CN102763231A - 具有模制波长转换层的发光装置 - Google Patents

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Abstract

包括波长转换材料（14）的柔性薄膜（14,16）设置在光源上方。柔性薄膜符合预定的形状。在一些实施例中，光源是安装在支撑衬底（12）上的发光二极管（10）。二极管与模具（20）中的凹口对齐，以使得柔性薄膜布置在支撑衬底和模具之间。透明模制材料布置在支撑衬底和模具之间。支撑衬底和模具被压在一起，以使得模制材料填充凹口。柔性薄膜符合光源或者模具的形状。

Description

具有模制波长转换层的发光装置
技术领域
本发明涉及波长转换的发光装置。
背景技术
包括发光二极管（LED）、共振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光器二极管（VCSEL）、以及边缘发射激光器的半导体发光装置是目前可以利用的最有效的光源。目前在制造能够跨越可见光谱范围工作的高亮度发光装置中所感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是，镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称为III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光装置通过借助于有机金属化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、或者其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物、或者其它合适衬底上外延生长具有不同组分和掺杂浓度的半导体层的堆叠来制作。堆叠通常包括：在衬底上形成的、掺杂有例如Si的一个或者多个n型层，在n型层或者多个n型层上形成的有源区中的一个或者多个发光层，以及在有源区上形成的、掺杂有例如Mg的一个或者多个p型层。在n型区和p型区上形成电接触。
图1图示了在US 7,352,011中更详细描述的LED，其通过引用并入于此。LED10安装在支撑结构上（图1中未示出）。内部的透镜64模制到LED10上方。透镜64以如下方式形成：具有透镜64的形状的模具被设置在LED10上方。模具可以衬有非粘性薄膜。模具填充有合适的透明热固性液体透镜材料，例如，硅树脂或者环氧树脂。真空密封在支撑结构的边缘和模具之间生成，并且两部件彼此压靠，以使得每个LED管芯10被插入液体透镜材料中，并且透镜材料被压缩。模具然后被加热到大约150摄氏度（或者其它合适的温度）持续一段时间以使透镜材料硬化。支撑结构然后与模具分离。在独立的模制步骤中（使用具有更深和更宽凹口的模具），任何厚度的外部磷光体/硅树脂外壳66直接在内部透镜64上方形成。外部透镜68可以通过使用另一个模具来在磷光体/硅树脂外壳66上方形成，以进一步地成形光束。
发明内容
本发明的目的是提供一种在柔性薄膜中的波长转换材料，其被模制到光源上方。在一些实施例中，波长转换材料的厚度可以被严格控制。
在本发明的实施例中，包括波长转换材料的柔性薄膜设置在光源上方。柔性薄膜符合预定的形状。在一些实施例中，光源是安装在支撑衬底上的发光二极管。二极管与模具中的凹口对齐，以使得柔性薄膜布置在支撑衬底和模具之间。透明模制材料布置在支撑衬底和模具之间。支撑衬底和模具被压在一起，以使得模制材料填充凹口。柔性薄膜符合光源或者模具的形状。
附图说明
图1图示了安装在支撑结构上并覆盖有模制透镜的现有技术的LED。
图2图示了布置在模具和安装在支撑衬底上的多个LED之间的柔性波长转换薄膜。
图3图示了布置在安装在支撑衬底上的LED和衬着（lining）模具的波长转换薄膜之间的模制材料。
图4图示了模制到LED上方的透镜内部的图3的模制材料。
图5图示了在去除模具之后的图4的结构。
图6图示了在去除支撑薄膜之后的图5的结构。
图7图示了设置在安装在支撑衬底上的LED上方的柔性波长转换薄膜。
图8图示了翻转并且设置在模具上方的图7的结构。
图9图示了布置在波长转换薄膜和模具之间的模制材料。
图10图示了被模制到LED上方的透镜中的图9的模制材料。
图11图示了在去除模具之后的图10的结构。
图12图示了设置在安装在支撑衬底上的LED下面的第一波长转换薄膜以及设置在模具上方的第二波长转换薄膜。
图13图示了布置在图13中所图示的两个波长转换薄膜之间的模制材料。
图14图示了形成在LED上方的透镜中的图13的模制材料。
图15图示了在去除模具之后的图14的结构。
图16图示了在去除支撑薄膜之后的图15的结构。
具体实施方式
在图1中所图示的装置中，使用了三个模具，第一模具用于形成透明层64、第二个较大的模具用于形成磷光体层66，以及第三个更大的模具用于形成透明层68。磷光体层66的厚度确定例如由装置所发射的光的色温的特征。磷光体层66的厚度可以基于与磷光体模具的对齐的变化来变化，其会非理想地改变所发射光的特征。例如，磷光体层66可以在100μm厚的范围中。磷光体模具的模具对齐公差可以在30-50μm的范围内。相对于磷光体目标厚度的高模具对齐公差可以引起磷光体厚度的变化，其非理想地偏移由装置所发射的光的色点（color point）。
在本发明的实施例中，波长转换材料形成到柔性薄膜中，所述柔性薄膜被模制到光源（例如，半导体发光装置）上方。薄膜可以是完全或者部分地固化的透明材料，例如，硅树脂，其填充有磷光体。波长转换薄膜可以独立于模制工艺来形成，这允许严格控制波长转换薄膜的厚度以及在模制之前试验和确认薄膜的特征。根据本发明的模制和其它工艺步骤可以如US7,352,011中所描述的来执行。在一些实施例中，波长转换柔性薄膜在例如乙烯-四氟乙烯薄膜的支撑薄膜上形成，例如通过在支撑薄膜上方散布磷光体和硅树脂的混合物，然后全部或者部分地固化波长转换薄膜中的硅树脂。波长转换材料可以由另外的乙烯-四氟乙烯薄膜来临时保护，其在以下描述的工艺过程之前被去除。在工艺过程之后，支撑薄膜通常从波长转换薄膜上剥离。在一些实施例中，支撑薄膜充当释放薄膜，其将模制透镜从模具中释放。
在一些实施例中，例如钻石的散热材料可以被添加到波长转换薄膜。在一些实施例中，例如钻石的材料可以被添加到波长转换薄膜以调整薄膜的折射率，从而改善光透射，和/或改善转换。
正如开始的内容，提供了一种光源。虽然在以下的例子中，光源是LED，但是可以使用任何合适的光源。同样，虽然在以下的例子中，光源是发射蓝色或者UV光的III族氮化物LED， 但是可以使用除了LED之外的半导体发光装置和由例如其它III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料或者Si基材料的其它材料系统所制成的半导体发光装置。
传统的III族氮化物LED 10通过首先在生长衬底上生长半导体结构来形成。n型区域典型地首先生长，并且可以包括具有不同组分和掺杂浓度的多个层，其包括例如预制层（如，缓冲层或者晶核形成层），其可以是被设计成易于衬底后来的释放或者在衬底去除后使半导体衬底变薄的n型的或者非有意掺杂的释放层，以及被设计用于发光区所需要的特定的光学或者电学属性以有效发光的n型或者甚至p型装置层。发光区或者有源区生长在n型区上方。合适的发光区的例子包括单个厚的或者薄的发光层，或者包括由势垒层分隔的多个薄的或者厚的量子阱发光层的多量子阱发光区。p型区生长在发光区上方。类似于n型区，p型区可以包括具有不同组分、厚度和掺杂浓度的多个层，其包括非有意地掺杂的层，或者n型层。
使用不同的技术来获得至n层的电气通路。p层和有源层的部分被蚀刻掉，以暴露用于金属化的n层。以这种方式，p接触和n接触在芯片的相同一侧，并且可以直接电附着到合适底座上的接触垫。装置可以被安装，以使得光从顶面（即，在其上形成电接触的表面）或者底面（即，具有反射型接触的倒装芯片）来提取。生长衬底可以从半导体结构去除或者可以保留为完成的装置的一部分。在衬底去除后，半导体结构可以被减薄，以及通过去除衬底来暴露的n型区的表面可以被纹理化以改善光提取，例如，通过粗糙化或者形成光子晶体结构。相反，在垂直注入LED中，n接触在半导体结构的一侧上形成，并且p接触在半导体结构的另一侧上形成。至p或者n接触中的一个的电接触典型地用导线或者金属桥来制成，并且其它的接触与底座上的接触垫直接结合。虽然以下的例子包括已经从其去除生长衬底的倒装芯片装置，但是可以使用任何合适的装置结构。
例如磷光体或者染料的一种或者多种波长转换材料可以包括在LED上方模制的柔性薄膜中。例如TiOx颗粒的非波长转换材料可以包括在柔性薄膜中，例如以使得光散射或者改善装置的断开状态的白色外观。柔性薄膜可以被纹理化以改变光学属性，例如，通过对微透镜压纹以改善光提取。
与一种或者多种波长转换材料相组合的LED可以用来产生白色光或者其它颜色的单色光。所有或者仅仅一部分由LED所发射的光可以由波长转换材料来转换。虽然在以下的例子中，波长转换材料是粉末磷光体，但是可以使用任何合适的波长转换材料。未转换的光可以是光的最终光谱的一部分，然而其不必须是。通常组合的例子包括与发射黄色的磷光体组合的发射蓝色的LED，与发射绿色和红色的磷光体组合的发射蓝色的LED，与发射蓝色和黄色的磷光体组合的发射UV的LED，以及与发射蓝色、绿色、和红色的磷光体组合的发射UV的LED。发射其它颜色光的波长转换材料可以被添加以修改（tailor）发射自装置的光的光谱。多种波长转换材料可以以单个薄膜的形式来混合和形成，其形成为单个薄膜中的分立层，或者形成为多个薄膜中的混合或者分立层。
在柔性薄膜中形成的波长转换材料可以在装置中与其它传统波长转换材料相结合，例如，胶合或者结合到LED的预先形成的陶瓷磷光体层，或者布置到用模版印刷、丝网印刷、喷射、沉淀、蒸发、喷溅、或者以其它方式分配到LED上的有机密封材料中的粉末磷光体。
图2-6图示了形成本发明的第一实施例。
在图2中，安装到支撑衬底12上的若干个LED10与对应于模具20中的每个LED10的凹口22对齐。波长转换柔性薄膜14布置在支撑薄膜16上。波长转换薄膜14和支撑薄膜16布置在支撑衬底12和模具20之间。在一些实施例中，波长转换薄膜被完全固化。在一些实施例中，支撑薄膜16是防止图3中所描述的模制材料24粘附至模具20的材料，例如，乙烯四氟乙烯。
波长转换薄膜14的厚度取决于所使用的波长转换材料和从装置所发射的光的理想特征。在一些实施例中，波长转换薄膜14的厚度可以在10和200μm之间，在一些实施例中在40和60μm之间，以及在一些实施例中为50μm。
在图3中，支撑薄膜16和波长转换材料14被压靠模具20，以使得它们衬着模具20中的凹口22。例如，支撑薄膜16和波长转换薄膜14可以在模具凹口上方拉伸，然后可以产生减压的环境或者真空，其将薄膜推入如图3中所图示的模具凹口。模制材料24布置在模具20和支撑衬底12之间。虽然凹口22可以采用任何合适的形状，但是典型地凹口22被成形为透镜并且模制材料24是透明的。虽然模制材料24通常是硅树脂，但是可以使用任何合适的模制材料。
在图4中，模具20和支撑衬底12被压在一起，以迫使模制材料24填充模具20中的凹口22并粘附到LED10和支撑衬底12。真空或者减压的环境可以被应用，以将模制材料24吸入凹口22。透镜26在每个LED10上形成。模制材料24可以适合于模制材料来固化，例如，通过加热，以形成固体透镜26。
在图5中，模具20被去除，在每个LED10上方留下由模制材料24所形成的透镜26。波长转换薄膜14和支撑薄膜16布置在每个透镜26上并且在相邻透镜之间。
在图6中，支撑薄膜16被去除。
在图6中所图示的装置中，波长转换薄膜14由透镜26与LED10间隔开一段距离。图7-11图示了形成具有与LED直接接触的波长转换薄膜的装置。
在图7中，柔性波长转换薄膜28设置在LED10上方，其附着到支撑衬底12。波长转换薄膜28可以具有与以上所述的波长转换薄膜14相同的特征，并且可以在支撑薄膜上形成。在一些实施例中，波长转换薄膜28仅仅部分地被固化。
在图8中，LED10与对应于模具20中的每一个LED10的凹口22对齐。
在图9中，模制材料24布置在模具20和波长转换薄膜28之间。模具20可以衬有可选的释放薄膜，其未在图9中所示出。
在图10中，模具20和支撑衬底12被压在一起，以迫使模制材料24采用模具20中凹口22的形状，从而在每个LED10上方形成透镜26。模制材料24迫使波长转换薄膜28符合LED10和支撑衬底12的形状并且粘附到LED10和支撑衬底12。模制材料24粘附到波长转换薄膜28。模制材料24可以如以上所述被固化。
在图11中，模具20被去除。残留在透镜26上方的释放薄膜也被去除。在图11中所图示的装置中，波长转换薄膜28与LED10和LED10之间的支撑衬底12直接接触。透镜26布置在波长转换薄膜28上方。
图12-16图示了形成具有两个波长转换薄膜的装置。
在图12中，柔性波长转换薄膜28设置在LED10和支撑衬底12上方，正如以上参考图7所述。波长转换薄膜28可以在支撑薄膜上形成，并且在一些实施例中被部分固化。如以上参考图2所述的波长转换薄膜14和支撑薄膜16设置在模具20上方。在一些实施例中，波长转换薄膜14被完全固化。模具20中的凹口22与LED10对齐。
在图13中，波长转换薄膜14和支撑薄膜16被压到模具20中的凹口22内，以使得它们衬着模具20，正如以上参考图3所描述的。模制材料24分配在波长转换薄膜28和波长转换薄膜14之间。
在图14中，模具20和支撑结构12被压到一起。模制材料24填充模具20中的凹口22，以在LED10上方形成透镜。模制材料24迫使波长转换薄膜28符合LED10和支撑衬底12的形状。
在图15中，模具20被去除。
在图16中，支撑薄膜16被去除。在图16中所图示的装置中，第一波长转换薄膜28直接接触LED10的顶面。透镜26布置在第一波长转换薄膜28的上方。第二波长转换薄膜14布置在透镜26上方。第一和第二波长转换薄膜可以包括不同的波长转换材料。在一个例子中，LED10可以发射蓝色光，波长转换薄膜之一可以包括发射黄色或者绿色的磷光体，波长转换薄膜的另一个可以包括发射红色的磷光体。
在一些实施例中，可选的，附加的透明层可以模制在图6和16中所图示的装置上方，以保护波长转换薄膜14。附加的透明层可以被成形，以增加提取效率和/或被确定尺寸以提供理想的源尺寸。材料可以被选择，以改善从装置所发射光的与角度相对的颜色（color vs. angle），或者以增加全部的光输出。附加透明层的全部或者部分表面可以被纹理化以改善光提取。在一些实施例中，透镜26具有比附加的透明层更小的折射率，其可以减少朝向LED散射回去的未转换的蓝色光子（在LED处它们可能不再被吸收）的数量。在一个例子中，透镜26的折射率是1.4或者更低，并且附加的透明层的折射率是1.5或者更高。
如在以上实施例中所描述的模制的波长转换薄膜可以具有超过传统波长转换层的若干优点。柔性波长转换薄膜可以独立于模制工艺来形成。颜色测量可以预先执行，以获得理想的颜色，并且薄膜可以被修改到给定的LED发射颜色。波长转换薄膜可以以低成本在大面积上制造。LED10和波长转换薄膜14之间的距离、波长转换薄膜的厚度、以及LED上方波长转换薄膜的厚度的一致性可以被严格控制和最优化，以改善提取效率、颜色控制、和源尺寸。
与直接在LED上布置波长转换薄膜相反，如图6中所图示的以近-远配置将波长转换薄膜与光源间隔一段距离也可以具有优点。例如，近-远波长转换薄膜可以被暴露到更少的来自LED的热量中，这可以允许使用温度敏感的波长转换材料。在近-远波长转换层中的光子密度可以被减少，这可以增加来自装置的光输出。可以利用近-远波长转换薄膜来减小LED的吸收横截面，这可以增加提取效率。在具有例如包括在波长转换薄膜中以改善装置断开状态的白色外表的TiOx的材料的装置中，对于给定白色的光损失可以由于减小的吸收横截面而减小。可以减小近-远波长转换装置中所发射光的与角度相对的颜色的依赖性。
以上详细描述了本发明，本领域技术人员将理解：给定本公开内容，但是可以对本发明作出修改，而不脱离此处所描述的本创新性概念的精神。因此，不旨在将本发明的范围限制到所图示和描述的特定实施例。

Claims (13)

1.一种方法，包括：
将包括波长转换材料的柔性薄膜设置在光源上方；以及
将所述光源与模具中的凹口对齐；
在所述光源和所述模具之间布置透明模制材料；以及
将所述光源和所述模具压在一起，以使得所述模制材料填充所述凹口并且使得所述柔性薄膜符合预定形状。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述光源包括：安装在支撑衬底上的III族氮化物发光二极管。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性薄膜与所述发光二极管直接接触并且符合发光二极管的形状。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性薄膜与所述模具直接接触并且符合所述凹口的形状。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性薄膜包括布置在硅树脂薄膜中的粉末磷光体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述设置之前，所述硅树脂薄膜被完全固化。
7.如权利要求5所述的方法，其中，在所述设置之前，所述硅树脂薄膜被部分固化。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述柔性薄膜进一步包括：非波长转换材料，其中，所述非波长转换材料改变所述柔性薄膜的折射率。
9.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性薄膜布置在支撑薄膜上。
10.如权利要求9所述的方法，其进一步地包括：在将所述光源和所述模具压在一起之后去除所述支撑薄膜。
11.如权利要求2所述的方法，其中，所述凹口被成形为透镜。
12.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性薄膜是与所述发光二极管直接接触的第一柔性薄膜，所述方法进一步地包括：
设置与所述模具直接接触的包括波长转换材料的第二柔性薄膜；
其中，所述透明模制材料布置到所述第一柔性薄膜和所述第二柔性薄膜之间。
13.如权利要求2所述的方法，其中，将所述光源和所述模具压在一起，以使得所述模制材料填充所述凹口并且使得所述柔性薄膜符合预定形状包括：产生减压的环境，其将所述模制材料吸入所述凹口。
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