CN110010746A - 具有磷光体转换器的无胶发光器件 - Google Patents

Abstract

多阶段层压过程用于将波长转换膜（220）层压到透明衬底（230），并且随后层压到发光元件（110）。波长转换膜（220）可以是未固化的磷光体嵌入的硅树脂聚合物，并且层压过程包括加热聚合物使得其粘附到透明衬底（230），但是不完全固化。切片/切分磷光体层压的透明衬底（230）并且将每一个经切分的衬底的波长转换膜（220）放置在每一个发光元件（110）上。然后经由加热将半固化的波长转换膜（220）层压到发光元件（110），从而固化磷光体膜。贯穿该过程，不使用胶合剂，并且没有引入与胶合材料相关联的光学损失。

Description

具有磷光体转换器的无胶发光器件

技术领域

本发明涉及发光器件的领域，并且特别地涉及包括磷光体转换器并且不使用胶合剂来将元件粘附在一起的发光器件。

背景技术

半导体发光器件的不断扩展的使用已经产生了针对这些器件的高度竞争性市场。在该市场中，性能和价格通常对于提供供应商之间的产品区别而言是重要的。减少光学损失并且因而增加光输出效率，提供改进的性能，如同改进光学质量。如果用于减少光学损失和/或改进光学质量的过程可以以较少的制造成本来执行，则性价比可以显著增加。

常规发光器件典型地包括若干分立元件，其用于产生具有所期望的光输出图案的期望颜色的光。在大多数实施例中，发光器件以特定波长发射光；波长转换元件，典型地磷光体材料，将所发射的光的一些或全部转换成一个或多个其它波长，使得复合光输出具有期望的颜色和色温；并且光学元件引导复合光输出以产生期望的光输出图案。为了引用的简易性，术语磷光体在本文中用作波长转换材料的同义词，尽管以与由发光元件发射的光的波长不同的波长发射光的任何材料都可以包括在该限定中。

在一些实施例中，光学元件包括波长转换材料，并且以提供所期望的光输出图案的形状而被成型在发光元件之上。然而，在这样的实施例中，难以维持一致的复合颜色输出，因为光学元件内的磷光体的特定浓度随批次而变化，并且通过发光元件的光发射的特定波长随晶片而变化。

在其它实施例中，产生预形成的波长转换膜并且每一个膜的波长转换特性经由测试确定。以相似的方式，每一个晶片的发光元件的波长特性经由测试确定。为了实现所期望的复合颜色输出，选择用于应用于晶片的发光元件的膜被选择成使得与特定晶片的发光元件的特性组合的膜的特性导致所期望的复合颜色输出。发光元件安置在具有元件之间的适当间隔的衬底上；膜被叠覆在衬底上的发光元件上，并且然后使用真空和热量的组合在发光元件之间的空间中被层压到发光元件和衬底以使膜符合发光元件和衬底并且粘附到发光元件和衬底。光学元件形成在具有层压的磷光体膜的发光元件之上。

预形成且预特征化的波长转换膜的使用提供通过每一个膜的特性与每一组发光元件的特性的匹配所产生的在发光器件之中的一致的复合颜色输出，但是是比在发光元件之上磷光体嵌入材料的成型更昂贵的过程。

在另一实施例中，典型地通过在玻璃中嵌入一个或多个磷光体创建预形成的波长转换板。如在以上预形成的膜实施例中那样，这些板可以被测试和特征化，并且匹配到发光元件的特定组以提供所期望的复合颜色输出。波长转换板被切片/切分以形成与发光元件的发光表面基本上相同尺寸的板片（platelet），然后胶合到每一个发光元件。光学元件形成在具有附着的磷光体板片的发光元件之上。

预特征化的波长转换板片的使用提供一致的颜色光输出，如在预特征化的波长转换膜的使用中那样，但是可以提供较低产品成本，因为相对昂贵的波长转换材料仅应用在发光表面之上，而不是在发光元件之间的空间之上。然而，在板片与发光元件之间引入胶合剂增加了制造复杂度，并且胶合材料引入了光学损失。此外，胶合材料一般具有欠佳的热传导性质，并且用来抑制由发光器件生成的热量向周围环境的耗散。

发明内容

将有利的是提供一种用于产生具有波长转换材料的发光器件的方法，该发光器件展现出具有最小光学损失的一致的复合颜色输出。如果该方法不引入附加的制造复杂度和/或成本则也将是有利的。如果该方法提供制造复杂度和/或成本方面的降低则将是进一步有利的。

为了更好地解决这些关切中的一个或多个，在本发明的实施例中，多阶段层压过程用于向透明衬底层压波长转换膜，并且随后向发光元件层压波长转换膜。波长转换膜可以是未经固化的磷光体嵌入的硅树脂聚合物，并且层压过程包括加热该聚合物，使得其粘附到玻璃衬底，但是不完全固化。经磷光体层压的玻璃衬底被切片/切分，并且每一个经切分的衬底的磷光体膜被放置在每一个发光元件上。半固化的磷光体膜然后经由加热而被层压到发光元件，从而固化磷光体膜。贯穿该过程，不使用胶合剂，并且没有引入与胶合材料相关联的光学损失。

附图说明

参照附图，进一步详细地并且通过示例的方式来解释本发明，其中：

图1A-1C图示了发光元件在衬底上的示例产生。

图2A-2D图示了波长转换膜在透明衬底上的示例层压，以及衬底的切片/切分以提供具有波长转换层压体的经切分的板片。

图3A-3D图示了具有波长转换层压体的经切分的板片到衬底上的发光元件的示例层压，以及反射材料在衬底上的每一个层压结构周围的成型。

图4图示了针对波长转换膜到透明衬底和到发光元件的多阶段层压以及随后反射材料在每一个层压结构周围的成型的示例流程图。

图5A-5B图示了示例可替换成形的透明衬底。

贯穿各图，相同的参考标号指示类似或对应的特征或功能。出于说明性目的而包括附图，并且附图不意在限制本发明的范围。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述具体细节，诸如特定架构、接口、技术等，以便提供对本发明的概念的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显然的是，本发明可以在脱离于这些具体细节的其它实施例中实践。以相似的方式，本说明书的文本针对如在图中图示的示例实施例，并且不意在超出明确包括在权利要求中的限制之外地限制所要求保护的发明。出于简化和清楚的目的，省略公知的器件、电路和方法的详细描述，以免以不必要的细节使本发明的说明书模糊不清。

图1A-1C图示了发光元件110在衬底130上的示例产生。发光元件110可以是各种各样的常规发光元件中的任一种，并且可以包括例如夹在N型和P型半导体层之间的有源发光层。接触垫120使得能够实现到发光元件110的外部电源连接。尽管发光元件110在“倒装芯片”配置中在一侧上具有两个接触件，但是诸如每一侧上一个接触件之类的其它合适的接触件配置包括在本发明的范围内。

发光元件110可以使用常规的拾取和放置过程而被放置在衬底130上，其中适当的空间160在发光元件之间，如图1A-1B中所图示的。衬底130可以是其上临时粘附发光元件110的表面；但是在许多实施例中，衬底130形成用于发光元件110的永久支撑物并且包括接触垫120典型地经由焊接耦合到的导体（未示出）。导体可以延伸通过衬底130以允许从衬底的下表面到发光元件110的外部接触。

为了提供对衬底130上的发光元件110的机械支撑，可以在发光元件110下方应用填充材料140。该填充材料140可以是反射性的以朝向发光元件110的上表面（所预期的发光表面）重定向光。

为了引用的简易性，衬底130上的发光结构在下文中被称为结构150。本领域技术人员将认识到，发光结构150可以包括与以上详述的元件不同的元件。

如以上所指出的，可以使用各种各样的技术中的任一种将波长转换材料添加到发光结构150。具有嵌入的磷光体的光学元件可以成型在结构150之上；预形成的磷光体嵌入的膜可以层压到衬底130，覆盖每一个结构150和这些结构之间的空间160；或者，磷光体嵌入的板片可以胶合到结构150的发光表面。

在本发明的实施例中，预形成且预特征化的磷光体嵌入的膜被层压到透明板，并且该板被切片/切分成与发光结构150的发光表面相同尺寸的板片。要特别指出的是，磷光体嵌入的膜是处于半固化（类B）状态的聚合物，并且层压过程使得聚合物在其被层压到玻璃板之后并未完全固化。在随后的层压过程中，将板片上的磷光体嵌入的膜层压到发光结构150的发光表面，并且在该过程中，聚合物完全固化。

图2A-2D图示了波长转换膜在透明衬底上的示例层压，以及透明衬底的切片/切分以提供具有层压的波长转换元件的经切分的板片。

在图2A中，将支撑释放层210上的预形成的波长转换膜220放置在透明衬底230上。波长转换膜220可以使用在2008年3月18日授予Haryanto Chandra并且通过引用并入本文的USP 7,344,952中所描述的过程来产生：

“薄磷光体片可以通过在叠覆平坦表面的非粘释放层上沉积硅树脂-磷光体混合物并且然后旋涂材料以形成均匀厚度的薄片来形成。薄片还可以通过在模具中沉积预定量的硅树脂-磷光体混合物，或者通过在释放层上喷涂预定量的材料来形成……

“在一个实施例中，磷光体片通过施加热量而部分固化，使得片是柔性的并且有些发粘。然后连同释放层一起从平坦表面移除该片。”（USP 7,344,952，第3栏，第66行-第4栏，第24行）。

可以测试波长转换膜220以确定其波长转换特性。在这样的实施例中，具有不同光输出特性（诸如所发射的光的不同特定波长）的发光元件基于这些特性而被“归类（bin）”，如同样在USP 7,344,952中所公开的那样。例如，如果发光元件发射具有450nm的标称波长的蓝光，所测试的发光元件可以被分组到如下四个类别1-4之一：1）440-445nm；2）445-450nm；3）450-455nm；以及4）455-460nm。基于波长转换膜的所测试的特性，标识适当的类别以用于与波长转换膜匹配以实现所期望的复合颜色输出。所期望的复合颜色输出可以是例如处于所期望的色温的白光。发光结构150的发光元件110中的每一个从所标识的类别获取以用于与特定波长转换膜220配对。可替换地，可以提供具有不同特性的多个波长转换膜，并且可以选择特定波长转换膜220以对应于发光结构150的特定发光元件110的特性以产生所期望的复合颜色输出。

透明衬底230可以是任何透明材料，包括玻璃、蓝宝石、塑料等，玻璃和蓝宝石一般比塑料优选，以得到更好的热学耗散。为了引用的简易性，术语“玻璃”和“板”在下文中被用作对发光元件110所发射的光和由波长转换膜220所发射的任何光透明的衬底的同义词。

在将波长转换膜220安置在透明衬底230上之后，通过施加热量、压力和真空来将膜220层压到衬底230。所施加的热量被控制以限制波长转换膜220的固化，并且针对具有140-160℃的固化温度的示例聚合物可以处于70-100℃的范围中。聚合物的粘弹性行为（G'-储能模量以及在损失与储能模量之间的TanDelta-比）限定需要施加到膜的热量。支撑释放片210可以在将波长转换膜220层压到透明衬底230之后移除，如图2B中所图示的。可选地，释放片210可以保留在波长转换膜220上，直到切片/切分过程（以下）之后，但是这将要求从每一个经切分的板片移除释放材料。

具有层压的波长转换膜220的透明衬底230可以放置在切片表面240上，并且被切片/切分，如图2C中所图示的，以产生包括层压到透明衬底（“板”）230的波长转换膜220的对应片段的各个“板片”250。这些板片250中的每一个可以成形为与发光结构150的发光表面基本上尺寸相同。标称地，衬底可以为大约50-200微米厚，并且波长转换膜可以在50和150微米厚之间。

图3A-3D图示了具有波长转换层压体的经切分的板片250到衬底上的发光结构150的示例层压，以及反射材料在衬底上的每一个层压结构周围的成型。

在图3A-3B中，使用例如（在半导体制造领域中常见的）具有加热台的常规拾取和放置机将具有层压波长转换材料220的各个板片250放置在发光结构150上。加热台的温度是大约120-150C，因而允许波长转换材料粘附到发光结构150。取决于层压膜中的聚合物的类型，最终固化可以花费1-4小时。

在图3C中，可以施加材料310以反射经转换的光，保护发光元件110和波长转换材料220以防环境影响，和/或向结果得到的器件提供结构支撑。

在图3D中，抛光包封材料310以暴露透明衬底元件230的发光表面235。微珠爆破或其它平面化技术可以用于实现包封材料310的该表面抛光。表面抛光还可以使衬底元件230的表面粗糙化，从而通过减少表面处的全内反射（TIR）来增加通过该表面的光输出效率。

包封材料可以反射发光元件110所发射的光以及波长转换膜220所发射的任何光。该材料布置成反射将以其它方式通过结构150和板片250的侧面逸出的光，使得其最终可以经由透明衬底230的发光表面235逸出。硅树脂和TiO2的混合物，具有20%或更多TiO2的浓度，提供高度反射性的包封材料310，尽管可以使用其它材料。

在暴露衬底元件230的发光表面之后，可以切片/切分衬底130和包封材料310，如通过图3D中的切割线320所图示的，以提供各个发光器件350。

可以预计到，结果得到的发光器件350由于匹配到衬底130上的发光元件110的特性的预形成且预特征化的波长转换膜220的使用而在器件350之中展现出一致的光输出特性。还可以预计到，器件350由于胶合层的缺失且由于反射材料310和140的存在而展现出高光输出效率。还可以预计到，器件350再次由于胶合层的缺失且由于具有高热学传导性的透明衬底230（诸如玻璃）的使用而展现出良好的热学耗散。

图4图示了针对波长转换膜到透明衬底和到发光元件的多阶段层压以及反射材料在每一个层压结构周围的随后成型的示例流程图。为了描述和理解的简易性，使用玻璃透明衬底的示例来呈现该过程，并且波长转换膜包括磷光体，诸如嵌入在硅树脂聚合物中的磷光体。

在410处，将磷光体膜层压到玻璃衬底上。层压可以通过将玻璃加热到70-100℃来实现，这将使磷光体膜处于半固化状态。

如果磷光体膜已经安置在支撑释放片上，该片可以在420处移除。然而，要指出的是，支撑片也可以在施加热量以将磷光体膜层压到玻璃之前移除。

在430处，切片/切分经磷光体层压的玻璃以提供尺寸设计成覆盖（在440处）提供在衬底上的发光元件的发光表面区域的各个磷光体-玻璃板片。

如上文所指出的，提供在衬底上的发光元件可以选择成具有匹配到磷光体膜的特性的发光特性以提供所期望的复合颜色输出；或者，特定磷光体膜可以选择成匹配发光元件的特性以提供所期望的复合颜色输出。

在450处，将玻璃-磷光体板片放置在衬底上的每一个发光元件上，其中磷光体与发光元件的发光表面直接接触。

在460处，通过以120-150℃施加热量来将玻璃-磷光体板片层压到发光元件。可选地，在450处将玻璃-磷光体板片放置在发光元件上之前，具有发光元件的衬底可以被预加热到该温度。

在470处，反射成型材料被施加以围绕衬底上的每一个层压的发光和波长转换结构，并且被允许和/或进一步处理以硬化成型材料。特定硬化过程将取决于所使用的特定成型材料。

在480处，如果成型材料遮挡玻璃-磷光体板片的发光表面，对该材料进行抛光以暴露玻璃-磷光体板片的表面。

在490处，切片/切分具有由成型材料围绕的发光和波长转换结构的衬底以形成各个发光器件。如上文所指出的，衬底一般包括延伸通过衬底的接触件，从而允许到发光元件的接触垫的外部接触。可替换地，如果衬底被提供为临时支撑物，其可以被移除以暴露接触垫。该移除可以发生在经包封的发光和波长转换结构的切片/切分之前，从而允许再用衬底。

在上文所呈现的示例实施例中，已经将透明衬底图示为具有平坦上表面和下表面的直线性的结构。在可替换的实施例中，透明衬底可以成形为通过其发光表面提供所期望的光输出图案。

图5A-5B图示了示例可替换成形的透明衬底。在这些示例中的每一个中，将波长转换膜220层压到透明衬底530的基本平坦表面，该表面与最终将形成所完成的发光器件（未示出）的发光表面的衬底530的表面510,520相对。

在图5A中，透明衬底530的发光表面510包括半球形圆顶，其用来允许光在宽范围的角度内离开表面510。

在图5B中，透明衬底530的发光表面520包括用来使离开表面520的光准直的成形轮廓。

本领域技术人员将认识到，透明衬底530的发光表面可以以各种各样的形状或图案形成，以便提供来自器件的所期望的光输出图案。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

例如，在其中将波长转换材料以液体/半液体形式沉积在透明衬底上，而不是释放膜，然后旋涂或以其它方式处理以形成所期望的厚度的涂层的实施例中操作本发明是可能的。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的参考标记，如果有的话，不应当解释为限制权利要求的范围。

Claims (16)

1.一种发光器件，包括：

在支撑衬底上的发光元件；以及

板片，其包括非发光透明衬底和在其上的波长转换膜，

板片设置在发光元件上，其中波长转换膜与发光元件直接接触。

2.权利要求1的发光器件，其中非发光衬底包括玻璃或蓝宝石中的一种。

3.权利要求1的发光器件，其中波长转换膜包括一种或多种磷光体。

4.权利要求3的发光器件，其中所述一种或多种磷光体嵌入在硅树脂聚合物中。

5.权利要求1的发光器件，其中波长转换膜包括硅树脂聚合物。

6.权利要求1的发光器件，其中非发光衬底包括与直接接触波长转换膜的表面相对的非平面表面。

7.权利要求1的发光器件，进一步包括围绕发光元件和板片的至少部分的反射材料。

8.权利要求7的发光器件，其中反射材料是硅树脂和TiO₂的混合物，其具有至少20%的TiO₂浓度。

9.权利要求1的发光器件，其中波长转换膜是预形成的。

10.一种产生发光器件的方法，包括：

在支撑衬底上提供多个发光元件；

将波长转换膜层压到透明衬底；

将透明衬底切片成多个板片；

将所述多个板片中的相应一个板片放置在每一个发光元件上，其中波长转换膜与相应的发光元件直接接触；以及

将所述多个板片中的所述相应一个板片层压到每一个发光元件。

11.权利要求10的方法，进一步包括：

施加反射成型材料以完全覆盖所述多个发光元件中的每一个，其中层压的波长转换层在支撑衬底上；以及

抛光反射成型材料以暴露透明衬底的表面。

12.权利要求11的方法，其中所述抛光包括微珠爆破。

13.权利要求11的方法，其中所述抛光使透明衬底的表面粗糙化，从而减少表面处的全内反射（TIR）。

14.权利要求10的方法，其中所述将波长转换膜层压到透明衬底在第一温度下执行，其将波长转换膜粘附到透明衬底但不完全固化波长转换膜。

15.权利要求14的方法，其中所述将所述多个板片中的所述相应一个板片层压到每一个发光元件在第二温度下执行，其既将波长转换膜直接粘附到相应的发光元件且完全固化波长转换膜。

16.权利要求10的方法，进一步包括在将波长转换膜层压到透明衬底之前形成波长转换膜。