(57)【要約】【課題】従来技術とは別の視点から、ＬＥＤの色度を評価する最適な指標を決定し、この指標と色度との関係から各照明素子を評価する照明素子の評価方法を提供する。【解決手段】注型量と色度との対応関係から、色度から注型量を評価し、逆に注型量から色度を評価する。蛍光層の注型量と色度との相関を色度座標上に示している。Ａ点、Ｂ点、Ｃ点は、それぞれ蛍光層の注型量が異なる点を示す。Ｃ点からＡ点にかけて一定の割合で注型量が減少しており、色度の変動も一定の方向に向かっている。この注型量と色度との相関から、注型量又は色度を評価することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光体を含む蛍光層内に発光ダイオードが埋め込まれた照明素子の評価方法において、
前記蛍光層の注型を行う際に、前記蛍光層の注型量と前記照明素子の色度との対応関係から前記蛍光層の注型量又は色度の評価を行うことを特徴とする照明素子の評価方法。
【請求項２】
前記対応関係は、蛍光層の基準注型量と選択注型量との差と、基準注型量における色度と選択注型量における色度との差との対応であることを特徴とする請求項１記載の照明素子の評価方法。
【請求項３】
前記基準注型量と選択注型量との差は、基準注型量が注型されたときの蛍光層の高さと選択注型量が注型されたときの蛍光層の高さとの差で表されることを特徴とする請求項２記載の照明素子の評価方法。
【請求項４】
前記対応関係は、比例関係となっていることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法。
【請求項５】
前記発光ダイオードは、ｐ電極又はｎ電極の一方がダイボンディングされ、他方がワイヤーボンディングされており、前記ワイヤーボンディングされたワイヤーを内包するように蛍光層を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法。
【請求項６】
前記発光ダイオードは、ｐ電極及びｎ電極の両方がワイヤーボンディングされており、前記ワイヤーボンディングされた両方のワイヤーを内包するように蛍光層を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法。
【請求項７】
前記発光ダイオードは、フリップチップの状態でｐ電極及びｎ電極の両方がダイボンディングされたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、可視光域で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明素子の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体をベースとしたＬＥＤ（発光ダイオード）、特に青色発光ＬＥＤと黄色の蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤはパソコンや携帯電話向けのＬＣＤバックライト用として不可欠な商品となるに至っている。また、白色ＬＥＤは低消費電力、長寿命という特徴を持っていることから、次は蛍光灯、白熱灯に代わる光源としての期待が集まり、研究・開発が盛んである。
【０００３】
白色ＬＥＤを作製する際には、青色ＬＥＤをダイボンディングしたパッケージに蛍光体を混ぜた樹脂を注型する方法が一般的である。この方法で作ると色度のバラツキがでてしまい、これまではそのバラツキを決める要因は様々であり、何をすれば色度バラツキを抑えることができるのかわかっていなかった。
【０００４】
例えば、特許文献１の図８（ｃ）に示すような構造で、蛍光体を混ぜた樹脂（図の６）がパッケージ凹部の上面まで注入されているが、この樹脂内の蛍光体の粒径によって、どの程度の色度の変動に違いが発生するかを示すのが、図１２、１３である。図１２が蛍光体の粒径６μｍのときの色度の変動を示す。図中の枠線で囲まれた範囲は、白色光の色度の範囲を示し、枠が分割されて表示されているのは、色度によって白色ＬＥＤをランク分けするためのものである。一方、図１３は蛍光体の粒径が２０μｍの場合を示す。
【０００５】
色度が変われば、図のように輝度も変化するが、図１２、１３とを比較してもわかるように、蛍光体の粒径によって、色度の変動範囲は、ほとんど差がない。他方、同じ粒径で樹脂の粘度が違う場合について、色度を測定したものが図１１、図１２である。図１１は、蛍光体の粒径が２０μｍについて、樹脂粘度が１００００ｍＰａ・ｓのもの（図の白四角で表したデータ）と、３５０ｍＰａ・ｓのもの（図の黒四角で表したデータ）とを比較したものである。大粒径において樹脂粘度の違いによる色度のバラツキの範囲に大きな違いは見られない。
【０００６】
図１２は、蛍光体の粒径が６μｍについて、樹脂粘度が１００００ｍＰａ・ｓのもの（図の白四角で表したデータ）と、３５０ｍＰａ・ｓのもの（図の黒四角で表したデータ）とを比較したものである。中粒径であるが、これも、図１１同様、樹脂粘度の違いによる色度の変動範囲に大きな違いは見られない。
【特許文献１】特開２００２−２８０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術のように、蛍光体粒径や樹脂粘度の値を変化させても、色度の変動の範囲には、大きな違いが見られず、蛍光体粒径や樹脂粘度を指標として白色ＬＥＤの色度を評価することは困難であった。
【０００８】
また、他に蛍光体の粒度分布の違いと色度との相関についても測定されているが、粒度分布の違いを指標として白色ＬＥＤの色度を評価することも困難である。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、従来技術とは別の視点から、ＬＥＤの色度を評価する最適な指標を決定し、この指標と色度との関係から各照明素子を評価する照明素子の評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、蛍光体を含む蛍光層内に発光ダイオードが埋め込まれた照明素子の評価方法において、前記蛍光層の注型を行う際に、前記蛍光層の注型量と前記照明素子の色度との対応関係から前記蛍光層の注型量又は色度の評価を行うことを特徴とする照明素子の評価方法である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、前記対応関係は、蛍光層の基準注型量と選択注型量との差と、基準注型量における色度と選択注型量における色度との差との対応であることを特徴とする請求項１記載の照明素子の評価方法である。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、前記基準注型量と選択注型量との差は、基準注型量が注型されたときの蛍光層の高さと選択注型量が注型されたときの蛍光層の高さとの差で表されることを特徴とする請求項２記載の照明素子の評価方法である。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、前記対応関係は、比例関係となっていることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法である。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、前記発光ダイオードは、ｐ電極又はｎ電極の一方がダイボンディングされ、他方がワイヤーボンディングされており、前記ワイヤーボンディングを内包するように蛍光層を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法である。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、前記発光ダイオードは、ｐ電極及びｎ電極の両方がワイヤーボンディングされており、前記いずれのワイヤーボンディングも内包するように蛍光層を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法である。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、前記発光ダイオードは、フリップチップの状態でｐ電極及びｎ電極の両方がダイボンディングされたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の照明素子の評価方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、白色ＬＥＤの色度が変動する要因のうち、蛍光層の注型量が最も大きな要因であることを見出したので、注型量と色度との対応関係を測定しておき、この対応関係から、色度から注型量を評価（推定）し、逆に注型量から色度を評価（推定）することができる。したがって、所望色度の許容範囲内に抑えるための注型量の許容範囲を導き出し、その許容範囲に注型量を制御すれば、色度の変動幅が小さい品質の良いＬＥＤを作製することができ、ユーザからのニーズに的確に対応できる。
【００１８】
一方、生産された各ＬＥＤの蛍光層の注型量を計算して、注型量と色度との対応関係に当てはめれば、色度がわかるので、所望色度の許容範囲内にあるＬＥＤのみを選別すれば、製品の品質検査に役立てることができ、ユーザからのニーズに的確に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、蛍光層の注型量と色度との相関を色度座標上に示したものである。後述するが、図６に示すようなワイヤーボンディングタイプの構造で、パッケージ深さｈ２は０．４ｍｍ、ＬＥＤチップ２０の高さ１１５μｍで測定した。また、蛍光体粒径は６μｍとした。パッケージの底面から注型された蛍光層２２の樹脂の高さｈ１を変化させて、色度の変動を測定したものである。ここで、Ａ点のデータは、上記高さｈ１を３３０μｍとした場合、Ｂ点のデータは、高さｈ１を３６０μｍとした場合、Ｃ点のデータは、高さｈ１を３９０μｍとした場合である。
【００２０】
パッケージの底面から注型された樹脂の高さｈ１が、３０μｍずつ変化しただけで、かなり色度が変化している。すなわち、Ｃ点からＡ点にかけて一定の割合で注型量が減少していくに従って、色度の変動も一定の方向に向かっている。パッケージ内の大きさは、精度良く形成されるので、同一であるとすると、樹脂の高さｈ１が変わるということは、樹脂の注型量が変わるということであり、樹脂の注型量によって色度がかなり変動することになる。このように、最も色度のバラツキに影響を与えているのは、蛍光体を含んだ樹脂の注型量であることを我々は見出した。
【００２１】
したがって、図１のように色度座標上での色度データと、各色度データに関連付けられた注型量がわかっている相関データがあると、色度から注型量がどうなるか評価でき、例えば、一定の色度範囲に収まるようにしたい場合には、どのように注型量を制御すれば良いかが、注型量と色度との相関データから導き出すことができる。また、逆に完成したＬＥＤにおける蛍光層の注型量を調べれば、その注型量から色度を評価でき、実際にＬＥＤを発光させて検査しなくても、注型量と色度との相関データから、色度の値が評価でき、所望の色度範囲に収まる製品のみを選別すれば、品質検査が容易に行え、ユーザの要求にも的確に対応できる。
【００２２】
図２は照明素子の注型量と色度との相関を示す。図１とは異なり、色度座標上における相関データではない。図２の縦軸でＲとしているのは、例えば、図１の色度座標上で、最も輝度の高い点Ｃを基準として、点Ｃからの距離を表すものである。例えばＡ点のＲは、Ａ点の色度座標を（ＸＡ，ＹＡ），Ｃ点の色度座標を（ＸＣ，ＹＣ）とすると、
Ｒ＝｛（ＸＣ−ＸＡ）２＋（ＹＣ−ＹＡ）２｝１／２  で表される。
【００２３】
図１の場合でも、最も輝度の高い点Ｃから色度又は輝度のバラツキの範囲を表すＲを一定の範囲内に収めるためには、図１に示される点Ａ、Ｂ、Ｃ及びその他の点における色度と各点における蛍光層の注型量との対応関係から、注型量の範囲又は色度の範囲を決定すれば良いのであるが、さらに、簡単に注型量の範囲を決定する方法を示すのが図２である。
【００２４】
図２の縦軸は、上述した距離Ｒ、横軸は注型高さの差となっている。注型高さの差について説明すると、図８に示すように照明素子では、樹脂等で構成されたパッケージ２３の凹部にＬＥＤ２０が配置されており、凹部の破線部分まで、蛍光層２２で埋められている。ＬＥＤ２０には、通常青色ＬＥＤが用いられ、蛍光層２２は、青色発光を白色に変換するための蛍光体や封止樹脂等で構成されている。
【００２５】
蛍光体は、３００ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲のピーク発光波長を持つ青色発光を白色発光に変換するもので、その種類は、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜使用することができ、例えば、（Ｙ,Ｓｍ）３（Ａｌ,Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｇｄ,Ｓｍ）３（Ａｌ,Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｔｅ等が用いられる。図１のデータに用いた蛍光体の粒径は６μｍである。
【００２６】
図８のＬＥＤ２０が配置されている部分を詳しく示した例が、図５である。パッケージ２３の凹部表面には配線金属２１が形成されており、配線金属２１上にＬＥＤ２０がフリップチップの状態でｐ電極もｎ電極もダイボンディングされた状態を示す。また、パッケージ２３の凹部には蛍光層２２が埋め込まれており、最も理想的な状態は、図の水平の破線で示す位置まで蛍光層２２が形成されていることである。この位置、すなわち高さｈ２まで蛍光層２２が形成されている場合が、図１の最も輝度が高い点Ｃに相当する。
【００２７】
図５のタイプの照明素子では、パッケージ２３の凹部深さ２００〜８００μｍ、ＬＥＤ２０の高さ７０〜１５０μｍで構成される。本実施例では、パッケージ凹部深さ０．２ｍｍ、ＬＥＤチップ高さ７０μｍとした。
【００２８】
一方、蛍光層２２の元となるペーストをパッケージ２３の凹部に注型する際は、個々のパッケージによってその注型量が変化してしまうので、この注型量のバラツキによって照明素子毎に色度の変動が発生することになる。
【００２９】
例えば、図５に示すように、同じロット内のある照明素子で、蛍光層２２の量が理想的な水準である高さｈ２まで至らずに、注型量が少なくなったとすると、蛍光層２２の上面は図の下側の破線のように、中央部が垂れ下がって湾曲した形状となる。その最も垂れ下がった位置の高さをｈ１とする。基準となる高さｈ１のときの注型量を基準注型量とし、実際に注型を行って変動が生じる高さｈ２のような注型量を選択注型量とすると、高さｈ２と高さｈ１との差（ｈ２−ｈ１）は基準注型量と選択注型量との差に比例する。
【００３０】
図２の横軸に示される注型高さの差は、上記（ｈ２−ｈ１）を表したものである。Ｒと注型高さを測定して、プロットし、最小自乗法等を用いて近似曲線を求めると図のように直線となる。すなわち、Ｒと注型高さの差とは、比例関係にある。例えば、Ｒの目標を０．０２以下とするならば、注型高さの差が２０μｍ以下に収まるように製造しておけば良いことになる。
【００３１】
一方、完成した製品を検査して、注型高さの差が２０μｍ以下のものだけを抽出して、他の高さのものを除外すれば、Ｒの目標を０．０２以下とすることができ、発光させなくても製品検査が行える。
【００３２】
一方、図６に示すのは、ＬＥＤ２０のｎ電極又はｐ電極のいずれか一方の電極が配線金属２１にダイボンディングされており、他方の電極がワイヤーボンディングされた照明素子の構造例を示す。この構造においても、基準となる高さはｈ２であり、あるロットでの注型量が基準注型量よりも少ない場合は、蛍光層２２の中央部が垂れ下がって湾曲した状態となり、その最も低い高さをｈ１とすると、図５同様に、高さｈ２と高さｈ１との差（ｈ２−ｈ１）は基準注型量と選択注型量との差に比例する。
【００３３】
そして、図６の構造を有する照明素子の注型量と色度との相関を示すのが図３である。図３は、図１の相関データを図２のように、縦軸Ｒ、横軸注型高さの差の座標に変換したものである。通常、図６の構造では、パッケージ２３の凹部深さ２００〜８００μｍ、ＬＥＤ２０の高さ７０〜１５０μｍで構成されるが、本実施例では、パッケージ凹部深さ０．４ｍｍ、ＬＥＤチップ高さ１１５μｍである。また、蛍光体の粒径は６μｍである。
【００３４】
図３では、図２と同様、プロットしたデータから近似曲線を求めると直線となり、Ｒと注型高さの差は比例関係にある。例えば、Ｒの目標を０．０２１とするならば、注型高さの差が３０μｍ以下に収まるようにしておけば良いことになる。ここで注意しなければならないのは、注型量に変動があったとしても、少なくとも図６のワイヤーボンディングされたワイヤーの最も高い位置である高さｈ３を越えて蛍光層２２が形成されなければならない点である。すなわち、ワイヤーボンディングされたワイヤーを完全に内包するように蛍光層２２を形成しておく。このようにしないと、図３のような直線関係は得られない。
【００３５】
また、図７は、ＬＥＤ２０のｐ電極及びｎ電極ともにワイヤーボンディングとなっている照明素子の構造例を示す。この場合、ｐ電極からのワイヤーボンディングか、ｎ電極からのワイヤーボンディングか、いずれかのワイヤーの最も高い位置の高さをｈ４とすると、このｈ４を越えて蛍光層２２が形成されなければならない。すなわち、ｐ電極及びｎ電極に接続されている両方のワイヤーを内包するように蛍光層２２を形成しなければ、図２、３のような直線関係は得られないことになる。
【００３６】
上述した図５、６、７のいずれの構造であっても、注型量と色度との相関から、注型量又は色度を評価することができ、色度の安定につながる。
【００３７】
図４は、ＬＥＤ２０の一構成例を示す。このＬＥＤの製造については、以下のように行う。サファイア基板１をＭＯＣＶＤに入れ、水素ガスを流しながら、1０５０℃程度まで温度を上げ、基板をサーマルクリーニングする。温度を６００℃程度まで下げ、低温でＧａＮバッファ層２を成長させる。再び１０００℃程度まで温度を上げ、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＮコンタクト層３、Ｓｉがドープされたｎ型のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層４を堆積させる。
【００３８】
次に、温度を７００℃〜８００℃に下げて、井戸層としてＩｎ０．１７ＧａＮを３０Å、バリア層としてアンドープＧａＮを１００Åで交互に例えば８周期積層されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造によるＭＱＷ活性層５、アンドープＧａＮ層もしくは１％程度のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層６を順次積層する。
【００３９】
その後１０００℃程度まで昇温し、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮコンタクト層７を積層する。ｐ型化アニールを行い、ｐ型ＧａＮ中のＭｇを活性化させる。分子線エピタキシー法を用いて、２ｅ−４Ωｃｍ程度の低い低効率を持つＧａドープＺｎＯ電極８を積層する。ＺｎＯ電極６８の膜厚は１０００Å〜２００００Å、好ましくは、８０００Åで形成する。
【００４０】
ＳｉＯ２のような誘電体膜やレジストによりマスクをＺｎＯ電極６８上のｐ電極として使用する領域のみに形成する。ＩＣＰなどを用いてメサエッチングを行い、ＺｎＯ電極８からＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層５を通過し、ｎ型ＧａＮコンタクト層３に到達するまで行い、ｎ型ＧａＮコンタクト層３を露出させる。
【００４１】
その後、Ａｌを露出したｎ型ＧａＮコンタクト層６３表面に蒸着して、ｎ電極９を形成し、オーミックコンタクトを得るためのシンターもここで行う。次にパッド電極１０（図の破線部分）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着で形成する。最後にサファイア基板１を研磨で８０μｍ程度まで削り、スクライブによってチップサイズに加工を行う。本実施例では、ＬＥＤのチップサイズを、４３０μｍ×２５０μｍに加工した。
【００４２】
このようにして作製したチップを携帯電話のバックライトに使われている図８のようなパッケージに組む。パッケージ２３でＬＥＤチップ２０を置く凹部の底面は、長手方向が１．５ｍｍ、短手方向が０．４ｍｍとした。
【００４３】
図８のようなパッケージにＬＥＤチップ２０をはんだやＡｇペースト、Ａｕ／Ｓｎ、Ｉｎ等でダイボンディングする。図５のようにフリップチップタイプのダイボンにすることで、ワイヤーを打たずにすむため、０．２ｍｍという浅さのパッケージに組むことが可能となる。そして黄色の蛍光体を混ぜた樹脂を蛍光層２２としてパッケージ２３に注型した。同じロットで色度座標で青い白と黄色い白の注型高さを比較すると、青い白のほうが注型高さが低く、黄色い白のほうが高かった。この傾向は、図６、７の構造においても同様であった。
【００４４】
また、図８のようなパッケージ構造ではなく、図９のようなべアチップタイプの照明素子についても本発明は適用できる。基板２４上にＬＥＤ２０が配置されており、ＬＥＤ２０の周囲全体を囲むようにして蛍光層２２が形成されている。蛍光層２２にＬＥＤ２０が埋め込まれた構造となっている。
【００４５】
この照明素子の評価方法は、ＬＥＤ２０を基板２４にダイボン後に蛍光層２２を塗布するためにスクリーン印刷のマスクを基板２４上に重ね、蛍光体と封止樹脂を含有するペーストをスキージにより、マスクの貫通孔に流し込み、べ一キングし、マスクを除去することにより図８のような照明素子が形成される。
【００４６】
大事なのは蛍光層２２を作製するときに、マスクに注入する注型量であり、前述したように、蛍光層２２の注型量の変動が色度のバラツキの原因となる。図５〜図７の場合と同様に、基準注型量における高さをｈ２、注型量が変動したときの高さをｈ１とすると、注型高さの差（ｈ２−ｈ１）と色度座標上のＲとは比例関係を有する。したがって、図１、２、３同様に、注型量と色度との相関から、注型量又は色度を評価することができ、色度の安定につながる。
【００４７】
例えば、Ｒの目標値を設定すれば、注型高さの差、すなわち注型量の変動量の許容範囲を導くことができ、逆に完成した製品の注型量を調べて、一定の範囲内の製品のみを選別すれば、色度の変動範囲が小さい製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】色度座標における注型量と色度との相関を示す図である。
【図２】本発明における注型量と色度との相関を示す図である。
【図３】本発明における注型量と色度との相関を示す図である。
【図４】ＬＥＤ構造例を示す図である。
【図５】照明素子の構造例を示す図である。
【図６】照明素子の構造例を示す図である。
【図７】照明素子の構造例を示す図である。
【図８】ＬＥＤが配置されているパッケージの構造例を示す図である。
【図９】照明素子の構造例を示す図である。
【図１０】蛍光体が大粒径における樹脂粘度が異なる場合の色度の変動範囲を比較した図である。
【図１１】蛍光体が中粒径における樹脂粘度が異なる場合の色度の変動範囲を比較した図である。
【図１２】蛍光体が中粒径における色度の変動範囲を示す図である。
【図１３】蛍光体が大粒径における色度の変動範囲を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  サファイア基板
２  ＧａＮバッファ層
３  ｎ型ＧａＮコンタクト層
４  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層
５  ＭＱＷ活性層
６  ＩｎＧａＮ層６
７  ｐ型ＧａＮコンタクト
８  ＺｎＯ電極
９  ｎ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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１２】
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【図１３】
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