JP2012503331A - 照明モジュール - Google Patents

Abstract

基板と該基板に直接取り付けられた複数の光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含む照明モジュールであって、該ＬＥＤチップはそれらに給電するために該基板上の導線に電気接続される。本発明の照明モジュールの多数の実施例が提供される。さらに、かかる照明モジュールの製造法及び照明モジュールの部品が提供される。

Description

本発明は照明モジュールに関し、より具体的には、発光ダイオードチップを有する照明モジュールに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は電気エネルギーにより励起されたときに発光する半導体装置である。一般に、ＬＥＤはパッケージ内にＬＥＤチップを配置したものである。ＬＥＤチップはｐｎ接合を形成するために不純物を含浸またはドープした半導体材料（又はその組み合わせ）である。電流を順バイアスでＬＥＤチップに流すと、電子はｐｎ接合部をジャンプして光を放出する。パッケージは通常ＬＥＤチップを電流源に接続する電気接続手段を有するプラスチックまたはセラミック材料である。ＬＥＤパッケージの主な欠点はパッケージの熱抵抗がかなり大きい（例えば１００℃／Ｗ以上）ことであり、これがＬＥＤチップの寿命と性能を低下させる。ここに用語「発光ダイオードチップ」、「ＬＥＤチップ」、「チップ」、又は「ＬＥＤダイ」はｐｎ接合半導体を示すために使用される。従って、一般にチップとそのパッケージを含む用語ＬＥＤとは区別される。

ＬＥＤは白色光源よりも効率的な発光源である。しかし、一般の照明用光源としてのＬＥＤの使用における一つの困難は個々のＬＥＤチップから充分な光を取得できない点にある。言い換えると、個々のＬＥＤチップはタングステンフィラメントなどの他の光源に比して充分な光を供給できない。しかし、数個のＬＥＤがＬＥＤアレイ（配列体）になるように結合されると、すべてのＬＥＤチップの組み合わせ及び集積の効果で充分な光を生じる光源を形成する。

ＬＥＤは照明の分野での使用が増している。照明器具でのＬＥＤの初期の使用は複数個の高電力ＬＥＤ（典型的には１Ｗのチップ）をまとめていわゆる照明モジュールとして使用した。こうして照明器具では照明モジュールを一個以上使用できる。一様な光源を形成するには、拡散器を通して光を「混合」するに十分な程度にＬＥＤを近接させる必要がある。さらに、照明器具の厚さを薄くする絶えざる要求に対してはＬＥＤを益々近接して配置しなければならない。ＬＥＤが近接配置されるにつれて、種々の熱管理上の解決策（扇風機、冷却フィン、ヒートパイプ等）が益々要求されている。

熱の問題に加えて、ＬＥＤを使用する照明モジュールは色の一様化やビンニング（ｂｉｎｎｉｎｇ）の問題に対処する必要がある。例えば、使用する半導体材料に依存して、ＬＥＤは複数の色の光を放出することができる。白色光を出すには２種の方法があり、第１の方法は３個のＬＥＤチップ（赤、青、緑）を束にして総合的な出力が白色光源になるようにする。第２の方法は蛍光物質で被覆又はパッケージしたＵＶ／青ＬＥＤチップを使用する。ＬＥＤチップは特定波長（ＵＶ又は青領域のもの）の光を放出する。放出された光は蛍光物質を励起し、その結果白色光の放射を生じる。しかし、ＬＥＤチップの製造時には、単一の半導体ウエハーから種々の波長のＬＥＤチップが製造されうる。そのため、ＬＥＤチップ製造業者は波長によりＬＥＤチップのビンニング（ｂｉｎｎｉｎｇ）をするには、高価なビンニング方法を使用する必要がある。均一性を確保するにはＬＥＤ照明モジュール製造業者は小範囲のビンからのＬＥＤチップを必要とすることになる。このような限界は照明モジュールの製造コストをさらに高める。

本発明は一般に基板と、この基板に固定された複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含む照明モジュールが提供される。この一般概念の種々の具体例が提供される。さらに、照明モジュールを製造する方法、及び照明モジュールの構成部品が提供される。
本発明は、基板と、前記基板に直接取り付けられていて前記基板上の導線に電気接続されている複数個の発光ダイオードチップとを有し、前記基板の少なくとも一部が、１．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗよりも大きいルーメン密度数値を有する、照明モジュールを提供する。
本発明はまた、基板と、１０．２ｃｍ×１０．２ｃｍ（４インチ角）の面積当たり約２５個の割合で前記基板に直接取り付けられた約５００μｍ幅×約５００μｍ長さの大きさの発光ダイオードチップと、前記チップに電気接続された導体と、前記発光ダイオードチップに給電するための約３．２Ｖ±０．３Ｖの順方向電圧を有する電源を備えた照明モジュールを提供する。
さらに本発明は、基板と、１０．２ｃｍ×１０．２ｃｍの面積当たり約２５個の割合で前記基板に直接取り付けられた各約５００μｍ幅×約５００μｍ長さの大きさの発光ダイオードチップと、前記チップに電気接続された導体と、前記発光ダイオードチップに約０．０８０±０．０１０ＡＶの定格電流を供給する電源を備えた照明モジュールを提供する。
また、本発明は、複数の発光ダイオードチップを１つのルーメン−密度数値に従って基板に直接取り付け、前記発光ダイオードチップを導線に結合することよりなる照明モジュールの製造方法を提供する。
本発明はまた、基板、前記基板に取り付けられた複数の導線、及び前記導線に電気接続されかつ直列配列された複数個の発光ダイオードチップよりなり、前記基板の少なくとも一部は１．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗよりも大きいルーメン−密度数値を有する照明モジュールを提供する。

添付図面は本明細書の一部を構成する。明細書の説明と共にこれらの図面は本発明の原理を説明するのに役立ち、当業者が本発明を理解し実施する助けとなる。

本発明の１実施例による照明モジュールの概略図である。 １実施例による照明モジュール２００を示す。 他の構成の照明モジュールを示す部分側面図である。 他の構成の照明モジュールを示す部分側面図である。 他の構成の照明モジュールを示す部分側面図である。 図５の構成の照明モジュールの部分平面図である。 他の構成の照明モジュールを示す部分側面図である。 他の構成の照明モジュールを示す部分側面図である。 図８の光学ディスクの側面図である。 光学カップの斜視図である。 図１１Ａは他の光学カップの上面側斜視図である。 図１１Ｂは図１１Ａの光学カップの底面側斜視図である。 本発明による照明モジュールを製造する方法を例示するフローチャートである。 照明モジュールを製造する方法を例示する。 ここに記載された任意の照明モジュールを使用するクライエントにサービスを行う方法を例示する。 図１５Ａは他の実施例のサポートを行う方法を例示する。 図１５Ｂは他の実施例のサポートを行う方法を例示する。 図１５Ｃは他の実施例のサポートを行う方法を例示する。

本発明の照明モジュールは広くは基板と、この基板に固定された複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含む。本発明はさらに、この一般概念の種々の具体例を提供する。本発明はさらに、照明モジュールを製造する方法、及び照明モジュールの構成部品を提供する。提供される実施例は図面を参照して説明するが、同様な部材には同じ参照符号を使用する。さらに、各図における参照符号のうち左端の数字はその数字が最初に使用された図面の番号に対応する。特定の構成及び配列が記載されるが、単なる例示であって、本発明の範囲内で多くの変形例がありうることは当業者には明らかであろう。

図１は本発明の１実施例による照明モジュール１００の概略図である。照明モジュール１００は基体又は基板１１１の上に配置されたＬＥＤチップ１１０のアレイ（配列体）を含む。ＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けられている。ここで「直接取り付け」とはその下に包装物なしに基体又は基板にＬＥＤチップが接着または固着されることを意味する。ある実施例ではＬＥＤチップ１１０はＡｇ充填接着剤を使用して基板１１１に接着される。他の技術を使用してＬＥＤチップ１１０を基板１１１に直接取付けることもできる。例えば共晶はんだを使用してＬＥＤチップ１１０を基板１１１に取付けることができる。

図示の実施例では、ＬＥＤチップ１１０は電気的に並列回路をなす第１及び第２導線１１２、１１４に電気的に接続される。ＬＥＤチップ１１０は並列回路であるが、当業者はＬＥＤチップ１１０が直列回路ではどのように接続されるべきかも容易に理解するであろう。図１に示したようにＬＥＤチップ１１０は第１導線に接触した基板に直接取り付けられ、ワイヤボンド１２０を介して第２導線１１４に電気的に接続される。第１及び第２導線１１２、１１４は次いで電流調整器１３０を介して電源１４０に結合されている。電源は交流電源である。電源１４０からの交流電力は電流調整器１３０で直流に変換される。電源はここではＬＥＤチップに電圧または電流を供給するために使用される任意の手段を指す。従って、適当な電源は単独の直流電源又はＡＣ／ＤＣ変換器と組み合わせた交流電源でありうる。

直流整流器１３０、電源１４０及び導線１１２、１１４又はそれらの均等な構成体は、照明モジュール１００に供給される電流量を抑制することにより、定格未満（ｄｅ−ｒａｔｅｄ）電流をＬＥＤチップ１１０に供給し、安定した低ノイズ電流を供給する手段として役立つ。例えば１つの実施形態では、電流調整器１３０は約０．０１０Ａのノイズ変動で０．０５０Ａの電流を供給するように設計される。さらに、電源の正負電極に電気接続された複数のＬＥＤチップ１１０を最終的に有する回路を形成する他の均等な構造を使用することもできる。

ＬＥＤチップ１１０は一般に小型で低電力のＬＥＤチップである。例えばＬＥＤチップ１１０は幅約２６０μｍ、長さ約４５０μｍであり、定格電流約２０ｍＡ、順方向電圧約３．２Ｖである。他の例では、ＬＥＤチップ１１０は幅約５００μｍ、長さ約５００μｍであり、定格電流約８８ｍＡ、順方向電圧約３．２Ｖである。

ある実施例では、基板１１１は導線１１２及び１１４を有する印刷配線板（ＰＣＢ）である。複数のＬＥＤチップを保持する手段として各種の基板が使用できることは当業者には知られている。基板材料の選択は、一部は照明モジュールに必要な特性に依存し、特に照明の用途及び・又は照明モジュールを収納する照明器具に依存する。例えば照明の或る用途では、電気絶縁性の金属またはセラミック基板が必要であるが、他の照明の用途では熱伝導性の金属またはセラミック基板が必要である。基板の厚さは用途に応じて調節できる。例えば基板には、アルミフォイル、陽極酸化アルミニウム、金属クラッド印刷基板、窒化アルミニウム、その他の金属又はセラミック基板が含まれる。他の実施形態には基板上の被覆が含まれる。例えば或る実施例では基板は上部に誘電体層を被覆した陽極酸化アルミニウムから形成できる。誘電体層は陽極酸化Ａｌ₂Ｏ₃でありうる。或る他の実施形態では、基板はポリマー誘電体で被覆される。かかる誘電体ポリマーはセラミック粒子例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂等のセラミック粒子を分散したシリコンでありうる。他の実施例では基体はＴｉＯ₂含有シリコン樹脂で被覆される。

１つの実施形態では、ＬＥＤチップ１１０が特定の充填密度に従って基板１１１に収容される。少数の高電力包装型ＬＥＤを使用する傾向がある従来広く使用されているＬＥＤ照明モジュールとは異なって、本発明が提供する照明モジュールは、比較的多数の低電力ＬＥＤチップを使用することにより、熱的な問題及び光学的な問題に対処する。このＬＥＤチップは基板に直接取り付けられ、定格未満の（ｄｅ−ｒａｔｅｄ）電流がこれら個々のＬＥＤチップに流される。定格未満型のチップは、一般に低い動作温度を維持し、個々のチップの出力効率を向上する。

照明モジュール１００の充填密度は、熱損失機構として対流と放射のみが考えられるときに、与えられた面積当たりの熱入力には限界があることを考慮に入れる。言い換えると、基板１１１はＬＥＤチップ１１０最大熱束または単位面積当たりの熱入力の関数としてＬＥＤチップ１１０に装着できる。例えば１つの実施形態では、最大充填密度は次の数学的な関係に従うことができる。
（Ｑ／Ａ）_MAX = σε（Ｔ_b ⁴−Ｔ_o ⁴）＋ｈ_air（Ｔ_b−Ｔ_o）

この式は、最大基板温度（Ｔ_b）（例えば６０℃）と一定周囲温度（Ｔ_o）（例えば２０℃）に対して、左辺の単位面積当たりの入力（Ｑ／Ａ）と、右辺の放射及び対流とを等置している。式中の放射部分のうち、σはステファン・ボルツマン定数、εは放射率（一定で任意に０．５が仮定されるが、黒体に対しては１である）である。式中の対流部分では、ｈ_air は対流係数であり、定数と考えられ、任意に１５Ｗ／ｍ²Ｋ（１０−１００Ｗ／ｍ²Ｋで変動可能)が選択される。

上記の分析は過度な単純化を行い、放射率及び対流係数に対して任意の値を用いた例なので、単なる一例である。しかし、この分析は設計指針として単位面積当たりの最大熱入力の見積を可能にする。例えば単位面積当たりの熱入力（Ｑ／Ａ）は約０．５Ｗ／ｉｎ²でありうる。別の実施形態として、単位面積当たりの熱入力（Ｑ／Ａ）は約０．１〜０．７Ｗ／ｉｎ²の範囲が可能である。そうすると、この見積はチップが定格電流で駆動されたと仮定したときの単位面積当たりのチップの最大数を固定する。より小型のチップを使用して各チップに対する駆動電流を減じることにより、基板温度を上昇することなくより多数のチップを所定の領域に配置することが可能となる。例えば、典型的な１ｍｍ高出力チップは順方向定格電流３５０ｍＡ及び順方向電圧（Ｖ_f）約３．２Ｖで動作し、入力電力が１．１２Ｗを得る。典型的な１ｍｍチップはこの順方向電流で約２０％の効率を有し、その結果約０．９Ｗは熱として消散されねばならない。上の分析から、このチップは、対流と放射により熱を消散して基板の温度を約６０℃以下に抑制するには、約１１．６ｃｍ²を必要とする。（そのほか、基板からＬＥＤチップに向けて約１０〜２０℃の付加的な温度上昇があるので、チップの実際の温度（接合温度（Ｔ_j）という）は約７０〜８０℃に上昇する。）このため、１ｍｍのチップに対する充填密度は約１１．６ｃｍ²につき約１個である。０．５ｍｍの低電力チップを使用し、順方向電流を約４５ｍＡの定格以下にすると、チップ当たりの熱入力は約０．１４Ｗになる。低電力チップの使用は許容可能な充填密度を１平方インチ当たり約４個に増大する。正味の効果はより多い個別光源（２平方インチ当たり１個のチップに対し、２平方インチ当たり８個のチップ）を有する照明モジュールとなる点にある。さらにこのような照明モジュールは補助的なヒートシンク（排熱）技術を必要としない。

上記の分析は例えば図１３に示した方法に使用できる。図１３は基板と複数個のＬＥＤチップを有する照明モジュールであって動作温度が６０℃以下のものを製作する方法１３００を例示する。工程１３０１では単位面積当たりの熱入力が放射及び対流の関数として算出される。工程１３０３ではＬＥＤチップに対する熱入力がＬＥＤチップの定格順方向電流に基づいて算出される。工程１３０５ではＬＥＤチップは基板に直接取り付けられる。工程１３０７では、定格以下の電流が複数のチップに供給される。

他の実施例では、基板１１１には特定のルーメン−密度数値に従ってＬＥＤチップ１１０を装着する。ここで使用する「ルーメン−密度数値」とは次式で定義されるＬＤである。
ＬＤ＝（Ａ_b／Ａ_h）（Ａ_b／Ａ_em）（Ｌ／Ａ_em）（ＬＰＷ）
ここにＡ_bは基板の面積、Ａ_hは全対流面積、Ａ_emは放射面積（チップの寸法×チップ数）、Ｌはルーメン、ＬＰＷは１Ｗあたりのルーメンである。一つの実施形態では、約４インチ×４インチ（１０．２ｃｍ×１０．２ｃｍ）の基板に２５個のＬＥＤチップを取付ける。各ＬＥＤチップは約５００μｍ×５００μｍの寸法を有し、順方向電圧が３．２±０．３Ｖ、定格電流が約０．０８０±０．０１０Ａである。この照明モジュールはＬＤが約２．９×１０⁶（ｌｍ²／ｍｍ²Ｗ）である。これに対して、本発明者は従来の照明モジュールが約 １．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗ以下のＬＤを有するものと見積った。例えば、ＬＣＤバックライト用モジュールは約７．０×１０⁵ 〜８．１×１０⁵ｌｍ²／ｍｍ²Ｗを有する。OSRAM Opto Semiconductors GmbHから市販されているＯＳＴＡＲ（登録商標）ＬＥ Ｗ Ｅ３Ｂ照明モジュールはＬＤが約１５００ｌｍ²／ｍｍ²Ｗである。比較のため、表１に上記の実施例に対するルーメン−密度数値を、各種の従来技術による照明モジュールに対して見積もったものと対比した。

図２は本発明の照明モジュール２００の側面図である。図２に示すように、複数個のＬＥＤチップ１１０が標準のＬＥＤパッケージなしに基板１１１に直接取り付けられている。ＬＥＤチップ１１０はワイヤボンド１２０を介して導線（図示せず）に電気接続されている。ここではワイヤボンド法を示したが、ＬＥＤチップ１１０の陽極・陰極に電気接続する任意の手段が使用できる。例えば電流をＬＥＤチップに供給するにはフリップチップ技術を使用することができる。

照明モジュール２００は基板１１１を拡散パネル２４０から離間させるための手段として役立つセパレータ２３０を含む。拡散パネル２４０は複数個のＬＥＤチップ１１０からの光を拡散させる手段である。この構造により、照明モジュール２００を見る人にはピクセル状のチップ配列が見えず、代わりに一様な光源が見える。拡散パネル２４０は蛍光体を内蔵していてもよく、それにより青／ＵＶ型ＬＥＤチップが使用されたときに拡散パネル２４０内の蛍光体が青／ＵＶ光を白色光に変換するようにしうる。１つの実施例では拡散パネル２４０は蛍光体又は蛍光体混合物で被覆できる。もしくは、拡散パネル２４０は蛍光体又は蛍光体混合物がドット状に配置できる。

図３は他の照明モジュール３００の部分側面図である。図３に示したように、ＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けられている。ＬＥＤチップ１１０は青／ＵＶ型ＬＥＤチップでありうる。ＬＥＤチップ１１０から放射される光は青／ＵＶ型ＬＥＤチップ１１０の蛍光体ドープ被覆材料３０１により白色光に変換される。図示の実施例では被覆材料３０１はＬＥＤチップ１１０を覆う泡の形を有する。他の実施形態では、被覆３０１は単にＬＥＤチップ１１０の表面又はその一部を覆うだけでもよい。

図４はさらに他の実施例による照明モジュール４００の部分側面図である。図４に示したようにＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けてある。ＬＥＤチップ１１０は青／ＵＶ型ＬＥＤチップでありうる。ＬＥＤチップ１１０から放射される光はチップ１１０直上で基板１１１に設けた蛍光体ドープドーム４０１により白色光に変換でされる。

図５は他の実施例の照明モジュール５００の部分側面図である。図６は照明モジュール５００の部分平面図である。ＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けられ、ワイヤボンド１２０を介して第１及び第２導線１１２、１１４に電気接続される。次いで光学カップ５０１がＬＥＤチップ１１０を取り囲むように基板１１１に固定される。光学カップ５０１は上方に延びる周壁５０４及び傾斜内面５０５を有する。一つの実施形態では、光学カップ５０１はなお表面５０５に反射性の被覆を施してある。他の実施形態では、光学カップ５０１は反射性の被覆を形成する必要性を無くするように反射性の材料から製作されうる。光学カップ５０１はさらにリップ領域５３０を有する。光学カップ５０１又はその均等な構造は、ＬＥＤチップ１１０から放射される光を再配向するための手段として役立つ。以下に説明するように、図１０、１１Ａ、１１Ｂは代替可能な光学カップ５０１及び１１０１をそれぞれ示す。

図７は他の実施例による照明モジュール７００の部分側面図である。ＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けてある。光学カップ５０１は基板１１１上に、ＬＥＤチップ１１０を取り囲むように取り付けられている。図７の実施例では、透明材料の少なくとも一層が光学カップ５０１の内部に配置される。例えば第１のシリコン層７０２がＬＥＤチップ１１０が配置され、次いで第２のシリコン層７０４がその上に配置される。もしも青／ＵＶ型ＬＥＤが使用される場合には、これらの層はＬＥＤチップ１１０から放射された光を蛍光体を利用して白色光に変換する。

図８はさらに対の実施例による照明モジュール８００の部分側面図である。図８のように、ＬＥＤチップ１１０は基板１１１に直接取り付けられている。光学カップ５０１がＬＥＤチップ１１０を取り囲んでいる。光学ディスク８０１が光学カップ５０１内に配置されている。光学ディスク８０１はＬＥＤチップ１１０から放射された光を白色光に変換するのに使用できる。例えば光学ディスク８０１は蛍光体ドープ型であり、青／ＵＶ型ＬＥＤチップ１１０からの光を白色光に変換することができる。従って、光学ディスク８０１又は同等の構造体はＬＥＤチップ１１０から放出された光を遠隔で蛍光体により白色光に変換するための手段として作用する。任意に、シリコーンまたは接着剤を光学ディスク８０１とＬＥＤチップ１１０との間の領域８０２に配置することができる。

図９は光学カップ５０１内に位置した光ディスク８０１の側面図である。光学ディスク８０１は下面９０４と上面９０５とを有する。これらの下面９０４と上面９０５は、光学ディスク８０１の中央領域で厚く、光学ディスク８０１の周面９０９の幅９１０側で薄くなるようにテーパしている。表面９０４、９０５の形状を修正して凸型、平凸型、又はメニスカス形状にすることもできる。光学ディスク８０１はまた蛍光体をドープしてＬＥＤチップから放射される光の遠隔蛍光体変換の手段として使用できる。使用において、ＬＥＤチップ１１０からの光線は、それが光学ディスク８０１の実質的に等しい経路長（好ましくは１％以内でしか異ならない）を通過するように、光学ディスク８０１を透過する。

光学ディスク８０１はディスクの全表面領域にわたって青／ＵＶ光の一様な変換が行われるように設計されている。蛍光体は一般に青／ＵＶ光を白色光に変換するために使用されている。変換方法と、特に青／ＵＶ光が相互作用する蛍光体の量は、光抽出の効率を決定する。蛍光体の使用量が少な過ぎれば得られる光は低光束となり、また相当多い量の未変換の青／ＵＶ光が残り、総合的な変換効率を低下する。一方、蛍光体の使用量が多過ぎれば変換される光は黄色にすぎる。さらに、標準の表面放射青／ＵＶ光型ＬＥＤチップは全方向に一様ではない。例えば光強度は前方で最大である。もしもＬＥＤチップが蛍光体で一様に収容されていれば、得られる光は一様な白色光ではない。この効果は市販のパッケージされたＬＥＤには普通に見られる。光学ディスク８０１の形状はこの問題に対処する。

例えば、光学ディスク８０１の形状は、青／ＵＶ光の吸収経路長が全ての方向にほぼ同一になるように形づけられる。光学ディスク８０１の不均一性は、ＬＥＤチップ１１０の比較的一様な白色光の分布、より良好な色制御、及び／又はより高い総合効率を与える。図９を参照するに、考慮される寸法は、光学ディスク８０１の端部の厚さ（上下幅）９１０ 、光学カップ５０１の内部高さ９２０、光学ディスク８０１の直径９３０、光学カップ５０１の中央開口直径９４０、ＬＥＤチップ高さ（番号なし）、ＬＥＤチップの幅（番号なし）、及び光学ディスク８０１の曲率半径（番号なし）である。光学ディスク８０１の蛍光体の充填率は０．５重量％から１０重量％である。１つの実施例では、光学ディスク８０１は蛍光体ドープ液体シリコンゴム（例えばＬＳＲ−７０）である。

図１０は光学カップ５０１の斜視図である。図１０に示したように、光学カップ５０１は中央開口１００７を有する。光学カップ５０１が基板１１１に接着されたとき、気泡が光学カップ５０１の下面１０１１に生じる可能性がある。図１１Ａは他の光学カップ１１０１の上面側からの斜視図を示す。図１１Ｂは光学カップ１１０１の底面側からの斜視図を示す。少なくとも一つの切欠き部１１１２がカップ１１０１の周壁１１０４に沿って形成されていて、それにより脚部１１０３が形成されている。切欠き部１１１２は空気の流れを可能にし、カップ１１０１の通気を行う。従って、気泡は光学カップ１１０１の下に捕捉されることがない。光学カップ１１０１の構造は光学カップの底面に気泡が形成されることを防ぐ。

（蛍光体）
上記のように、一般的な照明の用途において必要とされる白色光を発生するために、青／ＵＶ型ＬＥＤチップが、その光路に配置された蛍光体と組み合わせて使用できる。青／ＵＶ型ＬＥＤチップから放射される青／ＵＶ光は蛍光体を励起し、照射された光と蛍光体励起の累積的効果により白色光が生成される。青／ＵＶ型ＬＥＤチップと蛍光体の数種の組合せが使用できる。以下に説明するのは本書に記載された任意の実施例に使用できる青／ＵＶ型ＬＥＤチップと蛍光体の組合せである。提供される組合せは例示に過ぎず、全部ではない。本発明の範囲の他の組合せも当業者には明らかであろう。例えば米国特許第７，２２４，０００及び７，１７６，５０２号は他のチップ及び蛍光体の組合せが記載されているので、本発明ではそれらの組合せも使用できる。

例えば、青色ＬＥＤと黄色ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は１例として使用できる。他の例では次の組合せが使用できる。青色ＬＥＤチップとＴＡＧ：Ｃｅ蛍光体、遠ＵＶ放射性ＬＥＤチップ（約２３０〜２７０ｎｍから放射）と赤色放射性Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ蛍光体、遠ＵＶ放射性ＬＥＤチップと緑色放射性Ｌａ（ＰＯ₄）：Ｃｅ又は（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌ_xＯ_y：Ｃｅ、Ｔｂ又はＺｎＳｉＯ₄：Ｍｎ蛍光体、遠ＵＶ放射性ＬＥＤチップと青色放射性ＢａＭｇ_xＡｌ_yＯ_z：Ｅｕ又はＳｒ（Ｃｌ）（ＰＯ₄）₃：Ｅｕ蛍光体。他の実施例では、青色ＬＥＤチップからの青色が緑色、黄色及び赤色蛍光体の放射と混合されて白色光を生成する。蛍光体層は黄色及び赤色成分と共に放射スペクトルを完成させて所望の色温度の白色光を生成する。

ＬＥＤ光の励起のための蛍光体の粒子径は典型的には約１−１０μｍである。１０μｍよりも大きい粒子径も使用可能である。より小粒径の蛍光体による散乱はより強くなりチップへ逆反射してくる青色光の量を増すので、小径（例えばナノ）の蛍光体に対する量子効果を減じる追加の複雑さを伴う。蛍光体の被覆厚は典型的には５−１００μｍ、好ましくは１０〜３０μｍである。その範囲は使用される各成分の粒子径と賦活剤に依存し、また吸収されない青色光の量により直接影響されるＣＣＴ及びＣＲＩの観点からの所望される結果に依存する。

（方法）
図１２は本発明の実施例に従って照明モジュールを製造する方法１２００を例示する。方法１２００では、工程１２０１においてＬＥＤチップを基板に直接取り付け、導体路と電気的に接触させる。工程１２０３において光学カップをＬＥＤチップの周りで基板に取り付ける。工程１２０５において光学カップに透明シリコーン又はシリコーン蛍光体混合物を充填する。別の実施例では、光学カップに透明シリコーン又はシリコーン蛍光体混合物を充填するかわりに、又はそれに加えて、図８〜９に示した光学ディスクを光学カップ内に配置する。

図１４はここに記載した照明モジュールのうちの任意のものを使用して顧客にサービスする方法１４００を例示する。工程１４０１で、照明モジュールは上に記載した構造例の一つに従って製作される。照明モジュールには第１及び第２組のＬＥＤチップが装着される。工程１４０３で、第１組のＬＥＤチップが付勢される。第２組のＬＥＤチップが、第１組のＬＥＤチップで付勢されないようにしてセット組みつけられる。第２組のチップは第１組のチップが故障または焼損したときにのみ付勢される。工程１４０５において、サービス員は第１組のＬＥＤチップを不能にし、第２組のＬＥＤチップを付勢する。このような装置を販売する業者は「倍寿命」を有する１個の装置を供給することになる。なぜなら、第１組のＬＥＤチップが故障したら、サービス員は装置全体を交換することなく単に第２組の装置を付勢することができるからである。第２組のチップは第１組のチップが予想外の故障をしたときに緊急照明装置としても使用できる。

（工業上の応用）
動作において、本発明の照明モジュールは一般の照明用のＬＥＤランプとして販売される。ボルト、ネジ、クランプ、接着剤、鋲、その他の取り付け手段を使用してこの照明モジュールを任意の照明用との任意の照明装置に取り付けて使用できる。

以下に上記の装置の実施例を記載する。特に断らない限り実施例は予想される実施例である。

実施例１
一つの実施例において、照明モジュールは複数個の四角形のＬＥＤチップ（２６０μｍ×４５０μｍ）を基板に固定したものである。ＬＥＤチップは一般に約２０ｍＡの電流定格と、約３．２Ｖの電圧定格を有する。動作において１４ｍＡの順方向電流（定格未満の電流）がＬＥＤチップに供給される。この場合、入力電力は１個のチップ当たり約０．０６４Ｗである。この例に対する設計充填密度は１平方インチ（６．４ｃｍ²）あたり約４個である。接着温度は約５６℃である。この例はまたチップを低電力で駆動することにより増大したチップ効率の利点を有する。なぜなら、ＬＥＤチップの効率は電流が少ないほど高いからである。例えば１４ｍＡの定格未満の電流で駆動される２６０μｍ×４５０μｍのチップは約３０％の効率（すなわち、入力電力の３０％が光に変換され、残りの７０％は熱となる）を有する。これに対して、定格電流２０ｍＡで駆動される同じチップの効率は２７％である。このように定格未満のチップにより、熱は入力の減少により減少し、より高効率となる。

実施例２
他の実施例では、複数個の正方形のＬＥＤチップ（５００μｍ×５００μｍ）を基板に取り付けた照明モジュールが提供される。ＬＥＤチップは一般に１５０ｍＡの定格電流と約３．２Ｖの電圧定格を有する。動作において、チップは４５ｍＡの定格未満の電流で駆動される。この例に対する設計充填密度は１平方インチ（６．４ｃｍ²）あたり約１個である。

実施例３
他の例では、照明モジュールはプリント基板に６３個のＬＥＤチップ（同一間隔で７個のチップを９列）をダイボンドしたものである。次に反射性光学カップを各チップの周りに配置し、蛍光体充填シリコーン（蛍光体含有率１〜２重量％）で満たす。形成された光学ディスクを次いで光学カップの上部に配置する。このディスクはカップ内に嵌るが、ワイヤボンド又はチップには接触しないように設計される。別の実施例としては、２個以上のＬＥＤを各カップ内に配置してもよい。

このような照明モジュールはチップ・オン・ボード（ＣＯＢ）型のＬＥＤチップ構造の熱的な利点を、二次元ＬＥＤチップ配列を有する照明モジュールを形成するためのパッケージ型ＬＥＤ構造の高効率の光抽出と組み合わせたものである。照明モジュールは、プリント配線基板に、光学カップ、シリコーン、変換用蛍光体、及び個々のチップの周りに作りこまれる光学系と共に、ダイボンドした二次元配列チップで形成される。

実施例４
表２は光学ディスク８０１及び光学カップ５０１の寸法と明細を示す。

実施例５
図１５Ａ−図１５Ｃはここに記載された他の実施例を例示する。具体的にはこれらの図は照明モジュール１５００を製造するための反復工程を例示する。先ず、基板１５１１が準備される。基板１５１１は例えば片面に絶縁層を配置したアルミニウム板などのプリント基板である。導線（配線）１５１２が絶縁層上にプリントされる。導線１５１２は、図１の導線１１２、１１４とは、導線１５１２がＬＥＤチップに給電するための直列回路形成している点で異なる。次に導線１５３０が表面に取り付けられるコネクター（図示せず）への導線１５１２に接続される。表面取付コネクターは電源に接続されており、電流を導線１５１２に送る。電源は交流電源又は直流電源であり、交流・直流変換器及び／又は電流調整器と組み合わされている。

図１５Ｂに示したように、基板１５１１はマスク１５４０（半田マスク）で覆われる。マスク１５４０は複数個の開口１５４２を有しており、導線１５１２の必要箇所を露出する。言い換えると、マスク１５４０は露出する必要がない導線部分を被覆する。図１５Ｃに示したように、次いでＬＥＤチップ１１０が導線１５１２のダイボンド領域１５５０に固定される。回路は次いでワイヤボンド１５６０により個々のＬＥＤチップ１１０とその傍の導線１５１２との間が閉じられる。上記の光学カップ５０１、１１０１および／又は光学ディスク８０１が照明モジュール１５００に接着される。

上に記載した実施例では、照明モジュール１５００は、約５００μｍ×５００μｍの寸法の２５個のＬＥＤチップ１１０を含む。約８０Ｖ±７．５Ｖの電圧で約５０ｍＡの電流が照明モジュール１５００に供給される。従って、各チップは約３．２±０．３Ｖの電圧で約５０ｍＡの順方向電流を受ける。もしも照明モジュール１５００が並列接続されれば２５個のＬＥＤチップはそれぞれ３．２Ｖの電圧と約１．２５Ａの順方向電流を必要とするであろう。各ＬＥＤチップは一般に直近のＬＥＤチップ１１０から約１８ｍｍ離れている。

（まとめ）
以上により、本書に記載された事項は請求項の解釈に使用されるものとする。本書はいくつかの実施例を例示したが全てではなく、本発明の全ての実施例が意図されており、従って、これらの実施例は本発明及び添付の特許請求の範囲を制限するものではない。

本書に記載した実施例の記載は本発明の一般的性質を完全に記載したものであって、他の実施例は当業者の知識を適用することにより特殊な実施例などの様々な応用に適するように、過度の実験を要することなく容易に変形又は適合させることができる。従って、かかる適合及び変形は本書に記載した教示及び教導の範内で、実施例の意味又は均等の範囲内にあることを意図している。本書で用いた用語又は表現は、それらが教示と教導の観点から当業者により解釈されるように説明するためであって制限のためではないことを理解されたい。本発明の権利範囲は上記実施例により制限されるべきではなく特許請求の範囲の記載のみにより定められるべきである。

１００ 照明モジュール
１１０ ＬＥＤチップ
１１１ 基板
１１２ 第１導線
１１４ 第２導線
１３０ 電流調整器
１４０ 電源
２００ 照明モジュール
２３０ セパレータ
２４０ 拡散パネル
３００ 照明モジュール
３０１ 蛍光体ドープ被覆材料
４００ 照明モジュール
４０１ 蛍光体ドープドーム
５００ 照明モジュール
５０１ 光学カップ
５０５ 表面
５３０ リップ領域
７００ 照明モジュール
７０２ 第１のシリコン層
７０４ 第２のシリコン層
８００ 照明モジュール
８０１ 光学ディスク
８０２ 領域
９０４ 下面
９０５ 上面
９１０ 光学ディスク８０１の端部の厚さ（上下幅）
９２０ 光学カップ５０１の内部高さ
９３０ 光学ディスク８０１の直径
９４０ 光学カップ５０１の中央開口直径
１００７ 中央開口
１０１１ 下面
１１０１ 光学カップ
１１１２ 切欠き部
１１０３ 脚部
１１０４ 周壁
１５００ 照明モジュール
１５１１ 基板
１５１２ 導線（配線）
１５３０ 導線
１５４０ マスク
１５６０ ワイヤボンド

Claims (31)

1. 基板と、前記基板に直接取り付けられていて前記基板上の導線に電気接続されている複数個の発光ダイオードチップとを有し、前記基板の少なくとも一部が、１．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗよりも大きいルーメン密度数値を有する、照明モジュール。
2. 前記複数の発光ダイオードチップは約６００μｍ未満の幅と約６００μｍ未満の長さを有するチップを含んでいる請求項１に記載の照明モジュール。
3. 前記複数の発光ダイオードチップは約３００μｍ未満の幅と約４７５μｍ未満の長さを有するチップを含んでいる請求項１に記載の照明モジュール。
4. さらに、前記導線に接続された電源を有する請求項１に記載の照明モジュール。
5. 前記複数の発光ダイオードチップの少なくとも１つは定格電流を有し、前記電源は前記定格電流の約７５％未満の駆動電流を供給するように構成されている請求項４に記載の照明モジュール。
6. 前記複数の発光ダイオードチップの少なくとも１つは定格電流を有し、前記電源は前記定格電流の約５０％未満の駆動電流を供給するように構成されている請求項４に記載の照明モジュール。
7. 前記複数の発光ダイオードチップの少なくとも１つは約２６０μｍの幅と、約４５０μｍの長さと、約２０ｍＡの定格電流を有する請求項４に記載の照明モジュール。
8. 前記電源は約１４ｍＡ以下の駆動電流を供給するように構成されている請求項７に記載の照明モジュール。
9. さらに各々が一つの発光ダイオードチップを取り囲んでいる複数個のカップを有する請求項１に記載の照明モジュール。
10. 前記カップの少なくとも１つは反射性被覆を有する請求項９に記載の照明モジュール。
11. 前記カップの少なくとも１つは通気性開口を有する請求項９に記載の照明モジュール。
12. 前記カップの少なくとも１つは蛍光体ドープ混合物をその内部に分散している請求項９に記載の照明モジュール。
13. さらに前記カップの少なくとも１つの内部に蛍光体をドープしたディスクを有する請求項９に記載の照明モジュール。
14. 蛍光体ドープディスクはその一部にシリコーンを含有している請求項１３に記載の照明モジュール。
15. 蛍光体ドープディスクはＬＳＲ−７０から形成される請求項１３に記載の照明モジュール。
16. 少なくとも１つ前記発光ダイオードチップは蛍光体ドープ被覆を有する請求項１に記載の照明モジュール。
17. 少なくとも１つ前記発光ダイオードチップはその上に蛍光体ドープドームが設けられている請求項１に記載の照明モジュール。
18. ルーメン−密度数値は２．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗより大きい請求項１に記載の照明モジュール。
19. ルーメン−密度数値は約２．９×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗである請求項１に記載の照明モジュール。
20. 基板と、１０．２ｃｍ×１０．２ｃｍ（４インチ角）の面積当たり約２５個の割合で前記基板に直接取り付けられた約５００μｍ幅×約５００μｍ長さの大きさの発光ダイオードチップと、前記チップに電気接続された導体と、前記発光ダイオードチップに給電するための約３．２Ｖ±０．３Ｖの順方向電圧を有する電源を備えた照明モジュール。
21. 基板と、１０．２ｃｍ×１０．２ｃｍ（４インチ角）の面積当たり約２５個の割合で前記基板に直接取り付けられた各約５００μｍ幅×約５００μｍ長さの大きさの発光ダイオードチップと、前記チップに電気接続された導体と、前記発光ダイオードチップに約０．０８０±０．０１０Ａの定格電流を供給する電源を備えた照明モジュール。
22. 複数の発光ダイオードチップを１つのルーメン−密度数値に従って基板に直接取り付け、前記発光ダイオードチップを導線に結合することよりなる照明モジュールの製造方法。
23. ルーメン−密度数値は、１．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗより大きい請求項２２に記載のの製造方法。
24. ルーメン−密度数値は、２．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗより大きい請求項２２に記載の製造方法。
25. ルーメン−密度数値は、約２．９×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗよである請求項２２に記載の製造方法。
26. さらに、前記導線を電源に接続すること、及び複数の発光ダイオードチップに定格未満の電流を供給するように前記電源を適合させることを含む請求項２２に記載の製造方法。
27. 基板、前記基板に取り付けられた複数の導線、及び前記導線に電気接続されかつ直列配列された複数個の発光ダイオードチップよりなり、前記基板の少なくとも一部は１．０×１０⁶ｌｍ²／ｍｍ²Ｗよりも大きいルーメン−密度数値を有する照明モジュール。
28. さらに、前記導線の少なくとも１本に接続された電源を有する請求項２７に記載の照明モジュール。
29. 前記複数個の発光ダイオードチップは幅約５００μｍ及び長さ約５００μｍの大きさを有する請求項２８に記載の照明モジュール。
30. 前記電源は複数個の発光ダイオードチップに約５０ｍＡの電流を供給する請求項２９に記載の照明モジュール。
31. 基板と、該基板の約１８ｍｍ×１８ｍｍの面積当たり４個の割合で前記基板に直接取り付けられた各約５００μｍ幅×約５００μｍ長さの大きさの発光ダイオードチップと、前記チップが直列になるように電気接続された導体と、前記発光ダイオードチップに約５００ｍＡの定格電流を供給する電源を備えた照明モジュール。

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