JP2020061574A - Ｌｅｄを取り囲む全内部反射レイヤを伴うｌｅｄのためのサブストレート - Google Patents
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Abstract
【課題】パッケージされたＬＥＤである。【解決手段】パッケージされたＬＥＤは、サブストレート表面上にマウントされたＬＥＤダイを含んでいる。低屈折率材料による第１レイヤが、サブストレート表面上で、ダイを取り囲んで形成される。より高い屈折率の材料によるレンズが、ＬＥＤダイと第１レイヤの上にモールドされる。レンズと第１レイヤのインターフェイスは、臨界角より大きな角度でＬＥＤ光が突き当たる場合に、スネルの法則に従って、全内部反射（ＴＩＲ）によって光を反射する。第１レイヤは、低屈折率のエポキシ、シリコーン、または他の材料であってよい。別の実施例において、ＬＥＤダイを取り囲むレイヤは、ＴＩＲための空気／レンズのインターフェイスを創成するように、レンズが形成された後で処理される。ＬＥＤダイは、蛍光体レイヤを含んでよく、インターフェイスで反射され、サブストレート表面により吸収されない、より多くの側面光を結果として生じる。【選択図】 図３
Description
本発明は、サブストレート上にマウントされた発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。特定的には、光取り出し効率を改善するために、ＬＥＤを取り囲むサブストレートの反射性を改善する技術に関する。
図１は、サブマウント１２の上にマウントされた従来のフリップチップＬＥＤダイ１０を示している。フリップチップにおいては、ｎとｐ両方の電極がＬＥＤダイの底面において形成されている。
ＬＥＤダイ１０は、半導体エピタキシャルレイヤで形成されており、サファイアサブストレートといった、成長サブストレートの上で成長した、ｎレイヤ１４、活性レイヤ１５、およびｐレイヤ１６を含んでいる。図１において成長サブストレートは、レーザリフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）、エッチング（ｅｔｈｉｎｇ）、グライディング（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）、または他の技術によって、取り除かれている。一つの実施例において、エピタキシャルレイヤは、ＧａＮベースであり、そして、活性レイヤ１５は青色光を発する。
作成済み（ｐｒｅ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ）の蛍光体タイル１７が、ＬＥＤダイ１０の上面にわたり、シリコーンまたは他の透明な接着剤（図示なし）によって貼り付けられている。白色光のために、タイル１７は、ＹＡＧ蛍光体で形成されてよく、黄色光を発する。青色ＬＥＤ光のいくらかは、タイル１７を通じて漏れ、そして、黄色光と混合する。より温かい白色を作成するために、赤色蛍光体レイヤが追加されてよい。
金属電極１８は、ｐレイヤ１６と電気的に接触しており、そして、金属電極２０は、ｎレイヤ１４と電気的に接触している。一つの実施例において、電極１８と２０は、金パッド（ｇｏｌｄ ｐａｄ）であり、セラミック製サブマウント１２上でアノードおよびカソード金属パッド２２と２３に対して超音波溶接（ｕｌｔｒｓｏｎｉｃａｌｌｙ ｗｅｌｄｅｄ）されている。サブマウント１２は、プリント回路基板への接合のために、底面金属パッド２６と２８に至る導電性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）ビア（ｖｉａ）を有している。
米国特許第８５３６６０８号は、現在の譲受人に対して譲渡され、ここにおいて参照により包含されているが、サブマウント１２の表面に貼り付けられ、かつ、ＬＥＤダイ１０を取り囲んでいる反射性リング（例えば、Ｒ＞９０％）の使用を説明している。リング２９は、スパッタされたアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）レイヤといった、反射性材料で形成されている。リング２９は、蛍光体タイル１７と活性レイヤ１５によって下向きに生成された光を反射する（例えば、光線３２と３３）。サブマウントは、典型的には、セラミック、ケイ素、または、他の光吸収材料であり、そうして、リング２９は、効率を増すように、パッケージによる光の吸収を低減する。
ＬＥＤダイ１０、蛍光体タイル１７、およびリング２９は、次に、モールドされた、透明な半球レンズ３４によってカプセル化（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ）される。シリコーンで形成されたといったものであり、ＬＥＤダイ１０を保護し、かつ、光取り出し効率を増加させる。レンズ３４の屈折率（例えば、ｎ＝１．５）は、典型的には、空気の屈折率と種々のＬＥＤレイヤの屈折率との間である。
リング２９の反射性が比較的に高いとはいえ、それは１００％ではない。従って、リング２９によるいくらかの光吸収が未だに存在している。さらに、リング２９材料の外エッジ（ｏｕｔｅｒ ｅｄｇｅ）は、レンズ３４のエッジの以前に終了する必要がある。レンズ３４とサブマウント面との間の良好な気密（ｈｅｒｍｅｔｉｃ ｓｅａｌ）を確保するためである。従って、リング２９のエッジとレンズ３４のエッジとの間で、いくらかの光の散乱および吸収が存在している。さらに、金属リングを形成することは、比較的に複雑であり、かつ、パッケージについてコストを追加する。
必要なものは、ＬＥＤダイおよび蛍光体タイルからのより下向きの光さえ反射するための技術である。
サブストレート上にマウントされたＬＥＤダイを取り囲んでいる反射性材料からなるリングの代わりに、全内部反射（ＴＩＲ）を使用する絶縁性リングが使用される。ＴＩＲを用いると、反射は１００％である。
一つの実施例においては、絶縁材料の滑らかで、薄いレイヤがサブストレート表面上で、かつ、ＬＥＤダイの周りに形成される。その材料は、カプセル化しているレンズ材料の屈折率（例えば、ｎ＝１．５）より小さい屈折率（例えば、ｎ＜１．４）を有している。材料は、サブストレート表面およびレンズ材料に対して非常に良好な付着性を有している。材料は、防湿（ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｐｒｏｏｆ）であり、レンズのエッジを越えて拡がってよい。
臨界角（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｎｇｌｅ）より大きい角度でレンズと低屈折率材料とのインターフェイス上に突き当たっているあらゆる蛍光体またはＬＥＤの光は、実質的に１００％の反射率でインターフェイスで反射する。低屈折率材料は、反射性金属よりも、デポジットするのが簡素である。低屈折率材料は、レンズのエッジを越えて拡がり得るので、あらゆるエッジにおいて光の散乱は存在せず、そして、最大量の光が反射される。さらに、材料は絶縁性であり、ミスアライメント（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）による電極の短絡（ｓｈｏｒｔ）に関する問題は存在しない。
低屈折率材料自身が、また、拡散白色レイヤ（ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ ｗｈｉｔｅ ｌａｙｅｒ）といった、反射性である場合、臨界角より小さい角度で突き当たっているあらゆる光は、ＴＩＲ以外によって反射されて、サブストレートによって吸収されない。そうした白色レイヤは、ＴｉＯ２パーティクルを含んでいる低屈折率のエポキシであってよい。
別の実施例においては、密封された空気のレイヤ（ｎ＝１）が、サブストレート表面上で、かつ、ＬＥＤダイの周りに形成される。最大のＴＩＲと最小の臨界角を達成するためである。空気のレイヤは、ＬＥＤダイ領域の周りに刻み目を有するようにサブストレートをモールドすることによって形成され得る。レンズをモールドする以前に、刻み目は材料で満たされており、材料はレンズ材料が刻み目の中に満たされることを初期的に防いでいる。レンズが形成された後で、材料は、エアーギャップを創成するために蒸発、溶解、または収縮される。空気／レンズのインターフェイスは、優秀なＴＩＲインターフェイスを形成する。
別の実施例において、エアーギャップは、大部分が空気である多孔性の絶縁材料によって形成される。
別の実施例においては、親水性タイプ（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ−ｔｙｐｅ）の材料が、刻まれたリング（堀（ｍｏａｔ））の中といった、ＬＥＤダイの周りにデポジットされる。それにより、モールドされたレンズ材料は、親水性タイプの材料には付着しないが、そのマッピングラインのサブストレート表面に対して付着する。レンズが形成された後で、親水性タイプの材料は、次に、熱または紫外線（ＵＶ）光を用いてキュアされて、レンズから離れて収縮する。このことは、残っている親水性タイプの材料とレンズとの間に非常に薄いエアーギャップを結果として生じ、ＴＩＲインターフェイスを創成する。一つの適切な親水性タイプの材料は、油（ｏｉｌ）である。
本発明は、フリップチップＬＥＤ（両方の電極が底面にある）、垂直方向ＬＥＤ（一つの電極が上面にあり一つの電極が底面にある）、および横方向ＬＥＤ（両方の電極が上面にある）を含む、あらゆるタイプのＬＥＤダイのパッケージに対して適用される。本発明は、また、蛍光体変換ＬＥＤ（ｐｃ−ＬＥＤ）および非ｐｃ−ＬＥＤにも適用される。ｐｃ−ＬＥＤについて、蛍光体は、タイルとしてＬＥＤダイの上面に貼り付けられ、または、ＬＥＤダイの上面と側面をカバーしてよい。ｐｃ−ＬＥＤを用いると、本発明を使用することによって、より多くの側面光と、従って、より多くの効率向上が存在する。
サブストレートは、ＬＥＤダイとプリント回路基板との間のインターポーザ（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ）として使用されるサブマウントであってよい。
種々の図面において同一または類似のエレメントは、同一の数字を用いてラベル付けされる。
図２は、金属製反射性リングが、シリコーンレンズ３４の屈折率より低い屈折率を有する絶縁レイヤ４０に置き換えられたことを除いて、図１に類似した、パッケージされたＬＥＤモジュールを示している。レンズ３４の屈折率が１．５−１．６であると仮定すると、レイヤ４０は、望ましくは、１．４より小さい屈折率を有する。しかしながら、レンズ材料よりも小さいあらゆる屈折率が、インターフェイスにおけるＴＩＲを創成するであろう。屈折率の違いは、臨界角（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｎｇｌｅ）を決定する。望ましい実施例において、屈折率の違いは、少なくとも０．４である。レイヤ４０は、エポキシ、シリコーン、または、他の適切な材料によって形成されてよい。そうしたエポキシおよびシリコーンは、商業的に利用可能であり、下に１．３８までの屈折率を選択することができる。例えば、メチルベース（ｍｅｔｈｙｌ−ｂａｓｅｄ）のシリコーンは、屈折率が１．４である。そうした材料は、防湿（ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｐｒｏｏｆ）であり、かつ、レンズ材料とサブストレート表面に上手く付着するので、レイヤ４０は、ＬＥＤダイ１０の周りのサブストレート１２の表面全体にわたりデポジット（ｄｅｐｏｓｉｔ）されてよく、そして、レンズ３４が、レイヤ４０の上に直接的にモールドされてよい。従って、エッジ効果は存在せず、そいて、最大の反射性領域が存在する。
レイヤ４０は、ＬＥＤダイ領域の上にマスクを使用して、ＬＥＤ１０ダイの取り付け以前にサブストレート１２に対してデポジットされてよい。代替的に、「リフトオフ」レイヤが、ＬＥＤダイ１０の上にデポジットされてよく、レイヤ４０のブランケットデポジション（ｂｌａｎｋｅｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が後に続く。リフトオフ材料は、次に、溶解され（ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ）、そして、ＬＥＤダイ１０の上のレイヤ４０部分が取り外される。
レイヤ４０とレンズ３４との間のインターフェイスだけがＴＩＲについて関係するので、レイヤ４０はあらゆる厚さであってよい。例えば、レイヤ４０は、３ミクロンより薄くてよい。インターフェイスは、最大のＴＩＲのために、できる限り平滑であるべきである。
図２は、吸収がなくＴＩＲを使用してインターフェイスに反射している光線３２Ａと３３Ａを図示している。蛍光体タイル１７と活性レイヤ１５からの下向き光の圧倒的多数がレイヤ４０に関して浅い角度であるので、入射光は臨界角より大きな角度で突き当り、そして、スネルの法則（Ｓｎｅｌｌ’ｓ Ｌａｗ）に従ってＴＩＲにより反射される。サブストレートの金属パッド２２と２３は、反射性であってよく（例えば、ＡｌまたはＡｇ）、そして、ＬＥＤダイ１０の下から外へ延びてよい。臨界角より小さな角度において光を反射するためである。レイヤ４０は、ＬＥＤ１０の下から外に延びるパッド２２と２３のあらゆる部分の上に形成されてよい。
ＬＥＤ１０は、残りの構造体に関して、かなり、実際のデバイスにおけるよりも、より厚く、かつ、より広く示されている。実際のデバイスにおいて、ＬＥＤダイ１０は、たった１０ミクロンより低い高さであってよく、そして、その幅は０，５ｍｍより小さくてよい。半球レンズ３４は、約５ｍｍの直径であってよい。
パッケージから外へ反射される光の量を増加させる目的を達成するために、レイヤ４０について蛍光体の使用は必要とされない。蛍光体タイル１７（または、他のタイプの蛍光体レイヤ）がより厚ければ、より多くの側面光（ｓｉｄｅ ｌｉｇｈｔ）が生成され、かつ、レイヤ４０によって反射される。
ＬＥＤダイ１０は、フリップチップとして示されているが、ＬＥＤダイは、代わりに、垂直方向または横方向のＬＥＤであってよく、サブストレート上の金属パッドに接続されている一つまたはそれ以上のワイヤーボンド（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄ）を伴っている。ワイヤーはレンズ３４によってカプセル化されている。ＬＥＤダイのフットプリントを越えて拡がる金属パッド（例えば、ワイヤーボンドパッド）が存在する場合、レイヤ４０は、ワイヤーボンディングが行われた後で、これらのパッドの上にデポジットされてよい。
別の実施例において、レイヤ４０は、図１に示されるように、反射性金属リング２９の上に形成されてもよい。レイヤ４０を通過する臨界角より小さい角度におけるあらゆる光がリング２９によって反射されるようにである。
図３と図４は、パッケージされたＬＥＤモジュールを示しており、ＬＥＤダイ１０を取り囲む低屈折率レイヤは空気である。
図３において、サブストレート１２は、ＬＥＤダイ１０の周りに円形の堀４４（刻み目）を含むようにモールドされる。堀は、レンズ３４のエッジの前で終了している。堀４４は、平坦な上面を有する材料で満たされており、レンズ３４がその上にモールドされるときに、滑らかなインターフェイス表面を提供する。材料は、レンズ材料から蒸発、溶解、収縮するタイプのものであり、もしくは、キュアリング（ｃｕｒｉｎｇ）の後で多孔性になるものである。材料を蒸発させるために、レーザアブレーション（ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ）も、また、使用されてよい。サブストレート１２の上にレンズ３４がモールドされた後で、堀４４の中の材料がキュアされる。材料が、レンズ３４から離れて、蒸発、溶解、収縮し、もしくは、多孔性である場合に、堀４４は、空気４６または別の低屈折率ガスを用いて主として満たされる。空気／レンズのインターフェイスは、そして、屈折率において最大の差異を有し、幅広い範囲の光角度にわたりＴＩＲを提供する。堀４４を使用することによって、平坦な表面を有する材料の正確な量が提供され得る。光線３２Ｂと３３Ｂは、空気／レンズのインターフェイスで反射しているものと示されている。
一つの実施例において、堀４４はゾルゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）で満たされている。ゾルゲルは、よく知られており、そして、ゲルを形成するための溶媒の中にナノパーティクル（ｎａｎｏ−ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含んでいる。レンズ３４が形成された後で、溶媒は熱によって乾燥され、いくらかの収縮とナノパーティクルによって形成された結晶（ｃｒｙｓｔａｌ）を結果として生じている。結果としてレイヤは、レンズ３４の下にエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）を創成する。
エアーギャップは、また、図１の反射性金属リング２９の上にも創成されてよく、エアーギャップを貫通しているあらゆる光線がリング２９によって反射される。
図４は、図３に類似しているが、油（ｏｉｌ）といった、親水性タイプ（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ−ｔｙｐｅ）の材料を、形成されるべきエアーギャップを伴う領域においてデポジットすることによって形成される。そうした親水性タイプの材料は、シリコーンまたは他のレンズ材料への付着を妨げることが知られている。レンズが形成された後で、レンズ３４はサブストレート１２の表面に接着されるが、親水性タイプの材料には付着しない。親水性タイプの材料は、次に、収縮するように熱せられ、または、そうでなければキュアされて、図４に示されるエアーギャップを残している。別の実施例において、親水性タイプの材料は、図３における堀４４を満たしてよく、そして、キュアリングの最中に収縮するとき、親水性タイプの材料がレンズ３４から引き離し、エアーギャップを創成している。光線３２Ｃと３３Ｃは、空気／レンズのインターフェイスで反射しているものと示されている。
処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）が、多くのＬＥＤダイを支持しているサブストレートウェファの上で実行される場合、サブストレート１２は、次に、個々のＬＥＤ／サブストレートを形成するために単一化される。ここでは、種々の図が個別のＬＥＤ／サブストレートを表わすことができる。
サブストレート１２は、実施例において、ＬＥＤダイとプリント回路基板（ＰＣＢ）との間のサブマウントインターポーザ（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ）であるが、ＰＣＢといった、あらゆるサブストレートが使用されてよい。
本発明の所定の実施例が示され、説明されてきたが、当業者にとっては、変更および変形が、本発明の範囲から逸脱することなく、より広い態様においてなされ得ること、かつ、従って、添付の特許請求の範囲は、全てのそうした変更および変形を本発明の真の主旨および範囲内にあるものとして包含するものであることが、明らかであろう。
Claims (20)
- 発光デバイスであって、
サブストレートの表面上にマウントされた発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
前記サブストレートの前記表面上にあり、かつ、前記ＬＥＤダイを取り囲んでいる第１レイヤであり、該第１レイヤはガスレイヤを有する第１材料を含み、該第１材料は第１屈折率を有する、第１レイヤと、
前記ＬＥＤダイをカプセル化し、かつ、前記サブストレートの前記表面において拡がっているレンズであり、該レンズは第２材料を含み、該第２材料は第２屈折率を有し、該第２材料はシリコーンを含み、前記第１材料と前記第２材料は前記ＬＥＤダイを取り囲んでいるインターフェイスにおいて接触しており、前記第１屈折率は第２屈折率より小さい、レンズと、
前記サブストレートの前記表面上に形成された第２レイヤであり、前記レンズから収縮して、前記第１材料を含んでいるギャップを形成する、
デバイス。 - 前記シリコーンは、１．５より大きい屈折率を有する、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記第１レイヤは、前記レンズの外縁の下に延在する、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記第１レイヤの周囲は、前記レンズの内側にある、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記ガスは、空気を含む、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記第１屈折率と前記第２屈折率との間の差異は、少なくとも０．４である、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記サブストレートの前記表面は、サブマウント表面である、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記ＬＥＤダイは、蛍光体レイヤを含み、
前記蛍光体レイヤから発せられた光の少なくとも一部分は、全内部反射（ＴＩＲ）によって前記インターフェイスで反射する、
請求項１に記載のデバイス。 - 前記サブストレートの前記表面は、前記ＬＥＤダイを取り囲んでいる凹みを有し、
前記凹みの少なくとも一部分は前記第１材料を含む、
請求項１に記載のデバイス。 - 発光デバイスであって、
サブストレートの表面上にマウントされた発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
前記サブストレートの前記表面上にあり、かつ、前記ＬＥＤダイを取り囲んでいる第１レイヤであり、該第１レイヤはガスレイヤを有する第１材料を含み、該第１材料は第１屈折率を有する、第１レイヤと、
前記ＬＥＤダイをカプセル化し、かつ、前記サブストレートの前記表面において拡がっているレンズであり、該レンズは第２材料を含み、該第２材料は第２屈折率を有し、該第２材料はシリコーンを含み、前記第２材料と前記第１材料は前記ＬＥＤダイを取り囲んでいるインターフェイスにおいて接触しており、前記第１屈折率は第２屈折率より小さい、レンズと、
前記サブストレートの前記表面上に形成された多孔性レイヤであり、該多孔性レイヤは前記第１材料を含んでいる、
デバイス。 - 発光デバイスを形成する方法であって、
サブストレートの表面上にマウントされた発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを備えるステップと、
前記サブストレートの前記表面上に第１材料を含む第１レイヤを形成するステップと、
前記ＬＥＤダイの上で、かつ、前記第１レイヤの上にレンズを形成するステップであり、該レンズは第２材料を含み、該第２材料は屈折率を有している、ステップと、
前記レンズが形成された後で、前記サブストレートの前記表面と前記第２材料との間にガスを含んでいるギャップを生じさせるように前記第１レイヤを処理するステップであり、前記ガスが前記第２材料に接触する場所にインターフェイスが作成され、かつ、前記ガスの屈折率は、前記第２材料の前記屈折率よりも小さい、ステップと、
を含む、方法。 - 発光デバイスを形成する方法であって、
サブストレートの上面におけて金属パッドに対して電気的に接続されている発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを備えるステップと、
前記サブストレートの前記上面の下に底面を有する堀を形成するために、前記ＬＥＤダイに隣接する前記サブストレートの一部分を除去するステップと、
第１材料の上面が前記サブストレートの前記上面と同一平面にあるように、前記堀を前記第１材料で満たすステップと、
前記ＬＥＤダイ、前記第１材料の前記上面、および前記サブストレートの前記上面の上に、第２材料を含んでいるレンズを形成するステップと、
前記レンズが形成された後で、前記堀においてガスを形成させるように第１レイヤを処理するステップであり、前記堀の屈折率は、前記第２材料の前記屈折率よりも小さい、ステップと、
を含む、方法。 - 前記レンズの外縁は、前記堀の外縁を越えて前記サブストレート上で横方向に延在する、
請求項１２に記載の方法。 - 前記第１レイヤを処理するステップは、高温キュアリングを含む、
請求項１２に記載の方法。 - 前記第１レイヤを処理するステップは、レーザアブレーションを含む、
請求項１２に記載の方法。 - 前記第１レイヤを処理するステップは、
前記堀がガスを含むように、前記第１材料を蒸発させる、
請求項１２に記載の方法。 - 前記第１レイヤを処理するステップは、
前記第１材料と前記第２材料との間にガスレイヤを形成するように、前記第２材料から前記第１材料を収縮させる、
請求項１２に記載の方法。 - 前記第１レイヤを処理するステップは、
前記第１材料を多孔性にさせる、
請求項１２に記載の方法。 - 前記堀は、金属リングの上に形成されている、
請求項１２に記載の方法。 - 前記ＬＥＤダイは、蛍光体レイヤを含み、
前記蛍光体レイヤから発せられた光の少なくとも一部分は、全内部反射（ＴＩＲ）によって前記第１材料と前記第２材料とのインターフェイスで反射する、
請求項１２に記載の方法。
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