CN102473811A - 具有模制的反射侧壁涂层的led - Google Patents

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Abstract

相对于具有凹口（42）阵列的模具（40）放置其上安装了具有磷光体层（30）的LED（10）的阵列的基座晶片（36）。在晶片与凹口之间分配硅树脂和重量为10%-50%的TiO2的混合物（44），从而产生模制的基本上反射的材料。该模制的混合物形成覆盖LED的侧壁的反射壁（46）。然后，固化反射材料，并且将基座晶片与模具分离，使得覆盖侧壁的反射材料包含从LED发射的光。切割基座晶片。然后，可以将物件（例如反射器（50）、支撑支架（76）等等）加接到基座（22），使得LED通过该物件中的中心孔（54）伸出。物件的内边缘容易形成，从而将它定位在LED顶面（32）之上或之下的任何高度。

Description

具有模制的反射侧壁涂层的LED
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），尤其涉及向内反射侧面发射的光的技术。
背景技术
可以将半导体LED制造得非常薄，例如在50微米以下，以便最大化其光输出。半导体LED也可以跨其顶面具有相对较厚的磷光体层以便对来自LED的光进行波长转换，例如用于使用蓝色LED产生白色光。这样的结构可能仍然只有大约0.2-0.5mm的总厚度以及小于1mm2的顶部面积。所述LED可以是接合到大得多的基座（submount）顶面上的金属垫的倒装芯片，从而只有基座底部上的鲁棒电极需要焊接（solder）到印刷电路板。
已知经由通过模制的抛物面反射器的底部的矩形开口插入LED而利用该反射器围绕LED（而不是基座）。由于反射器应当理想地反射从LED的顶部和侧面发射的所有光，因而最靠近LED的反射器内边缘需要具有极小的厚度（称为锐缘）以便捕获大多数侧面光。此外，理想的反射器应当基本上邻接LED的边缘以便捕获大多数侧面光。这样的理想反射器的产生是不切实际的，并且典型的模制的反射器在反射器边缘与LED之间具有变化的空间，并且反射器内边缘（大约0.5mm的最小厚度）阻挡大多数侧面光进入反射器区域。
所需要的是一种使得实际模制的反射器能够基本上反射从LED发射的所有光的技术。
发明内容
公开了一种制造LED光源的方法，该方法跨LED的侧壁模制了反射材料。跨LED的顶部发光表面基本上没有反射材料。所述LED典型地包括磷光体层，其中半导体LED和磷光体层的侧壁涂敷有反射材料。该反射材料包含光，因而基本上所有的光都在明确限定的发射区域内被发射。反射材料的顶部可以被形成为与LED的顶部平齐，或者延伸到LED的顶部之上或之下。
由于基本上没有光从LED的侧面发射，因而围绕LED的任何反射器都只需让其内边缘与反射材料的顶部边缘平齐或者处于反射材料的顶部边缘之下以便捕获所有的LED光。与现有技术形成对照的是，反射器的内边缘不必为锐缘以便捕获光。
在一个实施例中，碗状反射器围绕LED和反射材料。
在另一个实施例中，将具有反射侧面的LED安装到诸如白色塑料物件之类的反射物件的开口内。反射物件的开口比侧壁反射材料的外壁更宽，并且反射物件比侧壁反射材料的顶部更高。一些低角度光线将从延伸到侧壁反射材料之上的反射物件内壁反射。这产生比LED尺寸更大的表观光源尺寸，并且也产生朝反射物件的边缘渐细的亮度分布。这在例如其中来自多个光源的光必须混合在一起的特定应用中是有利的。
也可以使得跨LED侧壁的反射材料是较少反射的，从而侧面光更深地穿透到反射材料中。这平滑了光源的表观边缘，其在例如其中来自多个光源的光必须混合在一起的特定应用中是有利的。
在另一个实施例中，跨LED侧壁的反射材料允许靠近LED采用光吸收材料，这些光吸收材料不会降低总体光输出。例如，黑色塑料支架可以用来将LED基座保持在散热器或其他衬底上，该支架不吸收侧面光。
也描述了其他的实施例。
在一个实施例中，将LED阵列安装到基座晶片上，每个LED具有诸如磷光体板之类的磷光体层。相对于具有凹口阵列的模具放置晶片。凹口填充有硅树脂和重量为10%-50%的TiO2的混合物，从而产生基本上反射的材料。TiO2在白色外界光下看起来为白色。利用低百分比的TiO2（例如10-15%），光边界变得更柔和，因为光更深地穿透到反射材料中。凹口具有比LED的外尺寸更大的尺寸，使得反射材料将形成围绕LED侧壁的反射壁。
LED的顶面基本上接触凹口的底面，从而在顶面与凹口之间不存在显著厚度的反射材料。跨LED顶面的任何反射材料可以使用诸如微珠喷砂和激光消融之类的各种各样的技术来移除。在一些应用中，在磷光体层上方希望非常薄的TiO2涂层，因为它创建了审美上更加令人愉悦的白色外观而不显著向后反射光。
接着，固化反射材料，并且将基座晶片与模具分离，使得覆盖侧壁的反射材料包含从LED发射的光。接着，切割基座晶片。描述了用于围绕LED的侧壁形成反射材料的各种不同的其他方法。
接着，将碗状反射器或者其他元件加接（affix）到基座。反射器（或其他元件）具有其中插入LED的开口。由于跨LED侧壁的反射材料至少与LED一样高，因而反射器（或其他元件）的内边缘只需与反射材料的顶部平齐或者低于反射材料的顶部以便捕获基本上所有的LED光。在一些实施例中，外部元件具有高于侧壁反射材料的内反射壁。
可以代替反射器将透镜围绕LED加接到基座。
附图说明
图1为安装到基座晶片上的蓝色LED的截面图，其中磷光体板（例如黄色-绿色YAG）加接到顶面。
图2为安装到基座晶片上的多个图1的LED的截面图以及填充有注入大约10%-50%（按重量）TiO2的液体硅树脂的模具的截面图。
图3示出了使得其在一起以便仅仅围绕每个LED的侧面压缩模制硅树脂/TiO2的图2的晶片和模具。
图4示出了固化硅树脂并且从模具移除了晶片之后的晶片。
图5为分割的LED加接到反射器的截面图，其中反射器的内边缘无需为反射器的锐缘以便接收LED发射的几乎所有的光（反射器的相对尺寸通常将更大，因为LED可以仅仅为0.5mm高）。
图6为模制的反射器阵列的自顶向下视图，因而反射器中LED的布置在阵列规模上预先形成以便简化处理。
图7为分割的LED加接到透镜的截面图。
图8示出了围绕且高于LED的白色塑料物件，其用于创建大于LED的光源外观。
图9示出了跨LED侧面的厚壁反射材料，其中该反射材料具有低百分比的TiO2，以便产生具有平滑边界的光源。
图10示出了用来将基座固定到散热器的光吸收元件，其中跨LED侧壁的反射材料避免了该元件吸收LED光。
不同图中相似或相同的元件利用相同的数字标记。
具体实施方式
尽管本发明可以应用到任何类型的LED，但是将描述用在所有实例中的一种特定的LED。图1为白色光LED 10的截面图。
在该实例中，LED 10的有源层产生蓝色光。LED 10在诸如蓝宝石、SiC或GaN之类的开始生长衬底上形成。通常，生长n层12，接着是有源层14，接着是p层16。蚀刻p层16以暴露下面的n层12的一部分。然后，跨LED表面形成反射金属电极18（例如银、铝或者合金）以便接触n层和p层。可以存在许多分布式电极以便更均匀地散布电流。当二极管正向偏置时，有源层14发射其波长由有源层的成分（例如AlInGaN）确定的光。形成这样的LED是公知的，并且无需进一步详细地加以描述。形成LED的附加细节记载于Steigerwald等人的美国专利No.6828596和Bhat等人的美国专利No.6876008中，这两篇专利都转让给本受让人并且通过引用合并于此。
然后，将半导体LED作为倒装芯片安装到基座22上。基座22是其上安装许多LED的基座晶片的一部分，并且基座后来被分割。基座22的顶面包含金属电极，这些金属电极经由焊球焊接或者超声熔接（weld）到LED上的金属电极18。也可以使用其他类型的接合。如果电极本身可以超声熔接在一起，那么可以去除焊球。
基座电极通过通孔电连接到基座底部的阴极和阳极垫24，从而可以将基座表面安装到印刷电路板上的金属垫，该印刷电路板可以形成照相机的闪光灯模块的一部分。电路板上的金属迹线将所述垫电耦合到电源。基座22可以由诸如陶瓷、硅、铝等等之类的任何适当的材料形成。如果基座材料是导电的，那么在衬底材料上方形成绝缘层，并且在绝缘层上方形成金属电极图案。基座22充当机械支撑，提供LED芯片上的精细n电极和p电极与电源之间的电接口，并且提供散热。基座是公知的。
为了使得LED 10具有低的轮廓并且防止光被生长衬底吸收，例如通过CMP或者使用激光剥离方法移除生长衬底，在激光剥离方法中，激光器加热GaN和生长衬底的界面以便产生推动衬底远离GaN的高压气体。在一个实施例中，在将LED阵列安装到基座晶片上之后并且在分割LED/基座（例如通过锯切）之前，执行生长衬底的移除。半导体层的最终厚度可以为大约40微米。LED层加上基座可以为大约0.5mm厚。
LED半导体层的加工可以发生在将LED安装到基座晶片上之前或之后。
在一个实施例中，在移除生长衬底之后，例如通过硅树脂在LED顶部上方加接形成为预制板的磷光体层30，以便对从有源层14发射的蓝色光进行波长转换。在另一个实施例中，可以在从生长晶片分割LED之前或者在将LED安装到基座晶片上之后，溅射沉积、旋涂、通过电泳薄膜沉积或者使用任何其他技术形成磷光体层30。磷光体层30可以是透明或半透明粘结剂中的磷光体颗粒，这些颗粒可以是有机的或无机的，或者可以是烧结的磷光体颗粒。
磷光体层30发射的光在与蓝色光混合时，产生白色光或者另一种希望的颜色。在该实例中，磷光体是产生黄色光（Y+B=白色）的氧化钇铝石榴石（YAG）磷光体。磷光体可以是产生白色光的任何其他的磷光体或者诸如红色磷光体和绿色磷光体之类的磷光体组合（R+G+B=白色）。取决于要发射的希望的总体颜色和LED的亮度，磷光体层30的厚度可以为大约100微米或更大。
在一个实施例中，然后出于美观的目的在磷光体层30表面上方沉积注入大约1%的TiO2的硅树脂薄层32以便使得黄色的YAG磷光体看起来为白色。厚度可以为大约30-100微米。薄层32也用来帮助在后续的模制工艺期间当LED的顶部在压力下可能与刚性模具接触时防止磷光体层30破裂。代替硅树脂的是，可以使用溶胶凝胶。层32是可选的。可以形成其他的顶层，包括二向色滤光层。如果使用了远程磷光体层，那么LED上方的二向色滤光层对于允许LED光通过并且反射后向散射的磷光体光是有用的。
图2示出了基座晶片36和图1的LED 10。在晶片36上绘制了线，其示出以后为了分割而锯切或断开晶片36的地方。
也称为模套（chase）的模具40具有凹口42，这些凹口优选地比LED 10更浅以便确保LED的顶部接触或者非常靠近每个凹口42的平坦底面。凹口42比LED 10稍宽，其中差值将是覆盖LED 10侧面的模制的材料的厚度。凹口42可以具有非常精确的尺寸，并且模制的材料的外尺寸将与LED 10的外尺寸的任何变化及其在基座晶片36上的布置无关。
硅树脂和TiO2的粘性混合物44精确地分配（dispense）到模具40上方以填充凹口42并且也产生凹口42之间的薄层。如果混合物44具有非常低的粘性，那么将在模具40周围使用凸起的密封。
硅树脂中的TiO2的重量百分比足以使得固化的混合物基本上是反射的（例如超过75%），但是不显著降低硅树脂的特性。通常，使用大约10%-50%的TiO2，其中反射率与TiO2的百分比有关。可以代替TiO2使用其他的带白色的惰性颗粒，例如ZrO2和Al2O3。在一个实施例中，平均TiO2颗粒尺寸为0.25微米。
在压力下使得基座晶片36和模具40在一起，从而将LED 10浸没到混合物44中，如图3中所示。随着晶片36表面接近模具40表面，混合物44的粘性倾向于越来越抵制压力。当LED 10的顶部刚刚接触凹口42的底部时，维持压力并且例如通过加热固化硅树脂。通过测量压力，可以知道LED的顶部何时接触凹口42的底部。
接着，如图4中所示分离晶片36和模具40，并且可以通过加热或UV进一步固化硬化的硅树脂/TiO2 46。接着，通过锯切或断开沿着所述线分割基座晶片36。
覆盖LED 10侧面的相对较厚的硅树脂/TiO2 46层反射基本上所有的LED侧面光（例如至少75%）。在从硅树脂/TiO2 46的任何反射之后，光将最终通过LED 10的顶面离开。在一个实施例中，覆盖LED 10的侧壁的硅树脂/TiO2 46的厚度为0.1mm-1mm。厚度应当是充分地反射光所需的厚度。模具凹口42的尺寸需要考虑LED 10尺寸的任何变化和基座晶片36上LED 10布置的未对准以及光穿透到硅树脂/TiO2 46中的深度。对于中等反射的硅树脂/TiO2 46而言，大约50微米的穿透是典型的。
如果由于基座晶片36之上的LED 10的高度的变化，在LED 10的顶面上方形成非常薄的硅树脂/TiO2 46层，那么这样的小厚度将不引起任何显著的反射（例如小于1%）。可以通过微珠喷砂、激光消融、抛光或者其他技术移除顶面上方的任何不希望的硅树脂/TiO2 46。
在另一个实施例中，硅树脂/TiO2混合物44填充模具中的单个大的凹口，并且当使得晶片36和模具在一起时，混合物44正好填充LED 10之间的间隙，因而在中硅树脂/TiO2 46中没有台阶。图4示出了这种平坦的硅树脂/TiO2层的轮廓47。在另一个实施例中，最初将混合物44沉积到LED 10上，并且当使得晶片36和模具在一起时，模具凹口对混合物44定形。在一个实施例中，模具使得硅树脂/TiO2 46围绕LED 10产生比LED 10更高的壁。在另一个实施例中，混合物44单独地被分配到LED 10周围并且然后在不使用模具的情况下被固化，但是使用模具产生精确的尺寸是优选的并且比将混合物44分配到每个LED 10周围快得多。
图5示出了用环氧树脂粘合到抛物面反射器50的基座22和LED 10。反射器50是塑料模制的，其中将薄的镜面金属溅射或蒸镀到碗状物表面上。铝、银、铬或者其他适当的金属可以用作镜面金属。将环氧树脂分配到反射器50底侧的搁架52上，并且使用自动拾放机放置LED/基座。
应当指出的是，反射器50的内边缘可以具有相对较大的厚度（例如高达0.5mm）而不减少光捕获，因为反射器50的边缘低于LED 10的顶面或者大约与LED 10的顶面平齐，并且基本上没有光从侧面逸出。穿过硅树脂/TiO2 46的光量取决于TiO2的百分比和硅树脂/TiO2 46的厚度。在稍后描述的其他实施例中，反射器的高度可以高于LED的高度。
由于硅树脂/TiO2 46的外尺寸由模具凹口42精确地确定，因而反射器50的开口不必考虑LED 10尺寸的变化或者基座晶片36上LED 10的未对准。此外，反射器50的竖直定位是恒定的，因为基座22表面上方的硅树脂/TiO2 46的厚度可以由模制工艺精确地控制。硅树脂/TiO2 46的模制台阶可以用于任何光学元件的对准。
侧壁反射材料不必将LED的侧面覆盖到LED的整个高度，因为在一些应用中反射材料只需将侧壁覆盖到其中没有光损耗的高度。例如，在图5中，硅树脂/TiO2 46只需处于与反射器50的内边缘平齐的高度，并且这可以是用于从反射器50均匀投射光的优选高度。对于厚的磷光体层而言，可能容易形成比磷光体层的高度更薄的外部反射器的内边缘。然而，硅树脂/TiO2 46的厚度将几乎总是大于LED的半导体部分的顶部（n层12的顶部），并且具有基座22表面之上的磷光体层厚度的至少10%的台阶高度。因此，模具40将具有适当定形的凹口以实现这样的希望的高度。
图6为具有用于以图5中所示的方式接纳LED的开口54的模制反射器50阵列的前视图。一旦将所有LED加接到反射器50，则通过沿着反射器边界（例如沿着模制的弱化的线56）锯切或者断开而分割反射器50阵列。图6也可以用来说明与LED一起使用的任何光学元件阵列。
得到的图5的结构可以用作照相机中的闪光灯，该照相机可以是蜂窝电话照相机，其中基座22的电极24（图1）焊接到支撑闪光灯电子器件的印刷电路板上的垫。
图7示出了通过透镜搁架62上分配的环氧树脂加接到预制的模制透镜60的基座22和LED 10。透镜60可以具有任何形状。当把LED/基座加接到透镜60时，透镜60可能已经连接到透镜阵列中的其他透镜。由于反射的硅树脂/TiO2 46的原因，减少了侧面发射。这对于其中要将光限制到特定角度的照相机闪光灯应用可能是有益的。
图8示出了这样的实施例，其中将反射物件66加接到基座22，并且反射物件66延伸到LED 10的顶部之上。反射物件66可以是白色塑料或者其他反射材料。来自LED 10顶部的低角度光线68从反射物件66的内壁反射，使得光源看起来具有更大的宽度w。这也产生了光源的更柔和的边界，其在混合来自多个光源的光时可能是有益的。使得反射物件66更高增大了边界附近的亮度，因为它拦截了更多来自LED 10的光。在图8中，反射物件66也用来通过使用螺钉72将基座22紧紧固定到散热器70。散热器70可以是金属芯电路板。
反射物件66可以包含用于LED 10上方的其他光学元件的对准的参考孔或销。
图9示出了可以将硅树脂/TiO2 46形成为延伸到LED 10之上。如果TiO2的百分比足够低，那么硅树脂/TiO2 46将产生漫射的边界。这可以用来增大光源的表观尺寸，因为硅树脂/TiO2 46由于其增加的高度而反射更多的光，并且光穿透到硅树脂/TiO2 46中。
在甚至没有将LED连接到反射器或透镜的特定应用中，LED侧面上的反射模制材料的发明也可能是有用的。例如，在其中不希望侧面发射的应用中，硅树脂/TiO2 46可以用来在限定的边界内包含光发射。此外，通过调节TiO2的百分比和硅树脂/TiO2 46的厚度，光源的形状和边界轮廓是可控的。例如，通过降低TiO2的百分比，光源具有更柔和的边缘，并且可以使得硅树脂/TiO2 46更厚以便确保光在硅树脂/TiO2 46内反射。
图10示出了使用硅树脂/TiO2 46以便防止来自LED 10的光被光吸收固定器76或其他结构吸收。固定器76可以是黑色塑料或者其他光吸收材料。此外，如果固定器76一定程度反射，那么硅树脂/TiO2 46防止固定器46产生围绕LED 10的不希望的光发射。这大大地释放了接近LED 10使用不同材料的可能性。固定器76可以稍微延伸到LED 10之上而具有很小的不利影响。
磷光体层不是本发明所需要的。可以在半导体LED上方形成相对较厚的透明层，或者可以留下生长衬底的一部分以便提供用于粘附模制的硅树脂/TiO2 46的侧壁。
详细地描述了本发明之后，本领域技术人员将会理解，给定本公开，可以在不脱离本文描述的精神和发明构思的情况下对本发明做出修改。因此，不应当预期本发明的范围限于所图示和描述的特定实施例。

Claims (15)

1. 一种发光器件，包括：
发光二极管（LED），其具有侧壁和顶面；
基座，LED安装于其上；以及
直接跨侧壁提供的基本上反射的材料，该反射材料包括包含引起反射的惰性非磷光体颗粒的基本上透明的材料，这些颗粒重量至少为反射材料的10%，这些颗粒在白色外界光下具有基本上白色的颜色，
反射材料不在任何显著的程度上覆盖LED的顶面，使得覆盖侧壁的反射材料至少部分地包含从LED发射的光。
2. 权利要求1的器件，其中颗粒包括TiOx、ZrOx或者Al2O3之一。
3. 权利要求1的器件，其中颗粒包括反射材料重量的大约20%-50%。
4. 权利要求1的器件，其中颗粒的平均直径小于1微米。
5. 权利要求1的器件，其中基本上透明的材料包括硅树脂。
6. 权利要求1的器件，其中LED包括磷光体层，反射材料覆盖磷光体层的侧壁。
7. 权利要求7的器件，其中磷光体层为加接到LED的半导体部分的顶面的板。
8. 权利要求1的器件，进一步包括加接到基座的物件，该物件具有LED插入于其中的开口。
9. 权利要求8的器件，其中所述物件是反射的，其中反射材料形成围绕LED的台阶，并且其中所述物件的内边缘与反射材料的外边缘隔开。
10. 权利要求1的器件，其中反射材料延伸到至少与LED顶面一样高。
11. 一种制造发光器件的方法，包括：
提供安装到基座上的发光二极管（LED），LED具有侧壁和顶面；
相对于具有凹口的模具放置基座；
在基座与模具之间提供基本上反射的材料，该反射材料包括包含引起反射的惰性非磷光体颗粒的基本上透明的材料，这些颗粒重量至少为反射材料的10%，这些颗粒在白色外界光下具有基本上白色的颜色，
凹口具有比LED的外尺寸更大的尺寸，使得反射材料形成覆盖LED的侧壁的反射壁，并且使得在顶面与凹口之间不存在显著厚度的反射材料；
固化反射材料；以及
将基座与模具分离，使得覆盖侧壁的反射材料包含从LED发射的光。
12. 权利要求11的方法，其中颗粒包括包括TiOx、ZrOx或者Al2O3之一。
13. 权利要求11的方法，其中LED包括磷光体层，反射材料覆盖磷光体层的侧壁。
14. 权利要求11的方法，进一步包括将反射物件加接到基座，该反射物件具有LED插入于其中的开口，该反射物件的内边缘围绕反射材料。
15. 权利要求11的方法，其中相对于模具放置基座包括相对于具有多个相同凹口的模具放置其上安装了多个LED的基座晶片，所述凹口与基座晶片上的每个LED位置相应。
CN201080033337.2A 2009-07-23 2010-06-23 具有模制的反射侧壁涂层的led Active CN102473811B (zh)

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