CN111164769A - 制造发光器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造发光器件的方法，该方法具有提高的可靠性和效率。具体地，所公开的方法使用原子层沉积来改进陶瓷板和LED之间的热导率，减少有机污染的量，并提高发光器件的光学输出的效率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月3日提交的美国专利申请第15/668,173号和2018年1月19日提交的欧洲专利申请第18152555.1号的权益，其内容通过引用并入本文。
背景技术
本公开涉及一种制造发光器件的方法，该方法利用原子层沉积（ALD）将光转换板附接到发光二极管（LED）。
通常，在发光器件的制造中，LED磷光体以粉末或液体悬浮物沉积在有源光发射器上。为了改进磷光体均匀性并简化晶片、芯片规模或倒装芯片制造，还已经开发了分布在光透明陶瓷中的磷光体。这种陶瓷可以形成为板（或薄片），其中受控量的磷光体粉末被放置在模具中，并在压力下被加热，以将颗粒烧结在一起。可以使薄片在所有表面上都非常平滑，以适于附接。
通常，在发光器件的制造中，LED磷光体以粉末或液体悬浮物沉积在有源光发射器上。为了改进磷光体均匀性并简化晶片、芯片规模或倒装芯片制造，还已经开发了分布在光透明陶瓷中的磷光体。这种陶瓷可以形成为板（或薄片），其中受控量的磷光体粉末被放置在模具中，并在压力下被加热，以将颗粒烧结在一起。可以使薄片在所有表面上都非常平滑，以适于附接。
陶瓷薄片的一个示例是LumiramicTM。Lumiramic是由Ce（Ⅲ）掺杂的钇钆铝石榴石（Y,GdAG:Ce）的多晶陶瓷板形成的磷光体薄片。Lumiramic的技术特性在“Lumiramic：用于高性能固态光源的新磷光体技术”（Bechtel，Helmut，Peter Schmidt，Wolfgang Busselt和Baby S. Schreinemacher。“Lumiramic：用于高性能固态光源的新磷光体技术。”第八届国际固态照明会议（2008）：n. pag. 在线）中描述，其通过引用并入本文。
在一些应用中，Lumiramic板可以与蓝色LED组合，以产生5000 K相关色温范围内的白光。在一个汽车应用中，使用硅树脂聚合物胶将Lumiramic薄片胶粘到蓝色LED，硅树脂聚合物胶允许从磷光体层到LED和散热器中的热传导，以及提供蓝光到Lumiramic板中的光学耦合以形成白光。在其他应用中，使用表面活化接合技术将发光元件接合到Lumiramic板，表面活化接合技术依赖于利用离子束或等离子体在发光元件的接合表面上进行溅射蚀刻。
一种不需要粘合剂的接合技术是原子层沉积（ALD）。原子层沉积（ALD）是一种薄膜沉积方法的工艺，其中，通过将衬底的表面暴露于交替的前体气体来在衬底上生长膜。用来执行ALD的方法在本领域中是已知的，并且例如在“原子层沉积（ALD）：从前体到薄膜结构”（Leskeia，Markku和Mikko Ritala。“原子层沉积（ALD）：从前体到薄膜结构。”固体薄膜409.1(2002)：138-46.打印.）中被教导，其通过引用并入本文。
发明内容
一种制造发光器件的方法，其具有提高的可靠性和效率。具体地，所公开的方法使用原子层沉积来改进陶瓷板和LED之间的热导率，减少有机污染的量，并提高发光器件的光学输出的效率。
有机污染的减少和效率的提高对于薄膜侧涂覆LED架构可以是特别有用的。例如，Masui等人的世界知识产权组织公开2017023502 A1描述了基于薄膜侧涂覆LED架构的LED的示例，其可以受益于本公开的制造发光器件的方法，该文献通过引用并入本文。
附图说明
可以从以下结合附图以示例的方式给出的描述中获得更详细的理解，其中附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1描绘了使用现有技术方法制造的发光器件。
图2描绘了本发明的实施例的过程流程图。
图3A描绘了通过本发明的实施例形成的过程中的发光器件。
图3B描绘了通过本发明的实施例形成的过程中的发光器件。
图3C描绘了通过本发明的实施例形成的过程中的发光器件。
图4A描绘了示例粘合剂位置和图案。
图4B描绘了示例粘合剂位置和图案。
图4C描绘了示例粘合剂位置和图案。
图4D描绘了示例粘合剂位置和图案。
图5描绘了本发明的第二实施例的过程流程图。
图6A描绘了通过本发明的第二实施例形成的过程中的发光器件。
图6B描绘了通过本发明的第二实施例形成的过程中的发光器件。
具体实施方式
不同发光二极管（“LED”）实施方式的示例将在下文中参考附图更全面地描述。这些示例并不相互排斥，并且在一个示例中找到的特征可以与在一个或多个其他示例中找到的特征相组合，以实现额外的实施方式。因此，将理解，附图中所示的示例仅被提供用于说明目的，并且它们并不旨在以任何方式限制本公开。相同的数字自始至终指代相同的元件。
将理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，它可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，则不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，则不存在中间元件。将理解，除了图中所描绘的任何取向之外，这些术语旨在包含元件的不同取向。
诸如“之下”或“之上”或者“上面”或“下面”或者“水平”或“垂直”的相对术语在本文中可以用来描述如图中所图示的一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系。将理解，除了图中所描绘的取向之外，这些术语旨在包含器件的不同取向。
图1描绘了使用接合在板110和发光二极管120之间的聚合物胶层115形成的发光器件100。聚合物胶层115通过将聚合物胶层（诸如聚二甲基硅氧烷基硅树脂）施加到板110或发光二极管120，并且然后将板110和发光二极管120挤压在一起来形成。板110和发光二极管120之间的聚合物胶的挤压经常导致聚合物胶泄漏到板110或发光二极管120的侧壁上。泄漏的聚合物胶不利地影响发光器件100的光学效率。在利用电介质宽带镜（dielectric broadband mirror，DBM）的薄膜侧涂覆LED架构中，该不利影响尤其严重。
此外，在板110和发光二极管120之间包括聚合物胶层损害发光器件100的性能和可靠性。例如，在形成聚合物胶层115中使用的聚合物胶易于光热降解，因为聚合物胶可能有助于发光器件100中的有机污染或对其敏感。此外，聚合物胶也是差的热导体，并且通常具有大约0.2 W/mK的热导率。因此，聚合物胶层115不能够高效地将发光二极管120生成的热量传递到板110。此外，与板110的折射率（RI为1.8）和发光二极管120的折射率（取决于LED管芯架构，RI为1.8-2.5）相比，聚合物胶具有低折射率（RI）（大约1.42-1.54）。聚合物胶层115的低折射率导致更少的光被从发光二极管120传递到板110，这转变成具有更低效率的发光器件100。
图2描绘了用于创建发光器件300（图3A-3C中示出）的本发明的实施例的过程流程图。在步骤210中，将少量粘合剂315施加到板110或发光二极管120。少量粘合剂315具有比板110或发光二极管120的表面面积的表面面积小得多的面积。在步骤220中，使用少量粘合剂315附接板110和发光二极管120。一旦附接，板110和发光二极管120分开大约1 μm的距离。当板110和发光二极管120附接时，在板110和发光二极管120之间在没有施加粘合剂315的区域中形成间隙325。然后在步骤230中，执行透明材料335的ALD以填充间隙325。另外，在一些实施例中，可以在步骤240中在发光二极管120的侧壁上执行透明材料的ALD。
图3A是步骤220完成后发光器件300的图形描绘。具体地，图3A示出了通过少量粘合剂315连接到发光二极管120的板110。通过少量粘合剂315将板110连接到发光二极管120导致间隙325的形成。在一些实施例中，粘合剂315可以是硅树脂或溶胶-凝胶胶。在其他实施例中，粘合剂315可以是低熔点玻璃或透明粘合剂。
步骤230完成后的发光器件300在图3B中描绘出。图3B示出了已经通过ALD施加以填充间隙325的透明材料335。通过使用ALD来填充间隙325，可以补偿板110或发光二极管120中的平坦度、不规则性或轻微曲率。在一些实施例中，透明材料335可以是氧化铝（Al2O3）、氧化铌（Nb2O5）、氧化锆（ZrO2）或其他高折射率电介质。
在许多实施例中，选择透明材料335的折射率来匹配发光二极管120的折射率。选择具有与发光二极管120匹配的折射率的透明材料335可能是期望的，因为来自LED的光通常可能由于从较高折射率介质进入到较低折射率介质中的全内反射而被捕获。由于总是存在LED结构中光吸收的有限概率，因此这种光捕获导致光输出效率损失。通过匹配折射率，这种损失机制被减少或消除。
与硅树脂聚合物相比，ALD涂覆的电介质还可以具有更高的热导率（~3 W/mK）。“通过低温ALD生长的非晶Al2O3薄膜的高温热导率”（Cappella，Andrea，Jean-Luc Battaglia，Vincent Schick，Andrzej Kusiak，Alessio Lamperti，Claudia Wiemer和Bruno Hay。"通过低温ALD生长的非晶Al2O3薄膜的高温热导率。"先进工程材料15.11(2013):1046-050.打印.）中讨论了ALD涂覆的电介质的热特性，其通过引用并入本文。使用具有较高热导率的ALD涂覆的电介质可能是期望的，因为热量在Lumiramic层中生成，并且最高效的散热路径出现在通过接合层到二极管器件中。所有磷光体材料都在较高的温度和较高的通量强度下表现出高温下的效率损失或热淬灭。因此，Lumiramic或磷光体层的降低的温度导致白色LED的改进的光输出。
图3C描绘了步骤240完成后的发光器件300。在一些实施例中，步骤240可以省略或者与步骤230同时执行。图3C示出了沉积在发光二极管120的侧壁上的透明材料335。具有反射表面的侧壁覆盖物对于最大化光源的颜色均匀性以及帮助在前向方向上引导光是重要的。在诸如闪光LED或汽车前灯LED的应用中，高亮度LED通常需要这种颜色均匀性和方向性。
图4A、4B、4C和4D描绘了粘合剂315可以施加到板110或发光二极管120的不同图案和位置。可以选择施加粘合剂315的特定图案和位置，以便最小化ALD工艺没有完全填充间隙325的可能性。具有独立内部区域（诸如环形“孔”）的封闭图案不是优选的，因为ALD不会出现在内部区域中。
图5描绘了本发明的替代实施例的过程图。在该实施例中，板110固定在一机械支架中（步骤510），并且发光二极管120固定在一机械支架中（步骤520）。然后，板110和发光二极管120被定位以形成间隙625（图6A和6B中示出）。间隙625具有大约1 μm的厚度（步骤530）。然后，在步骤540中，执行透明材料335的ALD以填充间隙625。
在步骤530完成后的发光器件600在图6A中描绘出。图6B示出了在步骤540中执行透明材料335的ALD以填充间隙625之后的发光器件600。
在一些实施例中，板110可以是陶瓷磷光体板，诸如以玻璃或硅树脂基质制成的Lumiramic或磷光体填充的薄片。在一些实施例中，发光二极管120可以是垂直薄膜或薄膜倒装芯片，或者基于CSP倒装芯片的LED。
尽管以上以特定的组合描述了特征和元件，但是本领域普通技术人员将认识到，每个特征或元件可以单独使用或者与其他特征和元件以任意组合使用。此外，本文描述的方法可以在结合在计算机可读介质中以供计算机或处理器执行的计算机程序、软件或固件中实现。计算机可读介质的示例包括电子信号（通过有线或无线连接传输）和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储设备、磁介质（诸如内部硬盘和可移除盘）、磁光介质和光学介质（诸如CD-ROM盘和数字多功能盘（DVD））。
Claims (20)
1.一种发光器件，包括：
粘合剂，施加到陶瓷磷光体板的一部分，其中，所述陶瓷磷光体板的一部分具有比所述陶瓷磷光体板的表面面积更小的表面面积；
发光二极管，通过所述粘合剂附着到所述陶瓷磷光体板，其中，所述发光二极管和所述陶瓷磷光体板通过间隙分开；以及
在所述间隙中形成的透明材料。
2.根据权利要求1所述的发光器件，还包括：
在所述发光二极管的侧壁上的所述透明材料。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述粘合剂是硅树脂或溶胶-凝胶胶。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述粘合剂是低熔点玻璃。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述透明材料具有与所述发光二极管相同的折射率。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述透明材料是氧化铝或Al2O3。
7.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述陶瓷板的一部分包括多个离散区域。
8.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述陶瓷板的一部分具有基本上以十字形状的截面区域。
9.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述陶瓷板的一部分具有基本上以直线形状的截面区域。
10.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述陶瓷磷光体板是Lumiramic。
11.一种制造发光器件的方法，包括：
将粘合剂施加到陶瓷磷光体板的一部分，其中，所述陶瓷磷光体板的一部分具有比所述陶瓷磷光体板的表面面积更小的表面面积；
通过使用施加到所述陶瓷磷光体板的一部分的所述粘合剂将所述陶瓷磷光体板附着到发光二极管，在所述发光二极管和所述陶瓷磷光体板之间形成间隙；以及
通过原子层沉积利用透明材料填充所述间隙。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过原子层沉积利用所述透明材料涂覆所述发光二极管的侧壁。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述粘合剂是硅树脂或溶胶-凝胶胶。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述粘合剂是低熔点玻璃。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述透明材料具有与所述发光二极管相同的折射率。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述透明材料是氧化铝或Al2O3。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述陶瓷板的一部分包括多个离散区域。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述陶瓷板的一部分具有基本上以十字形状的截面区域。
19.根据权利要求11所述的制造方法，其中，所述陶瓷板的一部分具有基本上以直线形状的截面区域。
20.根据权利要求11所述的制造方法，其中，所述陶瓷磷光体板是Lumiramic。
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