CN103155189B - Led载具上的高反射性涂层 - Google Patents
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Abstract
用于发光叠层的载具包括衬底和金属化层，该金属化层具有电路迹线和填充电路迹线之间的区域的平坦电介质层。平坦电介质层用于最小化由于衬底损失/吸收的光的量，并且优选地将内部反射的光反射回到期望光输出元件。为了促进高效制造，电介质膏被应用在金属化层之上，随后被刨削以露出至少部分金属导体用于后续耦合到发光叠层。台座元件优选地被提供在电路迹线上选定位置以促进此耦合，同时允许其余电路迹线用该电介质层覆盖。
Description
技术领域
此发明涉及发光器件的领域，并且具体地涉及通过在支撑发光器件的衬底上提供高反射性涂层而具有改进效率的发光器件。
背景技术
对于高效节能照明的需要加速了对高效发光器件的需求，特别是鉴于固态发光器件现在通过混合多个波长的光而能够提供白光的事实。
在典型固态多波长发光器件中，发光结构的有源元件提供第一波长的光，并且波长转换元件将此光的一些转换为第二波长的光。由发光元件和波长转换元件的光提供的波长以及每个的比例被设计/选择，从而产生这些光的期望组合，诸如在期望色温(CCT)的白光。
图1A说明多波长发光器件的传统结构。该器件包括元件叠层110，该元件叠层包括：有源元件112，其发射第一波长的光；以及典型地包括磷光体的波长转换元件114，其将一些第一波长的光转换为第二波长的光。元件112和114的材料被选择从而提供基于所述两个波长的光的混合的期望光输出特性。叠层110构建在典型地为诸如氧化铝的陶瓷的衬底120上，并且被光学元件130封装。
尽管大多数所发射和转换的光从光学元件130被输出，一些光101被内部反射或以其它方式误导，导致效率损失。在大多数照明应用中，期望光输出是朝向特定方向，并且反射器被用于将光重新引导到该方向。通常用于引导LED光输出的技术是将LED芯片包括在反射杯中。然而，随着陶瓷上管芯(DoC)LED封装的出现，使用反射杯通常不是经济上可行的。
许多技术已经被提出用于增加衬底上发光器件的效率。例如Chen等人于2008年11月13日提交的美国专利申请2010/0038655，"REFLECTIVE LAYER FOR LIGHT EMITTINGDIODES"公开了将反射性层140放置在衬底上并且毗邻叠层101，如图1B说明。按此方式，内部反射的光101被向上反射回到透镜元件130，由此潜在地减小由此内部反射的光101造成的效率损失。然而，被反射到叠层110中的光101的至少部分很可能被叠层110的元件或衬底120吸收。
如图1C说明，如果衬底120是透明或半透明的，反射性层150可以置于衬底120下从而反射否则将透过衬底120逃逸的任何光(图1A的102)。然而，由于大多数衬底120本身是不透明的，每次通过衬底120时，一些光将被损失/吸收。
在Harrah等人于2007年8月29日提交的美国专利申请2008/0062701，"LIGHTEFFICIENT LED ASSEMBLY INCLUDING A SHAPED REFLECTIVE CAVITY AND METHOD FORMAKING SAME"中，在发光器件中形成用于安装多个叠层110的反射性腔体160，如图1D说明。然而这种布置不允许叠层110安装在衬底120上。
发明内容
将有利的是，提供一种用于制作具有增强的亮度输出的发光器件的方法。还将有利的是，提供具有增强的亮度输出的这种发光器件。还将有利的是，最小化通过用于安装光发射和光转换元件的衬底的光损失和/或吸收。
这些优点以及其它可以通过提供一种载具实现，该载具包括衬底和金属化层，该金属化层具有电路迹线和填充电路迹线之间区域的平坦电介质层。平坦电介质层用于最小化由于衬底而损失/吸收的光的量，并且优选地将内部反射的光反射回到期望光输出元件。为了促进高效制造，电介质膏被应用在金属化层之上，被固化，并且随后被刨削(plane)以露出至少部分的金属导体用于后续耦合到发光叠层。台座元件优选地被提供在电路迹线上选定位置，从而促进此耦合同时允许其余电路迹线覆盖有电介质层。
附图说明
参考附图更详细地并且通过示例方式解释本发明，在附图中：
图1A-1D说明示例性现有技术发光器件。
图2A-2C说明具有反射性侧壁的发光器件。
图3A-3D说明具有反射性载具的发光器件的示例性制作。
图4说明用于制作具有反射性载具的发光器件的示例性流程图。
图5A-5D说明具有反射性载具的发光器件的可替换结构。
图6A-6B说明在反射性载具中使用台座元件。
相同附图标记在各图中始终表示相似或对应的特征或功能。附图被包括用于说明目的并且不是旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在下述说明书中，出于解释而非限制的目的，阐述了诸如具体架构、接口、技术等特定细节，从而提供对本发明构思的彻底理解。然而本领域技术人员将显见，本发明可以在背离这些特定细节的其它实施例中实践。按照类似方式，此说明书的文本是针对如各图中说明的示例性实施例，并且不是旨在将所要求保护的发明限制为超出权利要求中明确包括的限制。出于简化和清楚的原因，省略了对公知器件、电路和方法的详细描述，从而不由于不必要的细节而模糊本发明的说明书。
Serge Bierhuizen和Gregory Eng于2009年7月23日提交的、并且通过引用结合于此的共同待决美国专利申请12/508,238，"LED WITH MOLDED REFLECTIVE SIDEWALLCOATING"公开了在衬底上以及在每个发光叠层的外边缘上成形一层电介质材料，从而将来自叠层边缘的光以及在发光器件中内部反射的光反射到光输出表面。
Grigoriy Basin、Jeffrey Kmetec和Paul Martin于2009年9月2日提交的、并且通过引用结合于此的共同待决美国专利申请12/552,328 "LED PACKAGE WITH PHOSPHORPLATE AND REFLECTIVE SUBSTRATE"类似地公开了用反射性材料围绕光发射和转换叠层，如图2A-2C说明。图2A说明在制造工艺期间叠层110位于其上的陶瓷瓦220。依据此共同待决的申请，反射性电介质240被应用在叠层110顶部和周围。随后，电介质240被刨削从而重新露出叠层110的顶部，如图2B中说明，经刨削的电介质标注为240'。随后，瓦被切割/划片成单独衬底元件120，如图2C中说明。按此方式，每个叠层110用反射性材料240'有效地围绕，使得传统上从叠层侧面逃逸的光以及被透镜盖130内部反射的光被反射到透镜盖130。
然而在每个这些共同待决的申请中，取决于光是否遇到反射性元件，诸如叠层中的金属电路迹线，从上方进入叠层110的反射光可能被或者可能不被往回反射到透镜盖。至少一些光将可能横贯整个叠层110并且进入衬底120，由此减小发光器件的亮度效率。
在本发明的实施例中，用于发光叠层的载具包括衬底和金属化层，该金属化层具有电路迹线和填充电路迹线之间区域的平坦电介质层。平坦电介质层用于最小化进入衬底并且被吸收或以其它方式损失的光的量。图3A-3B说明用于形成这种载具的示例性工艺。图3A说明典型地经由传统光刻工艺，将电路迹线311放置在衬底120上。这些电路迹线311典型地设计成促进与发光器件的外部连接，并且典型地被应用到多个发光器件构建在其上的衬底瓦。
在电路迹线311形成于衬底120上之后，一层反射性电介质材料320被应用在电路迹线311之上并且至少部分被固化。随后，反射性电介质材料被刨削以露出电路迹线311。此刨削可以使用包括下述的各种技术中的任何一种实现：研磨、微珠喷射或其它机械手段。
优选地刨削工艺也刨削电路迹线以移除不规则，从而改进它们的反射特性。如下文详述，电路迹线可以随后被电镀从而进一步增强它们的反射特性。如图3B中说明，金属化层316包括完成的电介质材料320'和完成的电路迹线311'，二者的表面优选地彼此共平面以得到最佳反射性。由于电介质材料320'和电路迹线311'的组合基本上覆盖衬底，来自金属化层上方的光基本上被防止进入衬底。输出亮度中的增益将取决于电介质材料320'和电路迹线的反射程度。
在形成反射性金属化层316之后，可以添加发光叠层310的其余层，其包括发光元件312以及可选地波长转换元件314，如图3C中说明。这些层可以直接沉积在金属化层316上，或者这些层的一些或全部可以形成在其它位置，诸如形成于生长衬底上，随后附着到金属化层316。尽管未说明，叠层310的中间层可以包括电路迹线和通路，从而将发光元件的电极连接到金属化层316中的电路迹线311'。
在叠层310完成之后，可以添加透镜盖130；这可以通过在整个瓦上将透明硅树脂或环氧树脂成形为期望形状来执行。瓦可以随后被划片以提供单独发光器件300，如图3D中说明。
特别注意，平坦电介质320'优选地在瓦上的叠层310之间延伸，使得当可选的透镜盖130被形成时，透镜盖130下方的区域将是反射性的。测试表明，在叠层310下方添加反射性电介质，有可能实现约5%以上的亮度增加。
图4说明用于制作具有反射性载具的发光器件的示例性流程图。
在410，金属化种子层被应用到多个发光器件可以附着在其上的衬底的表面。衬底可以是陶瓷，例如氧化铝或氮化铝，但是可以由诸如半导体和阳极化导体的其它合适材料形成。硅和阳极化铝是用于此衬底的合适材料。
在415，例如通过光敏材料的光刻应用，在此金属化层上形成用于每个载具的电路迹线的布线图案。在将具有光敏材料图案的瓦暴露于光以及后续蚀刻时，将在衬底上露出图案化的电路迹线。
种子层可以是薄的以促进其图案化。在420，例如铜的金属的厚层可以随后电镀在露出的电路迹线上。在425，留在电路迹线之间的光致抗蚀剂被移除，由此露出电路迹线之间的种子层。在430，露出的种子层被移除，在衬底上仅仅留下期望的电路迹线。可以可替换地使用其它图案化和/或电镀技术和材料；例如可以沉积金、银或焊料。
在435，应用一层反射性电介质材料。电介质材料可以是优选地具有至少约85%的反射性的任何不导电材料。诸如TiO2、A12O3、Y2O3、ZrO2、SiO2、Al、AlON、GGG、PLZT、PZT、SiAlON、SiC、SiON、YAG、BaTiO3、SrTiO3、金刚石、ZnSe、ZnS、ZnTe、BaSO3、立方氧化锆等的电介质、陶瓷或半导体材料通常将是合适的，并且一种或多种这些化合物的溶胶凝胶是合适的，其中该化合物被包含在主体硅酸盐网络中。按照类似方式，诸如具有上文列出的材料的颗粒的硅树脂或环氧树脂的颗粒加载树脂也将是合适的。通常，反射性材料可以通过提供颗粒和主体基体之间的高折射率对比来形成。类似地，具有高孔隙度的单一材料将是反射性的，因为空气相对于大多数固体具有高折射率对比。
优选地，电介质以浆料形式被应用在整个瓦上，包括在电路迹线顶部上。在440，电介质材料随后被固化。在445，固化的电介质材料被研磨或刨削从而与电路迹线共平面。如上文指出，刨削可以被延伸从而也刨削电路迹线，由此提供高反射率的均匀表面。
电路迹线可以进一步被电镀450、460以防止腐蚀、促进外部连接等等。优选地至少最后电镀层可以提供至少约85%的反射率。如果电解电镀被执行，电路迹线典型地包括将瓦上的多个器件互连的连杆，这促进电解电镀工艺。在455，如果这些连杆在切割之后的成品中是不期望的，它们在电镀工艺完成后从瓦移除。如果器件被设计为将使用化学镀工艺，这种连杆将不存在于电路迹线中。
在电镀工艺完成时，衬底瓦的表面将优选地完全覆盖有反射性电介质和反射性电路迹线，由此最小化来自发光器件的光通过衬底的任何损失或吸收。
在470，形成发光元件的其余层以及可选地波长转换元件被附着到包括衬底和反射性金属化-电介质层的载具。如上文指出，这些层的一些或全部可以直接形成于载具上，或者从另一工艺转移。
在475，包括例如封装、测试、切割等等的任何其余工艺步骤被执行以完成具有反射性载具的发光器件的制作。
本领域技术人员将认识到反射性载具的结构不限于图3A-3D的示例，也不限于图4的工艺。例如，图5A-5D说明一种可替换方案，其消除电路迹线511的刨削并且提供更均匀的反射性电介质层。图5C和5D中视线A-A分别近似对应于图5A和5B中显示的截面。
在电介质材料520被应用在电路迹线511上之前，诸如光致抗蚀剂的可移除材料560可以被应用到电路迹线511上的选定区域。该选定区域例如可以是用于耦合到外部部件以及用于耦合到发光器件的接触区域。电介质材料520可以以浆料形式被应用从而覆盖电路迹线511和可移除材料560，如图5A中说明。电介质520可以随后至少部分地固化，接着被刨削至恰好电路迹线511之上。随后，可移除材料560可以被移除以露出电路迹线511上的选定区域570。
图5C说明两个电路迹线511和三个选定区域561、562、563的图案，可移除材料560放置在所述选定区域。在此示例中，选定区域对应于两个接触区域561、562以及足够大以容纳发光叠层的区域563。
图5D说明在刨削电介质材料520'和移除可移除材料560之后的结果载具。电介质材料用斑点图案说明，并且在下方的电路迹线511用虚线说明。在此示例中，因为可移除材料560延伸遍及整个区域563，在此区域563中电路迹线511之间的空间512将不包含电介质材料520'。可选地，在此区域563中的可移除材料560本可以被分割成两个区域从而允许空间512用电介质材料520'填充。
区域561、562和563中露出的电路迹线511可以可选地用例如镍或金电镀以提供腐蚀保护和可靠接触。电镀层可以被结构化从而提供与电介质材料520'的表面共平面的表面。
通过仅仅露出区域561、562和563，可以改善亮度效率，因为在角畴区和谱畴区二者中电介质层520'的反射性可以形成为高于在电路迹线511中使用的金属的反射性。反射性电介质材料的成本也可以显著低于具有相同反射性的金属的成本；并且因为电路迹线511不被刨削，金属浪费的量可以显著减小。
特别注意，覆盖有电介质层520'的电路迹线511被保护免受环境影响，从而不需要提供诸如镍和/或金的传统保护电镀层。因为电路迹线511的区域的大多数不需要引发相对昂贵的电镀金属的成本，可以形成故意大的电路迹线511的区域，从而促进从发光元件的热传递和散逸。
图6A-6B说明可替换'台座'结构。如上文示例中那样，电路迹线611形成于衬底120上。但在此示例中，导电台座661可以被包括在电路迹线611之上。这些台座661可以例如通过在电路迹线611的选定位置形成附加金属层而被提供，例如从而促进耦合到外部部件以及耦合到发光器件。这些台座661的高度可以小至比电路迹线611高约5微米，电路迹线611可以厚达大约50微米。形成这些台座的材料可以与电路迹线661的材料相同，或者是不同的导电材料。
如上文示例中那样，电介质材料620可以以浆料形成被应用从而覆盖电路迹线611和台座661，被至少部分固化，接着被刨削。在此示例中，电介质材料被向下刨削到台座661的水平，从而形成与台座661'的表面共平面的电介质层620'。可选地，露出的台座661'可以进一步被电镀以防止腐蚀，改善反射性等等。
延伸的连续电介质层620'和共平面的台座661'也可以提供更平坦表面用于安装发光叠层，对于安装诸如TFFC(薄膜倒装芯片)LED的薄膜LED，这是特别有意义的。
关于台座661'，由于它们可以远小于电路迹线，就金的使用而言可以实现显著的节省，其中金优选地用于促进连接可靠性，特别是有关发光叠层的连接。
前文纯粹说明本发明的原理。因而将理解，本领域技术人员将能够设计各种布置；尽管没有在此处明确地描述或示出，所述布置实施本发明的原理并且因而在本发明的精神和范围内。例如，尽管各示例说明反射性层被构建为衬底上的第一层，本领域技术人员将认识到反射性层可以在发光元件和衬底之间任何位置。然而，将电介质放置在衬底上允许在单个操作中使整个衬底区域被反射性地涂覆。按照类似方式，尽管各示例说明在上表面上的接触用于耦合到外部部件，本领域技术人员将认识到，例如衬底120可以包括允许从衬底底部连接到外部部件的内部通路、互连和焊盘，从而不需要将用于这些连接的接触放置在上表面上。这些和其它系统配置和优化特征鉴于此公开内容而对于本领域普通技术人员将是明显的，并且被包括在下述权利要求的范围中。
在解释这些权利要求中应当理解：
a)措辞“包括”不排除存在其它元件或者动作不同于在指定权利要求中列出的那些元件；
b)元件之前的措辞“一”("a"或"an")并不排除存在多个这种元件；
c)权利要求中的任何附图标记不限制它们的范围；
d)若干“装置”可用同一项目或硬件或软件实现的结构或功能来表示；
e)每个所公开元件可以包括硬件部分(例如包括分立的和集成的电子电路系统)、软件部分(例如计算机编程)及其任何组合；
f)硬件部分可以包括处理器，并且软件部分可以存储在非瞬态计算机可读介质上并且可以配置成致使处理器执行一个或多个所公开元件的一些或全部功能；
g)硬件部分可以包括模拟部分和数字部分之一或二者；
h)任何所公开的器件或其部分可组合在一起或被分离为另外部分，除非另外明确地说明；
i)除非明确指出，否则不意图要求特定的动作顺序序列；以及
j)术语"多个"元件包括两个或更多个所要求保护的元件，并且不暗示元件的任何具体数目范围；也就是说，多个元件可以是少至两个元件，并且可以包括数目不可计量的元件。
Claims (14)
1.一种制作发光器件的方法，包括：
在衬底之上的金属化层上提供多个电路迹线，
在该电路迹线之上和之间应用电介质层，
移除部分电介质层以促进电耦合到该多个电路迹线，
在该金属化层之上提供发光元件，该电路迹线电耦合到该发光元件，以及
在可移除元件之上应用电介质层之前，在该电路迹线上选定位置提供该可移除元件，其中移除该部分电介质配置成露出该可移除元件，并且该方法包括移除该可移除元件以促进电耦合到该多个电路迹线。
2.根据权利要求1的方法，其中移除该部分电介质层包括刨削操作。
3.根据权利要求1的方法，其中该可移除元件以外的电路迹线不通过移除该可移除元件而露出。
4.根据权利要求1的方法，其中该电介质层包括陶瓷和半导体中的至少一种。
5.根据权利要求1的方法，其中该电介质层包括在主体硅酸盐网络中的陶瓷和半导体中的至少一种。
6.根据权利要求1的方法，其中该电介质层包括在环氧树脂、硅树脂和溶胶凝胶树脂其中之一中的陶瓷和半导体中的至少一种。
7.根据权利要求1的方法，其中该电介质层包括在基体中的颗粒元件，其中经由颗粒元件和基体之间的折射率对比提供反射性。
8.根据权利要求1的方法，包括电镀至少部分的电路迹线。
9.根据权利要求1的方法，其中该电介质层是反射性的并且覆盖该衬底的整个表面区域。
10.一种发光器件，包括：
载具，其包括衬底和金属化层，该金属化层包括电路迹线和填充电路迹线之间区域的平坦电介质层，以及
在载具上的多层叠层，该叠层包括耦合到该金属化层的发光元件，
其中在选定区域中该电路迹线之间的空间不包含平坦电介质层以促进电耦合到该多个电路迹线。
11.根据权利要求10的发光器件，其中该电介质层覆盖电路迹线的显著部分。
12.根据权利要求10的发光器件，其中该电介质层是反射性的并且覆盖载具的整个表面区域。
13.根据权利要求10的发光器件，包括在发光元件之上的波长转换元件，该波长转换元件配置成将由发光元件发射的第一波长的光转换为第二波长的光。
14.根据权利要求10的发光器件，其中该电介质层包括陶瓷和半导体中的至少一种。
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