CN102473818A - 颜色关于角度的变化减少的led - Google Patents
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Abstract
发光二极管（LED）封装（300）包括LED管芯和在LED管芯之上的波长转换元件，该LED管芯包括半导体层的叠层，所述半导体层的叠层包括有源区。波长转换元件包括产生期望的角度颜色分布模式的两个或更多非平坦的表面。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及2008年9月24日提交的题为“LED with Controlled Angular Non-Uniformity”的律师档案号为PH009874US1的美国专利申请No. 12/236,527，其被共同转让并通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开涉及发光二极管（LED）封装，并且特别地涉及用于照明应用的具有期望的颜色关于角度的变化的LED封装。
背景技术
使用发光二极管（LED）的照明设备在许多照明应用中正在变得日益普遍。一般地，LED使用初级发射的磷光体转换来产生白光，但是还可以使用磷光体来产生类似于红色、绿色和黄色的更多饱和颜色。
在许多磷光体转换LED中发现的问题是产生的光的颜色关于角度（COA）变化。从磷光体层以较高角度发射的光通常将具有比以较低角度发射的光更长的波长，因为较高角度下的光不那么直接，并且具有更大的被磷光体转换的机会。结果是发射光的颜色具有角度依赖性。在某些系统中可能期望COA变化，而在其它系统中这是不适宜的。因此，期望用于控制COA变化的解决方案。
发明内容
在本公开的某些实施例中，发光二极管（LED）封装包括LED管芯和在LED管芯之上的波长转换元件，该LED管芯包括包括有源区的各半导体层的叠层。波长转换元件包括产生期望的角度颜色分布模式的一个或多个非平坦表面。
附图说明
在附图中：
图1举例说明具有一个或多个弯曲或基本上弯曲的表面的透镜的横截面图；
图2举例说明图1的透镜的横截面图，其中，弯曲的表面充以波长转换材料以形成具有一个或多个弯曲或基本上弯曲的发射表面的波长转换元件；
图3举例说明具有图2的透镜的发光二极管（LED）封装的横截面图；
图4举例说明具有一个或多个弯曲或基本上弯曲的表面的透镜的横截面图；
图5举例说明图4的透镜的横截面图，其中，弯曲的表面充以波长转换材料以形成具有一个或多个弯曲或基本上弯曲的发射表面和侧面涂层的波长转换元件；
图6举例说明沉积在支撑体上的LED管芯上的波长转换材料；
图7举例说明由图6的波长转换材料模制而成的波长转换元件；
图8举例说明具有图7的波长转换元件的LED封装；
图9举例说明沉积在具有LED管芯的器件晶片上的波长转换材料的横截面图；
图10举例说明由图9的波长转换材料模制而成的波长转换元件的横截面图；
图11举例说明具有LED管芯中的一个和图10的波长转换元件中的一个的LED封装的横截面图；以及
图12是具有含有一个或多个台阶式发射表面的波长转换元件的LED封装的横截面图；
图13是从陶瓷磷光体晶片制造波长转换元件的横截面图；
图14是具有LED管芯和图13的波长转换元件中的一个的LED封装的横截面图；
图15是设计波长转换元件的弯曲或基本上弯曲的发射表面的方法的流程图；
图16和17举例说明具有重叠半球发射表面的波长转换元件的透视图和顶视图；以及
图18和19举例说明全部依照本发明的实施例布置的具有重叠Bezier发射表面的波长转换元件的透视图和顶视图。
在不同的图中使用相同的附图标记指示类似或相同的元件。
具体实施方式
图1至3举例说明本公开的一个或多个实施例中的具有期望的颜色关于角度（COA）变化的发光二极管（LED）封装300（图3）的制造。参考图1A，透镜102具有类似于圆顶（dome）的形状以帮助从光源提取光。透镜102的底部104包括一个或多个弯曲或非平坦的表面106。非平坦表面可以是基本上弯曲的表面，诸如用来仿效弯曲的表面的台阶式、有角度或其它形状的表面。可以将弯曲的表面106模制或钻孔至透镜102的底部104中。在非平坦表面106的周界周围限定了缘边108。透镜102可以是玻璃、蓝宝石、金刚石、氧化铝或硅树脂。
参考图2，在弯曲的表面106上沉积波长转换材料以形成波长转换元件202。波长转换材料可以是诸如硅树脂的粘合剂材料中的一种或多种类型的磷光体。磷光体可以是具有通式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb的铝石榴石磷光体，其中，0<x<l、0<y<l、0<z≤0.1、0<a≤0.2且0<b≤0.1，诸如Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+，其在黄色—绿色范围内发射光；以及(Sr1-xyBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz2+，其中，0≤a<5、0<x≤1、0≤y≤1且0<z≤1，诸如，Sr2Si5N8:Eu2+，其在红色范围内发射光。其它绿色、黄色和红色发射磷光体也可能是适当的，包括(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua2+,（a＝0.002 - 0.2、b＝0.0 - 0.25、c＝0.0 - 0.25、x＝l.5 - 2.5、y＝l.5 - 2.5、z＝l.5 - 2.5），包括例如SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，包括例如SrGa2S4:Eu2+; Sr1-xBaxSiO4:Eu2+；以及(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中，0<x≤1，包括例如CaS:Eu2+和SrS:Eu2+。
波长转换元件202具有由弯曲或非平坦表面106（图1）限定的一个或多个弯曲或非平坦发射表面206。非平坦表面是在制造公差内的缺陷之外故意产生的表面。可以将非平坦表面定义为具有从表面的最低点至最高点具有高度变化210的表面，高度变化210大于波长转换元件202的平均高度212的10%。如上所述，非平坦表面可以是基本上弯曲的表面，诸如用来仿效弯曲的表面的台阶式、 有角度或其它形状的表面。
波长转换元件202的弯曲发射表面206与透镜102的类似于圆顶的形状的组合提供对于给定应用而言期望的COA变化。稍后参考图15来解释用于设计波长转换元件202的弯曲发射表面206的方法。稍后参考图16至19来描述弯曲发射表面206的示例。
在缘边108中沉积反射或散射材料以在波长转换元件202的边缘周围形成侧面涂层208。侧面涂层208帮助控制来自波长转换元件202和LED管芯的边缘发射。侧面涂层208可以是具有反射颗粒的聚合物或树脂，诸如硅树脂、环氧树脂或具有TiO2的丙烯酸树脂。可替换地，侧面涂层208可以是薄金属膜，诸如Al、Ag、Cr、Au、Ni、V、Pt、Pd或其组合。
参考图3，在支撑体308上的LED管芯306上安装透镜102。LED管芯306可以包括n型层、n型层上的发光层（一般称为“有源区”）、发光层上的p型层、p型层上的导电反射层以及导电反射层上的保护金属层。一个或多个n型接合焊盘提供到n型层的电接触，并且一个或多个p型接合焊盘提供到用于p型层的导电反射层的电接触。
支撑体308可以包括底座或插入体310、散热器312和外壳314。LED管芯306被安装在底座310上。底座310具有带有过孔-通路的基底或者LED管芯306的金属图案的底座上重新分布。底座310被安装在散热器312上。散热器312耗散来自LED管芯306的热量。散热器312被容纳在外壳314中。接合线将底座310上的焊盘电耦合到外壳310的电引线316，其在LED封装300与外部组件之间传递电信号。
图4举例说明本公开的一个或多个实施例中的透镜402。透镜402可以替换LED封装300中的透镜102。除以下之外，透镜402类似于透镜102。透镜402不包括在弯曲的表面106周围的缘边108。如图5所示，从波长转换元件202的边缘至透镜的周界在透镜402的底部404上形成侧面涂层508。侧面涂层508可以是与上述侧面涂层208类似的材料。
在另一替换性实施例中，可以用磷光体填充透镜102或402，从而使透镜成为具有弯曲或基本上弯曲的发射表面106的波长转换元件。可以在没有任何磷光体的情况下用硅树脂来填充由波长转换元件202留下的空隙。
图6至8举例说明本公开的一个或多个实施例中的具有期望COA变化的LED封装800（图8）的构造。参考图6，在支撑体608上安装LED管芯306。虽然未示出，支撑体608可以包括用于支撑体308的如上所述的底座、散热器和外壳。在LED管芯306上沉积波长转换材料602。波长转换材料602可以是与上述波长转换元件202类似的材料。
参考图7，用模具对波长转换材料602（图6）进行成形以形成具有一个或多个弯曲或非平坦发射表面706（类似于上述表面206）的波长转换元件702。
参考图8，向ELD管芯306和波长转换元件702的横向侧面施加侧面涂层808。侧面涂层808可以是与上述侧面涂层208类似的材料。在支撑体608上模制透镜802以密封LED 306和波长转换元件702从而完成LED封装800。透镜802可以是硅树脂或环氧树脂。透镜802具有类似于圆顶的形状以帮助从光源提取光。
波长转换元件702的弯曲发射表面706与透镜802的类似于圆顶的形状的组合提供对于给定应用而言期望的COA变化。稍后参考图15来解释用于设计波长转换元件702的弯曲发射表面706的方法。稍后参考图16至19来描述弯曲发射表面706的示例。
图9至11举例说明本公开的一个或多个实施例中的具有期望COA变化的LED封装1100（图11）的晶片级制造。参考图9，举例说明具有多个LED管芯902的器件晶片900。为了简化起见，仅举例说明了LED管芯902-1和902-2，但是应理解的是器件晶片900可以包括许多类似的LED管芯。
LED管芯902-1包括在现在已去除的生长晶片上外延地生长的n型层904、在n型层上外延地生长的发光层906（一般也称为“有源层”）、在发光层上外延地生长的p型层908、在p型层上形成的导电反射层910以及在导电反射层上形成的保护金属层912。在所述结构上形成电介质层914。
在各种层中形成开口以提供对n型层904和用于p型层908的导电反射层910的接近。形成一个或多个n型接合焊盘916以对n型层904进行电接触，并形成一个或多个p型接合焊盘918以对导电反射层910进行电接触。接合焊盘916和918可以延伸至管芯边缘并覆盖LED管芯902-1的背面的相当一部分（例如大于85%）从而为LED管芯提供机械支撑。关于接合焊盘916和918的更多细节，请参考2006年12月15日提交的题为“LED Assembly Having Maximum Metal Support for Laser Lift-off of Growth Substrate”、律师档案号为LUM-06-03-01的美国专利申请No.11/611,775，其被共同转让并通过引用结合到本文中。LED管芯902-2具有与LED管芯902-1类似的结构。
在器件晶片900的底部上施加可去除的粘合剂920，并且然后将载体晶片920接合到器件晶片900的底部。在器件晶片900的顶部上沉积波长转换材料924。波长转换材料924可以是与上述波长转换元件902类似的材料。
参考图10，用模具对波长转换材料924（图9）进行成形以在器件晶片900上的每个管芯上形成具有一个或多个弯曲或非平坦发射表面1006（类似于上述表面206）的波长转换元件1002。波长转换元件1002的弯曲发射表面1006提供对于给定应用而言期望的COA变化。稍后参考图15来解释用于设计波长转换元件1002的弯曲发射表面1006的方法。稍后参考图16至19来描述弯曲发射表面1006的示例。
可替换地，平坦模具可以将波长转换材料924成形为平坦波长转换元件。可以机械地对平坦机械转换元件进行成形以形成具有基本上弯曲的发射表面1006的波长转换元件1002。例如，可以利用微细颗粒（例如盐）对平坦波长转换元件进行碾磨或喷珠以形成具有基本上弯曲的发射表面1006的波长转换元件1002。稍后参考图13和14来描述类似工艺。
然后将器件晶片900从载体晶片920转移至拉伸膜。然后使LED管芯902连同波长转换元件1002一起被单一化成具有各波长转换元件的各个管芯。可以使用激光器、划片器或锯来使LED管芯902和波长转换元件1002单一化。然后使拉伸膜扩展以横向地分离LED管芯902，并向LED管芯902和波长转换元件1002的横向侧面施加侧面涂层1108（图11）。侧面涂层1108可以是与上述侧面涂层208类似的材料。关于侧面涂层1108的施加的更多细节，请参考2009年5月1日提交的题为“Controlling Edge Emission in Package-Free LED Die”、律师档案号PH012995US1的美国专利申请No.12/433,972，其被共同转让并通过引用结合到本文中。
参考图11，在支撑体608上安装具有波长转换元件1002-1的单一化的LED管芯902-1。可以向支撑体608安装反射体1110以对来自LED管芯902-1和波长转换元件1002-1的光进行成形。
图12举例说明本公开的一个或多个实施例中的LED封装1200。LED封装1200包括安装在支撑体608上的LED管芯306。在LED管芯306上安装波长转换元件1202。波长转换元件1202包括一个或多个陶瓷磷光体板的叠层。磷光体板具有不同的长度和宽度，因此其提供仿效上述弯曲的表面的形状的台阶式发射表面1206。具体地，在LED管芯306上安装大的陶瓷磷光体板1202-1，并在陶瓷磷光体板1202-1上安装越来越小的陶瓷磷光体板1202-2、1202-3和1202-4的两个叠层以仿效两个弯曲的表面。关于陶瓷磷光体板的细节，请参考被共同转让并通过引用结合到本文中的美国专利No. 7,361,938。波长转换元件1202的台阶式发射表面1206提供对于给定应用而言期望的COA变化。稍后参考图15来解释用于设计波长转换元件1202的台阶式发射表面1206或由台阶式表面仿效的弯曲的表面的方法。稍后参考图16至19来描述台阶式发射表面1206或由台阶式表面仿效的弯曲的表面的示例。虽然未示出，但可以在支撑体608上模制透镜802以密封LED管芯306和波长转换元件1202以完成LED封装1200。
图13和14举例说明本公开的一个或多个实施例中的LED封装1400（图14）的制造。图13示出用工具1304机械地对波长转换晶片1300进行成形（即碾磨或其它机械加工）以形成台阶式发射表面1306。波长转换晶片1300可以是陶瓷磷光体晶片。作为台阶式发射表面1306的替代，工具1304可以能够形成弯曲或有角度的表面。作为碾磨的替代，可以用微细颗粒（例如盐）对波长转换元件1300进行喷珠以形成台阶式、弯曲或有角度的表面。然后使波长转换晶片1300单一化成具有一个或多个弯曲、台阶式或有角度的表面1406（图14）的各个波长转换元件1402（图14）。
图14示出在被安装在支撑体608上的LED管芯306上安装波长转换元件1402以完成LED封装1400。波长转换元件1402的台阶式表面1406提供对于给定应用而言期望的COA变化。稍后参考图15来解释用于设计波长转换元件1402的台阶式表面1406或由台阶式表面仿效的弯曲的表面的方法。稍后参考图16至19来描述台阶式表面1406或由台阶式表面仿效的弯曲的表面的示例。虽然未示出，但可以在支撑体608上模制透镜802以密封LED管芯306和波长转换元件1402以完成LED封装1400。
图15是本公开的一个或多个实施例中的设计波长转换元件的弯曲、台阶式、有角度或非平坦表面的方法1500的流程图。使用具有光学设计软件的计算机来实现方法1500，所述软件诸如是来自加利福尼亚州Pasadena的光学研究协会的LightTools。
在方框1502中，在光学设计软件中对颜色关于角度的机制进行量化。例如，颜色关于角度可能是由通过波长转换材料的不同路径长度、磷光体的均匀发射、LED的朗伯发射、磷光体颗粒的散射、LED管芯表面的散射（来自向后发射的磷光体光）、侧面涂层的散射以及来自任何圆顶透镜的散射引起的。方框1502后面是方框1504。
在方框1504中，向光学设计软件提供任何透镜的形状。方框1504后面是方框1506。
在方框1506中，向光学设计软件提供目标COA变化。然后光学设计软件对设计进行建模以确定将提供目标COA变化的波长转换元件的弯曲、台阶式或有角度的表面。方框1506后面是方框1508。
在方框1508中，通过制造波长转换元件、在LED管芯上安装波长转换元件并确定来自组件的实际COA变化来检验设计。方框1508后面可以是实际COA不满足目标COA时的可选方框1510。
在可选方框1510中，修改波长转换元件的设计以补偿实际COA与目标COA之间的差异。可选方框1510可选地后面是其中检验波长转换元件的新设计的方框1508。
图16举例说明本公开的一个或多个实施例中的具有弯曲或非平坦发射表面1602和1604的示例性波长转换元件1600。在弯曲的表面1602和1604中提供了等高线以更好地举例说明其曲率。弯曲的表面1602和1604可以是重叠的半球或其它类似表面。弯曲的表面1602和1604可以具有相同的形状或不同的形状以便实现期望的COA变化。
图17示出LED管芯306相对于波长转换元件1600的放置。请注意，波长转换元件1600可以具有相对于LED管芯306的非对称形状，因此，其沿着一个方向（例如X）比沿着另一方向（例如Y）更长。这允许波长转换元件1600产生不对称COA分布模式或补偿来自光源的不对称COA分布模式。在上述波长转换元件中可以使用弯曲的表面1602和1604。还可以用上述台阶式或有角度的表面来仿效弯曲的表面1602和1604。
图18举例说明本公开的一个或多个实施例中的具有弯曲或非平坦发射表面1802、1804、1806和1808的示例性波长转换元件1800。弯曲的表面1802、1804、1806和1808是重叠Bezier表面。弯曲的表面1802、1804、1806和1808可以具有相同的形状或不同的形状以便实现期望的COA变化。
图19示出LED管芯306相对于波长转换元件1800的放置。请注意，波长转换元件1800可以具有相对于LED管芯306的非对称形状，因此，其沿着一个方向（例如X）比沿着另一方向（例如Y）更长。这允许波长转换元件1800产生不对称COA分布模式或补偿来自光源的不对称COA分布模式。可以在上述波长转换元件中使用弯曲的表面1802、1804、1806和1808。还可以用上述台阶式或有角度的表面来仿效弯曲的表面1802、1804、1806和1808。
所公开的实施例的特征的各种其它改变和组合在本发明的范围内。许多实施例被以下权利要求涵盖。
Claims (19)
1.一种发光二极管（LED）封装，包括：
LED管芯，其包括半导体层的叠层，所述半导体层的叠层包括有源区；以及
LED管芯上的波长转换元件，该波长转换元件包括产生期望的角度颜色分布模式的一个或多个基本上非平坦的发射表面，每个非平坦的发射表面从非平坦的表面的最低点至最高点具有高度变化，所述高度变化大于波长转换元件的平均高度的10%。
2.权利要求1的LED封装，还包括LED管芯上的透镜，透镜的底部限定一个或多个弯曲的表面，其中，波长转换元件包括设置在一个或多个弯曲的表面上的波长转换材料以形成波长转换元件的一个或多个弯曲发射表面。
3.权利要求1的LED封装，其中，所述波长转换元件包括模制的硅树脂中磷光体。
4.权利要求1的LED封装，其中，波长转换元件包括陶瓷磷光体板的叠层，其形成一个或多个台阶式发射表面，所述一个或多个非平坦的发射表面包括所述一个或多个台阶式发射表面。
5.权利要求1的LED封装，其中，波长转换元件包括一个陶瓷磷光体板，其具有一个或多个台阶式或有角度的表面，所述一个或多个非平坦的发射表面包括所述一个或多个台阶式发射表面。
6.权利要求1的LED封装，其中，两个或更多非平坦的发射表面具有不同形状。
7.权利要求1的LED封装，其中，所述波长转换元件具有相对于LED管芯的非对称形状。
8.权利要求1的LED封装，其中，所述波长转换元件包括充以磷光体的透镜。
9.一种用于制造发光二极管（LED）封装的方法，包括：
在LED管芯上形成波长转换元件，该波长转换元件包括一个或多个非平坦的发射表面，其产生期望的角度颜色分布模式，每个非平坦的发射表面从非平坦的表面的最低点至最高点具有高度变化，所述高度变化大于波长转换元件的平均高度的10%，LED管芯包括半导体层的叠层，所述半导体层的叠层包括有源区。
10.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
模制透镜，在透镜的底部上具有一个或多个弯曲的表面；
在透镜的底部上的一个或多个弯曲的表面上设置波长转换材料以形成具有一个或多个弯曲发射表面的波长转换元件；以及
在LED管芯上安装透镜。
11.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
在LED管芯上沉积波长转换材料；以及
利用模具对波长转换材料进行成形以形成波长转换元件。
12.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
在LED管芯上沉积波长转换材料；
利用模具使波长转换材料变平；以及
对变平的波长转换材料进行机械地成形以形成波长转换元件。
13.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
形成陶瓷磷光体板的一个或多个叠层以形成一个或多个台阶式发射表面，所述一个或多个非平坦的发射表面包括一个或多个台阶式发射表面。
14.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
形成陶瓷磷光体晶片；
对陶瓷磷光体晶片进行机械地成形从而形成具有一个或多个台阶式或有角度的表面的波长转换元件，所述一个或多个非平坦的发射表面包括所述一个或多个台阶式发射表面；
从陶瓷磷光体晶片使波长转换元件单一化；以及
将波长转换元件之一安装在LED管芯上。
15.权利要求9的方法，还包括：
在LED管芯和波长转换元件上包覆模制透镜。
16.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括：
在具有LED管芯的器件晶片上沉积硅树脂中磷光体；以及
利用模具对硅树脂中磷光体进行成形以形成波长转换元件。
17.权利要求9的方法，其中，两个或更多非平坦的发射表面具有不同形状。
18.权利要求9的方法，其中，所述波长转换元件具有相对于LED管芯的非对称形状。
19.权利要求9的方法，其中，形成波长转换元件包括形成充以磷光体的透镜。
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