CN102549783A - 用于led的反射基底 - Google Patents
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Abstract
一种用于LED的底部填充形成技术模制反射底部填充材料以在底座晶片上形成底部填充材料的反射层的同时封装安装在底座晶片上的LED管芯。然后诸如用固化来使底部填充材料硬化。使用微球喷吹去除LED管芯的顶部上的固化底部填充材料，同时在底座表面上留下反射层。然后从所有LED管芯去除暴露的生长基底，并且在暴露的LED表面上模制磷光体层。然后在LED上和反射层的一部分上模制透镜。然后使底座晶片单一化。反射层通过在没有任何附加处理步骤的情况下减少底座的光吸收来增加LED器件的效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），并且特别地涉及在安装表面上提供反射层。
背景技术
LED通常被安装在稍后被划片以分离出单独的各LED/底座（submount）的底座晶片上。晶片的每个底座部分具有诸如通过超声结合被结合到LED上的电极的顶部电极。然后在LED下面注入诸如环氧树脂或硅树脂的底部填充材料以提供机械支撑并保护LED免受污染。去除基本上在LED覆盖区外面（例如，在20微米之外）的任何底部填充材料，使得底座表面是清洁的。去除延伸超过LED管芯覆盖区的底部填充材料的一个原因是如果底部填充是环氧树脂（从黄色开始）且被暴露于UV光，则环氧树脂变黑并吸收光。
底座还具有一组更鲁棒的电极，被金属图案电连接到LED电极，通常使用常规焊料回流或其它手段将其结合到印刷电路板（在将底座晶片进行划片之后）。
已知的是在LED的底表面上提供反射金属电极，使得被LED有源层向下发射的光被向上反射而不是被底座吸收。某些LED发射的光还入射到围绕LED管芯覆盖区的底座表面上。为了反射该光，已知的是在LED周围沉积反射金属环，诸如银或铝。
形成金属反射体采取附加步骤，并且必须使金属与底座上的顶部金属图案绝缘。
所需的是从底座的表面或其它LED安装表面向上反射光的更好方式。
发明内容
在一个实施例中，用LED管芯来占据底座晶片。作为对每个LED管芯使用典型环氧树脂或硅树脂模制化合物底部填充的替代，使用包含TiO2粉末（或其它白色粉末）作为填料的硅树脂模制化合物作为底部填充，并且底部填充材料还围绕每个LED形成基本上平坦的反射层。在一个实施例中，在晶片上对底部填充材料进行注射模制或压缩模制以在整个晶片表面上（包括在每个LED下面）形成底部填充材料层。
如果TiO2的按重量计百分比超过底部填充材料的总填料含量的约5%，则该层具有85%以上的反射性。如果底部填充材料包含按重量计10%的总填料含量的TiO2，则该层具有至少90%的反射性。
在将反射TiO2灌注层在晶片上模制之后（包括在LED下面），则对TiO2灌注层的暴露表面进行微球喷吹以使每个LED的顶表面暴露。围绕LED的TiO2灌注层的表面将大约处于与LED半导体层相同或以下的高度以在底座晶片的表面上形成反射层。如果LED是倒装芯片，在安装在底座上之后在顶部具有生长基底，那么可以去除生长基底。由于生长基底的去除在LED半导体层上施加向下的压力，所以底部填充在基底去除工艺期间支撑LED半导体层。
如果要对LED光进行磷光体转换，则在暴露的LED表面上模制磷光体层或用任何其它手段来沉积磷光体层。
然后在LED上模制透明透镜，或者使用任何适当的工艺来形成透明透镜。
由于无论如何必须在LED下面注射底部填充材料，所以在形成底部填充材料时不存在额外工艺步骤以便还在底座上围绕每个LED形成反射层。因此，在没有任何附加工艺步骤的情况下，通过防止底座的光吸收，LED周围的反射层增加光输出。在将硅树脂底部填充材料模制到底座上之前将TiO2的颗粒混合到其中是简单的步骤。TiO2颗粒是小的以使表面面积对比体积最大化。
然后对底座晶片进行划片以分离出单独的各LED/底座，每个具有反射层。反射层是电绝缘的。
可以与本工艺一起使用的优选底部填充材料是硅树脂模制化合物，其具有约-10℃～20℃的玻璃转变温度，并且热膨胀系数接近于基底，使得在最坏情况条件下几乎不存在硅树脂模制化合物的热膨胀，诸如在AuSn或AgSn焊料回流期间。
附图说明
图1举例说明底部填充步骤之前的用诸如500～4000个LED的LED阵列来占据的现有技术底座晶片的一部分。
图2A举例说明用来在LED下面和底座晶片的表面上提供反射底部填充材料的晶片级注射模制工艺。
图2B举例说明不使用注射以在LED下面和底座晶片的表面上提供反射底部填充材料的替代类型的晶片级模制工艺。
图3举例说明在被从图2A或图2B的模具去除之后的晶片上的LED。
图4举例说明用微球喷吹来蚀刻掉图3的底部填充材料的表面从而使LED的顶表面暴露但仍然在底座晶片的表面上留下反射层。
图5举例说明用于从LED去除生长基底的激光剥离技术。
图6举例说明通过与图2B的类似的模制工艺在暴露的LED表面上形成的磷光体层（粘合剂中的磷光体颗粒）。
图7举例说明通过与图2B的类似的模制工艺在LED之上形成的透镜。
图8是已经将图7的LED/底座单一化之后的安装在底座上的单个LED的横截面图。底座被示为焊接至印刷电路板。
用相同的附图标记来标记相同或等同的元件。
具体实施方式
作为正文前的说明，在生长基底上形成常规LED。在所使用的示例中，LED是基于GaN的LED，诸如AlInGaN或InGaN LED，用于产生蓝光。通常，使用常规技术在蓝宝石生长基底上生长相对厚的n型GaN层。该相对厚的GaN层通常包括低温成核层以及一个或多个附加层，从而提供用于n型包覆层和有源层的低缺陷晶格结构。然后在厚n型层上形成一个或多个n型包覆层，后面是有源层，一个或多个p型包覆层，以及p型接触层（用于金属化）。
对于倒装芯片而言，将p层和有源层的一部分蚀刻掉以使n层暴露用于进行金属化。这样，p接触和n接触在芯片的同一侧，并且能够被直接电附接于底座接触焊盘。来自n金属接触的电流最初横向地流过n层。LED底部电极通常是由反射金属形成的。
可以在本发明中使用的其它类型的LED包括AlInGaP LED，其可以产生在红色至黄色范围内的光。还可以使用非倒装芯片LED。
然后将LED单一化并安装在底座晶片上。
现有技术图1举例说明安装在底座晶片22的一部分上的常规LED 10倒装芯片。LED 10由在诸如蓝宝石基底的生长基底12上生长的半导体外延层形成。在一个示例中，外延层是基于GaN的，并且有源层发射蓝光。任何其它类型的LED可适用于本发明。
在LED 10上形成了电接触p层的金属电极14，并且在LED 10上形成了电接触n层的金属电极16。在一个示例中，电极是被超声焊接到底座晶片22上的阳极和阴极金属焊盘的金凸块。在一个实施例中，底座晶片22具有通向底部金属焊盘以便结合到印刷电路板的导电通路。许多LED被安装在底座晶片22上，并且稍后将晶片22单一化以形成单独的各LED/底座。
在受让人的美国专利号6,649,440和6,274,399以及美国专利公开US 2006/0281203 A1和2005/0269582 A1中可以找到LED的更多细节，其全部通过引用结合到本文中。
制备反射底部填充材料。在一个实施例中，向适合于底部填充的硅树脂模制化合物添加TiO2的颗粒（在白光下看起来是白色的）或其它反射颗粒，诸如ZrO2。典型的硅树脂模制化合物包含按重量计约82%～84%的SiO2，其在功率LED的高光子能量、高热量环境中产生非常稳定的材料。为了产生底部填充的反射性质，在硅树脂模制化合物中包括TiO2以替换某些SiO2从而促使TiO2成为硅树脂模制化合物中的填料的总量的按重量计约5～10%或更高。TiO2加SiO2应等于硅树脂化合物的按重量计约80%～84%。5%的TiO2添加导致硅树脂化合物的约85%的反射率，并且10%的TiO2添加导致硅树脂化合物的90%以上的反射率。明显更多的TiO2开始降低供用作底部填充的硅树脂化合物的期望特性。可以使用电绝缘的反射底部填充材料的其它组成。
图2A举例说明用于产生用于每个LED的底部填充和反射层的一种类型的适当注射模制工艺。模具36具有在模制工艺之后限定硬化底部填充材料的形状的腔体38。模具36可以由铝形成。模具36具有周界密封37，其在模具36与晶片22对准并抵压晶片22时密封抵住底座晶片22。
模具36具有用于注射反射液体底部填充材料41的至少一个进口40和连接到真空源的至少一个出口42。一旦模具36密封抵住晶片22，则在模具36内产生真空，并且通过进口40注射底部填充材料41。在真空和材料41的注射压力的帮助下，底部填充材料41经由腔体之间的沟道44流入所有腔体38中。真空去除了模具36中的几乎所有空气。最后，用底部填充材料41填充整个模具36，包括LED下面的所有空隙。
然后将模具36加热以使液体底部填充材料固化。固化期间的模具36的温度为约150℃。可替换地，可以使用透明模具且可以用UV光来使底部填充材料固化。
图2B举例说明不使用底部填充材料的压力注射的替换的晶片级模制工艺。在图2B中，模具48具有首先在大气压力下被填充固体底部填充材料41的颗粒（例如，粉末或小片）的腔体50。然后在模具中将固体材料加热以使其软化。使底座晶片22抵靠模具48，使得LED被浸没在每个腔体50中的底部填充材料中。晶片22和模具48被压在一起以迫使底部填充材料充满所有空隙。周界密封53允许压力是高的，同时允许所有空气随着底部填充材料填充空隙而逸出。还可以使用密封53周围的真空源在晶片22与模具48之间抽真空。
然后将模具48冷却以使底部填充材料凝固。某些材料在加热和压缩工艺之后自动地硬化。作为固体来处理底部填充材料具有各种益处。此外，可以用于底部填充的某些适当材料在固化之前在室温下不是液体，因此，在模具中将固体材料加热之后进行压缩，这大大地增加了能够用作底部填充的可能材料的数目。
然后从晶片22去除图2A或2B的模具，这导致图3的结构，具有封装每个LED的硬化底部填充材料54。在每个LED之间的晶片22表面上还存在一层硬化底部填充材料54。
为了执行激光剥离工艺以去除生长基底12，必须首先去除生长基底12上的底部填充材料54。如果将通过研磨或另一机械蚀刻工艺来去除生长基底12，则可以使用此类研磨来同时地去除多余的底部填充材料54。
图4举例说明通过用高速度微球58来喷吹晶片22的整个表面而进行的多余底部填充材料54的去除。在一个实施例中，微球58具有在1～20微米之间的直径且由NaHCO3形成。在约100psi或以下的压力下用空气通过喷嘴将微球58加速。该喷嘴可以是大的以在没有喷嘴移动的情况下从各LED 10上蚀刻底部填充材料54，或者可以使用较小的喷嘴以每次仅从几个LED蚀刻掉底部填充材料54，之后是喷嘴移动至晶片22上的下一个位置。使用微球来去除任何种类的多余材料是已知工艺。蚀刻底部填充材料54以在LED 10之间的底座表面上留下反射层。剩余层的厚度应足以反射入射光的至少80%。在一个实施例中，底座表面上的反射层的厚度为约30～50微米（其可以约为在LED管芯下面的底部填充的厚度），并且反射层的整个顶表面是基本上平坦的，其由模具形状和微球喷吹的效果来确定。
图5举例说明激光剥离工艺。用箭头60示出激光脉冲。在激光剥离期间，GaN的表面吸收热量，促使表面层分解成Ga和N2。N2压力将蓝宝石生长基底12从LED推离。在生长基底12在剥离工艺期间从半导体LED层分离之后，用例如粘合片或某个其它适当工艺将其去除。底部填充在剥离工艺期间机械地支撑薄LED半导体层。
然后用例如RIE或机械蚀刻将暴露的LED层薄化，因为暴露的顶层是相对厚的n层，并且表面已被激光剥离工艺损坏。然后可以使得到的顶表面粗糙化以增加光提取效率。
如果期望产生磷光体转换的光，则提供与图2B中的模具48类似的模具以在LED 10上模制磷光体层。例如，LED 10可以发射蓝光，并且可以期望通过沉积一层YAG磷光体（产生黄光）或一层红色和绿色磷光体来产生白光。蓝光通过磷光体泄漏而与磷光体产生的光组合。
磷光体混合物可以是灌注在诸如硅树脂的粘合剂中的磷光体颗粒。则模具腔体限定LED 10上的磷光体的形状，并且使磷光体混合物固化以使磷光体层硬化。图6举例说明LED上的模制磷光体层62。如果模制工艺的公差促使在底部填充材料54上存在薄磷光体层，则可以使用微球喷吹步骤来去除此类薄磷光体。
然后可以在每个LED 10上模制透明透镜66（图7）以增加来自LED的光提取，保护磷光体层62和LED 10，并产生期望的光发射图案。透镜66可以是任何形状，诸如图7所示的半球形状。在一个实施例中，透镜66是使用图2B所示的相同的一般工艺由硅树脂模制而成的。
在一个实施例中，透镜材料还包含磷光体颗粒以对由LED 10发射的光进行波长转换。
还可以在将LED阵列安装在底座晶片22上的同时在其上面执行其它晶片级工艺。
然后使底座晶片22单一化以形成诸如图8所示的单独的各LED/底座。如图8所示，用反射底部填充材料54来覆盖底座晶片22部分的整个表面。光线70被示为是由磷光体层62沿着向下方向发射的并被底部填充材料54向上反射。来自LED 10的侧面的光线也将被向上反射并通过底部填充材料54的顶表面离开。
图8还示出底座晶片22部分的表面上的电极72和73、通向底部电极78和79的通路76以及具有被焊接到电极78和79的焊盘的印刷电路板82。板82可以具有用于散热的铝芯。
本发明还适用于在安装在基底上的LED周围形成反射材料，无论是否也使用该反射材料作为底部填充。例如，LED上的底部电极可以实际上占据LED的整个背面，并且可能不需要底部填充。
在转让给本受让人并通过引用结合到本文中的Grigoriy Basin等人的题为Overmolded Lens Over LED Die的专利公开US 2006/0105485中描述了晶片级透镜模制工艺的细节。
虽然已示出并描述了本发明的特定实施例，但对于本领域的技术人员而言很显然的是，可以在本发明的更广泛方面在不背离本发明的情况下进行变更和修改，因此，所附权利要求将在其范围内涵盖落在本发明的真正主旨精神和范围内的所有此类变更和修改。
Claims (15)
1.一种发光器件，包括：
发光二极管（LED）管芯；
其上安装有所述LED管芯的底座，在LED管芯与底座之间存在间隙；以及
在LED管芯与底座之间的电绝缘底部填充材料，该底部填充材料还在底座的表面上形成围绕LED管芯的基本上平坦的反射层。
2.权利要求1的器件，其中，所述底部填充材料包括灌注有TiO2的硅树脂。
3.权利要求2的器件，其中，TiO2包括按重量计超过约5%的底部填充材料。
4.权利要求1的器件，还包括在LED管芯上的磷光体层，该磷光体层具有在反射层之上延伸的表面。
5.权利要求1的器件，其中，所述反射层延伸至底座的边缘。
6.权利要求1的器件，其中，LED管芯与底座之间的底部填充材料的厚度小于反射层的厚度。
7.权利要求1的器件，其中，反射层的厚度大于30微米。
8.权利要求1的器件，其中，反射层对可见光的反射率大于约80%。
9.权利要求1的器件，其中，所述底部填充材料包括灌注有反射颗粒的硅树脂。
10.权利要求1的器件，还包括在LED管芯和反射层的一部分上模制的透明透镜。
11.一种用于制造发光器件的方法，包括：
在底座上提供发光二极管（LED）管芯，在LED管芯与底座之间存在间隙，LED管芯具有面对底座的底表面和与底表面相对的顶表面；
提供包括硅树脂的反射底部填充材料，所述硅树脂包含反射颗粒；
在底座上模制底部填充材料，使得底部填充材料基本上完全填充LED管芯与底座之间的间隙，并在底座上形成围绕LED管芯的底部填充材料层；以及
去除LED管芯的顶表面上的任何底部填充材料，同时在底座上留下围绕LED管芯的底部填充材料层的至少一部分，以产生围绕LED管芯的底部填充材料的基本上平坦的反射层。
12.权利要求11的方法，其中，LED管芯包括在生长基底上生长的外延层，其中，生长基底的表面是LED管芯的顶表面，该方法还包括在去除LED管芯的顶表面上的任何底部填充材料之后从外延层去除生长基底。
13.权利要求11的方法，还包括在LED管芯上模制磷光体层，其中，磷光体层的顶表面在反射层的顶表面之上延伸。
14.权利要求11的方法，其中，所述底部填充材料包括灌注有TiO2的硅树脂，并且反射层对可见光的反射率大于约80%。
15.一种发光器件，包括：
发光二极管（LED）管芯；
其上安装有所述LED管芯的底座；
LED上的磷光体层；
灌注有反射颗粒的硅树脂的基本上平坦的反射层，其围绕LED 在底座的顶表面上延伸以至少反射来自磷光体层的光；以及
在LED管芯、磷光体层和反射层的一部分上模制的透镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: California, USA Co-patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS N.V. Patentee after: LUMILEDS LLC Address before: California, USA Co-patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V. Patentee before: Philips Ramildes Lighting Equipment Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200907 Address after: Holland Schiphol Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS NV Address before: California, USA Co-patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V. Patentee before: LUMILEDS LLC |