JP3850665B2 - 半導体発光エミッタパッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、例えば、発光ダイオードパッケージのような、半導体発光エミッタパッケージに関する。
【０００２】
【背景技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスのような半導体光エミッタ構成要素は、多岐に亙る消費者及び工業的オプトエレクトロニクスの用途にて一般的となっている。有機系発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、発光ポリマー（ＬＥＰ）等を含む、その他の型式の半導体光エミッタ構成要素は、これらの用途における従来の無機質ＬＥＤの代替物として適した別個の構成要素内でパッケージすることができる。
【０００３】
全ての色の可視ＬＥＤ構成要素は、コンピュータモニター、コーヒメーカ、ステレオ受信機、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲ等のような製品における状況インジケータとして単独で又は小さい群にて使用されている。かかるインジケータは、また、航空機、列車、船、自動車、トラック、ミニバス及びスポーツ車等における計器盤のような多岐に亙る装置にても見られる。何百又は何千という可視ＬＥＤ構成要素を保持する呼出し可能なアレーは、多くの空港及び株式取引所にて及び多くのスポーツ施設並びに幾つかの都市広告板にて使用されている、高輝度、大面積の屋外のＴＶスクリーンのようなメッセージが流れるディスプレイにて見られる。
【０００４】
自動車の中央高方取り付け型ストップランプ（ＣＨＭＳＬ）、制動灯、外部の方向変更信号及び危険フラッシャ、外部の信号ミラー及び道路工事の危険マーカーのような視覚的表示発生装置にて１００個の構成要素の列にて黄色、赤及び赤−橙の放出可視ＬＥＤが使用されている。都会及び郊外の交差点にて停止／徐行／進行ライトのような３００個の構成要素から成る遥かにより大型のアレーにて黄色、赤及び青−緑の放出可視ＬＥＤは益々、使用されている。
【０００５】
二元−補助的及び三元ＲＧＢ照明装置にて照明するための投射した白光源として、複数の可視有色ＬＥＤから成る多色の組み合わせが使用されつつある。かかる照明装置は、例えば、自動車又は航空機のマップライト、又は自動車又は航空機の読書又は個人用ライト、貨物ライト、ライセンスプレートの照明装置、バックアップライト、及び外部のミラーパドルライトとして有用である。その他の関連する用途は、堅固、コンパクト、軽量、高効率、長寿命、白色の低電圧源が使用される持運び可能なフラッシュライト、及びその他の照明装置の用途を含む。また、照明装置としてこれらの場合の幾つかにおいて、蛍光団増進「白色」ＬＥＤを使用することもできる。
【０００６】
ＶＣＲ、ＴＶ、ＣＤ及びその他のオーディオ−ビジュアルリモート制御装置のような、遠隔制御及び通信用に赤外線（ＩＲ）放出ＬＥＤが使用されつつある。同様に、ディスクトップ、ラップトップ及び手掌型コンピュータ、ＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）のような、ＩＲＤＡ装置と、プリンタ、ネットワークアダプタ、ポインティング装置（「マウス」、トラックボール等）、キーボード及びその他のコンピュータのようなコンピュータ周辺装置との間の通信のために高強度のＩＲ放出ＬＥＤが使用されつつある。ＩＲＬＥＤエミッタ及びＩＲレシーバは、また、ポインティング装置、及び光学的エンコーダのようなオプトエレクトロニクス装置、及びバーコードスキャナのような装置における読取りヘッド内で工業的制御装置内での近接又は存在、位置又は方向に対するセンサとしても機能する。読取り及び高密度の光学的記憶ディスクへの書き込みのような、データの保存及び検索の用途のため、青、紫及びＵＶ放出のＬＥＤ及びＬＥＤレーザが広範囲に使用されつつある。
【０００７】
一般的な標準型のＬＥＤの形態は、比較的少ないから、また、世界のエレクトロニクスの組立て業界にて略汎用的に使用されている自動化した加工装置によってこれらの形態は、容易に加工されるから、上述したような用途にて数十億というＬＥＤ構成要素が使用されている。主流である装置及び方法を介して行なわれる自動化した加工は、投資コストの削減、不良率の低下、労働コストの削減、生産量の向上、高精度、高反復性を実現し且つ自由度の大きい製造方法に寄与する。これらの特性がなければ、ＬＥＤの使用は、コスト的に実現不能となり又はその他、殆どの高容量の用途に対する品質の観点からして魅力的でなくなる。
【０００８】
現代のエレクトロニクス組立て方法における、最も重要なステップの２つは、高速度の自動化した挿入及び大量の自動化したはんだ付けである。個別的な半導体発光エミッタ（ＬＥＤを含む）の大規模な商業的具体化にとって、自動的な挿入又は配置機械、及び１つ以上の共通の大量はんだ付け方法との適合性が極めて重要である。
【０００９】
このように、使用されるＬＥＤの大多数は、個別的に包装したＴＨＤ（スルーホール装置）又はＳＭＤ（直付け型装置）構成要素の形態をとる。これらの形態は、主として、「Ｔ−１」及び「Ｔ−１・３／４」として既知のラジアルリードＴＨＤの形態又は矩形の形状を有する同様の装置を含む。これらは、全て、便宜に輸送し、取り扱い及びラジアルインサータにおけるプリント回路板への高速度の自動化した挿入のため、テープ及びリール、又はテープ及びアモ（ａｍｍｏ）包装に容易に適応可能である。その他の一般的な個別のＴＨＤＬＥＤパッケージは、便宜な輸送、取り扱い及びアキシャルインサータにおけるプリント回路板への高速度の自動化した挿入のためテープ及びリールにて容易に適応させた「ポリＬＥＤ」のようなアキシャル構成要素を含む。「トップＬＥＤ（ＴＯＰＬＥＤ）」及びピキサ（Ｐｉｘａｒ）のような一般的なＳＭＤＬＥＤ構成要素は、同様に人気化しており、それは、これらの構成要素は、便宜な輸送、取り扱い、及びチップシュータを有するプリント回路板への高速度の自動化した配置のためブリスターパックリール内に容易に適応されるからである。
【００１０】
はんだ付けは、ＴＨＤ又はＳＭＤを問わずに、標準化した別個のエレクトロニクス装置を使用する殆んどの従来の回路アセンブリの製造にとって中心的なものである。ＬＥＤのような、個別的なエレクトロニクス構成要素の導線又は接点をプリント回路板（ＰＣＢ）にはんだ付けすることにより、構成要素は、ＰＣＢにおける導電性トレースに電気的に接続され、また、個別的なエレクトロニクス装置への電気の供給、この装置の制御、この装置との電子的な相互作用を制御するために使用されるその他の近接又は遠隔エレクトロニクス装置に接続される。はんだ付けは、波状はんだ付け、ＩＲリフローはんだ付け、対流型ＩＲリフローはんだ付け、ベーパ相リフローはんだ付け又は手操作はんだ付けにより一般的に行なわれる。これらアプローチ法の各々は、互いに相違するが、これらのアプローチ法は、全て、実質的に同一の効果を生じる、すなわち、金属又は金属間の接着によって個別的なエレクトロニクス装置をプリント回路板へ経済的に電気的に接続することを可能にする。波状及びリフローはんだ付け方法は、極めて多数の個別的な装置をはんだ付けする能力があることが既知であり、優れたはんだ接着の質及び均一さと共に、極めて高生産能力及び低コストを実現する。
【００１１】
大量生産のための波状はんだ付け及びリフローはんだ付けに対する広く利用可能な経済的な代替法は、現在、存在しない。手操作のはんだ付けは、不均一さ及び高コストという欠点がある。機械的な接続方法は高コスト、面倒であり且つ多くの回路にて多数の電気的接続部に対し全体として不適当である。銀を含むエポキシのような導電性接着剤は、幾つかの回路アセンブリにて電気的接続を実現するために使用することができるが、これらの材料は、はんだ付けよりも施工がよりコスト高で且つ非経済的である。レーザによるスポットはんだ付け及びその他の選択的はんだ付け技術は、特定の形態及び用途用に極めて専門化しており、自動化したエレクトロニクス回路の組立て工程にて好まれる自由性に富む製造方法を損なう可能性がある。このように、波状はんだ付け又はリフローはんだ付け方法との適合性は、効果的な半導体発光エミッタの構成要素とするための事実上の必要性である。それは、これらのはんだ付け方法は、構成要素を劣化させ又は破壊するのに十分な応力を電子構成要素内に導入するから、この必要性の影響は極めて広範囲に亙る。このように、効果的な半導体発光エミッタ構成要素は、はんだ付け中、装置の封入部分及び封入したワイヤー接着部、ダイの取り付け部及びチップを熱への一時的な露呈から保護し得るような形態の構造にしなければならない。
【００１２】
従来のはんだ付けは、装置の導線の端部（任意の分離点又は導線がＰＣＢ上の所定のパッドに接触する箇所の下方）を相当な時間、はんだの融点まで加熱することを必要とする。このプロファイルは、装置の導線における温度が１５秒間もの長い間、２３０乃至３００℃にて変化する可能性を伴う。装置の導線は、銅又は鋼のようなめっきした金属又は合金にて通常、製造されていることを考えると、この高い一時的温度は、導線自体に何ら問題を生じない。その代わり、これらの導線がその長さに沿って装置の封入した本体内に熱を伝達するこれらの導線の能力が問題となる。これらの加熱した導線は装置の本体の内部と接触しているから、これらの導線は、はんだ付け工程中、装置の局部的な内部温度を一時的に上昇させる。このことは、多少傷付き易い封入部分、封入した線の接着部分、ダイ取り付け部及びチップを害する可能性がある。この現象は、今日の低コストのオプトエレクトロニクス半導体装置の基本的な難点の１つである。
【００１３】
はんだ付け工程中、エレクトロニクス構成要素の本体がその封入材料のガラス遷移程度以上に過度に上昇するのを防止することは極めて重要であり、それは、ポリマー封入材料の熱膨張率は、典型的に２倍以上、そのガラス遷移温度以上に劇的に上昇するからである。ポリマーは、そのガラス遷移点以上にて益々、軟化し、膨張し且つ塑性変形する。封入部分におけるポリマー相遷移及び熱膨張によるこの変形は、個別的な半導体装置を損傷させるのに十分に厳しい機械的応力及び累積的疲労を生じさせる可能性があり、その結果、装置の性能は不良となり、早く付着されて、過早の電界の損傷を生じる可能性がある。かかる損傷は、典型的に、１）電線の接合部の疲労又は破損（チップの接続パッド又は導線−フレームにて）、２）ダイ取り付け接着剤の部分的な層剥離又は分解、３）チップ自体のミクロ破断、及び４）特に、導線が封入部分に入る点付近における装置の封入部分の劣化、及び環境的な水蒸気、酸素又はその他の損傷を支える媒体を密封して除去する能力の低下に起因する。
【００１４】
かかる熱的易損性に関して、非光学的エレクトロニクス装置に適した封入材料と光学装置に適した材料との間の重要な差を認識しなければならない。非光学的装置に対して使用される封入部分は、不透明とすることができる一方、オプトエレクトロニクスエミッタ及びレシーバを製造するのに使用されるものは、装置の作動波長帯域にて実質的に透明でなければならない。この相違による副次的効果は僅かであり且つ広範囲に及ぶ。
【００１５】
非光学装置が透明であることは何ら必要でないため、非光学的半導体装置に対する封入材料は、多岐に亙る不透明ポリマーバインダ、架橋結合剤、フィラー、安定化剤等を含む広範囲の組成物を含むことができる。顕著に充填したエポキシのようなこの型式の組成物は、高ガラス遷移温度（Ｔ_g）、低熱膨張率（Ｃ_te）、及び／又は高熱伝導率を有し、このため、これらの組成物は１７５℃までの一時的な露呈に適している。不透明セラミックは、心配すべき顕著な相変化を伴わずに、極めて低い熱膨張率Ｃ_te及び高熱伝導率にて、数１００℃まで熱的に安定可能である。こうした理由のため、非光学的装置の従来の不透明の封入材料を１３０℃以上に加熱した導線に１０秒間、曝した場合でも（２３０乃至３００℃のはんだ付け波にて）通常、何ら問題とならない。
【００１６】
しかし、オプトエレクトロニクスエミッタ及びレシーバの封入部分が光学的に透明であることが必要とされることは、非光学的半導体に適した最も高性能のポリマーフィラーブレンド、セラミックス及び組成物を使用することを不要にする。無機質フィラー、架橋結合剤又はその他の不透明添加剤が存在しないならば、殆どのオプトエレクトロニクス装置を封入するために使用される透明ポリマー材料は、低Ｔ_g値、より大きいＣ_te及び低熱伝導率を有する多岐に亙るエポキシである。従って、これらは、約１３０℃以上の限界遷移温度に曝すのに適していない。
【００１７】
はんだ付け加工法による顕著な損傷効果の可能性を補償するため、従来技術のオプトエレクトロニクス装置は、多岐に亙る改良及び妥協を行なってきた。最も注目すべき改良点は、従来から利用可能な温度よりも１０乃至２０℃高い温度（従来の１１０℃に対して現在の１３０℃）に耐えることのできる封入部分に対して透明なエポキシを導入するという比較的最近のものである。このことは、有用ではあるが、上述した問題点の一部分のみを緩和したに過ぎず、使用されている最新の材料でも依然として、従来の非光学的半導体封入材料と類似して５０℃以上、降下する。
【００１８】
はんだ付け作業に関係する遷移温度の上昇という問題点を解決すべく使用される最も一般的な妥協策は、単に装置の製造時に使用される電気導線の熱抵抗性を増すことである。これらのはんだ付け可能な導線の熱抵抗を増すことにより、はんだ付け作業中に装置本体内で経験される熱遷移は最小となる。かかる熱抵抗の増加は、典型的に、導線の電気的性能に感知し得る程の影響を与えずに、次のような仕方にて実現できる。すなわち、１）低熱伝導率の導線材料（鋼のような）を使用すること、２）導線の分離長さ（はんだ接点と装置本体との間の距離）を増すこと、又は３）導線の断面積を小さくすることである。
【００１９】
これら３つの技術を使用するならば、はんだ付け工程からの望ましい保護を提供し得るように、電気導線の熱抵抗を増大させた従来技術の装置を具体化することができる。
【００２０】
はんだ付けに関係した熱的遷移から従来技術の装置を保護するのに効果的ではあるが、特に、高パワーの半導体オプトエレクトロニクスエミッタの適用例において、このアプローチ法には難点がある。導線の熱抵抗が増す結果、従来技術の装置の内部の作動温度が上昇し、これら装置の作動性能及び信頼性を顕著に損なうことになる。殆どの従来技術のＬＥＤ装置のはんだ付けした電気導線は、装置に電力を伝導し、作動中に、装置内で発生された熱の主要な熱飛散路として機能する。このように、従来技術の装置の電気導線は、通常の作動中、熱の吸引を促進すべく熱抵抗を可能な限り小さく保つような形態としなければならない。従来技術の装置からの放射及び自然の対流は、内部の熱を周囲に伝導するとき僅かな役割しか果たさず、その封入媒質を介しての熱伝導は、使用される光学的材料の低熱伝導率によって顕著に妨害される。このため、導電性で且つ熱伝導性の金属導線は、伝導メカニズムによって熱の大部分を雰囲気に吸引しなければならない。このため、はんだ付け工程の遷移温度の効果から装置を保護するのに必要な、これら装置のはんだ付け可能なピンの熱抵抗性が大きいことは、作動中、封入した装置の本体内の内部温度をより高温度に上昇させることになる。
【００２１】
安定状態下にて半導体エミッタと接触している装置本体の一部分の最大の温度上昇は、エミッタのパワーの飛散及びエミッタと周囲環境との間の熱抵抗の積に略等しい。
【００２２】
上述したように、装置の内部温度が封入部分のＴ_g値よりも実質的に上昇するならば、顕著な結果が生ずる。この温度以上の場合、封入部分のＣ_teは、典型的に極めて迅速に増大し、ＬＥＤ線接合部及び取り付け部にて、大きい熱機械的応力及び累積的な疲労を生ずる。自動車、航空機等のような殆どの移動体の適用例の場合、周囲温度は一般に、８０℃に達する。このため、封入部分の最大作動温度は１３０℃の範囲にあるとき、これら用途用のオプトエレクトロニクスエミッタは、その作動温度ΔＴを約５０℃の絶対最高温度に制限しなければならない。このことは一方、所定の成分内で飛散可能であるパワーを制限し、また、構成要素に通すことのできる電流を制限する。半導体発光エミッタの放出された光束は、典型的に、これらエミッタを通る電流に比例するため、最大の電流に対する制限はまた、発生される光束をも制限することになる。
【００２３】
ＬＥＤのその他の基本的な性質は、作動に有用な温度ΔＴを更に制限することになる。ＩＲ、可視光及び紫外線エミッタを含む半導体ＬＥＤは、エレクトロルミネッセンスの物理的機構を介して光を発生する。その発光は、構成される材料の帯域空隙の特徴であり、その量子効率は、その内部温度と逆に変化する。ＬＥＤチップ温度が上昇すると、その放出効率がそれに相応して低下する結果となる。この効果は、可視光、紫外線及びＩＲ放出光に対する一般的なあらゆる型式のＬＥＤにとって極めて顕著である。一般に、一定の電力にて作動するものと想定すると、チップ温度が１℃（ΔＴ）だけ上昇するならば、有効光線は１％減少し且つ放出光の最高波長が０．１ｎｍ、変化する。このため、ΔＴが４０℃の場合、典型的に、放出された光束は、４０％減少し且つ最大波長が４ｎｍ変化する。上述した効果を考慮して、パッケージの熱的設計の関数としてのＬＥＤの性能は、等式１により略表すことができる。
【００２４】
Φ_Ta＝Ｉ×ｅβ・^R・(^(a・^I)(a・^I)+b・^I) （等式１）
ここで、Φ_Ta＝正規化したＬＥＤ光束
β＝温度に対するＬＥＤ中で放出された光束の変化率
（典型的に、−０．０１１）
Ｉ＝平衡状態の装置の平均電流
Ｒ＝パッケージの熱抵抗
ａ＝エミッタの等価直列抵抗に関係した定数
（２．０乃至７．０の範囲、典型的に、５．５）
ｂ＝エミッタの最小順電圧に関係した定数
（典型的に、１．２乃至５．０の範囲）
色々な電力レベル及びパッケージの設計に対する等式１が図１に図示されている。
【００２５】
上記の説明から、熱的損傷を防止し且つ最適なＬＥＤ放出性能を実現するためには、作動中に、ＬＥＤ装置のチップ及びパッケージが経験するΔＴを最小にすることが極めて重要であることが理解できる。このことは、電力を制限し又は熱抵抗を減少させるだけで実現可能である。
【００２６】
勿論、ＬＥＤの電力を制限することは、より高パワーのＬＥＤの目的、すなわち、より有用な光線を発生させることと相反する。ＬＥＤにより、より高光束を発生させるためには、全体として、より高電流（従って、より高電力）を必要とする。しかし、殆どの従来技術の装置は、その半導体発光エミッタから周囲への熱抵抗が比較的大きく、このため、内部の損傷を防止するためには、電力の飛散を制限することを余儀なくされる。このため、２５℃の周囲温度にて、最良の５ｍｍＴ−１・３／４ＴＨＤパッケージは、約１１０ｍＷの連続的な電力の飛散を行うように制限される。
【００２７】
従来技術のその他の装置は、これら制約を回避するが、標準的な自動化したエレクトロニクスアセンブリの作動の必要性を無視し且つこれら方法と適合不能な形態を採用することによってのみ高性能を実現している。更に、その他の従来技術の装置は、それ自体の構造に異常に高価な材料、副次的な構成要素又は方法を採用することで高性能を実現している。
【００２８】
例えば、これら難点を解決するために使用されている１つの従来技術のアプローチ法は、密閉的半導体パッケージ、ハイブリッドのチップオンボード技術、セラミック、コーバ（ＫＯＶＡＲ）及びガラスのような特異な材料を使用し、又はポリマーの封入に代えて又はポリマーの封入に加えて、複雑なアセンブリを使用するものである。かかる装置は、特定の高コストの宇宙空間及び電気通信の用途（構成要素のコストが重要な関心事ではない）に関係する一方、高価な材料及び特殊な組立て方法を必要とする。その結果、高コスト及び製造能力が制限される（その双方は、かかる構成要素を大量生産の市場の用途に使用することを確実に妨げることになる）。ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）らによる米国特許第４，２６７，５５９号に開示された装置は、このことの良い例である。
【００２９】
ジョンソンらは、ＬＥＤチップを取り付け且つ内部で発生された熱を外部の熱飛散手段に伝導するＴＯ−１８ヘッダ構成要素及び熱結合手段の双方を含む装置を開示している。このヘッダは、コーバ部材、絶縁体スリーブ及び電気ポストを含む幾つかの構成要素から成っており、ポストがヘッダを通るとき、これらポストが電気的に絶縁されることを保証すべく特殊な工程にて製造される。熱結合手段は、ヘッダと別個の構成要素であり、銅、銅合金、アルミニウム又はその他の高熱伝導率の材料から成っている。米国特許第４，２６７，５５９号の教示によれば、コーバヘッダのサブアセンブリ及び銅の熱結合手段は、電気的導通性を確保すべくはんだ又は導電性接着剤にて共に接合して、熱結合手段内へ、その後、ＬＥＤチップ内への電流の流れを許容しなければならない。更に、米国特許第４，２６７，５５９号のヘッダ及び熱結合手段は、完全に異質の材料で出来ており、これは、上述したアセンブリにおけるその特徴的な役目のため、そうしなければならない。ヘッダは、該ヘッダを貫通して伸びる絶縁体スリーブと同様の熱膨張率を有するようにコーバにて製造しなければならない。電気ピンをヘッダ自体から電気的に隔離するためかかるスリーブが少なくとも１つ必要である。しかし、コーバは、熱伝導率が比較的小さく、銅のような高伝導率の材料で出来た別個の熱結合手段を含めることを必要とする。ヘッダはそれ自体が複雑なサブアセンブリであり且つ熱結合手段と相違する材料で出来ているため、ヘッダは、熱結合手段と別個に形成し、その後に、はんだ又は導電性接着剤により熱結合手段に取り付けなければならない。
【００３０】
米国特許第４，２６７，５５９号に記載されたものと同様に形成されたＬＥＤ装置は、現在、ＴＯ−６６パッケージと同様の特殊な形態にて販売されている。これらの装置は、複雑であり且つ典型的に絶縁したピン及びヘッダの構造を有し且つ／又はその内部にセラミック隔離シートのような特殊なサブ構成要素を含む。
【００３１】
はんだ付けによるオプトエレクトロニクスエミッタの損傷を防止すべく使用されている別のアプローチ法は、構成要素を共にはんだ付けすることを防止し、又はさもなければ、レーザスポットはんだ付け又はその他の特殊な電気的取り付け方法を使用することを必要とするものである。このことは、はんだ付け作業による装置の損傷を伴うことなく、内部の半導体エミッタから電気ピンでの熱抵抗が小さい装置を製造することを許容することができる。ＨＰが製造したスナップＬＥＤ及び超スナップＬＥＤ装置は、このアプローチ法を示す。これらの装置において、はんだ付けではなくて、導線を簡単な回路に機械的に押抜くことにより回路への電気的な接続が為される。形成される装置は、室温にて４７５ｍＷもの高い電力を連続的に飛散させることができる。しかし、この形態は、より複雑な電子回路（かかる回路は、従来、プリント回路板、自動化した挿入装置及び波状又はリフローはんだ付け工程を使用して作られている）を有するかかる構成要素を集積化することを複雑にする可能性がある。
【００３２】
最後のアプローチ法は、ＨＰから入手可能である、スーパフラックス（ＳｕｐｅｒＦｌｕｘ）パッケージと称されるＬＥＤパッケージにより示される。スーパフラックス装置は、封入したチップとピンのはんだ分離部分との間の穏当な熱抵抗を高級な光学的封入部分、特殊なチップ材料及び光学的設計と組み合わせるものである。この装置は、スナップＬＥＤのような、はんだ付け不能な形態を利用することなく、通常程度の電力の飛散を実現する。しかし、この形態には、その形態のより広い使用を妨げる幾つかの顕著な問題点がある。
【００３３】
スーパフラックスパッケージのパッケージ幾何学的形態は、従来の高速度ＴＨＤラジアル又はアキシャル挿入機械又は当該出願人が知るＳＭＴチップシュータとこのパッケージとを不適合なものにする。その代わり、このパッケージは、手操作、又は高価で遅いロボット式の特異な形態の挿入装置の何れかにより配置しなければならない。スーパフラックスパッケージの幾何学的形態は、「エンドオン」源のみとして使用可能な形態とされ、この装置を９０°の「サイドルッカー」源に変換するための見掛け上便宜な導線曲げ技術は何も存在しない。この装置のはんだ付け可能なピンの通常程度の熱抵抗及び比較的小さい熱容量は、制御が不十分なはんだ付け工程による損傷を受け易くする。一部のエレクトロニクス回路の製造メーカがそのはんだ付け工程をこの形態に必要とされる程度まで制御することは非効率的であり、又はコスト高となろう。最後に、スーパフラックスパッケージに従来の能動的又は受動的な吸熱体を装着するのに便宜であると当該発明者に既知の機構は何も存在しない。
【００３４】
信号の発生、照明及びディスプレイの用途におけるこれらの及びその他のＬＥＤ装置の更なる適用を妨げる１つの主要なファクタは、自動化した挿入及び／又は大量のはんだ付け工程に容易に適応可能である、高放出光束を有する高電力容量を持つ装置が現在、利用できないことである。これらの制約は、高光束の放出量を必要とする多くの用途にてＬＥＤを実用的に使用することを妨げるか、又は、これらの制約は、所望の光束放出量を実現するため多くのＬＥＤ構成要素の列を必要とすることを必須としている。
【００３５】
その結果、自動化した加工中、高放出量の出力を熱からの保護と組み合わせる半導体発光エミッタパッケージを提供することが望ましい。
【００３６】
【発明の実施形態】
最初に図２を参照すると、本発明による半導体発光デバイス又はパッケージ２００は、リードフレーム２０１と、少なくとも１つの半導体発光エミッタ２０２と、封入部分２０３という３つの主要な構成要素を備えている。これらの構成要素の各々について以下に詳細に説明する。
【００３７】
リードフレーム２０１は、半導体発光エミッタ２０２を取り付けるための支持体として機能し、半導体発光エミッタ２０２への電気的接続機構を提供し、また、作動中に半導体発光エミッタ２０２内で発生された熱を除去し且つこの熱を隣接する媒質、隣接する構造体又は周囲の環境に伝導するための熱経路を提供する。リードフレームは、吸熱部材２０４と、全体として参照番号２０５で示した複数の電気導線という２つの主要な要素を備えている。
【００３８】
吸熱部材２０４は、熱伝導体から成り、この熱伝導体は、典型的に金属で出来ているが、デバイスのエミッタにより発生された熱を周囲環境に伝導するための主要経路（導線２０５と相違する）を提供する熱伝導性セラミック又はその他の材料から成るものとすることが可能である。好ましくは、吸熱部材２０４は、エミッタにより発生された熱を電気導線２０５により伝導される量よりもより多量に、デバイス外から、周囲環境内に伝導する働きをするものとする。最も好ましくは、吸熱部材２０４は、この熱の７５％乃至９０％以上をデバイス外から周囲環境、隣接する構造体、又は周囲の媒質に伝導し得る構造であるようにする。ＴＯ−１８ヘッダ構成要素、熱結合手段及びヘッダを貫通して突き出す電気ピンの双方を含む、ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）らによる複雑なサブアセンブリと相違して、本発明による半導体光線パッケージ２００にて複雑なヘッダ構成要素は全く不要である。もう１つの顕著な特徴は、吸熱部材２０４が電気導線２０５の封入部分内への入口点から分離した位置を有する経路を介して熱を封入部分２０３外から周囲環境に伝導することである。このように、吸熱部材２０４は、デバイス２００内の半導体発光エミッタ２０２へ且つ該発光エミッタからの主要な熱導管、すなわちデバイスへの且つデバイスからの電気導管と実質的に独立的な導管を形成する。
【００３９】
広義に説明して、吸熱部材２０４は、０．２５ｍｍ乃至５．０ｍｍの厚さ、２ｍｍ乃至２５ｍｍの幅（寸法２０７）及び２ｍｍ乃至２５ｍｍの長さ（寸法２０８）の範囲とすることができる。好ましくは、吸熱部材２０４は、約１．０乃至２．０ｍｍの厚さ、９．５乃至１２．０ｍｍの幅（寸法２０７）及び１０．０乃至１７．０ｍｍの長さ（寸法２０８）である変形矩形の中実体であるようにする。別のより好ましい実施の形態において、吸熱部材２０４は、約１．６２５ｍｍの厚さ、１１．０ｍｍの幅（寸法１０７）及び１２．５ｍｍの長さ（寸法２０８）である変形矩形の中実体である。これらの寸法は、標準的な自動挿入装置及び標準的な取り付け及び吸熱構成要素との適合性を保証する。これらの寸法範囲は、吸熱を許容可能な大きい断面積を有する吸熱部材を提供することになる。
【００４０】
以下により詳細に説明するように、吸熱部材２０４は、全体として楕円形、円形又はその他の非矩形の形態の構造とすることができ、また、面取り加工部分を設け、又は、伸長部、スロット、穴、溝等を含み、また光学的性能を向上させるためにコリメーターカップ又はその他の形態のような凹所を含むことができる。吸熱部材２０４は、銅、ベリリウム銅のような銅合金、アルミニウム、鋼又はその他の金属にて形成し、又はこれと代替的に、セラミックのような別の高熱伝導率の材料にて形成することができる。適当なリードフレーム材料は、イリノイ州、イーストアルトンのオーリンブラス（Ｏｌｉｎ Ｂｒａｓｓ）を含む多岐に亙る薄板金属の会社から利用可能である。
【００４１】
吸熱部材２０４の表面部分は、構成要素の封入部分の吸熱部材に対する接着を向上させ得るように、目打線を設け、テクスチャー化し又はエンボス加工することができる。この吸熱部材２０４は、基本金属の色々な物理的性質を向上させ得るようにめっきすることが好ましい。図１０を参照すると、半導体発光エミッタ２０２の取り付け箇所の真下にある吸熱部材２０４の領域１００２は、ダイ取り付けの品質及び且つ信頼性を向上させ得るように、ニッケル、白金、金、銀又は合金を含むその他の材料にて被覆することができる。本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、多岐に亙る所望の効果を実現し得るように、エミッタと吸熱部材との間に、その他の薄い層材料を選択的に挿入することができる。これらの材料は、接着剤、電気絶縁性、導電性又はパターン化した電気絶縁性及び導電性材料の複合体とすることができ、また、熱伝導を顕著に損なうことなく、エミッタを支持し、接着し吸熱部材に電気的に接続し又はその他の方法で取り付けるべく使用することができる。任意の光学的向上キャップ作用部分３０１内の吸熱部材２０４の領域１００４は、反射を増し且つデバイスの光学的効果を改良すべく銀、アルミニウム、金等にて被覆することができる。図２を再度、参照すると、封入部分２０３の外側の吸熱部材２０４の領域２２２は、放射冷却を向上させ得るように、ニクロム、黒酸化物（ｂｌａｃｋ ｏｘｉｄｅ）又はその他の高放出率の処理にて被覆することができる。腐食のような環境の影響からデバイスを保護し又は半導体光線パッケージ内で使用されるダイ取り付け接着剤又は封入部分の接着を向上させるため吸熱部材２０４の色々な表面に対しその他の被覆を施すこともできる。かかる被覆は、当該技術分野の当業者に周知の多岐に亙る陽極処理、電気めっき又はその他のウェットめっき技術及び／又はＥ−ビーム蒸発、スパッタリング等のような物理的蒸着方法を使用して施すことができる。
【００４２】
吸熱部材２０４は、半導体発光エミッタ２０２により発生された熱をパッケージ外から周囲環境へ又はパッケージ２００に隣接する構造体又は媒質までの主要な経路を提供する。これを実現するためには、熱吸収部材２０４は、該部材が半導体発光エミッタ２０２に取り付けられる箇所たる、表面領域と周囲環境又は隣接する構造体との間にて小さい熱抵抗を示さなければならない。この吸熱部材２０４は、次の性質の１つ以上を組み合わせることにより周囲環境又は隣接する構造体に対する小さい熱抵抗を実現する。すなわち、１）銅、ベリリウム銅のような銅合金、アルミニウム、軟鋼、又はその他の金属又は代替的に、セラミックのような別の高熱伝導率材料を有する構造であること、２）半導体発光エミッタが取り付けられる箇所たる、表面領域から離れる１つ以上の方向に実質的に大きい断面積を有する構造であること、３）半導体発光エミッタが周囲環境又は隣接する構造体に取り付けられる箇所たる、表面領域から１つ以上の方向に比較的短い経路長さを有する構造であること、４）対流及び放射による熱損失を改善すべくデバイスのパワーに対する空気、周囲の媒質又は隣接する構造体（デバイスの封入部分の外側）に曝される大きい表面積を実現するフィン、又は孔又はその他の作用部分のような構造的細部を有する構造であること、５）放出による放射熱損失を改善するため、ニクロム、黒酸化物又はつや消し仕上げのような、改良された放出率を有するテクスチャー又は被覆材料で、空気、周囲の媒質又は隣接する構造体（デバイスの封入部分の外側）に曝される表面を処理することである。
【００４３】
本発明の幾つかの実施の形態における吸熱部材２０４の別の機能は、電気導線２０５のはんだ付けの間、デバイスが経験する遷移的熱暴露の効果を減衰させることである。吸熱部材２０４は、これを直接的に且つ間接的に実現することができる。電気導線２０５のはんだ付けによる極端な温度を吸熱部材２０４により直接減衰することは、本発明の実施の形態にて実現され、この場合、吸熱部材２０４は、はんだ付けする１つ以上の電気導線２０５に接続し又は該導線２０５と一体化させる。吸熱部材２０４は、該部材に実質的に大きい熱容量を与える材料及び幾何学的形態を有する構造とされており、また、はんだ付け可能な電気導線２０５は、その分離着座面と吸熱部材２０４との間に比較的大きい熱抵抗を有する構造とされているため、はんだ付け中に電気導線２０５まで上昇する熱に起因する温度変化は減衰される。この機能は、電気回路内で電圧の遷移を減衰させる電気的な「ＲＣ」フィルタの機能に類似している。
【００４４】
電気導線２０５のはんだ付けに起因する極端な温度の間接的な減衰は、電気導線により現される熱経路から実質的に独立したデバイス２００外の主要な低熱抵抗経路を提供することにより吸熱部材２０４により実現される。このことは、電気導線２０５をＬＥＤの作動性能を損なわずに比較的大きい熱抵抗を有する構造とすることを許容する。かかる作動性能への悪影響は、電流を供給し且つ熱を吸引するため、その電気導線に依存するはんだ付け可能な従来技術のデバイスに見られる。本発明において、電気導線２０５は、作動中のその熱的影響を考慮せずに、任意の大きい熱抵抗を有する構造とすることができるため、はんだ付け中、電気導線２０５まで上昇する熱的遷移に対して該デバイスを極めて効果的に保護することができる。その大きい熱抵抗は、さもなければ電気導線２０５が封入部分２０３に入る箇所たる点にて且つ該点を越えてデバイスの封入部分２０３内で達することになる極端な温度を低下させる。吸熱部材２０４の更なる機能は、次のものを含むことができる。すなわち、１）デバイスを機械的に把持し又は配置する手段としての機能、２）二次的な光学装置、支持部材又は二次的な吸熱体のような隣接する構成要素に取り付け又は整合する手段としての機能、３）半導体発光エミッタによって放出されたエネルギの部分的光学平行化又はその他のビームを修正する機能、４）複数にて存在するならば、複数の半導体発光エミッタにより放出されたエネルギを部分的に混合する機能である。
【００４５】
これらの追加的な機能を支えるため、吸熱部材２０４に対し追加的な特徴を要求することができ、その幾つかは図３に図示されている。スロット２３０、貫通穴２３２、タブ２３４又は分離部分（図示せず）は、吸熱部材２０４の金属中に直接的に押抜き加工し、自動化した取り扱いによる取り扱いを容易にし且つ機械的グリッパによる処理の間、配置を容易にすることができる。本発明のデバイスを隣接する構成要素に取り付けるため、同様の構造的細部を組み込むこともできる。吸熱体、ハウジング又はその他の隣接する構成要素又は材料に取り付けることによりデバイスからの吸熱を更に向上させることができる。同様の作用部分を使用することで二次的な光学的構成要素を本発明のデバイスに容易にスナップ嵌めし又は該デバイスに対して整合させ、光学的性能を更に優れたものにし且つ変化を最小にすることができる。
【００４６】
吸熱部材２０４に凹所又はカップ３０１を押し抜き、次に、半導体発光エミッタ２０２をこのリセス部内に取り付けることにより、吸熱部材２０４の凹状面は、光線コレクタ及び反射器として機能し、これにより、デバイスの光学的性能を向上させることができる。光学的カップ又は凹所３０１（存在するならば）の表面を含む、半導体発光エミッタ２０２を取り巻く吸熱部材２０４の表面は光学的効果を向上させ得るように、銀、アルミニウム、金等のような高反射性被覆にて被覆することができる。かかる押抜き及び被覆作用部分は、また、より狭小で且つより強力なビームを提供し又はより均一に分配されたビームを提供することもできる。光学的カップ又は凹所３０１（存在するならば）の表面を含む、半導体発光エミッタ２０２を取り巻く吸熱部材２０４の表面は、拡散反射又は散乱を増し得るように更に又は代替的に被覆し又はテクスチャー化することができる。１つ以上の半導体発光エミッタ２０２を保持する装置において、これらの処理はまた、その内部に保持された複数のエミッタの組み合わさった放出光に起因するビーム内でのエネルギの混合を向上させることもできる。
【００４７】
図２を再度、参照すると、リードフレーム２０１は、全体として参照番号２０５で表示した複数の電気導線を備える第二の主要要素を保持している。本発明の目的上、電気導線２０５は、主として、半導体発光エミッタ２０２と電源（図示せず）のような外部の電気回路との間に電気的接続部を画成することを目的とする形態とした金属製の導電体構成要素を意味するものとする。電気的接続部を提供することに加えて、電気導線２０５は回路板、ワイヤーハーネス、コネクタ等への機械的な保持方法として作用することが可能である。電気導線２０５は、また、デバイス外への二次的な熱経路を提供し、この経路は、吸熱部材２０４により画定される主要な熱経路と比べて小さい。実際上、電気導線２０５により形成される小さい熱経路は、はんだ付けの間、デバイスを熱的損傷から隔離し得るように大きい熱抵抗を有することが好ましい。電気導線の形成に適した材料は、銅、ベリリウム銅のような銅合金、アルミニウム、鋼又はその他の金属を含む。これらの材料は、イリノイ州、イーストアルトンの、オーリンブラスを含む多岐に亙る薄板金属の会社から入手可能である。
【００４８】
本発明の１つの好ましい実施の形態において、１つ以上の電気導線２０９は、吸熱部材２０４の狭小な一体的な伸長部として形成される。このことは、図２の点２０６にて導線２０９と吸熱部材２０４との間の直接的な物理的接続にて示してある。この物理的接続部２０６は、封入部分２０３の周縁部内で又は封入部分の外側の何れかにて行なうことができる。このようにして、一体的な電気導線２０９は、吸熱部材２０４と電気的に導通しており、吸熱部材２０４の短い部分を通じて一体的な電気導線２０９から半導体発光エミッタ２０２の基部面の接触点まで電流を供給することができる。残る１つ以上の隔離した電気導線２１０は、吸熱部材２０４に接続されない。
【００４９】
上述したように、本発明において、電気導線２０５は、はんだ付けに曝される一体的な電気導線２０９の部分とデバイスの封入部分内の半導体発光エミッタ２０２の部分との間に比較的大きい熱抵抗を有する。本発明の幾つかの実施の形態において、一体的な電気導線２０９に代えて、線接合部により吸熱部材に電気的に接続された隔離した電気導線を使用すれば、この熱抵抗が増大する。電気導線２０５は、その熱抵抗を増し得るように比較的小さい断面面積となるように形成することが好ましいが、導線の寸法は、デバイス２００の最終的用途に依存して変更可能である。広義に説明すれば、電気導線２０５は、吸熱部材の厚さの約１／３乃至１／４とし、約０．２５ｍｍ乃至２．０ｍｍの厚さ、約０．２５ｍｍ乃至２．０ｍｍの幅及び約２ｍｍ乃至２５．０ｍｍの長さの範囲とすることができる。電気導線２０５の現在の好ましい寸法は、約０．５１ｍｍの厚さ、約０．８７ｍｍの幅（導線が封入部分２０３から出る箇所にて測定）及び約９．０ｍｍの長さ（導線が封入部分から出る点から分離部分の着座面まで測定）である。その結果、各導線に対して０．４４ｍｍ２の断面積となり、導線の長さ及び導線を形成するために使用させる銅合金を考慮するならば、比較的大きい熱抵抗となる。比較のため、図４に図示した形態にて且つ現在の好ましい寸法による吸熱部材２０４のタブは、該タブが封入部分２０３から出る点にて１７．８７５ｍｍ２の断面積を有することになる。現在の好ましい実施の形態において、電気導線２０５は、多くの一般的な電気的装置の形態を有する標準化を保ち得るように中心間の間隔が約２．５４ｍｍである。
【００５０】
電気導線２０５の熱抵抗は、電気導線２０５を低熱伝導率の金属にて形成し且つ吸熱部材２０４を高熱伝導率の金属にて形成することにより更に増すことができる。例えば、電気導線２０５は鋼にて形成し、吸熱部材２０４は銅にて形成することができる。この場合、鋼にて作った一体的な電気導線２０９は、銅にて作った吸熱部材２０４と一体化することができる。この異質の構造を実現する方法について、以下に説明する。
【００５１】
直流電流（ＤＣ）電源により作動される半導体発光エミッタ２０２を使用する実施の形態において、電気導線２０５は、典型的に陽極及び陰極の電気導線として区分される。陰極電気導線は、外部の電気回路又はコネクタに電気的に取り付けたとき、マイナスの電位（陽極の電気導線に対し）を与えられる電気導線を意味するものとする。同様に、陽極電気導線は、外部の電気回路又はコネクタに取り付けたとき、プラスの電位（陰極電気導線に対し）が与えられる電気導線を意味するものとする。本発明の半導体発光エミッタパッケージ２００は、通常、少なくとも１つの陽極電気導線と、少なくとも１つの陰極電気導線とを含む。
【００５２】
１つの実施の形態の電気導線２０５の１つが、一体的な電気導線２０９である場合、半導体発光エミッタ２０２は、その基部に電気接点を有する型式であり、この場合、この導線２０９の極性は、典型的に半導体発光エミッタ２０２の基部の接点の極性に釣り合った形態とされる。この場合、一体的な電気導線２０９の極性と反対の電気極性を有する少なくとも１つの隔離した電気導線２１０がパッケージ内に含まれ、半導体発光エミッタ２０２の頂部接合パッドに線接合部２１１を介して電気的に接続される。このように、この一体的な電気導線２０９は、半導体発光エミッタがその基部にカソード接点又はアノード接点を有するかどうかに依存して、半導体発光エミッタ２０２の基部に電気的に接続された陰極導線又は陽極導線とすることができる。この隔離した電気導線２１０は、同様に、半導体発光エミッタがその頂部接合パッドにアノード接点又はカソード接点を有するかどうかに依存して、半導体発光エミッタ２０２の頂部接合パッドに電気的に接続された陽極導線又は陰極導線とすることができる。
【００５３】
図３に図示するように、本発明は、複数の半導体発光エミッタ２０２を保持するようにすることができる。１つの好ましい実施の形態において、２つの半導体発光エミッタが存在し且つ吸熱部材２０４に形成されたカップ３０１内に取り付けられる。これら２つの半導体発光エミッタの双方は、その基部に、吸熱部材２０４に電気的に接続された陰極接点を保持している。単一の一体的な陰極電気導線２０９は、半導体発光エミッタ２０２の双方に対する電気経路を提供する。２つの別個の隔離した陽極電気導線２１０は、半導体発光エミッタの各々に対し、隔離した陽極電気経路を提供する。上述したように、線接合部３０２は、陽極電気導線から半導体発光エミッタ２０２の各々への電気的接続部を提供する。隔離した２つの陽極電気導線２１０を使用することは、各エミッタに対する独立的な電流供給源の接続部を提供することにより、２つの異なる半導体発光エミッタ２０２を使用することを容易にする。半導体発光エミッタ２０２の各々は、実質的に同一の形態である場合、共通の陰極導線に加えて共通の陽極電気導線を使用することができる。また、本発明は、多岐に亙る形態の２つ以上の半導体発光エミッタを提供し得るように２つ又は３つ以上の電気導線を含むように改変可能である。
【００５４】
図４を参照すると、１つの好ましい実施の形態において、電気導線２０５は、全て、互いに平行に形成され且つ実質的に同一面又は平行な面内に保持されている。図４に図示するように、電気導線２０５の面は、電気導線が封入部分２０３から出る箇所たる点にて又は代替的に、導線が封入部分から出る前に曲がるならば、導線との線接合が為される箇所たる点にて、電気導線の上面（２０９ａ、２１０ａ）を保持する面として画定される。電気導線２０５の上面は、半導体発光エミッタ２０２からの光線の主要な放射方向に対して垂直で且つ該方向に面する面として画定される。この実施の形態において、隔離した電気導線３０２への線接合部の取り付け３０２は、電気導線の上面にて行なわれる。吸熱部材２０４の面は、半導体発光エミッタ２０２が接合される表面を含む面として画定される。図３に図示するように、電気導線２０５の各々の面は、この実施の形態において、吸熱部材２０４の面に対して実質的に平行である。電気導線２０５は、矩形の断面を有するものとして図示し且つ上記に説明したが、必要なときに線接合部３０２に接続するのに適した導線の特徴が得られる限り、円形の断面、変化する断面又はその他の断面形状を有する導線も本発明の範囲及び精神に属するものである。
【００５５】
隔離した電気導線２１０は、吸熱部材２０４の外周面の外側に配置され、吸熱部材を通って伸びることはない。隔離した電気導線２１０を吸熱部材２０４の外周縁の外側に配置することは、電気導線が吸熱体を貫通し、このため、この吸熱体から電気的に絶縁しなければならない幾つかの従来技術のデバイスに必要とされる絶縁性スリーブ、ブッシュ等を不要にする。かかる絶縁性ブッシュ、スリーブ等を不要にすることは、これら従来技術に対して本発明の構成要素の数を少なくし、これにより、同等の性能の高パワーＬＥＤデバイスを実現可能な従来の方法よりも簡単で且つ経済的な製造方法を実現することができる。
【００５６】
図２に概略図的に図示し且つ図４に図解的に図示した１つの好ましい実施の形態において、電気導線２０５は封入部分２０３の１つの面外に伸び、吸熱部材２０４は、封入部分の反対側の面の外に伸びる。吸熱部材２０４は、封入部分２０３の底面（光線の主要な放出方向と反対側の面）を通って、単独で又は追加的に露出させることもできる。
【００５７】
電気導線２０５は、直線状とし又は色々な角度にて曲げることができる。色々な導線の曲げ角度の選択により、エンドルッカー（ｅｎｄ−ｌｏｏｋｅｒ）又はサイドルッカー（ｓｉｄｅ−ｌｏｏｋｅｒ）の何れの形態にても本発明を使用することを許容する。エンドルッカーの形態は、光線の主要な方向が電気導線が回路板、コネクタ等に接続する点の箇所にて１つ以上の電気導線２０５の軸線に対して全体として平行である形態として画定される。このことは、主要な光線の方向が外部の媒質への接触点における１つ以上の電気導線の軸線に対し全体として垂直であるサイドルッカーの形態と相違する。電気導線２０５を封入部分２０３の側部から直線状に伸びる形態とすることにより、該デバイスをサイドルッカーの形態にて使用することを許容する。色々な用途は、デバイスをサイドルッカー又はエンドルッカーの形態にて又はその間の角度にて使用することを必要とするであろう。本発明の極めて有用な面は、導線の簡単な曲げ工程によりリードフレーム２０１が何れの形態にも容易に適用し得るようにすることが可能な点である。電気導線２０５は、本発明を保持する装置の製造に役立つ色々な特徴を含むことができる。例えば、電気導線２０５は、リードフレーム２０１をプリント回路板に整合させるのに役立つ分離部分（ｓｔａｎｄｏｆｆ）を含むことができる。これらの分離部分は、リードフレームがプリント回路板に対して傾くのを防止し得るように電気導線の面に対し垂直に曲げることができる。
【００５８】
色々な導線の曲げ角度、形態、トリム及び押抜きの選択は、本発明のリードフレームをエンドルッカー、サイドルッカー、貫通穴、直付け、コネクタ取り付け等を含む多岐に亙る形態にて適用することを許容する。これら色々な形態に対しリードフレームを適応させることが可能な幾つかの例に関して、本明細書の後で説明する。
【００５９】
電気導線２０５の全て又は一部は、導線の機能の色々な物理的性質を向上させ得るように、多岐に亙る材料にてめっきし又は被覆することができる。一般に、構成要素の封入部分２０３の外側のこれら導線部分は、導線の耐食性を増し且つ完成した構成要素に対する導線のはんだ付けの容易性を向上させ得るように、ニッケル、銀、金、アルミニウム、金属合金及び／又ははんだにてめっきし又は被覆する。構成要素の封入部分２０３の内側の導線２０５の部分は、一般に、線接合が為される箇所たる、導線の表面の線接合特性を向上させ得るようにこれらの材料又はその他の材料で被覆されている。
【００６０】
本発明の目的上、半導体発光エミッタ２０２は、電流が構成要素又は材料を通って流れるとき、エレクトロルミネッセンスの物理的機構により１００ｎｍ乃至２０００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射線を放射する任意の構成要素又は材料を含む。本発明における半導体発光エミッタ２０２の主要な機能は、伝導された電力を放射した光学パワーに変換することである。半導体発光エミッタ２０２は、当該技術分野で周知であり且つ多岐に亙る従来技術のデバイスにて使用される典型的な赤外線、可視又は極紫外線発生ダイオード（ＬＥＤ）チップ又はダイを含むことができる。
【００６１】
本発明にて使用可能な半導体発光エミッタの代替的な形態は、発光ポリマー（ＬＥＰ）、ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）、有機質発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等である。かかる材料及び該材料で作ったオプトエレクトロニック構造体は電気的に従来の無機質ＬＥＤと同様であるが、エレクトロルミネッセンスのため、導電性ポリマーポリアニリンの誘導体のような有機質組成物を利用する。かかる半導体発光エミッタは比較的新規ではあるが、ケンブリッジのケンブリッジ・ディスプレイ・テクノロジー・リミテッド（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｔｄ．）及びカリフォルニア州、サンタバーバラのユニアックス（Ｕｎｉａｘ）のような供給先から入手することができる。かかる材料がバインダ中に含まれ且つ吸熱部材の表面に直接分配されるならば、ＬＥＰ半導体発光エミッタと吸熱部材との間の電気的接続、熱伝導率又は機械的な保持には取り付け材料は不要である。
【００６２】
簡単に説明すると、半導体発光エミッタという語は、上述し又は当該技術分野で既知のＬＥＤ又は代替的な形態のエミッタという語と置換することができる。本発明に適したエミッタの例は、電気的に取り付けるための関係した導電性バイアス及びパッドを有する多岐に亙るＬＥＤチップを含み、これらは、主として、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の添加した無機質の化合物内でＰ−Ｎ接合部で主として放出する。本発明の範囲に含まれるその他の型式のＬＥＤチップは、有機質又は無機質染料又は蛍光団を使用することにより、蛍光の物理的機構を介してその放出が向上されるものを含む。
【００６３】
代表的なＬＥＤチップは、広範囲に亙る個別的な従来技術のＬＥＤデバイス（ＳＭＤ及びＴＨＤ）及び世界中の広範囲の用途にてハイブリッドＬＥＤアレー内で使用される。使用される半導体材料に関係無く、本発明に適した全てのＬＥＤチップは、光の放出を行なう接合部の両側部に電気的に接続する手段を提供する。図５を参照すると、かかる手段は、通常、チップの最上面における１つの電極に対する金属化された若しくは金属溶射された接合パッド５０２及び他の電極に対する導電性基部の形態をとる。一般に、金属化接合パッド５０２は、ボール線接合部（ボールワイヤーボンド）５０３、２１１によって金属アノード線に電気導通可能に接続し得る最適化したアノードである。多くのＬＥＤチップの導電性基部は、一般に、ダイ取り付け部５０５によりリードフレーム２０１に電気導通可能に接続し得るように最適化されたカソードである。幾つかの型式のＬＥＤにおいて、頂部接合パッド５０２がカソードで、導電性基部がアノードであるように極性が逆になっている。別の形態において、ＬＥＤチップの最上面は、２つの接合パッドを有し、ＬＥＤアノード及びカソードの双方への電気的接続が線接合部２１１によって行なわれる。
【００６４】
本発明にて使用するのに適したＬＥＤチップは、ヒューレット・パッカード（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ）、日亜化学（Ｎｉｃｈｉａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）、シーメンス・オプトエレクトロニクス（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｏｐｔｏｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、シャープ（Ｓｈａｒｐ）、スタンレー（Ｓｔａｎｌｅｙ）、東芝（Ｔｏｓｈｉｂａ）、ライト・オン（Ｌｉｔｅ−Ｏｎ）、クリー・リサーチ（Ｃｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、豊田合成（Ｔｏｙｏｄａ Ｇｏｓｅｉ）、昭和電工（Ｓｈｏｗａ Ｄｅｎｋｏ）、タインテック（Ｔｙｎｔｅｃ）等のような会社が製造している。通常の作動の場合、かかるチップは典型的に、各側部にて０．２０３２ｍｍ（．００８インチ）乃至０．４０６４ｍｍ（．０１６インチ）の範囲の長さ、約０．２０３２ｍｍ（約．００８インチ）乃至０．５０８０ｍｍ（．０２０インチ）の高さであり、１５°以下のテーパー角度を有する四角形の基部のテーパー付きの立体形状にて製造される。しかし、本発明の幾つかの実施の形態において、色々な効果を実現し得るように、より大きいチップ（各側部にて、０．６３５０ｍｍ（．０２５インチ）以内の長さの四角形の基部を有する）が使用される。
【００６５】
図６は、本発明にて使用するのに適した典型的なＬＥＤチップ２０２の構造の簡略化した図である。ＬＥＤチップ２０２は、典型的に、チップの頂部上に中心がある約０．１ｍｍ乃至０．１５ｍｍの直径であり、線接合部を取り付けるのに適した円形の金属化領域である頂部電極の接合パッド５０２を保持している。しかし、本発明の幾つかの実施の形態にて、より大形のチップを使用するためには、接合パッド５０２は、直径０．３ｍｍの大きさにする必要があろう。かかるパッドの金属化は、典型的に、電子ビーム蒸着、イオン支援蒸着、イオンめっき、マグネトロンスパッタリング等のような真空物理的蒸着にてチップの親ウェハに蒸着させた、アルミニウム、銀、金、ＩＴＯ、これら金属の合金又はその他の導電性材料の１つ以上から成る層を備えている。最後に、複数の冗長な接合パッドをこれらパッドに対する多数の線接合部接続をするチップを亙って配置することができる。この形態は、また、冗長な接続具を提供し且つ線接合部が破断した場合、破局的な故障の可能性を少なくするという利点を有する。しかし、多数の接合パッドが存在することは、チップの放出表面積を小さくし、この技術をより大形のＬＥＤチップのみ魅力的なものにする。図５に図示するように、結合パッド５０２は、チップ２０２の上面を亙って電流の分配を向上させる目的のため、伸長部５０４を保持することができる。これら伸長部は、ハニカム、格子、星形等のような多岐に亙るパターンとすることができる。
【００６６】
接合パッド５０２の下方に又は接合パッド５０２と同一面上に配置された選択的な電流拡散層６０１は、ダイを通る電流の流れを分配し且つＰ−Ｎ接合部を通じて均一な電流密度を提供する機能を果たす。電流拡散層６０１は、ＩＴＯのような透明な導電性層から成るものとすることができる。
【００６７】
放出層６０２は、光の放出が行なわれる能動的な接合領域を表す。放出層が１つ以上のＰ−Ｎ接合部を形成する１つ以上のＰ又はＮ添加半導体層を含むことができる。放出層６０２は、異種接合デバイスの場合のように、１つ以上の拡散半導体を保持し又は超格子構造体を含むことができる。
【００６８】
別の一般的な構造において、添加した半導体層６０２と添加した基板５０１との間にＰ−Ｎ接合部が形成される。この場合、層６０２からのみならず、層６０２と基板５０１との組合わせ部、具体的には、層６０２及び基板５０１の接合部を取り巻くように形成された減衰領域からも放出が生じる。層６０２は、Ｎ添加し、基板５０１をＰ添加するか又はその逆の形態とすることができる。上述したように、この構造は、追加的な同種接合部、すなわち、異種接合部を形成し得るように追加的な添加半導体層と組み合わせることができる。
【００６９】
基板５０１は、典型的に、放出層６０２のエピタキシャル成長に適したドープ（添加）された導電性の半導体基板である。基板５０１は、不透明又は透明とすることができる。基板５０１は、放出層６０２の形成に使用されるものと実質的に同一又は同様の半導体材料にて形成することができる。その他の形態において、基板５０１は、放出層６０２の材料と実質的に相違する材料にて形成し、この場合、放出層６０２と基板５０１との間に中間の緩衝材料を配置することができる。放出層６０２は、常に基板５０１の上でエピタキシャルに成長するとは限らず、特定の既知の形態において、放出層６０２は、基板５０１と別個に形成し、その後に、ウェハ接着技術を使用して基板５０１に接合される。選択的な金属被覆６０３が典型的に、基板５０１の後側に形成され、接触密度（ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を向上させ、安定性を増し、オーミック接点を形成し且つ電気抵抗を小さくする。
【００７０】
幾つかの場合、基板５０１は、非導電性、例えば、サファイア基板の上に形成されたＩｎＧａＮＬＥＤチップとする。この状況において、ＬＥＤチップ２０２の頂部には、２つの接合パッド５０２が存在し、その一方は、放出層６０２の後部と電気的接点を形成する構造とされ、もう一方は、頂部との電気的接点を形成し得る構造とされる。
【００７１】
当該技術分野の当業者には、上記構造の多数の変更例が既知である。一体的な反射器及び光導出表面処理のような追加的な特徴を含むＬＥＤチップが開示されている。色々な寸法及び異なる幾何学的形態のチップも既知である。本発明は、ＬＥＤチップの任意の特別な構造又は構造群に限定することを意図するものではない。
【００７２】
チップ２０２の幅及び長さを増すことは、チップを通って流れる電流密度を低下させ、所望であるとき、全体量がより多い電流を流すことを許容する。より多量の電流は、全体として、より高パワーのＬＥＤの望ましい特徴であるより多量の光束の放出を許容する。また、ＬＥＤチップ２０２の基部面積を増すことは、チップとリードフレーム２０１との間の接着剤又ははんだ付け接合部５０５の接触面積をも増大させる。このことは、この境界部の熱抵抗を減少させ且つチップが所定の電力飛散のためのより低い作動温度を保つこと（又はこれと代替的に、より高電力飛散又はより高周囲温度のとき同等の作動温度を保つこと）を許容する。上述したように、多量の放出光束及び構成要素の信頼性を維持するためには、より低い作動温度であることが重要である。
【００７３】
ＬＥＤチップ２０２の基部面積を増すことは、また、ＬＥＤチップと吸熱部材２０４との間の接着剤又ははんだ接合部の接着面積を増すことにもなる。かかるより大きい接合面積は、より堅牢であり且つ遷移的な熱機械的応力並びに繰り返す熱機械的に発生された応力に起因する累積する疲労に対してより抵抗性がある。最後に、ＬＥＤチップ２０２の基部面積及びチップ２０２と吸熱部材２０４との間の接着剤又ははんだ接合部５０５の接触面積を増加させることは、また、ＬＥＤチップ２０２と吸熱部材２０４との間の接合部の電気抵抗を低下させることにもなる。このことは、基部面にカソード又はアノード接点を有する構造とされたＬＥＤチップにとって重要なことである。かかる基部電極を通じての接点抵抗が小さいことは、多量の電流レベルのとき、導電性接合部における余剰なオーミック電力の飛散を少なくすることになる。このことは、チップが所定の電力飛散のため、より低い作動温度を保つこと(又はこれと代替的により高電力飛散又はより高周囲温度値と同等の作動温度を保つこと)を許容する。
【００７４】
チップ基板５０１の厚さを薄くすることは、本発明のような高パワーのデバイスにて使用されるとき、ＬＥＤチップの性能を向上させることができる。通常のＬＥＤチップの厚さは、０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）乃至０．３０４８ｍｍ（０．０１２インチ）の範囲にある。チップ基板５０１の厚さを０．１５２４ｍｍ（０．００６インチ）以下に薄くすることにより、基板５０１を通る電気抵抗を低下させ、これにより、基部電極の接点から放出層６０２まで流れる電流に起因する基板のオーミック加熱程度を低下させる。その結果、電力の飛散が低下し、所定の作動電流に対し、接合の温度がより低温度となり、これにより、作動効率を向上させる。更に、基板５０１の厚さを薄くすることは、放出層６０２とＬＥＤチップ２０２が接合される吸熱部材２０４との間の熱抵抗を低下させ、これにより、接合部からの熱の吸収を向上させ且つこのデバイスの効率を向上させる。このことは、ＧａＡｓのような熱抵抗がかなり大きい基板材料で製造されたチップに特に当て嵌まる。
【００７５】
頂側部アノード又はカソード接合パッドに対する電気的接続は、通常、当該技術分野で周知であり且つ以下に説明するように、頂側部電極と電気導線２０５との間に電気的導通性を確立する線接合部２１１により行なわれる。以下に説明する代替的な実施の形態において、この頂側部線接合部２１１は、本発明の単一のＬＥＤデバイス内に配置された複数のＬＥＤチップの別のチップのアノード又はカソードに対し連続的な仕方にて形成することができる。線接合部２１１は、最大パワーの実施の形態の寸法とする点を除いて、従来技術のＬＥＤデバイスにて周知の典型的な構造のものである。
【００７６】
ＬＥＤチップ２０２のアノード、カソード又はその双方の電極がチップの頂部における金属溶射された又は金属化された接合パッド５０２から成る、本発明の最も典型的な実施の形態にて線接合部２１１が含まれる。以下に説明するように、本発明における線接合部の主要な機能は、ＬＥＤ電極と適当な電気導線２０５との間の電気的接触を確立することである。線接合部２１１及び接合パッド５０２は、集合的に、典型的なＬＥＤチップに供給された全ての電流が流れなければならない低電気抵抗の経路を画成することを要する。本発明にて線接合のために使用される線は、典型的に、直径０．０４ｍｍ乃至０．３ｍｍの金、アルミニウム、又はその合金で出来ている。線接合に適した線は、ペンシルベニア州、フィラデルフィアのクーリック・アンド・ソファ・インダストリーズ（Ｋｕｌｉｃｋｅ ａｎｄ Ｓｏｆｆａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）の一事業部である、アメリカン・ファイン・ワイヤー（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｆｉｎｅ Ｗｉｒｅ）から入手可能である。
【００７７】
当該技術分野で周知であるように、通常、熱音波又は超音波ボール接合法を使用してＬＥＤチップ２０２上で、線接合部材２１１と頂側部接合パッド５０２との間の電気的接続が為される。しかし、幾つかの状況において、ウエッジ又はステッチ接合とすることが好ましい。線接合部材２１１の他端における電気的接続は、電気導線２０５の一部分、吸熱部材２０４又はこれと代替的に、デバイス内の隣接するＬＥＤチップの頂側部パッド５０２に対して確立される。電気導線２０５又は吸熱部材２０４に対して為される接合は、通常、ウエッジ又はステッチ接合である。
【００７８】
ＬＥＤチップ２０２を吸熱部材２０４へ取り付ける最も一般的な手段は、特殊な型式の導電性接着剤ダイ取り付けエポキシを使用することである。これらの接着剤は、通常、接着剤中に銀のような金属フィラーを介在させることにより、優れた導電率を実現する。適当なダイ取り付け接着剤は、当該技術分野で周知であり、カリフォルニア州、サンディエゴのクオンタム・マテリアルズ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、マサチューセッツ州、ビルエルカのナショナル・スターチ・アンド・ケミカル・アンド・エポテック（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｒｃｈ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ＥｐｏＴｅｋ）のアブレテック（Ａｂｌｅｓｔｉｋ）事業部から入手可能である。導電性接着剤の代替品として、幾つかの実施の形態において、ＬＥＤチップ２０２を吸熱部材２０４に取り付ける手段として、はんだを使用することができる。
【００７９】
ＬＥＤチップ２０２が導電性接着剤又ははんだにより取り付けられるかどうかを問わずに、接合部は、ＬＥＤチップ２０２と吸熱部材２０４との間に優れた導電率及び熱伝導率を確立する。このことは、ＬＥＤチップの基部カソードから吸熱部材２０４の一部分を通じて陰極電気導線（又は、該導線に達する電線導体へ）の電流の流れを容易にする。ダイ取り付け又ははんだ接合部５０５は、また、吸熱部材２０４又はデバイスの封入部分２０３の何れかと一体に形成された任意の光学的作用部分に整合された状態にＬＥＤチップ２０２を保持する。
【００８０】
しかし、サファイア基板上でＩｎＧａＮ及びＧａＮ構造上として作動するような２つの頂部電極を有する、ＬＥＤチップ２０２の場合、ダイ取り付け部５０５は、上述したように、熱的に結合し且つ構造的に保持し又は整合させるという、２つの主要な機能のみを果たす。その理由は、かかるチップの電極（アノード及びカソード）の双方がその基部ではなくて、これらＬＥＤチップ２０２の頂部にて導電性接合パッド５０２として現われ、このため、ダイ取り付け部５０５ではなくて、線接合部２１１によって電気的取り付けが行われるからである。この状況において、取り付け材料は、導電性とすることができる（工程の標準化及び便宜性のため）が、デバイスが適正に機能する上でかかる導電率は不要である。
【００８１】
アノード及びカソードの接続位置に対して逆にした電気極性を有するＬＥＤチップ２０２を形成することが可能であることを認識すべきである。かかるチップは、接合部パッド５０２が上面に位置し、電気接点がその基部面と同程度に伸長可能である、従来のＬＥＤチップと実質的に同一であるような外観をしている。かかるチップは、本発明にて使用することができるが、回路中に配置されたとき、デバイスに印加される電位の適正な極性を保証し得るように注意しなければならない。
【００８２】
フリップ−チップＬＥＤとして既知のＬＥＤの１つの代替的な構造体が最近、登場した。フリップ−チップＬＥＤは、特殊な内部及び表面構造を有し、このため、アノード及びカソードの双方は、ＬＥＤチップの基部又は側部の一部分に配置された、隔離した金属化接点の形態とされる。かかるフリップ−チップＬＥＤチップにて双方の電極への電気接点を確立することは、導電性ダイ取り付け接着剤又ははんだにより実現され、線接合部は全く不要である（すなわち、このことのため実施可能である）。本発明にてフリップ−チップＬＥＤを使用するためには、パターン化した金属溶射セラミック部材のような、追加的な隔離層をＬＥＤアノードとカソードとの間の電気的隔離を保証すべくフリップ−チップと吸熱部材との間に使用することができる。このことは、デバイスの複雑さ及びコストを増し、また、本発明のその他の点では優れた熱的性能を僅かに損なう可能性があるが、特定の実施の形態にて望ましいものである。このフリップ−チップの適応例に伴う放出効率を損なう可能性があるにも拘らず、本発明のフリップ−チップの実施の形態は、線接合部を含まず、このため、極端な温度サイクル中、特定の環境にてより長時間、作動可能である。
【００８３】
本発明にて使用し得るようにされたフリップ−チップアダプタは、小さく且つ薄い、熱伝導性、電気絶縁性の基板から成っており、この基板上に、電気的に絶縁した２つの導電性の接合パッドが配置される。フリップ−チップアダプタは、幾つかの機能果たす、すなわち１）フリップ−チップＬＥＤを支持すること、２）フリップ−チップアノード及びカソード接点への電気的接続手段を提供すること、３）フリップ−チップＬＥＤをアダプタに取り付け、アダプタを吸熱部材に取り付けるとき、フリップ−チップアノードとカソード接点間の電気的隔離を維持すること、４）フリップ−チップと吸熱部材との間に効率的な熱経路を提供することである。
【００８４】
半導体発光エミッタ２０２の可能な形態、及び電気導線２０５並びに吸熱部材２０４の可能な形態を理解するならば、幾つかの電気的形態が可能となる。以下に、幾つかの可能な形態について説明する。
【００８５】
図７ａには、単一のエミッタの電気的形態が図示されている。半導体発光エミッタ２０２は、吸熱部材２０４に取り付けられたＬＥＤチップである。この実施の形態において、ＬＥＤチップの基部を通じて吸熱エミッタのカソード接点が形成される。一体形のカソード電気導線２０９は、外部回路へのカソード電気経路を提供する。ＬＥＤチップ２０２は、チップの頂部にアノード接合パッドを有しており、この接合パッドは、隔離したアノード電気導線２１０に線結合されたワイヤー２１１であり、アノード電気経路を提供する。
【００８６】
図７ｂには、チップの基部にカソード接点を有するＬＥＤチップである２つの半導体発光エミッタ２０２を保持する１つの実施の形態が概略図で図示されている。チップ２０２は、共通のカード接点と共に、吸熱部材２０４に取り付けられる。一体形のカソード電気導線２０９は、双方のチップ２０２に対するカソード電気経路を形成する。チップ２０２の各々へのアノード接続部が線接合部２１１に形成されて、隔離した電気導線２１０を分離させる。ＬＥＤチップ２０２は、同一又は実質的に相違する型式のものとすることができる。第一及び第二のアノード電気導線２１０を隔離することは、チップ２０２の各々を通って流れる電流を独立的に制御することを許容する。
【００８７】
図７ｂの形態は、チップの後部にカソード電気接点を有しないが、その上面にアノード及びカソード接合パッドの双方を有するＬＥＤチップを使用することを容易にする。これは、青及び緑の放出ＬＥＤに対してサファイア構造体に共通のＩｎＧａＮがある場合である。このようにして、ＬＥＤチップ２０２の一方又はその双方の構造とされる場合、チップ頂部におけるカソード接合パッドを吸熱部材２０４又は一体形のカソード電気導線２０９に接続するため追加の接合線を設けることができる。より多くの隔離したアノード電気導線２１０追加することにより、２つ以上のチップ２０２を使用することが安易となる。
【００８８】
直列に接続したＬＥＤチップの例が図７ｃに図示されている。この例において第一のＬＥＤチップ７０１は、その基部を通して形成されたカソード接続部と、その上面の接合パッドを通して形成されたアノード接続部とを有する形態とされている。第二のＬＥＤチップ７０２は、その基部を通して形成されたアノード接続部と、チップの上面における接合パッドにより形成されたカソード接続部とを有する形態とされている。ＬＥＤ７０１、７０２は、導電性エポキシ又ははんだにより吸熱部材２０４に接続されている。このようにして、ＬＥＤチップ７０１のカソードは、ＬＥＤチップ７０２のアノードに電気的に接続され、その双方は、吸熱部材２０４を通じて一体形の電気導線７０６に電気的に接続されている。ＬＥＤチップ７０２のアノード接合パッドは、線接合部７０３を通じて隔離したアノード電気導線７０７に接続されている。ＬＥＤチップ７０１のカソードは、線接合部７０４を通じて隔離したカソード電気導線７０５に電気的に接続される。ＬＥＤチップ７０２に対してＬＥＤチップ７０１を通る電流を少なくするため外部回路により選択的な分路レジスタ７０８を提供することができる。２つ以上のＬＥＤに供給される電流を制御する更なる外部回路は、ジョン・ロバーツ（Ｊｏｈｎ Ｒｏｂｅｒｔｓ）らによる、１９９９年１０月２２日付けの同時出願の米国特許出願第０９／４２５，７９２号に概説されている。
【００８９】
別の実施の形態において、吸熱部材２０４をパッケージ２００内の１つ以上のＬＥＤ２０２から電気的に隔離することが有益である。これを可能とするためには、パターン化した金属化セラミック部材のような追加的な隔離層をＬＥＤと吸熱部材との間に使用し、電気的隔離を保証することができる。このことは、幾つかのデバイスが直列に使用され且つ共通の金属吸熱体に取り付けられる用途にて有用である。この実施の形態において、全ての電気導線は、吸熱部材から隔離される。ダイの頂部への線接合部を介して隔離した電気導線への陽極及び陰極接続が為される。ＬＥＤの基部との電気的接触が為される場合、絶縁性基板を金属化もしくは金属溶謝し、また、基部との電気的接続のためダイ取り付け部を形成することができ、また、隔離した電気導線と絶縁性基板上の金属化部分とを接続するため線接合部を使用することができる。
【００９０】
幾つかの用途において、外部のバラストレジスタをＬＥＤチップと電気的に直列に使用することなく、一定電圧の供給を通じてＬＥＤに電流を提供することが有用である。吸熱部材の大きい面積は、チップレジスタを基板上に取り付けることを許容する。例えば、内部の電流制限機構を提供し得るようにＬＥＤチップ及び陽極的に隔離した電気導線と直列にレジスタを配置することができる。
【００９１】
封入部分は、主として、半導体発光エミッタ２０２及び線接合部２１１を覆い且つ保護する働きをする材料又は材料の組み合わせである。有用であるためには、封入部分２０３の少なくとも一部分は、半導体発光エミッタ２０２により放出される光線の波長に対して透明又は半透明でなければならない。本発明の目的のため、実質的に透明な封入部分とは、この封入部分が覆う１つ以上の半導体発光エミッタにより放出される、１００ｎｍ乃至２０００ｎｍの範囲のエネルギの任意の波長における全透過量の１０％を示す、平坦厚さ０．５ｍｍの材料を意味するものとする。封入材料は、典型的に、透明なエポキシ、又は別の熱硬化性材料、シリコーン又はアクリレートを含む。これと代替的に、封入部分は、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ＣＯＣ等のようなガラス又は熱可型剤を含むものを考えることができる。封入部分は、室温にて固体、液体又はゲルである材料を含むことができる。封入部分は、日東電工から入手可能なＮＴ３００Ｈのようなトランスファー成形化合物、又は単一の部分又は多数の部分として開始し且つ高温度硬化、２部分硬化、極紫外硬化、マイクロ波硬化等にて加工されるポッティング、封入又はその他の材料を含むことができる。適当な透明の封入部分は、マサチューセッツ州、ビーレリカのエポキシ・テクノロジー（Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、カリフォルニア州、フリーマウントのニットーデンコー・アメリカ・インコーポレーテッド（Ｎｉｔｔｏ Ｄｅｎｋｏ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．）、又はカリフォルニア州、デクスタ・エレクトロニクス・マテリアルズ・オブ・インダストリー（Ｄｅｘｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）から入手可能である。
【００９２】
封入部分２０３は、電気導線２０５、吸熱部材２０４、エミッタ２０２、及び任意の導電性電極線２１１を含む、パッケージ２００の構造的一体化を可能にする。封入部分２０３は、エミッタ２０２を覆い且つ吸熱部材２０４及び導線２０５の一部分を覆い、吸熱部材２０４及び導線２０５の一部分が封入部分の側部又は後部を通って伸びるのを許容する。
【００９３】
封入部分２０３は、エミッタ２０２により放出され且つ吸熱部材２０４の表面により反射された電磁エネルギの部分的な光学的平行化を行い又はその他のビームの形態を提供することができる。例えば、このビームの形態は、平行化、拡散、偏倚、フィルタリング、又はその他の光学的機能を含むことができる。パッケージ２００が複数のエミッタ２０２を含むならば、封入部分２０３は、エネルギを部分的に混合することを可能にすることができる。封入部分２０３は、エミッタ、接合部５０５のような内部接着剤、接合パッド５０２、導体線、線接合部２１１、吸熱部材２０４の内面電気導線２０５を酸素への露呈、湿気又はその他の腐食性ベーパへの露呈、溶剤への露呈、物理的な磨耗又は外傷等に起因する環境的損傷から保護する化学的障壁、シーラント及び物理的シュラウドとしての作用も果たす。封入部分２０３は、電気的絶縁効果を提供する。封入部分２０３は、また、パッケージ２００を機械的に把持し又は配置するための位置をも提供する。更に、封入部分２０３は、二次的光学素子、支持部材、二次的吸熱体等のような隣接する構成要素に対する取り付け又は整合を可能にする。
【００９４】
封入部分の熱膨張率を小さくし、封入部分のガラス遷移温度を上昇させ、又は封入部分の熱伝導率を増すため、封入部分２０３は、フィラー成分を含むことができる。使用されるフィラーの型式は、所望の物理的性質と共に、望まれる光学的効果に多少依存する。
【００９５】
半導体発光エミッタビームの光の拡散が許容可能又は所望であるならば、フィラー成分は、低熱膨張率、高融点、高化学的不活性及び／又は封入部分自体に対する低酸素又は水分透過性等のような所望の性質を呈する封入部分２０３と実質的に異なる屈折率を有する任意の材料とすることができる。これらの所望の性質を有する典型的なフィラー材料は、ＴｉＯ₂、ガラス、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ダイアモンド粉体等を含むことができる。フィラー材料は、幾つかの場合、総封入部分２０３の重量比で７０％まで置換することができるが、より典型的には、１０％乃至３０％の範囲で置換する。
【００９６】
半導体発光エミッタビームの光の拡散を防止するべきならば、当該発明者は、フィラーは、バルク封入材料の屈折率に約±１５％の範囲で適合する屈折率を有する、実質的に透明な材料の粉体材料又はビーズとすることが可能であることが分かった。１つの好ましい実施の形態において、この屈折率が釣合ったフィラーは、総封入部分の重量比で２５％に混合させた５０乃至１３７μｍのＳｉＯ２ビーズを含む。これと代替的に、フィラー材料は、エミッタ２０２により放出された光の波長よりも実質的に小さいナノ粒子から成るものとすることができる。この実施の形態において、ナノ粒子は、バルク封入部分に近い屈折率を示す必要はない。このため、ナノ粒子は、その透明さを実質的に低下させることなく、封入部分２０３の熱的性質を向上させるという有利な点を提供することが可能である。
【００９７】
封入部分２０３は、１つ以上の材料の異種の塊から成るものとし、その材料の各々が封入部分の全体容積の一部分を占め且つ特殊な機能又は性質を示すものとすることができる。例えば、シリコーン「グロブトップ（ｇｌｏｂ ｔｏｐ）」のような応力除去ゲルをエミッタ２０２及び線接合部２１１の上方に配置することができる。かかる局部的な応力除去ゲルは、柔軟で且つ変形可能なままであり、その後の構成要素の加工中に生ずる応力又は熱膨張又は衝撃に起因する応力からエミッタ２０２及び線接合部２１１を緩衝する動きをする。エポキシのような硬質な成形化合物は、次に、応力除去ゲルの上方に形成し、構成要素の色々な特徴が得られるように構造的一体化を実現し、電気導線２０５を保持し、構成要素の内部機構を環境的影響から保護し、半導体発光エミッタ２０２を電気的に絶縁し、また、エミッタ２０２から放出された放射エネルギの色々な光学的調節を行うことができる。
【００９８】
半導体発光エミッタビームの光の拡散が許容でき又は所望であるならば、応力除去ゲルは、エミッタ２０２からの光を拡散する拡散剤を含むことができる。封入部分の応力除去ゲル部分内にて光を拡散させるが、ゲルを取り巻く硬質の成分化合物中では光を拡散させないならば、多数のエミッタ２０２からの光を硬い成形化合物にて形成されたレンズにより実質的に平行化する能力を保ちつつ、平滑な放出パターンを可能にし且つ多数のエミッタからの光を混合する働きをすることができる。応力除去ゲルと混合すべきフィラー成分は、ゲル自体に比して低熱膨張率、高融点、高化学的不活性さ及び／又は酸素又は水分の低透過性のような望ましい性質をも呈する、応力除去ゲルと実質的に相違する屈折率を有する任意の材料とすることができる。これらの望ましい性質を有する典型的なフィラー材料は、ＴｉＯ₂、ガラス、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ダイヤモンド粉体等を含むことができる。フィラー材料は、幾つかの場合、全ゲルの重量比で７０％以内、より典型的には、１０％乃至３０％の範囲にて置換することができる。
【００９９】
応力除去ゲル内で使用されるフィラーは、ダイヤモンド粉体のような高熱伝導率の材料を含むことができる。ダイヤモンドは極めて高熱伝導率を有する化学的に不活性な物質である。応力除去ゲル中にダイヤモンドが存在することは、ゲルの熱伝導率を顕著に増大させ、ＬＥＤチップ２０２内で発生された熱がチップの基板を通じる以外、吸熱部材２０４に達するための追加的な経路を提供する。多くのＬＥＤチップにおいて、発光Ｐ−Ｎ接合部は、ＧａＡｓのような熱抵抗の大きい基板上に製造される。このため、接合部にて発生された熱が応力除去ゲルを通じて吸熱部材２０４に達するための追加的な経路は、エミッタの効率を向上させることになる。
【０１００】
別の実施の形態において、全体的な封入部分２０３の一部分は、実質的に不透明の材料で形成することができる。図８に図示するように、封入部分の第一の部分８０１は、各電気導線２０５の一部分を覆い且つその電気導線２０５を吸熱部材２０４に対する所定の位置に保持する働きをする材料から成っている。この第一の部分は、ＬＥＤチップ（隠れている）、チップに接続された線接合部（隠れている）、及びチップの直ぐ近くにある吸熱部材２０４の任意の重要な光学的増強面を覆わない。このため、この材料は、チップから放出された光線に対して透明又は半透明である必要はない。封入部分２０３の第二の部分８０４は、透明又は不透明であり、ＬＥＤチップ及び線接合部を覆う。この実施の形態において、不透明な封入材料は、封入部分２０３の大部分を構成することができる。上述したように、幾つかの不透明な封入部分は、透明な封入部分よりも優れた機械的、化学的及び熱的性質を有しており、最も過酷な用途にて改良された耐久性を持つ電気導線の保持機能を提供するのに有用である。この実施の形態において、幾つかの不透明な封入部分の優れた特徴の多くは、ＬＥＤチップから放出された光がデバイスから出るための機構を提供しつつ、実現することができる。
【０１０１】
別の実施の形態において、染料又は顔料を封入部分の透明な部分内に混合し又は分散し、デバイスの外観を変更し、又は発光エミッタにより放出され且つデバイスから出る光線のスペクトルを調節し又は増強することができる。こうした機能に適した染料は、当該技術分野の当業者に周知のスペクトル選択可能に光を吸収する染料又は色素を含むことができる。蛍光染料、顔料又は蛍光団を封入部分中に、より具体的には、応力除去ゲル中に使用し、本発明の幾つかの実施の形態にて望ましいように、発光エミッタにより放出されたエネルギを吸収し且つそのエネルギをより低波長にて再放出することができる。
【０１０２】
図２を参照すると、エミッタ２０２により放出されたエネルギは、封入部分の表面２０３ａを通って進み且つデバイスから出て、周囲環境に入る。表面２０３ａは、図２に図示するように、平面として形成し、又はこれと代替的に、放出された光線の望ましい放出パターンに依存して、図４に参照番号４０１で示すように、ドーム形状のような色々な形状としてもよい。殆どの半導体発光エミッタは、デバイスの利用性を最大にすべく光学的に改変しなければならない実質的にランバート（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）パターンにて光線を放射する。これを実現するためには、封入部分の表面は、例えば、図９ａに図示するように球状凸形のコリメータ、図９ｄに図示するように非球状の凸形のコリメータ、又は図９ｂに概略図的に図示するように、フレネルレンズ、ＴＩＲレンズ、キノフォーム、二元光学要素、ＨＯＥ等の形態に形成されるならば、放出された光線に対するコリメータとして使用することができる。封入部分の表面は、図９ｃに概略図的に図示するように、テクスチャー化した表面、構造的ディフューザ、立体形ディフューザ、ホログラフィックディフューザ等のような形態とされるならば、ディフューザとして代替的に又は追加的に機能することが可能である。当該技術分野の当業者が理解し得るように、光学素子４０１（図４）は、カップ３０１（図３）と協働して作用し、所望の用途に対するデバイスの放出パターンを調節する機能を果たす。
【０１０３】
【発明の製造方法】
次に、発光エミッタパッケージの製造方法について図２乃至図４、及び図１０乃至図１３を参照しつつ説明する。
【０１０４】
リードフレーム１１０１（図１１）の製造は、図１２ａに図示するように、共通の金属ストリップ又は金属プレート１２００から開始する。金属ストリップ１２００は、薄い部分１２０２及び厚い部分１２０１を保持することが好ましい。この薄い部分は、電気導線を形成するために主として使用し、厚い部分は、吸熱部材を形成するために主として使用する必要がある。金属ストリップ１２００の断面は、図１２ｂに図示されている。部分１２０１、１２０２の相違する厚さは、多岐に亙る方法にて形成することができる。例えば、均一な厚さの金属ストリップは、ダイを通じて圧延し、このダイは、ストリップの一部分を選択的に圧縮する。図１２ｂに図示するように、かかる方法により可変厚さの断面を有する一般的な中実な金属ストリップが得られるであろう。これと代替的に、厚さの異なる２つの金属ストリップを図１２ｃに図示するように共に接合し且つ継手１２０３にて接続することができる。継手１２０３は、溶接、はんだ付け等により形成することができ、継手１２０３の厚さ間の変化は、リードフレームの所期の用途に依存して、急激とし又は平滑とすることが可能であることを理解すべきである。
【０１０５】
厚い金属部分１２０１及び薄い金属部分１２０２は必ずしも同一の組成である必要はない。例えば、薄い金属部分１２０２を鋼にて形成し、厚い金属部分１２０１を銅にて形成することができる。また、金属部分１２０２、１２０１に対し金属材料を使用することは、通常、好ましいが、必ずしも必須ではない。電気導線２０５の製造に適した任意の導電性材料を薄い金属部分１２０２に使用し、吸熱部材２０４の製造に適した任意の熱伝導性材料（例えば、セラミック）を厚い金属部分１２０１に使用することができる。最後に、金属ストリップ１２００は、２つの厚さの異なる部分から成るものとする必要はないことを理解すべきである。吸熱部材と同様の厚さの電気導線を保持するリードフレームは、依然として、電気導線２０５が半導体発光エミッタ２０２から熱エネルギを吸収するための主要経路を形成しない限り、本発明の範囲及び精神に属するものである。図１６乃至図１９、図２１及び図２３に図示した代替的な実施の形態の製造を容易にするため、金属ストリップ１２００は、多数の厚さを有する２つ以上の部分から成るものとすることができる。何れの場合でも、１つ以上の金属材料又は均一な厚さ又は異なる厚さの非金属材料にて金属ストリップ１２００を製造する結果、本発明の目的のため、一体形の金属ストリップと定義されるものとなる。
【０１０６】
一体形の金属ストリップ１２００によりリードフレームを形成することは、一般的なダイ押抜き法又は圧延法により行われる。リードフレームの製造技術の当業者に周知であるこの方法は、押抜き、コイニング、穿孔、及び一体形の金属ストリップ１２００から材料を除去し、整形し、押抜きし、曲げ、圧縮し又はその他、リードフレーム２０１（図１３）の所望の形状にする方法の色々な段階を含む。特に、電気導線（２０９、２１０）を取り巻く材料を除去し、これらの材料の一部分を互いに隔離し且つ隔離した電気導線２１０を吸熱部材２０４から分離する。更に、反射器カップ３０１、スロット、タブ、上述した貫通穴を一体形の金属ストリップ１２００の厚い金属部分１２０１に押抜きすることができる。
【０１０７】
リードフレーム２０１を製造する時点にて、色々なタイバー３０３をリードフレーム２０１上に残し、電気導線（２０９、２１０）及び吸熱部材２０４を互いに機械的に接続し、最終的なデバイスのその後の製造中、その相対的位置を保持する。タイバー３０３は、幾つかのリードフレーム２０１を互いに接続する作用可能である。このことは、幾つかのデバイスを同時に大量生産することを容易にし、このデバイスの製造方法のコストを削減し且つその生産能力を向上させる。
【０１０８】
金属ストリップ１２００を一連のリードフレーム２０１に形成した後、これらのリードフレームは、多岐に亙る材料にて完全に又は選択的にめっきし又は被覆し１１０２、熱放出率を向上させ、光学的性質を改良し、はんだ付け性を改良し、又は腐食性を持たせることができる。しかし、当該技術分野の当業者は、このめっきの一部分又は全ては、リードフレームの製造前に行うことができることが理解されよう。
【０１０９】
この説明のためＬＥＤチップであると想定した半導体発光エミッタ２０２は、次のようにしてリードフレーム２０１に取り付ける。好ましくは、図１３に図示したタイバー３０３により取り付けられたリードフレームのストリップは、デバイスの大量生産のために使用される。次に、例えば、吸熱部材に押抜きした反射性カップ３０１にＬＥＤチップを取り付けるべき位置にて、ダイを取り付けるのに適した導電性エポキシ又はその他の材料を吸熱部材２０４上に分配する１１０３。次に、好ましくは、自動的なダイ取り付け装置１１０４を使用してＬＥＤチップをダイ取り付け材料上に配置する。次に、このダイ取り付け材料を使用する材料に適した方法により硬化させる。
【０１１０】
ＬＥＤダイ２０２を吸熱部材２０４に取り付けた後、電気導線に対するＬＥＤダイ上における電極の接合パッドから線接合部を形成する１１０５。線接合部は、金線により熱音波性ボール接合法を使用して形成することが好ましい。しかし、超音波ウェッジ接合法のような、代替的な接合技術を使用する場合のように、アルミニウム又はその他の線材料を使用することも適している。
【０１１１】
応力除去ゲルを使用すべき場合（選択的な任意のフィラー、ディフューザ、及びその内部に配置された同様のものと共に）、次に、ＬＥＤチップ及び線接合部上にゲルを分配し１１０７、次に、ゲル材料に適した方法により硬化させる。
【０１１２】
次に、電気導線２０５及び吸熱部材２０４の一部分を覆い且つ上述した色々な一体化、保護、光学的及びその他の機能を提供するためＬＥＤチップ２０２及び線接合部２１１を覆うように、封入部分２０３（選択的な任意のフィラー、ディフューザ、及びその内部に配置された同様のものと共に）を形成する。
【０１１３】
封入部分２０３は、封入部分の成形、ポッティング、鋳造、樹脂トランスファー成形、インサート成形等のような、当該技術分野にて周知の多岐に亙る方法により形成することができる１１０８。
【０１１４】
成形過程が完了した後、タイバー３０３をリードフレーム２０１から除去し、電気導線２０５を電気的に隔離し且つ個別のパッケージを互いに分離する。一般に一体化として既知のこの過程は、電気導線２０５及び吸熱部材２０４に接続する箇所点にてタイバー３０３をせん断するダイ又はその他の切断機構内にデバイスが配置されるせん断工程１１０９により行われる。
【０１１５】
デバイスを保持する装置の大量生産を容易にするこのデバイスの製造の最終的なステップは、均一に隔てられた間隔１１１０にて個別のデバイスを連続的なテープに接着させることである。一般にテープアンドリール又はテープアンドアモパッケージ法と称されるこのパッケージング法は、電子的アセンブリの業界の標準に従った形態とされた自動的な挿入又は配置装置にその後に装填することを容易にする。デバイスをテープ付きの形態のパッケージにするこの過程は業界にて十分に理解されている。
【０１１６】
【実施例】
本発明の使用を示す特定の実施の形態の一例は次の通りである。
この実施例におけるリードフレーム２０１は、封入部分２０３の一側部から伸びる３つの導線２０５と、反対側部から伸び且つ封入部分２０３の後部を通じて露出される吸熱部材２０４の一部分とを備える構造とした。この形態は図３及び図４に図示されている。吸熱部材２０４の全体は、全体として矩形の形状であり、長さ１３ｍｍ及び厚さ１．３５ｍｍである。吸熱部材の一部分は封入部分２０３から６ｍｍ伸びており、幅は１１ｍｍである。タブは直径２ｍｍの取り付け穴を保持する。封入部分２０３により覆われた吸熱部材の残りは、８ｍｍ幅の修正した矩形の形状体であり、導線に最も近い吸熱部材の端部から２ｍｍの点に中心が設定されたカップ３０１を保持している。このカップは、全体として楕円形の形状であり、基部にて０．６４ｍｍの幅及び１．３ｍｍ長さであり、また、深さは０．８８ｍｍである。カップの壁は、法線から底面まで測定したとき、３２．６゜のドラフト角度を有する。
【０１１７】
この実施例において、３つの電気導線２０５が存在し、中間の陰極電気導線２０９は吸熱部材と一体とされ、残りの２つの導線２１０は電気的に隔離されている。導線は０．５１ｍｍ厚さ×０．８７ｍｍ幅であり、分離部分の着座面から導線がデバイスの封入部分に入る箇所点まで測定したときの長さは約９ｍｍである。導線２０５及び吸熱部材は単一の銅片にて製造した。リードフレーム２０１の全体はニッケル及びパラジウムめっきにて被覆した。
【０１１８】
この実施例にて２つの赤−橙ＬＥＤエミッタが使用される。これらエミッタの各々は、約６１５ｎｍの波長にて最高放出量のＧａＡｓ基板上に０．４０６４ｍｍ（０．０１６インチ）×０．４０６４ｍｍ（０．０１６インチ）の寸法にて形成されたＡｌＩｎＧａＰ ＬＥＤダイである。マサチューセッツ州、ディエマット（Ｄｉｅｍａｔ）から入手可能な導電性ダイの取り付けエポキシ６０３０ＨＫを使用して、その双方のエミッタダイ２０２をカップ３０１の基部にて吸熱部材２０４に接合した。双方のダイの電極を中央の一体形の陰極電気導線２０９に電気的に接続するダイ取り付け部５０５を通じてその双方のエミッタダイ２０２の基部にて陰極接点を形成する。各ダイの頂部における円形の接合パッド５０２は、ダイの各々に対する陽極接続を容易にする。ダイの各々のアノードを各ダイに最も近い隔離した電気導線２１０に接続する線ウェッジ接合部を形成すべく直径０．０７６２ｍｍ（０．００３インチ）アルミニウム／１％シリコーンの線を使用した。
【０１１９】
次に、封入部分成形法を使用してそのアセンブリを透明なエポキシ内で封入した。マサチューセッツ州、エポキシテクノロジーインコーポレーテッド（Ｅｐｏｘｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．）から入手可能な透明なポッティング成形エポキシ３０１−２ＦＬをリードフレーム上で所望の形状に成形し且つ硬化させた。形成される封入部分の形状は、図３に図示されている。具体的には、この封入部分は、幅１０ｍｍ×高さ９ｍｍ×厚さ３．８ｍｍの全体として矩形の断面から成っている。矩形の部分の頂部に配置され且つこの実施例にてカップ上に中心決めされたレンズ４０１は、約２．５ｍｍの曲率半径及び約５．０ｍｍの開口を有する球状凸形面である。レンズの先端からダイの頂部までの距離は約４．９ｍｍとした。
【０１２０】
２つの別個の電源を使用して２つの隔離した陽極電気導線の各々に別個に制御された正電圧を印加することにより、このデバイスの性能を測定した。電源の正端子と隔離した各陽極電気導線２１０との間に１０オームバラストレジスタを直列に配置し、各エミッタ２０２を通る所望の電流を確立した。各電源の負の端子を互いに且つ共通の中央陰極一体形電気導線２０９に接続した。飛散した総電力対デバイスの相対的放射量を商業的に利用可能な従来技術のはんだ付け可能なパワーＬＥＤと比較したときのプロット図が図１４に図示されている。図示するように、本発明は、従来技術のデバイスの電力の約５倍の量の飛散が可能である。図１５はデバイス２００からの光放射の分配状態を示す強度対角度を示すプロット図である。
【０１２１】
図１４を再度、参照すると、このプロットの相対的な照度は、電力が増すに伴い漸近最大値まで特徴的に指数関数的に増加することを理解される。相対照度にて達したこの漸近最大値は、研究中の半導体発光エミッタの最大有効電力容量を表わす。この図面に図示した相対照度は、比較目的のため、約２０ｍＷにて正規化されることを理解すべきである。熱平衡状態、すなわち少なくとも５分間の長時間、安定状態で特定の電力が印加された後、相対照度を更に測定したことを更に理解すべきである。研究した２つのデバイスの場合、約１６０ｍＷ及び９００ｍＷにて漸近最大値が得られたが、これら測定値は、それ自体プリント回路板又は吸熱体に取り付けられず、デバイスを熱的に隔離すべく高熱抵抗接続部を使用する試験中のデバイスにも当て嵌まることを理解すべきである。実際的に説明して、各デバイスの電気容量のより有効な定格値は、半導体発光エミッタの実際的な有効電力容量であり、これは、デバイスがその最高相対照度の約７５％を放出するときの電力に等しいと我々は推定する。
【０１２２】
図１４に図示したデバイスの場合、これら実際的な有効電力容量はそれぞれ約１４０ｍＷ、６７５ｍＷである。図示した性能振舞いは、接合部と吸熱を行わない約３００°Ｃ／Ｗの周囲状態との間に熱抵抗を有するデバイスと一致し、また、約２．１ボルト順電圧を有するエミッタを保持するデバイスに対して約６５ｍＡ及び約３００ｍＡの実際的な電流容量に更に相応する。
【０１２３】
半導体発光エミッタパッケージは、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに多岐に亙るリードフレーム、エミッタ及び封入部分の形態にて形成することができる。比較目的のため、本明細書に記載した教示に従って製造したデバイスは、好ましくは約１５０ｍＷ乃至約３００ｍＷ、より好ましくは約６００ｍＷ乃至約８００ｍＷの範囲の最大の実際的な電力容量にて具体化可能であり、この範囲は吸熱型型式の場合、約１．０Ｗ乃至１．５Ｗ以上とすることができる。
【０１２４】
本明細書に記載した教示に従って製造したデバイスは、約２００゜Ｃ／Ｗ以下乃至約２５０゜Ｃ／Ｗ、より好ましくは約１００゜Ｃ／Ｗ以下乃至約２５゜Ｃ／Ｗ以下、吸熱型形態に対し約１５゜Ｃ／Ｗ以下とすることができる、接合部から周囲状況への熱抵抗を示すものであることが好ましい。
【０１２５】
本明細書に記載した教示に従って製造し且つ可視光を放出可能な形態とされたデバイスは、約１ルーメン乃至２．５ルーメン以上の光束を放射し、より好ましくは約４．０ルーメン乃至６．０ルーメンの光束を放射し、また１０．０ルーメン以上の光線を放射するものであることが好ましい。
【０１２６】
【代替的な実施の形態】
本発明を検討するならば、当該技術分野の当業者は、上述した実施例に加えて、本発明の多数の色々な形態及び実施の形態が可能であることが理解されよう。電気導線２０５の数、電気導線の方向を変更し、異なる導線の曲げ形態を採用し、吸熱部材２０４の寸法、形状及び方向を変更し、色々な型式の多数のエミッタ２０２を使用し且つ封入部分の形態２０３を変化させることにより、サイドルッカーの形態、エンドルッカーの形態及びスルーホールデバイス又は直付けデバイスにて使用可能であるように本発明の形態を設定することが可能である。色々なデバイス及びアセンブリの形態に適用し得るようにする本発明の自由度を示すべく代替的な実施の形態について以下に記載する。これらの実施の形態は、可能な代替的な形態の一例にしか過ぎず、本発明の範囲を明示的に説明したこれらの形態に限定するものと解釈すべきではない。
【０１２７】
図１６ａには、吸熱部材２０４の両側部から２つの電気導線が伸びる１つの実施の形態が図示されている。１つの電気導線２０９は、吸熱部材２０４に機械的に且つ電気的に取り付けられた一体形の電気導線である一方、反対側の電気導線２１０は隔離した電気導線である。２つのＬＥＤチップ２０２は、吸熱部材２０４に押抜いたカップ３０１内に取り付けられ、ダイの基部に配置された各ダイ２０２のカソードと一体的な電気導線２０９との間の電気的接点を形成する。双方のダイ２０２は同一の形態となるように組み立てられ、このため、各ダイのアノードは、線接合部２１１を介して同一の隔離した電気導線２１０に電気的に接続することができる。図１６ｂには、図１６ａに図示したリードフレーム上に形成された封入部分２０３が図示されている。図示するように、導線２０９、２１０は封入部分２０３の両側部から伸び、吸熱部材は、導線２０９、２１０が貫通して伸びる側部に対し直角の２つの両側部から伸びている２０４。円筒状の切欠き１６０１が吸熱部材２０４及び封入部分中に存在し、自動的な挿入装置による把持を容易にする。ＬＥＤチップ２０２から放出される光を部分的に平行にし得るように吸熱部材２０４内でカップ３０１の上方に中心決めされた封入部分２０３内にレンズ４０１が存在する。
【０１２８】
図１６と同様の１つの実施の形態が図１７ａ、図１７ｂ、図１７ｃという３つの図面に図示されている。この実施の形態において、２つではなくて４つの電気導線２０５が設けられている。電気導線２０５は光の放出方向に向けて前方に９０゜曲げられている。このデバイスは、プリント回路板に取り付け且つ回路板の方向に光を放射する構造とされている。分離部分１７０１は、レンズ４０１の頂部と回路板の面との間の距離を正確に整合させることを許容する。典型的に、光線を照射することを許容し得るよう回路板には穴が形成される。この形態は、デバイスの制約のため回路板を通じて光を照射することを必要とするとき有用であることがよくある。図１８に図示するように、導線２０５を反対方向に曲げることは、光線の方向が回路板の面から反対方向を向く典型的なエンドルッカーの形態を可能にする。実施の形態の背面図である図１７ｃに図示するように、吸熱部材２０４は、封入部分の２つの側部から伸び且つ封入部分２０３の後部を通じて露出され、熱を放射するための大きい露出表面積を許容する。
【０１２９】
直付け型アセンブリに適した１つの実施の形態が図１９ａ及び図１９ｂに図示されている。この吸熱部材２０４は、図１６及び図１７に図示した実施の形態と同様の形態とされているが、カップ３０１は３つのエミッタを保持し得るように拡張されている。全ての電気導線は隔離した電気導線２１０であり、回路板から導線を通じてエミッタへの熱抵抗を最大にする。その各々が線接合部１９０５及び電気導線１９０１を通じて吸熱部材に電気的に且つ機械的に接合されたダイの基部を通じて各ダイのカソードに対する電気接点が形成されている。各ダイ１９０９、１９１０、１９１１のアノード接点は、線接合部１９０６、１９０７、１９０８を通じ且つ電気導線１９０２、１９０３、１９０４を通じてそれぞれ形成される。電気導線は、回路板への直付けを許容し得るように図示するように曲げられている。封入部分２０３は、カップ３０１の真上に形成されたレンズ４０１にてリードフレーム２０１を覆う。吸熱部材２０４は、封入部分の２つの側部から外に伸び且つ後部から露出される。この形態は、３つのダイ１９０９、１９１０、１９１１が赤、青及び緑の波長をそれぞれ放出するときに特に有益である。各ダイに対する電流は、隔離した電気導線１９０２、１９０３、１９０４を通じて独立的に制御し、赤、青及び緑色の比の組み合わせにより形成される光の放出を許容することができる。周知であるように、所望の任意の色の光を発生させ得るように赤、青及び緑色の組み合わせを使用することができる。このため、この実施例のデバイスは、任意の所望の色の放出光を発生させるために使用することができる。かかるデバイスは、大型のスタジアム又は同様の場所にて使用される大型の表示板又はＴＶスクリーンを建設するとき特に有用である。
【０１３０】
図２０には、導線２０５が主要な光の放出方向から９０゜曲げられる点を除いて上述した図３と同様の実施の形態が図示されている。導線を曲げたこの簡単な形態は、デバイスをエンドルッカーの形態にて使用することを許容する。スルーホールアセンブリとして図示されているが、導線２０５は、直付けアセンブリを支持し得るように図１９と同様に曲げることができる。
【０１３１】
図２１に図示した実施の形態において、２つの隔離した導線２１０は、封入部分２０３の一側部から伸び、吸熱部材２０４は反対側部から伸びている。第三の一体的な電気導線２０９は吸熱部材２０４から伸びている。吸熱部材２０４と一体形の電気導線２０９との間の接合は、封入部分２０３の外部にて行われる。この実施の形態は、構造上の理由のため、デバイスの少なくとも２つの側部からはんだ付けすることによりデバイスを保持することを必要とするとき、エンドルッカーの形態用のものとすることができる。
【０１３２】
図２２に図示した実施の形態は、色々な有利な点を実現するため吸熱部材２０４又は導線２０５に対して行うことができる多くの改変例を示す。デバイスを取り付け、吸熱部材２０４の表面積を増大させ、従って熱放射量を増すため吸熱部材２０４には穴２２０２が設けられている。吸熱部材２０４に追加されたフィン２２０１は、また、吸熱部材２０４の表面積を増大させる。タブ２２０４はその容積及び寸法を増し得るように２０４吸熱部材から伸びている。これらタブ２２０４は、組み立て中に幾つかのリードフレーム２０１を共に保持するために使用されるタイバー３０３の残りとすることができる。導線２０５のＳ字形の曲げ部分２２０３は、導線２０５と該導線を保持する封入部分２０３との間の継手に過剰な応力を加えることなく、導線を色々な角度に曲げることを許容する。最後に、分離部分１７０１は、パッケージを該パッケージが挿入される回路板の上方の特定の高さにて整合させる働きをする。
【０１３３】
図２３には、この図面において、吸熱部材２０４は楕円形の形状であり、封入部分２０３の後側部を通じてのみ露出される点を除いて、図１７と同様の別の可能な形態が図示されている。
【０１３４】
図２４を参照すると、本発明の１つの重要な特徴は、能動的又は活性な吸熱体（全体として参照番号２４０２で表示）をパッケージ２００に取り付け且つデバイスの性能を顕著に介入する能力である。能動的な吸熱体をデバイスの吸熱部材に取り付けることは、隔離したデバイスよりも大きくデバイスの熱容量を顕著に増大させることになる。更に、その表面積を増大させるべくフィン２４０４を内蔵する吸熱体は、パッケージの吸熱部材に取り付けたとき、周囲環境への熱の放射を顕著に改良する働きをする。この適用例に適した吸熱体は、ニューハンプシャー州、コンコールドのアビットサーマルプロダクツインコーポレーテッド（Ａａｖｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．）から入手可能である。パッケージに吸熱体を追加することは、その電力飛散能力を５０％以上増大させることになる。
【０１３５】
ペルチェ効果を利用する熱電気冷却器のような、能動的な冷却機構を使用することは、デバイスの電力飛散能力を著しく増大させることができる。この場合、図３に図示したような本発明の形態は、熱電気冷却器を取り付けることができる吸熱部材の大きい表面を露出させることになる。本発明において、熱電気冷却器は、所定の極性の場合、熱電気冷却器の冷却器側が吸熱部材に熱的に接合されるように、パッケージに取り付けられる。冷却器の反対側部は、受動的な吸熱体に、又はその他の大きい熱容量の構造体に取り付けることができる。
【０１３６】
熱電気冷却器モジュールは、典型的に、２つのセラミックプレートの間にてＰ及びＮ被覆したビスマステルライドダイスの列を挟持することにより製造されるが、異なる半導体材料も使用可能である。交番的なＰ及びＮダイは、セラミック自体によりセラミックの内面上に、金属被覆トレースにより電気的に直列に且つ熱的に並列に接続される。ダイに電流を流すと、セラミックの２つのプレート内に温度差が生じる。このような構造とされた熱電気冷却器は、一般に、コンピュータＣＰＵのようなエレクトロニクス構成要素の冷却のために使用される。熱電気冷却器は、ニューハンプシャー州、ナッシュアのアドバンスト・サーモエレクトロニクスのプロダクツ・インコーポレーテッド（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）から商業的に入手可能である。
【０１３７】
かかる受動的又は能動的吸熱体に対する吸熱部材の効果的な熱接続を容易にするため、本発明の１つの代替的な実施の形態は、吸熱部材の露出した表面上に取り付けられ、又は該表面上に配置された、追加的な吸熱パッド又は熱的に活性化された吸熱化合物を含むことができる。かかる熱接続剤又は層は、ゲル又は固体の形態をとることができ、また、接着剤としての追加的な役割を果たすことができる。かかる追加的な層は、デバイスの封入部分を形成した後の任意の時点にて本発明の半導体発光エミッタについて上記に開示した製造方法に組み込むことができる。かかる熱接続層がゲルの形態をとる場合、後の時点にてデバイスをアセンブリ内に取り付ける迄、デバイスの製造時に層を覆い得るように熱的に活性化させた相変化熱接続パッド、又は感圧接着剤を保持する中実材料、剥離ライナーを採用することができる。
【０１３８】
本発明のデバイスの特徴的な高電力容量、製造可能性及び熱効率は、独立的な機能を有する２つ以上の電気導線、及び異なる型式の２つ以上の半導体発光エミッタを組み込むその性能上の適性と組み合わせて、本発明を半導体照射及び電力の信号表示の用途にとって特に有用なものとする。本発明の１つの関連する実施の形態において、半導体発光デバイスは、ＬＥＤ白色源として機能する。この構造のデバイスは、ランプの白色光源として単独で又は列状に使用し、又はこれと代替的に極高強度、直視型の白色インジケータとして使用することができる。これを実現する３つの方法は、特に重要である。
【０１３９】
白色照明器の第一の実施の形態において、該デバイスは、エミッタとして複数の可視光放出ＬＥＤチップを保持しており、このため、ＬＥＤチップの少なくとも１つにより放出された光が放射され且つ別のＬＥＤチップにより放出され且つ放射される光と混合されて、ターンベル（Ｔｕｒｎｂｕｌｌ）らへの米国特許第５，８０３，５７９号の教示に従って、二元の相補的な白色光を形成する。約５８０乃至６１０ｎｍの範囲の最高放出波長を有するＬＥＤチップは、約４８０乃至５１０ｎｍの範囲の最高放出波長を有するＬＥＤチップと共に使用し、かかる二元の相補的な追加の色混合体を実現する。この構造のデバイスは、ランプ用の白色光源として又は代替的に、極めて高強度、直視型インジケータとして単独で又は列状に使用することができる。２つのチップが上述したように互いに逆極性であり、また、図７ｃに図示するようなデバイスの電気的形態とされるならば、デバイスによって放射される白色光の色度及び色の温度は、選択的な分路レジスタ７０８の値を調節し、又は分路レジスタを省略し且つ外部回路（図示せず）を介して電気導線７０５、７０６を通って吸引される相対的な電流を操作することで調節することができる。
【０１４０】
白色照明器の形態の第二の型式において、デバイスは、エミッタとして複数の可視光の発光ＬＥＤチップを保持しており、このため、少なくとも１つのＬＥＤチップにより放出された光は、ＬＥＤの他方の２つにより放出され且つ放射された光と混合され、ＲＧＢのような三元的な相補的な白色照明光を形成する。この構造のデバイスは、照明用の白色光源として又は代替的に、極高強度、直視型のインジケータとして単独で又は列状に使用することができる。これら３つのチップの２つが、上述したように互いに対し逆電気極性であり、また、図７ｃに図示するようにデバイス内で電気的な形態とされるならば、デバイスが放出する白色照明光の色度及び色の温度は、選択的な分路レジスタ７０８の値を調節し、又は分路レジスタを省略し且つ外部回路（図示せず）を介して電気導線７０５、７０６を通って流れる相補的な電流を操作することにより調節することができる。
【０１４１】
白色照明器の実施の形態の第三の型式において、デバイスは、デバイスの封入部分内に保持された蛍光媒質（例えば、蛍光塗料又は蛍光団）と組み合わせたエミッタとして、５５０ｎｍ以下の最高放出光を有する１つ以上のＬＥＤチップを保持している。この型式において、少なくとも１つのＬＥＤチップにより放出された幾つかの光は、蛍光媒質により吸収され且つ１つ以上のより長い可視光源の波長にて再度放出され、その再放出された光は、単独にて、又はその媒質により吸収されない、放出された光と組み合わされて再放出され、白色照明光を形成する。
【０１４２】
上述した本発明の白光色の実施の形態による第一及び第二の型式において、当該発明者は、特に有用な光学的形態を見出した。例えば、図４、図１６ｂ、図１７、図９ｂ及び図２２を参照すると、レンズ表面４０１は、デバイス内の複数のエミッタにより放出された可視光を平行化し且つ混合することを可能にし得るよう最適化することができる。この最適化は、１）レンズ表面の外方凸形の曲率半径を小さくするか又はレンズの表面の焦点距離近くのエミッタからある距離にこの表面を配置することにより、パッケージから放出されるビームの強さを増大させることと、２）レンズ表面の外方凸形の曲率半径を増大させるか又はレンズ表面の焦点距離から可能な限り離れた距離にこの表面を配置することにより、レンズ表面の結像スポットの寸法を大きくし且つビームの混合状態を改良することとを含む。本発明の１つの好ましい実施の形態において、レンズ表面４０１は、曲率半径が約４．２５ｍｍ±１．０ｍｍの凸形レンズであり、レンズの開口は約６．５乃至１０．５ｍｍであり、レンズ表面４０１の頂部すなわちクラウン部分とエミッタの頂部との間の距離は約５．５ｍｍ±１．０ｍｍである。
【０１４３】
本発明の実施の形態を図示し且つ説明したが、これは、こられ実施の形態が本発明の全ての可能な形態を図示し且つ説明することを意図するものではない。そうではなくて、本明細書にて使用した用語は、限定ではなくて説明のための語であり、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに色々な変更が具体化可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 色々な理論上のパッケージの設計に対する電流対放出された光束のグラフである。
【図２】 半導体発光エミッタパッケージの全体的な概略図である。
【図３】 封入部分が存在せず且つ一体化する前の半導体発光エミッタパッケージを示す図である。
【図４】 図３の実施の形態による封入し且つ一体化したパッケージを示す図である。
【図５】 エミッタの斜視図である。
【図６】 エミッタの断面図である。
【図７】 ７ａは、色々なエミッタの電気的形態の概略図である。
７ｂは、色々なエミッタの電気的形態の概略図である。
７ｃは、色々なエミッタの電気的形態の概略図である。
【図８】 半導体発光エミッタパッケージの１つの代替的な実施の形態の図である。
【図９】 ９ａは、レンズの形態の図である。
９ｂは、レンズの形態の図である。
９ｃは、レンズの形態の図である。
９ｄは、レンズの形態の図である。
【図１０】 半導体発光エミッタパッケージにて使用されるリードフレームの一部分の断面図である。
【図１１】 半導体発光エミッタパッケージの製造方法を示すフローチャートである。
【図１２】 １２ａは、リードフレームの製造に使用される一体形の金属ストリップを示す斜視図である。
１２ｂは、リードフレームの製造に使用される一体形の金属ストリップを示す断面図である。
１２ｃは、リードフレームの製造に使用される一体形の金属ストリップを示す断面図である。
【図１３】 タイバーにより接続された一組みのリードフレームを示す図である。
【図１４】 半導体発光エミッタパッケージ対従来技術のＬＥＤに対する相対的照射量対電力の飛散を示すグラフである。
【図１５】 半導体発光エミッタパッケージに対する理論上の強度対角度のプロット図である。
【図１６】 １６ａは、封入部分を有する、半導体発光エミッタパッケージの代替的な実施の形態である。
１６ｂは、封入部分が存在しない、半導体発光エミッタパッケージの代替的な実施の形態である。
【図１７】 １７ａは、半導体発光エミッタパッケージの別の代替的な実施の形態を示す図である。
１７ｂは、半導体発光エミッタパッケージの別の代替的な実施の形態を示す図である。
１７ｃは、半導体発光エミッタパッケージの別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図１８】 半導体発光エミッタパッケージの別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図１９】 １９ａは、封入部分を有する、半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
１９ｂは、封入部分が存在しない、半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図２０】 半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図２１】 半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図２２】 半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図２３】 半導体発光エミッタパッケージの更に別の代替的な実施の形態を示す図である。
【図２４】 吸熱体に取り付けられた半導体発光エミッタパッケージの図である。

Claims (5)

1. 半導体光線放出装置において、
   少なくとも１つのＬＥＤチップと、
   前記少なくとも１つのＬＥＤチップから装置外の主要な熱経路を提供する吸熱部材であって、前記少なくとも１つのＬＥＤチップが前記吸熱部材の上に直接、接合されている、前記吸熱部材と、
   前記少なくとも１つのＬＥＤチップに電気的に接続された２つ以上の電気導線であって、前記少なくとも１つのＬＥＤチップから装置外の第二の熱経路を提供し、該第二の熱経路が前記主要な熱経路よりも大きい熱抵抗を有する前記２つ以上の電気導線と、
   前記少なくとも１つのＬＥＤチップ、前記電気導線の少なくとも一つの一部分、及び前記吸熱部材の一部分を覆うように形成された封入部分とを備え、
   前記電気導線及び前記吸熱部材の全体が実質的に同一の材料から成り、
   前記吸熱部材は前記封入部分の側部から延び且つ前記封入部分の後部を通じて露出されている、半導体光線放出装置。
2. 請求項１の半導体光線放出装置において、前記電気導線の少なくとも１つが吸熱部材の一体的な伸長部である、半導体光線放出装置。
3. 請求項１の半導体光線放出装置において、リードフレームを備え、該リードフレームが吸熱部材と電気導線とから成り、前記ＬＥＤチップと電気導線との間の電気的接続部が、前記ＬＥＤチップに接続された線を電気導線の表面に接合することにより形成され、前記表面が前記封入部分の少なくとも１つの外面に交差する、半導体光線放出装置。
4. 請求項３の半導体光線放出装置において、前記リードフレームが一体的な金属ストリップにて形成される、半導体光線放出装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体光線放出装置において、前記封入部分の少なくとも一部分が、前記少なくとも１つのＬＥＤチップから放射された光に対して透明である、半導体光線放出装置。

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