JP6325536B2 - 透明スペーサによってｌｅｄから離隔された蛍光体 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光体変換式の発光ダイオード（ＬＥＤ）、特に、そのようなＬＥＤにおいて光抽出効率を向上させる技術に関する。

例えば黄色のＹＡＧ蛍光体などの蛍光体層を青色ＬＥＤダイの上に設けることは一般的である。典型的に、蛍光体は、白色光を作り出すよう、ＬＥＤダイを直接的に覆うように配設される。蛍光体を通って漏れる青色光が、蛍光体の光と組み合わさって白色光を生成する。ＬＥＤダイの上に蛍光体層を積み置くことには数多くの手法が存在する。

蛍光体を励起する青色光は、蛍光体に全ての方向に光子を放出させる。比較的薄い蛍光体層では、蛍光体光のうちの５０％がＬＥＤダイから上方に放出され、蛍光体光の５０％がＬＥＤダイに向けて放出されてＬＥＤダイ表面に突き当たると仮定することができる。窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのＬＥＤダイでは、ＬＥＤダイ表面に突き当たる蛍光体光のうちの約１５％がＬＥＤ材料によって吸収され、約８５％が蛍光体層に向けて反射され返す。故に、蛍光体光の約半分がＬＥＤダイ表面に突き当たり、その光の１５％が吸収されるので、蛍光体層によって放出された光のうちの約７．５％が、ＬＥＤ材料により吸収されることによって無駄になる。これは、この系における最大の損失メカニズムである。

ＬＥＤダイによる蛍光体光の吸収によって生じるこの損失を低減する技術が望まれる。

ＧａＮベースのＬＥＤが、透明なサファイア、ＳｉＣ又はその他の成長基板の上に成長される。このような基板は、典型的に約７５ミクロン厚であり、その厚さは、処理中にＬＥＤウェハに最低限必要な機械的支持を提供するように選定される。一実施形態において、ＬＥＤを個片化された後、全てのＬＥＤダイを容易にハンドリングして処理し得るよう、多数のＬＥＤダイが単一のサブマウントウェハ又はリードフレームアセンブリの上にマウントされる。フリップチップＬＥＤダイでは、ＬＥＤダイをサブマウントウェハ上にマウントした後、成長基板は上に向いて露出される。成長基板はレーザリフトオフによって除去され得る。

そして、各ＬＥＤの上に、薄いシリコーン接着剤（例えば、５０ミクロン未満）を用いて、透明ガラス板が取り付けられる。ガラス板は、好ましくは１００ミクロンより大きい厚さであり、一実施形態において２５０−４００ミクロン厚である。ガラスは約１．５の屈折率を有する。

そして、ガラス板の頂面及び側壁を覆うように蛍光体層が積み置かれ、これが、例えば、スプレイ塗布によって、あるいはプリフォームされた蛍光体シートをガラス板及びサブマウントウェハ表面の上にラミネートすることによって、あるいはその他の好適な技術によって行われる。一実施形態において、蛍光体はシリコーンバインダ内に注入されている。シリコーンは約１．５の屈折率を有し、故に、蛍光体層は実効的に約１．５の屈折率を有する。蛍光体層の厚さは典型的に３０−７５ミクロンである。

蛍光体層とガラス板とが略同じ屈折率を有するので、ガラス板表面に向けて放出される蛍光体光は、ガラス板に入射し、ＬＥＤ頂面に突き当たらない限り、内部反射を殆ど又は全く伴わずに真っすぐにガラス板を通過することになる。ガラス板に入射してＬＥＤダイで反射する蛍光体光は、ダイによる吸収のために１５％の減衰を有することになる。

ガラス板はＬＥＤダイ（半導体層はほんの数ミクロンであり得る）と比較してかなり厚いので、ガラス板に入射する蛍光体光の多くが、ＬＥＤダイと接触することなく、ガラス板の側壁から出て行くことになる。故に、蛍光体がＬＥＤダイの上に直接的に積み置かれる場合と比較して、ＬＥＤ材料による吸収が遥かに少なくなる。本発明者が、得られるＬＥＤ構造をシミュレーションしたところ、蛍光体層がＬＥＤダイ表面の上に直接的に積み置かれる場合のデバイスに対して、１６％の光抽出増大が得られた。

得られるＬＥＤ構造は、蛍光体層がＬＥＤダイの上に直接的に積み置かれる従来のＬＥＤ構造と比較して、遥かに多い側面放射を有する。側面放射が望ましくない場合、このＬＥＤ構造は、反射性のカップの中にマウントされ得る。完全なる側面放射が望まれる場合には、蛍光体層の上に金属反射層が堆積され得る。必要に応じて、ガラス板は、共形の蛍光体層及び金属リフレクタ（反射体）にＬＥＤダイとは別の方向に光を導かせるためのディンプルを有するように形成され得る。これは、より少ない光がＬＥＤダイに突き当たることになるので、光抽出効率をよりいっそう向上させることになる。このような側面放射ＬＥＤは、ＬＥＤモジュールを支持する印刷回路基板がライトガイド（導光板）に平行であって側面放射がライトガイドのエッジに結合されるバックライトに好適である。

ガラス板の屈折率及び蛍光体層の屈折率は、好ましくは、反射を抑制するために一致される。しかしながら、これらの屈折率が一致されないとしても、ガラス板４４の外表面からの蛍光体光の幾らかの反射が存在し、やはり、ＬＥＤダイによる吸収を低減して光抽出効率を上昇させることになる。

他の一実施形態において、透明成長基板が除去されず、成長基板の上に蛍光体が積み置かれる。このような一実施形態では、従来の７５ミクロン基板より遥かに厚い成長基板を使用することが望ましい。一実施形態において、成長基板は１００ミクロンと４００ミクロンとの間の厚さを有する。この厚い基板に入射する蛍光体光は、たいがい、ＬＥＤダイ表面と接触することなく該基板の側壁から出て行くことになる。

ガラス板及び基板は、４００ミクロンより厚く製造されてもよいが、性能と材料コストとの間にトレードオフが存在する。ガラス板の代わりに、サファイア板をＬＥＤダイに取り付けてもよい。

一実施形態において、サブマウント又はリードフレームは、例えば銀の層によって形成されるものなどの反射頂面を有し、故に、蛍光体光又はＬＥＤ光がサブマウント又はリードフレームで反射されて吸収されないことになる。

全てのＬＥＤの上に、例えばシリコーンで形成されるものなどの半球状のレンズがモールドされる。その後、サブマウントウェハが個片化され、あるいはリードフレームが分離される。

他の実施形態も開示される。

他のＬＥＤダイとともにサブマウントウェハ上にマウントされた従来技術に係る青色又はＵＶフリップチップＬＥＤダイの簡略化した断面図である。 ＬＥＤダイの頂面に取り付けられたガラス板と該ガラス板の頂面及び側壁を覆って積み置かれた蛍光体層とを有する、図１のＬＥＤダイ及びサブマウントウェハを更に簡略化したものの断面図である。 図２の構造について、蛍光体層からの様々な光線がどのように、ＬＥＤダイ表面に突き当たるのを避けて、ガラス板を通り抜けてガラス板の側壁から出て行くかを示す図である。 図２と同様であるが全側面放射を生じるようにディンプルを有するガラス板と蛍光体層上の金属リフレクタとを有する構造を示す図である。 原形のままのＬＥＤダイ透明成長基板と該基板上に積み置かれた蛍光体層とを有するＬＥＤダイ及びサブマウントウェハを簡略化したものの断面図である。 図５の構造について、蛍光体層からの様々な光線がどのように、ＬＥＤダイ表面に突き当たるのを避けて、透明成長基板を通り抜けて該基板の側壁から出て行くかを示す図である。 同一あるいは同様の要素には同一の参照符号を付する。

本発明に係る技術は、多くの種類の様々なＬＥＤに適用可能であり得るが、本発明の用途を例示すべく、一例に係るＬＥＤ構造を説明することとする。

従来技術に係る図１は、サブマウントウェハ１４の一部上にマウントされた従来のフリップチップＬＥＤダイ１２を示している。フリップチップにおいては、ｎコンタクト及びｐコンタクトの双方が、ＬＥＤダイの同じ側に形成される。ＬＥＤダイは、その頂面に一方又は双方の電極を有するダイを含め、他の種類のダイであってもよい。

この開示において、用語“サブマウントウェハ”は、該ウェハ上の金属パッドがＬＥＤダイ表面の電極に接合され、該ウェハが後に個片化されることで、１つ以上のＬＥＤダイが単一のサブマウント上にあるものが形成されるような、ＬＥＤダイのアレイに対する支持体を意味するものである。

サブマウントウェハに代えて、ＬＥＤ／リードフレームを個片化するために後に切断される金属タブによって複数のリードフレームが相互接続された、反射性のリードフレームアセンブリ上に、ＬＥＤダイ１２がマウントされてもよい。リードフレームは、銀コートされた銅とし得る。各リードフレームが、ＬＥＤダイ電極への接続のための少なくとも金属パッドと、印刷回路基板への接続のための少なくとも２つの端子とを有することになる。

ＬＥＤダイ１２は、例えばサファイア基板などの成長基板上に成長された、ｎ層１６、活性層１８及びｐ層２０を含む半導体エピタキシャル層で形成される。成長基板は、図１において、レーザリフトオフ、エッチング、研削、又はその他の技術によって除去されている。一例において、エピタキシャル層はＧａＮベースであり、活性層は青色光を放出する。ＵＶ光を放出するＬＥＤダイも本発明に適用可能である。

金属電極２２がｐ層２０に電気的に接触し、金属電極２４がｎ層１６に電気的に接触している。一例において、電極２２及び２４は金を有し、セラミックサブマウントウェハ１４上の金属パッド２６及び２８に超音波溶接される。サブマウントウェハ１４は、印刷回路基板への接合のための底部金属パッド４０に通じる導電ビア３０を有している。多数のＬＥＤダイ１２がサブマウントウェハ１４上にマウントされ、後に、標準的な線４２に沿って個片化することで個々のＬＥＤ／サブマウントを形成することになる。

ＬＥＤについての更なる詳細は、同一出願人の米国特許６６４９４４０号、米国特許６２７４３９９号、米国特許出願公開第２００６／０２８１２０３号、及び米国特許出願公開第２００５／０２６９５８２号に見い出すことができ、これらの全てをここに援用する。

図２は、金属パッド２６、２８（図１に示す）を介してサブマウントウェハ１４上にマウントされた図１のＬＥＤダイ１２を簡略化したものの断面図である。サブマウントウェハ１４の表面は、ＬＥＤダイ１２を囲む銀の反射層を備えており、あるいは、金属パッド２６、２８が反射性であり且つＬＥＤダイ１２の外側まで延在している。

ＬＥＤダイ１２は、成長基板なしでは、ほんの数ミクロンの厚さである。ＬＥＤダイ１２の頂面に、透明なガラス板４４が、シリコーン４６の非常に薄い層を用いて貼り付けられている。シリコーン４６は、現実的に可能な限り薄くされ、典型的には約５０ミクロンの厚さである。シリコーン４６は、マスクを通しての印刷又はスプレイ塗布によって堆積され得る。ガラス板４４は、例えば１００−４００ミクロンなどと、比較的厚くあるべきであり、好ましくは２５０ミクロンより大きい厚さである。ガラス板４４は、周知の水ガラス技術を含む数多くの技術によって製造されることができ、自動化されたピックアンドプレース機を用いて位置決めされる。

一実施形態において、シリコーン４６は、青色ＬＥＤ光の幾らかの初期波長変換を提供するよう、中に蛍光体を注入される。シリコーン４６内の蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、又はその他の蛍光体とし得る。

そして、ガラス板４４の頂面及び側壁を覆って、蛍光体層４８が積み置かれている。蛍光体層４８は、蛍光体粉末とシリコーンとの混合物で形成された、プリフォームされた蛍光体シートであってもよく、すなわち、検査されてからＬＥＤダイ１２及びサブマウントウェハ１４を覆うようにラミネートされてもよい。この蛍光体はＹＡＧ蛍光体とし得る。シートが表面形状に従って共形となるようにシートをガラス板４４及びサブマントウェハ１４の表面に押し当てた後に、シートを加熱することで、ガラス板４４とＬＥＤ２３の側面とを覆って蛍光体層４８が貼り付けられる。蛍光体層４８は、これに代えて、スプレイ塗布され、スクリーン印刷され、電気泳動法によって堆積され、あるいはその他の手段によって積み置かれてもよい。一実施形態において、この蛍光体層は、所望される色、ＬＥＤの明度、蛍光体の密度、及びその他の考慮事項に応じて、３０−７５ミクロン厚である。蛍光体層４８は、所望の色を達成するように、複数の蛍光体の組み合わせを有していてもよいし、複数の蛍光体層であってもよい。一実施形態において、このＬＥＤ構造の全体出力は、何らかの色温度を持つ白色光である。

ガラス板の屈折率（例えば、ｎ＝１．５）及び蛍光体層の屈折率（例えば、ｎ＝１．５）は、好ましくは、境界面での反射を抑制するために一致される。しかしながら、これらの屈折率が一致されないとしても、ガラス板４４の外表面からの蛍光体光の幾らかの反射が存在し、やはり、ＬＥＤダイ１２による吸収を低減して光抽出効率を上昇させることになる。

ハンドリング（取扱い）を単純にし、均一性を向上させ、処理を高速化し、且つコストを低減するため、サブマウントウェハ１４又はリードフレームアセンブリの上の全てのＬＥＤダイ１２が、可能な最大限の範囲で一緒に処理される。

そして、光抽出を高めるとともに、ＬＥＤダイ１２を封止して保護するため、全てのＬＥＤダイ１２の上に同時に、半球状のレンズ５０がモールドされる。レンズ５０はシリコーンとし得る。

図３に示すように、図２の構造は、ＬＥＤ構造の側壁が従来の蛍光体コートされたＬＥＤの側壁より遥かに厚いので、多くの光５４をＬＥＤ構造の側面から出て行かせる。図３においては単純化のため、蛍光体層４８による光の散乱及び光の屈折は考慮していない。ガラス板４４の頂面上の蛍光体層４８が或る十分な角度で光を放出する場合、それらの光は全て、ＬＥＤダイ１２に突き当たって部分的に吸収されるのではなく、ガラス板４４の側壁から出て行くことになる。ガラス板４４の側壁上の蛍光体層４８によって放出される光の大多数は、ＬＥＤダイ１２に突き当たらない。サブマウント表面に突き当たる光は、反射層５２によって上向きに反射されることになる。より厚いガラス板は、ＬＥＤダイ１２に突き当たる蛍光体光の量を減少させ、故に、吸収を更にいっそう低減することになる。

ＬＥＤ構造が１００％側面放射のＬＥＤ構造であることが望まれる場合には、ＬＥＤ構造の頂部を通って光が出て行くことを防止して全ての放出光を側面光にさせるために、蛍光体層４８の頂面に金属反射層（例えば、アルミニウム又は銀）を堆積し得る。

図４は、先の尖った点又は湾曲点を有する円錐形状とし得るディンプル（窪み）を有するようにガラス板４４が形成された、側面放射ＬＥＤ構造を例示している。蛍光体層４８及び堆積された金属膜５６は、ディンプル形状に従って共形である。金属膜５６は、側面放射ＬＥＤ構造を形成するよう、全ての光をガラス板４４の側面に向けて反射する。このような側面放射ＬＥＤは、ＬＥＤ構造を支持する印刷回路基板がライトガイド（導光板）に平行であって側面光がライトガイドのエッジに結合されるものである薄型バックライトに好適である。

一実施形態において、サファイア板又はその他の透明材料が板４４に使用されてもよい。

図２と同様のＬＥＤ構造について行ったシミュレーションでは、蛍光体層がＬＥＤダイ１２表面に直接的に積み置かれるとしたデバイスに対して、１６％の光抽出の増大が得られた。

図５は、原形のままの透明成長基板６０と該基板６０上の蛍光体層４８とを有するサブマウントウェハ１４上の別のＬＥＤダイを簡略化したものの断面図である。基板６０は透明であり、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ又はその他の好適基板とし得る。一実施形態において、基板６０は、光抽出効率を向上させるために、１００ミクロンと４００ミクロンとの間の厚さであり、好ましくは２５０ミクロンより大きい厚さである。この追加された厚さは、図２に関して与えたのと同じ理由で、遥かに多い側面光をもたらす。サファイアは約１．７７の屈折率を有するので、蛍光体層４８内のバインダとして使用されるシリコーンは、サファイアからの蛍光体光の反射を最小化するとともに全反射を最小化するために、約１．７７の屈折率を有するように選定されてもよい。

図６は、図５の構造について、蛍光体光５４がどのように、吸収を行うＬＥＤダイ１２に突き当たるのではなく、基板６０を通り抜けて該基板の側壁から出て行くかを示している。結果として、光抽出効率が従来技術に係る構造に対して大いに上昇される。

そして、半球状のレンズ５０がデバイス上にモールドされた後、サブマウントウェハ１４が個片化されて、複数のパッケージングされたＬＥＤ構造が形成される。図２−６は、印刷回路基板のパッドに接合するためのサブマウントの底面の金属パッドを備えた、個片化後のＬＥＤ構造を表し得る。蛍光体シートがサブマウントウェハ１４にラミネートされる場合、蛍光体シートは、図２−５に示したのと同様に、パッケージングされたＬＥＤ構造のエッジまで延在する。他の例では、レンズをモールドすること、蛍光体を形成すること、又はガラスを取り付けることは、個片化後に行われてもよい。

全ての実施形態において、サブマウントウェハ１４は、反射性のリードフレームアセンブリによって置き換えられてもよい。ＬＥＤダイ１２がレンズ５０によって封止された後には、更なるパッケージングは必要とされない。

ＬＥＤダイ１２の他のマウントも想定される。

一実施形態において、ＬＥＤダイ１２の幅及び長さは約１ｍｍ四方であり、パッケージングされたＬＥＤ構造全体は３ｍｍ四方より小さい。

ガラス板４４及び基板６０を“透明”であると言及したが、完全な透明性は実現可能でなく、用語“透明”は、ＬＥＤダイ１２又は蛍光体層４８によって放出される光の波長に対して実質的に透明である材料の典型的な透明性を意味するように解釈される。

本発明の特定の実施形態を図示して説明したが、当業者に明らかなように、より広い観点での本発明を逸脱することなく変形及び変更が為され得る。故に、添付の請求項は、その範囲内に、本発明の真の精神及び範囲に入るそのような変形及び変更の全てを包含するものである。

Claims (12)

1. 蛍光体変換式の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、
   成長基板上に成長されたエピタキシャル半導体層を有するＬＥＤダイであり、前記成長基板は除去されている、ＬＥＤダイと、
   前記ＬＥＤダイの頂面に取り付けられた実質的に透明な層であり、２５０ミクロンより大きい厚さを有し、且つ頂面及び側壁を有する実質的に透明な層と、
   前記実質的に透明な層の前記頂面及び前記側壁と直に接触する蛍光体層であり、当該蛍光体層によって前記実質的に透明な層内に放たれた一部の光が、前記実質的に透明な層の前記側壁から出て行くようにされている、蛍光体層と、
   を有する構造体。
2. 前記実質的に透明な層は、接着層を用いて前記ＬＥＤダイに取り付けられている、請求項１に記載の構造体。
3. 前記接着層はシリコーンを有する、請求項２に記載の構造体。
4. 前記実質的に透明な層は、前記ＬＥＤダイの上に取り付けられたガラス層を有する、請求項１に記載の構造体。
5. 前記エピタキシャル半導体層の前記成長基板は、前記実質的に透明な層が前記ＬＥＤダイの上に取り付けられるのに先立って除去されている、請求項４に記載の構造体。
6. 前記ＬＥＤダイを封止する、前記蛍光体層の上のレンズ、を更に有する請求項１に記載の構造体。
7. 当該構造体は更に、前記ＬＥＤダイが上にマウントされたサブマウントを有し、前記サブマウントの頂面部分は、前記ＬＥＤダイ及び前記蛍光体層によって放出された下向きの光を反射するように反射性である、請求項１に記載の構造体。
8. 前記ＬＥＤダイが上にマウントされた反射性のリードフレームアセンブリ、を更に有する請求項１に記載の構造体。
9. 前記ＬＥＤダイは青色光を放出し、前記蛍光体の光が前記青色光と組み合わさって白色光を生成する、請求項１に記載の構造体。
10. 前記実質的に透明な層と前記蛍光体層とが略同じ屈折率を有する、請求項１に記載の構造体。
11. 前記ＬＥＤダイはフリップチップである、請求項１に記載の構造体。
12. 前記実質的に透明な層は、蛍光体を含有する接着層を用いて前記ＬＥＤダイに取り付けられている、請求項１に記載の構造体。

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