(57)【要約】【課題】本発明は、発光ダイオードおよび該ダイオードからの一次放射光を吸収し変更するために蛍光体が用いられるダイオードランプを提供する。【解決手段】未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、該未硬化樹脂をＬＥＤチップ上に分注するステップと、該チップと該混合物とを遠心分離し、該蛍光体粒子を該未硬化樹脂内の該ＬＥＤチップに対して所望の位置に位置決めするステップとを包含する、ＬＥＤランプを製造する方法。該方法は、前記蛍光体粒子が前記所望の位置に留まっている間に、前記樹脂を硬化させるステップをさらに包含し得る。前記チップと前記混合物とを遠心分離するステップは、該チップと該混合物とを遠心分離機内で遠心分離するステップを含み得る。【選択図】図１
2009147343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、
該未硬化樹脂をＬＥＤチップ上に分注するステップと、
該チップと該混合物とを遠心分離し、該蛍光体粒子を該未硬化樹脂内の該ＬＥＤチップに対して所望の位置に位置決めするステップと
を包含する、ＬＥＤランプを製造する方法。
【請求項２】
前記蛍光体粒子が前記所望の位置に留まっている間に、前記樹脂を硬化させるステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記チップと前記混合物とを遠心分離する前記ステップは、該チップと該混合物とを遠心分離機内で遠心分離するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記樹脂を、可視スペクトルの青色部分の周波数を可視スペクトルの黄色部分の周波数に下方周波数変換する蛍光体と混合するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記樹脂を、可視スペクトルの緑色部分および赤色部分で放射する蛍光体の群から選択される蛍光体と混合するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記樹脂を、可視スペクトルの異なる部分で放射する蛍光体の混合物と混合するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記樹脂を、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）蛍光体と混合するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記可視スペクトルの青色部分で放射するＬＥＤチップを、前記混合した樹脂および蛍光体とともにカップ内に配置するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ポリシロキサン樹脂を、前記蛍光体と混合するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記遠心分離するステップの後に、前記ランプにレンズを付加するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
遠心分離機内に前記カップを配置するステップと、
その後、前記チップを該カップ内に配置するステップと、
その後、前記混合物を該チップとともに該カップ内に配置するステップと、
その後、該カップおよびその内容物を遠心分離して、前記蛍光体を分配するステップと
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記チップを前記カップ内に配置するステップと、
その後、該カップを遠心分離機内に配置するステップと、
その後、前記混合物を該カップ内に配置するステップと、
その後、該カップおよびその内容物を遠心分離して、前記蛍光体を分配するステップと
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記未硬化樹脂を、ＩＩＩ族窒化物材料系から選択される能動部分を有するＬＥＤチップ上に分注するステップを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
発光ダイオードランプを製造するための装置であって、該装置は、
少なくとも１つのアームを有する遠心分離機と、
該アームの外端に隣接して位置決めされるカップと、
該カップ内のＬＥＤチップと、
該カップ内の、複数の蛍光体粒子を有する未硬化の硬化性レジデントの混合物と
を備える、装置。
【請求項１５】
前記アームは、前記遠心分離機内で回転する、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
未硬化のポリシロキサン樹脂と、可視スペクトルの青色部分からの周波数によって励起される場合に、主にスペクトルの黄色部分で放射する蛍光体とを混合するステップと、
該未硬化の混合物と、ＩＩＩ族窒化物材料系から形成され該可視スペクトルの青色部分でリフレクタ内に放射するＬＥＤチップとを配置するステップと、
該リフレクタと該混合物とを遠心分離して、該未硬化のポリシロキサン樹脂内の該ＬＥＤチップに隣接して該蛍光体粒子を配置するステップと、
該蛍光体粒子が該ＬＥＤチップに隣接して位置決めされたところに留まっている間に、該樹脂を硬化させるステップと
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ポリシロキサン樹脂と前記蛍光体とを混合するステップであって、該蛍光体は、該樹脂の重量に基づいて約１パーセントと５０パーセントとの間の量で存在する、ステップを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
粒子あたり約０．００１ミクロンと２０ミクロンとの間の平均粒度で蛍光体粒子を混合するステップを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記蛍光体粒子を、約１０ミリパスカル秒と１００，０００ミリパスカル秒との間の開始粘度を有するポリシロキサン樹脂と混合するステップを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
無機溶剤等の比較的揮発性の液体と混合され得る、蛍光体を混合するステップと、
ＬＥＤチップ上に該混合物を分注するステップと、
該混合物を遠心分離して、該蛍光体粒子を揮発性の液体内の該チップに隣接して配置するステップと、
該揮発性の液体を除去して、該蛍光体を該チップ上の適切な位置に配置するステップと
を包含する、ＬＥＤランプを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードからの一次放射光を吸収し変更するために蛍光体が用いられる、発光ダイオードおよびダイオードランプに関する。特に、本発明は、蛍光体を含む封止材パッケージとともに用いられる、電磁スペクトルの青色、紫色、および紫外（ＵＶ）部分を放射する発光ダイオードに関する。該蛍光体は、ダイオードから放射される光の周波数を強い黄色成分を有する光に下方周波数変換（ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔ）して、混合された白色光の出力を産生する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、適切な半導体材料における電子と正孔との再結合現象を促進することにより、印加された電流を光に変換するフォトニック半導体デバイスの一種である。次いで、この再結合現象において放射された一部または全てのエネルギは、光子を産生する。
【０００３】
発光ダイオードは、その他の半導体デバイスの多くの有利な特性を共有する。これらの特性は、概して、ロバストな物理特性、長寿命、高信頼性を含んでおり、特定の材料によっては低コストである。
【０００４】
当該産業分野において一般的で周知である多くの用語が、本明細書中に用いられる。しかしながら、これらの用語は、当該産業分野において用いられる場合、その意味において、しばしば非公式に混合される。したがって、これらの用語は、本明細書中で可能な限り正確に用いられるが、それぞれの場合において、用語の意味は、文脈において明確にされる。
【０００５】
したがって、用語「ダイオード」または「チップ」は一般に、逆の導電型の２つの半導体部分（ｐ型およびｎ型）を最小限含み、さらにある形態のオーム性接触を含んでおり、もたらされるｐ−ｎ接合にそれらのオーム性接触を介して電流が印加される構造を示す。
【０００６】
用語「ランプ」は、適切な電気的接触および潜在的にレンズと組み合わされて、個別デバイスを形成する発光ダイオードを示すために用いられ、該個別デバイスは、電気回路または照明器具あるいはその両方に付加されるか、または含まれ得る。
【０００７】
本明細書中で用いられる用語「パッケージ」は、一般に、ダイオードに一定の物理的保護を提供して光出力を光学的に方向付けし得るレンズに加えて、半導体チップを適切な物理的および電気的構造（しばしば、これを介して電流が印加される金属の小片のような単純なもの）上に配置することを示す。レンズは、しばしば透明なポリマーで形成され、この同一のポリマーがダイオードの封止材を形成する場合がある。本発明において、パッケージは、その内にダイオードが置かれる、しばしば金属またはポリマーで形成される反射性構造を含んでいる。一般に、レンズおよび電気的接触を付加すると、ランプが形成される。
【０００８】
発光ダイオードおよびダイオードランプの構造および動作に関する適切な参考文献には、非特許文献１および非特許文献２を含む。
【０００９】
ＬＥＤから放射される色は、主としてＬＥＤが形成される材料によって規定される。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）およびリン化ガリウム（Ｇａｐ）で形成されるダイオードは、可視スペクトルのより低いエネルギ部分（赤色および黄色）で光子を放射する傾向にある。炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびＩＩＩ族窒化物（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）等の材料は、より大きなバンドギャップを有し、したがって可視スペクトルの緑色、青色、紫色部分ならびに電磁スペクトルの紫外部に現れる、より大きなエネルギを有する光子を生成し得る。特に、ＩＩＩ族窒化物は、直接遷移の（ｄｉｒｅｃｔ）バンドギャップを有し、したがってＳｉＣ等の間接遷移の（ｉｎｄｉｒｅｃｔ）バンドギャップ半導体よりも、より効率的に光を生成し得る。
【００１０】
本願において、用語「白色光」は、一般的な意味で用いられる。色の生成および人間の目による色知覚に精通する者であれば、周波数の特定の混合が、正確な意味において「白色」と規定され得ることを認識するであろう。本明細書中に記載されるいくつかのダイオードは、こうした正確な出力を産生し得るが、用語「白色」は、本明細書中でややより広義に用いられ、異なる個人および検出器が、例えば、黄色または青色にわずかに色づいていると知覚する光を含む。
【００１１】
青色ＬＥＤの利用可能性が飛躍的に増大したことにより、青色の光子を下方周波数変換する黄色発光蛍光体の使用も同様に増加してきた。特に、ダイオードから放射される青色光および蛍光体から放射される黄色光は、白色光を生成し得る。次いで、固態光源（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｓｏｕｒｃｅ）からの白色光の有用性は、これら固態光源を多くの用途、とりわけ照明およびカラーディスプレイの照明（しばしばバックライト）を含む用途に組み込む能力を提供する。そのようなデバイス（例えば、平型のコンピュータ画面、携帯端末（ＰＤＡ）およびセル式電話）において、青色ＬＥＤおよび黄色蛍光体は白色光を産生し、この白色光は次いで、色ピクセルを照明するためになんらかの様態で分配される。そのような色ピクセルは、しばしば液晶要素、色フィルタおよび偏光子によって形成され、バックライトを含むユニット全体は、概して液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）と呼ばれる。
【００１２】
代表的な蛍光体には、セリウムをドープしたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）等の鉱物を含む。そのような蛍光体は、一般に小粒子として製造されることから、蛍光体は、小粒子としてダイオードチップ上または近傍に物理的に分散されなければならない。同様に、封止材は、一般にポリマー樹脂であることから、一般に液体の初期形状をとり、ある時点で所望の形状（例えば、レンズ用）に鋳造すなわち成形され、次いで固体形状に硬化されなければならない。
【００１３】
したがって、蛍光体をチップに対して位置決めするいくつかの基本的な組み合わせが存在する。まず、蛍光体は、チップ上に広げられ、その後、封止材が液体として加えられ、次いで硬化することが可能とされ得る。これは、概念的に興味を引くものであるが、常に封止材を加える前に、チップを正確に覆うように鉱物蛍光体を加えることは、困難なプロセスである。結果として、その相対的な複雑性は、全体的は生産速度を低下させ、同時に全体的なコストを増加させ得る。
【００１４】
理論的に、チップが封止され、次いで樹脂の外側に樹脂コーティングが加えられ得るが、多くの場合、これは所望されない光学的結果をもたらし、封止材が蛍光体を保護することをも阻むことがある。
【００１５】
蛍光体を組み込むための多くの従来技術は、蛍光体を樹脂と混合し、次いで樹脂と蛍光体の混合物をチップに適用する。樹脂は次いで、その内に分散された蛍光体とともに硬化することが可能となる。
【００１６】
この技術は、いくつかの難題を提示する。まず、蛍光体の量が、チップ（例えば、青色発光）と蛍光体の完全に飽和度に達した色（例えば、黄色）との間の色度点（ｃｏｌｏｒ  ｐｏｉｎｔ）を制御する。青色チップ、黄色蛍光体の組み合わせに対して、一貫した白色の色相の産生のために必要とされるバランスは、封止材内で用いられる蛍光体と、チップ上およびその周辺に分注（ｄｉｓｐｅｎｓｅ）される蛍光体および封止材（樹脂）の量とを制御することによって達成される。
【００１７】
さらに困難な問題として、封止材内におけるダイオードチップに対する蛍光体の配置は、ランプの外部出力の明るさまたは色の均一性に影響を及ぼすことがある。蛍光体の所望されない配置が、外部出力の所望されないパターンを産生し、その出力は、種々の色合いの白の間で空間的に変化する。
【００１８】
概して、蛍光体を可能な限りチップに近づけて位置決めすることは、最も望ましい出力を産生する。
【００１９】
これらおよびその他の要因により、樹脂と封止材と蛍光体との混合物は、それ自体が適切なサイズであり、チップおよび硬化した封止材に対して適切な幾何学的関係にある、適切な量の蛍光体粒子を含まなければならない。しかしながら、未硬化樹脂は液体であるため、その粘度は蛍光体が混合する様態に影響を与える。樹脂の粘度が低すぎる場合、蛍光体粒子はパッケージ内に分注される前に封止材内で着定してしまい、これはもたらされる色出力に所望されない変動を引き起こす。あるいは、樹脂の粘度が高すぎると、蛍光体粒子は封止材内で懸濁したままとなり、チップの近傍に着定することができない。
【００２０】
こうした困難に対処するために、ほとんどの従来技術は、重力の影響下において、蛍光体が封止材内に着定し得る範囲内に、未硬化樹脂の粘度を維持することを試みる。これは、蛍光体が着定する間の好ましい粘度を維持するための温度の制御とともに、樹脂が硬化する時間の長さ（「作業時間」）の制御を必要とする（蛍光体は、樹脂が硬化する前に所望された位置に到達しなければならない）。例えば、室温（２５°Ｃ）において、代表的な２液型シリコン樹脂（例えば、Ｄｏｗ  ＣｏｒｎｉｎｇからのＳＲ−７０１０）は、１５０°Ｃにおいて通常約１分で硬化し、粘度は、室温において約３時間で（各液のそれぞれの開始点、約２００００ミリパスカルおよび約７０００ミリパスカルから）２倍となる。
【００２１】
極端な例示として、蛍光体粒子のサイズが極めて細かく、樹脂の粘度が非常に高い場合、蛍光体は、所望された様態において着定も堆積もせず、懸濁したままとなる傾向がある。あるいは、粒子が大きすぎ、樹脂の粘度が低すぎる場合、蛍光体は、ランプのパッケージ内に分注され得る前に簡単に樹脂の底に沈む。これらおよびその他の要因に基づいて、樹脂、蛍光体および他の変数の選択は、しばしば妥協されることになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｓｚｅ、「ＰＨＹＳＩＣＳ  ＯＦ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、第２版、（１９８１年）
【非特許文献２】Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、「ＬＩＧＨＴ−ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、（２００３年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
したがって、蛍光体と樹脂の混合物によって提示される困難および複雑性は、ダイオードパッケージ技術の効率およびコストにおいて、対応する困難を作り出して提示する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
（概要）
一局面において、本発明は、未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、該未硬化の混合物をＬＥＤチップ上に分注するステップと、該チップおよび該混合物を遠心分離し、蛍光体粒子を未硬化樹脂内に着定または堆積させるステップと、蛍光体粒子が所望の位置またはその近傍で分散状態に留まっている間に、樹脂を硬化させるステップとを包含する、ＬＥＤランプを製造する方法である。
【００２５】
別の局面において、本発明は、発光ダイオードランプを製造する装置である。該装置は、少なくとも１つのアーム、アームの外端に隣接して位置決めされるカップ、カップ内のＬＥＤチップ、および複数の蛍光体粒子を有する未硬化の硬化性レジデント（ｒｅｓｉｄｅｎｔ）のカップ内の混合物を有する遠心分離機を含む。
【００２６】
また別の局面において、本発明は、未硬化のポリシロキサン樹脂と、可視スペクトルの青色部分からの周波数によって励起される場合に、主にスペクトルの黄色部分で放射する蛍光体とを混合するステップと、該未硬化の混合物と、ＩＩＩ族窒化物材料系から形成され、可視スペクトルの青色部分においてリフレクタカップ内に放射するＬＥＤチップとを配置するステップと、リフレクタと該混合物とを遠心分離して、蛍光体粒子を未硬化のポリシロキサン樹脂内に着定または堆積させるステップと、蛍光体粒子が所望の位置またはその近傍で分散状態に留まっている間に、樹脂を硬化させるステップとを包含する、ＬＥＤランプを製造する方法である。
【００２７】
したがって、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、
該未硬化樹脂をＬＥＤチップ上に分注するステップと、
該チップと該混合物とを遠心分離し、該蛍光体粒子を該未硬化樹脂内の該ＬＥＤチップに対して所望の位置に位置決めするステップと
を包含する、ＬＥＤランプを製造する方法。
（項目２）
上記蛍光体粒子が上記所望の位置に留まっている間に、上記樹脂を硬化させるステップをさらに包含する、項目１に記載の方法。
（項目３）
上記チップと上記混合物とを遠心分離する上記ステップは、該チップと該混合物とを遠心分離機内で遠心分離するステップを含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
上記樹脂を、可視スペクトルの青色部分の周波数を可視スペクトルの黄色部分の周波数に下方周波数変換する蛍光体と混合するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目５）
上記樹脂を、可視スペクトルの緑色部分および赤色部分で放射する蛍光体の群から選択される蛍光体と混合するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目６）
上記樹脂を、可視スペクトルの異なる部分で放射する蛍光体の混合物と混合するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目７）
上記樹脂を、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）蛍光体と混合するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目８）
上記可視スペクトルの青色部分で放射するＬＥＤチップを、上記混合した樹脂および蛍光体とともにカップ内に配置するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目９）
ポリシロキサン樹脂を、上記蛍光体と混合するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１０）
上記遠心分離するステップの後に、上記ランプにレンズを付加するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１１）
遠心分離機内に上記カップを配置するステップと、
その後、上記チップを該カップ内に配置するステップと、
その後、上記混合物を該チップとともに該カップ内に配置するステップと、
その後、該カップおよびその内容物を遠心分離して、上記蛍光体を分配するステップと
を包含する、項目１に記載の方法。
（項目１２）
上記チップを上記カップ内に配置するステップと、
その後、該カップを遠心分離機内に配置するステップと、
その後、上記混合物を該カップ内に配置するステップと、
その後、該カップおよびその内容物を遠心分離して、上記蛍光体を分配するステップと
を包含する、項目１に記載の方法。
（項目１３）
上記未硬化樹脂を、ＩＩＩ族窒化物材料系から選択される能動部分を有するＬＥＤチップ上に分注するステップを包含する、項目１に記載の方法。
（項目１４）
発光ダイオードランプを製造するための装置であって、該装置は、
少なくとも１つのアームを有する遠心分離機と、
該アームの外端に隣接して位置決めされるカップと、
該カップ内のＬＥＤチップと、
該カップ内の、複数の蛍光体粒子を有する未硬化の硬化性レジデントの混合物と
を備える、装置。
（項目１５）
上記アームは、上記遠心分離機内で回転する、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
未硬化のポリシロキサン樹脂と、可視スペクトルの青色部分からの周波数によって励起される場合に、主にスペクトルの黄色部分で放射する蛍光体とを混合するステップと、
該未硬化の混合物と、ＩＩＩ族窒化物材料系から形成され該可視スペクトルの青色部分でリフレクタ内に放射するＬＥＤチップとを配置するステップと、
該リフレクタと該混合物とを遠心分離して、該未硬化のポリシロキサン樹脂内の該ＬＥＤチップに隣接して該蛍光体粒子を配置するステップと、
該蛍光体粒子が該ＬＥＤチップに隣接して位置決めされたところに留まっている間に、該樹脂を硬化させるステップと
を包含する、項目１に記載の方法。
（項目１７）
上記ポリシロキサン樹脂と上記蛍光体とを混合するステップであって、該蛍光体は、該樹脂の重量に基づいて約１パーセントと５０パーセントとの間の量で存在する、ステップを包含する、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
粒子あたり約０．００１ミクロンと２０ミクロンとの間の平均粒度で蛍光体粒子を混合するステップを包含する、項目１６に記載の方法。
（項目１９）
上記蛍光体粒子を、約１０ミリパスカル秒と１００，０００ミリパスカル秒との間の開始粘度を有するポリシロキサン樹脂と混合するステップを包含する、項目１６に記載の方法。
（項目２０）
無機溶剤等の比較的揮発性の液体と混合され得る、蛍光体を混合するステップと、
ＬＥＤチップ上に該混合物を分注するステップと、
該混合物を遠心分離して、該蛍光体粒子を揮発性の液体内の該チップに隣接して配置するステップと、
該揮発性の液体を除去して、該蛍光体を該チップ上の適切な位置に配置するステップと
を包含する、ＬＥＤランプを製造する方法。
【００２８】
（摘要）
ＬＥＤランプの製造方法を開示する。該方法は、未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、未硬化樹脂をＬＥＤチップ上に分注するステップと、チップと混合物とを遠心分離し、蛍光体粒子を未硬化樹脂内に分散させるステップと、蛍光体粒子が分散状態に留まっている間に、樹脂を硬化させるステップとを含む。
【００２９】
本発明の、上述および他の目的および利点、ならびに同一のことが達成される方法は、添付の図面と合わせた下記の詳細な説明に基づいてより明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の方法を用いて製造されるタイプの発光ダイオードランプの斜視図である。
【図２】図２は、本発明に従う、別の発光ダイオードランプの断面図である。
【図３】図３は、本発明に従う、別のランプの概略図である。
【図４】図４は、本発明に従う、別のランプの別の断面概略図である。
【図５】図５は、本発明の方法において有用な遠心分離機の部分的平面図である。
【図６】図６は、封止材内における、ｃｃｘ色度座標対蛍光体の割合のグラフである。
【図７】図７は、本発明に従う、４８個のデバイスの出力の棒グラフである。
【図８】図８は、図７と同一のデバイスのＣＩＥ色度図からのｘ座標およびｙ座標のグラフである。
【図９】図９は、出力を得るために２つの蛍光体が混合される、ＣＩＥ色度図からのｘ座標およびｙ座標のグラフである。
【図１０】図１０は、波長（ナノメータ）ならびにＣＩＥｘおよびｙ色度座標で示される、ＣＩＥ色度図の複製である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（詳細な説明）
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプを製造する方法である。該方法は、未硬化の硬化性液体樹脂と蛍光体とを混合するステップと、該未硬化の混合物をＬＥＤチップ上に分注するステップと、該チップと該混合物とを遠心分離して（または別様に遠心力を与えて）、未硬化樹脂内の蛍光体粒子を配置するステップと、次いで蛍光体粒子がダイオードの所望の表面上またはその近傍に位置決めされている間に、樹脂を硬化させるステップとを含む。
【００３２】
本明細書中で用いられる語句「未硬化の硬化性液体樹脂」は、一般に、架橋結合していない（例えば、熱硬化性の樹脂）、または温度に基づいて固化していない（熱可塑性樹脂）ポリマー樹脂を示す。したがって、未硬化樹脂は、室温において液体であり、熱、あるいは時間または（ある場合においては）紫外線の影響下で架橋する場合がある。別の場合、未硬化樹脂は、高められた温度において液体であり、室温に近い温度で固化する。
【００３３】
樹脂（しばしば「封止材」と呼ばれる）は、本発明の目的に適しており、ＬＥＤチップまたはランプの他の要素の動作を別様に干渉しない、任意の材料であり得る。用語「樹脂」は、広義で用いられ、本パッケージが形成され得る任意のポリマー、コポリマーまたは合成物を示す。これらの材料は、一般に当業者に周知されており、詳細に検討される必要はない。
【００３４】
ＬＥＤチップがスペクトルのより高いエネルギ部分（例えば、青色、紫色、および紫外）で放射する場合に、封止材は、その周波数で放射される光子に対する反応がより低いか、または不活性でなければならない。したがって、ポリシロキサン（「シリコーン」）樹脂は、封止材に特に適している傾向がある。概して、用語、ポリシロキサンは、−（−Ｓｉ−Ｏ−）ｎ−（一般に、有機側鎖基）のバックボーン上に構成される任意のポリマーを示す。ポリシロキサン樹脂は、ポリカーボネートまたはポリエステル樹脂（特定の情況において、これらは両方とも許容され得る）等の別様に機能的に類似の材料の光安定性と比べて、比較的高い周波数の放射に対して、より優れた安定性を提供する。ポリシロキサン樹脂はまた、高い光学的透明度を有し、好適に弾性的であり、いくつかの別のポリマーに比べて温度サイクリング（ｃｙｃｌｉｎｇ）の影響を受けない。ポリシロキサン樹脂は、界面損失を減少させ、ランプの外部出力を増強するために用いられ得る因子である、屈折率（１．４０〜１．５８）の範囲で調合され得る。ポリシロキサン樹脂の粘度は、約７０００〜２０，０００ミリパスカル秒の間の範囲であり得、本発明は、１０未満から１００，０００ミリパスカル秒までの粘度を有する樹脂（または他の液体）を用いて実施され得る。
【００３５】
上述のように、用語、ＬＥＤチップは、所望の周波数を放射する基本的な半導体構造を示す。背景技術に記載したように、発光ダイオードの該構造および動作は、当業者によって周知されており、本明細書中で詳細に検討する必要はない。しかしながら、例示的な構造は、一般にＩＩＩ族窒化物材料系から形成され、市販の例は、例えば、本発明の譲受人であるＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．のＸＬＡＭＰ（登録商標）ＸＲ−Ｅの名称にて入手可能である。境界は、ある程度任意であるが、青色光は、４４０〜４７０ナノメータの範囲に属する傾向があり、したがって青色発光のＸＬＡＭＰ（登録商標）ＸＲ−Ｅチップは一般に、約４５０ナノメータと４６５ナノメータとの間の主波長を有する。他の例示的なチップは、スペクトルの他の部分（例えば、赤色および緑色）で放射し、本発明はそれらにも適用可能である。
【００３６】
蛍光体粒子は、所与のチップの放射を産生または増強し、特定の用途に適合するか、または該用途を強化するように選択される。多くの場合、蛍光体は、可視スペクトルの青色部分の周波数を、可視スペクトルの黄色部分の周波数へと下方周波数変換を行う材料から選択される。ここでまた、当業者は、蛍光体が、スペクトルの黄色部分に限って放射する必要はないけれども、黄色部分における主放射は、有用であるということを認識するであろう。なぜならダイオードチップからの青色光と、蛍光体からの黄色周波数との組み合わせが、所望の白色光を産生するからである。再び、境界は、ある程度任意であるが、黄色周波数は、概して５５０〜６００ナノメータの範囲であり、５７０ナノメータが代表的である。他の実施形態において、赤色発光、緑色発光、およびある場合においては、さらに青色発光の蛍光体が付加されて、「より暖色系」の白色を産生するか、またはより高い演色評価数（ＣＲＩ）を達成し得る。
【００３７】
蛍光体の性質および量により、チップおよび蛍光体の組み合わせは、約５０００Ｋと１０，０００Ｋとの間の色温度を有する「寒色系白色（ｃｏｏｌ  ｗｈｉｔｅ）」、または「無彩色白色（ｎｅｕｔｒａｌ  ｗｈｉｔｅ）」（３７００〜５０００Ｋ）、「暖色系白色（ｗａｒｍ  ｗｈｉｔｅ）」（２６００〜３７００Ｋ）の光を産生し得る。用語「色温度」は、周知の意味において用いられ、理論上の「黒体」が熱せられて同一の視覚色を産生し得る温度を表す。
【００３８】
本発明の目的に最も有用な蛍光体の１つは、一般にセリウムでドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（「ＹＡＧ」）である。黄色領域において放射する他のガーネット構造は、当該分野で周知である（例えば、米国特許第６，６６９，８６６号）。白色光はまた、赤色、青色、および緑色蛍光体との組み合わせで、スペクトルの近紫外部分で放射するＬＥＤを用いて産生され得る。例えば、ユーロピウムでドープされた硫化ストロンチウムガリウム（ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ）は、スペクトルの緑色部分で放射するが、一方、セリウムでドープされた酸化ガドリニウムアルミニウム（Ｇｄ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ）は、約４７０ナノメータの周波数で励起され、スペクトルの橙色部分（約５２５〜６２０ｎｍ）で放射する。銅でドープされた硫化亜鉛もまた、スペクトルの緑色部分で放射する。ユーロピウムでドープされたニトリドシリケートは、スペクトルの黄色から赤色部分で放射し得る（例えば、米国特許第６，６４９，９４６号）。
【００３９】
したがって、本明細書中で、本発明は、主として青色ＬＥＤ、黄色発光蛍光体および白色ＬＥＤランプに関して記載されているが、本発明は、本発明による蛍光体の位置決めによって強化される、あらゆるチップおよび蛍光体の組み合わせに適用されることが理解されよう。
【００４０】
本発明の好適な実施形態において、蛍光体粒子のサイズは、過度の実験を伴わずに当業者によって選択され得るが、一般に粒子あたり約０．００１ミクロン〜２０ミクロンの範囲である。所望される場合、封止材はまた、散乱材料を含み得、その性質および機能は、当該分野において周知である。関連する説明は、同一人に譲渡された米国特許出願公開第２００４００１２０２７号、パラグラフ１０１および１０２に説明されている。
【００４１】
任意の所与の混合物に用いられる蛍光体の量は、所与のダイオードおよびその所望の出力に対して所望されるように、当業者によって選択され得る。一般に、蛍光体は、樹脂の重量に基づき、約１重量パーセントと５０重量パーセントとの間の量で存在するが、より高いか、またはより低い割合も用いられ得る。
【００４２】
遠心分離機法を利用するため、未硬化の樹脂混合物および蛍光体は、一般にカップ内に配置される。用語、カップは、本明細書中で、チップ、樹脂、および混合された蛍光体に適したサイズの任意の容器を説明するために広義で用いられる。多くの状況において、カップは、本願の図に示すように、もたらされるランプのリフレクタ部分である。広義において、カップ（または類似物）とは、蓋のない、ボウル型の器であり、発光ダイオード用のカップは、このような形状をとり得る。しかしながら、他の形状のリフレクタ（例えば、長方形の断面、または他の立体幾何学形状）はそれでも、本願の文脈におけるカップとして機能する。あるいは、最終のランプ構造においてリフレクタとしての役割を果たさないカップは、遠心分離のステップおよび硬化のステップの間、一時的に用いられ得、次いで廃棄されるか、または蛍光体の堆積のために用いられる固定具の一部とされ得る。
【００４３】
樹脂の混合物および蛍光体がダイオードチップとともにカップ内に位置決めされる場合に、これらは、所望の量の遠心力を適用するように制御され得ると仮定すれば、任意の適切な遠心分離機デバイスに位置決めされ得る。ある場合においては、空のカップが遠心分離機内に配置され得、その後チップが付加され、その後混合物が加えられ得る。他の状況において、チップがカップ内に配置され、次いでこのカップが遠心分離機内に配置され得、その後混合物がカップ内に配置され得る。また他の状況において、チップおよび混合物は、カップが遠心分離機内に配置される前に、その全てがカップに付加され得る。いずれの場合でも、遠心分離機の速度（一般に、毎分回転数（ｒｐｍ）で表される）および遠心分離の時間は、蛍光体粒子のサイズおよび密度、ならびに液体樹脂の粘度に基づいて、蛍光体の配置を制御するために用いられ得る。
【００４４】
市販の遠心分離機は、本プロセスに完全に適している。例えば、生物学的懸濁を分離するために有用な遠心分離機は、本発明の目的に非常に適している。実施例は、実験室の技術分野における当業者に周知されており、この目的のために広範に用いられている、ＡＬＬＥＧＲＡ（登録商標）Ｘ−１２卓上遠心分離機を擁するＢｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ等の企業から入手可能な多くのものを含む（Ｂｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ，Ｉｎｃ．、４３００  Ｎ．Ｈａｒｂｏｒ  Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ、Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ  ３１００、Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎ、ＣＡ  ９２８３４−３１００、米国）。この遠心分離機は、固定角度（ｆｉｘｅｄ  ａｎｇｌｅ）型ロータ付きで１０，２００ｒｐｍ、および図５に示すタイプの揺動バケツ（ｓｗｉｎｇｉｎｇ  ｂｕｃｋｅｔ）型ロータ付きで３，７５０ｒｐｍの最大速度を有する。
【００４５】
公式な詳説として、運動の法則に精通したものであれば、「遠心力」が、時に「擬似力」と呼ばれることを理解するであろう。なぜなら、回転する物体を回転の中心に対して定位置に保持しながら、向心力に対抗して円形経路を移動する物体の運動量の組み合わせを示すからである。同様に、名詞として用いられる場合、用語「遠心分離機」は、異なる密度の物質を分離することか、水分を除去することか、または重力の作用をシミュレートすることに対して遠心力を用いる機械を規定する。動詞として用いられる場合、用語「遠心分離する」は、液体から、または液体中の異なる層から固体を分離することか、あるいは重力の作用を別様にシミュレートし、増大するために遠心力を適用する行為を規定する。
【００４６】
本発明は、蛍光体の位置決めおよび硬化の単一のステップに限定されない。別の実施形態において、蛍光体は、複数の表面上に堆積し得る。本実施形態において、蛍光体は、まず、遠心分離するステップを用いて第１の表面上に堆積し、次いで樹脂が硬化した後、本デバイスが回され、樹脂の付加的な分注か、または異なる混合物および蛍光体が分注され、遠心分離され、硬化され得る。
【００４７】
同一の方法で、所望に応じて、本発明の遠心分離するステップは、他の従来の製造ステップとともに用いられ得る。したがって、樹脂および蛍光体の混合物の一部分は、遠心分離の利点なしにチップ上に位置決めされ得、遠心分離される間に硬化されることを可能とし、硬化するステップは、従来のステップの前または後に、別個に行われる。
【００４８】
また別の、特に極めて小さいサイズの蛍光体粒子に有用な実施形態において、蛍光体は、有機溶剤（例えば、イソプロピルアルコールまたは水）等の、より揮発性の高い、粘性の低い液体と混合され得る。遠心分離するステップは、次いで有機溶剤内において蛍光体粒子をチップに隣接して位置決めするために用いられ得、その後、溶剤は、チップ上の定位置に蛍光体を残して蒸発することが可能とされる。封止材またはレンズは、次いで付加され得る。
【００４９】
図１〜図４は、本発明によって作成され得るダイオードの例示である。図１は、１０で広く示される、上述のＣｒｅｅ  ＸＬＡＭＰ（登録商標）ダイオードに類似のＬＥＤランプを斜視図で示す。ダイオード１０は、ＬＥＤチップ１１（図２〜図４）を含み、該ＬＥＤチップ１１は、上述のように、可視スペクトルのより高いエネルギ部分か、または近紫外部分で放射し、一般にＩＩＩ族窒化物材料系で形成される。チップ１１は、図示される実施形態において、ランプ１０のリフレクタとしての役割をも果たす、カップ１２内に設置される。
【００５０】
裸眼では個々の粒子として可視であるとは限らない蛍光体は、ランプ１０のレンズ１４の下の点線部分１３によって、図１に概略的に図示される。図１に図示される蛍光体１３の位置は、蛍光体１３が遠心力の影響下で、回転の中心から最も遠い表面で着定することを考慮して、概略であると理解されたい。図示される実施形態において、蛍光体１３は、チップ表面上またはパッケージのフロア（ｆｌｏｏｒ）に位置決めされる。
【００５１】
リフレクタ１２は、電気的接触１６および１７をも含む、取り付け基材１５に固定される。
【００５２】
図２は、３０であきらかに示される、５ミリメーターの名称でしばしば販売される、弾丸型ランプの情況における本発明を例示する。ランプは、チップ１１を含み、蛍光体粒子は、小さい丸１３として図示される。概略的ではあるが、図２は、チップ１３上の蛍光体およびリフレクタ３２のフロア３１上の所望の位置をより正確に示す。リフレクタ３２は、ランプ３０全体のための電極のうちの１つを形成し、ワイヤ３３は、ダイオードチップ１１を第２の電極３４に接続する。リフレクタ３２によって形成されるカップ内における封止材３５の位置は、点線３６によって示される。背景技術で記載したように、レンズ３７の材料は、封止材３５用の材料と同一であり得るか、またはランプ３０の特定の目的または用途により、異なる材料であり得る。
【００５３】
図３は、本発明によって形成されるダイオードランプ１０の別の概略断面図である。図３は、カップ（リフレクタ）１２部分を断面で図示する。遠心分離後の蛍光体の位置は、小さい丸１３で示される。図３が図示するように、本方法は、適切なウェル２０を満たす十分な樹脂および蛍光体を付加することを含み、該ウェル２０は、ウォール２１およびウォール２２ならびにチップ１１を保持するカップ１２の部分のフロア２３によって規定される。
【００５４】
しかしながら、過分の樹脂は望ましくない。なぜならリフレクタの他の部分を、所望されない、潜在的に無駄な様態で満たすことになるからである。図３は、平面の上面２４を有する樹脂を示す。この表面は、メニスカスを形成するように下方に硬化し得るが、あらゆる過分は溢出してしまうことから、注ぎ過ぎないように注意が必要である。蛍光体および樹脂の混合物を、部分的に満たすまで、または完全に満たすまで分注するが、いずれの場合においてもウェル２０の容積を超えないようにすることは、樹脂および蛍光体の混合物が、遠心力を適用されたときに溢出するのを防ぐ。ダイオードが遠心分離された後、付加的な樹脂（または異なる樹脂、または予備成形）が加えられて、上面２４の上に断面で図示されるレンズ１４を形成し得る。
【００５５】
レンズの形状は、ダイオードの最終用途に基づいて所望または必要とされるように選択されるか、または設計され得、パッケージまたはレンズを作成するために用いられる方法等のその他の要因によって影響される場合がある。
【００５６】
図４は、２５で広く示される側面型（ｓｉｄｅ  ｖｉｅｗ）ダイオード（側面取り付け、サイドルッカー（ｓｉｄｅｌｏｏｋｅｒ）、表面実装型デバイス（「ＳＭＤ」））の概略断面図である。ダイオードチップは１１で、蛍光体粒子は１３で再び示される。本実施形態において、リフレクタパッケージ１８は、しばしば白色ポリマーによって形成される。上面の方向から見た場合、パッケージ１８は円形、長方形、または正方形の形状であり得る。２５で示されるようなＳＭＤは、しばしばライトディフューザに隣接するか、または同様の方向に位置決めされることから、封止材１９は、平面、略平面、または凹形の形状を有し、図１〜図３に図示される球状レンズを含まない。図４に示すように、ダイオード１１は、電極２６の１つに直接位置決めされ得るか、またはワイヤ２８およびワイヤ２９を用いて、電極２６および電極２７に接続され得る。
【００５７】
図５は、上述のタイプの遠心分離機の部分の平面図である。ロータ４０は回転中心を規定し、一般にモータ（図示せず）によって駆動される。ロータ４０から延在する４つのアーム４１および図示される実施形態は、４つのトレイ４３が、４４で概略的に図示されるピンを用いて取り付けられ得る、それぞれの位置を規定するＬ型延在部４２を含む。回転の方向は、矢印「Ｒ」によって示される。遠心分離機が停止している場合に、ダイオードは、トレイ４３内の正方形４５に配置され得る（または、あらかじめ装填されたトレイがピン４４に取り付けられ得る）。特に、トレイ４３は、遠心分離されるダイオードのサイズや形状に合った、正方形または他の適切な構造で設計され得る。
【００５８】
トレイ４３は、アーム４１、アーム４２上で軸回転することから、遠心分離機がトレイ４３とともに水平位置で停止している間、トレイ４３は、ダイオードとともに装填され得る。遠心分離機が回転して、回転速度が上昇するときに、トレイ４３がピン４４上で軸回転することにより、より高速で、トレイは、遠心分離機が減速または停止すると戻る水平位置ではなく、アーム４１に対して部分的にまたは完全に垂直に配向される。
【００５９】
アーム、ピン４４、トレイ４３の設計は、遠心分離される特定のダイオードに基づくものであり、当該分野に精通した当業者の技術の範囲内であると理解されよう。
【００６０】
図６〜図９は、本発明によるダイオードの性能的な局面を説明する。図６は、３つの異なる重量割合で樹脂と混合される単一の蛍光体を示す。３つのダイオードが製造され、蛍光体のそれぞれの選択された重量割合において、本発明によって遠心分離された。好ましいｃｃｘ座標０．３１８が、目標として選択され、そのような出力を産生するために必要な蛍光体の適切な割合が、線形回帰によって計算された。本実施例において、線形回帰は、６．３３重量パーセントの蛍光体が、所望の色座標を産生することを示した。
【００６１】
しかしながら、蛍光体の重量パーセントに加え、蛍光体の種類、特定のパッケージ、チップの具体的な出力、封止材、および他の関連する要因に基づき、産生される特定の色座標は異なるということを、当業者であれば認識するであろう。
【００６２】
図６、図７および図８によって示される実験から収集された情報を用いて、一方は６．３６重量パーセントの蛍光体、他方は６．３５重量パーセントにおいて、本発明によって２つの別個のロットで形成された４８個のデバイスの色座標出力を示した。図７は、ダイオード間で極めて一貫した出力を産生したことを示し、図８で示されるダイオードは、中央値でｃｃｘ座標０．３１８５を有したことを示す。
【００６３】
図９は、２つの混合された蛍光体（赤色および黄色）の割合が暖色系白色を得るように調整された別個の実験による結果を示す、ＣＩＥ色度図の一部を示す。種々のビン（ｂｉｎ）のレタリングは、本発明の観点から任意であるが、特定のダイオードやダイオード群によって産生される白色光の異なる色合いを識別するために、商業的に用いられる。
【００６４】
図１０は、対比を目的として含まれており、波長（ナノメータ）およびＣＩＥｘおよびｙ色座標、ならびに色温度線で示される、ＣＩＥ色度図の一複製を表す。ＣＩＥ色度図は、多くの供給者から入手可能であり、当業者に周知である。さらなる背景の説明は、Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、ｓｕｐｒａのＳｅｃｔｉｏｎ１１．４〜１１．８から入手可能である。白色光、または白色光に近い色調は、（ｘ，ｙ）＝（０．３，０．３）座標の近くに存在することは、概して認識される。
【００６５】
図面および明細書には、本発明の好ましい実施形態が記載されており、特定の用語が用いられたが、これらは一般的および説明的な意味においてのみ用いられるものであり、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲の限定を意図するものではない。
【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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【外国語明細書】
2009147343000001.pdf