TW201314971A - 發光裝置之加長型透鏡製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種發光裝置之加長型透鏡製造方法，其包括形成具有外部表面之加長型透鏡，以及施加光致發光材料於該透鏡之外部表面。

Description

發光裝置之加長型透鏡製造方法
本發明所揭示內容係關於發光裝置，尤其係關於發光裝置之加長型透鏡，以及此類透鏡和裝置之製造方法。
發光半導體，諸如發光二極體(light emitting diodes，LEDs)，係取代慣用光源諸如白熾和螢光燈之引人注目的替代物。LED大體上具有較白熾燈更高的光轉換效率，以及較兩種類型之慣用光源更長的生命期。此外，現在某些類型之LED具有較螢光光源更高的轉換效率，且在實驗室中已證實還有更高的轉換效率。最後，LED較螢光燈需求更低的電壓，故因此，提供各種節能效益。
LEDs在相對狹窄的光譜頻帶中產生光。為了提供慣用光源之適合的替代物，LED光源應產生白光。白光光源可由伴隨著光致發光(photoluminescent)材料諸如螢光體的藍光LED構成。來自該LED的該藍光在高能量激發該螢光體，導致該藍光之一部分轉換成較低能量黃光。藍光對黃光的比率可選擇使得該LED光源近似白光。
這些類型之光源在光萃取(extraction)方面存在技術性挑戰。介質吸收可阻止光線到達該LED之表面。因為在該LED和該周圍介質之間不匹配的折射率很大，在該 LED表面的臨界角通常很小，使到達該LED之表面的光線可能在內部反射。
將該螢光體遠離該LED配置可以減少吸收並增加光萃取。遠端螢光體亦經由降低螢光體之表面溫度而改良該色彩穩定性。然而，遠端螢光體之空間色彩分布可能很差。再者，光線之均勻度可能很低，且可能產生可見黃光環。
施加螢光體層於封裝一個或多個LED的透明凸透鏡係引人注目的解決方法。可以改良空間色彩分布，且可以達成更高的流明(lumen)輸出。然而，實現此程序很困難。螢光體之流動可能產生不均勻厚度層，且沉積於該凸透鏡之表面上的該等螢光體粒子可能黏著不佳。
在所揭示內容之一個態樣中，發光裝置之透鏡製造方法包括形成具有外部表面的透鏡，以及經由在流體化床(fluidizing bed)中讓該透鏡暴露於飛速光致發光材料(flying photoluminescent material)，施加光致發光材料於該透鏡之外部表面。
在所揭示內容之另一態樣中，發光裝置之透鏡製造方法包括形成具有外部表面的透鏡，該透鏡包含封裝材料，其中該透鏡之形成包含部分固化該封裝材料，以及當該封裝材料部分固化時，施加光致發光材料於該透鏡之外部表面。
在所揭示內容之又一態樣中，發光裝置之加長型透 鏡製造方法包括將封裝材料導入一加長型鑄模，將該鑄模放置於一個或多個發光半導體上方，部分固化該封裝材料，將該鑄模從該部分固化的封裝材料移除，以及在一流體化床中讓該部分固化的封裝材料暴露於飛速光致發光材料。
應可了解，熟習此項技術者從以下實施方式顯然可得知本發明之其他態樣，其中僅顯示並說明透鏡、發光裝置及製造方法之示例性配置。應可理解，本發明包括透鏡、發光裝置及製造方法之其他和不同態樣，且其多個細節能夠在各種其他方面修改而不悖離本發明之精神和範疇。據此，所附圖式和實施方式在本質上係視為例示性，而非限制性。
以下參照所附圖式更充分說明本發明，其中顯示本發明之各種態樣。然而，本發明可以許多不同的形式體現，且不應被理解為限制在所揭示內容描述的本發明的各種態樣。而是，提供這些態樣使得所揭示內容周密並完整，且可向熟習此項技術者充分傳達本發明之範疇。在所附圖式中所例示的本發明的各種態樣，可能並非成比例繪製。而是，各種特徵之該等尺寸為了清楚表示可能放大或縮小。此外，某些所附圖式為了清楚表示可能簡化。因此，所附圖式可能並未描繪出給定裝置或方法之所有該等組件。
於文中將參照本發明之理想化配置之示意例示的 圖式說明本發明之各種態樣。如此，舉例來說，可預期來自該等例示圖之該等形狀、製造技術和/或容差的變化例。因此，所揭示內容描述的本發明的各種態樣，不應被理解為限制在於文中所例示並說明的元件(例如區域、層、區段、基板、燈泡形狀等)之該等特定形狀，但包括起因於例如製造的形狀偏差。舉例來說，例示或說明為矩形的元件可在其邊緣具有圓形或彎曲特徵和/或濃度梯度，而非從一個元件至另一個的不連續改變。因此，在所附圖式中所例示的該等元件在本質上係示意性，且其形狀不欲例示元件之精確形狀，且不欲限制本發明之範疇。
應可了解，當元件諸如區域、層、區段、基板或此類被指稱為「在」另一元件「上(on)」時，其可以直接在該其他元件上，或者介於其間的元件亦可能存在。相對而言，當元件被指稱為「直接在」另一元件「上(directly on)」時，沒有介於其間的元件存在。應更可了解，當元件被指稱為在另一元件上「形成(formed)」時，其可以在該其他元件或介於其間的元件上生長、沉積、蝕刻、黏著、連接、耦合，或者製作或製造。
再者，如在所附圖式中所例示，相關用語諸如「較低(lower)」或「底部(bottom)」和「較高(upper)」或「頂端(top)」，於文中可用於說明一個元件對另一元件的關係。應可了解，除了在所附圖式中所描繪出的該面向之外，相關用語係欲涵蓋裝置之不同面向。舉例來說，若在所附圖式中的裝置上下顛倒，則說明為在其他元件之 「較低(lower)」側面上的元件，將被定向於該其他元件之「較高(upper)」側面上。該用語「較低(lower)」因此可以同時涵蓋「較低(lower)」和「較高(upper)」之面向，取決於該裝置之特定面向。同樣地，若在該圖式中的裝置上下顛倒，則說明為「在」其他元件「下方(below)」或「下面(beneath)」的元件將被定向「在」該等其他元件「上方(above)」。該等用語「在……下方(below)」或「在……下面(beneath)」因此可以同時涵蓋上方和下方之面向。
除非另外定義，於文中使用的所有用語(包括技術性和科學性用語)，皆具有如本發明所屬一般技術者普遍了解的相同意義。應可更了解，用語諸如在普遍使用的字典中所定義的那些，應被理解為所具有的意義與其在該相關技術和所揭示內容之上下文中的意義一致。
如於文中所使用，該等單數形「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」係欲亦包括該等複數形，除非該上下文明顯另有所指。應更可了解，當在此說明書中使用該等用語「包含(comprises)」和/或「包含(comprising)」時，明確說明所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件之存在，但並未排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其群組之存在或附加。該用語「和/或(and/or)」包括一個或多個該等相關所列出項目之任何和所有組合。
現在將描述發光裝置之各種態樣、發光裝置之透鏡及製造方法。然而，熟習此項技術者顯然可察知，這些 態樣可延伸至其他裝置、透鏡及製程而不悖離本發明之範疇。所揭示內容描述的該等發光裝置之各種配置，可提供慣用光源包括例如白熾、螢光、鹵素、石英、高密度放電(high-density discharge,HID)及霓虹燈或燈泡之直接取代。該等發光裝置可使用發光半導體諸如發光二極體(LED)或其他組件為光源。LEDs係已習知光源，故因此將僅簡要討論以提供本發明之完整說明。
第一圖係概念性剖面圖，其例示LED 100之範例。LED係植入或摻雜雜質的半導體材料。這些雜質添加「電子(electrons)」和「電洞(holes)」於該半導體，其可以在該材料中相對自由移動。依雜質之類型而定，該半導體之摻雜區域可以主要是電子或主要是電洞，且各別被指稱為n型或p型半導體區域。參照第一圖，該LED 100包括一n型半導體區域102和一p型半導體區域106，然而該LED 100可包括其他層或區域(未顯示)，其包括但不限制在緩衝層、晶核層、接觸層及電流擴散層或區域，以及光萃取層。反向電場在介於該等兩個區域之間的該接合處形成，其使得該等電子和電洞離開該接合處以形成一主動區域104。當足以克服該反向電場的正向電壓通過一對電極108、110橫跨施加於該PN接合處時，電子和電洞被迫進入該主動區域104並重新結合。當電子和電洞重新結合時，其降至較低能階並以光線之形式釋放能量。
第二圖係概念性剖面圖，其例示發光裝置之範例。該發光裝置200顯示有包含一LED陣列202的光源。該 LED陣列202可具有各種形式。舉例來說，該LED陣列可由包含赤裸的、未封裝的LEDs或晶片的半導體LED晶圓建構。這些LED晶片亦被指稱為「晶粒(dies)」。個別LED晶片100可經由此項技術已習知的方法貼附於基板204(例如印刷電路板)。該所產生的LED陣列202有時被指稱為「板上連接式晶片封裝(chip-on-board)」LED陣列。該等LED晶片100之該等接腳或接點或實際表面可黏著於在該基板204上的導電路徑(未顯示)。這些導電路徑以並聯和/或串聯方式連接該等LED晶片100。該印刷電路板204可能係可以提供支援給該等LED晶片100之任何適合的材料。
加長型透鏡之各種態樣將與有關第二圖之發光裝置中所顯示的該板上晶片LED陣列(chip-on-board LED array)來描述。然而，熟習此項技術者顯然可察知，這些態樣可延伸至其他發光半導體設置。更具體而言，所揭示內容描述的加長型透鏡的各種態樣，可延伸至需求透鏡的一個或多個發光半導體之任何適合的設置。
在第二圖中所顯示的該配置中，該加長型透鏡206包括一基底208，其含有該LED陣列200。該加長型透鏡206顯示有一管狀部分，其沿著一延長軸從該基底208延伸至一圓頂形末端210，然而，可依該具體應用和強加於該裝置上的該等整體設計限制來採用透鏡形狀。當該光源基本上係面光源而非點光源時，此類透鏡可較簡單半球形透鏡提供更多光線。如於文中所使用，該用語「加長型透鏡(elongated lens)」意指相對於該基板之垂 直軸是延長軸的透鏡。在此類加長型透鏡之配置中，該加長尺寸對該橫向尺寸之比率可介於1.25和2.5之間。舉例來說，在該透鏡之配置中，該延長軸可介於10和20 mm(毫米)之間，且該橫向尺寸介於8-10 mm之間。當然，可使用其他尺寸，且熟習此項技術者顯然能夠依所揭示內容描述的內容，決定最適合任何特定應用的該透鏡之尺寸。
該加長型透鏡206可自一封裝材料形成，諸如環氧樹脂(epoxy)、矽膠(silicone)或其他適合的透明材料。在一加長型透鏡206之配置中，該封裝材料包含一層狀結構，其中材料之折射率從該透鏡206之基底208朝向該圓頂末端210逐漸或逐步降低。此配置可增加光萃取並提供發出光線之更均勻分布。選擇性導入像是燻過的氧化鋁(fumed alumina)或二氧化矽(silica)的某些光散射非吸收粒子亦可以幫助控制沿著該透鏡206的光線均勻度。
該加長型透鏡206可具有施加於其表面的光致發光材料212。該光致發光材料212可能係沉積於一載體(例如矽膠)中的螢光體、螢光體粒子，或者任何其他適合的光致發光材料。光致發光材料之非限制範例包含散佈於載體諸如矽膠、環氧樹脂或其他合適的材料的螢光體粒子。該光致發光材料之遠端放置可提供增加的光萃取和流明輸出，同時將該發光裝置200之尺寸保持於最小。舉例來說，相較於該LED陣列設計成至少2.5倍小於該透鏡之橫向尺寸的慣用光源，此配置可用於支援在具有 300 mil(密耳)之工作面積的小型封裝中的相對大型晶片(例如60x60 mil)，其在該透鏡之基底占用幾乎所有面積，以提供最佳光萃取。有光致發光材料212薄層的該加長型透鏡206之大型表面面積，亦可藉由空氣對流提供該材料212之有效冷卻，使其與有共形(conformal)塗佈的螢光體的元件一樣熱穩定，其中該熱透過基板和散熱座散逸。此可讓慣用陶瓷或印刷電路板基板能夠使用，而非金屬(銅或鋁)，其更相容於其他電子組件並在安裝和組裝上允許更多選項。在某種程度上以後將更詳細說明，該光致發光材料212可施加於該加長型透鏡206，其厚度介於0.3和0.5 mm之間，或也可為其他適合的厚度。
在一發光裝置200之配置中，可使用一反射元件以達成光線之更均勻分布。第三圖係概念性剖面圖，其例示有一反射元件302的發光裝置200之範例。在此配置中，該反射元件302在該加長型透鏡206之基底208環繞該LED陣列202在周圍延伸。該反射元件302顯示具有圓柱形外壁和雙曲線內壁，但可能有不同的設計。在一些配置中，可使用多個反射元件而非單一反射元件。熟習此項技術者顯然能夠依該特定應用和該發光裝置200上的該等整體設計限制而定，從本說明的教示決定該最佳反射元件設計。在發光裝置200之配置中，漫射反射元件(diffuse reflector)可用於散射從在該透鏡206之基底的該LED陣列202所發出的該光線。
可使用各種方法製造有加長型透鏡的發光裝置。這 些方法可用於形成加長型透鏡並施加光致發光材料於該透鏡之外部表面。以下將描述兩個示例性方法，其在有良好黏性特性的該加長型透鏡上提供光致發光材料之均勻層，然而，熟習此項技術者顯然可了解，可使用其他製造方法。
該第一方法係一種覆蓋成型程序(over-molding process)，其將參照第四圖進行描述。經由此程序，藉由覆蓋成型以填入LEDs陣列的該基板形成一透明的矽膠透鏡。可使用具有強力黏性特性適合材料，例如矽膠。該矽在部分固化時，可進一步具有剩餘黏結(tacky)之特性。一種適合該覆蓋成型程序的矽膠之非限制的例子是信越化學工業株式會社(Shin Etsu Chemical Co.,Ltd.)所製造的KER2500。
參見第四圖，一封裝材料，例如矽膠、環氧樹脂或其他適合的材料，可在步驟402中導入一加長型鑄模。在此範例中，該加長型鑄模係有一圓頂末端的管狀形狀，但依該透鏡之具體設計而定，該鑄模可以是係其他形狀。在步驟404中，一旦將該封裝材料導入該鑄模，則該鑄模隨後放置於有封裝該LED陣列的材料的基板上方。接著，在步驟406中，該封裝材料部分固化直到該材料堅實但黏結為止。舉例來說，在使用KER2500矽膠材料製造透鏡之程序中，該材料可藉由加熱10分鐘至15分鐘而部分固化。充分固化此矽膠材料的時間係1小時至2小時。隨後在步驟408中，一旦該封裝材料部分固化，則移除該鑄模，留下封裝該LED陣列之部 分固化的加長型透鏡。
光致發光材料層隨後可使用第二鑄模施加於該部分固化的封裝材料，其在所有尺寸上皆較用於該透鏡的鑄模大0.3 mm至0.5 mm。在步驟410中，將足以覆蓋該透鏡的光致發光材料導入該第二鑄模。光致發光材料之非限制範例包含螢光體粒子，其遍佈例如矽膠、環氧樹脂或其他適合的材料的載體而散布。在步驟412中，該第二鑄模隨後放置於有該光致發光材料覆蓋該透鏡的該基板上方。該光致發光材料在步驟414中固化直到硬化。該第二鑄模隨後在步驟416中移除，留下有光致發光材料之薄均勻塗佈的加長型透鏡。
將參照第五圖進行描述的該第二方法係使用流體化床的塗佈程序。在此程序中，該加長型透鏡可藉由稍早所說明的相同程序或藉由其他方法形成。亦即，在步驟502中將封裝材料導入加長型鑄模。該鑄模隨後在步驟504中放置於有封裝該LED陣列的材料的該基板上方。接著，在步驟506中，該封裝材料部分固化直到該材料係堅實但黏結。該鑄模隨後在步驟508中移除，留下封裝該LED陣列的部分固化的加長型透鏡。
在步驟510中，該部分固化的透鏡隨後藉由流體化床或其他適合的方法暴露於光致發光材料。舉例來說，該部分固化的透鏡可在流體化床中暴露於飛速螢光體粒子。該等飛速螢光體粒子黏於該黏結的透鏡，因此形成光致發光材料之一薄塗層。此方法通常提供較薄層之光致發光材料，其藉由空氣對流可以更有效冷卻，且由 於在該光致發光材料和該封裝材料之間沒有內部反射，故傳送更多光線。然而，色彩控制可能更難達成，尤其當使用超過一個螢光體來形成光致發光層時。
所揭示內容的各種態樣乃為了使一般技術者能夠實作本發明。熟習此項技術者顯示可得知，所揭示內容描述的態樣之各種修飾，且於文中所揭示的該等概念可延伸至其他發光裝置和透鏡。因此，所申請專利範圍不欲被限制在所揭示的各種態樣，而係欲涵蓋與所申請專利範圍的語言一致的全部範疇。所揭示內容描述的各種態樣之元件的所有結構性和功能性相等物，無論一般技術者已習知或以後將習知，特意提及以納入文中，且欲涵蓋在所申請專利範圍內。再者，於文中所揭示內容皆不欲獻給大眾，不論這樣的揭示內容是否明確陳述於所申請專利範圍內。所申請專利範圍的要素皆不欲以美國聯邦法35 U.S.C.§112第六段的條款解釋，除非該要素明白使用片語「……的手段(means for)」，或在申請方法專利的情況下，該要素使用片語「……的步驟(step for)」。
100‧‧‧LED；LED晶片
102‧‧‧n型半導體區域
104‧‧‧主動區域
106‧‧‧p型半導體區域
108、110‧‧‧一對電極
200‧‧‧發光裝置
202‧‧‧LED陣列
204‧‧‧基板；印刷電路板
206‧‧‧加長型透鏡；透鏡
208‧‧‧基底
210‧‧‧圓頂形末端；圓頂末端
212‧‧‧光致發光材料
302‧‧‧反射元件
本發明之各種態樣在所附圖式中經由範例而非經由限制例示，其中：第一圖係概念性剖面圖，其例示LED之範例；第二圖係概念性剖面圖，其例示有加長型透鏡之發光裝置的範例；第三圖係概念性剖面圖，其例示有加長型透鏡和反射元件之發光裝置的範例；第四圖係概念性流程圖，其例示有加長型透鏡之發光裝置的第一方法之該等步驟；第五圖係概念性流程圖，其例示有加長型透鏡之發光裝置的第二方法之該等步驟。
200‧‧‧LED；LED晶片
202‧‧‧LED陣列
204‧‧‧基板
206‧‧‧加長型透鏡
208‧‧‧基底
210‧‧‧圓頂末端
212‧‧‧光致發光材料

Claims (14)

  1. 一種發光裝置之透鏡製造方法，其包含：形成具有一外部表面之一透鏡；以及藉由在一流體化床中讓該透鏡暴露於飛速光致發光材料，以施加一光致發光材料於該透鏡之該外部表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該透鏡之形成包含封裝一個或多個發光半導體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該透鏡包含封裝材料。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該封裝材料包含複數層，其包括該等層之一第一層，其具有一第一折射率，以及該等層之一第二層，其具有一第二折射率，該等層之該第一層介於該等層之該第二層和該透鏡之基底之間，且其中該第一折射率小於該第二折射率。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該透鏡之形成包含在該封裝材料中散布複數個光散射粒子。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該透鏡之形成包含將封裝材料導入一鑄模，將該鑄模放置於一個或多個發光半導體上方，以及部分固化該封裝材料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置之透鏡製造 方法，其中當該封裝材料部分固化時，施加該光致發光材料於該透鏡之外部表面。
  8. 一種發光裝置之透鏡製造方法，其包含：形成具有一外部表面之一透鏡，該透鏡包含封裝材料，其中該透鏡之形成包含部分固化該封裝材料；以及當該封裝材料部分固化時，施加一光致發光材料於該透鏡之外部表面。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中施加該光致發光材料於該透鏡之外部表面包含讓該部分固化的封裝材料暴露於該光致發光材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該部分固化的封裝材料在一流體化床中暴露於飛速光致發光材料。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該透鏡之形成包含封裝一個或多個發光半導體。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置之透鏡製造方法，其中該封裝材料包含複數層，其包括該等層之一第一層，其具有一第一折射率，以及該等層之一第二層，其具有一第二折射率，該等層之該第一層介於該等層之該第二層和該透鏡之基底之間，且其中該第一折射率小於該第二折射率。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置之透鏡製造 方法，其中該透鏡之形成包含在該封裝材料中散布複數個光散射粒子。
  14. 一種發光裝置之加長型透鏡製造方法，其包含：將封裝材料導入一加長型鑄模；將該鑄模放置於一個或多個發光半導體上方；部分固化該封裝材料；從該部分固化的封裝材料移除該鑄模；以及在一流體化床中讓該部分固化的封裝材料暴露於飛速光致發光材料。
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