JP4824275B2 - 発光変換素子を備えた発光ダイオード光源の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ１つの発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップから送信された電磁波ビームの少なくとも一部を波長変換する発光変換素子を備えた同種の多数の発光ダイオード光源を同時に製造するための方法に関しており、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２５８１９３.２号の優先権を主張して出願されている。

発光変換素子を備えた光源は、例えば国際公開第９７／５０１３２号パンフレットから公知である。このパンフレットには、半導体チップが開示されており、これは作動中に一次ビームを送出し、そのビームの一部が発光変換素子によって別の波長の光に変換されている。その結果として生じた知覚可能な発光ダイオード光源の光ビームは、２つのビームの混合によって得られ、これによって特に白光を放つ光源を生成することが可能となる。この発光変換素子は、少なくとも１つの蛍光体を有し、これはマトリックス材料内に埋め込まれている。

また、発光変換材料を発光ダイオードチップの後方に配置させるための多くの手法が公知である。その１つとして例えば国際公開第９８/１２７５７号パンフレットに記載されているように、蛍光体を注入材料と混合させる手段が公知である。この場合発光ダイオードチップは、容器化されたリードフレームに取付けられ、波長変換させる注入材料で覆われる。そのような手法によって製造された発光ダイオード光源は、同種の光源の間において色度（IEC色度表）における変動を生じさせる。この原因には、注入材料内の蛍光体の沈降特性や発光ダイオードチップ上の発光変換性注入材料の種々異なるレベルなどが挙げられる。

そのような問題は、部分的には例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 199 63806 A1 明細書に記載のように、リードフレーム上に取付けられた発光ダイオードチップを発光変換材料で取り囲むようにして相殺させることも可能である。この場合は、射出成形技術の適用下で蛍光体に対して比較的高い粘性の支持体材料が用いられ、これはより迅速に硬化させられる。それにより蛍光体の沈降特性が僅かな量に抑えられる。この種の製造方法はその上さらにケーシングが予め完成されたものでなければならなかった手間を省くことができ、このことは、発光ダイオード光源の著しい縮小化の可能性を意味するものである。

射出成形体の使用によって、同種の全高を有する発光ダイオード光源が得られるが、いずれにせよこのことは、チップ上で発光変換層の厚さを異ならしめることにつながる。なぜなら、それ自体、同じウエハ結合部からなる発光ダイオードチップのもとで例えば２０μｍまでの高さ変動に結びつくからである。射出成形技法におけるさらに別の欠点は、高い製造コストである。なぜならプラントや機械設備に対する設備投資コストがかかるわりには製造プロセス毎の収量が少ないからである。
国際公開第９７／５０１３２号パンフレット 国際公開第９８/１２７５７号パンフレット ドイツ連邦共和国特許出願 DE 199 63806 A1 明細書

本発明の課題は、同種の多数の発光ダイオード光源相互間で色度変動の少ない、発光変換素子を備えた発光ダイオード光源を低コストで製造できる方法を提供することである。

前記課題は本発明により、
支持基板上に被着された発光ダイオード層列を有する複合層を形成するステップと、
前記複合層内に複数のトレンチを形成するステップと、
射出成形体の空洞内に複合層を挿入するステップと、
前記トレンチが少なくとも部分的に当該射出成形材料で充填されるように、空洞内に発光変換材料と混合される射出成形材料を打ち込むステップと、
前記射出成形体を取り除くステップと、
複合層から発光ダイオード光源を個別化させるステップを有するようにして解決される。

また前記課題は本発明により、
共通の支持体上に規則的な配置構成で被着されている複数の発光ダイオードチップを形成するステップと、
射出成形体の空洞内に発光ダイオードチップを挿入するステップと、
前記空洞内の自由空間が射出成形材料で少なくとも部分的に充填されるように、空洞内に発光変換材料と混合される射出成形材料を打ち込むステップと、
前記射出成形体を取り除くステップと、
発光ダイオード光源を個別化させるステップを有するようにして解決される。

本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、それぞれ１つの発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップから送信された電磁波ビームの少なくとも一部を波長変換する発光変換素子とを備えた同種の多数の発光ダイオード光源が同時に製造され、この場合発光ダイオードチップ上には、射出技術を用いて発光変換材料がチップの取付け前にケーシングないしケーシング部分へ実質的に同時に被着される。

請求項１によれば、多数の発光ダイオードチップに対して、支持基板上に被着された発光ダイオード層列を有する複合層が形成される。この方法では、この複合層中に多数のトレンチが形成される。引き続きウエハが射出成形体の空洞内に挿入され、その中には後続のステップにおいて注入材料が打ち込まれる。この注入材料は、発光変換材料と混合され、トレンチが少なくとも部分的にそれで充填されるように空洞内に打ち込まれる。それに続いて射出成形体が取り除かれ、発光ダイオード光源が複合層から個別化される。

本発明の方法によれば、射出プレスの利点を同種の多数の発光ダイオード光源の同時製造に結びつけることができる。これにより、製造コストが著しく低減される。

発光変換材料は、少なくとも１つの蛍光体を含み得る。それに対しては例えば無機蛍光物質、例えば希土類元素（特にＣｅ）のドーピングされたガーネットや有機蛍光物質、例えばペリレン蛍光物質などであってもよい。さらなる適した蛍光物資は、例えば前記国際公開第９８/１２７５７号パンフレットにも記載されている。

当該方法では、複合層は有利には発光ダイオードチップのウエハ結合部であってもよい。

有利には、前記トレンチは、複合層内で隣接する発光ダイオードチップの領域間の分離ラインに沿って構成される。

有利には前記トレンチの形成は、鋸引き状加工処理によって行われる。

本発明の別の有利な実施例によれば、内壁が、少なくともいくつかのトレンチによって次のように形成されている、すなわち底面の部分が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対して非平行におよび/または非垂直に延在するように形成される。それにより、チップ表面の少なくとも一部が１つのフォームを与えられ、これによって送信された電磁波ビームが可及的に僅かな入射角でチップ表面に入射する。これはビームの出力結合に対して有利となる。

この場合特に有利には、底面が、少なくともいくつかのトレンチによってＶ字状、凸状、凹状または階段状に形成され、発光ダイオードチップの光出力結合の少なくとも一部がトレンチの底面を介して生じる。

請求項２に記載の本発明による方法によれば、共通の支持体上に規則的な配置構成で被着されている多数の発光ダイオードチップが提供される。これは、射出成形体の空洞内に挿入される。この空洞内には後で発光変換材料と混合される射出成形材料が打ち込まれる。この射出成形材料は、次のように打ち込まれる。すなわち空洞内の自由空間が少なくとも部分的にこの射出成形材料で充填されるように打ち込まれる。その後でこの射出成形体は取り除かれ、発光ダイオード光源が個別化される。

有利には、この場合フレキシブルな支持体が用いられる。

本発明による方法の第２実施例の有利な実施形態によれば、側方縁部が少なくともいくつかの発光ダイオードチップによって次のように形成されている、すなわちその一部が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対して非垂直に延在するように形成されている。

特に有利にはこの側方縁部が、少なくともいくつかの発光ダイオードチップによって次のように形成されている、すなわちその一部が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対する垂直方向に対して斜めに延在するか、又は湾曲して若しくは階段状に延在する。このように構成された側方縁部は、電磁波の出力結合に対して有利となる。

本発明による方法の別の有利な形態によれば、前記射出成形材料は射出プレス材料であり、前記射出成形体は射出プレス成形体である。射出プレス材料の利用によって、通常は、射出成形材料の場合よりも早い硬化が達成でき、このことは、蛍光物質の沈降傾向特性の改善（低減）に寄与する。

前記空洞は、本発明による方法の有利な実施形態によれば、射出成形体の内壁が複合層ないしチップの表側と裏側に当接するように構成される。これにより、複合層ないしチップの表側と裏側が射出材料によって僅かしか覆われないのではなく、トレンチないしはチップ間の介在空間のみが射出材料で充填される。トレンチもチップ間の介在空間もよりよく定められて生成されるので、発光ダイオード光源の側縁部のカバーは、僅かな違いしか有さない。層厚さの違いに基づく色度変動は、チップ表面上の射出材料（これは射出技術のもとで種々異なるチップ高さによってなされる）によって十分に回避される。

本発明によれば代替的に、支持体上に存在する発光ダイオードチップは、その裏側が射出成形体の内壁に接するように空洞内に挿入される。これにより、射出材料を複合層ないし発光ダイオードチップの表側表面に被着させる付加的な可能性が得られる。

本発明による有利な実施形態によれば、前記複合層ないし発光ダイオードチップは表側に電気的なコンタクト面を有しており、該コンタクト面には、当該複合層ないし発光ダイオードチップの空洞内への挿入の前に、ほぼ一定した高さの電気的な端子が被着される。そのように高められたコンタクトは、複合層ないし発光ダイオードチップの表側表面と射出成形体内壁との間のスペーサーとして働く。これにより射出成形体の空洞内への射出材料の打ち込みの際に、発光ダイオードチップの縁部のみでなく、この表側の表面も引き上げられた電気的コンタクトまで均等に射出材料で覆われる。

電気的コンタクトを覆う射出材料は、本発明の有利な実施形態においては、薄肉化によって取り除かれる。これは有利には、少なくとも当該電気的コンタクトが露出するまで行われる。

本発明の特に有利な実施形態によれば、電気的端子材料が電気的なコンタクト面上に被着されており、これが引き続き射出材料で覆われ、この射出材料が引き続き薄肉化処理される。この場合発光ダイオード光源の色度（ＣＩＥ色度図）が繰り返し測定され、それによってこの薄肉化処理により調整が所期のようになされる。

電気的コンタクト面の射出材料による不所望な被覆を避けるために、空洞内への複合層ないし発光ダイオードチップの挿入前にそれが密閉され、個別化前に再び露出される。

本発明の有利な実施形態によれば、電気的なコンタクト面の密閉化が複合層ないし発光ダイオードチップの表側および/または裏側表面に被着されるホイルを用いて行われる。

代替的にさらに、前記チップの電気的コンタクト面の密閉化が、複合層ないし発光ダイオードチップの表側および/または裏側に対して個別に押圧される可動に設けられた部分プレートからなる、射出成形体の表側および/または裏側内壁によって行われる。そのような装置によれば、複合層ないしチップ内の高さ変動が補償され、それによって射出成形体の壁部があらゆる表側及び/又は裏側表面に密に当接され、良好に密閉される。また代替的に弾性的な材料若しくは変形可能なプラスチック性材料を使用することも可能である。

本発明による方法の別の有利な実施形態によれば、発光ダイオード光源の位置と色度が追従的に確定及び把握され、さらに発光ダイオード光源がその色度に従って追従的に分類される。そのような装置によれば、全ての欠陥チップが取り除かれるので、後続するプロセス、例えばボンディングワイヤによる発光ダイオード光源の自動コンタクト形成などが著しく加速される。

当該方法によって製造される発光ダイオード光源は引き続きリードフレーム上に取付けられ、並びに透光性または透過性の材料で押出しコーディングされる。

代替的にこの製造された発光ダイオード光源は、予め容器化されたリードフレームへの取付けに非常に適している。これはそれに続いて、透光性または透過性の注入材料で覆われる。

次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。

図１では、発光ダイオードチップが空洞内への挿入前に既に次のように個別化されている。すなわちその側縁の一部がその表側若しくは裏側表面に対して斜めに延在するように個別化されている。このことは次のようにして行われている。すなわちまず発光ダイオードチップ１の領域の間の複合層において、トレンチが分離ラインに沿って形成され、その底部はＶ字状に形成され、続いてチップがこのトレンチに沿って鋸引き加工によって個別化されるように行われる。このトレンチは、鋸身の端面がＶ字状に終結している鋸歯で加工されてもよい。

発光ダイオードチップは、ＩｎＧａＮベースのビーム発光性活性領域（図示せず）を有するエピタキシャル半導体層列を含んでいる。この活性領域は、例えばビームを生成するｐｎ移行部かまたはビームを生成するシングルタイプか若しくはマルチタイプの量子化構造を有している。そのような構造は、当業者にとっては周知であり、それ故ここでの詳細な説明は省く。適切なマルチタイプの量子化構造については例えば公知文献 WO 01/39282 A2 明細書が参照される。

発光ダイオードチップ１は、支持体ホイル４の上に被着されており、これによって射出成形体２内部に緊締されている。注入材料３は、射出成形体２の空洞内に押しやられ、それによって発光ダイオードチップ１の間の介在空間が完全に充填される。この注入材料として例えば樹脂ベースのプラスチックプレス材料が用いられてもよい。これは実質的に事前反応するエポキシ樹脂、特にエポキシノボラックまたはエポキシクレゾールノボラックからなっており、それらは、射出プレス２によって被着されている。この種の注入部材に対する例は、例えば特許文権（WO 01/50540A1 ）に記載されている。注入材料は、少なくとも１つの蛍光物質と混合可能であってもよい。例えば無機蛍光物質、例えば希土類元素（特にＣｅ）のドーピングされたガーネットや有機蛍光物質、例えばペリレン蛍光物質などであってもよい。注入材料の少なくとも一部の硬化の後で、発光ダイオード光源が射出成形体２からピックアップされ、支持体ホイル４から遠ざけられ、新たに個別化される。このことは例えば鋸引き加工処理によって行われてもよい。

代替的に前記発光ダイオードチップ１は、射出成形体２への挿入前に完全に分離されるのではなく、部分的に複合層を介して関連付けられる。このことは、例えば複合層内でトレンチのみが生成され、チップは個別化されないことを保証する。

図２の実施例においては、発光ダイオードチップ１が射出成形体２内への挿入前に既に鋸引き加工処理によって個別化され、支持体ホイル４上に被着されている。図１に基づいて先に説明した実施例とは、チップ側縁の形態と、次の事実によって異なっている。すなわち発光ダイオードチップの図示されていない表側コンタクト面上にほぼ同じ高さの導電性材料５が被着されていることである。これは射出成形体の内壁とチップ表面の間のスペーサーとして、並びに電気的なコンタクトとして用いられる。発光ダイオードチップ１は、支持体ホイル４を用いて射出成形体２内部に緊締され、そのため射出成形体２の内壁は、導電性材料に接する。この導電性材料５は、有利には、軟性であり、それによって射出成形体２の狭幅な当接状態の内壁のもとで、発光ダイオードチップ１の高さの差が、射出成形体２の部分プレートの押圧によって補償され、さらに導電性材料５の軽い変形も補償される。発光変換素子と混合される注入材料３は、引き続き射出成形体２の空洞内へ注入され、それによって発光ダイオードチップ１の間の介在空間が完全に充填される。注入材料３が少なくとも部分的に硬化される場合には、当該発光ダイオード光源は、射出成形体２から取り込まれ、支持体ホイル４によって分離され鋸引き加工によって個別化される。

発光ダイオードチップの個別化前に、その色度や位置が有利に確定され把握される。個別化の後では当該光源がこれらのデータに基づいてその色度に従って分類される。

図３の構成素子は、容器化（ハウジング化）されたリードフレーム１２を含んでいる。このリードフレーム１２は、１つのケーシング７と２つの電気的な導体を有している。このケーシング内に図２による実施例に従って作成された発光ダイオード光源６が取付けられる。この発光ダイオード光源６は、透光性若しくは透過性の注入材８で覆われており、この注入材は、例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、若しくはこれらの樹脂の混合物を有し得る。そのような注入材は、当業者には周知であり、ここでのさらなる説明は省く。導電性材料５が表側で発光変換材料３によって覆われている場合には、容器化されたリードフレーム１２内への発光ダイオード光源６の取付け前に薄肉化加工処理によって取り除かれる。この場合の薄肉化（加工）処理は、支持体ホイル上に被着された全ての発光ダイオード光源６のもとで例えば研磨加工によって同時に行われる。

代替的に発光ダイオード光源６は、リードフレーム１２上に取付けられて、当該リードフレームの一部と共に透光性ないし透過性のプレス材料で完全に充填されるようにしてもよい。これはケーシングとして用いられる。

本発明の保護対象は、前述の実施例に限定されるものではない。それどころか本発明は、あらゆる新たな特徴並びにそれらの個々の特徴の組合わせも含み得る。このことは特にあらゆる特徴の組合わせが請求項で具体的に示されていなくとも含まれることを意味する。

挿入された複合層を伴う射出成形体の概略的な断面図に基づいて本発明による方法の実施例を示した図である 挿入された発光ダイオードチップを伴う射出成形体の概略的な断面図に基づいて本発明による方法の第２実施例を示した図である 本発明による方法の実施形態に従って製造された発光ダイオード光源を有する構成素子の実施例を示した図である

１ 発光ダイオードチップ
２ 射出成形体
３ 注入材料
４ 支持体ホイル
５ 導電性材料
６ 発光ダイオード光源
７ ケーシング
９ 導体
１０ 導体
１２ リードフレーム

Claims (19)

1. それぞれ１つの発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップから送信された電磁波ビームの少なくとも一部を波長変換する発光変換素子とを備えた同種の多数の発光ダイオード光源を同時に製造するための方法において、
   前記複数の発光ダイオードチップに対する、支持基板と該支持基板上に被着された発光ダイオード層列とからなる複合層を形成するステップと、；この場合前記複合層は表側に電気的なコンタクト面を有しており、該コンタクト面には、当該複合層を空洞内へ挿入する前に、ほぼ一定した高さの電気的な端子材料が被着されており、
   前記複合層に複数のトレンチを形成するステップと、；この場合該複数のトレンチは、隣接する発光ダイオードチップの形成のために、前記発光ダイオード層列の少なくとも一部領域が当該トレンチによって相互に分離されるように設けられており、
   射出成形体の空洞内に複合層を挿入するステップと、；この場合前記空洞は、射出成形体の内壁が複合層の表側と裏側に当接するように構成されており、
   前記トレンチが少なくとも部分的に射出成形材料で充填されるように、空洞内に発光変換材料と混合される射出成形材料を入れるステップと、
   前記射出成形体を取り除くステップと、
   複合層から発光ダイオード光源を個別化させるステップとを有していることを特徴とする方法。
2. それぞれ１つの発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップから送信された電磁波ビームの少なくとも一部を波長変換する発光変換素子とを備えた同種の多数の発光ダイオード光源を同時に製造するための方法において、
   共通の支持体上に規則的な配置構成で被着されている複数の発光ダイオードチップを形成するステップと、；この場合前記支持体は、フレキシブルであり、前記発光ダイオードチップは表側に電気的なコンタクト面を有しており、該コンタクト面には、当該発光ダイオードチップを空洞内へ挿入する前に、ほぼ一定した高さの電気的な端子材料が被着されており、
   射出成形体の空洞内に発光ダイオードチップを挿入するステップと、；この場合前記空洞は、射出成形体の内壁が発光ダイオードチップの表側と裏側に当接するように構成されており、
   前記空洞内の自由空間が射出成形材料で少なくとも部分的に充填されるように、空洞内に発光変換材料と混合される射出材料を打ち込むステップと、
   前記射出成形体を取り除くステップと、
   発光ダイオード光源を個別化させるステップとを有していることを特徴とする方法。
3. 前記複合層は、発光ダイオードチップのウエハ結合部である、請求項１記載の方法。
4. 前記トレンチは、複合層内で隣接する発光ダイオードチップの領域間の分離ラインに沿って構成される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記トレンチの形成は、鋸引き状加工処理によって行われる、請求項１または３若しくは４記載の方法。
6. 内壁が、少なくともいくつかのトレンチによって次のように形成されている、すなわち底面の部分が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対して非平行におよび/または非垂直に延在するように形成されている、請求項１または３から５いずれか１項記載の方法。
7. 底面が、少なくともいくつかのトレンチによってＶ字状、凸状、凹状または階段状に形成され、発光ダイオードチップの光出力結合の少なくとも一部がトレンチの底面を介して生じる、請求項１または３から６いずれか１項記載の方法。
8. 側方縁部が少なくともいくつかの発光ダイオードチップによって次のように形成されている、すなわちその一部が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対して非垂直に延在するように形成されている、請求項２または７記載の方法。
9. 側方縁部が、少なくともいくつかの発光ダイオードチップによって次のように形成されている、すなわちその一部が発光ダイオードチップの表側または裏側表面に対する垂直方向に対して斜めに延在するか、又は湾曲して若しくは階段状に延在する、請求項２記載の方法。
10. 前記射出成形材料は、射出プレス材料であり、前記射出成形体は、射出プレス成形体である、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
11. 前記発光ダイオードチップおよび/または発光ダイオード光源の個別化は、鋸引き加工処理によって行われる、請求項１から１０いずれか１項記載の方法。
12. 電気的なコンタクトを覆っている射出成形体のもとで薄肉化処理によって少なくとも電気的な端子材料が露出するまで除去がなされる、請求項１から１１いずれか１項記載の方法。
13. 覆われている電気的端子材料が少なくとも露出するまで表側に被着された射出材料が薄肉化処理され、発光ダイオード光源の色度（ＣＩＥ色度図）が繰り返し測定され、さらなる薄肉化処理によって所期の調整がなされる、請求項１２記載の方法。
14. 複合層ないし発光ダイオードチップの電気的コンタクト面が、空洞内への挿入前に密閉化され、個別化前に再び露出させられる、請求項１から１３いずれか１項記載の方法。
15. 電気的なコンタクト面の密閉化が複合層ないし発光ダイオードチップの表側および/または裏側表面に被着されるホイルを用いて行われる、請求項１４記載の方法。
16. 前記チップの電気的コンタクト面の密閉化が、複合層ないし発光ダイオードチップの表側および/または裏側に対して個別に押圧される、可動に設けられた部分プレートからなる、射出成形体の表側および/または裏側内壁によって行われる、請求項１４記載の方法。
17. 発光ダイオード光源の位置と色度が追従的に確定及び把握され、発光ダイオード光源がその色度に従って追従的に分類される、請求項１から１６いずれか１項記載の方法。
18. 請求項１から１７いずれか１項記載の方法によって製造されるものであって、発光ダイオード光源がリードフレーム上に取付けられ、引き続き透光性または透過性の材料で押出しコーディングされている、少なくとも１つの発光ダイオード光源を有する構成素子。
19. 請求項１から１７いずれか１項記載の方法によって製造されるものであって、発光ダイオード光源が、予め容器化されたリードフレームに取付けられ、透光性または透過性の注入材料で覆われている、少なくとも１つの発光ダイオード光源を有する構成素子。

Images