CN104969371A - 具有波长转换材料的密闭密封的led模块 - Google Patents

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Abstract

LED模块包括具有高热导率的衬底和安装在衬底上的至少一个LED管芯。诸如结合剂中的磷光体或量子点之类的波长转换材料具有非常低的热导率并且形成为在LED管芯之上具有相对高体积和低浓度，使得磷光体或量子点从LED管芯传导极少热量。具有高热导率的透明顶板定位在波长转换材料之上，并且形成围绕波长转换材料的衬底和顶板之间的密闭密封。LED管芯位于衬底或顶板中的腔体中。以此方式，波长转换材料的温度保持远低于LED管芯的温度。在晶片级过程中进行密封。

Description

具有波长转换材料的密闭密封的LED模块
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），并且具体地涉及用于密闭地密封LED管芯上方的磷光体或量子点层的技术。
背景技术
利用磷光体或量子点（QD）涂敷蓝色LED管芯，然后利用诸如硅树脂、环氧树脂或其它聚合物之类的透明聚合物封装物封装该结构是常见的。磷光体或QD将蓝色光转换到一个或多个其它波长，并且通过波长转换层泄漏的蓝色光与（多个）经转换的波长的组合可以创建大范围的颜色，包括白色光。
许多类型的磷光体和QD是对空气敏感的，这导致它们在被加热和暴露于空气中的湿气时降级。
当通量和温度超过2W/cm2和80℃时，通常用于封装LED管芯和波长转换材料的聚合物是不充足的。用于高亮度LED的封装物必须还具有良好的热导率以将热量从LED管芯传导到环境空气。常规的聚合物不具有用于高亮度/高温LED管芯的充足热导率。
需要密闭地密封叠覆高亮度LED管芯的磷光体或QD的新密封技术，其中该技术还提供LED管芯与环境空气之间的良好热导率。该技术应当引致相对低的成本并且应当高度可靠。优选地，对于高亮度（即高通量）LED管芯，密闭密封应当在远远大于80℃的温度下和高达20W/cm2的光通量的情况下保持可靠，并且磷光体或量子点的温度应当保持在130℃以下以避免降级。
发明内容
在一个实施例中，作为晶片提供的高度导热衬底被模制成具有腔体。衬底可以是玻璃、陶瓷或其它导热材料。腔体具有反射表面或者衬底是透明的。一个或多个高亮度蓝色LED管芯可以使其电极键合到每一个腔体中的对应电极。衬底包括导体，其将腔体电极连接到合适的垫以用于在单个化之后将衬底焊接到印刷电路板或另一衬底。
然后在腔体中沉积磷光体或量子点材料以完全或部分填充腔体。磷光体或量子点材料可以通过在透明结合剂中混合磷光体粉末或量子点来形成。
然后在衬底晶片之上安装导热、透明的陶瓷或玻璃板（作为晶片提供），并且围绕每一个腔体创建导热密闭密封，诸如通过将板激光熔合到衬底、将板焊接到衬底、或者在腔体周围提供其它类型的高温密封。然后单个化经键合的顶板晶片和衬底晶片以形成单独的LED模块。
由于LED管芯不直接接触密封，因此LED管芯可以生成高热量和高通量而不会使密封降级。
在另一实施例中，在其上安装LED管芯的衬底基本上是平坦的，并且透明板具有围绕磷光体或量子点的腔体。然后将围绕每一个腔体的板的部分键合到衬底以形成高温密封。
在一个实施例中，透明板具有用于每一个LED模块的波长转换材料的多个分离的子腔体，所述多个分离的子腔体在单个化之后保留，使得用于一个腔体的密封的失效不影响其它腔体的密封。
在另一实施例中，在其上安装LED管芯的衬底基本上是平坦的，将波长转换材料模制（或以其它方式沉积）在LED管芯之上以封装LED管芯，并且透明板具有围绕每一个LED管芯的腔体。然后将围绕每一个腔体的板的部分键合到衬底以形成高温密封。
由于在晶片级过程期间形成密闭密封，并且然后单个化所得晶片以创建单独的LED模块，因此过程是低成本的。顶板的边缘在单个化之后将与衬底的边缘重合，从而导致非常紧凑的LED模块。
目前为止，结构中的最低导热材料是波长转换材料，包括其结合剂。所公开的结构允许波长转换材料具有相对大体积和低浓度的磷光体。材料的低热导率限制材料的加热，而同时大部分LED管芯热量通过衬底和透明板耗散（经由密封连接）。因此，大体积的波长转换材料经历减少的热量和通量，从而导致磷光体随时间的较少降级，如果有的话。益处同样适用于量子点被用作波长转换材料时的情况。波长转换材料甚至可以包括磷光体和量子点的组合。
该结构将波长转换材料的温度限制到低于130℃，甚至在最高亮度LED的情况下，而同时维持良好的密闭密封。
公开了其它实施例。
附图说明
图1是在单个化之前晶片的部分的截面视图，其中衬底具有腔体，每一个腔体包含一个或多个LED管芯。腔体填充有波长转换材料，并且腔体通过平坦透明板密闭密封。
图2是图1的晶片的部分的自顶向下视图，其示出了每一个腔体周围的密封（为了容易标识而大幅缩窄地示出密封）。
图3是在单个化之前晶片的部分的简化截面视图，其中衬底基本上是平坦的并且支撑LED管芯，其中波长材料模制在每一个LED管芯之上以封装LED管芯，其中透明板具有腔体，并且其中在每一个腔体周围形成密闭密封。
图4是图3的晶片的部分的自顶向下视图，其示出了每一个板腔体周围的密封。
图5是具有对光发射成形的光学图案的单个经单个化的LED模块的板的部分的截面视图。光学图案可以形成透镜、光散射特征、反射器、光吸收器，或形成任何其它特征。
图6是图5的板部分的自顶向下视图。
图7是用于单个经单个化的LED模块的板的部分的截面视图，其图示了在单个LED管芯区域周围形成以将光发射集中到中心区域的反射环。
图8是图7的板部分的自顶向下视图。
图9A和9B是晶片的部分的截面视图，其中LED管芯安装在衬底中的腔体中并且使用热量金属键合，诸如利用低温AuSn焊接剂，并且其中同时使用相同焊接剂形成板的密闭密封。
图10A图示了图9B的结构中的腔体然后如何通过板中的开口而填充有波长转换材料，因此波长转换材料避免图9B的焊接剂加热步骤。
图10B图示了板中的开口然后如何填充以完成密闭密封。
图11是具有形成垂直柱体、包含波长转换材料的多个经密封的腔体的单个经单个化的LED模块的板的部分的自顶向下视图。
图12是沿图11中的线12-12查看时使用图11的板的单个化之后的单个LED模块的截面视图，其中波长转换材料填充板中的腔体，并且其中板被可选的磷光体层覆盖以生成附加波长。
图13类似于图11，除了板中的腔体是填充有波长材料、在单个化之后密封的水平柱体。
图14是沿图13中的线14-14查看时使用图13的板的单个化之后的单个LED模块的截面视图，其中波长转换材料填充腔体，并且其中板被封装物（包含磷光体颗粒）覆盖以密封腔体的端部。
图15是由陶瓷或玻璃制成、已经通过毛细作用而填充有波长转换材料的中空条带的自顶向下视图。可替换地，子板可以包含填充有波长转换材料的水平腔体。
图16是沿图15中的线16-16查看时使用图16的条带或子板的单个化之后的单个LED模块的截面视图，其中条带或子板键合到顶板，该顶板然后键合到具有包含LED管芯的腔体的衬底。键合创建密闭密封。如果要求的话，然后利用封装物密闭地密封水平腔体的端部。
利用相同的标号标记相同或类似的元件。
具体实施方式
图1图示了单个化之前的晶片10的部分。晶片10包括衬底20和透明板30。衬底20由高热导率材料形成。衬底20可以例如由诸如蓝宝石、尖晶石或多晶氧化铝之类的透明陶瓷形成。衬底20还可以由任何其它透明或非透明陶瓷材料形成，包括经模制的陶瓷材料，其中陶瓷粉末在压力之下模制和烧结。在其它实施例中，衬底20可以是玻璃陶瓷。在另一实施例中，衬底20可以是封入弹性体主体中的金属引线框架。
在图1中，衬底20被模制或机械加工成具有腔体22。如果衬底20由光吸收材料形成，则腔体22壁可以涂敷有反射膜（优选地对于可见光而言至少90%反射）。衬底20甚至可以由反射材料形成，诸如白色陶瓷材料。在替换形式中，膜或衬底20的反射性可以是针对非可见光的，例如UV光。
每一个腔体22的底部具有常规电极（未示出），其电气连接到衬底20上的常规底部金属垫（未示出）以用于将经单个化的LED模块焊接到印刷电路板（PCB）或其它衬底。将腔体电极定位成对应于所使用的特定LED管芯24（诸如倒装芯片LED、垂直LED等）上的电极。衬底20可以模制成包含过孔，并且通过使用常规技术，沉积和图案化金属以形成腔体22中的各种电极，填充过孔，并且形成衬底20的底表面上的金属垫。电极提供LED管芯24与衬底20之间的导热路径。电气绝缘的金属热垫也可以位于LED管芯24的底部上并且键合到腔体22中的金属热垫。
如果衬底20具有提供欠佳的附着的顶表面（诸如多孔表面），则诸如密封剂层之类的顶层可以沉积在衬底20表面上以实现衬底20与顶板（以下描述）之间的更好密闭密封。
在一个实施例中，LED管芯24是发射蓝色光的高亮度LED管芯。这样的LED管芯24生成相对高的热量，并且这样的热量需要通过衬底20和衬底20经由导电物稍后安装到的PCB而散布和移除。水平并且然后垂直向上通过衬底20传导的热量优选地不被任何叠覆结构阻挡，使得衬底20上方的环境空气也可以通过传导和/或对流移除热量。
在图1中，四个LED管芯24安装在每一个腔体22中以得到附加亮度，但是在截面中每个腔体22仅示出两个。
腔体22然后填充或部分填充有波长转换材料26。这样的材料26将典型地为结合剂中的磷光体粉末或分散在载体中的量子点。用于量子点的载体也将被称为结合剂。具有亚微米尺寸的量子点不会沉淀并且保持相当良好地分散在结合剂中。透明结合材料可以是聚合物，诸如硅树脂。许多类型的磷光体和量子点在高热量的情况下降级，因此本发明的一个目标是提供允许从LED管芯移除热量而同时限制波长转换材料的加热的结构。
每一个腔体22的体积比每一个LED管芯24的体积大得多。因此，波长转换材料26的体积相对高，从而使得磷光体颗粒或量子点能够具有低浓度。波长转换材料（包括其结合剂）的热导率比衬底20的热导率低几个量级（例如0.1-0.2W/mK对比30W/mK）。因此，波长转换材料26的大体积和低热导率限制传导到磷光体颗粒或量子点的热量。换言之，材料26内的热量扩散长度非常小。因此，磷光体颗粒或量子点不会明显降级，即便是由LED管芯24生成高热量，如果它们遍及波长转换材料26分布的话。
此外，如果量子点包含诸如镉之类的有毒元素，则RoHS指令（某些危害性物质使用的限制）要求量子点膜中的镉金属的稀释以满足合规。这可以通过增加结合剂的体积并且降低量子点浓度来实现而同时仍旧维持期望的颜色发射（诸如期望的暖白色点）。
波长转换材料26的顶部与腔体22的顶部之间的任何空隙可以填充有透明结合剂材料以避免气穴和伴随的反射效应。
接着，提供平坦透明的陶瓷、玻璃或弹性体板30。其它材料也可以是适合的。板30将大约与衬底20晶片尺寸相同。在一个实施例中，板大约为100微米厚以最小化光吸收并且创建到环境空气的高热导率路径。
诸如通过丝网印刷在板30上和/或衬底20上沉积透明密封剂材料32以围绕每一个腔体22。密封剂材料32应当具有良好的热导率并且覆盖大区域使得热量被传导到板30和环境空气。密封剂材料32可以是低温玻璃、玻璃浆料、金属、金属氧化物、高热导率环氧树脂、或可以形成密闭密封的其它合适材料。在一个实施例中，通过激光退火、激光加热、热炉加热或光学固化对密封剂材料32进行加热或固化以创建密闭密封。密封剂材料32和其它材料应当选择成具有类似的热膨胀系数以避免操作期间的分层。
密封过程可以在真空中执行以从腔体22移除空气，并且可以向板30施加向下的压力。
然后诸如通过锯切沿线34对所得晶片进行单个化以形成单独的LED模块。蓝色光和由波长转换材料26生成的光的组合可以在视觉上创建任何颜色的光。
全部都为高热导率材料的衬底20、密封剂材料32和板30的组合通过将热量传导到环境空气和导热的印刷电路板（例如具有金属主体的电路板）而从LED管芯24移除热量，从而允许大多数或全部低热导率波长转换材料26保持在130℃之下，这对于使大多数波长转换材料避免降级而言是充足的。
由于密封剂材料32远离高通量蓝色光并且腔体22中的不透明反射层可以阻挡撞击在密封剂材料32上的光，因此降低了使密封剂材料32承受高通量的要求。
图2是图1的晶片10的部分的自顶向下视图，其示出了每一个腔体22周围的密封剂材料32的可能位置。密封剂材料32被图示为狭窄的“缝道（bead）”，其对于典型实施例而言并未按照比例以便图示其位置。在另一实施例中，板30的整个表面涂敷有密封剂材料32以增加对衬底20的热导率。
图3是在单个化之前晶片40的小部分的简化截面视图，其中衬底42基本上是平坦的并且支撑LED管芯24。LED管芯24具有电气且热学连接到衬底42上的对应电极的常规金属电极（阳极和阴极），如关于图1所讨论的。
使衬底42（作为晶片）抵靠具有填充有未固化的波长转换材料26的腔体的模具。波长转换材料26封装LED管芯24。然后使材料26固化，并且从模具释放衬底42。优选地，所得经模制的材料26相对厚，具有低热导率透明结合剂中的低浓度磷光体颗粒或量子点，使得大多数或全部磷光体颗粒或量子点不经受高热量。
诸如由玻璃或陶瓷形成的透明板44被模制、机械加工、蚀刻或以其它方式形成为具有腔体46。在真空下，通过密封剂材料32使板44密封到衬底42，所述密封剂材料32可以与关于图1描述的相同并且以相同的方式固化。优选地，空气的量应当在经模制的材料26与腔体46的顶部之间的间隙中最小化以避免LED管芯24在操作期间生成热量时的分层。然后沿线34单个化晶片。
由于所使用的密封剂材料32、密封剂材料32在大区域之上的散布、来自LED管芯24的热量和通量的分布、衬底42和板44的高热导率、以及波长转换材料26的低传导性和大体积，密封在高热量和通量下是可靠的并且磷光体或量子点不经受高热量。
在所有实施例中，高热导率材料（包括衬底和顶板）应当具有大于20W/mK的传导率。由于密封剂材料可能非常薄，因此其热导率不是关键的，尽管优选地使其为高的。
平坦衬底42优选地在其顶表面上具有反射层，其可以是镜面或漫反射的，以向上反射光。反射层可以是金属、白漆等。
图4是图3的晶片40的小部分的自顶向下视图，其示出了在每一个板腔体46周围的密封剂材料32位置。密封剂材料32在大得多的区域之上散布开，如图3中所示，但是被图示为狭窄的“缝道”，其对于图4中所示的典型实施例而言并未按照比例，以更好地图示密封的一般位置。
图5是用于单个经单个化的LED模块的板50的截面视图。板50的底部密封到衬底，诸如图1或3中所示。板50的底部可以是平坦的或者具有腔体。图5意图说明板50可以包括光学特征52，其例如可以散射光或形成透镜或重定向光或吸收光或反射光。在图5和6的简化示例中，光学特征52是柱体凹陷。
图6是图5中所示的板50的自顶向下视图，其中光学特征52被示为板50中的圆形凹陷。板50还可以包括其它区域之上的反射膜54，使得大多数光几乎排他性地通过圆形凹陷发射。通过为板50提供非平面顶表面，减少内反射。在另一实施例中，凹陷是成角度的棱镜以增加光提取。板50被示为圆形，但是可以是矩形或任何其它合适的形状。
图7是用于单个经单个化的LED模块的板58的截面视图，其图示了在单个LED管芯区域周围形成以将光发射限制到中心区域62的反射环60。板58的底部可以是平坦的或者具有腔体，并且密封到衬底，如以上所描述的。环60可以是沉积的铝、银或其它反射材料。撞击在环60的底表面上的LED光线被向下定向并且从衬底的反射表面向上反射回来，诸如图3中的衬底42。
图8是图7的板58的自顶向下视图，其示出了反射环60和透明中心区域62。板58还可以是矩形或任何其它合适的形状。
图9A和9B是晶片的部分的截面视图，其中LED管芯24安装在衬底68中的腔体66中并且使用热量金属键合到衬底电极，诸如利用低温AuSn焊接剂70A，并且其中同时使用相同焊接剂70B形成板72的密闭密封。将LED管芯24键合到衬底电极的焊接剂70A提供到衬底68上的常规阳极和阴极底部垫71的导电性，并且还提供到衬底68主体的导热性。还可以提供电气绝缘的大热垫。板72提供有金属环74，其键合到焊接剂70B以与衬底68形成密闭密封。
焊接剂70B和金属环74可以比图9A和9B中所示的宽得多，以提供具有顶板72与衬底68之间的良好导热性的宽密封。
图10A图示了图9B的衬底68中的腔体66然后如何通过板72中的小开口76而基本上完全填充有波长转换材料26（以防止气隙），因此波长转换材料26避免图9B的焊接剂70加热步骤。波长转换材料26具有相对大的体积，具有低热导率，并且具有低浓度的磷光体颗粒或量子点以限制磷光体颗粒或量子点的温度。在可替换的实施例中，多个开口76用于每一个腔体66以允许空气在引入波长转换材料26时逸出。同样地，一些开口76可以连接到真空源以将转换材料26“抽取”到腔体66中。
图10B图示了板72中的开口76然后如何填充有另一类型的密封剂材料78（例如硅树脂或环氧树脂）以完成密闭密封。
然后可以单个化所得晶片，诸如通过图10B的结构的中间。
图11是具有形成垂直柱体、包含波长转换材料26的多个经密封的腔体82的单个经单个化的LED模块的板80的自顶向下视图。
图12是沿图11中的线12-12查看时使用图11的板80的单个化之后的单个LED模块84的截面视图。波长转换材料26通过透明密封板86密封在腔体82中，所述透明密封板86还可以形成在其中安装LED管芯24的衬底90中的中心腔体88周围的密闭密封。以上所描述的任何密封剂材料可以使用在腔体88的外围周围。板80可选地被远离的磷光体层94覆盖以生成附加波长。由于各种波长转换材料远离LED管芯24，因此材料不经受高温并且不会降级。如果任一个腔体82的密闭密封损坏，则这不影响用于其它腔体82的密封。
图13类似于图11，除了板98中的腔体96是填充有波长转换材料26的水平柱体。腔体96一直延伸到板98的边缘，并且腔体96的敞开端部通过合适的密封剂材料100密封，诸如硅树脂或环氧树脂。腔体96可以通过毛细作用填充。
图14是沿图13中的线14-14查看时使用图13的板98的单个化之后的单个LED模块的截面视图。板98与如关于图12描述的相同衬底90配对。围绕衬底腔体88的板98的外围包括密闭密封，如以上描述的。腔体96的端部的密封可以通过板98之上的可选磷光体层94中的硅树脂结合剂材料。
图15是已经通过毛细作用填充有波长转换材料26的陶瓷或玻璃中空条带104的自顶向下视图。可替换地，子板可以包含填充有波长转换材料26的水平腔体。
图16是沿图15中的线16-16查看时使用图15的条带104或子板的单个化之后的单个LED模块的截面视图，其中条带104或子板键合到顶板106，该顶板106然后密封到具有包含LED管芯24的腔体88的衬底90。如果要求的话，利用合适的密封剂材料108密闭地密封水平腔体104的端部（图15）。可选的磷光体层94可以沉积在板106之上。
在图11-16中，示出了用于单个LED模块的部分。然而，如果在晶片级过程期间使用顶板密封模块（在单个化之前），则在单个化之后，对于LED模块的集合，顶板和衬底的边缘将重合，这类似于图1和3。这大大降低LED模块的成本。
在所有实施例中，波长转换材料26温度保持相对低，并且密封剂材料提供可靠的密闭密封，即便是LED管芯通过本文所描述的各种因素的组合生成高热量和通量，甚至是在高亮度LED管芯的情况下。
优选地，在所有实施例中，不存在俘获于腔体中的空气以避免通过操作LED管芯而对LED模块加热时的分层。这可以通过完全填充腔体或者在真空中执行密闭密封步骤来完成。
通过作为晶片将顶板密封到衬底并且然后单个化晶片，顶板的边缘将典型地与衬底的边缘重合。在晶片过程中形成密闭密封比在单个化之后密封每一个模块便宜得多。因此，本文所描述的过程可以以每个LED模块极少的额外成本来执行。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显然的是，可以做出改变和修改而不脱离于以其更宽泛方面的本发明，并且因此，随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (15)

1.一种发光二级管（LED）模块，包括：
具有第一热导率的衬底；
电气且热学安装在衬底上的LED管芯；
具有大幅低于第一热导率的第二热导率的波长转换材料，所述波长转换材料叠覆LED管芯定位；
具有大于第二热导率的第三热导率的光透射顶板，所述顶板定位在波长转换材料之上；以及
围绕LED管芯和波长转换材料的衬底和顶板之间的密封剂材料所形成的密闭密封，
其中顶板的边缘和衬底的边缘由于顶板和衬底在晶片级过程期间密封并且然后单个化晶片以形成LED模块而重合，
其中LED管芯位于衬底或顶板中的腔体中。
2.权利要求1的模块，其中衬底具有LED管芯位于其中的腔体。
3.权利要求1的模块，其中顶板具有LED管芯位于其中的腔体。
4.权利要求1的模块，其中顶板包括玻璃，并且其中密封剂材料包括已经熔化以将顶板贴附到衬底的玻璃。
5.权利要求1的模块，其中密封剂材料包括金属焊接剂，其中LED管芯使用相同金属焊接剂键合到衬底电极，并且其中在衬底被加热以熔化金属焊接剂时形成密闭密封。
6.权利要求1的模块，其中通过将腔体用作用于波长转换材料的模具而将波长转换材料沉积到腔体中。
7.权利要求1的模块，其中通过将腔体用作用于波长转换材料的模具而将波长转换材料沉积到腔体中，并且其中顶板具有开口以用于在形成密闭密封之后将波长转换材料沉积到腔体中。
8.权利要求1的模块，其中作为晶片将顶板密闭地密封到衬底，并且单个化晶片以形成LED模块。
9.权利要求1的模块，其中顶板具有对LED管芯所发射的光重定向的光学特征。
10.权利要求1的模块，其中腔体为包含波长转换材料的顶板中的多个腔体之一，其中每一个腔体密封使得一个腔体的密闭密封中的损坏不会损坏另一腔体的密闭密封。
11.权利要求10的模块，其中顶板具有第一表面和第二表面，第一表面具有腔体，所述腔体基本上垂直于第二表面。
12.权利要求10的模块，其中顶板具有第一表面和第二表面，第一表面具有腔体，所述腔体基本上平行于第二表面。
13.权利要求1的模块，其中腔体为包含波长转换材料的多个腔体之一，其中腔体形成在分离的顶板部分中并且贴附到顶板，随后形成密闭密封。
14.权利要求1的模块，其中波长转换材料包括结合剂中的磷光体颗粒或结合剂中的量子点中的至少一个。
15.权利要求1的模块，其中由LED管芯生成的热量至少部分地通过衬底、密封剂材料和顶板的热传导而移除，并且其中波长转换材料的温度保持低于LED管芯的温度。
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