(57)【要約】  【課題】均一な厚みの蛍光体層を含む波長変換型の発光ダイオードを実現する。  【解決手段】波長を変換するための蛍光体層を、チップ（１０５，２１０，３１０）を覆うよう配置される、予め形成した透明キャップ（１０７，２０７，３０７）内に分散させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源の製造方法であって、
主光源を有するチップを基板上に組み付けるステップで、前記主光源が第１の波長の光を照射する前記ステップと、
前記基板上の対応する給電端子へ前記チップ上の給電端子を接続し、前記主光源へ給電するステップと、
予め形成した透明キャップを前記チップを覆って組み付けるステップで、前記キャップが前記第１の波長の光の一部を第２の波長へ変換する波長変換材料を備える前記ステップを有することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記主光源がＬＥＤを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記主光源がレーザダイオードを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記透明キャップが透明化合物内に分散させた蛍光材料を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記透明キャップが単結晶蛍光体を含む平面シートを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記透明キャップが反転キャビティを備え、該反転キャビティの凹部に前記チップが置かれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記透明キャップが一定厚の球面を構成する透明キャップとされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記透明キャップが一定厚の平面シートを構成する透明キャップとされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
光源であって、
基板上に組み付けた主光源を有するチップで、前記主光源が第１の波長の光を照射し、前記チップが前記基板上の対応端子に接続されて前記主光源に給電するチップ給電端子を有する前記チップと、
該チップを覆う透明キャップで、前記第１の波長の前記光の一部を第２の波長へ変換するとともに変換されない前記光の一部を伝送する波長変換材料を備え、かつ一定の厚みの波長変換材料層を備える前記キャップを具備することを特徴とする光源。
【請求項１０】
前記光の前記伝送部分は、該伝送光の５０％より多くを散乱させることなく伝送することを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記主光源がＬＥＤを備えることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
前記主光源がレーザダイオードを備えることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１３】
前記透明キャップが透明材料中に分散させた蛍光体を備えることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１４】
前記透明キャップが単結晶蛍光体の平面シートを備えることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１５】
前記透明キャップが反転キャビティを備え、該反転キャビティの凹部に前記チップが置かれることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１６】
前記透明キャップが一定厚の球面を構成する透明キャップとされることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【請求項１７】
前記透明キャップが一定厚の平面シートを構成する透明キャップとされることを特徴とする、請求項９に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色転換（又は波長変換）を利用する発光ダイオード（ＬＥＤ；ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、白色光を発光するように見えるＬＥＤを参照してより簡単に理解することができる。ＬＥＤはそれらを白熱灯や蛍光灯に置き換わる魅力的な候補とするより高い効率や他の特性を有する。残念ながら、ＬＥＤは比較的狭スペクトル帯域の光を生成する。これ故に、ＬＥＤを母体とする白色光源を供給するには、光を均一に混合させる仕方で複数光源を組み合わせるべきか、或いは或る形式の光変換を用いてＬＥＤ光の一部を異なる色の光へ変換すべきかのいずれかである。人が見て白色と知覚される光源を構成する一つの方法は、青色発光ＬＥＤからの光の一部を広帯域波長を有する黄色光へ変換することにある。蛍光体により変換されない青色光を、黄色光と混合する。黄色光に対する青色光の比率を適切に調整した場合、得られる光は白色に見える。
【０００３】
これらの従来技術の白色光源は通常、その上に青色発光ＬＥＤを有する半導体チップを、その内部に変換蛍光体の粒子を有するエポキシ層で覆った構成を用いている。これらの粒子は、前述の如く青色光を黄色へ変換する。この構成は、幾つかの問題を抱えるものである。第１に、均一な厚みの層の付着が困難である。色の均一性が均一な厚みを必要とするため、色の均一性を保証するのは困難である。蛍光体がより厚い領域では、光はより黄色みがかった白色となるが、より薄い蛍光体層を有する部分では、光は青みがかった白色に見える。
【０００４】
第２に、これらの粒子は多結晶質である。多結晶質蛍光体は、不透明になりやすい。その結果、蛍光体粒子が光を吸収し、そのことが光出力を低下させる。加えて、粒子は青色光を散乱させ、光抽出効率の低下に通ずる。第３に、粒子は凝集しやすく、これ故に既知の大きさの粒子を備えた均一な層の供給が困難となる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光源の製造方法とその方法で製造される光源を含む。光源は主光源を有するチップを基板上に組み付けることで製造され、主光源は第１の波長の光を発光する。このチップは、基板上の主光源給電用給電端子に接続される。一定の厚みの予め形成された透明キャップが、チップを覆って組み付けてある。キャップは、第１の波長の光の一部を第２の波長へ変換する波長変換材料を含む。主光源は、好ましくはＬＥＤ又はレーザダイオードである。一実施形態では、キャップは透明化合物中に懸濁させた蛍光体を含む。別の実施形態では、キャップは単結晶蛍光体を含む平面シートを含む。キャップがキャビティの凹部にチップを備える反転キャビティを含む実施形態もまた、構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明がその利点をもたらす仕方は、従来技術の白色発光ＬＥＤ１０の断面図である図１を参照することでより簡単に理解することができる。光源１０は、印刷回路基板ベースのウェル内に構成した反射カップ１７を含む。主光源を有する半導体チップ１２が、接着材層１３の助けを借りてカップ１７底部の導体１８上に組み付けてある。このチップは、接触子２１を介してオフチップ電源へ、また導体１８を介してチップ底部へ電気的に接続してある。カップ１７は、蛍光体粒子２３を懸濁させた注入成形エポキシ２２で満してある。
【０００７】
半導体チップ１２上の主光源が青色発光ＬＥＤ或いはレーザダイオードである場合、そのときは適当な蛍光体粒子を選択して青色光を黄色光へ変換する。例えば約４８０ｎｍの青色放射を発光するＬＥＤを用いてＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を励起すると、この蛍光体はそこで広帯域の黄色みがかった放射を再発光する。青色放射の全てが蛍光体により吸収されるわけではない。青色放射と黄色放射の非吸収部分が組み合わさって人の目には白色として知覚されるが、それは青と黄が補色の関係にあるからである。
【０００８】
白色光源を提供するには、蛍光体材料層は均一でなければならない。２０％を超える厚みのばらつきは、簡単に見分けのつく色のばらつきを招く。どんな均一性の欠如も、光源域全体に色がばらつく光源に通ずる。層が余りに薄い光源域は青みがかった白色に見え、層が余りに厚い光源域は黄色みがかった白色に見える。上記の如く、注入成形エポキシ系を用いてかかる均一な層を作り出すことは困難である。蛍光体粒子は、混合材料の起立時及び硬化工程期間中に沈殿する傾向がある。加えて、エポキシ層は硬化工程期間中に非均一な収縮にさらされる。第３に、デバイス構造は本質的に、ＬＥＤの頂部水平面から発した光よりもＬＥＤの垂直面から発した光をより厚肉の蛍光体層を介して横断させる。したがって従来技術のデバイスが実際には一定の厚みの蛍光体層の配設を試みるものの、この層は表面全体に一定の色を有する光源を提供できるほどその厚みは十分に一定ではない。
【０００９】
反射カップ内のエポキシの硬化に関連する問題に加え、蛍光体粒子の微粒子の性質もまた問題を持ち込むものである。多結晶質蛍光体粒子は、チップからの光の吸収と散乱の両方を行なう。加えて、粒子は凝集しやすい。これ故、従来技術の光源は理想に満たない光抽出効率を有する。
【００１０】
本発明は、均一な厚みの蛍光体材料を保証する方法を介して個別形成した蛍光体キャップを用いることでこれらの問題を克服するものである。このキャップはそこでＬＥＤチップ全体に配置し、かくして均一な層の蛍光体を位置決めしてＬＥＤが生成する光の所定部分の変換を保証する。
【００１１】
本発明がその利点をもたらす仕方は、本発明の一実施形態になる光源１００の断面図である図２を参照することでより簡単に理解することができる。光源１００は、蛍光特性を有するよう適切にドープ処理した単結晶半導体材料を用いるものである。この種の材料は、以下の説明では単結晶蛍光体と呼ぶことにする。この単結晶蛍光体が、色転換の提供に用いられる。この波長変換層１０７は、ＬＥＤが発する光の光路に沿って配置してある。ＬＥＤ１０５からの放射の一部は蛍光体層１０７により吸収され、それが異なる波長の放射を再発光する。ＬＥＤからの再発光放射と全ての非吸収放射が、見手に対し白色に見える合成光信号を形成する。
【００１２】
単結晶蛍光体は、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｙ）法等の塊状結晶成長法や液相又は気相エピタキシー等のエピタキシャル法を用いて成長させることができる。例えば、本願明細書に引用文献として取り込む米国特許第４，８７３，０６２号には本方法により単結晶を成長させる装置と方法が開示されている。この方法は半導体材料業界では周知であるため、ここでは詳しく説明はしない。この説明の目的からは、融解蛍光体材料を有する坩堝内に単一の種を降下させることで単結晶蛍光体を成長させることを記述することで十分である。結晶の成長に合わせ、融解材料から塊状結晶が引き抜かれる。塊状結晶はそこで薄い層に薄切りされ、本発明の用途に適したより小さな部材へ切断して分断する。好適な一実施形態では、層の厚みは０．０５〜５ｍｍの間にあり、好ましくは０．２５ｍｍである。
【００１３】
図２に示した実施形態では、接着材層１０２を用いて先ず青色ＬＥＤ１０５をキャビティ形状基板１０１上に組み付ける。ＬＥＤ１０５の端子の一つから端子１１２へ、電気結線１０３を作成する。ＬＥＤの底部から端子１１３を介し、第２の給電結線を作成する。キャビティは、光学的に透明な封入体１０６の第１層と頂部の単結晶蛍光体の第２層１０７を含む。本実施形態はキャビティ頂部にある単結晶層を利用しているが、層１０７はキャビティ内の任意の位置に配置できることに留意されたい。
【００１４】
単結晶蛍光体層は透明であるため、それは光の伝送を邪魔せず、散乱は最小化される。光変換蛍光体層は均一の厚みを有するため、色変換効果は表面全体に同一であり、従来技術のデバイスよりも均一な合成光を供給する。
【００１５】
結晶材料の選択は、特定用途に依存する。白色発光ＬＥＤにとって、ＬＥＤは第１の帯域の光を発し、光変換層がその光の一部を相補帯域内の光へ変換する。例えば、白色ＬＥＤでは、青色光を発するＬＥＤが青色光を黄色光へ変換するセリウム賦活化イットリウム・アルミニウム・ガーネットＹＡＧ：Ｃｅで構成した適当な単結晶蛍光体を用いることができる。同様に、シアン（青緑）を発光するＬＥＤは、赤を発光する単一の結晶蛍光体と適合させ白に見える光源を提供することができる。
【００１６】
複数の蛍光体層もまた用い得ることに、留意されたい。例えば、ＵＶ（紫外光）発光ダイオードを用いた場合、見手が白色であると知覚する光源を設けるには少なくとも二つの蛍光体が必要である。この場合、蛍光体層１０７には各蛍光体に一つずつの二つの個別蛍光体層を含めることができる。各蛍光体層は、紫外光の一部を変換する。好ましくは、紫外光は全て蛍光体の組み合わせによって変換される。
【００１７】
本発明の上記実施形態が単一の結晶薄片からなる蛍光体層を用いていたが、他の形状の蛍光体層を利用することもできる。図３を参照するに、これは本発明の別の実施形態になる光源２００の断面図である。本実施形態では、サブマウント２０１上に配置した青色フリップ・チップＬＥＤ２１０が接着材２０３を用いてキャビティ形状基板２０２上に組み付けてある。ＬＥＤ端子の一つから基板２０２へ電気結線２０４がなされており、その一方で別の電気結線２０６がＬＥＤの別の端子から第２の基板２０５へなされている。厚みの均一な蛍光体キャップ２０７がＬＥＤを覆っており、そこで封入体２０８の透明層が組立体全体を覆っている。
【００１８】
蛍光体キャップは、トランスファー成形や射出成形や注入成形等の個別工程を用いて製造する。好適な実施形態では、蛍光体はエポキシやシリコンやポリカーボネートやアクリル樹脂やポリウレタンやポリプロピレンや同様のプラスチック或いはポリマー等の透明媒体を混合し、続いて成形や注入成形や他の適当な工程により所望形状に形成する。低融点無機ガラスを、透明媒体として用いることもできる。蛍光体は、好ましくは白色発光ダイオードに用いる無機蛍光体に関して上記した散乱問題を呈することのない材料とする。例えば、蛍光性染料等の有機発光材料を用いることができる。
【００１９】
しかしながら、非有機蛍光体粉末もまた都合よく利用できることに留意されたい。好ましくは、この種の粉末が散乱する光は５０％未満である。本発明がもたらす均一な層厚は上記の色のばらつきを克服し、これ故に本発明はやはり前述の従来技術の方法を上回る相当の利点をもたらすものである。加えて、蛍光体キャップの形成に用いる透明媒体はよりもっと広い範囲の材料から選択することができ、何故なら製造工程はＬＥＤに損傷を与えない工程に限定する必要はないからである。その結果、蛍光体材料の屈折率により緊密に整合する屈折率を有する材料を用い、それによって光の散乱を低減することもできる。例えば、蛍光体粒子と鋳造材料の間の屈折率差を低減する鋳造材料として低融点ガラスを用いることができる。
【００２０】
本発明の上記実施形態は、特定の形状を有する蛍光体キャップを用いた。しかしながら、本発明の教示から逸脱することなく多種多様な形状を用いることができる。ここで、本発明の別の実施形態になる光源３００の断面図である図４を参照する。以下の説明を簡単にするため、図３に示した光源２００の対応要素と同一機能を果す光源３００のこれらの要素には同一の参照符号が付してあり、ここではさらなる説明はしない。光源３００は、ドーム形状の蛍光体キャップ３０７用いて光の一部をチップ３１０上の主光源からより長い波長へ変換する。チップ３１０上の好適な主光源はＬＥＤであるが、半導体レーザ等の他の光源を用いることもできる。
【００２１】
図４に示したドーム形状蛍光体は、キャップ３０７の曲率半径に比べて小さな寸法を有する領域に亙って発光する主光源に良好に適合するものである。この場合、光が通過する媒体を含む蛍光体の厚みは、主光源からの光の照射角度とはほぼ無関係である。
【００２２】
本発明の上記実施形態は、その中に単一の蛍光体を有する蛍光キャップを用いた。しかしながら、複数の蛍光体を母体とする光源を、本発明の教示から逸脱することなく構成することもできる。例えば、主光源として紫外光源を用いる場合、白く見える光源を提供するのに少なくとも二つの蛍光体が必要である。個々の蛍光体は、キャップの形成前に互いに混合するか、或いは各キャップ内に異なる蛍光体もつ複数の同心キャップを用いることができる。
【００２３】
本発明の上記の実施形態は、見手が「白」と知覚する光を照射する光源に関するものであった。しかしながら、本発明は蛍光体を用いる主光源が発する光の一部を変換することで動作する他の光源の構成に用いることができる。
【００２４】
本発明に対する様々な改変は、前述の説明と添付図面から当事者には明らかとなろう。
したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定すべきである。
【００２５】
上述の実施形態に則して本発明を説明すると、本発明は、光源（１００，２００，３００）の製造方法であって、主光源を有するチップ（１０５，２１０，３１０）を基板上に組み付けるステップで、主光源が第１の波長の光を照射するステップと、基板上の対応する給電端子（１０１，１０４，２０２，２０５）へチップ（１０５，２１０，３１０）上の給電端子を接続し、主光源へ給電するステップと、予め形成した透明キャップ（１０７，２０７，３０７）をチップ（１０５，２１０，３１０）を覆って組み付けるステップで、キャップが第１の波長の光の一部を第２の波長へ変換する波長変換材料を備えるステップを有することを特徴とする方法を提供する。
【００２６】
好ましくは、主光源はＬＥＤ又はレーザダイオードを含む。
【００２７】
好ましくは、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）は、透明化合物内に分散させた蛍光材料を備える。
【００２８】
好ましくは、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）が単結晶蛍光体を含む平面シートを備えるか、または、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）が反転キャビティ（２０７，３０７）を備え、反転キャビティの凹部にチップ（１０５，２１０，３１０）が置かれる。
【００２９】
透明キャップが一定厚の球面を構成する透明キャップとされ、あるいは一定厚の平面シートを構成する透明キャップとされても良い。
【００３０】
更に、本発明は、光源（１００，２００，３００）であって、基板上に組み付けた主光源を有するチップ（１０５，２１０，３１０）で、主光源が第１の波長の光を照射し、チップ（１０５，２１０，３１０）が基板上の対応端子（１０１，１０４，２０２，２０５）に接続されて主光源に給電するチップ給電端子を有するチップと、チップ（１０５，２１０，３１０）を覆う透明キャップ（１０７，２０７，３０７）で、第１の波長の光の一部を第２の波長へ変換するとともに変換されない光の一部を伝送する波長変換材料を備え、かつ一定の厚みの波長変換材料層を備えるキャップを具備することを特徴とする光源を提供する。
【００３１】
好ましくは、光の伝送部分は伝送光の５０％より多くを散乱させることなく伝送する。
【００３２】
好ましくは、主光源はＬＥＤ又はレーザダイオードを含む。
【００３３】
好ましくは、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）は、透明材料中に分散させた蛍光体を備える。
【００３４】
好ましくは、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）は、単結晶蛍光体の平面シート（１０７）を備えるか、または、透明キャップ（１０７，２０７，３０７）が反転キャビティ（２０７，３０７）を備え、反転キャビティの凹部にチップ（１０５，２１０，３１０）が置かれる。
【００３５】
透明キャップが一定厚の球面を構成する透明キャップとされ、あるいは一定厚の平面シートを構成する透明キャップとされても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術となる白色発光ＬＥＤの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態となる光源の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態となる光源の断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態となる光源の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  従来技術の白色発光ＬＥＤ
１２  半導体チップ
１３  接着材層
１７  反射カップ
１８  導体
２１  接触子
２２  注入成形エポキシ
２３  蛍光体粒子
１００  光源
１０１  キャビティ形状基板
１０２  接着材層
１０３  電気結線
１０４  キャビティ形状基板
１０５  青色ＬＥＤ
１０６  封入体
１０７  波長変換層
２００  光源
２０１  サブマウント
２０２  キャビティ形状基板
２０３  接着材
２０４  電気結線
２０５  第２の基板
２０６  電気結線
２０７  蛍光体キャップ
２０８  封入体
２１０  青色フリップ・チップＬＥＤ
３００  光源
３０７  蛍光体キャップ
３１０  チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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