JP5934745B2 - 発光ダイオードパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、発光ダイオード(LED)パッケージに関し、特に、照明用途のために角度変化に対して所望の色を有するLEDパッケージに関する。
発光ダイオード(LED)を使用する照明装置は、多くの照明用途においてますます一般的になりつつある。一般的に、LEDは、白色光を生成するために一次電子放出のリン光体変換を使用するが、リン光体は、赤、緑及び黄等の更なる飽和色を生成するために使用され得る。
多くのリン光体変換型LEDで見受けられる問題は、生成される光の角度に対する色(COA(color over angle))の変化である。通常、リン光体レイヤからより高い角度で放射される光は、より高い角度での光があまり直射的でないので、より低い角度で放射される光よりも長い波長を有し、リン光体によって変換されるより多くの機会を有する。その結果、放射される光の色は角度に依存する。COAの変化は、一部のシステムにおいては望ましいが、他のシステムにおいては疎んじられることがある。従って、COAの変化を制御する解決法が望まれる。
本発明の幾つかの実施形態において、発光ダイオード(LED)パッケージは、アクティブ領域を含む半導体レイヤのスタックを有するLEDダイと、該LEDダイ上の波長変換素子とを有する。前記波長変換素子は、所望の角度色分布パターンを生成する1又はそれ以上の非平坦放射面を有する。
1又はそれ以上の湾曲した又は実質的に湾曲した面を有するレンズの断面図を表す。 1又はそれ以上の湾曲した又は実質的に湾曲した放射面を有する波長変換素子を形成するよう曲面に波長変換材を充填された図1のレンズの断面図を表す。 図2のレンズを備える発光ダイオード(LED)パッケージの断面図を表す。 1又はそれ以上の湾曲した又は実質的に湾曲した面を有するレンズの断面図を表す。 1又はそれ以上の湾曲した又は実質的に湾曲した放射面を有する波長変換素子及び側面コーティングを形成するよう曲面に波長変換材を充填された図4のレンズの断面図を表す。 支持体上のLEDダイに配置される波長変換材を表す。 図6の波長変換材から成形される波長変換素子を表す。 図7の波長変換素子を有するLEDパッケージを表す。 LEDダイとともにデバイスウェハに配置される波長変換材の断面図を表す。 図9の波長変換材から成形される波長変換素子の断面図を表す。 図10の波長変換素子の1つ及びLEDダイの1つを有するLEDパッケージの断面図を表す。 1又はそれ以上の階段状の放射面を有する波長変換素子を備えるLEDパッケージの断面図である。 セラミックリン光体ウェハからの波長変換素子の製造の断面図である。 図13の波長変換素子の1つ及びLEDダイを有するLEDパッケージの断面図である。 波長変換素子の湾曲した又は実質的に湾曲した放射面を設計する方法のフローチャートである。 重なり合った半球状の放射面を有する波長変換素子の斜視図を表す。 重なり合った半球状の放射面を有する波長変換素子の上面図を表す。 本発明の実施例に従って配置される重なり合ったベジエ放射面を有する波長変換素子の斜視図を表す。 本発明の実施例に従って配置される重なり合ったベジエ放射面を有する波長変換素子の上面図を表す。
異なる図における同じ参照符号の使用は、類似する又は同一の要素を示す。
図1乃至3は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、角度に対する色(COA)の所望の変化を有する発光ダイオード(LED)パッケージ300(図3)の製造を説明する。図1を参照すると、レンズ102は、光源から光を取り出すのを助けるようドーム状の形状を有する。レンズ102の底面104は、1又はそれ以上の湾曲した又は別なふうに非平坦の面106を有する。非平坦面は、曲面に相当するよう使用される階段状の、角を成す、又は別なふうに成形された面等、実質的に湾曲した面であってよい。曲面106は、レンズ102の底面104に成形され又はドリルであけられてよい。リム108は、非平坦面106の境界周囲を定める。レンズ102は、ガラス、サファイア、ダイアモンド、アルミナ、又はシリコーンであってよい。
図2を参照すると、波長変換材が、波長変換素子202を形成するよう、曲面106に沈積されている。波長変換材は、1又はそれ以上のタイプの結合材(例えば、シリコーン)内リン光体であってよい。リン光体は、一般的な化学式(Lu1−x−y−a−bGd(Al1−zGa12:CePr(なお、0<x<1,0<y<1,0<z≦0.1,0<a≦0.2及び0<b≦0.1)(例えば、LuAl12:Ce3+及びYAl12:Ce3+があり、黄から緑の範囲における光を発する。)及び(Sr1−xyBaCa2−zSi5−aAl8−a:Eu 2+(なお、0≦a<5,0<x≦1,0≦y≦1及び0<z≦1)(例えば、SrSi:Eu2+があり、赤色範囲における光を発する。)を有するアルミニウム・ガーネットリン光体であってよい。また、他の緑、黄及び赤を発するリン光体も適切でありうる(例えばSrSi:Eu2+を含む(Sr1−a−bCaBa)Si:Eu 2+(a=0.002〜0.2,b=0.0〜0.25,c=0.0〜0.25,x=1.5〜2.5,y=1.5〜2.5,z=1.5〜2.5)、例えばSrGa:Eu2+を含む(Sr1−u−v−xMgCaBa)(Ga2−y−zAlIn):Eu2+、Sr1−xBaSiO:Eu2+、並びに例えばCaS:Eu2+及びSrS:Eu2+を含む(Ca1−xSr)S:Eu2+(0<x≦1)がある。)。
波長変換素子202は、湾曲した又は別なふうに非平坦の面106(図1)によって定められる1又はそれ以上の湾曲した又は別なふうに非平坦の放射面206を有する。非平坦面は、製造公差内の欠陥を除いて、意図的に作られた面である。非平坦面は、波長変換素子202の平均高さ212の10%よりも大きい当該面の最低点から最高点までの高さ210の変化を有する面として定義されてよい。上述されたように、非平坦面は、曲面に相当するよう使用される階段状の、角を成す、又は別なふうに成形された面等、実質的に湾曲した面であってよい。
波長変換素子202の湾曲した放射面206とレンズ102のドーム状の形状との組み合わせは、所与の用途に望まれるCOA変化を提供する。波長変換素子202の湾曲した放射面206を設計する方法は、図15を参照して後で説明される。湾曲した放射面206の例は、図16乃至19を参照して後で記載される。
反射又は散乱材は、波長変換素子202の縁周囲に側面コーティング208を形成するよう、リム108において沈積される。側面コーティング208は、波長変換素子202及びLEDダイからのエッジ放射を制御するのを助ける。側面コーティング208は、例えば、TiOを有するシリコーン、エポキシ、又はアクリル等の、反射粒子を含むレジン又はポリマーであってよい。代替的に、側面コーティング208は、例えば、Al、Ag、Cr、Au、Ni、V、Pt、Pd又はそれらの組み合わせ等の薄金属膜であってよい。
図3を参照すると、レンズ102は、支持体308上のLEDダイにマウントされている。LEDダイ306は、n型レイヤ、n型レイヤ上の発光レイヤ(広くアクティブ領域と呼ばれる。)、発光レイヤ上のp型レイヤ、p型レイヤ上の導電性反射レイヤ、及び導電性反射レイヤ上の保護金属レイヤを含んでよい。1又はそれ以上のn型ボンドパッドは、n型レイヤとの電気的な接触を提供し、1又はそれ以上のp型ボンドパッドは、p型レイヤのために導電性反射レイヤとの電気的な接触を提供する。
支持体308は、サブマウント又はインターポーザ310、ヒートシンク312、及び筐体314を有してよい。LEDダイ306は、サブマウント310にマウントされている。サブマウント310は、LEDダイ306の金属パターンのビアによる又はサブマウント上での再配分を備える基板を有する。サブマウント310は、ヒートシンク312の上にマウントされている。ヒートシンク312は、LEDダイ306からの熱を放散する。ヒートシンク312は、筐体314に受容されている。ボンドワイヤは、サブマウント310上のパッドを筐体314の電気リード316に電気的に結合し、LEDパッケージ300と外部コンポーネントとの間で電気信号を渡す。
図4は、本開示の1又はそれ以上の実施形態におけるレンズ402を表す。レンズ402は、LEDパッケージ300におけるレンズ102に取って代わってよい。レンズ402は、次の点を除いて、レンズ102と同じである。レンズ402は、曲面106の周囲にリム108を有さない。図5が示すように、側面コーティング508は、波長変換素子202の縁からレンズの境界にわたってレンズ402の底面に形成される。側面コーティング508は、上記の側面コーティング208と同じ材質であってよい。
他の代替実施形態において、レンズ102又は402は、リン光体を充填されてよく、それにより、湾曲した又は実質的に湾曲した放射面206を備えた波長変換素子をレンズに設ける。波長変換素子202によって残された空間は、如何なるリン光体にもよらずにシリコーンにより充填されてよい。
図6乃至8は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、所望のCOA変化を有するLEDパッケージ800(図8)の構成を表す。図6を参照すると、LEDダイ306は支持体608にマウントされている。図示されていないが、支持体608は、支持体308に関して上述されたサブマウント、ヒートシンク及び筐体を有してよい。波長変換材602は、LEDダイ306上に沈積される。波長変換材602は、上記の波長変換材202と同じ材質であってよい。
図7を参照すると、波長変換材602(図6)は、1又はそれ以上の湾曲した又は別なふうに非平坦の放射面706(上記の面206と同じ。)を有する波長変換素子702を形成するようモールドにより成形される。
図8を参照すると、側面コーティング808が、LEDダイ306及び波長変換素子702の側面に適用されている。側面コーティング808は、上記の側面コーティング208と同じ材質であってよい。レンズ802は、LEDパッケージ800を完成するようLEDダイ306及び波長変換素子702を被包するように支持体608上で成形される。レンズ802は、シリコーン又はエポキシであってよい。レンズ802は、光源から光を取り出すのを助けるようドーム状の形状を有する。
波長変換素子702の湾曲した放射面706とレンズ802のドーム状の形状との組み合わせは、所与の用途に望まれるCOA変化を提供する。波長変換素子702の湾曲した放射面706を設計する方法は、図15を参照して後に説明される。湾曲した放射面706の例は、図16乃至19を参照して後に記載される。
図9乃至11は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、所望のCOA変化を有するLEDパッケージ1100(図11)のウェハスケール製造を表す。図9を参照すると、複数のLEDダイ902を有するデバイスウェハ900が表されている。簡単のために、LEDダイ902−1及び902−2しか表されないが、デバイスウェハ900が同様に多くのLEDダイを有してよいことは明らかである。
LEDダイ902−1は、目下除かれている成長ウェハ上にエピタキシャル成長したn型レイヤ904、n型レイヤ上にエピタキシャル成長した発光レイヤ906(広く「アクティブレイヤ」とも呼ばれる。)、発光レイヤ上にエピタキシャル成長したp型レイヤ908、p型レイヤ上に形成された導電性反射レイヤ910、導電性反射レイヤ上に形成された保護金属レイヤ912を有する。その構造の上には、誘電体レイヤ914が形成されている。
開口は、p型レイヤ908にn型レイヤ904及び導電性反射レイヤ910へのアクセスを提供するために様々なレイヤにおいて形成される。1又はそれ以上のn型ボンドパッド916は、n型レイヤ904と電気的に接するよう形成され、1又はそれ以上のp型ボンドパッド918は、導電性反射レイヤ910と電気的に接するよう形成される。ボンドパッド916及び918は、LEDダイに機械的な支持を提供するよう、ダイエッジにまで延在して、LEDダイ902−1の背面の実質的な部分(例えば、85%よりも大きい)をカバーする。ボンドパッド916及び918に関する更なる詳細については、同一出願人により2006年12月15日に出願された米国特許出願第11/611775号明細書(代理人整理番号:LUM−06−03−01、発明の名称:“LED Assembly Having Maximum Metal Support for Laser Lift-off of Growth Substrate”)を参照されたし。なお、この特許文献は、参照により本願に援用される。LEDダイ902−2は、LEDダイ902−1と同じ構造を有する。
除去可能な接着剤920がデバイスウェハ900の底面にわたって適用されており、その場合に、キャリアウェハ920はデバイスウェハ900の底面に接合されている。波長変換材924は、デバイスウェハ900の上面にわたって沈積されている。波長変換材924は、上記の波長変換素子702と同じ材質であってよい。
図10を参照すると、波長変換材924(図9)は、1又はそれ以上の湾曲した又は別なふうに非平坦の放射面1006(上記の面206と同じ。)を有する波長変換素子1002をデバイスウェハ900の各ダイの上に形成するようモールドにより成形される。波長変換素子1002の湾曲した放射面1006は、所与の用途に望まれるCOA変化を提供する。波長変換素子1002の湾曲した放射面1006を設計する方法は、図15を参照して後に説明される。湾曲した放射面1006の例は、図16乃至19を参照して後に記載される。
代替的に、フラットモールドは、波長変換材924を平坦な波長変換素子へと成形してよい。平坦な波長変換素子は、実質的に湾曲した放射面1006を有する波長変換素子1002を形成するよう機械的に成形されてよい。例えば、平坦な波長変換素子は、実質的に湾曲した放射面1006を有する波長変換素子1002を形成するようフライス加工され、又は微粒子(例えば、塩)をビーズ噴射されてよい。同様の処理が、図13及び14を参照して後に記載される。
次いで、デバイスウェハ900は、キャリアウェハ920からストレッチフィルムに移される。LEDダイ902は、波長変換素子1002とともに、その場合に、個々の波長変換素子を有する個別のダイに単一化(singulate)される。LEDダイ902及び波長変換素子1002は、レーザ、スクライブ又は鋸を用いて単一化されてよい。次いで、ストレッチフィルムは、横方向に分かれたLEDダイ902にまで拡大され、側面コーティング1108(図11)は、LEDダイ902及び波長変換素子1002の側面に適用される。側面コーティング1108は、上記の側面コーティング208と同じ材質であってよい。側面コーティング1108の適用に関する更なる詳細については、同一出願人により2009年5月1日に出願された米国特許出願第12/433972号明細書(代理人整理番号:PH012995US1、発明の名称:“Controlling Edge Emission in Package-Free LED Die”)を参照されたし。なお、この特許出願は、参照により本願に援用される。
図11を参照すると、波長変換素子1002−1を有する単一化されたLEDダイ902−1が支持体608の上にマウントされている。反射体1110は、LEDダイ902−1及び波長変換素子1002−1からの光を成形するよう支持体608にマウントされてよい。
図12は、本開示の1又はそれ以上の実施形態におけるLEDパッケージ1200を表す。LEDパッケージ1200は、支持体608上にマウントされているLEDダイ306を有する。波長変換素子1202は、LEDダイ306の上にマウントされている。波長変換素子1202は、セラミックリン光体プレートの1又はそれ以上のスタックを有する。リン光体プレートは、上記の曲面形状に相当する階段状の放射面1206を提供するように異なった長さ及び幅を有する。具体的に、大きいセラミックリン光体プレート1202−1がLEDダイ306の上にマウントされ、より小さいセラミックリン光体プレート1202−2、1202−3及び1202−4の2つのスタックが、2つの曲面に相当するようセラミックリン光体プレート1202−1の上にマウントされる。セラミックリン光体プレートに関する詳細については、同一出願人による米国特許第7361938号明細書を参照されたし。なお、この特許文献は、参照により本願に援用される。階段状の放射面1206を有する波長変換素子1202は、所与の用途に望まれるCOA変化を提供する。波長変換素子1202の階段状の放射面1206又は階段状の面に相当する曲面を設計する方法は、図15を参照して後に説明される。階段状の放射面1206又は階段状の面に相当する曲面の例は、図16乃至19を参照して後に記載される。図示されてないが、レンズ802は、LEDパッケージ1200を完成するようLEDダイ306及び波長変換素子1202を被包するように支持体608の上に成形されてよい。
図13及び14は、本開示の1又はそれ以上の実施形態におけるLEDパッケージ1400(図14)の製造を表す。図13は、波長変換ウェハ1300が、階段状の放射面1306を形成するよう工具1304により機械的に成形される(すなわち、フライス加工される又は別なふうに機械加工される)ことを示す。波長変換ウェハ1300は、セラミックリン光体ウェハであってよい。階段状の放射面1306の代わりに、工具1304は、湾曲した又は角を成す面を形成することができうる。フライス加工される代わりに、波長変換ウェハ1300は、階段状の、湾曲した、又は角を成す面を形成するよう、微粒子(例えば、塩)をビーズ噴射されてよい。次いで、波長変換ウェハ1300は、1又はそれ以上の湾曲した、階段状の、又は角を成す面1406(図14)を有する個々の波長変換素子1402(図14)に単一化される。
図14は、波長変換素子1402が、LEDパッケージ1400を完成するよう、支持体608の上にマウントされたLEDダイ306の上にマウントされることを示す。波長変換素子1402の階段状の面1406は、所与の用途に望まれるCOA変化を提供する。波長変換素子1402の階段状の面1406又は階段状の面に相当する曲面を設計する方法は、図15を参照して後に説明される。階段状の面1406又は階段状の面に相当する曲面の例は、図16乃至19を参照して後に記載される。図示されていないが、レンズ802は、LEDパッケージ1400を完成するようLEDダイ306及び波長変換素子1402を被包するように支持体608の上に成形されてよい。
図15は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、波長変換素子の湾曲した、階段状の、角を成す又は別なふうに非平坦の面を設計するための方法1500のフローチャートである。方法500は、カリフォルニア州パサディナにあるオプティカル・リサーチ・アソシエイツから入手可能なLightTools等の照明設計ソフトウェアを備えたコンピュータにより実施される。
ブロック1502で、COAメカニズムは、照明設計ソフトウェアにおいて定量化される。例えば、COAは、波長変換材を通る異なる経路長さ、リン光体の均一放射、LEDのランベルト放射(lambertian emission)、リン光体粒子の散乱、(背面放射されるリン光体光からの)LEDダイ表面の散乱、側面コーティングの散乱、及びいずれかのドームレンズからの散乱によって、引き起こされうる。ブロック1502の後にはブロック1504が続く。
ブロック1504で、いずれかのレンズの形状が照明設計ソフトウェアに提供される。ブロック1504の後にはブロック1506が続く。
ブロック1506で、目標COA変化が照明設計ソフトウェアに提供される。次いで、照明設計ソフトウェアは、目標COA変化を提供する波長変換素子の湾曲した、階段状の、又は角を成す面を決定するよう設計をモデル化する。ブロック1506の後にはブロック1508が続く。
ブロック1508で、設計は、波長変換素子を作り、波長変換素子をLEDダイの上にマウントし、アセンブリから実際のCOA変化を決定することによって、確認される。実際のCOAが目標COAを満足しない場合には、ブロック1508の後に任意ブロック1510が続く。
任意ブロック1510で、波長変換素子の設計は、実際のCOAと目標COAとの間の差を補償するよう修正される。任意ブロック1510の後には、任意に、ブロック1508が続き、ブロック1508で、波長変換素子の新しい設計は確認される。
図16は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、湾曲した又は別なふうに非平坦の放射面1602及び1604を有する波長変換素子1600の例を表す。輪郭線は、曲面1602及び1604の湾曲をより良く表すために、それらに与えられている。曲面1602及び1604は、重なり合った半球又は他の同様の面であってよい。曲面1602及び1604は、所望のCOA変化を達成するために、同じ形状又は異なった形状を有してよい。
図17は、波長変換素子1600に対するLEDダイ306配置を示す。波長変換素子1600は、1つの方向(例えば、X)が他の方向(例えば、Y)よりも長くなるように、LEDダイ306に対して非対称形状を有してよい点に留意すべきである。これは、波長変換素子1600が非対称なCOA分布パターンを生成すること又は光源からの非対称なCOA分布パターンを補償することを可能にする。曲面1602及び1604は、上記の波長変換素子において使用されてよい。曲面1602及び1604は、上記の階段状の又は角を成す面によっても形成されてよい。
図18は、本開示の1又はそれ以上の実施形態における、湾曲した又は別なふうに非平坦の放射面1802、1804、1806及び1808を有する波長変換素子1800の例を表す。曲面1802、1804、1806及び1808は、重なり合ったベジエ(Bezier)面である。曲面1802、1804、1806及び1808は、所望のCOA変化を達成するために、同じ形状又は異なった形状を有してよい。
図19は、波長変換素子1800に対するLEDダイ306の配置を示す。波長変換素子1800は、1つの方向(例えば、X)が他の方向(例えば、Y)よりも長くなるように、LEDダイ306に対して非対称形状を有してよい点に留意すべきである。これは、波長変換素子1800が非対称なCOA分布パターンを生成すること又は光源からの非対称なCOA分布パターンを補償することを可能にする。曲面1802、1804、1806及び1808は、上記の波長変換素子において使用されてよい。曲面1802、1804、1806及び1808は、上記の階段状の又は角を成す面によっても形成されてよい。
開示される実施形態の特徴の様々な他の適応及び組み合わせは、本発明の適用範囲内にある。多数の実施形態が、特許請求の範囲によって包含される。
[関連出願の相互参照]
本願は、2008年9月24日付けで同一出願人により出願された米国特許出願第12/236527号明細書(代理人整理番号:PH009874US1、発明の名称:“LED with Controlled Angular Non-Uniformity”)に関する。この特許文献は、参照により本願に援用される。
102,402,802 レンズ
104 底面
106,706 湾曲/非平坦面
108 リム
202,702,1202,1600 波長変換素子
206,706,1206 放射面
208,508,808 側面コーティング
300,1100,1200,1400 LEDパッケージ
306 LEDダイ
308,608 支持体
310 サブマウント/インターポーザ
312 ヒートシンク
314 筐体
316 電気リード
602 波長変換材
900 デバイスウェハ
1100 反射体
1202−1〜1202−4 セラミックリン光体プレート
1300 波長変換ウェハ

Claims (4)

  1. アクティブ領域を含む半導体レイヤのスタックを有するLEDダイ;及び
    所定の角度色分布パターンを生成するよう配置される複数の湾曲した放射面に相当する複数の階段状の放射面を形成する複数のセラミックリン光体プレートを有する、前記LEDダイ上の波長変換素子
    を有し、
    前記複数のセラミックリン光体プレートは、異なった長さ及び幅を有し、
    前記複数の階段状の放射面は、大きいセラミックリン光体プレートが前記LEDダイの上にマウントされ、より小さいセラミックリン光体が前記大きいセラミックリン光体プレートの上にマウントされている前記複数のセラミックリン光体プレートのスタックを有し
    前記複数の階段状の放射面は、異なる形状の少なくとも2つの凸状表面を有し、該少なくとも2つの凸状表面は、部分的に重なり合う少なくとも2つの半球を有する、発光ダイオードパッケージ。
  2. 前記複数の階段状の放射面は、前記LEDダイに関して中心をなすX軸及びY軸に対して非対称形状を有する、
    請求項1に記載の発光ダイオードパッケージ。
  3. 発光ダイオードパッケージの製造方法であって:
    所定の角度色分布パターンを生成するよう配置される複数の湾曲した放射面に相当する複数の階段状の放射面を形成するよう複数のセラミックリン光体プレートを、アクティブ領域を含む半導体レイヤのスタックを有するLEDダイ上に形成するステップ
    を有し、
    前記複数のセラミックリン光体プレートは、異なった長さ及び幅を有し、
    前記複数の階段状の放射面は、大きいセラミックリン光体プレートが前記LEDダイの上にマウントされ、より小さいセラミックリン光体が前記大きいセラミックリン光体プレートの上にマウントされている前記複数のセラミックリン光体プレートのスタックを有し
    前記複数の階段状の放射面は、異なる形状の少なくとも2つの凸状表面を有し、該少なくとも2つの凸状表面は、部分的に重なり合う少なくとも2つの半球を有する、発光ダイオードパッケージの製造方法。
  4. 前記複数の階段状の放射面は、前記LEDダイに関して中心をなすX軸及びY軸に対して非対称形状を有する、
    請求項3に記載の発光ダイオードパッケージの製造方法。
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