CN105340090B - 发光二极管器件 - Google Patents

Abstract

根据本发明的实施例的器件包括安装在导电衬底上的发光二极管（LED）。透镜布置在LED之上。聚合物主体在导电衬底之上模制并且与透镜直接接触。

Description

发光二极管器件

技术领域

本发明涉及使用集成到系统中的固态光源而没有分离封装的LED的灯装置。

背景技术

包括LED的固态照明系统一般具有LED封装内部的一个或多个LED管芯，所述LED封装组装到印刷电路板（PCB）上，有时与可以共同定位或分离连接的电驱动器组合。包含LED的PCB与一个或多个次级光学器件组合，放置在灯泡中并且组装成灯。包括例如LED封装、PCB、次级光学器件、灯泡和灯的封装的多个层增加了制造灯的大小、成本和复杂度。而且，封装的多个层可能降低来自灯的光提取，因为光必须从封装的每一层提取，并且封装的每一层一般都吸收一些光。封装的这些相同的多个层还可能降低来自LED的热量提取效率，因而进一步降低其光学效率。

包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光器件是当前可获得的最高效的光源之一。当前在能够跨可见光谱操作的高亮度发光器件的制造中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮和/或磷的二元、三元和四元合金。典型地，通过借由金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅、硅、III氮化物、GaAs或其它合适衬底上外延生长具有不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造III-V发光器件。叠层通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层、以及在有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电接触形成在n和p型区上。

发明内容

本发明的目的是提供附连到导电衬底并且布置在模制主体中的一个或多个LED，其形成可以用作例如灯泡或全灯装置的完整照明单元。

根据本发明的实施例的器件包括安装在导电衬底上的LED。透镜布置在LED之上。聚合物主体模制在导电衬底之上并且与透镜直接接触。

根据本发明的实施例的方法包括将LED附连到导电衬底并且在LED和导电衬底之上模制主体。主体导热且电绝缘。布置在LED和导电衬底的一部分之上的透镜从主体伸出。

附图说明

图1图示了包括布置在模制主体中的LED的结构。LED之上的透镜和来自LED附连到的导电衬底的引线从模制主体伸出。

图2图示了LED的示例。

图3是图1中图示的结构的横截面视图。

图4和5是本发明的实施例的侧视图。

图6图示了制作图1、3、4和5中图示的结构的方法。

具体实施方式

尽管在以下示例中，半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III氮化物LED，但是可以使用除LED之外的半导体发光器件，比如激光二极管、由诸如其它III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基于Si的材料之类的其它材料系统制成的半导体发光器件、或非半导体发光器件。

在本发明的实施例中，在LED之上形成透镜。LED安装在传导框架或衬底上，然后在LED、透镜和导电衬底周围对主体进行模制。图1图示了本发明的实施例。模制主体14在图1的中心处图示。模制主体14可以是例如聚合物。在一些实施例中，模制主体14是导热塑料，其可以将热量传导远离LED并且传导到空气或导电衬底中，在那里可以从器件移除热量。形成在LED之上的透镜42的一部分从模制主体14的顶部伸出。电连接到其上安装有LED的导电衬底或者作为导电衬底的一部分的两个引线16从模制主体14的底部伸出。

尽管图1的结构包括布置在模制主体中的仅一个LED，但是在其它实施例中，多个LED可以布置在模制主体中。而且，尽管图1的结构图示了从模制主体的顶部伸出的透镜42和从模制主体的底部伸出的引线16，但是本发明的实施例不限于该设置。例如，取代于或附加于从模制主体的顶部伸出的透镜42，一个或多个透镜可以从模制主体的侧面或底部伸出。模制主体不限于所图示的形状。

图2图示了合适的LED的一个示例。可以使用任何合适的LED或其它发光器件并且本发明不限于图2中所图示的LED。图2中所图示的器件是倒装芯片，这意味着LED主体25的底部上的一个或多个反射接触将光从LED的顶部引导到透镜42中。可以使用其它器件几何结构；本发明不限于倒装芯片LED。

图2中图示的LED可以如下形成。半导体结构22生长在生长衬底（在图2中未示出）上，如本领域中已知的那样。生长衬底通常是蓝宝石，但是可以是任何合适的衬底，诸如例如SiC、Si、GaN或复合衬底。半导体结构22包括夹在n和p型区之间的发光或有源区。n型区24可以首先生长并且可以包括具有不同组成和掺杂剂浓度的多个层，包括例如诸如缓冲层或成核层之类的准备层，和/或设计成促进生长衬底的移除的层，其可以是n型或非有意掺杂的，以及被设计用于得到对于使发光区高效发光而言合期望的特定光学、材料或电学性质的n或甚至p型器件层。在n型区之上生长发光或有源区26。合适的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层，或者包括通过阻挡层分离的多个薄或厚发光层的多量子阱发光区。然后可以在发光区之上生长p型区28。如n型区那样，p型区可以包括具有不同组成、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。

在半导体结构的生长之后，在p型区的表面上形成p接触。p接触30通常包括多个传导层，诸如反射金属和防护金属，其可以防止或减少反射金属的电迁移。反射金属通常是银，但是可以使用任何一种或多种合适的材料。在形成p接触30之后，移除部分的p接触30、p型区28和有源区26以暴露其上形成n接触32的n型区24的一部分。n和p接触32和30通过间隙彼此电隔离，间隙可以填充有诸如硅的氧化物或任何其它合适的材料之类的电介质34。可以形成多个n接触过孔；n和p接触32和30不限于图2中所图示的布置。n和p接触可以重新分布以形成具有电介质/金属叠层的键合垫，如本领域中已知的那样。

厚金属垫36和38形成在n和p接触上并且与其电连接。垫38电连接到n接触32。垫36电连接到p接触30。垫36和38通过间隙40彼此电隔离，间隙40可以填充有电介质材料。间隙40可以在一些实施例中填充有分离相邻的LED 10的相同材料12，在一些实施例中填充有不同的固体材料或者在一些实施例中填充有空气。垫38通过电介质34与p接触30电隔离，电介质34可以在p接触30的一部分之上延伸。垫36和38可以是例如金、铜、合金或通过镀层或任何其它合适的技术形成的任何其它合适的材料。垫36和38在一些实施例中足够厚以支撑半导体结构22从而使得可以移除生长衬底。

在一些实施例中，取代于厚金属垫36和38，将半导体结构附连到主衬底，主衬底可以是例如硅、陶瓷、金属或任何其它合适的材料。在一些实施例中，生长衬底保持附连到半导体结构。生长衬底可以被减薄和/或纹理化、粗糙化或图案化。

许多单独的LED 10形成在单个晶片上。在相邻LED 10之间的区中，通过向下蚀刻到衬底来完全地移除半导体结构，或者将半导体结构向下蚀刻到电绝缘层。电介质材料12布置在LED 10之间的区域中。在诸如划片之类的激光处理期间，材料12可以机械支撑和/或保护LED 10的侧面。材料12还可以形成为防止或减少从LED 10的侧面逸出的光量。

然后从LED的晶片移除生长衬底。生长衬底可以通过例如激光熔化、蚀刻、诸如研磨之类的机械技术或任何其它合适的技术来移除。LED 10的半导体结构22可以在移除生长衬底之后减薄，和/或可以粗糙化、纹理化或图案化所暴露的顶表面，例如以改进来自LED10的光提取。

在一些实施例中，将波长转换层20连接到通过移除生长衬底而暴露的LED 10的表面，或者连接到其中生长衬底保持附连到半导体结构的器件中的生长衬底。波长转换层20可以是通过任何合适的技术形成的任何合适的材料。可以使用多个波长转换层。波长转换材料可以是常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V半导体、II-VI或III-V半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或发光的其它材料。在各种实施例中，波长转换层20可以是例如与分发、丝网印刷、模版印刷或预形成然后层压在LED 10之上的诸如硅树脂之类的透明材料混合的一种或多种粉末磷光体，或者是分散在胶合或键合到LED 10的玻璃或其它透明材料中的预形成的发光陶瓷或磷光体。

波长转换层20吸收由LED发射的光并且发射一个或多个不同波长的光。由LED发射的未经转换的光通常是从结构提取的光的最终光谱的一部分，尽管其不需要如此。常见组合的示例包括与黄色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与绿色和红色发射波长转换材料组合的蓝色发射LED、与蓝色和黄色发射波长转换材料组合的UV发射LED、以及与蓝色、绿色和红色发射波长转换材料组合的UV发射LED。可以添加发射其它颜色的光的波长转换材料以调整从结构发射的光的光谱。

可以向波长转换层20添加非波长转换材料，例如以导致散射或更改层的折射率。合适材料的示例包括二氧化硅和TiO₂。在一些实施例中，在器件中不使用波长转换材料。

在形成波长转换层20或将预形成的波长转换层20附连到LED之前或之后，可以将LED的晶片切分成各个LED或LED的组。图2中图示的LED通过围绕LED主体25切割电介质12而从晶片分离。

光学元件42布置在LED之上。光学元件42是可以更改由LED发射的光的图案的结构。合适的光学元件的示例包括诸如圆顶透镜和菲涅尔透镜之类的透镜以及诸如光学集中器之类的其它结构。为了语言的经济性，在本文中将光学元件42称为透镜。透镜42可以是胶合或以其它方式附连到LED主体25的预形成的透镜，或者是例如通过模制形成在LED主体25之上的透镜。透镜42通常在LED主体25的侧面之上延伸，如图2中所图示的。在一些情况下，一个物理透镜可以覆盖多于一个LED。多个LED之上的一个透镜的使用可以具有系统的光学性能中的优点，因为通过将多个LED放置在导电衬底上，不同颜色、不同形状和/或不同电学性能的LED可以放置成接近彼此并且具有到合适的单个物理透镜中的特定光学耦合。

模制透镜42可以如下形成。在LED主体25之上放下具有成形为透镜42的内部的模具。模具可以可选地沿着防止模制材料到模具的粘附的非粘附膜放置。在一些实施例中，将诸如O₂等离子体之类的等离子体应用于LED主体25的顶表面，以改进模制材料到LED主体的附着。模具与LED主体25之间的区填充有可热固化的液体模制材料。模制材料可以是任何合适的光学透明材料，诸如硅树脂、环氧树脂或混合硅树脂/环氧树脂。混合物可以用于将模制材料的热膨胀系数（CTE）更紧密地匹配到LED主体25的热膨胀系数。硅树脂和环氧树脂具有足够高的折射率（大于1.4）以促进来自LED的光提取以及充当透镜。一种类型的硅树脂具有1.76的折射率。在一些实施例中，诸如磷光体之类的波长转换材料分散在模制材料中。可以替代于或附加于波长转换层20而使用具有分散的波长转换材料的光学元件。可以在LED主体25与模具之间创建真空密封，并且可以抵靠彼此按压两个件从而将LED插入到液体模制材料中并且使模制材料处于压缩之下。然后可以在合适的时间内将模具加热到例如大约150℃或者其它合适的温度以将模制材料硬化成透镜42。然后将如图2中图示的完成的器件从模具释放。

可以在将LED附连到导电衬底之前或之后在LED主体25之上形成透镜42，如以下所描述的那样。

图3是图1中图示的结构的横截面。

如图3中图示的，垫36和38在电学上并且物理地附连到导电衬底18。导电衬底18可以是金属、诸如聚酰亚胺之类的柔性聚合物或可以承受暴露于聚合物模制所要求的温度（例如超过10秒且超出260℃的温度）的任何其它合适的材料。在一些实施例中，导电衬底18是具有至少100W/mK的热导率的材料，诸如例如C194铜。导电衬底18包括电连接到LED上的阳极和阴极连接（图2中图示的器件中的垫36和38）的电隔离构件和任何其它电路元件。导电衬底18包括从模制主体伸出的外部部分。外部部分用于将导电衬底电连接到可以向导电衬底供给电流以正向偏置LED的电源，使得LED发射光。在图1和3中图示的结构中，导电衬底的外部部分是可以插到适当插座中的两个引线16。诸如例如灯泡的旋入帽端、适合用于使用在PAR16插座、P21插座或任何其它合适的标准插座中的结构之类的任何合适的结构可以取代图1和3中图示的引线16。

一个或多个可选的附加电路元件44可以附连到模制主体14内或外部的导电衬底18。附加电路元件44可以是非发光电路元件。附加电路元件44可以是例如静电放电保护电路、功率调节电路、驱动器电路、控制电路、含铅电阻器、含铅二极管或任何其它合适的电路元件。含铅电阻器和二极管是在两端上具有引线（长导线）的标准分立电路元件。这些器件可以利用诸如焊接、激光焊接和电阻焊接之类的技术方便地连接到导电衬底。含铅组件在期望从温度敏感电路元件（例如LED）移除热源（例如电阻器主体）时使用。附加电路元件44可以总体包入在模制主体14内，如图1和3中图示的，或者全部或部分的附加电路元件44可以从模制主体14伸出。

模制主体14可以是任何合适的材料，包括例如塑料、聚碳酸酯、聚烯烃、PPA、PPS或诸如硅酮橡胶之类的聚合物。在一些实施例中，模制主体14是具有至少1W/m-K的热导率的导热塑料。在一些实施例中，导热塑料的使用移除针对附加热沉的需要。在一些实施例中，模制主体14是诸如具有至少10,000Ω-m的电阻率的塑料之类的材料，以便电隔离诸如引线16之类的布置在模制主体14内的部分。

在一些实施例中，利用电绝缘涂料46涂刷或涂敷模制主体14的一部分。例如，如图3中图示的，可以利用电绝缘涂料涂刷其中伸出引线16的模制主体的部分，使得模制主体14的导热塑料不与从模制主体14伸出的导电衬底18的部分直接接触。电绝缘涂料允许导电塑料或聚合物用作模制主体14。在一些实施例中，导电模制主体14可以用于提供电屏蔽以保护电路元件免受电磁干扰（EMI）和/或在电路利用非DC电波形驱动或在内部生成非DC电波形时减少或消除电噪声。

在一些实施例中，从诸如载有石墨的聚碳酸酯之类的导电聚合物模制主体14。导电模制主体14可以自身形成用于器件的电路的一部分，从而移除对于附加的分离组件的要求并且潜在地将热量分布到模制主体14中或者从模制主体14移除热量。

在一些实施例中，模制主体14包括外部表面上的散热片，其提供到周围空气的直接热学耦合。这些散热片可以使用本领域中公知的过程来设计以创建高效的热耗散结构。

如图3中图示的，在一些实施例中，模制主体14覆盖透镜42的至少一部分。模制主体14与透镜42的一部分直接接触。模制主体14典型地是不透明的，尽管在一些实施例中其可以是透明或半透明的。

图4和5是本发明的实施例的侧视图。图4从图5中所示的视图旋转90°。类似于图1和3中图示的结构，在图4和5中图示的结构中，作为LED附连到的导电衬底的一部分或者附连到该导电衬底的引线16从模制主体14的底部伸出。

对应于三组LED的透镜从模制主体14伸出。透镜58沿轴64从模制主体14的顶部伸出。透镜60沿与轴64呈120°的轴66从模制主体伸出。透镜62沿与轴64呈240°的轴68从模制主体伸出。因此，图4和5中图示的结构可以在三个不同方向上引导光。

透镜58、60和62中的每一个可以布置在单个LED或以行或任何其它合适的布置而布置的多个LED之上。在其中透镜58、60和62布置在多个LED之上的实施例中，透镜可以是单件，或者布置在每一个LED之上的单独透镜。例如，如图4中图示的，透镜58可以包括透镜50、52、54和56，其在四个LED之上对准。透镜50、52、54和56可以是分离地布置在各个LED之上的分离的透镜，或者包括所图示的四个圆顶的单个集成件。

如图5中图示的，透镜58、60和62不需要是相同形状。透镜的形状控制从结构发射的光的外观并且取决于应用。

单独应对图4和5中图示的结构中的多个LED的控制电路可以布置在模制主体14内，或者可以从所图示的结构分离。

图6图示了形成图1、3、4和5中图示的器件的方法。在过程72中，将LED附连到导电衬底。在一些实施例中，使用在暴露于典型的塑料模制温度（其例如可能在280-350℃的范围中）之下不失效的管芯附连技术来将LED芯片安装到导电衬底上。任何合适的材料可以用于将LED附连到导电衬底，诸如例如银管芯附连环氧树脂或易熔AuSn焊接剂。除了LED芯片之外，在一些实施例中，构成电路的其它结构也可以附连到衬底。在一些实施例中，在管芯附连之后，将一个或多个导线键合到LED和/或其它电路元件以完成到LED和/或其它电路元件的电连接。

在一些实施例中，在过程72之后，将透镜模制在LED之上。在一些实施例中，使用在经受塑料注射模制时维持至少一些其机械强度的透镜材料。诸如含铅电阻器或电导线或封装的半导体器件之类的附加组件可以在形成透镜之前或之后附连到导电衬底。

在形成透镜和附连任何非LED电组件之后，将整个组装件放置在诸如传统注射模制机之类的塑料模制机中。在过程74中，在一些实施例中在导电衬底、可选的非LED组件以及透镜的一部分之上模制聚合物。在一些实施例中，聚合物主体形成灯泡或灯的机械主体以及还有用于将来自LED和其它电组件的热量携带至周围空气或引线16的热沉二者。

存在针对本文所描述的实施例的许多合适应用。一些实施例可以用作可以插入到插座中的可更换灯泡。如果灯泡失效则可以更换灯泡，或者改变从插座发射的光的特性。一些实施例可以用于汽车照明。例如，图4和5中图示的实施例可以用作连线到车辆的完整灯或者用作可以以不可更换的方式进一步集成到灯中的车灯的子组件。合适的车辆应用的示例包括转向指示器、日间运行灯、头灯或尾灯。特别地，图4和5中图示的实施例可以用作车辆中的尾灯的一部分。透镜58、60和62中的一个或多个可以作为尾灯激活，透镜58、60和62中的一个或多个可以作为刹车灯激活，并且透镜58、60和62中的一个或多个可以作为倒车灯激活。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员将领会到，给定本公开内容，可以作出对本发明的修改而不脱离于本文所描述的发明概念的精神。因此，不意图将本发明的范围限于所图示和描述的具体实施例。

Claims (17)

1.一种用于照明的器件，包括：

安装在导电衬底上的发光二极管（LED）；

围绕所述发光二极管的侧面布置的电介质材料；

布置在所述发光二极管和所述电介质材料之上的透镜；以及

在导电衬底之上模制并且与透镜直接接触的聚合物主体；

其中，聚合物主体覆盖透镜的一部分，并且

其中，多个引线从聚合物主体的底部伸出，并且所述多个引线电连接到导电衬底或者是导电衬底的一部分。

2.权利要求1的器件，其中衬底是金属框架。

3.权利要求1的器件，其中聚合物主体是从聚碳酸酯、聚烯烃、PPA和PPS的组中选择的热塑料。

4.权利要求1的器件，其中聚合物主体是不透明的。

5.权利要求1的器件，其中所述多个引线与PAR16插座和P21插座中的一个兼容。

6.权利要求1的器件，还包括聚合物主体内的附连到导电衬底的非发光电子组件。

7.权利要求6的器件，其中非发光电子组件是静电放电保护电路、功率调节电路、驱动器电路、控制电路、含铅电阻器和含铅二极管中的一个。

8.权利要求1的器件，其中聚合物主体具有至少1瓦/米-开尔文的热导率。

9.权利要求1的器件，其中导电衬底是具有至少100瓦/米-开尔文的热导率的金属。

10.权利要求1的器件，其中透镜包括硅树脂和环氧树脂中的一个。

11.权利要求1的器件，其中导电衬底至少部分地涂敷有电绝缘涂层，使得聚合物主体不与导电衬底的在聚合物主体外部的部分直接接触。

12.权利要求1的器件，其中导电衬底延伸超出聚合物主体，并且其中导电衬底的延伸超出聚合物主体的部分包括用于电连接到发光二极管的电接触。

13.权利要求1的器件，其中聚合物主体具有至少10,000欧姆-米的电阻率。

14.一种包括权利要求1的器件的系统，系统使用在以下应用中的一个或多个中：

连线到车辆并且在车辆电路中充当成品灯装置的灯；

以不可更换的方式进一步集成到灯中的车灯的子组件；

用作车辆照明的灯。

15.一种用于制作照明器件的方法，包括：

将发光二极管（LED）附连到导电衬底；

围绕所述发光二极管的侧面布置电介质材料；以及

在发光二极管和导电衬底之上模制主体；

其中主体导热且电绝缘；

其中布置在发光二极管和电介质材料之上的透镜从主体伸出，并且

其中多个引线从主体的底部伸出，并且所述多个引线电连接到导电衬底或者是导电衬底的一部分。

16.权利要求15的方法，其中：

透镜与主体直接接触；

主体是不透明的塑料；并且

主体覆盖透镜的一部分。

17.权利要求15的方法，还包括将非发光电子组件附连到导电衬底，其中模制包括将非发光电子组件包封在主体内。