CN117859203A - Led阵列和led阵列光引擎的制造 - Google Patents

Abstract

本说明书公开了包括网格结构的LED阵列，该网格结构物理地且光学地将阵列中的相邻LED或LED组彼此隔离。该网格结构包括壁的布置，该壁的布置限定单元。阵列中的各个LED或LED组定位于该单元的不同单元内，并通过网格壁与相邻LED或LED组分开。本说明书还公开了此类LED阵列的制造方法。在这些制造方法中，网格结构形成为分立的整体式结构。LED或pcLED被布置在衬底(例如，印刷电路板)上并附接到该衬底，之后网格结构被附接到与LED或pcLED的布置一起登记的衬底。

Description

LED阵列和LED阵列光引擎的制造

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月25日提交的题为“Fabrication of LED Arrays andLEDArray LightEngines”(LED阵列和LED阵列光引擎的制造)的美国临时专利申请号63/215,361的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及发光二极管阵列、包括这种阵列的光引擎以及用于制造这种阵列和光引擎的方法。

背景技术

半导体发光二极管和激光二极管(本文统称为“LED”)是当前可用的最有效的光源之一。LED的发射光谱通常在某波长处表现出单个窄峰，该波长由装置的结构和构成装置的半导体材料的成分决定。通过适当选择装置结构和材料系统，LED可以设计为在紫外线、可见光或红外线波长下工作。

LED可以与一种或多种波长转换材料(本文中通常称为“磷光体”)组合，所述波长转换材料吸收LED发射的光并且作为响应发射更长波长的光。对于此类磷光体转换LED(“pcLED”)，LED发射的光中被磷光体吸收的部分取决于LED发射的光的光路中磷光体材料的量，例如取决于设置在LED上或周围的磷光体层中磷光体材料的浓度以及该层的厚度。磷光体转换LED可以设计为使得LED发出的所有光都被一种或多种磷光体吸收，在这种情况下，pcLED的发射完全来自磷光体。在这种情况下，可以选择磷光体以例如发射窄光谱区域中的光，该窄光谱区域并不有效地直接由LED产生。或者，pcLED可以被设计成使得只有LED发射的光的一部分被磷光体吸收，在这种情况下，来自pcLED的发射是LED发射的光和磷光体发射的光的混合。通过适当选择LED、磷光体和磷光体成分，这样的pcLED可以被设计成发射例如具有期望色温和期望显色特性的白光。

这样的LED和pcLED可以布置成阵列以用在例如显示器中、内部和外部的一般照明中(例如在建筑物和房屋中)、内部和外部的汽车照明(例如，前照灯和其他外部汽车照明)中和用于此类应用的光引擎中。本说明书使用术语“LED阵列”来包括LED、pcLED或LED与pcLED的组合的阵列。光引擎通常包括安装在例如印刷电路板上的LED阵列，其安装方式为该阵列提供了电气和机械固定，使其易于在应用(例如，照明器)中被固定就位。

发明内容

本说明书公开了包括网格结构的LED阵列，该网格结构物理地且光学地将阵列中的相邻LED或LED组彼此隔离。网格结构包括限定单元或开口的壁的布置。阵列中的各个LED或LED组位于该单元的不同单元内，并通过网格壁与相邻的LED或LED组分开。该网格结构可以减少阵列中的相邻像素之间的串扰(漏光)并提高相邻像素之间的对比度。

本说明书还公开了这种LED阵列的制造方法。在这些制造方法中，网格结构形成为分立的整体式结构。LED或pcLED布置到衬底(例如，印刷电路板)上并附接至衬底(例如，印刷电路板)，之后将网格结构附接到与LED或pcLED的布置一起登记的衬底，以将它们光学地和物理地隔离(如上所述)。

本文公开的LED阵列可以有利地用于例如上文背景技术部分或下文中所列出的任何装置和应用中。

当结合首先被简要地进行描述的附图并参考以下对本发明的更详细描述时，本发明的其他实施例、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得更加明晰。

附图说明

图1示出了示例性pcLED的示意性截面图。

图2A和2B分别示出了pcLED阵列的截面示意图和俯视示意图。

图3A示出了其上可以安装pcLED阵列的电子板的示意性顶视图，并且图3B类似地示出了安装在图3A的电子板上的pcLED阵列。

图4A示出了相对于波导和投影透镜布置的pcLED阵列的示意性截面图。图4B示出了与图4A类似的布置，但没有波导。

图5示意性地示出了包括自适应照明系统的示例性相机闪光系统。

图6示出了设置在具有LED阵列的衬底上的整体式网格的顶视图。

图7a-7c示出了具有整体式网格的LED阵列，其中该整体式网格具有倾斜侧壁。图7a示出了一种截面图，其中侧壁面朝上以在该单元的顶部处具有比在单元的底部处更大的发光开口，并且图7b示出了该网格的顶视图。图7c示出了一种截面图，其中侧壁向下面向衬底以在该单元的顶部具有比在该单元的底部更窄的发光开口。

图8a-8b示出了蚀刻晶片以制造网格中的单元的方法。图8a示出了带有掩模的晶片和带有蚀刻的单元的所得板的透视图。图8b示出了蚀刻的单元的截面图。

图9示出了非正方形的矩形2x1网格。

图10示出了用于容纳多个不同阵列而不是单个阵列的网格的顶视图。

图11示出了具有设置在LED上方以引导所发射的光的透镜的发光阵列。

图12a-12d示出了使用铸模形成整体式网格的过程。

具体实施方式

应参考附图来阅读以下详细描述，其中在所有不同的附图中相同的附图标记指代相同的元件。附图不一定按比例绘制并描绘了选择性实施例，并且附图不旨在限制本发明的范围。详细描述通过示例而非限制的方式示出了本发明的原理。

图1示出了单个pcLED 100的示例，该单个pcLED 100包括设置在衬底104上的发光半导体二极管结构102和设置在LED上的磷光体层106。发光半导体二极管结构102通常包括设置在n型层和p型层之间的有源区域。在二极管结构上施加合适的正向偏压会导致有源区域发光。所发射的光的波长由有源区域的成分和结构决定。

LED可以是例如发射蓝光、紫光或紫外光的III族氮化物LED。还可以使用由任何其他合适的材料系统形成并且发射任何其他合适波长的光的LED。其他合适的材料系统可以包括例如III族磷化物材料、III族砷化物材料和II-VI族材料。

取决于所期望的来自pcLED的光学输出，可以使用任何合适的磷光体材料。

图2A-2B分别示出了包括设置在衬底202上的磷光体像素106的pcLED 100的阵列200的截面图和顶视图。这样的阵列可以包括以任何合适的方式布置的任何合适数量的pcLED。在图示的示例中，阵列被描绘为在共享衬底上整体地形成，但是可选地，pcLED的阵列可以由分立的各个pcLED形成。衬底202可以可选地包括用于驱动LED的CMOS电路，并且可以由任何合适的材料形成。

尽管图2A-2B示出了三乘三阵列的九个pcLED，但是这样的阵列可以包括例如数十个、数百个或任何合适数量的LED。各个LED(像素)在阵列的平面中可以具有例如小于或等于1毫米(mm)、小于或等于500微米、或者小于或等于100微米的宽度(例如边长)。呈这种阵列状的各LED可以通过街道或小巷彼此间隔开，在阵列的平面中的街道或小巷的宽度例如大于一毫米、小于或等于一毫米、或者小于或等于500微米。尽管示出的示例示出了呈对称矩阵形式的矩形像素，但是像素和阵列可以具有任何合适的形状。

LED阵列中的各个LED可以是单独可寻址的，并且可以是作为阵列中像素的组或子集的一部分而可寻址的，或者可以是不可寻址的。因此，发光二极管阵列可用于任何需要光分布的细粒度的强度控制、空间控制和时间控制的应用，或可用于任何受益于光分布的细粒度的强度控制、空间控制和时间控制的应用。这些应用可以包括但不限于对从像素块或各个像素发射的光进行精确的特定图案化。根据应用，所发射的光可以在光谱上是不同的、随时间自适应性的和/或环境响应的。这种发光像素阵列可以提供针对各种强度图案、空间图案或时间图案的预编程的光分布。所发射的光可以至少部分地基于所接收的传感器数据并且可以用于光学无线通信。相关联的电子器件和光学器件在像素、像素块或设备级别上可能是不同的。

如图3A-3B所示，LED阵列200可安装在电子板300上，电子板300包括电力和控制模块302、传感器模块304以及LED附接区域306。电力和控制模块302可接收来自外部源的电力和控制信号以及来自传感器模块304的信号，电力和控制模块302基于这些信号来控制LED的操作。传感器模块304可以从任何合适的传感器接收信号，例如从温度或光传感器接收信号。或者，LED阵列200可以安装在与电力和控制模块以及传感器模块分开的分立板(未示出)上。

可选地，各个LED和pcLED可以并入位于磷光体层附近或设置在磷光体层上的透镜或其他光学元件或与其组合布置。这种光学元件(图中未示出)可以被称为“初级光学元件”。另外，如图4A-4B所示，LED阵列200(例如，安装在电子板300上)可以与次级光学元件(诸如波导、透镜或两者)组合地进行布置以用于预期的应用中，例如用于预准直器中。在图4A中，由pcLED 100发射的光被波导402收集并引导至投影透镜404。投影透镜404可以是例如菲涅耳透镜。该布置可适用于例如汽车内部照明、汽车前照灯和其他外部汽车照明。在图4B中，由pcLED 100发射的光由投影透镜404直接收集，而不使用中间波导。当LED或pcLED可以彼此间隔足够近时，这种布置可能特别合适。一般而言，取决于期望的应用，光学元件的任何合适的布置可以与本文描述的LED阵列组合使用。

可独立操作的LED的阵列可以与透镜、透镜系统或其他光学系统(例如，如上所述)结合使用，以提供适用于特定目的的照明。例如，在操作中，这样的自适应照明系统可以提供根据所照射的场景或物体的颜色和/或强度而变化的照明和/或瞄准期望的方向的照明。控制器可以被配置为接收指示场景中物体或人的位置和颜色特征的数据，并基于该信息控制LED阵列中的LED以提供适该场景的照明。此类数据可以由例如图像传感器、光学(例如激光扫描)或非光学(例如毫米雷达)传感器提供。这种自适应照明对于汽车和照明应用而言越来越重要。

图5示意性地示出了包括LED阵列和透镜系统502的示例性相机闪光系统500，其可以与上述系统类似或相同。闪光系统500还包括由诸如微处理器之类的控制器504控制的LED驱动器506。控制器504还可以耦接到相机507和传感器508，并且根据存储在存储器510中的指令和简档进行操作。相机507和自适应照明系统502可以由控制器504控制以匹配它们的视场。

传感器508可以包括例如位置传感器(例如陀螺仪和/或加速计)和/或可以用于确定系统500的位置、速度和取向的其他传感器。来自传感器的信号508可以被提供给控制器504以用于确定控制器504的适当的动作过程(例如，哪些LED当前正在照亮目标以及哪些LED将在预定时间量之后照亮目标)。

在操作中，来自502中的LED阵列的一些或所有像素的照明可以被调整–停用、以满强度操作、或以中间强度操作。502中的LED阵列发射的光的光束聚焦或转向可以通过激活像素的一个或多个子集来电子地执行，以允许光束形状的动态调整，而无需移动光学器件或改变照明设备中的透镜的焦点。

如上所述，本说明书公开了LED阵列以及制造这种阵列的方法，该LED阵列包括将阵列中的相邻LED或LED组物理地且光学地彼此隔离的网格结构。

图6示出了具有网格600、LED管芯610和衬底615的发光阵列的示例。管芯610以阵列形式布置在衬底615上。阵列结构可以例如是2x2、3x3、5x5或10x10的LED管芯的布置，或者是仅源于5x5到15x15或任何其他合适的布置。衬底可以是印刷电路板，并且可以是块(例如4”x4”)以促进可制造性。每个管芯可以是离散的管芯，例如，每个管芯是单独安装在衬底上的单个半导体二极管，而不是整体式分段的LED阵列。管芯可以是例如芯片级封装(CSP)的倒装芯片或具有引线接合电连接的横向管芯。每个管芯可以具有约100×100微米、500×500微米或任何其他合适的尺寸的尺寸。管芯可以单独地设置在网格的单元或开口620中，并且被布置成通过网格的单元的顶部开口从管芯的发光表面发射光。图6所示出的平面图径直地望向阵列中管芯的发光表面。管芯可以具有比单元面积更小的面积，例如小于单元面积的80％、小于单元面积的40％、小于单元面积的20％、或小于单元面积的15％。除了在单元的顶部和底部(分别与衬底615相对和面向衬底615)之外，管芯可以在所有侧面处被形成单元620的网格的侧壁所围绕。网格的侧壁可以是反射性的。在图6中，单元的侧壁相对于衬底的平面垂直并且与每个管芯的侧壁平行。然而，网格的侧壁可以不垂直于其上设置有网格的衬底，如下文进一步描述的。网格的侧壁可以以任何合适的节距布置。例如，节距可以是约1mm。管芯可以是0.5mm×0.5mm，位于1mm×1mm的单元中，其中网格壁为100-200微米厚，例如150-200微米厚。或者，在形成网格之后，可以将与网格的材料不同的材料设置在网格的侧壁上以提供反射侧壁。网格本身可以是单一材料或材料的复合物，例如硅、金属、聚硅氧烷、分散在聚硅氧烷中的氧化钛或其它聚合物、塑料和/或塑性树脂。

网格本身可以是整体式的，即，制作成单件或集成件。在将网格放置在衬底上之前，网格完全形成并且与衬底上的管芯的阵列分开地形成。网格的生产可能取决于用于形成它的材料。例如，可以通过在硅板或晶片中蚀刻正方形单元来形成硅网格。硅晶片可以是位于绝缘体上的硅的晶片，其包括硅-绝缘体-硅的交替层。在晶片上进行的蚀刻可以是湿法蚀刻或干法蚀刻。例如，可以使用湿KOH(氢氧化钾)沿<111>面或<110>面蚀刻硅，或者使用博世深反应性离子蚀刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching,DRIE)的干蚀刻工艺。图8示出了在晶片800上使用掩模810的湿法蚀刻。该蚀刻在<100>面上进行，以产生具有成角度的侧壁的单元620，该成角度的侧壁相对于晶片的顶部具有50-60°(例如54.7°)之间的非垂直角α。侧壁可以由<111>或<110>面限定。这样，网格厚度可以是任意的且易于控制(与阵列节距、侧壁等进行权衡)。或者，可以通过模具使用反射材料来形成网格。网格可以是分散在聚硅氧烷中的通过光刻进行图案化的TiOx。

在另一示例中，蚀刻的硅网格可以用作铸模以生成由其他材料(例如白色聚硅氧烷)制成的复制品。例如，如图12a-12d所示，可以通过以下方式生成铸模：通过蚀刻在硅晶片上制作截头金字塔形底座的阵列；将白色聚硅氧烷液体施加到晶片上直至该底座的顶部；以及固化白色聚硅氧烷以释放。蚀刻铸模1200以形成沟槽1210。铸模1200被放置在具有壁的保持器1220内以保持在树脂中，并且树脂1230被浇注到其上并进入沟槽1210中。树脂1230被固化并从铸模1200和保持器1220中释放。所得树脂1230具有沟槽1240。这些沟槽1240可以例如机械地被完全穿透，因此获得完全穿过网格厚度的单元，并且获得整体式网格。

在另一个示例中，网格可以由塑性板形成，其中单元是机械形成的，而不是化学蚀刻的，例如通过钻孔而形成。例如，当网格不是由蚀刻的硅形成时，其可以形成有垂直的侧壁。如果必要或期望的话，可以在制成单元之后涂覆网格的部分以提供反射侧壁。例如，网格可以用铝或其他金属进行金属化以提供反射侧壁。不同折射率材料的交替层，即分布式布拉格反射器(DBR)，也可以设置在单元中以提供反射侧壁。以这些不同的方式生产网格提供了一种成本有效的方式来确保LED阵列的光学性能。

完成的网格被放置并固定在组装的印刷电路板或其他衬底上。其上固定有网格的管芯阵列在网格形成之前或之后单独生产。可以通过拾取和放置管芯的附接方法来将管芯附接至衬底。管芯阵列可以通过印刷电路板以单个像素、行、列的形式或以任意组可寻址能力的形式进行电连接。例如，每个管芯610可以是单独可寻址的。另外或替代地，管芯可以以串的形式来寻址，即，可作为阵列的列或行来寻址。管芯可以是任何颜色，具体取决于阵列所需的输出(例如投影图像)，并且管芯可以具有反射光学侧涂层以确保最大顶部发射。例如，每个管芯可以是白色LED芯片。或者，它们可以是与布置在网格单元615中的磷光体结合使用的蓝色LED芯片以产生白光。

在将网格放置并固定在衬底上使得一个管芯位于网格中的每个单元中之后，可以在网格被放置就位之后使用磷光体集成技术将波长转换磷光体材料施加到阵列中的LED。例如，磷光体材料可以被逐一分配到网格中的各个单元中，或者通过淹没阵列、薄膜层压、刮刀涂覆或电泳沉积(EFD)来进行分配。所得的磷光体层可以填充该单元以与网格侧壁的顶部和/或设置在网格中的任何反射侧壁的顶部齐平，以覆盖与衬底相对的网格壁的边缘。或者，磷光体可以仅部分地填充网格的单元以具有低于网格顶表面的顶表面。各个(例如聚硅氧烷)透镜可以放置在阵列中每个像素的顶部以例如充当集成的准直透镜/预光学器件，从而将来自LED阵列的光耦合到设备中的后续光学元件中。如果需要，可以对所得的LED阵列进行单粒化(例如在磷光体固化后)以形成更小的LED阵列。

图7a-7c示出了具有非垂直侧壁和可选磷光体层720的网格。侧壁可以是网格600本身的侧壁，或者可以是已在网格上形成的不同于网格材料的金属或DBR的反射侧壁710。图7a示出了一种截面图，其中倾斜侧壁被定向为使单元620的顶部比单元620的底部(其与管芯610的底部齐平)更宽。在这个方向上，来自管芯的光，特别是入射到网格侧壁上的光，被向上引导以增加光提取。侧壁相对于磷光体层720的顶部的角度可以为50-60°，例如54.7°。图7a示出了在各单元620之间存在由网格侧壁或反射侧壁710形成的顶点。或者，相邻单元620之间的网格表面的顶部可以是平坦的(而不是尖的)并且平行于衬底的平面。图7b示出了在管芯610的顶部发光表面处观察的图7a中的装置的平面图。图7c示出了阵列的截面图，其中倾斜侧壁被定向为提供该单元620的相较其更宽的底部开口(其与管芯610的底部齐平)较窄的顶部开口。在这种情况下，网格可以被蚀刻成具有面向掩模的较宽“底部”，然后在蚀刻和/或形成可选的反射侧壁之后被倒置以具有面向衬底615的该较宽底部。这里，作为单元的顶部的光发射区域比单元的底部窄。这种较窄的顶部开口允许根据设计要求控制发光区域。如果在蚀刻单元以形成网格之后在单元620中形成反射侧壁，则在将网格600设置在LED阵列的衬底上之后，该反射侧壁可以被布置为不完全覆盖网格600的顶部(与衬底相对)。

网格600的高度(包括或不包括设置在网格上的侧壁710)可以大于管芯610的高度。或者，管芯可以具有与网格相同的高度，使得管芯的顶表面可以与网格的顶表面齐平。

图9描绘了2x1的网格。网格可以是通过湿法蚀刻制成的硅。网格可以是矩形但非正方形，并且可以由更大的和/或正方形的阵列制成，然后将其单粒化以提供2x1的网格。该网格可以具有倾斜的或垂直的侧壁以及围绕单元620的网格600的平坦顶表面。

图10描绘了网格，该网格不仅可以使阵列内的LED管芯彼此光学隔离，而且可以使多个LED阵列彼此光学隔离。所描绘的网格可以布置在九个分立的阵列上，但是可以容纳任何数量的阵列。相邻阵列之间和/或网格边界处的壁1020可以比阵列内的各个LED管芯之间的壁1010厚。

图11描绘了具有设置在衬底615上的管芯610阵列和设置在衬底上的网格600的发光阵列。微透镜阵列1110设置在LED上。图11示出了管芯将光如箭头所示发射到微透镜阵列1110中，微透镜阵列1110将不同颜色的光引导到不同的点。微透镜阵列可以具有与每个管芯相对应的一个透镜1120。或者，微透镜阵列可以具有与阵列中管芯数量不同数量的透镜。

本公开是说明性的而非限制性的。基于本公开，进一步的修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种发光二极管阵列的制作方法，所述方法包括：

形成限定多个单元的整体式网格；

在与该整体式网格分离的衬底上提供发光二极管(LED)的阵列；以及

将该整体式网格设置在该衬底上，使得每个所述单元围绕该LED中对应的一个LED。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述整体式网格是硅或包含硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述整体式网格是树脂或包含树脂。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述树脂是聚硅氧烷。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括：提供硅晶片；

其中，形成整体式网格包括湿法蚀刻或干法蚀刻硅晶片以形成该单元。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：提供塑性晶片；

其中形成整体式网格包括对硅晶片进行钻孔以形成该单元。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：对所述整体式网格的单元进行金属化以形成反射侧壁。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：将分布式布拉格反射器(DBR)设置在所述整体式网格的单元中以形成反射侧壁。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是印刷电路板，并且在所述衬底上提供所述发光二极管的阵列包括：通过拾取和放置将所述LED设置在所述衬底上。

10.一种发光二极管装置，包括：

衬底；

发光二极管(LED)的阵列，每个发光二极管包括发光表面，该阵列设置在该衬底上；

整体式网格，其设置在该衬底上并限定多个单元，在该多个单元中设置该发光二极管中的相应发光二极管，并使该相应发光二极管的发光表面面向该整体式网格外的相同方向。

11.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述LED是可一串一串地进行寻址的LED。

12.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述阵列是X*X阵列，其中X为5至15。

13.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述整体式网格是硅或包含硅。

14.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述整体式网格是树脂或包含树脂。

15.根据权利要求14所述的发光二极管，其中所述树脂是聚硅氧烷。

16.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述整体式网格的反射侧壁相对于其上设置有所述阵列的所述衬底的平面具有倾斜角度，并且与所述衬底相对的所述单元的顶部比面向该衬底的所述单元的底部具有更大的面积。

17.根据权利要求10所述的发光二极管，其中所述整体式网格的反射侧壁相对于其上设置有所述阵列的所述衬底的平面具有倾斜角度，并且与所述衬底相对的所述单元的顶部比面向该衬底的所述单元的底部具有更小的面积。

18.根据权利要求10所述的发光二极管，还包括反射侧壁，所述反射侧壁设置在所述整体式网格的单元中并且包括与所述整体式网格的材料不同的金属。

19.根据权利要求10所述的发光二极管，还包括反射侧壁，所述反射侧壁设置在所述整体式网格的单元中并且包括与所述整体式网格的材料不同的金属。

20.根据权利要求10所述的发光二极管，其中每个所述LED是离散的管芯并且所述衬底是印刷电路板。