(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の高温試験を実施する方法であって、前記ＬＥＤが、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）フィルムと、前記ＩｎＧａＮフィルム上に形成される蛍光体層と、を含み、前記方法が、
レーザを用いて、前記蛍光体層において既定の温度勾配を提供するように、前記蛍光体層の部分を選択的に加熱するステップと、
既定の温度を前記ＩｎＧａＮフィルム内に確立するために、電流を前記ＩｎＧａＮフィルムに流すステップと、
前記ＬＥＤ上で光度測定を実施するステップとを備える、発光ダイオード（ＬＥＤ）の高温試験を実施する方法。
【請求項２】
前記選択的に加熱するステップが、前記蛍光体層におけるシリコーンを直接加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択的に加熱するステップが、中赤外レーザで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記選択的に加熱するステップが、コヒーレントレーザで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記選択的に加熱するステップが、活性蛍光体イオンを直接加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記選択的に加熱するステップが、４６０ｎｍ付近の吸収帯を励起するように、ＩｎＧａＮレーザで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の高温試験のためのシステムであって、各ＬＥＤが、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）フィルムと、前記ＩｎＧａＮフィルム上に形成される蛍光体層と、を含み、前記システムが、
その光をあるＬＥＤ上に導くように位置付けられているレーザであって、前記レーザが、前記蛍光体層の部分を選択的に加熱するように構成されるレーザと、
前記ＬＥＤの前記ＩｎＧａＮフィルムに電流を流して、前記ＩｎＧａＮフィルム内において既定の温度を確立するように、また、エレクトロルミネッセンスを提供するように構成されるプローブテスタと、
試験中、前記ＬＥＤによって放出された光を集めるように構成される積分球と、
前記積分球によって集められた光の光度測定を実施するように構成される分光計システムとを備える、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の高温試験のためのシステム。
【請求項８】
前記レーザおよび前記プローブテスタに連結されて、前記レーザと前記プローブテスタとの動作を同期するタイミング電子機器をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザが、前記光積分球を介して、その光を前記ＬＥＤ上に導くように位置付けられている、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記積分球が、試験中、前記積分球内への外部光の侵入を最小化するように、また、前記ＬＥＤによって放出された光の全体を集光するように構成されるカラーを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＬＥＤを位置決めするための可動キャリアをさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の高温試験を実施する方法であって、前記ＬＥＤが、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）フィルムと、前記ＩｎＧａＮフィルム上に形成される蛍光体層と、を含み、前記方法が、
前記蛍光体層の第１の既定の動作条件を確立するための第１の励起源を用いるステップと、
前記ＩｎＧａＮフィルムの第２の既定の動作条件を確立するための第２の励起源を用いるステップと、
前記第１および第２の既定の動作条件を確立した後、前記ＬＥＤ上で光度測定を実施するステップとを備える、発光ダイオード（ＬＥＤ）の高温試験を実施する方法。
【請求項１３】
前記第１の既定の動作条件を確立するステップが、前記蛍光体層の既定の温度勾配を提供するステップを含み、また、前記第２の既定の動作条件を確立するステップが、前記ＩｎＧａＮフィルムの既定の温度を提供するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の励起源を用いるステップが、前記蛍光体層においてバインダとして用いられるシリコーンの励起を狙うステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の励起源を用いるステップが、前記蛍光体層において活性蛍光体イオンの励起を狙うステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の励起源を用いるステップが、前記蛍光体層におけるシリコーンの振動モードを選択的に励起するための光学的な光源を用いるステップを含み、それによって、前記蛍光体層に温度勾配を生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の励起源を用いるステップが、前記蛍光体層におけるメタノールおよび炭化水素湿潤剤のうちのいずれか１つの振動モードを選択的に励起するための光学的な光源を用いるステップを含み、それによって、前記蛍光体層に温度勾配を生成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の励起源が、前記ＩｎＧａＮフィルムに電流を流すステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の高温試験のためのシステムであって、各ＬＥＤが、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）フィルムと、前記ＩｎＧａＮフィルム上に形成される蛍光体層と、を含み、前記システムが、
前記蛍光体層の第１の既定の動作条件を確立するように構成される第１の励起源と、
前記ＩｎＧａＮフィルムの第２の既定の動作条件を確立するように構成される第２の励起源と、
前記ＬＥＤ上に配置される積分球であって、前記積分球が、試験中、前記ＬＥＤによって放出された光を集めるように構成される積分球と、
前記積分球によって集められた光の光度測定を実施するように構成される分光計システムとを備える、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の高温試験のためのシステム。
【請求項２０】
前記第１の励起源が、光パラメトリック発振器およびＣｒ＋３絶縁結晶レーザのうちの１つを含み、前記第１の励起源が、前記蛍光体層においてバインダとして用いられるシリコーンを励起するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１の励起源が、ＩｎＧａＮレーザを含み、前記第１の励起源が、前記蛍光体層において活性蛍光体イオンを励起するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１の励起源が、コヒーレント光源を含み、前記第１の励起源が、前記蛍光体層において活性蛍光体イオンを励起するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記蛍光体層のシリコーンおよびメタノールドーパント湿潤剤のいずれか１つを選択的に励起するために、前記第１の励起源の波長が、２．０ミクロンから３．５ミクロンの間であり、前記コヒーレント源の平均出力が、１００ワットから１２ワットの間である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１の励起源の波長が、０．４５ミクロンから０．５３ミクロンの間であり、前記コヒーレント源の平均出力が、１００ワットから１２ワットの間である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
複数の第１の励起源をさらに含み、これが、組み合わせて、１２ワットの平均コヒーレント出力を提供する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２の励起源が、電気的プローブテスタを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
複数の第２の励起源をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１１年１１月１４日に出願された、「ＨＢＬＥＤ  Ｈｉｇｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ  Ｈｏｔ  ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ」と題する米国特許仮出願第６１／５５９，４１１号、および２０１１年１１月１６日に出願された、「ＨＢＬＥＤ  Ｈｉｇｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ  Ｈｏｔ  ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ」と題する米国特許仮出願第６１／５６０，６１４号の優先権を主張する。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、パッケージ化された高輝度発光ダイオード（ＨＢＬＥＤ）または蛍光体変換型ＨＢＬＥＤ（ｐｃ−ＨＢＬＥＤ）（以下、どちらもＨＢＬＥＤと呼ぶ）を含む、作動状態の固体ＬＥＤ製品において予期される条件を代表する高温試験条件を迅速に確立するための方法に関する。本発明はまた、高温試験条件ならびにＨＢＬＥＤの光学的特性の高精度測定を迅速に提供し得るシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術
図１は、蛍光体層１０２と、薄い、例えば、数μメートル厚の窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）フィルム１０１とを含む、例示的なＨＢＬＥＤ１００を示す。典型的な実施形態では、蛍光体層１０２はまた、ＩｎＧａＮフィルム１０１の側面に塗布される。蛍光体層１０２は、発光蛍光体、すなわち、活性可視光発光イオンを含有する微結晶を含む。蛍光体層１０２は、シリコーンなどのバインダあるいは焼結結晶（以下にさらに詳述される）をさらに含む。ＩｎＧａＮフィルム／蛍光体層の組み合わせは、サブマウント１０４上に取り付けられた後、半径約２ｍｍのレンズ１０３を用いて封止される。レンズ１０３は、シリコーンを用いて形成され、これは、蛍光体層１０２の表面の屈折率に厳密に整合させることによって光取り出しを増大させる。
【０００４】
ＨＢＬＥＤ１００は、処理の様々な段階で、個片化されずに、あるいは個片化されて、ウエハレベルで検査されることもある。ＨＢＬＥＤ１００が製品レベルのＨＢＬＥＤに組み立てられたならば、サブマウント１０４は、プリント回路基板ならびにヒートシンクにさらに取り付けられ得る。
【０００５】
一般に、ＨＢＬＥＤの測光パラメータは、電気的プローブテスト中に測定される。例示的な測光パラメータは、ＣＣＴ（相関色温度、すなわち、赤色、橙色、黄色、白色、および青色の光を様々な度合いで組み合わせて、プランク曲線に沿った様々な位置において白色光を形成する、理論上の加熱された黒体の外観に対して、放射光の外観を関連付ける測定基準）、色度（その輝度に関係しない、換言すると、その色相および彩度（ｃｏｌｏｒｆｕｌｎｅｓｓ）、すなわち、飽和度（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）、彩度（ｃｈｒｏｍａ）、彩度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、または刺激純度（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｐｕｒｉｔｙ）によって決まる色の質）、およびＣＲＩ（演色評価数、すなわち、８つの標準試験色に対する平均Ｒｉスコア、またはＲ９６ａなどの類似の色試験および関連試験を用いる、ＣＩＥ（国際照明委員会）システムの主要な測定基準）を含む。プローブテストは、一般的に、ＨＢＬＥＤの光学特性が測定される間、一般に１０ミリ秒から２００ミリ秒の間のタイムスケールで短い電流パルスをＩｎＧａＮフィルムに流すことによって実施される。あるいは、ＨＢＬＥＤの熱的条件を、最終的な照明製品の形態において予期される条件に、より厳密に関連する条件にさせるように図るため、電気プローブは、パラメータ測定に必要とされる期間を越える期間、当てられることもある。
【０００６】
不運なことに、電気プローブの使用では、ＨＢＬＥＤを、最終的な照明製品において予期される条件に近い条件にさせられない。主な問題は、ＨＢＬＥＤの構築に用いられる材料の熱特性が完全に異なることに起因する。これらの材料は、ＩｎＧａＮフィルムと、シリコンまたは銅のサブマウントと、サファイアまたはＳｉＣの基板と、レンズまたは光学窓のための石英材と、微結晶がユウロピウムおよびセリウムの三価イオンなどの発光材料を含有する微結晶ペーストのスラリーを塗布するために用いられるシリコーン封止材とを含み得る。特に注目すべきは、有機シリコーン蛍光体担体ペーストであり、これは、その他の列挙された材料よりも少なくとも２桁、また多くの場合３桁低い熱伝導率を有し、それによって、その他の材料よりも約３桁長い物理的な熱時定数または応答時間になる。
【０００７】
例えば、ＩｎＧａＮフィルム１０１の動作温度は、室温よりも約６０℃高い（８５℃）が、蛍光体層１０２の動作温度は、シリコーンを含む場合、一部の製品の一部の領域では、約２００℃またはそれ以上に到達することもある。熱時定数、すなわち、熱平衡に到達するまでの時間は、ＩｎＧａＮフィルム１０１では約１０ミリ秒であるが、蛍光体層１０２では１から２秒またはそれ以上であり得ることに注意されたい。熱時定数がＨＢＬＥＤ１００の様々な領域で異なるだけでなく、異なる寸法や体積のために、様々な領域の熱容量も同様である。両方の理由で、蛍光体層１０２は、ＩｎＧａＮフィルム１０１よりも加熱に時間がかかる。
【０００８】
材料が完全な照明器具における最終的なパッケージされた製品の予想される動作温度とは大幅に異なる温度である状態で、光学パラメータの測定結果を得ることは、誤った結果をもたらすが、それは、ＩｎＧａＮフィルム１０１の放出波長および放出効率（強度）が、適度に温度依存性であるためである。さらに重要なことに、蛍光体層１０２における活性蛍光体イオンの吸収および発光スペクトル、ならびに、ストークスシフトされた発光放射の量子収率もまた、温度に依存する。したがって、ＨＢＬＥＤ測光的特性（人の目の反応に関するもの）は、最終製品で予想される条件に可能な限り近い条件で測定および報告されることが重要である。
【０００９】
ＩｎＧａＮ発光を引き起こすようにプローブから電流を用いると、ＩｎＧａＮフィルム１０１は、約１０ミリ秒以内に動作温度になることに注意されたい。ＩｎＧａＮから放出された青色放射は、蛍光体層１０２の蛍光体における活性イオンによって吸収され、今度はそれが、赤色または緑色または黄色（一般に、様々なホスト材料からの（Ｅｕ＋２）または（Ｃｅ＋３）放射を用いて）、ならびに蛍光体の吸収および発光波長のストークスシフトに起因して、また、各蛍光体の温度依存性の非輻射減衰に起因して、蛍光体バインダの微結晶内に廃熱を生成する。しかしながら、蛍光体層１０２における周囲のシリコーンの熱応答が遅いことから、活性蛍光体イオンが、周囲のシリコーンを、レンズ１０３（すなわち、ＩｎＧａＮフィルムから最も遠いもの）に隣接する表面において、完全に予期される平衡動作温度である２００℃付近にさせられるようになる前に、まるまる１から２秒の励起が維持される必要がある。
【００１０】
しかしながら、ＩｎＧａＮフィルム１０１に１または２秒の電気的な励起をかけることは、商業的に魅力的でない。具体的には、高スループット機器は、１時間当たり約７枚の４インチウエハ（それぞれ約１０，０００ダイを含む）を処理するためには、そのＩｎＧａＮフィルムの測定を約５０ミリ秒以内に完了しなければならない。加えて、フィルム−サブマウントの熱容量が加えられたエネルギーを吸収するのには足りないために、この持続時間で電流を流すことは、ＩｎＧａＮフィルム１０１を、その予期される製品動作温度のはるかに高くまで加熱する。この加熱問題に対処するためには、ＨＢＬＥＤ１００は、例えば、熱容量を追加し、製品レベルＨＢＬＥＤにおける全構造を対流で冷却する押し出しアルミニウム製ヒートシンク上に取り付けられ得る。しかしながら、このことは、各ＨＢＬＥＤ１００が個片化された後、試験される前に、ほぼ製品の形態に基本的にパッケージされることを意味する。このため、そうしないで、ウエハレベルのフィルム−サブマウントは、フィルム−フレームキャリアに取り付けるだけとし、したがって、その予期される動作温度を超える前に電流を流してよいのは１０−２０ミリ秒だけである。このように、電流によってＨＢＬＥＤ１００に加熱エネルギーを加えることは、製品レベルＨＢＬＥＤにおいて予期される動作条件を生じるには、不十分である。したがって、現在市場には、正確で、商業的に実現可能なＨＢＬＥＤの高温試験が存在しない。
【００１１】
この短所に対処するために、ＬＥＤ産業は、代替的な試験を用いてきた。例えば、１つの試験モードでは、ＩｎＧａＮフィルムは、ウエハレベルで製作され、次いで、同様にウエハレベルの通常の約１．６ｍｍ厚アルミナサブマウント上に取り付けられる。次に、広い間隔のアレイをその上に載せた（取り付けられたアレイ）このアルミナサブマウントは、シリコーン樹脂バインダ内に分散された蛍光体のフィルムで覆われる。次いで、これらの取り付けられたアレイは、オーブン内に約８５℃の温度まで配置される。次いで、取り付けられたアレイは、約１０ミリ秒電子的に電力供給される。これら１０ミリ秒以内では、ＩｎＧａＮフィルムおよび蛍光体領域は、約８５℃のままであることに注意されたい。この時点で、アルミナサブマウント全体の発光スペクトルおよび平均ＣＩＥ座標は、全領域が名目上８５℃である状態で記録される。
【００１２】
不運なことに、これらの測定のための温度条件では、色座標測定の精度が犠牲になる。具体的には、最終製品において、蛍光体層の温度が、ＩｎＧａＮフィルム付近の約８５℃からレンズの最厚部分に接する領域における約２００℃ほどの温度まで変化することはよく知られている。蛍光体層の最も高温な領域における、より高い温度は、活性イオンの非輻射減衰の増加、および青色ポンプ放射のより長い波長のリン光への変換の減少を生じさせ、ひいては、最終的なＨＢＬＥＤの色座標を著しくシフトする（図２参照）。このシフトの正確な量は、蛍光体厚さ、蛍光体ドーピングレベル、蛍光体タイプ、および追加的な要因によって影響される。多くのマクアダム楕円のシフトは、ＨＢＬＥＤ動作条件を室温から８５℃に変えると生じる。シフトは、より高温で加速する。
【００１３】
当業者に知られているように、マクアダム楕円は、色度図上の目標色上に中心がある楕円形の領域である。各楕円形は、色差が、人の目に知覚可能となる閾値を規定する。マクアダム楕円の寸法は、ステップであり、１−ｓｔｅｐマクアダム楕円の境界上の任意の点は、２つの試験サンプル間における色の不一致の人の知覚の１標準偏差を表す。一般に、２−ｓｔｅｐマクアダム楕円のオーダーのマッチングの色が、高品質照明アプリケーションに望ましいとみなされている。マクアダム楕円の数字がより大きい色差は、無彩光並置照明アプリケーションにおける高品質照明には望ましくないと考えられている。したがって、寸法が５マクアダム楕円、一部の説ではわずか３楕円の製品ビンは、商業的に魅力的ではない。
【００１４】
ビニングおよび色彩管理のための１つの比較的正確な技術は、２−ｓｔｅｐマクアダム楕円ビンを達成するために、注意深く手で選定され、異なる発光体と組み合わせられる蛍光体のプレートを用いることを含む。蛍光体変換器の調整ねじもまた、各デバイス内に挿入され、光生成室の頂部でその位置を動かすことによって調整されて、電球の色座標が手で調整されるようにし得る。これらの手作業で作られるＬＥＤは、試行錯誤を含む、かなり高コストの製造プロセスにおいて、一つずつ組み立てられる。現在、この集中的な製造技術を用いても、３−４マクアダム楕円の寸法の製造ビンを達成することは難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように、現行の製造プロセスは、迅速で正確な商業的に実現可能な照明アプリケーションのための試験およびビニングを提供することができない。したがって、製品レベルＨＢＬＥＤの動作条件に類似の動作条件を生成し、それによって、顧客にとって適切な測定を可能にする改良された方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
高輝度発光ダイオード（ＨＢＬＥＤ）の高温試験を実施する方法を説明する。ＨＢＬＥＤは、ＩｎＧａＮフィルムと、ＩｎＧａＮフィルム上に形成される蛍光体層と、蛍光体層およびＩｎＧａＮフィルムの上に形成されるレンズとを含む。本方法は、レーザを用いて、蛍光体層において既定の温度勾配を提供するように、蛍光体層の部分を選択的に加熱するステップを含む。電流は、ＩｎＧａＮフィルムに流されて、既定の温度をＩｎＧａＮフィルム内に提供する。選択的に加熱するステップの後、かつ、ＩｎＧａＮフィルム温度が確立されたならば、電流を流す間、光度測定がＨＢＬＥＤ上で実施される。
【００１７】
選択的に加熱するステップは、シリコーンベースの蛍光体層におけるシリコーンを直接加熱できるし、あるいは、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層（焼結セラミックホスト材料内に含有される活性イオンから成る蛍光体）における活性蛍光体を直接加熱できる。同様に、レーザは、シリコーンに結合した蛍光体内の活性イオン蛍光体を直接加熱できる。一実施形態では、選択的に加熱するステップは、中赤外（ＭＩＲ）レーザで実施されて、シリコーンバインダを直接加熱し得る。別の実施形態では、活性イオン蛍光体の選択的に加熱するステップは、波長可変レーザで実施されて、シリコーンベースまたはＬｕｍｉｒａｍｉｃベースの蛍光体層を直接加熱し得る。さらに別の実施形態では、選択的に加熱するステップは、光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬ）またはＩｎＧａＮレーザダイオードのアレイで実施されて、４５０ｎｍで、または名目上４６５−４８５ｎｍの領域において、吸収帯を励起し得る。色素レーザなどの波長可変レーザは、４５０ｎｍまたは４６５−４８５ｎｍ領域で同様に用いられてもよい。
【００１８】
ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの高温試験のためのシステムは、レーザと、プローブテスタと、積分球と、分光計システムとを含む。レーザは、その光をＨＢＬＥＤ上に導くように位置付けられているが、蛍光体層の部分を選択的に加熱するように構成される（例えば、バインダ（ＩＲ）または蛍光体自体（可視光）を加熱する）。一実施形態では、レーザは、光積分球を介して、その光をＨＢＬＥＤ上に導くように位置付けられている。プローブテスタは、ＨＢＬＥＤのＩｎＧａＮフィルムに電流を流して、ＩｎＧａＮフィルム内において既定の温度に到達するように、また、今度は、色座標測定の間、蛍光体を励起するように構成される。積分球は、試験中、ＨＢＬＥＤによって放出された光を集めるように構成される。分光計システムは、積分球によって集められた光の光度測定を実施するように構成される。システムは、レーザおよびプローブテスタに連結されて、レーザとプローブテスタとの動作を同期するタイミング電子機器をさらに含んでもよい。システムは、ＨＢＬＥＤを位置決めするための可動ウエハキャリアをさらに含んでもよい。
【００１９】
積分球は、ＨＢＬＥＤの直上に位置付けられ、試験中、ＨＢＬＥＤから高角度（例えば、１０度から１７０度）で積分球内に放出された光の集光を最大化するように構成される光学カラーを含んでもよい。この光学反射カラーは、色座標測定の間、すべてのＨＢＬＥＤの光が集光されることを確実にするために用いられ得る。
【００２０】
ＨＢＬＥＤの高温試験を実施する別の方法を説明する。本方法は、蛍光体バインダの第１の既定の動作条件を確立するための第１の励起源と、ダイの第２の既定の動作条件を確立するための第２の励起源とを用いるステップを含む。ＨＢＬＥＤの光度測定は、第１および第２の励起源を用いた後、実施され得る。第１の既定の動作条件を確立するステップは、蛍光体バインダの既定の温度勾配を提供するステップを含み得、また、第２の既定の動作条件を確立するステップは、ＩｎＧａＮフィルムの既定の温度を提供するステップを含み得る。
【００２１】
第１の励起源を用いるステップは、蛍光体層におけるシリコーンまたは活性蛍光体イオンの励起を狙うステップを含み得る。例えば、一実施形態では、第１の励起源を用いるステップは、蛍光体層におけるシリコーンの振動モードを選択的に励起するための光学的な光源を用いるステップを含み得、それによって、蛍光体バインダに温度勾配を生成する。別の実施形態では、第１の励起源を用いるステップは、蛍光体層におけるメタノールまたは炭化水素湿潤剤の振動モードを選択的に励起するための光学的な光源を用いるステップを含み得、それによって、蛍光体層に温度勾配を生成する。第２の励起源は、ＩｎＧａＮフィルムに電流を流すステップを含み得る。
【００２２】
一実施形態では、蛍光体バインダのシリコーンおよびメタノールドーパント湿潤剤のいずれか１つを選択的に励起するためには、第１の励起源の波長は、２．０ミクロンから３．５ミクロンの間であってもよく、コヒーレント源の平均出力は、１００ワットから１２ワットの間であってもよい。別の実施形態では、第１の励起源の波長は、０．４５ミクロンから０．５３ミクロンの間であり、コヒーレント源の平均出力は、１００ワットから１２ワットの間である。システムは、複数の第１の励起源をさらに含んでもよく、これは、組み合わせて、１２ワットまたはそれ以上の平均コヒーレント出力を提供する。
【００２３】
第２の励起源は、電気的プローブテスタを含んでもよい。一実施形態では、システムは、複数の第２の励起源をさらに含んでもよい。
【００２４】
シリコーンベースの蛍光体層および焼結セラミックベースの蛍光体層における熱拡散時間は、ほぼ蛍光体厚さのほんの一部程度である経路長に対して、それぞれ、ミリ秒および１００マイクロ秒のオーダーの特有の拡散時間を有する。したがって、蛍光体層において確立された温度分布は、蛍光体層に隣接するＩｎＧａＮフィルムおよびレンズの両方内への拡散によって低下する前、この期間では、その初期プロファイルまたは条件を維持するにすぎない。したがって、色座標および明度測定は、各蛍光体層タイプに、ゲート分光計を用いて、この特有の時間内に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】例示的なウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤを示す。
【図２Ａ】２つの異なる発光フィルタを用いて、蛍光体の減衰時間対温度をプロットするグラフを示す。
【図２Ｂ】２つの異なる発光フィルタを用いて、蛍光体の減衰時間対温度をプロットするグラフを示す。
【図３】異なる緑色から赤色の蛍光体の重量比を有するサンプルについて、蛍光体ドーピングレベルに応じたＣＩＥ座標における変動を示す。
【図４】蛍光体が機械的ディスペンサによって塗布される場合における例示的な蛍光体バインダについて、ＣＩＥ変動を示す。
【図５】様々な電流および蛍光体プレート温度にさらされた蛍光体混合物について、ＣＩＥｘ対ＣＩＥｙをプロットするグラフを示す。
【図６】例示的な製品レベルＨＢＬＥＤを示す。
【図７】例示的なウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤにおける例示的な温度勾配を示す。
【図８】ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤのための例示的な高温試験技術を示す。
【図９】蛍光体のための例示的なタイミングシーケンスを示す。選択的に加熱するステップは、レーザによる材料への損傷を回避するために１マイクロ秒から１ミリ秒の間の期間適用される。
【図１０】正しい吸収断面にレーザを調整して吸収深さを調整することによって取得された蛍光体領域の熱プロファイルを示すグラフを示す。
【図１１】ＰＤＭＳの近赤外吸収および一部の中赤外吸収を示す。
【図１２Ａ】３つの異なるタイプのシリコーンの近赤外および中赤外スペクトルを示す。
【図１２Ｂ】３つの異なるタイプのシリコーンの近赤外および中赤外スペクトルを示す。
【図１２Ｃ】３つの異なるタイプのシリコーンの近赤外および中赤外スペクトルを示す。
【図１３Ａ】異なる青色発光ＬＥＤおよび異なるＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さで取得可能な例示的なＵ’Ｖ’ＣＩＥ１９７６座標を示す。
【図１３Ｂ】可変の青色発光ＬＥＤに対するＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さの感度、ならびに、結果として得られる黒体軌跡からのＤｕ’ｖ’偏差およびＣｅ：ＹＡＧ蛍光体を用いるＣＣＴを示す。
【図１３Ｃ】可変の青色発光ＬＥＤに対するＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さの感度、ならびに、結果として得られる黒体軌跡からのＤｕ’ｖ’偏差およびＣｅ：ＹＡＧ蛍光体を用いるＣＣＴを示す。
【図１４Ａ】様々な結晶ホストタイプにおけるいくつかの蛍光体例の励起スペクトルを示す。
【図１４Ｂ】様々な結晶ホストタイプにおけるいくつかの蛍光体例の励起スペクトルを示す。
【図１５】様々な寸法の粒子について、波長に対するミー散乱係数の変動を示す。
【図１６】ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの試験のための例示的な高温試験システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面の詳細な説明
改良されたＨＢＬＥＤ試験方法の一態様によれば、ＩｎＧａＮフィルムに電流を流す前に、レーザが用いられて、蛍光体またはバインダを予熱し、次いで、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの光度測定結果を取得する。シリコーンが、蛍光体層においてバインダとして用いられる場合、レーザは、シリコーンを直接予熱し、今度はそれが、蛍光体を迅速に最終製品において予測される温度分布にさせる。対照的に、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭ蛍光体（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｌｕｍｉｌｅｄｓ社により発表され、商標登録された、焼結セラミック蛍光体プレート）が、蛍光体層として用いられる場合、レーザは、蛍光体における活性イオンを直接加熱し、今度はそれが、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層を迅速に最終製品において予測される温度分布にさせる。あるいは、シリコーンベースの蛍光体層の場合では、レーザ励起を用いて、蛍光体における活性イオンを直接加熱して、最終製品において予測される温度分布を確立し得る。いずれの実施形態でも、引き続く光度測定結果は、製品レベルＨＢＬＥＤの性能の正確な表現である。光度測定結果は、ＣＩＥ座標、ＣＣＴ（相関色温度）、色度、およびＣＲＩを含む。
【００２７】
所与の製品バッチにおいて、多くの要因がＣＩＥ座標の変動に寄与している。これらの要因は、ミー散乱理論によれば、蛍光体粒子寸法分布、形態、および粒子形状を含む。蛍光体混合濃度の不均一性、ＩｎＧａＮフィルム上に存在するホットスポット、ならびに、ＩｎＧａＮフィルムと全蛍光体層厚さとの間の順方向電圧および効率（ひいては温度）の変動（ひいては蛍光体温度分布ならびに青色から緑色および赤色の波長へのエレクトロルミネッセント変換効率）もまた、ＣＩＥ座標変動に寄与する。これらの要素の一部の影響の大きさが、以下に詳述される。
【００２８】
ＩｎＧａＮフィルムの性能およびそのエレクトロルミネッセンス、ならびにリン光の非輻射消光の度合いは、温度によって大きく変わり、ＬＥＤにおける青色／赤色／緑色の光の比に直接影響する。この性能は、ＣＩＥ座標に直接影響する。このように、製品ＣＩＥ座標およびＣＣＴを正確に測定するには、蛍光体の各点で正確な動作温度が取得されなければならない。
【００２９】
当業者は、温度に応じた蛍光体のサンプルの性能における変動を定量化しており、温度変動に基づくリン光放出の著しい変化に気づいている。例えば、図２Ａおよび図２Ｂは、２つの異なる発光フィルタを用いて、４つの蛍光体（具体的には、（Ｙ１−ｘＣｅｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２蛍光体）の性能を温度の関数として示す。これらの蛍光体において、図２Ａは、５４０ｎｍの輻射減衰時間の変化対温度を示し、図２Ｂは、７００ｎｍの輻射減衰の変動対温度を示す。一次まで、青色から５４０ｎｍまたは７００ｎｍ輻射への光子変換効率は、高温での減衰時間対低温（一般に２５℃）での減衰時間の比に比例する。図２Ａおよび図２Ｂのように、リン光発光（減衰時間）は、温度０℃から１２０℃までの間で変化するにつれて、最大で２倍まで変化した。一部の蛍光体は、さらに温度の変化に敏感であり、室温から４００Ｋおよびそれ以上の温度の間で、さらに大きな温度依存性が測定された。このような温度変動は、ＣＩＥ座標においてかなりのシフトを生じ得る。
【００３０】
さらに、所与の蛍光体および同バッチ内の蛍光体混合物における変化は、不純物、蛍光体層厚さ、蛍光体ドーピングの不均一性、および不規則な蛍光体分布によって影響される。例えば図３は、異なるサンプル蛍光体について、蛍光体ドーピングレベルに応じたＣＩＥ座標における変動を示す。ＧＲ１１は、等分の緑色蛍光体と赤色蛍光体とを有し、ＧＲ２１は、２つの部分の緑色蛍光体と、１つの部分の赤色蛍光体とを有し、ＧＲ３１は、３つの部分の緑色蛍光体と、１つの部分の赤色蛍光体とを有し、ＧＲ４１は、４つの部分の緑色蛍光体と、１つの部分の赤色蛍光体とを有することに注意されたい。図３に示されているように、緑色蛍光体対赤色蛍光体の重量比を４対１（８０％）（ＧＲ４１）から３対１（７５％）（ＧＲ３１）に変えることにより、ｙを０．０８だけ、ｘを０．０２５だけ変化させた。ｘおよびｙの両方、またはいずれか一方における、０．００５以内またはそれより良いＣＩＥシフトは（これは、１マクアダム楕円の面積に等しい）、産業において最適であろう。しかしながら、図３に示されるように、重量パーセントで１．２％よりも大きい変動は、許容できないＣＩＥシフトを引き起こすのに十分である。
【００３１】
ＣＩＥ変動が、蛍光体層厚さにおける変動、ならびに「充填密度」、すなわち、バインダに対して蛍光体を備える蛍光体バインダの割合における変動にも起因することもまた知られている。例えば、図４は、例示的な分配された蛍光体層のＣＩＥ変動を示す。
【００３２】
黄色蛍光体、赤色蛍光体、および橙色蛍光体のＣＩＥ座標における変化はまた、駆動電流および表面実装温度の両方、またはいずれか一方のうちのいずれかを変える場合、測定されてきた。図５は、２５℃から８５℃までの温度変化で、８００ｍＡから１００ｍＡの電流（黒丸から白丸へと示されている）にさらされた赤色−橙色−黄色の蛍光体混合物について、ＣＩＥｘ対ＣＩＥｙをプロットするグラフを示す。図５の楕円は、この場合ｘが０．４２である楕円の中心の色から、５ＳＤＣＭ（標準偏差色整合）を表す。図５に示されるように、表面実装温度を変化する際のＣＩＥ座標における変動は（吸収光のストークスシフトにより蛍光体もまた加熱される）、２マクアダム楕円に対応する。同じ表面実装温度でダイごとに追加的な１マクアダム楕円変動が起こり得ることに注意されたい。このように、３楕円の色の点の変化が、これは、大幅な変化であるが、誤った温度での測定および一貫性のない製作均一性に起因して生じ得る。
【００３３】
つまり、ＣＩＥ変動の原因はたくさんある。したがって、製品の最終的な動作条件でＣＩＥ座標を測定し、１マクアダム楕円内で同定するために、ダイごとに高温試験をすることが重要である。ダイ−蛍光体性能の多変数的性質のために、１つの温度を測定して別の温度を推定することでは、正確な結果が得られないことは産業において常識である。したがって、高温試験は、正確な最終製品動作条件で行われなければならない。
【００３４】
改良されたＨＢＬＥＤ高温試験技術の一態様によれば、ウエハが、ＩｎＧａＮフィルム、蛍光体層、レンズ、およびサブマウントを含むように処理された後（例えば、図１参照）（一般に産業において「タイル」と呼ばれる）、ＨＢＬＥＤ（またはタイル）のアレイは、光度測定のために試験され得る。高温試験の問題を引き起こす２つの主要な要因がある。上述の第１の要因は、ＨＢＬＥＤに用いられる材料の特性、特に、それらの熱特性の大幅な差である。例えば、例として、ｐｎ接合は、一般に、ＩｎＧａＮフィルムを用いて形成され、基板材料は、一般に、サファイアすなわちＡｌ２Ｏ３、または炭化ケイ素を用いて形成される。一般に、Ｃｅ＋３（セリウム）またはＥｕ＋２（ユウロピウム）あるいは関連する活性イオンは、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、ＣａＳ（硫化カルシウム）、Ｃａ１ーｘＳｒｘＳ（硫化カルシウムストロンチウム）、ＹＡＧ−ＳｉＮ（ＹＡＧ−窒化ケイ素）および蛍光体層における関連の結晶性ホストマトリクスなどの様々な微粒子結晶性ホストに埋め込まれる。様々なシリコーンペーストが、シリコンベースの蛍光体層のバインダの形成に用いられ得る。蛍光体ではなく赤色ＬＥＤを用いて、白色光スペクトルの赤色部分を生成する製造業者のために、パッケージＨＢＬＥＤに用いられる追加的な材料は、ＧａＡｓまたはＩｎＰ基板上にＡｌＧａＩｎＰ活性フィルムを含む。フリップチップアプリケーションでは、セラミックベースのサブマウントがさらに一般に用いられる。しばしば、石英ガラスが用いられて、パッケージに気密シールをさらに提供する。Ｌｕｍｉｌｅｄｓは、高温、焼結セラミックが、バインダとしてのシリコーンの必要性を排除したＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭ蛍光体層を導入した。
【００３５】
一実施形態では、上記の材料は、サブマウント上にウエハレベルで組み立てられ、ビニングのために個片化、切断、およびトリムされる前に試験される。ウエハレベルでの試験は、最終ＬＥＤ製品で用いられる条件下のダイの動作条件で、順方向電圧抵抗、発光効率、ＣＣＴ、および色のスペクトル（すなわち、ＣＩＥ座標）の測定を含んでもよい。理想的には、色のスペクトルは、１マクアダム楕円内で測定される。
【００３６】
第１に関連し、同様に上述された、高温試験の問題の第２の要素は、ウエハレベルで、すなわち、最終照明製品に組み込む前に試験しながら、製品レベルＨＢＬＥＤの動作条件を生み出すことの難しさである。上述したように、製品レベルパッケージＨＢＬＥＤおよび蛍光体では、その様々な材料は、大幅に異なる温度で動作する。例えば、９００ｍＡの電流で駆動される例示的なＩｎＧａＮフィルムは、８５℃またはそれ以上に達し得るが、これは室温よりもかなり高い。これは、製品レベルＨＢＬＥＤ上のＩｎＧａＮフィルム自体の効率、およびＩｎＧａＮフィルムから、サブマウントを経て、ヒートシンク（例えば、対流によって冷却される押し出しアルミニウム製フィン）への熱伝導抵抗から生じた結果である。他方、バインダとしてシリコーンを有する蛍光体層は、ＩｎＧａＮフィルムとは離れる方向を向く表面上で、かなり高温、例えば、約２００℃で動作する。製品レベルＨＢＬＥＤでは、ヒートシンクが、このような高温での動作を実現する。図６は、ヒートシンクに取り付ける前の例示的な製品レベルＨＢＬＥＤを示しており、レンズ６０１で封止されたＩｎＧａＮフィルム６０４を含む。サーマルパッド６０５は、サブマウント６０６の下に取り付けられており、ＩｎＧａＮフィルム６０４と電気的に接触しているが、ヒートシンクに取り付けるための領域を提供する。アノード６０２およびカソード６０３も示されており、これらの両方は、ＩｎＧａＮフィルム６０４に電気的に接続され、ウエハレベルＨＢＬＥＤの一部分を形成する。
【００３７】
蛍光体層の頂面が経る高温は、シリコーンベースの蛍光体層およびドームを形成するように加工されているレンズのシリコーンが、ＨＢＬＥＤにおける他のすべての材料よりも約１００から５００倍少ない熱伝導率を有することによる。同様に、シリコーンレンズの熱化時定数は、結果として２５倍遅く（熱拡散距離は、物質拡散定数の平方根に比例する）、その他の材料が平衡動作条件に至る中、約１０−２０ミリ秒で、実際に、１から２秒である。このように大幅に異なる動作温度および平衡時間は、ＨＢＬＥＤの高温試験に著しい難題をもたらす。
【００３８】
正しい蛍光体平衡温度分布の下、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤを測定するためには（すなわち、ヒートシンクに取り付けられる前に）、各ＩｎＧａＮフィルムおよび隣接する蛍光体は、１−２秒加熱される必要がある。不運なことに、ＩｎＧａＮ青色発光ダイフィルムもまた蛍光体の高温に到達してしまうために、プロセスのこの段階では、この加熱を可能にするための熱質量が足りない。（これは、実際、最終ＳＳＬ製品におけるＩｎＧａＮフィルムの最終製品動作温度である８５℃にタイル全体を加熱するためのこの方法を制限するが、これは、蛍光体を最終製品において達成される温度よりもかなり低い温度のままにする。）このように、各ダイについて、押し出しアルミニウム製ヒートシンク（または類似のヒートシンク）がないこともまた、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの高温試験に著しい難題をもたらす。
【００３９】
高温試験を実施するには、ＣＩＥ座標測定の間、ＩｎＧａＮフィルムに電流が流されて（例えば、図６のアノード６０２およびカソード６０３を用いて）、ＩｎＧａＮ接合部からエレクトロルミネッセンスを提供する。（フォトルミネッセンスは、その条件がエレクトロルミネッセント応答とは著しく異なるため、フィルム応答には不適当な代用物として知られていることに注意されたい。）ＩｎＧａＮフィルムに９００ミリアンペアの電流を２０ミリ秒流すと、これを約８５℃にまで加熱するが、蛍光体層およびレンズは、それらの製品レベル動作条件付近にない。実際、蛍光体層およびレンズに到達する唯一の熱は、蛍光体発光プロセスのストークスシフトはもちろん、ＩｎＧａＮフィルムから蛍光体層を経る（ゆっくりとした）熱伝導によるものである。結果として、１から２秒の光学的励起の後のみ、蛍光体層は、熱平衡に達し、その真の色スペクトル（すなわち、製品レベルＨＢＬＥＤにおいて提供されるスペクトル）を提供する。
【００４０】
蛍光体に２秒のエレクトロルミネッセント励起を単純に加えることは、２つの理由のために、許容可能な問題解決方法ではないことに注意されたい。第１に、１０，０００個のＬＥＤを有する４インチウエハでは、この励起は、試験に２時間超かかる。ＬＥＤ製造業者は、費用効率をよくするには、これよりも１０からさらに４０倍高速な検査スピードを要する。第２に、そしてより重要なことに、ヒートシンクに取り付けないまま、ＩｎＧａＮフィルムに２秒の電流を流すことは、ＩｎＧａＮフィルムが非常に高い動作温度になるため、熱的飽和により自ら消光し、それによって、間違いなくＣＩＥ座標測定が不完全になる。
【００４１】
ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤをオーブンにおいて２００℃で予熱して、最終製品動作条件における蛍光体の適正なピーク温度を達成することもまた、蛍光体層内の正確な温度勾配が生成されないために、実現可能な問題解決方法ではない。具体的には、蛍光体層内の温度は、１つの均一な温度ではないが、一次まで、ＩｎＧａＮフィルムから最も離れた表面で２００℃またはそれ以上から、ＩｎＧａＮフィルムと接する表面で８５℃までの直線勾配である。ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭで形成される蛍光体層については、勾配はそれほど激しくないが、依然として大きい。例えば、図７は、シリコーンベースの蛍光体層（破線）およびＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層（実線）に基づく、製品レベルＨＢＬＥＤの例示的な温度勾配を、セラミックサブマウント領域７０３の底部から、蛍光体層領域７０２を経て（ＩｎＧａＮフィルム領域７０３Ａが文脈上提供される）、レンズ領域７０１の頂部まで示す。図７に記されるように、レンズ領域７０１に対する界面で、シリコンベースの蛍光体層は、２００℃超の温度に到達し得るが、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層は、１００℃超の温度に到達し得る。蛍光体層領域７０２のこの最大温度は、セラミック領域７０３に対する界面での８５℃の低下した温度まで、基本的に直線的な勾配を経る。
【００４２】
蛍光体層内の不均一なドーピングに起因して、蛍光体層領域７０２に示される直線性からのずれが存在し得ることに注意されたい。具体的には、一般に、蛍光体層内の蛍光体結晶分布は、不均一である。隣接する蛍光体結晶の領域（数ミクロンのオーダーの直径を有するが、製造元によって異なる）は、蛍光体層に実質的に均一な状態にある蛍光体微結晶よりも高温となる。したがって、蛍光体結晶の不均一な分布は、一般にＬＥＤごとに異なるホットスポットを生じる。蛍光体層内から生じる唯一の熱源は、蛍光体結晶における活性イオンであることに注意されたい。このように、あらゆるホットスポット試験は、ホットスポット温度をできるだけ細かく再現可能であるべきである。
【００４３】
レンズ領域７０１は、ダイを湿気から保護するため、ならびに蛍光体層領域７０２からの光の取り出しを補助するために用いられる。レンズ領域７０１は、いかなる発光要素も含有しないが、断熱体として確かに作用する。対照的に、セラミックサブマウント領域７０３上のＩｎＧａＮフィルム７０３Ａは、熱導体として作用し、これは、レンズ領域７０１の挙動とは反対である。レンズ領域７０１および蛍光体層領域７０２のそれぞれは、直線的な温度勾配を呈する（図７とは異なる温度勾配であるが）。
【００４４】
ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤを、最初にいくぶん高温に予熱し、次いで、ＩｎＧａＮフィルムからのエレクトロルミネッセンスの適用によって温度を「仕上げる（ｔｏｐｐｉｎｇ  ｏｆｆ）」ことは、温度を１−２秒保持し、これは、８５℃でのＩｎＧａＮフィルムの高温試験測定となるが、蛍光体は、依然として正しい昇温された温度ではなく、蛍光体層は、適切な温度勾配条件を呈さないことに注意されたい。したがって、大きくかけ離れた材料内で、大幅に異なる温度および温度分布を達成するように試みるには、より柔軟性のあるアプローチを要する。
【００４５】
先に指摘したように、各ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤについて、正確な接合温度、ならびに正確な蛍光体層温度および温度勾配を実現することが重要である。そのためには、顧客の照明器具アプリケーションを満たすように望まれる、一貫して厳密なビンを提供するために、高温試験は、実際の動作温度および温度勾配を緊密に模倣する条件を提供しなければならない。
【００４６】
図８は、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤのための正確な高スループット試験を提供し得る例示的な高温試験技術８００を示す。ステップ８０１では、レーザを用いて、蛍光体層の部分が選択的に加熱され得る。特に、選択的なレーザ加熱を用いることによって、蛍光体層において正確な温度勾配が、非平衡の方法で迅速に生成され得、これはすなわち、レンズまたはＩｎＧａＮフィルムなどの隣接する層をさらに加熱することなしに、正確な温度が、ＨＢＬＥＤパッケージの隣接する材料層への拡散によるその低下の前に、一時期存在するということである。一実施形態では、このレーザ加熱は、中赤外（ＩＲ）放射（例えば、８５０ｎｍから９００ｎｍまでの波長）を含んで、シリコーンベースの蛍光体層のシリコーンバインダを加熱し得る。シリコーンは、パッケージにおいて唯一の有機材料であり、したがって、電磁スペクトルの中赤外領域における光学的放射を吸収する唯一の材料であることに注意されたい。パッケージＨＢＬＥＤにおいて用いられるすべてのその他の材料は、この領域において完全に透明である。３．２から３．４ミクロンの間の領域における光学的放射は、様々なタイプのシリコーン、またはバインダ内に追加的な材料として意図的に導入され得るその他の有機物の結合振動モードによって吸収される。一実施形態では、ＩＲ波長可変レーザの波長は、調整されて、バインダ材料において、数ミクロンから１００ミクロン超までのどこかの吸収深さを選択し得る。
【００４７】
別の実施形態では、このレーザ加熱は、可視光放射を用いて、ホスト結晶内の活性蛍光体イオンを直接励起することを含み得る。この実施形態は、任意のタイプの蛍光体層に用いられ得ることに注意されたい（例えば、シリコーンベースの蛍光体層またはＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層）。ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層の場合では、別個の光学的な光源を用いて、蛍光体を直接励起する必要があり、それによって、下層のＩｎＧａＮフィルムの代用物として効果的に働く。例示的なレーザは、３９０ｎｍから７５０ｎｍの間の選択された波長で動作する、周波数逓倍光励起半導体（ＯＰＳ）レーザを含み得る。一実施形態では、４５０ｎｍの波長が目標にされ得る。その他の例示的なレーザは、ＩｎＧａＮレーザダイオードのアレイまたは色素レーザを含む。
【００４８】
ステップ８０２では、適切な電流がＩｎＧａＮフィルムに流されて、それによって、接合部（すなわち、ＩｎＧａＮフィルム）に正確な温度を提供し得る。具体的には、ＩｎＧａＮフィルム接合部の熱応答時間が１００μ秒のオーダーにあることから、フィルムは、この時間内にフィルムに流された電流によって生成された廃熱が、フィルムの熱容量を与えられる接合部において、８５℃への正確な温度上昇に影響するのに十分であるため、このタイムスケール内で製品レベル動作温度に到達し得る。ここで、蛍光体層における正確な温度勾配および正確な接合部温度の両方が確立された状態で、ステップ８０３において、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの光度測定がなされ得る。特に、これらの測定は、シリコーンベースであってもＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースであっても、所与の蛍光体材料について、それらが維持される時定数の間になされ得る。
【００４９】
特に、レーザを用いる選択的な加熱は、ＩｎＧａＮフィルムおよびレンズ領域から、蛍光体層の加熱時間、熱容量、および熱時定数を有利に分離する。結果として、選択的レーザ加熱は、蛍光体層内に、迅速で（高スループット）正確な明確に定義された温度勾配が生成されるのを可能にする。レーザ加熱のこれらの特徴は、製造業者またはその他のユーザが、様々な顧客の動作条件に対して、温度分布および最終的な色座標を都合よく変化およびマッピングするのを可能にする。結果として、誂えられたＨＢＬＥＤは、最終パッケージ動作条件に基づいて機能することが、確信を持って予期される。
【００５０】
選択的レーザ加熱はまた、非常に高速でなされ得る。例えば、約６５ミクロン厚のシリコーン層の熱容量の単純な計算は、ほんの１０ミリＪの光学的ＩＲ放射で、シリコーンマトリクスが、ｚ動作点における、その正しい中央値または範囲の中央の摂氏１８０度まで（または製造業者により予期される任意の温度まで）、１０ミリ秒未満で加熱され得ることを示す。レーザが、平均出力１２ワットであり、１ｋＨｚで動作すると仮定すると、１秒当たり１２００個ものダイが処理され得る（試験機器におけるあらゆる光学的損失は無視している）。したがって、すべての測定動作が１０ミリ秒で完了するならば、各１０，０００個のＨＢＬＥＤを有する４インチウエハまたはタイルを測定する場合、１時間当たり、４００枚のウエハまたはタイルが測定され得る。実際には、分光計の組み込み時間が２０ミリ秒またはそれ以上の範囲となる可能性があり、ダイからダイへと進むために用いられるステージにおける付加的な時間があり得る。
【００５１】
図９は、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層およびシリコーンベースの蛍光体層のための例示的なタイミングシーケンスを示す。Ｔ１では、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤのための高温試験の開始を示したが、そのＨＢＬＥＤの蛍光体層の部分が選択的に加熱される。この選択的な加熱を実施するのに必要とされる期間は、加熱される材料が、シリコーン（この場合、必要とされる期間は約１ミリ秒）か、蛍光体自体における活性イオン（この場合、必要とされる期間は約１００マイクロ秒未満）かによって決まる。Ｔ２では、蛍光体層を通って伝播するための適切な温度勾配を可能とするために、約２５０マイクロ秒が与えられ、次いで、約５０−１００マイクロ秒の期間、電流がＩｎＧａＮフィルムに流され、これは、ＩｎＧａＮフィルムを８５℃にする。Ｔ３では、光度測定が１ミリ秒またはそれ以上行われる。Ｔ４では、次のウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤが高温試験のために配置され、これは、控え目に見積もって２０−４０ミリ秒かかる。上記の時間を考慮すると、高温試験機器は、１時間当たり約１００枚の４インチのウエハまたはタイルを検査し、適切にビニングすることが可能であり得、これは、あらゆるその他の現行の市販されているプローブテスト機器よりも１０倍速い。有利なことに、この短縮された検査およびビニングのテスト時間は、高温試験作業に関する製造コストを著しく削減する。
【００５２】
選択的なレーザ加熱によって提供される温度勾配は、これが、周囲の材料の境界を同等の温度に加熱しないことから、非平衡であることに注意されたい。したがって、ＣＩＥ座標測定は、好ましくは、熱勾配が、加えられた熱の隣接するレンズ（上方）およびＩｎＧａＮフィルム（下方）への伝導によって変化する前に、あるいは熱輸送が、蛍光体層自体の中における温度分布を平均化する前になされる。時間依存モデルを用いて、シリコーンバインダ（１．３×１０−７ｍ２／ｓの拡散率）およびＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭ蛍光体（上限として、４×１０−６ｍ２／ｓの推定拡散率）の両方について、蛍光体層内の熱輸送に関する拡散距離を計算した。厚さ約２００μｍの蛍光体では、熱プロファイルは、シリコーンで２．５ミリ秒、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭ構造で０．１ミリ秒のうちに、この寸法の何分の１か（２０パーセント）で低下する。したがって、ＣＩＥ座標は、好ましくは、プロファイルが確立された後、この限られた時間内で作成されるべきである。蛍光体層、シリコーン、（中赤外）または活性蛍光体（可視光励起）自体のいずれが励起されるかによらず、このタイムスケールは適用されることに注意されたい。
【００５３】
選択的にレーザが蛍光体層のシリコーンを加熱する実施形態では、温度勾配は、近赤外放射の結合が制御されて、同じ分布をほぼ正確に達成する、適切な波長でシリコーンを励起することによって達成される。図１０は、中赤外放射の指数関数的減衰および吸収に対照して、ＨＢＬＥＤランプがｃｗ（連続波）で動作する場合に予期される直線的な勾配を比較するグラフ１０００を示す。特に、２つの曲線は、互いに３℃よりも多くずれていない。全体の中央値または平均温度は、露光におけるミリジュールの数を制御することによって達成され得、また、正確な温度勾配は、用いられるシリコーン材料の適切な吸収断面積に一致する正しい波長でレーザを作動することによって達成され得る。
【００５４】
蛍光体層のシリコーンは、ビニル基、フェニル基、メチル基（例えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン））、および関連構造に基づく架橋を有し得、それぞれが特有の中赤外吸収、屈折率、ＣＴＥ、およびバインダに関する機械的特性を授けることに注意されたい。図１１は、基本バンドおよび特定の結合バンドをそれぞれの特徴の上にラベル付けした状態で、ＰＤＭＳの近赤外（１２０００−４０００ｃｍ−１（波長０．８−２．５μｍ））吸収および一部の中赤外（４０００−３０００ｃｍ−１（波長２．５−３．３μｍ））吸収を示す。１ｃｍの厚さでのＰＤＭＳのスペクトルは、線１１０１とラベル付けされ、０．２ｍｍの厚さのＰＤＭＳのスペクトルは、線１１０２とラベル付けされている。最も高いエネルギー振動モードは、３．３ミクロンに存在するＣ−Ｈ（炭素−水素）結合である。この強い吸収特性はまた、１１．７ミクロンにおけるＲ−Ｓｉ変角モードおよび１３ミクロンにおけるより強いモードの組み合わせに起因して、２．５ミクロンにおいてレーザ利得カーブの最大値付近に付随する結合バンドを有する。これらおよびその他のシリコーン振動吸収バンドのための吸光係数が抽出され得る。その結果、シリコーンのＩＲ特性は、Ｃ−Ｈ伸縮については数十ミクロン、またより長波長の基本バンドについては数ミクロン近くの吸収深さを有する。
【００５５】
異なるシリコーンの様々な振動バンドは、互いから約数百ｃｍ−１だけエネルギーにおいてシフトされ得る。図１２Ａおよび図１２Ｂは、２つのシリコーンタイプ、すなわち、それぞれメチル基−ビニル基およびフェニル基の近赤外および一部の中赤外スペクトルを示す。図１２Ｃは、ビニル基ベースのシリコーンと同様に、ＰＤＭＳから青方偏移したフェニル基ベースのシリコーンから作られる例示的なレンズサンプルについて近赤外および一部の中赤外スペクトルを示す。このシフトは、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層における下層の蛍光体を選択的に励起することは、下層の蛍光体を、その上方のドーム型レンズを加熱することなく、選択的に励起するために基本振動波長よりも長い波長が必要とされることを要することを意味する。また、図１２Ａおよび図１２Ｂの結合バンドは、図７に示される所望の温度勾配を提供するには、１００μｍ厚の構造には約２倍小さすぎる吸収強度を有することにも注意されたい。
【００５６】
一実施形態では、蛍光体層は、約１パーセントのメタノールでドープされ得、これは、厚いフェニル基シリコーンレンズであっても、シリコーンの中赤外における選択的な励起の可能性を提供し得る。メタノールは、シリコーンの特性に影響せず（その基板への濡れを除く）、Ｏ−Ｈ（酸素−水素）伸縮が、気相において３６８２ｃｍ−１にあり、液相において３４００ｃｍ−１にあるという重要な特長を有するが、これは、すべてのシリコーンの基本Ｃ−Ｈ伸縮から完全に５００ｃｍ−１離れている。蛍光体層を塗布する際に２％の湿潤性溶液を用いることは、５０−１００ミクロンのオーダーの吸収深さ（あるいは、より高濃度でさらに薄い層）で、下層を強力かつ選択的に励起する能力をもたらし得る。メタノールは、ホストシリコーンの不透明性、屈折率、化学的性質、熱的特性、または機械的特性に影響を与えないということが証明されている。さらに、メタノールは、数時間のうちにサンプルから拡散し、ＬＥＤ性能に影響を与えないはずである。
【００５７】
上述したように、一実施形態では、蛍光体の活性イオンの直接励起は、シリコーンベースの蛍光体層だけでなく、焼結セラミックを用いるもの（例えば、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層）などの非シリコーンベースの層にも用いられ得る。特に、焼結セラミックは、これらのＨＢＬＥＤにおける残りの材料とちょうど同じく、中赤外において透明である。図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１３Ｃは、ＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さの変化、およびＤｕ’ｖ’およびＣＣＴへのその効果を示す。具体的には、図１３Ａは、異なる青色発光ＬＥＤ（破線で示す）および異なるＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さ（黒菱形で示す）で得られるｕ’ｖ’ＣＩＥ１９７６座標を示す。図１３Ｂおよび図１３Ｃは、可変の青色発光ＬＥＤ（実線で示す）に対するＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭプレート厚さの感度、ならびに、結果として得られる黒体軌跡からのＤｕ’ｖ’偏差（図１３Ｂにおいて破線で示す）およびＣｅ：ＹＡＧ蛍光体を用いるＣＣＴ（図１３Ｃにおいて破線で示す）を示す。これらの変動および感度は、ＣＩＥ色座標を１マクアダム楕円内に正確にビニングするためには、ＨＢＬＥＤが、高温試験されるべきであることを裏付けている。
【００５８】
蛍光体活性イオンの直接励起は、蛍光体および蛍光体のＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭ結晶性ホスト材料を加熱する。この励起を達成するための例示的な熱源は、波長設定可能な（例えば、３５０ｎｍから６００ｎｍの波長まで）ＯＰＳＬ（光励起半導体レーザ）を含み得る。一実施形態では、Ｅｕ＋２、Ｃｅ＋３、および関連する蛍光体の強い吸収特性付近に中心を置かれた４６０ｎｍ波長設定可能ＯＰＳＬが、図１４のように用いられ得る。このように、ＯＰＳＬは、青色ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの励起を模倣し得る。しかしながら、好適な実施形態では、ＯＰＳＬは、蛍光体活性イオンの温度勾配を準備するためのみに用いられ、ＩｎＧａＮダイの所望の接合温度を提供するためには用いられない。
【００５９】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、いくつかの結晶ホストタイプにおける２つの蛍光体例の励起スペクトルを示す。具体的には、図１４Ａは、異なるＳｒ：Ｃａ比における（Ｃａ１−ｘＳｒｘ）Ｓ：Ｅｕ＋２の励起スペクトルを示し、他方、図１４Ｂは、（Ｙ０．９７Ｃｅ０．０３）Ａｌ４．９Ｓｉ０．１Ｏ１１．９Ｎ０．１（λｃｍ＝７２０ｎｍ。ＹＡＧ−ＳｉＮで示す）における、その配位圏内にあるＣｅ３＋イオンの室温の励起スペクトルを、（Ｙ０．９７Ｃｅ０．０３）３Ａｌ５Ｏ１２（λｃｍ＝５６０ｎｍ。ＹＡＧで示す）の励起スペクトルに比較して示す。
【００６０】
ＯＰＳＬの波長設定可能性（波長可変性と対照的に）の範囲（４６０ｎｍから５３０ｎｍの間）で、蛍光体の吸収断面積は、１０倍超変化することに注意されたい。励起照射量が平均温度を与え、励起結合または吸収断面が温度勾配を決定することから、蛍光体励起は、ｚにおける蛍光体温度勾配を正確に設定するための著しい柔軟性を有利に提供し得、これは、適切な高温試験条件およびＣＩＥ座標を達成するのに極めて重要である。
【００６１】
要約すると、シリコーンベースの蛍光体層またはＬｕｍｉｒａｍｉｃＴＭベースの蛍光体層を有するＨＢＬＥＤは、様々な蛍光体加熱の方策を用いて、高温試験し得る。シリコーンバインダのＩＲスペクトル励起対活性イオン蛍光体の可視光スペクトル励起の間のトレードオフは、波長可変中赤外励起手法のための吸収断面の柔軟性（ひいては達成可能な温度勾配）対すべての蛍光体パッケージタイプを包含する柔軟性を提供し得る、蛍光体活性イオンの直接励起のためのより普遍的な可視光スペクトルの使用のトレードオフである。
【００６２】
上述のように、精密レーザ非平衡加熱の使用、これに続く、電流を用いるエレクトロルミネッセント印加、および高速光度測定取り出しは、柔軟性があり、正確で、高スループットの高温試験手法をＨＢＬＥＤ産業のために提供する。
【００６３】
青色ＩｎＧａＮ発光および蛍光体発光の両方の横方向（すなわち、量子井戸の平面に平行）の配光に影響を及ぼす追加の要因は、蛍光体領域内におけるミー散乱によって強く変更され得ることに注意されたい。ＩｎＧａＮ励起放射の波長が蛍光体微結晶の寸法にしばしば近づき得るため、このことは、直接蛍光体励起のケースでは、その横方向の加熱吸収分布を横寸法においてミー散乱によって変更され得たことを意味する。ミー散乱は、シリコーンバインダ励起手法における中赤外励起にも存在するが、それほど深刻ではない。
【００６４】
ミー散乱は、粒子の寸法が媒質を進む光波長と同等の場合、球またはその他の粒子形状による電磁放射の散乱を説明する。よく知られたレイリーの近似は、散乱放射線の強度Ｉが以下の式で与えられるというものである。
【数１】
0006023209.tif 000002
上式で、Ｉ０は波長λの非偏光の光線の強度、ｎは粒子の屈折率、ｄは粒子の直径、Ｒは粒子までの距離である。
【００６５】
したがって、蛍光体を励起するために、製品レベルＨＢＬＥＤ蛍光体励起で遭遇する波長とは異なる光の波長を用いる場合（すなわち、ＩｎＧａＮエレクトロルミネッセンスの波長から大幅に異なる波長）、光の散乱を考慮すべきである。この散乱は、高温試験の場合、蛍光体の直接可視光励起と程度が似ているが、それは、高温試験源およびエレクトロルミネッセント源に供給する熱の波長が非常に似ているためである。しかしながら、青色の光の波長ではなく中赤外が用いられる、シリコーンベースの蛍光体の高温試験には注意を払うべきである。
【００６６】
図１５は、様々な寸法の粒子について、波長に対するミー散乱係数の変動を示す。高温試験のミー散乱は、ｃｗエレクトロルミネッセント照明条件から得られるものとは異なる横方向の温度勾配を提供し得る。図１５は、平均蛍光体粒子径が１ミクロンまたはそれよりも大きい場合、ミー散乱係数が、蛍光体のみの吸収深さのものに近づき、また、１ミクロンまでの粒子では１００ミクロンのオーダーの吸収長を決して超えないことを示す。したがって、ミー散乱からのＣＩＥ測定への全影響は、管理可能のはずである。
【００６７】
図１６は、ウエハレベルパッケージＨＢＬＥＤの試験のための例示的な高温試験システム１６００を示す。励起レーザ１６０２が提供されて、蛍光体または蛍光体層の部分を励起し、そこに適切な温度勾配を確立する。プローブテスタ１６０６は、電流をＨＢＬＥＤ１６０７に流して、ＩｎＧａＮフィルムを８５℃にする。一実施形態では、励起レーザ１６０２およびプローブテスタ１６０６は、タイミング電子機器１６０１によって制御されて、レーザを励起し、電流を流す適切な期間を提供する。
【００６８】
積分球１６０４（産業においてウルブリヒト球とも呼ばれる）は、光をすべての角度にわたって均一に散乱する内面を有し、レーザを励起し、電流を流した後、ＨＢＬＥＤ１６０７からの集光を助ける。積分球１６０４は、基本的に、入口および出口ポート用に小さい孔を有する中空の球形の空洞からなる光学素子である。積分球１６０４の一実施形態では、入口ポートは、角度をつけられて、高温試験中にＨＢＬＥＤ１６０７のレンズの周囲に締まり嵌めを提供し、それによって、ＨＢＬＥＤ１６０７への外部光を集光しないように確保するカラー１６０４Ａを含み得る。カラー１６０４Ａは、積分球１６０４がＨＢＬＥＤ１６０７から１０°から１７０°までの角度で集光するのを可能にする、高角度の反射光学系を含み得る。一実施形態では（図１６に示す）、励起レーザ１６０２からの光線は、積分球１６０４を介してＨＢＬＥＤ１６０７に導かれ得る。その他の実施形態では、光線は、積分球１６０４を通過せずに、ＨＢＬＥＤ１６０７上に斜めに導かれる。
【００６９】
センサ１６０３は、積分球１６０４の出口ポートに配置されているが、入口ポート上に入射した実質的にすべての光を集光し、その入射光の和を分光計システム１６０５に提供することができる。分光計システム１６０５は、ＨＢＬＥＤ１６０７からの光の光度測定を行うために、分光計と、コンピュータなどのその他の良く知られた構成要素とを含み得る。一実施形態では、タイミング電子機器１６０１は、分光計システム１６０５を制御して、励起レーザ１６０２とプローブテスタ１６０６とのタイミングの同期を可能にし得る。一実施形態では、センサ１６０３は、蛍光体非平衡温度分布を生成する場合、レーザを印加する間、ゲートオフにされ、また、ＨＢＬＥＤ１６０７からのエレクトロルミネッセント励起放射の間でのみ、ゲートオンにされる。
【００７０】
一実施形態では、ウエハキャリア１６０８は、高温試験の間、ＨＢＬＥＤ１６０７およびその他のＨＢＬＥＤを所定の位置に保持し得る。ウエハキャリア１６０８は、一部の実施形態では、従来型の可動式プラットフォームシステム１６０９に連結されて、それによって、ウエハキャリア１６０８上での各ＨＢＬＥＤの高温試験を可能にし得る。一実施形態では、タイミング電子機器１６０１もまた、プラットフォームシステム１６０９をｘ、ｙ、およびｚ面において制御し得る。
【００７１】
本発明の説明のための実施形態を、添付の図面を参照しながら、本明細書に詳細に説明してきたが、当然のことながら、本発明は、これらの厳密な実施形態に限定されない。これらは、全てを網羅する、あるいは、開示される厳密な形態に本発明を限定するものであることを意図されていない。そのようなものとして、多くの修正および変更が、当業者には明らかであろう。例えば、本明細書においてＨＢＬＥＤが説明されたが、蛍光体変換型ＨＢＬＥＤ（ｐｃ−ＨＢＬＥＤ）が、実質的に同じシステムを用いて、実質的に同じ方法で試験され得る。さらに、本明細書において光励起半導体レーザが説明されたが、色素レーザまたはＩｎＧａＮレーザなどのその他のレーザもまた、光励起半導体のための上述のアプリケーションにおいて用いられ得る。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義されることが意図される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図６】
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