製造済みの白色光の発光ダイオードは作り直すのはできないため、ストック品とするほか、ほぼ安い値段で売られる。製造過程での蛍光粉の沈殿はコントロールし難いため、従来技術を用いて製造する白色発光ダイオードは、必然的に相当な比例のストックが生まれる。

本発明では蛍光粉の沈殿問題は発生しないため、製造する白色光の発光ダイオードは、ＣＩＥ色度図ではかなり集中している。特にクライアントが指定するＣＩＥの色座標に基づき、適切な蛍光粉の厚みを調整することができ、クライアントのニーズを満足させることができる。

該多層発光構造２０の上下二層にある透明プラスティック材料２２、２６の材料はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、アクリル(ａｃｒｙｌ)、ポリカーボネート(ＰＣ)、ポリエチレン(ＰＥ)或いはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）とすることができる。下層の透明プラスティック材料２６の底部に熱硬化樹脂(ｔｈｅｒｍａｌ ｃｕｒｉｎｇ)或いは紫外光硬化プラスティック材料(ＵＶ ｃｕｒｉｎｇ)を塗布することで、該多層発光構造２０が簡単にパッケージケース１４及び透明プラスティック材料１６に貼着することができる。

第二実施例では、一層のプラスティック材料２６及び一層の蛍光粉層２４、或いは一層のプラスティック材料２２及び一層の蛍光粉層２４だけにすることができ、一層のプラスティック材料だけを蛍光粉のキャリアーとすることができる。また、中の一つのプラスティック材料２２或いは２６の中に、拡散剤(ｄｉｆｆｕｓｅｒ)を混入する。

図２に示すのは、気密性パッケージの構造略図である。該多層発光構造２０を貼着した後、パッケージケース１４の表面周囲に気密性パッケージの固定物体１８を形成し、発光ダイオード２を室外でも応用できるようにする。固定物体１８の材料はポリフタルアミド(ＰＰＡ)或いはセラミック材料を用いることができ、主に高圧でパッケージケース１４と密封する。他に熱硬化の方法を用いることができる。

図３に示すように、パッケージケース１４の壁に溝１９を形成し、該溝１９内にプラスティック材料を充填することで、該多層発光構造２０はパッケージ本体１全体に貼着することができる。この実施例では、該多層発光構造２０の薄さが足りる場合、溝１９に沿って貼着を行うことができ、よりパッケージ本体の気密性を上げることができる。溝１９に使用するプラスティック材料は、プラスティック材料１６と同じものを用いても、異なるものを用いても良い。例えば両者ともにエポキシ樹脂を使うことができ、シリコーンを使うこともできる。このプラスティック材料は、光学に対して何ら影響を与えないため、不透明のプラスティック材料を使うこともできる。

図４に示すように、該多層発光構造２０の表面、つまり上層透明プラスティック材料２２の表面、或いは光照射面は、幾つかの微構造２８を形成することができる。最近の研究では、発光ダイオードの光照射面に粗い微構造、つまり表面の粗面化などをデザインすると、発光ダイオードの光照射の効果を上げることができる。また、微構造２８と蛍光粉層２４の距離が比較的近いため、最良の光の混色効果を提供することもできる。

上層の透明プラスティック材料２２の表面に微構造を形成するほか、光学構造をデザインすることもできる、或いは二次光学構造と呼ぶ。図５に示すように、集光の効果を得たい場合、上層の透明プラスティック材料２２にフレネル(Ｆｒｅｓｎｅｌ)レンズ３０を形成することができる。原理は図６に示すように、一つのレンズ３２を数等分にカットしてから、異なる部分のレンズの曲面を底部に移動するだけで、大幅にレンズの厚みを薄くすることができる。図５及び図６はいずれも凸レンズであり、つまり焦点効果を持つレンズで説明をする。しかし、本技術を熟知する者であれば分かるように、如何なる光学レンズでもこの方法で厚みを薄くすることができる。

本発明の発光ダイオードのパッケージ構造のプロセスは図７の通りである。まずステップＳ７−１の固体結晶とステップＳ７−２のワイヤボンディングのステップを行う。フリップチップパッケージの技術を使うのなら、固体結晶のステップのみでよい。続いてステップＳ７−３ではプラスティック材料を注入する。このステップでは透明プラスティック材料を注入するため、蛍光粉の沈殿問題はない。また、このステップは選択できるものであり、プラスティック材料の注入を行わなくても良い。ステップＳ７−４の蛍光粉シートを貼着、蛍光粉シートをパッケージケースと透明プラスティック材料に固定する。このステップは熱硬化或いは紫外光硬化の方法を用いて蛍光粉シートを固定する。ステップＳ７−５は選択できるステップであり、室外の発光ダイオードのパッケージ本体に応用する際には、気密性パッケージを行う必要がある。

本発明の実施例はいずれも発光ダイオードのパッケージ構造について説明をし、固体照明デバイスにも応用することができる。例えばマザーボードにチップを設置するシステム(Ｃｈｉｐ−ｏｎ−Ｂｏａｒｄ)では、図１の１２を多くの発光ダイオードのチップと見なすことができ、１は固体照明デバイスと見なすことができる。１４は回路基板にプリント基板(ＰＣＢ)或いはセラミック基板及び金属ケースなど、剛性のケースを加えることもできる。そうすることで発光ダイオードのパッケージプロセスを省くことができる。このデザインは発光ダイオードチップの製造を完成後、先にテストと分類(ｓｏｒｔｉｎｇ)を行い、発光の波長範囲、操作電位の分布や光度など、適切な発光ダイオードチップを選んでからボンディング(ｂｏｎｄｉｎｇ)とシステムの組立を行う。固体照明デバイスは液晶ディスプレイのバックライト、或いは室内や屋外の照明とすることができる。

本発明のメリットは、まず蛍光粉がプラスティック材料での沈殿問題を解決し、製造した白色光の発光ダイオードがＣＩＥの色座標で大きな範囲で分布するのを避けることができる。本発明の蛍光粉シートの蛍光粉の濃度は簡単にコントロールできるため、蛍光粉が沈殿する問題はない。よって、ＣＩＥの色座標が大変集中する白色光の発光ダイオードを提供することができる。また、このプロセスの安定性も比較的良いものである。更に本発明は最良の気密性パッケージ及び二次光学構造を簡単に提供することができ、同時に他の部品或いは材料を必要としないため、プロセスも相対的に簡単となる。

上記の実施例は、本発明の実施形態を例示すること、及び本発明の技術特徴を理解することに用いるものであり、本発明の保護範疇を制限することに用いるのではない。

１ 発光ダイオードパッケージ構造
２ 発光ダイオードパッケージ構造
１２ 発光ダイオードチップ
１４ パッケージケース
１６ 透明プラスティック材料
１８ 固定物体
１９ 溝
２０ 多層発光構造
２２ 上層透明プラスティック材料
２４ 蛍光粉層
２６ 下層透明プラスティック材料
３０ フレネルレンズ
３２ 一般レンズ
Ｓ７−１ ステップ
Ｓ７−２ ステップ
Ｓ７−３ ステップ
Ｓ７−４ ステップ
Ｓ７−５ ステップ
Ｓ７−６ ステップ

Claims (10)

1. パッケージケース、固体発光源、多層発光構造を含み、
   該パッケージケースの内部に一つのリフレクターを具有し、
   該固体発光源は該パッケージケースの内部に位置し、及び、
   該多層発光構造は該パッケージケースに位置し、且つ該固体発光源の光束を吸収したあと、更に波長の長い光源を発し、
   該多層発光構造は蛍光体或いは燐光体を含み、且つ第一層透明プラスティック材料と貼着することを特徴とする固体照明デバイス。
2. 更に透明プラスティック材料を含み、該固体発光源を該パッケージケース内に閉じ込めることを特徴とする請求項１記載の固体照明デバイス。
3. 前記多層発光構造は更に第二層透明プラスティック材料を含み、該蛍光体或いは燐光体は該第一層透明プラスティック材料と該第二透明プラスティック材料の間に位置し、サンドイッチの構造を形成することを特徴とする請求項２記載の固体照明デバイス。
4. 前記多層発光構造の光照射面に微構造を具有し、光束を散乱できることを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。
5. 前記多層発光構造の光照射表面はフレネル(Ｆｒｅｓｎｅｌ)のレンズとし、集光或いは散光の効果を具有することを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。
6. 前記多層発光構造の中央にある蛍光体或いは燐光体は多層とすることができ、該固体発光源の光束を吸収した後は、異なる波長の光束を発することができることを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。
7. 前記多層発光構造は熱硬化方法を用いて該透明プラスティック材料に固定することを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。
8. 前記多層発光構造は固体発光源を気密にパッケージできることを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。
9. 前記透明プラスティック材料の屈折率は固体発光源の屈折率と、該多層発光構造の屈折率の間に位置することを特徴とする請求項２記載の固体照明デバイス。
10. 前記固体発光源は発光ダイオードとすることを特徴とする請求項１或いは請求項３記載の固体照明デバイス。

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