JP2012134505A - Ｌｅｄダイ上のオーバーモールドレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤダイの上にレンズを形成する技術を提供する。
【解決手段】１以上のＬＥＤダイ１０が、サブマウントである支持構造体１２上に装着され、ＬＥＤダイは、サブマウント上のリードに予め電気接続される。モールド１４は、支持構造体上のＬＥＤダイの位置に対応する凹部１６を有し、凹部は、シリコーンのような液体の光学透明材料で充填される。凹部形状は、レンズの形状である。モールドとＬＥＤダイ／支持構造体が互いに合わせられ、モールドが次に加熱され、シリコーンを硬化する。モールドと支持構造体は次に分離され、各ＬＥＤダイの上にシリコーンレンズを残す。このオーバーモールド処理は、異なるモールドで反復することができ、レンズの同心シェルが作成される。各同心レンズは燐光体を含有し、特別な放射パターンをもたらし、異なる硬度値を有し、又は異なる技術で硬化可能であるなどの異なる特性を有することができる。
【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
本出願は、Ｇｒｉｇｏｒｉｙ Ｂａｓｉｎ他による２００４年１１月１５日出願の「ＬＥＤダイの上に成形されたレンズ」という名称の米国特許出願出願番号第１０／９９０，２０８号の一部継続出願である。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、特にＬＥＤダイの上にレンズを形成するための技術に関する。

ＬＥＤダイは、通常はランベルトパターンで光を放射する。ビームを縮小するか又は側面放射パターンを作成するためにＬＥＤダイの上にレンズを使用することは公知である。
表面装着型ＬＥＤのための一般的な種類のレンズは、ＬＥＤダイが装着されるパッケージに結合されるプリフォーム成形プラスチックである。１つのそのようなレンズは、「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，２７４，９２４号に示されている。

米国特許出願第１０／９９０，２０８号 米国特許第６，２７４，９２４号 米国特許第６，６４９，４４０号 米国特許第６，２７４，３９９号 米国特許第６，５７６，４８８号

必要とされているのは、表面装着型ＬＥＤのためのレンズを形成する技術である。

表面装着型ＬＥＤのためのレンズを形成する技術を本明細書に説明する。
１以上のＬＥＤダイが支持構造体上に装着される。支持構造体は、セラミック基板、シリコン基板、又は他の種類の支持構造体とすることができ、ＬＥＤダイは、支持構造体上の金属パッドに電気的に接続される。支持構造体は、パッケージ内の回路基板又は放熱板上に装着されたサブマウントとすることができる。
モールドは、モールド内に支持構造体上のＬＥＤダイの位置に対応する凹部を有する。凹部は、硬化した時に固化レンズ材料を形成するシリコーンのような液体の光学透明材料で充填される。凹部の形状は、レンズの形状であることになる。モールドとＬＥＤダイ／支持構造体は、各ＬＥＤダイが関連する凹部の液体レンズ材料内にあるように互いに合わせられる。

モールドは、次に、加熱されてレンズ材料を硬化（固化）する。モールドと支持構造体は、次に分離され、各ＬＥＤダイの上に完成したレンズを残す。この一般的な処理を以下にオーバーモールド法と呼ぶ。
オーバーモールド処理は、異なるモールドを用いて反復することができ、レンズの同心又は重複シェルが作成される。各レンズは、燐光体を含有し、異なる材料であり、異なる放射パターンをもたらし、異なる硬度値を有し、異なる屈折率を有し、又は異なる技術（例えば、ＵＶ対加熱）によって硬化可能であるというような異なる特性を有することができる。

サブマウントのような支持構造体に装着された４つのＬＥＤダイ、及び各ＬＥＤダイの周りにレンズを形成するためのモールドの側面図である。 液体のレンズ材料で充填されたモールドの凹部の中に挿入されているＬＥＤダイの側面図である。 各ＬＥＤダイを封入するレンズをもたらす、液体の硬化が終わった後にモールドから取り外されたＬＥＤダイの側面図である。 各ＬＥＤダイの上に形成された成形レンズを有する、サブマウント又は回路基板上のＬＥＤダイのアレイの斜視図である。 サブマウント上に装着されたフリップチップ型ＬＥＤダイを示し、サブマウントが次に回路基板上に装着され、ＬＥＤダイの上に成形レンズが形成された詳細側面図である。 サブマウント上に装着された非フリップチップ型ＬＥＤダイを示し、サブマウントが次に回路基板上に装着され、ワイヤがＬＥＤダイ上のｎ及びｐ型金属を回路基板上のリードに電気的に接続し、ＬＥＤダイの上に成形レンズが形成された詳細側面図である。 様々なレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 様々なレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 様々なレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 様々なレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 様々なレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形された側面放射レンズの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形されたコリメータレンズの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形されたランベルト型レンズの上に取り付けたプリフォーム側面放射レンズの断面図である。 図１４のＬＥＤ及び側面放射レンズを用いた液晶ディスプレイ又は他の種類のディスプレイ用のバックライトの断面図である。 成形レンズを有するＬＥＤをフラッシュとして用いるカメラを有する携帯電話の斜視図である。 本発明は非対称レンズにも同様に適用することができるが、図示の全てのレンズが中心軸の周りに対称である２つの種類の成形レンズの１つを示す断面図であ る。 本発明は非対称レンズにも同様に適用することができるが、図示の全てのレンズが中心軸の周りに対称である２つの種類の成形レンズの１つを示す断面図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面形態を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面形態を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面形態を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面形態を示す図である。 平行放射パターンのための高ドーム形レンズの使用を示す図である。 ワイヤ結合に対する応力を制限するための硬い外側レンズ及び軟らかい内側レンズの使用を示す図である。 ワイヤ結合に対する応力を制限するための硬い外側レンズ及び軟らかい内側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 別の側面放射成形レンズを示す図である。 各々が異なる燐光体を含有する成形シェルの使用を示す図である。 成形レンズを形成するために支持基板上にモールド部分を形成する段階を示す図である。 望ましい放射パターンを達成するためにレンズの一部分の上に金属反射体を堆積させる段階を示す図である。 側面放射レンズを有するＬＥＤをバックライトに用いる液晶ディスプレイの側面図である。 コリメータレンズを有するＬＥＤをＲＧＢ光源として用いる背面投射型テレビの側面図である。

予備的なこととして、従来型ＬＥＤが成長基板上に形成される。用いた実施例においては、ＬＥＤは、青色光又はＵＶ光を生成させるためのＡｌＩｎＧａＮのＬＥＤのようなＧａＮベースＬＥＤである。通常、比較的厚いｎ型ＧａＮ層が、通常の技術を用いてサファイア成長基板上に形成される。この比較的厚いＧａＮ層は、通常は、低温核生成層と、ｎ型クラッド層及び活性層のための低欠陥格子構造を提供するための１以上の追加層とを含む。次に、１以上のｎ型クラッド層が厚いｎ型層の上に形成され、引続き、活性層、１以上のｐ型クラッド層、及びｐ型接点層（メタライゼーションのため）が形成される。

様々な技術がｎ型層への電気的アクセスを得るために使用される。フリップチップ実施例においては、ｐ層及び活性層の一部はエッチングで除去され、メタライゼーションのためにｎ層が露出される。このようにして、ｐ接点及びｎ接点がチップの同じ側にされ、パッケージ（又はサブマウント）接点パッドに直接電気的に接続することができる。ｎ金属接点からの電流は、最初に側面に沿って流れてｎ層を通過する。対照的に、垂直注入型（非フリップチップ型）ＬＥＤにおいては、ｎ接点は、チップの一方の側に形成され、ｐ接点は、チップの他方の側に形成される。ｐ又はｎ接点の一方への電気接触は、ワイヤ又は金属ブリッジを用いて行われ、他方の接点は、パッケージ（又はサブマウント）接点パッドに直接結合される。簡単にするために、図１−図３の実施例においては、フリップチップ型ＬＥＤが使用されている。
ＬＥＤ形成の例は、共に「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，６４９，４４０号及び第６，２７４，３９９号に説明されている。
任意的に、導電性基板がＬＥＤ層（通常ｐ層）に結合され、サファイア基板が取り外される。図５及び図６に関してより詳細に説明すると、導電性基板がサブマウントに直接結合した状態で、１以上のＬＥＤダイをサブマウントに結合することができる。１以上のサブマウントは、他のＬＥＤ又は電源部への接続のための金属リードを含むプリント基板に結合することができる。プリント基板は、様々なＬＥＤと直列及び／又は並列に相互接続する。
形成される特定のＬＥＤ及びそれらがサブマウントに装着されているか否かは、本発明を理解する目的のためには重要ではない。

図１は、支持構造体１２上に装着された４つのＬＥＤ１０の側面図である。支持構造体は、サブマウント（例えば、金属リードを有するセラミック又はシリコン）、金属放熱板、プリント基板、又は何れかの他の構造体とすることができる。本発明の実施例においては、支持構造体１２は、金属パッド／リードである。
モールド１４は、各ＬＥＤダイ１０の上のレンズの望ましい形状に対応する凹部１６を有する。モールド１４は、好ましくは金属で形成される。モールド１４の概略の形状を有する非常に薄い付着防止フィルム１８がモールド１４の上に置かれる。フィルム１８は、金属に対するシリコーンの付着を防止する公知の従来材料のものである。
レンズ材料がモールドに付着しない時にはフィルム１８を必要としない。これは、付着防止モールドコーティングの使用、非付着性モールド材料の使用、又は非付着性境界面を生じさせる成形処理の使用によって達成される。そのような処理には、付着を最小にするための所定の処理温度を選択することが含まれる。フィルム１８を使用しないことにより、より複雑なレンズを形成することができる。

図２において、モールドの凹部１６は、熱硬化性の液体レンズ材料２０で充填されている。レンズ材料２０は、シリコーン、エポキシ、又はシリコーン／エポキシ混成物のような何れかの適切な光学透明材料とすることができる。混成物を使用して、熱膨張係数（ＣＴＥ）の一致を達成することができる。シリコーン及びエポキシは、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤからの光抽出を大きく向上させ、並びにレンズの役割を果たすのに十分に高い屈折率（１．４よりも大きい）を有する。１つの種類のシリコーンは、１．７６の屈折率を有する。
真空密封が支持構造体１２の周囲とモールド１４の間に作り出され、この２つの部分は、互いに押付けられ、それによって各ＬＥＤダイ１０が液体のレンズ材料２０内に挿入され、レンズ材料２０が圧縮状態となる。

モールドは、次に、摂氏約１５０度（又は他の適切な温度）までレンズ材料２０が固化するための時間に亘って加熱される。
次に、支持構造体１２がモールド１４から分離される。フィルム１８は、得られる固化レンズがモールド１４から容易に離れるようにするものである。次に、フィルム１８は取り外される。
別の実施形態では、図１のＬＥＤダイ１０は、シリコーン又は結合剤中の燐光体のような材料で最初に覆うことができる。モールドの凹部１６は、別の材料で充填される。ダイがモールド内に置かれた時に、モールド材料が被覆材料の上に成形される。

図３は、各ＬＥＤダイ１０の上に成形レンズ２２がある得られる構造体を示している。
一実施形態では、成形レンズは、１ｍｍと５ｍｍと間の直径である。レンズ２２は、あらゆる寸法又は形状にすることができる。
図４は、得られる構造体の斜視図であり、支持構造体１２は、各々が成形レンズ２２を有するＬＥＤダイのアレイを支持している。使用されるモールドは、対応する凹部のアレイを有するであろう。仮に支持構造体１２がセラミック又はシリコンサブマウントであれば、各ＬＥＤは（その下にあるサブマウント部分と共に）、サブマウント１２を切断又は破断することによって分離され、個々のＬＥＤダイを形成することができる。代替的に、支持構造体１２は、ＬＥＤのサブグループを支持するために分離／ダイシングすることができ、又は分離／ダイシングされずに使用することもできる。

レンズ２２は、ＬＥＤダイからの光抽出を向上させて望ましい放射パターンを作り出すように光を反射させるのみならず、このレンズはまた、汚染からＬＥＤダイを保護し、機械的強度を付加し、あらゆるワイヤ結合を保護するためにＬＥＤダイを封入する。
図５は、セラミック又はシリコンのような何れかの適切な材料で形成されたサブマウント２４上の単一フリップチップ型ＬＥＤダイ１０の一実施形態の簡略化した詳細図である。一実施形態では、図１−図４の支持構造体１２の役目を果たすサブマウント２３及び図５のダイ／サブマウントは、切断によって図４の構造体から分離されたものである。図５のＬＥＤダイ１０は、底部ｐ接点層２６、ｐ金属接点２７、ｐ型層２８、発光活性層３０、ｎ型層３２、及びｎ型層３２に接触するｎ金属接点３１を有する。サブマウント２４上の金属パッドは、接点２７及び３１に直接に金属結合される。サブマウント２４を通過するバイアは、サブマウント２４の底面上の金属パッド内で終端となり、それらは、回路基板４５上の金属リード４０及び４４に結合される。金属リード４０及び４４は、他のＬＥＤ又は電源部に接続することができる。回路基板４５は、絶縁層の上にある金属リード４０及び４４を有する金属プレート（例えば、アルミニウム）とすることができる。図１−図３の技術を用いて形成された成形レンズ２２は、ＬＥＤダイ１０を封入する。

図５のＬＥＤダイ１０は、サブマウント２４上の金属パッドに上部ｎ層３２を接続するワイヤを有する非フリップチップ型ダイとすることができる。レンズ２２は、このワイヤを封入することができる。
一実施形態では、回路基板４５それ自体を図１−図３の支持構造体１２とすることができる。そのような実施形態は図６に示されている。図６は、ワイヤ３８によって回路基板４５上の金属リード４０に接続した上部ｎ金属接点３４を有する非フリップチップ型ＬＥＤダイ１０の簡略化した詳細図である。ＬＥＤダイ１０は、図６の実施例においては金属スラブであるサブマウント３６に装着される。ワイヤ４２は、ｐ層２６／２８を回路基板４５上の金属リード４４に電気的に接続する。レンズ２２は、ワイヤ及びサブマウント３６を完全に封入して示されているが、他の実施形態では、全サブマウント又は全ワイヤが封入されることを要しない。

よく用いられる従来技術の封入方法は、保護コーティング上のスピン法によるものである。この封入処理は、ＬＥＤダイに燐光体コーティングを付加するためには不適切であり、それは、ＬＥＤダイの上の封入材料の厚みが不均一であることによる。また、このような封入方法はレンズを形成しない。ＬＥＤの上の燐光体を提供するための通常の技術は、シリコーン／燐光体組成物をＬＥＤダイを取囲む反射カップに充填することである。しかし、その技術は、変化する厚みを有する燐光体を形成し、適切なレンズを形成しない。レンズが要望される時は、付加的な処理により、依然としてプラスチック成形レンズを作成し、ＬＥＤダイの上にこのレンズを取り付けなければならない。

図７−図１１は、上述の技術を用いて形成することができる様々なレンズを示している。
図７は、何れかの適切な方法を用いて燐光体６０で被覆されているＬＥＤダイ１０を示している。１つのそのような方法は、「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，５７６，４８８号に説明されている電気泳動法によるものである。適切な燐光体は公知のものである。レンズ２２は、上述の技術を用いて形成される。燐光体６０は、ＬＥＤ放射（例えば、青色光又はＵＶ光）によって励起され、緑、黄、又は赤のような異なる波長の光を放射する。燐光体の放射は、単独で又はＬＥＤ放射と共に白色光を形成することができる。

ＬＥＤを燐光体で被覆する処理は、長時間を要するものである。ＬＥＤダイを燐光体で被覆する処理を除くために、燐光体粉末は、図８に示すように、レンズ６２内に組み込まれるように液体シリコーンに混合することができる。
図９に示すように、ＬＥＤダイの上の燐光体材料の注意深く制御された厚みを提供するために、内側レンズ６４が上述の技術を用いて形成され、別々の成形段階（より深くより広い凹部を用いる）が用いられて、内側レンズ６４の上にあらゆる厚みの外側燐光体／シリコーンシェル６６が直接形成される。

図１０は、ビームを更に成形するために別のモールドを用いて燐光体／シリコーンシェル６６の上に形成することができる外側レンズ６８を示している。
図１１は、透明シリコーンシェル７６、７８、及び８０の上にあるそれぞれ赤色、緑色、及び青色放射燐光体のシェル７０、７２、及び７４を示している。この場合には、ＬＥＤダイ１０は、ＵＶ光を放射し、赤色、緑色、及び青色放射の組合せで白色光が生成される。

多くの他の形状のレンズを上述の成形技術を用いて形成することができる。図１２は、ＬＥＤ１０、サブマウント２４、及び成形側面放射レンズ８４の断面図である。一実施形態では、レンズ８４は、モールドから取り外される時に撓むシリコーンのような非常に可撓性の材料で形成される。レンズが単純な形状でない時には、離型フィルム１８（図１）は一般的に使用されないことになる。
図１３は、ＬＥＤ１０、サブマウント２４、及び成形コリメータレンズ８６の断面図である。レンズ８６は、変形可能なモールドを用いて製作することができ、又は、モールドから引き出される時に縮み、モールドから離された後にその成形形状に膨張する軟質レンズ材料を使用することにより製作することができる。

図１４は、プリフォームレンズ８８を成形ランベルト型レンズ２２の上に取り付けることができる方法を示している。図１４の実施例において、レンズ２２は、上述の方式によって形成される。レンズ２２は、ＬＥＤ１０を封入して汚染から保護するために役立つものである。次に、プリフォーム側面放射型レンズ８８が、ＵＶ硬化接着剤又は機械的クランプを用いてレンズ２２の上に取り付けられる。このレンズ形成技術は、従来型技術に優
る利点を有する。従来型技術においては、プリフォームレンズ（例えば、側面放射型レンズ）がＬＥＤダイの上に接着的に取り付けられ、あらゆる間隙はシリコーン注入によって塞がれる。従来型処理は、他にも理由はあるが特に、レンズ配置に対する分離したダイ／サブマウントの慎重な位置決め及び間隙充填の段階のために実施が困難である。図１４の本発明の方法を用いれば、ＬＥＤ（図４）の大型アレイは、各々の上に成形レンズを形成
することによって同時に封入することができる。次に、ＬＥＤがまだアレイ内にあるか（図４）又は分離された後で、プリフォームレンズ８８を各成形レンズ２２の上に取り付けることができる。
加えて、成形レンズは、従来型のレンズとは違って非常に小さく生成することができる（例えば、直径１−２ｍｍ）。このようにして、非常に小さく完全に封入されたＬＥＤを形成することができる。そのようなＬＥＤは、非常に小さい外形を有して生成することができ、そのことはある一定の用途に有用である。

図１４には、サブマウント２４が装着された回路基板４５もまた示されている。この回路基板４５は、その上にＬＥＤ／サブマウント２４のアレイを装着している場合がある。
図１５は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はバックライトを用いる他のディスプレイのためのバックライトの断面図である。一般的な用途は、テレビジョン、モニタ、携帯電話
などのためのものである。ＬＥＤは、白色光を作り出すために赤色、緑色、及び青色とすることができる。ＬＥＤは、二次元アレイを形成する。図示の実施例において、各ＬＥＤの構造は図１４に示すものであるが、あらゆる適切なレンズを使用することができる。バックライトボックスの底部及び側壁９０は、好ましくは、白色の反射拡散材料で被覆される。各ＬＥＤの直上には、白色のディフューザ・ドット９２があり、各ＬＥＤの直上のバックライトによって光のスポットが放射されないようにする。ドット９２は、透明又は拡散性ＰＭＭＡシート９４によって支持される。側面放射レンズ８８によって放射された光は、バックライトの下側部分内で混合され、次に、上側ディフューザ９６を出る前にバックライトの上側部分内で更に混合される。ＬＥＤの線形アレイは、狭い回路基板４５に装着することができる。

図１６は、カメラのフラッシュとして使用される成形レンズ２２を有するＬＥＤ１０を示している。図１６内におけるカメラは、携帯電話９８の一部である。携帯電話９８は、カラー画面１００（これは、本明細書に説明したＬＥＤを用いるバックライトを有することができる）及びキーパッド１０２を含む。
図１０に関して説明したように、ビームを更に成形するために、外側レンズを内側シェルの上に形成することができる。異なるシェル材料を様々なシェルの要件に応じて使用することができる。図１７−図３０は、オーバーモールド処理に関連して使用することができる様々なレンズ及び材料の実施例を示している。

図１７及び図１８は、上述の成形技術を用いて形成された内側シェル用の成形レンズの２つの形状を示している。多くのＬＥＤ１０を同じ支持構造体１２上に装着することができる。支持構造体１２は、上述のように、金属トレース及び接点パッドを有するセラミック又はシリコンのサブマウントとすることができる。あらゆる数のＬＥＤを同じ支持構造体１２上に装着することができ、同じ支持構造体１２上の全てのＬＥＤは、通常は同一方式で加工されるであろうが、必ずしもその必要はない。例えば、支持構造体が大きく、かつＬＥＤアレイ全体に関する光パターンが定められていれば、各ＬＥＤレンズは、その定められた光パターンがもたらされるように異なっていてもよい。
ＬＥＤダイ１０の底部と支持構造体１２の間のあらゆる間隙を満たすために、アンダーフィル材料を注入することができ、ＬＥＤの下のあらゆる空隙が避けられて特に熱伝導が向上する。

図１７は、内側成形レンズ２２がランベルト放射パターンのための概略半球形である図３−図６に関して上述したものである。図１８の内側成形レンズ１０６は、丸い縁部を有する概略矩形である。外側レンズによってもたらされる放射パターンに基づき、内側成形レンズ２２及び１０６の一方がより適切である。内側成形レンズの他の形状もまた適切である。各レンズの上からみた図は、一般的に円形になることになる。

図１９は、望ましい放射パターンを達成するように光を屈折させるパターンを有するレンズ外面を伴った図１８の構造体を示している。外面パターンは、内側成形レンズに直接形成することができ（モールドそれ自体により）、又は外面パターンは、内側成形レンズ上にオーバーモールドされるか又は接着剤（例えば、シリコーン、エポキシなど）によって内側成形レンズに取り付けた外側レンズに形成することができる。パターン１０８は、回折格子であり、一方でパターン１１０は、バイナリステップを用いて光を屈折させる。この実施例においては、このパターンは、図２０に示されている放射パターンを有するほぼ側面放射のレンズを形成する。図２０において、ピーク強度は、５０−８０度以内に発生し、０度での強度よりも顕著に大きい。

内側レンズに関する要件は、外側レンズに関する要件とは一般的に異なる。例えば、内側レンズは、支持構造体への良好な接着性を有する必要があり、長期に亘って黄化するか又はより不透明になってはならず、高屈折率を有する必要があり（１．４よりも大きい）、ＬＥＤへのあらゆるワイヤを破損又は圧迫してはならず、高いＬＥＤ温度に耐えなければならず、かつ適合する熱係数を有するべきである。内側レンズは、ＬＥＤ又はあらゆる
ワイヤに応力を与えないように軟質のもの（例えば、シリコーン）であるべきである。対照的に、外側レンズは、望ましいパターンでパターン化することができ、内側レンズに接着することができることを要するだけである。外側レンズは、オーバーモールドするか又は予備成形されて内側レンズに接着的に取り付けることができる。外側レンズ用の材料は、ＵＶ硬化性とすることができ、一方で内側レンズ用の材料は、熱硬化性とすることがで
きる。熱硬化は、ＵＶ硬化よりも時間が掛かる。
一般的に、内側レンズ材料に対する硬度の範囲は、「Ｓｈｏｒｅ ００ ５−９０」であり、一方で外側シェルに対する硬度の範囲は、「Ｓｈｏｒｅ Ａ ３０」又はそれ以上である。

図２１は、図２０のものに類似した概略側面放射光パターンを作り出すためにレンズの外面上に形成されたフレネルレンズパターン１１２を示している。この外面は、内側成形レンズの外面とすることができ、又は図１９に関して説明したように外側シェルの外面とすることができる。これは、本明細書に説明した全てのパターンに適用される。
図２２は、平行光パターン又は他の光パターンを作り出すための外側レンズ表面上のピラミッド１１４又は錐体形１１６パターンを示している。
図２３は、平行パターンを作り出すための高ドーム形外側レンズ１１８を示している。

図１９及び図２１−図２３の表面パターンは、あらゆる光パターンを作り出すように設定することができる（例えば、表面角度の変化により）。ホログラフィ構造、ＴＩＲ、及び他のパターンを形成することができる。平行光パターンは、背面投射型テレビ用に通常は使用され、一方で側面放射光パターンは、ＬＣＤ画面をバックライト照射するために通常は用いられる。
図２４は、ＬＥＤ１０に結合されたワイヤ１２６に応力をかけないための内側成形レンズ１２４としてのシリコーンゲルのような軟質（例えば、「Ｓｈｏｒｅ ＸＸ」）の材料の使用を示している。このゲルは、通常はＵＶ硬化される。外側レンズ１２８は、成形するか又は予備成形されて接着剤で取り付け可能である。外側レンズ１２８は、一般的に、耐久性、粒子に対する抵抗性などに関してより強固であることになる。外側レンズ１２８は、シリコーン、エポキシ−シリコーン、エポキシ、シリコーンエラストマー、硬質ゴム、他のポリマー、又は他の材料とすることができる。外側レンズは、ＵＶ硬化又は熱硬化することができる。

図２５は、図２４に類似するが、異なる放射パターン又は低プロフィールであるように異なる形状の内側成形レンズ１２９を有するものである（図１８のような）。レンズ１２９は、軟質シリコーンゲルとすることができる。外側レンズ１３０は、放射パターンを更に成形し、かつ軟質の内側レンズ１２９を保護することになる。
全ての図のＬＥＤは、フリップチップ型又はワイヤ結合型とすることができる。

図２６は、内側レンズに要求される特性を有する内側成形レンズ１３２と、界面層の役割を果たすと共に構造安定性のための中間シェル１３４と、側面放射光パターンを作り出すための外側レンズ１３６とを有するＬＥＤ構造体を示している。外側レンズ１３６は、成形処理を容易とするように軟質とすることができる。代替的に、外側レンズ１３６は、予備成形されて中間シェル１３４に接着的に取り付けることができる。中間シェル１３４の使用は、外側レンズ材料の選択を内側レンズ材料と本質的に無関係にするものである。

図２７は、外側レンズ１３８を中間シェル１３４又は内側レンズ１３２の何れかの部分上に形成することができる方法を示している。
図２８は、内側レンズ１４４材料上への直接の外側レンズ１４２の形成を示している。
図２９は、内側レンズ１３２の上に成形された別の形状の側面放射レンズ１４５を示している。レンズ１４５は、どの内側レンズのないＬＥＤダイ１０の上にも直接形成することができる。

図３０は、各シェル１４６、１４７、及び１４８が赤色放射燐光体、緑色放射燐光体、及び青色放射燐光体のような異なる燐光体材料を含有するＬＥＤを示している。ＬＥＤダイ１０は、ＵＶを放射することができる。燐光体粒子間の間隙は、ＵＶが内側シェルを通過して外側シェル内の燐光体を励起することを可能にするものである。代替的に、赤色燐光体及び緑色燐光体のみが使用され、ＬＥＤダイ１０は、青色光を放射する。赤色光、緑色光、及び青色光の組合せは、白色光を作り出す。特に、シェルの厚みと、燐光体粒子の密度と、燐光体の色の順序とは、望ましい色を得るために調整することができる。あらゆる形状のレンズを使用することができる。

図３１は、支持構造体１２それ自体の上でのモールドパターン１４９の使用を示している。高屈折率材料（例えば、ポリマー）又は反射性材料（例えば、アルミニウム又は銀）は、図１に示す方法に類似する方法を用いるか、メタライゼーション処理を用いるか、又は別の適切な処理を用いて、支持構造体１２上にパターンを成形することによって形成される。モールドパターン１４９は、次に、レンズ１５０を形成する別の材料のためのモールドとして使用される。一実施形態おいて、レンズ１５０の材料は、支持構造体１２上に形成されたモールド内に堆積して次に硬化する液体（例えば、シリコーン）である。次に、この表面を平坦化することができる。得られるレンズは、反射カップのような壁に衝突する光を反射／回折することにより光を平行化する。

図３２は、ＬＥＤ１０によって放射された光を反射する、側面の周囲にスパッタリングされた金属１５１を有する成形レンズ２２を示している。反射光は、ＬＥＤ１０によって散乱され、最終的に上部開口部から放射される。金属１５１は、アルミニウム又は銀のようなあらゆる反射性材料とすることができる。代わりに、この金属をレンズ２２の上面にスパッタリングすることができ、側面放射パターンが作り出される。レンズ２２は、望ましい光放射パターンを作り出すためのあらゆる形状とすることができる。
図３３は、制御可能なＲＧＢピクセルを有するＬＣＤ画面１５４と、ディフューザ１５６と、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ１６０からの光を混合して白色光を作り出すバックライト１５８とを含む液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１５２の側面図である。バックライト１５８は、拡散反射性ボックスである。ＬＥＤ１６０は、上述の技術の何れかを用いて生成された側面放射型レンズを有する。

図３４は、指定された視角内の像を照らすための前方レンズ１６４と、一組の赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ１６６と、ＲＧＢ光を変調／合焦してカラーＴＶ画像を生成する変調器／光学機器１７０と、反射体１７２とを有する背面投射型テレビ１６２の側面図である。変調器は、制御可能ミラーのアレイ、ＬＣＤパネル、又は何れかの他の適切な素子とすることができる。ＬＥＤ１６６は、上述の技術の何れかを使用して生成されたコリメータレンズを有する。
本発明の特定的な実施形態を示して説明したが、本発明から逸脱することなくそのより広範な態様において変更及び修正を行ってもよく、従って、特許請求の範囲は、全てのそのような変更及び修正を本発明の真の精神及び範囲に該当するものとしてその範囲に含むものとすることが当業者には明白であろう。

１０ ＬＥＤ
１２ 支持構造体
１４ モールド
１６ 凹部
１８ フィルム

Claims (36)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイの上にレンズを形成する方法であって、
   支持構造体に取り付けたＬＥＤダイを準備する段階と、
   前記支持構造体に取り付けた状態の前記ダイの上に第１の材料の第１のレンズを成形する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１のレンズを成形する段階は、熱硬化又はＵＶ硬化を用いて前記第１の材料を硬化させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のレンズを成形する段階は、
   第１のモールド内の第１の凹部を第１のレンズ材料で充填する段階と、
   前記ＬＥＤダイが前記第１のレンズ材料内にあるように、前記第１のモールドと前記支持構造体を互いに合わせる段階と、
   液体の前記第１のレンズ材料を硬化させる段階と、
   前記硬化した第１のレンズ材料から形成された第１のレンズが前記ＬＥＤダイの上に重なるように、前記第１のモールドから前記支持構造体を取り外す段階と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記支持構造体は、前記ＬＥＤダイ上の金属接点に電気的に接触した金属リードを有するサブマウントを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ＬＥＤダイは、前記支持構造体に取り付けた複数のＬＥＤダイのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のレンズは、前記ＬＥＤダイと直接接触して形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記第１のレンズを成形する段階は、放射光パターンに影響を与えるために前記第１のレンズの表面内にパターンを成形する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記パターンは、フレネルレンズ、回折格子、バイナリパターン、ピラミッド、又は錐体を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 望ましい光パターンを得るために前記第１のレンズに取り付けた光学要素を準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記光学要素は、前記第１の材料とは異なる第２の材料の第２のレンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記光学要素は、前記第１の材料とは異なる第２の材料の第２のレンズを含み、
    前記光学要素を準備する段階は、
    前記第１のレンズの上に前記第２のレンズを成形する段階と、
    前記第２の材料を硬化させる段階と、
    含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記光学要素は、前記第１の材料とは異なる第２の材料の第２のレンズを含み、
    前記光学要素を準備する段階は、
    フレネルレンズ、回折格子、バイナリパターン、ピラミッド、又は錐体を含む表面パターンを有する前記第２のレンズを前記第１のレンズの上に成形する段階、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記光学要素は、前記第１の材料よりも硬い第２の材料の第２のレンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記第１のレンズの硬度の範囲は、「Ｓｈｏｒｅ ００ ５−９０」であり、前記第２のレンズの硬度は、「Ｓｈｏｒｅ Ａ ３０」よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. 前記光学要素を準備する段階は、前記第１のレンズの外面上に反射性材料を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. 前記光学要素は、コリメータレンズであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
17. 前記光学要素は、側面放射レンズであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
18. 前記光学要素は、前記第１の材料とは異なる第２の材料の第２のレンズを含み、
    前記第１の材料及び前記第２の材料は、シリコーン、エポキシ、又はシリコーン／エポキシ混成物を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
19. 前記光学要素を準備する段階は、
    第２のレンズ材料を充填した第２の凹部を有する第２のモールドを準備する段階と、
    前記第１のレンズが前記第２の凹部において第２のレンズ材料内にあるように、前記第２のモールドと、該第１のレンズを有する前記ＬＥＤダイが取り付けられている前記支持構造体とを互いに合わせる段階と、
    前記第２のレンズ材料を硬化させる段階と、
    前記第２のレンズ材料が前記第１のレンズの上に第１のシェルを形成するように、前記第２のモールドから前記支持構造体を取り外す段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
20. 前記光学要素を準備する段階は、前記第１のレンズ上に光学要素を直接設ける段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
21. 前記光学要素は、第１の燐光体を含有する前記第１のレンズの上に、第２の燐光体を含有する第２のレンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
22. 前記ＬＥＤ光と前記燐光体によって放射される光の組合せは、白色光を作り出すことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記光学要素は、第１の燐光体を含有する前記第１のレンズの上に、第２の燐光体を含有する第２のレンズを含み、
    前記第２の燐光体を含有する前記第２のレンズの上に、第３の燐光体を含有する第３のレンズを成形する段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
24. 発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイの上にレンズを形成する方法であって、
    支持構造体に取り付けたＬＥＤダイを準備する段階と、
    前記支持構造体上にモールドを形成する段階と、
    第１のレンズの形状を形成するための前記支持構造体上の前記モールドを用いて、該支持構造体に取り付けた状態の前記ダイの上に第１の材料の第１のレンズを成形する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
25. 前記第１のレンズを成形する段階は、前記支持構造体上の前記モールドにレンズ材料を堆積させ、次に、前記レンズ材料を硬化させる段階を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 支持構造体に取り付けた発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    前記ＬＥＤダイの上に成形されて該ＬＥＤダイを封入する第１のレンズと、
    を含むことを特徴とする発光素子。
27. 望ましい光パターンを得るために前記第１のレンズに取り付けた光学要素を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
28. 前記光学要素は、前記第１の材料とは異なる第２の材料の第２のレンズを含むことを特徴とする請求項２７に記載の素子。
29. 前記第２のレンズは、前記第１のレンズの上に成形されることを特徴とする請求項２８に記載の素子。
30. 前記第２のレンズは、放射光パターンに影響を与えるためにその表面内に成形されたパターンを有することを特徴とする請求項２８に記載の素子。
31. 前記パターンは、フレネルレンズ、回折格子、バイナリパターン、ピラミッド、又は錐体を含むことを特徴とする請求項３０に記載の素子。
32. 前記第１のレンズは、放射光パターンに影響を与えるためにその表面内に成形されたパターンを有することを特徴とする請求項２６に記載の素子。
33. 前記パターンは、フレネルレンズ、回折格子、バイナリパターン、ピラミッド、又は錐体を含むことを特徴とする請求項３２に記載の素子。
34. 前記ＬＥＤダイは、前記支持構造体に取り付けた複数のＬＥＤダイのうちの１つであることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
35. 前記ＬＥＤ及び第１のレンズを組み込んだ、液晶ディスプレイのためのバックライトを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
36. 前記ＬＥＤ及び第１のレンズを組み込んだ背面投射型テレビを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の素子。

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