CN101471416A - Led封装中有纹理的密封剂表面 - Google Patents
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Abstract
一种封装LED器件具有有纹理的密封剂，该密封剂与其上设置至少一个LED芯片的搭载表面共形。在封装之前或封装期间，向LED敷设可使用加性或减性工艺纹理化的有纹理密封剂。密封剂包括至少一个光自其发射的有纹理表面。有纹理的表面有助于减少密封剂内的全内反射，从而改善出光效率和输出分布的色温均匀性。可将数个芯片搭载在单个有纹理的密封剂下。可使用具有不规则表面的模具来同时在许多LED上形成多个密封剂。
Description
技术领域
本发明一般涉及LED封装，更具体地涉及LED封装内有纹理的密封剂表面。
背景技术
发光二极管(LED)是将电能转换成光的固态器件，且一般包括夹置在相反掺杂层之间的一个或更多个半导体材料有源层。通常，使用引线接合跨这些掺杂层加偏压，从而将空穴和电子注入有源层中，在那里空穴和电子复合而产生光。光从有源层出发并从LED的所有表面发射。一种典型的高效率LED包括搭载于LED封装并被透明介质密封的LED芯片。从LED有效率的出光是高效率LED的制造中主要关心的问题。
可将LED制造为发射各种颜色的光。然而，常规LED不能从它们的有源层中产生白光。已通过用黄色磷光体——典型的磷光体是掺铈的钇铝石榴石(Ce：YAG)、聚合物或染料包围LED将来自发蓝光LED的光转换成白光。[参见Nichia公司的white LED(白光LED)，第NSPW300BS、NSPW312BS部分等；还参见授予Lowrey的美国专利No.5959316“Multiple Encapsulation ofPhosphor-LED Devices(磷光体LED器件的多重密封)”。]周围的磷光体材料“降频转换”LED的部分蓝光的能量，这样增大了光的波长，从而将其颜色改变为黄色。蓝光中有一些没被改变地穿过磷光体而此光的一部分被降频转换为成黄色。LED发射蓝光和黄光两者，而它们组合而提供白光。在另一办法中，已通过用多色磷光体或染料包围LED将来自发紫光或紫外光LED的光转换为白光。
已经考虑了各种LED涂覆工艺，包括旋涂、喷涂、静电沉积(ESD)、以及电泳沉积(EPD)。诸如旋涂或喷涂之类的工艺通常在磷光体沉积期间利用粘合剂材料，而其它工艺需要求在其沉积之后立即加上粘合剂以使磷光体粒子/粉末稳固。
LED封装通常用某种类型的密封剂包围LED芯片以增强从芯片的出光以及保护芯片及其相关触点结构(例如，引线接合)以免其曝露于会导致腐蚀或退化的物理伤害或环境条件。随此密封剂，还需要诸如简单的半球形透镜之类的光学元件以增强从封装的出光以及还可能提供某种形式的输出光束成形(对灯的角度相关发射性质进行控制)。对于通常需要高温(200-300℃)回流焊处理来将LED封装附于其最终型架的表面搭载封装，可能的材料通常包括硅树脂和玻璃。通常使用注入成型工艺来模制硅树脂透镜，这些工艺会对可以使用的硅树脂的性质加以限制。通常使用熔融工艺来形成玻璃透镜，该工艺会限制可能的几何形状并给成品灯增加不小的零件成本。因为玻璃的高熔融温度，典型的引线接合LED不能被密封在熔融的玻璃中。
其中在LED上引入磷光体的一种常见类型的LED封装法称为“杯中水滴”方法。LED芯片驻留在杯状凹部的底部，并且包含磷光体的材料(例如，分布在诸如硅树脂或环氧树脂之类的密封剂中的磷光体粒子)被注入并填充该杯，从而包围并密封LED。然后固化密封剂材料以使其在LED周围硬化。然而，此封装法会导致在相对于封装的不同视角处发射的光的色温有显著变动的LED封装。这种色调变化可能由多种因素引起，包括光在转换材料中能够行进的不同路径长度。在其中包含磷光体的基质材料延伸到LED驻留的杯的“边沿”以上从而导致经转换的光主要从侧向发射到高视角(例如，与光轴成90度角处)中去的封装中，此问题会变得更严重。其结果是由LED封装发射的白光变得不均匀，并且会具有颜色或强度不同的光带或光斑。
从LED有效率的出光是高效率LED的制造中主要关心的问题。对于具有单个外耦合表面的常规LED，外量子效率受到来自LED经过衬底的发射区的光的全内反射(TIR)的限制。TIR可能由LED的半导体与周围环境之间在折射率上有很大差异引起。一些LED具有相对较低的出光效率，因为与诸如环氧树脂之类的周围材料的折射率相比，衬底的折射率很高。此差异导致来自有源区的光线能够从衬底透射到环氧树脂中并最终从LED封装逸出的逃逸锥体很小。
已开发出不同的办法来减小TIR并且改善总出光，更流行的办法之一是表面纹理化。表面纹理化通过提供允许光子有多次机会找到逃逸锥体的变化表面来提高光逸出的可能性。没有找到逃逸锥体的光继续经历TIR，并以不同的角度从有纹理的表面反射直到它找到逃逸锥体。已在数篇文章中讨论了表面纹理化的好处。[参见Windisch等人的Impact of Texture-Enhanced Transmission on High-Efficiency Surface Textured Light Emitting Diodes(纹理增强的透射对高效 率表面纹理化发光二极管的影响)，应用物理快报第79卷第15号，2001年10月，第2316-2317页；Schnitzer等人的30％External Quantum Efficiency From Surface Textured，Thin Film Light Emitting Diodes(来自表面纹理化的薄膜发光 二极管的30％外部量子效率)，应用物理快报第64卷第16号，1993年10月，第2174-2176页；Windisch等人的Light Extraction Mechanisms in High-Efficiency Surface Textured Light Emitting Diodes(高效率表面纹理化发光 二极管中的出光机制)，IEEE量子电子学选题期刊第8卷第2号，2002年3月/4月，第248-255页；Streubel等人的High Brightness AlGaNInP Light Emitting Diodes(高辉度AlGaNInP发光二极管)，IEEE量子电子学选题期刊第8卷2002年3月/4月号。]
同样已转让给Cree公司的美国专利No.6,657,236公开了形成在半导体层上的用于通过使用形成为阵列的内部和外部光学元件来增强LED中的出光的结构。这些光学元件具有诸如半球形和金字塔形之类的许多不同的形状，而且可位于LED的各层的表面上或内部。这些元件提供光可自其折射或散射的表面。
为了发射具有特定光谱内容的光，已知可使用具有多个芯片的LED封装。通常，在同一封装中使用具有不同色彩的多个芯片。例如，可组合使用红光芯片、绿光芯片以及蓝光芯片以形成白光封装(固态RGB)。其它多芯片组合也很常见，诸如每单元包括一个红光芯片、一个蓝光芯片以及两个绿光芯片的固态RGGB。可将磷光体转换层协同这些多芯片器件一起使用，例如，用于高显色指数应用的磷光体转换的RGB。另一种已知的器件由磷光体转换的白光LED和固态红光芯片构成。在多芯片LED封装中，磷光体转换的有色芯片和固态芯片的其它组合也是已知的。
发明内容
发光二极管(LED)器件的一个实施例包括以下元件。至少一个LED芯片设置在搭载表面上。靠近该搭载表面设置密封剂，以使从该至少一个LED发射的基本上所有光都通过该密封剂。该密封剂包括与搭载表面基本上共形的有纹理的发射表面。与具有无纹理发射表面的类似密封剂相比，该密封剂减少了所发射光的全内反射。
芯片规模封装发光二极管(LED)器件的一个实施例包括以下元件。多个LED设置在搭载表面上。密封剂具有与搭载表面基本上平行的发射表面。将发射表面纹理化以产生多个粗糙化的表面特征。
制造发光二极管(LED)器件的一种方法包括以下动作。提供搭载表面。将至少一个LED芯片设置在该搭载表面上。将具有发射表面的密封剂沉积在该至少一个LED芯片上。将该密封剂成形以使其发射表面纹理化。固化该密封剂。
附图说明
图1示出LED器件的一个实施例的截面图。
图2示出LED器件的一个实施例的截面图。
图3示出具有红光、绿光以及蓝光LED芯片的LED器件的俯视图。
图4示出具有数个红光、绿光以及蓝光LED芯片的LED器件的俯视图。
图5示出用于在各LED器件上同时模制数个密封剂的模具装置的一个实施例的俯视图。
图6示出模具装置的一部分中的空腔的一个实施例的截面图。
图7示出模具装置的一部分中的空腔的一个实施例的截面图。
图8示出LED封装器件800的一个实施例的截面图。
具体实施方式
本发明提供一种包括具有有纹理表面的密封剂的LED器件的多个实施例，此有纹理表面有助于减少因全内反射(TIR)引起的光损耗、同时保持输出分布中可接受的色温均匀性和色彩混合。TIR是当光线以超过如Snell定律所定义的临界角的角度到达介质边界时发生的光学现象。临界角是两种介质之间的折射率差分的函数。仅当光从折射率较高的介质传到折射率较低的介质时TIR才会发生。如果光线以大于临界角的角度到达介质边界，则此光将会反射回其所来自的介质，而不是作为发射光逸出。然后内反射的光将被该介质内的材料或该介质本身吸收。TIR会减少LED器件的出光效率。
密封剂可被形成为许多形状以达成各种设计目标。一些LED封装包括设置在芯片上用来减少发射光的TIR的圆顶形密封剂。可设计该圆顶形密封剂以使光线在所有入射点处都接近直角地入射到密封剂的内表面上。这些密封剂的几何形状确保光几乎总是接近直角地到达边界；因此，光极少被反射回密封剂中，从而产出较高的出光效率。
然而，使用圆顶形密封剂并不总是合乎需要的。例如，在多芯片设置中，光是从其上设置这些芯片的搭载表面的中心处的点发出的假定或许是不可接受的。这些芯片可能搭载在搭载表面上的各个位置。在许多情形中，这些芯片发射不同色彩的光。因为搭载表面上的芯片放置，每个有色光束将具有不同的角分布，而且输出分布中不良的色彩均匀性会不利地影响发射光谱。因此，圆顶形密封剂减少了TIR效应，但在多芯片配置中会导致不良的色彩混合。
另一方面，平坦形的密封剂在远场中将提供相对均匀的色彩分布。然而，平坦形的密封剂将遭受显著的TIR，从而降低器件的出光效率。举例而言，对于诸如环氧树脂/空气、硅树脂/空气、或任何其它透明塑料/空气界面之类的折射率差别(differential)超过0.4的界面尤其是这样。本发明的各实施例包括一种具有经整饰的表面以减少TIR效应同时保持相对均匀的色彩分布的密封剂。
可以理解当诸如层、区域或衬底之类的元件被称为在另一元件“之上”时，它可以直接在该另一元件上，或也可能存在居间元件。而且，本文中可能使用诸如“内部的”、“外部的”、“上部的”、“在......上方”、“下部的”、“在......之下”、和“在......下面”之类的相对术语以及类似术语来描述一层或另一区域的关系。可以理解这些术语旨在涵盖器件除在附图中描绘的取向以外的其他不同取向。
虽然本文中可能使用术语第一、第二等来描述各个元件、组件、区域、层和/或段，但这些元件、组件、区域、层和/或段不应当被这些术语所限定。这些术语仅用来将一个元件、组件、区域、层或段与另一区域、层或段区分开。因此，下文所讨论的第一元件、组件、区域、层或段可被称为第二元件、组件、区域、层或段而不会脱离本发明的教导。
注意，在本申请通篇中，术语“层”和“诸层”可以互换地使用。本领域的普通技术人员将理解“单层”材料可以实际上包括数个单层材料。类似地，数“层”材料在功能上可被认为是单层。换言之，术语“层”并不表示同质材料层。单“层”可包含局部化在诸子层中的各种散射材料浓度和组分。这些子层可在单个形成步骤或多个步骤中形成。除非特别另行声明，否则并不旨在通过将元件描述为包括“层”或“诸层”材料来限定正如在权利要求书中体现的本发明的范围。
在此参考作为本发明的理想化实施例的示意性例证的截面示意图来描述本发明的实施例。这样，预期会因为例如制造技术和/或公差而与例证的形状相比有所变化。本发明的各实施例不应被解释为被限定于本文所例示的区域或粒子的特定形状，而应当包括例如缘于制造等的形状上的偏差。例如，因为正常的制造公差，被例示或描述为矩形的区域将通常具有圆形或弧形的特征。因此，附图中所例示的区域本质上是示意性的，而且它们的形状不是为了说明区域或粒子的精确形状，也不是为了限定本发明的范围。
图1示出根据本发明一实施例的LED器件100的截面图。器件100包括密封剂元件102，其设置在光源104上方以使从光源104发射的基本上全部光都必须穿过它。
密封剂102可以非常薄以使它刚够覆盖接合引线——如果使用了接合引线的话，或它可以厚得多。密封剂厚度的可接受范围是70-200微米。在附图中由箭头示出了所发射光的光路。在此实施例中，设置密封剂102以使密封剂102和光源104搭载到举例而言诸如衬底之类的共同表面106。
密封剂102可包括如上所描述地设置在光源104之上的任何结构，并且在一个实施例中密封剂包括透镜，该透镜单独使用或与用来将透镜搭载在光源之上的接合材料组合使用。密封剂可以是例如透明的、半透明的、或发荧光的，而且可以装填有诸如磷光体之类的波长转换材料。密封剂102可由硅树脂、环氧树脂、玻璃、塑料或其它材料制成，而且可以执行诸如光束成形、校准、以及聚焦等之类的功能。可如用模具那样将密封剂102形成在光源上方的位置，或可单独制造它，然后继以由例如粘性环氧树脂将其附着到光源。
使光改向的一种方法是对密封剂表面108的选定区域进行整饰。如下文具体讨论地，可以通过诸如例如刻蚀或研磨之类的几种已知的加性和减性方法整饰表面108。可以通过诸如模制或铸造之类的大量生产方法制造有纹理的表面，其中在该工艺期间模具表面直接在密封剂上压印纹理化外形。趋近密封剂表面108的经整饰部分(相对于未整饰部分)的光具有更高的概率被改向并在另一点处离开密封剂102。如果光在第一轮时没有离开，则它可能在密封剂102内被反射并再次与表面108接触到而在第二轮时发射出去。经整饰的表面108还具有使发射光的发射角随机化的效果。如图1所示，经整饰的表面108的不规则特征使光改向，从而导致光偏离它从光源104出发时原始所取道的路径。因为光脱离了其原始路径，所以其输出分布呈现出更加均匀的色彩分布。
经整饰的表面可通过加性或减性工艺来形成，并且可具有许多不同形状的特征。例如，可向密封剂表面添加材料以产生会使光散射的不规则结构。可通过诸如化学气相沉积之类的许多已知工艺来沉积所添加的材料。还可以使用诸如化学刻蚀、由单点或多点工具机械加工、喷砂处理等等之类的后加性(post-additive)工艺来塑造有纹理的表面。用于整饰表面的另一种方法是去除密封剂的部分而留下小孔和沟渠。有许多不同的已知减性方法可用，诸如例如刻蚀。经整饰的表面可以具有图案化或随机的特征。在前一情形中，其可通过机械加工以给予表面特定图案化的纹理来产生。如果表面是机械加工的，则表面特征的平均峰谷尺寸的可接受范围是从50到200微米。如果表面特征是随机的，则它们可以通过包括放电机械加工的数种工艺来形成。表面整饰可以结果得到具有数种形状的表面特征，包括球形或半球形、三角形、斜三角形、金字塔形、截顶金字塔形以及许多其它形状。有许多整饰密封剂表面的其它已知方法。
图2是根据本发明一实施例的LED器件200的截面示图。器件200与器件100类似地工作并同有数个共同的元件。器件200包括反射表面202。如上所讨论地，经整饰的表面108还有助于减少第二、第三轮等与表面108相互作用的光上的TIR。反射表面202可包括漫反射镜、镜面反射镜、或两者的组合。为了实现高效率，反射表面202在光源104所发射的波长范围内应当是高反射性的。反射表面202可以是镜面的或有纹理的，并且可以具有散射性质。
图3是LED器件300的俯视图。LED器件300包括红光芯片302、绿光芯片304、以及蓝光芯片306，均设置在搭载表面上。此实施例示出RGB配置中一种可能的芯片安排。可以按照许多方式来安排RGB芯片，而并不限于任何特定图案。因为芯片302、304、306不在搭载表面正中，所以各种色彩的光不是均匀发射到密封剂308中。例如，如果密封剂308是平坦形的(如同所示)，则从红光芯片302发射的光将以接近90°的角度入射在密封剂308位于红光芯片302正上方的部分上。而从蓝光芯片306发射的光将以低得多的角度入射在密封剂308的该相同部分上。因此，如果没有使用随机化元件，则在位于红光芯片302正上方的空间中发射的红光将比蓝光多，从而导致输出分布中色温均匀性不良。
LED器件300包括具有有纹理表面310的密封剂308。设置密封剂308以使从芯片302、304、306发射的光穿过密封剂308进入环境空间。有纹理的表面310通过减少TIR改善了出光效率，并且通过使从各个芯片302、304、306发射的光线的发射角随机化改善了色温均匀性。虽然此特定实施例以圆形搭载表面上的RGB芯片配置为特征，但应当理解可在许多不同形状的搭载表面上使用许多不同的有色LED组合。
图4是另一LED器件400的俯视图。器件400包括设置在矩形搭载表面上的数个有色LED芯片402。此特定实施例以红光、绿光以及蓝光发射器的RGGB安排为特征。如上所讨论地，可使用许多不同的色彩和空间安排来实现特定的输出分布。密封剂404设置在诸芯片402上以使所发射的光绝大部分穿过密封剂404进入到环境空间中。密封剂404包括有纹理的表面406，该表面使从各个芯片402发射的光线的发射角随机化，从而改善器件400的色温均匀性。有纹理的表面406还能减少TIR。如同所示，可以搭载许多芯片并用单个密封剂层覆盖它们。此特定实施例以24个芯片为特征。根据设计需要可使用更多或更少芯片。例如可使用模具在搭载表面和诸芯片402上形成或沉积密封剂。
图5示出用来同时成形数个密封剂以供包含在芯片规模封装LED中的模具装置500的俯视图。模具装置500包括在模具基座504上安排成阵列的数个空腔502。空腔的宽度可以仅比单芯片的宽度稍大，或空腔504可以更宽以容纳多芯片阵列和将被密封剂覆盖的其它元件。可使用多个钻孔506来将模具基座504搭载到表面上以使该装置在处理期间稳定。可定位数个LED器件(未示出)以使每个器件位于由每个空腔502建立的空间内或与之毗邻。例如，如果将该模具装置定位在这些LED器件上，则每个器件应当位于空腔502之一下面。可在将模具装置500放置在LED上进行处理之前先将密封剂材料注入每个空腔502中，或者可在器件就位之后将密封剂材料注入，就如通过装填孔来进行的那样。可在高温下使用诸如环氧树脂、硅树脂或两者的混合之类的热固塑料使密封剂材料固化。
空腔502之中的每一个具有至少一个不规则表面。参考图6，空腔502具有不规则底面508。不规则底面508具有在密封剂材料在LED器件周围硬化时使其成形的外形。当密封剂已被固化时，这些器件可被移开。所得的密封剂将具有有纹理的上表面。模具装置500允许密封剂被放置在数个LED上并同时固化。使用该模具形成的每个密封剂将具有有纹理的上表面。可根据特定的规范使空腔502的内表面粗糙化，以在所得的模制密封剂上获得有特定纹理的表面。该表面可具有范围从数微米到数百微米的平均峰谷距离，而可接受的范围是1-200微米。
图7示出包括多个不规则表面702的空腔700。如同所示，可将多个LED芯片704包封在共同的密封剂下。这些LED芯片704被图示为毗邻空腔700设置。将密封剂材料706注入空腔700并使之固化。所得的密封剂具有忠实反映空腔700的不规则表面702的三个有纹理的表面。在某些实施例中，各种表面可具有不同的末道工序。如上所述，粗糙化的密封剂有助于改善所封装LED器件的出光和色温均匀性。
图8是LED封装器件800的一个实施例的截面图。LED芯片802设置在可为封装的一部分的搭载表面804上。第一和第二电极806、808被安排成向LED芯片802提供偏置。在此特定实施例中，电极806和808从器件800的与主发射表面相反的那侧可及。通孔810为电流提供从搭载表面804的底部侧上行至LED芯片802的路径。可用引线接合(未示出)将第二电极808连接到LED芯片802。
密封剂812设置在LED芯片802、搭载表面804、以及电极806、808上。密封剂812是平坦形的，从而提供平行于搭载表面804的主发射表面814。一些光可能从除主发射表面814以外的诸如侧表面之类的密封剂表面逸出。在其它实施例中，也可通过粗糙化来整饰这些表面。可使用类似于图6所示的模具来将密封剂812沉积到芯片封装上。使用模具允许同时密封许多LED器件封装。然后可通过切割或通过本领域已知的其它分离技术将器件单片化。在其它实施例中，可将具有与所有芯片封装组件共形的发射表面的密封剂沉积在器件上。
光从LED芯片802发射，并与密封剂812相互作用。如上具体所讨论地，可整饰主发射表面814以改善出光和色温均匀性。例如，如果使用模具制造，则表面814可包括与模具内表面相对应的粗糙化特征。搭载表面804和电极806、808可包括反射性材料(例如，漫射的、镜面的、或两者的组合)以使发射时被内反射的光改向回向着表面814进行第二轮。LED封装器件800代表了可被制造成包括平坦形封装剂的许多封装之一。
虽然已参考本发明的某些优选配置详细描述了本发明，但其它的版本也是可能的。因此，本发明的精神和范围不应被限定于上面描述的版本。
Claims (14)
1.一种发光二极管(LED)器件，包括：
设置在搭载表面上的至少一个LED芯片；以及
靠近所述搭载表面设置的密封剂，所述密封剂包括与所述搭载表面基本上共形的有纹理的发射表面。
2.如权利要求1所述的LED器件，其特征在于，还包括设置在所述搭载表面上的多个LED芯片。
3.如权利要求2所述的LED器件，其特征在于，所述多个LED芯片包括发射至少两种不同光谱的LED芯片。
4.如权利要求1所述的LED器件，其特征在于，所述搭载表面包括反射性材料。
5.如权利要求4所述的LED器件，其特征在于，所述反射性材料具有光散射性质。
6.如权利要求1所述的LED器件，其特征在于，所述密封剂与环境介质形成界面以使所述界面处的折射率差别至少是0.4。
7.如权利要求1所述的LED器件，其特征在于，所述密封剂包括波长转换材料。
8.如权利要求1所述的LED器件，其特征在于，所述密封剂的厚度范围从70到200微米。
9.一种芯片规模封装发光二极管(LED)器件，包括：
搭载表面；
设置在所述搭载表面上的多个LED；
具有基本平行于所述搭载表面的发射表面的密封剂，所述发射表面被纹理化以产生多个粗糙化的表面特征。
10.如权利要求9所述的芯片规模封装LED器件，其特征在于，所述粗糙化的表面特征是在所述密封剂起初固化时在模具中形成的。
11.如权利要求9所述的芯片规模封装LED器件，其特征在于，所述多个LED包括发射不同光谱的LED。
12.如权利要求11所述的芯片规模封装LED器件，其特征在于，所述多个LED芯片包括发射红光谱的LED芯片、发射绿光谱的LED芯片、以及发射蓝光谱的LED芯片。
13.如权利要求11所述的芯片规模封装LED器件，其特征在于，所述多个LED芯片包括发射红光谱的LED芯片和发射白光谱的LED芯片。
14.如权利要求11所述的芯片规模封装LED器件，其特征在于，所述多个LED芯片包括发射蓝光谱的LED芯片和发射黄光谱的LED芯片。
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