JP2007123915A - Ｌｅｄを覆う蛍光体を含んだカプセル封入ラミネート膜 - Google Patents

Abstract

【課題】全てのＬＥＤに渡って均一な色温度を実現するための信頼性が高く簡単な方法を提供する。
【解決手段】１つ又はそれ以上の蛍光体が注入された柔軟なカプセル材料（例えば、シリコーン）の様々な薄いシートが予備形成され、各々のシートは、異なる色変換特性を有する。ある適切なシートが、サブマウント上に実装されたＬＥＤアレイを覆って配置され、そしてＬＥＤが電圧を印加される。生じる光は、ＣＣＴに関して測定される。ＣＣＴが許容できる場合に、蛍光体シートは、恒久的にＬＥＤ及びサブマウント上にラミネートされる。ラミネート加工は、汚染及び損傷からＬＥＤを保護するために、各々のＬＥＤをカプセル封入する。サブマウント上のＬＥＤアレイ内のＬＥＤは切り離される。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特定的には、ＬＥＤチップからの光の波長変換に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、種々の色の光を発生するように作ることができる。白色光を作り出すためには、様々の色を組み合わせることが可能である。ＬＥＤ構造体から白色光を作り出す１つの方法は、青色ＬＥＤ上に黄色の蛍光体を堆積させることである。これを遂行するには多くの方法がある。最も一般的な方法の１つは、カプセル材料内に蛍光体粒子を混ぜ込み、それをＬＥＤにかぶせることである。もう１つの方法は、電気泳動堆積法であり、蛍光体粒子は直接ＬＥＤ上に堆積される。

白色光は、蛍光体層を通して漏出できるようにされた一部の青色光が黄色光と混合するときに作り出される。
白色光を作り出すもう１つの方法は、赤色、緑色、及び青色の光を混合することである。これは、赤色、緑色及び青色のＬＥＤを用いることで、又は、赤色及び緑色の蛍光体を伴う青色ＬＥＤによって、実現することができる。

青色及びＵＶのＧａＮ ＬＥＤのようなＬＥＤは、同じウェーハ内においてさえも、色発光がわずかに変化する。従って、全てのＬＥＤに同じ蛍光体コーティングを適用することは、ＬＥＤの変動する特性のために、色温度（即ち、相関色温度又はＣＣＴ）の幅を生じる。さらに、コーティング内の蛍光体の量の変動がまた、ＣＣＴの幅を望ましくなく増加させる。結果として、色出力（例えば、白色光のＣＣＴ）は、製造工程が同じだとしても、大きく変化する可能性がある。

上記の方法の幾つかに関わる既知の又は通常の課題は、１）蛍光体堆積工程の複雑さ、及び、２）一貫性のない色温度を生じるＬＥＤ毎の蛍光体の量の変動、を含む。

蛍光体を用いるＬＥＤ光の波長変換に関して、信頼性が高く簡単な方法が説明される。本方法は、ＬＥＤが様々な色温度を有する光を放射するにもかかわらず、全てのＬＥＤに渡って均一な色温度を生じる。
ＬＥＤダイは、ウェーハ上に形成され、検査され、切り離され、そしてそれらの色発光に従って収納箱に入れられる。１つの実施例においては、ＬＥＤは、およそ４５０ｎｍの発光を有するＧａＮベースの青色ＬＥＤであり、各々の収納箱内の波長の範囲は、例えば、５ｎｍとすることができる。１つの実施例においては、４個の収納箱を用いる。

単一収納箱内のＬＥＤが、ＬＥＤアレイを形成するために単一のサブマウント上に実装される。1つの実施例においては、単一のサブマウント上に約４００個のＬＥＤが実装される。１つの実施例においては、サブマウントは、各々のＬＥＤを実装するための上部コンタクト・パッドを提供する堅い基板であり、ここで、上部パッドは、プリント回路基板又は他の構造体に接続するための底部コンタクト・パッドと電気的に接続する。サブマウントは又、多数のＬＥＤを互いに相互接続する金属線を含むことができる。

１つ又はそれ以上の種類の蛍光体が注入された柔軟なカプセル材料（例えばシリコーン）の様々な薄いシート（例えば１００ミクロンの厚さの）が予備形成される。ＬＥＤの各々の収納箱に関連する１つ又はそれ以上の種類のシートがあってよい。各々のシートは異なる色変換特性を有する。この色変換特性は、カプセル材料内の蛍光体の濃度を、例えば２０乃至７０重量％の範囲内で変えることによって、変化させることができる。シートの厚さも又、シート内の蛍光体の量を変化させるために、例えば、５０ミクロンから２００ミクロンまで変化させることができる。シートは又、厚さ及び重量比の双方を変えることによって変化させることができる。

各々のシートの特性は、収納箱に入れられたＬＥＤによって放射された光を用いて各々のシートにエネルギーを与えること、及び、生じる光が所望の色基準を満たすまでシートを調整すること、によって経験的に決定することができる。

蛍光体シートが形成された後、適切なシートがサブマウント上に実装されたＬＥＤのアレイにかぶせられ、そしてＬＥＤは、ＬＥＤコンタクト・パッドをプローブすることによって、又はサブマウントの周縁部上の全てのテスト・パッドに電流を通すことによって、電圧が印加される。その結果生じた光は、次いで、ＣＣＴに関して測定される。このＣＣＴが許容できる場合、蛍光体シートは、熱及び押圧、又は熱及び真空の組み合わせ、などによってＬＥＤ及びサブマウント上に恒久的にラミネートされる。検査されたＣＣＴが適切でなければ、別の種類の蛍光体シートが用いられ、検査されることになる。

このラミネート加工は、汚染や損傷からＬＥＤを保護するために各々のＬＥＤをカプセル封入する。
１つの収納箱内には色の範囲があるので、各々の収納箱に関連する多数の蛍光体シートが在ってよい。
ラミネート加工の後、サブマウント上のＬＥＤアレイ内のＬＥＤは切り離される。切り離されたカプセル封入されたＬＥＤは、次いで、ＰＣＢ（プリント基板）上に実装することができる。

もう１つの実施形態においては、蛍光体シートは、収納箱に関連付けられ、特定のシートが所望のＣＣＴを生じるか否かを判断する更なる検査はしない。ＣＣＴは正しいものと仮定される。
蛍光体シートが均一の厚さを有し、且つ、種々のシートがＬＥＤによって放射される波長の変動を補正するので、その結果生じるＣＣＴは非常に均一となる。

図５は、ＬＥＤが様々な色温度を有する光を放射するにもかかわらず、均一な出力ＣＣＴを生じるためのＬＥＤ光の波長変換のための方法の１つの実施形態を説明する流れ図である。
図５のステップ１０において、ＬＥＤはウェーハ上に通常の方法で形成される。図１は、成長ウェーハ１４上に形成されたＬＥＤ１２の正面図である。１つの実施形態においては、成長ウェーハは、サファイア、ＧａＮ、又はＳｉＣであり、ＬＥＤは、青色又はＵＶ光を放射する、ＧａＮベースのＬＥＤである。他の実施形態においては、ＬＥＤ及び成長基板は任意の種類とすることができる。ＧａＮベースのＬＥＤは、波長変換のための蛍光体と一緒に用いられることが多い、青色又はＵＶのＬＥＤを形成するのに特に適している。

図５のステップ１６においては、個々のＬＥＤが各々のＬＥＤに電圧を印加するようにプローブされる。各々のＬＥＤから放射される光のピーク波長は、カラー検出器によって測定される。本実施例においては、ＬＥＤの測定された色は、色の４つの範囲の１つに分類される。各々の範囲は１つの収納箱に帰される。１つの実施例においては、図２で示されるように、ＬＥＤは、青色光を放射し、次のように１乃至４の４つの収納箱、１）４４０乃至４４５ｎｍ、２）４４５乃至４５０ｎｍ、３）４５０乃至４５５ｎｍ、及び４）４５５乃至４６０ｎｍ、の１つに分類される。各々の収納箱に対する付加的な収納箱又は異なる基準があってもよい。各々のＬＥＤに対する収納箱の番号は、一時的にメモリに格納される。

ステップ１８においては、ＬＥＤ１２はスクライビング及び切断などによって切り離される。１つの実施形態においては、ウェーハは、最初に伸縮粘着性シート上に置かれる。スクライビングの後、ローラが、ウェーハをスクライブ・ラインに沿って切断するために曲げる。このシートは、次いで、ＬＥＤを互いに物理的に切り離すために引き伸ばされる。ＬＥＤは、次に、粘着シートから取り外され、前もって割り当てられた収納箱に従って分類される（収納箱に入れられる）。上記の全ての工程は、プログラム制御機械で自動的に実行することができる。

ステップ２０においては、単一の収納箱内のＬＥＤが、１つのサブマウント上に実装される。サブマウントは、その表面上に形成された電気的相互接続を有するセラミック、シリコン又は他の材料の基板とすることができる。図３Ａは、サブマウント２４上に実装されたＬＥＤ１２の正面斜視図である。１つの実施形態においては、単一のサブマウント上に約４００個のＬＥＤが実装される。ＬＥＤ１２は、ｎ型及びｐ型領域の金属パッドを有し、サブマウント２４の上面は、対応する金属パッドを有する。ＬＥＤパッドは、はんだ付け又は超音波溶接などの任意の手段により、直接サブマウント・パッドに接合することができる。或いは、１つ又はそれ以上のＬＥＤパッドをサブマウント・パッドにワイヤ・コネクタによって接続することもできる。

サブマウント・パッドは、電源への接続のための他のサブマウント・コンタクト・パッドに、金属線及びビアなどによって電気的に接続される。例えば、サブマウントの上部コンタクト・パッドは、図３Ｂの背面斜視図に示される、対応するｎ型及びｐ型領域の底部コンタクト・パッド２６に接続することができる。背面のコンタクト・パッド２６は、後に、プリント回路基板又は他の構造体の上の対応するパッドに接合することができる。
図３Ａは、付加的にサブマウント２４の周縁部付近のテスト・パッド３０を示す。テスト・パッド３０は、ＬＥＤの群又は全てに同時に電圧を印加するために、様々な上部コンタクト・パッドに電気的に接続される。

平行する工程においては、蛍光体シートが形成される。図５のステップ４０においては、適切な蛍光体粉末が、シリコーン、エポキシ、アクリル樹脂、又は他の適切な材料などの液状カプセル材料と混合される。青色又はＵＶ光を白色光に変換する蛍光体粉末はよく知られている。青色光を黄色光に変換する蛍光体は、一部の青色光が蛍光体層を通して漏出できるようにすることによって、白色光を作るために用いることが出来る。赤色蛍光体は、白色光に暖かみを加えるために黄色蛍光体と組み合わせることができる。或いは、蛍光体粉末は、白色光を作り出すために、青色成分に赤色及び緑色成分を加えるように緑色及び赤色蛍光体を含むことができる。ＵＶのＬＥＤが用いられる場合には、青色蛍光体が蛍光体シート内に付加的に用いられることになる。

薄い蛍光体シートは、平らな表面の上に貼った非粘着性剥離層の上に、シリコーン−蛍光体混合物を堆積すること、及び、次いで均一な厚さの薄いシートを形成するように、材料を回転させること、によって形成することができる。薄いシートは又、所定量のシリコーン−蛍光体混合物を鋳型内に堆積することによって、又は、所定量の材料を剥離層の上にスプレイすることによって形成することもできる。

ＬＥＤの各部分をの上に存在する蛍光体の量は、蛍光体によって波長変換されるＬＥＤ光の割合を決定する。ＬＥＤの各部分の上の蛍光体の量は、異なる密度の蛍光体（即ち、異なる蛍光体対カプセル材料の重量比）を用いて、又は、異なる比の２つ又はそれ以上の蛍光体（例えば、赤色及び緑色）粉末を用いて、又は異なる厚さのシートを用いて、又はこれらの組み合わせを利用して、蛍光体シートを形成することにより調整することができる。１つの実施形態においては、各シートが異なる蛍光体対カプセル材料の重量比を有する４つの収納箱の各々と関連する蛍光体シートが用いられる。その比は典型的には、２０乃至７０％の範囲内となる。シートの厚さが、所望の波長変換を実現するために変えられる場合、厚さは５０乃至２００ミクロンの間で変えることができる。

１つの実施形態においては、蛍光体シートは、柔軟で多少粘着性になるように、熱を加えて部分的に硬化される。シートは次に、剥離層と共に平らな表面から取り外される。
各々のシートの特定の特性は、シートにある波長の光を当て、次いで生じる放射を測定することによって経験的に決定することができる。その放射が、必要とされるＣＣＴに合わない場合には、シートの特性は、例えば、蛍光体の重量比を変えること及び／又はシートの厚さを変えることによって、調整される（ステップ４２）。ひとたびシートの製法が各々の収納されたＬＥＤに対して満足の行くものとなれば、多数のシートを作ることができる。
図５のステップ４４においては、各々の型の蛍光体シートは、全ての収納箱に渡って出力光の首尾一貫したＣＣＴを実現するために、収納箱番号に関連付けられる。

図４は、選択された蛍光体シートを、サブマウント上に実装されたＬＥＤにラミネートするための工程を示す。サブマウント２４の基板、ＬＥＤ１２、及び、蛍光体シート５１、５２、５３、及び５４の側面図が示されている。１つの実施例においては、シート５１は収納箱１に関連付けられ、シート５２は収納箱２に関連付けられ、シート５３は収納箱３に関連付けられ、そしてシート５４は収納箱４に関連付けられる。
図５のステップ４６においては、収納箱１に関連する蛍光体シート５１が、サブマウント２４上の、収納箱１からのＬＥＤ１２のアレイの上に配置される。

ステップ４８においては、ＬＥＤは次に、サブマウント上のテスト・パッドをプローブするか又は用いることによって、電圧を印加される。理想的には、ＬＥＤの全て又は大きな群に、時間の節約のために同時に電圧を印加する。或いは、シート５１が適切かどうかを判断するために、１つ又は少数の見本のＬＥＤだけに電圧を印加してもよい。
ステップ４９においては、生じた光がカラー検出器を用いて測定され、所定のＣＣＴ（例えば、特定の白色点）と比較される。ステップ５８において、ＣＣＴが所望の基準を満足する場合には、シートは許容できると判断される。ステップ５９において、シート５１が所望の色を生じない場合は、別のシート（シート５２‐５４又は追加のシートから選ばれる）がＬＥＤアレイの上に置かれ、検査が繰り返される。１つの実施形態においては、２又は３つの異なるシートが各々の収納箱と関連付けられ、最もふさわしいシートがそのアレイに対して用いられる。

ステップ６０においては、選択されたシートがＬＥＤアレイ上に熱及び押圧によってラミネートされる。このことは、各々のＬＥＤを汚染から保護するためにカプセル封入し、且つ、ＬＥＤ上に均一の厚さの蛍光体層を生じる。１つの実施形態においては、軟らかい（例えば、ゴムの）パッドが、その領域がカプセル材料を硬化させるために加熱される間に、押圧下でシート５１にあてがわれる。硬化は、ＵＶによって行うこともできる。蛍光体シートは又、シートとサブマウントとの間に真空を設けることによってラミネートすることもできる。一旦硬化すると、カプセル材料は、ＬＥＤ及びサブマウントに接着する。カプセル材料は、硬く硬化することも、又は、比較的軟らかくすることもできる。次に、全ての剥離層膜が蛍光体シートの上から除去される。

もう１つの実施形態においては、蛍光体シートは薄い接着層の上に形成され、その接着層は（蛍光体シートと共に）、ＬＥＤ及びサブマウントに貼りつけられる。次に、接着層は硬化させられる。接着層は、エポキシのような任意の種類の透明な層とすることができる。
図４は、カプセル封入後のＬＥＤの形に適合する、蛍光体シート５１を示す。

ステップ６２においては、硬化後、サブマウント上のＬＥＤは、スクライビング及び切断、ソーイング、又は他の方法によって切り離すことができる。個々別々にされたカプセル封入されたＬＥＤは、個々のパッケージされたＬＥＤを形成する。このＬＥＤは、レンズ、はんだ付けのための端子ピン、ヒート・シンク、及び保護構造体を備え付けるために、付加的にパッケージすることもできる。

もう１つの実施形態においては、各々の収納箱に対するシートを処方するときに、シートは既に検査されているので、ステップ４８、４９、５８、及び５９においては、別途の検査は行わない。予め収納箱に関連付けられたシートは、所望の波長変換を行うものと仮定される。

本発明を詳細に説明したので、当業者は、本開示が与えられれば、本明細書で述べられた発明の着想の精神から逸脱することなく、本発明に変更を加えることができることを理解するであろう。従って、本発明の範囲が、図示され、説明された特定の実施形態に限定されることは意図されていない。

その上にＬＥＤが形成されるウェーハの平面図である。 如何にしてウェーハから切り離されたＬＥＤが、検査され、そしてそれらのピーク発光波長に従って収納箱に入れられかを表す。 サブマウント上に実装された、単一収納箱のＬＥＤの正面斜視図である。サブマウントは、その周縁部に沿って、ＬＥＤと電気的に接続する随意のテスト・パッドを示している。 図３Ａのサブマウントの背面斜視図であり、サブマウントの背面コンタクト・パッドが、１つ又はそれ以上の関連するＬＥＤのｎ型及びｐ型領域の金属に接続していることを示す。 均一な出力ＣＣＴを実現するために、サブマウント上のＬＥＤアレイに複数の蛍光体シートの１つをラミネートするための、本発明の方法の１つの実施形態における種々のステップを表す。 本発明の方法の１つの実施形態を説明する流れ図である。

符号の説明

１２：ＬＥＤ
１４：ウェハ
２４：サブマウント
５１、５２、５３、５４：シート

Claims (29)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法であって、
   各々が検査によって決定される異なるピーク波長の範囲を生成する、複数のＬＥＤの群を準備し、
   単一の特定の群の複数のＬＥＤを、１つのサブマウント上に実装し、
   各々が柔軟なカプセル材料と組み合わされた蛍光体を含み、且つ、異なる蛍光体変換特性を有する、複数の異なる波長変換シートを準備し、
   前記サブマウント上の前記ＬＥＤの上にあてがうために、前記波長変換シートの特定の１つを選択し、
   前記サブマウント上の１つ又はそれ以上のＬＥＤに電圧を印加し、
   発光色が所定の色に合うことを確実にするために、前記電圧が印加された１つ又はそれ以上のＬＥＤと前記特定の波長変換シートとの組合せによって生じる発光色を検出し、
   前記発光色が前記所定の色に合う場合には、サブマウント上に実装された前記単一の特定の群からのＬＥＤを、前記特定の波長変換シートを用いてカプセル封入する、
   ステップを含むことを特徴とする製造方法。
2. １つのＬＥＤ群内の各々のＬＥＤは青色光を発生することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. １つのＬＥＤ群内の各々のＬＥＤはＵＶ光を発生することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 発光色を検出する前記ステップの際に、前記検出された色が前記所定の色に合わない場合、別の波長変換シートを選択するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記所定の色は白色の特定の色温度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ＬＥＤの各々の群に対して、１つ又はそれ以上の異なる波長変換シートが存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 各々の群におけるピーク波長の範囲は、約３ｎｍと１０ｎｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記異なる波長変換シートは、蛍光体対カプセル材料の異なる重量比、又はシートの異なる厚さによって異なることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 各々の波長変換シートの厚さは、約５０ミクロンから２００ミクロンの間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 波長変換シート内に種々の種類の蛍光体が在ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記ＬＥＤをカプセル封入するステップは、前記選択された波長変換シートを前記ＬＥＤ上に圧着させながら加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記ＬＥＤをカプセル封入するステップは、前記選択された波長変換シートを前記ＬＥＤ上に在る間に加熱するステップと、前記シートと前記サブマウントの間に真空を生成するステップとを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
13. ＬＥＤの各々の群に関連する多数の波長変換シートが存在することを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記ＬＥＤをカプセル封入するステップは、ＬＥＤの任意の群と前記異なる波長変換シートの特定の１つとを組み合わせることによって、ＬＥＤの全ての群に対して実質的に実現されている前記所定の色を生成することを特徴とする請求項1に記載の方法。
15. 前記サブマウント上に実装されている他のＬＥＤから、カプセル封入されたＬＥＤを切り離すステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記サブマウントは、前記サブマウント上の前記ＬＥＤに電圧を印加するための電気的コンタクトを提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 複数の異なる波長変換シートを準備するステップは、平らな表面の上に蛍光体を含んだ液状カプセル材料を堆積させるステップと、前記カプセル材料が所望の厚さになるまで、前記平らな表面を回転させるステップとを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
18. 複数の異なる波長変換シートを準備するステップは、前記カプセル材料が所望の厚さとなるように、鋳型の平らな表面の上に蛍光体を含んだ液状カプセル材料を堆積させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. 前記ＬＥＤはＧａＮベースのＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. 前記蛍光体は黄色光を生じることを特徴とする請求項１に記載の方法。
21. 前記蛍光体は、複数の蛍光体材料を含み、赤色光及び緑色光を生じることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
22. 前記電圧を印加及び検出するステップは、前記複数の波長変換シートを処方する際と、前記波長変換シートのどの特定の１つを、ＬＥＤの各々の群に関連付けるべきかを判断する際と、においてだけ遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造体であって、
    １つのサブマウント上に実装され、ピーク波長の所定の範囲内のピーク波長を放射する、１つ又はそれ以上のＬＥＤと、
    厚さが均一で、前記サブマウント上の各々のＬＥＤを覆ってカプセル封入し、各々のＬＥＤによって放射される光を異なる波長の光に変換するための１つ又はそれ以上の種類の蛍光体を含んだ予備形成されたカプセル封入シートと、
    を備えることを特徴とする構造体。
24. サブマウント上に実装された前記１つ又はそれ以上のＬＥＤは、サブマウント上に実装されたＬＥＤのアレイを含み、前記アレイ内の各々のＬＥＤは、ピーク波長の所定の範囲内のピーク波長を放射することを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。
25. 前記カプセル封入シートは、種々の波長変換特性を有する複数のカプセル封入シートの１つであり、前記１つ又はそれ以上のＬＥＤと前記カプセル封入シートの組み合わせが、ある所定の色を生じるように、１つ又はそれ以上のＬＥＤによって放射されるピーク波長に基づいて選択されていることを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。
26. 前記ＬＥＤと前記カプセル封入シートの前記組み合わせは、前記カプセル封入シートが恒久的に前記ＬＥＤに貼り付けられる前に検査されていることを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。
27. 前記カプセル封入シートは、５０ミクロンから２００ミクロンまでの間の実質的に単一の厚さである、実質的に一定の厚さを有することを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。
28. 前記カプセル封入シートはシリコーンを含むことを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。
29. 前記１つ又はそれ以上のＬＥＤは、青色又はＵＶ光を放射するＧａＮベースのＬＥＤであることを特徴とする請求項２３に記載のＬＥＤ構造体。

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