TWI481072B - 發光裝置及方法 - Google Patents

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TWI481072B
TWI481072B TW100141889A TW100141889A TWI481072B TW I481072 B TWI481072 B TW I481072B TW 100141889 A TW100141889 A TW 100141889A TW 100141889 A TW100141889 A TW 100141889A TW I481072 B TWI481072 B TW I481072B
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Christopher P Hussell
Peter S Andrews
Jesse C Reiherzer
David T Emerson
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Cree Inc
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Description

發光裝置及方法
本文所揭示之標的物大體而言係關於發光裝置及方法。更特定而言,本文所揭示之標的物係關於包含至少一個發光二極體(LED)圖案及/或陣列之發光裝置及方法。
本申請案主張於2010年11月22號提出申請之美國臨時專利申請案序列號61/416,184及於2011年5月10號提出申請之美國專利申請案序列號13/104,558之權益,該等申請案之揭示內容以全文引用之方式併入本文中。本申請案係關於在2010年11月22日提出申請之美國設計專利申請案序列號29/379,636,在2011年2月16日提出申請之美國部分接續專利申請案序列號13/028,972及在2011年10月26日提出申請之美國專利申請案序列號13/282,172。
可在用於提供白色光(例如,感知為白色或接近白色)之封裝中利用發光裝置(諸如發光二極體(LED)),且該等發光裝置發展為白熾燈、螢光燈及金屬鹵化物高強度放電(HID)燈產品之替代品。一LED裝置之一代表性實例包含具有至少一個LED晶片之一裝置,可用一磷光體(諸如,例如釔鋁石榴石(YAG))來塗佈該LED晶片之一部分。該磷光體塗佈可將自一或多個LED晶片發射之光轉換成白色光。舉例而言,LED晶片可發射具有期望波長之光,且舉例而言,磷光體又可發射具有約550 nm之一峰值波長之黃色螢光。一觀察者將光發射之混合物感知為白色光。作為磷光體轉換之白色光之一替代方案,可在一個裝置或封裝或裝置中組合紅色、綠色及藍色(RGB)波長之發光裝置以產生感知為白色之光。
儘管在市場上可購得各種LED裝置及方法,但仍需要適用於工業及商業照明產品及替換習用光源(諸如,例如50瓦特至100瓦特HID及高瓦特數緊湊式螢光(CFL)燈、戶外照明產品、家用照明設備及改裝式燈泡)之經改良之裝置及經改良之裝置可製造性。仍需要適用於低至高電壓應用範圍之經改良之裝置。本文所闡述之LED裝置及方法可有利地增強光輸出效能且適應各種低至高電壓應用同時提高製造便易性。
根據本發明,提供良好地適合用於各種應用之新穎發光裝置及方法(包括工業及商業照明產品)。因此,本發明之一目的係提供經最佳化以增強光輸出效能並適應各種低至高電壓應用同時提供能量節省之包含至少一個發光裝置圖案、配置及/或陣列之發光裝置及方法。
藉由本文所揭示之標的物至少全部或部分地達成自本文之發明可顯而易見之本發明之此等及其他目的。
在本說明書之剩餘部分中(包括參照隨附圖)更特定地陳述本標的物之一全面及授權之揭示內容,包括熟習此項技術者所習知之其最佳模式。
現在將詳細參照本文之標的物之可能態樣或實施例,該等可能態樣或實施例之一或多個實例係展示於該等圖中。提供每一實例來闡述該標的物且不提供為一限制。實際上,圖解說明或闡述為一項實施例之部分之特徵可用於另一實施例中以產出又一另外實施例。本文所揭示及預想之標的物意欲涵蓋此等修改形式及變化形式。
如在各個圖中所圖解說明,相對於其他結構或部分誇大某些大小之結構或部分以用於圖解說明之目的,且因此該等某些大小之結構或部分經提供以圖解說明本標的物之通用結構。此外,參照正形成於其他結構、部分或兩者上之一結構或一部分來闡述本標的物之各種態樣。如熟習此項技術者將瞭解,參照正形成於另一結構或部分「上」或「上方」之一結構預期可介入額外結構、部分或兩者。在沒有一介入結構或部分之情形下參照正形成於另一結構或部分「上」之一結構或一部分在本文中闡述為正「直接」形成於該結構或部分「上」。類似地,將理解,當稱一元件正「連接」、「附接」或「耦合」至另一元件時,其可直接連接、附接或耦合至另一元件,或可存在介入元件。相反,當稱一元件正「直接連接」、「直接附接」或「直接耦合」至另一元件時,則不存在介入元件。
此外,在本文中使用諸如「上」、「上方」、「上部」、「頂部」、「下部」或「底部」之相對術語以如該等圖中所圖解說明而闡述一個結構或部分與另一結構或部分之關係。將理解,除該等圖中所繪示之定向之外,諸如「上」、「上方」、「上部」、「頂部」、「下部」或「底部」之相對術語還意欲涵蓋不同裝置定向。舉例而言,若倒轉該等圖中之裝置,則闡述為在其他結構或部分「上方」之結構或部分現在將定向為該等其他結構或部分之「下方」。同樣,若該等圖中之裝置沿一軸線旋轉,則闡述為在其他結構或部分「上方」之結構或部分現在將定向為「靠近」該等其他結構或部分或在其「左邊」。通篇中相同編號指代相同元件。
根據本文中所闡述之實施例之發光裝置可包含製作於一生長基板(例如,碳化矽基板)上之基於III-V族氮化物(例如,氮化鎵)之發光二極體(LED)或雷射,諸如Durham,North Carolina之Cree公司所製造並出售之彼等裝置。舉例而言,本文中所論述之碳化矽(SiC)基板/層可係4H多型碳化矽基板/層。然而,可使用其他碳化矽候選多型體,諸如3C、6H、及15R多型體。適當SiC基板可自本文標的物之受讓人N.C.,Durham之Cree公司購得,且用於生產此等基板之方法陳述於科學文獻中以及若干個共同讓與之美國專利中,該等美國專利包括(但不限於)美國專利第Re.34,861號、美國專利第4,946,547號及美國專利第5,200,022號,該等專利之揭示內容以全文引用方式併入本文中。
如本文中所使用,術語「III族氮化物」係指形成於氮與週期表中III族中之一或多個元素(通常係鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In))之間的彼等半導體化合物。該術語亦係指二價、三價及四價化合物,諸如GaN、AlGaN及AlInGaN。該等III族元素可與氮組合以形成二價(例如,GaN)、三價(例如,AlGaN)及四價(例如,AlInGaN)化合物。此等化合物可具有其中一莫耳氮與總共一莫耳III族元素組合之經驗式。因此,常常使用分子式(諸如Alx Ga1-x N,其中1>x>0)來闡述此等化合物。用於III族氮化物之磊晶生長之技術已合理良好地發展且報道於適當科學文獻中。
雖然本文中所揭示之LED之各種實施例包含一生長基板,但熟習此項技術者將理解,可移除其上生長包含一LED之磊晶層之結晶磊晶生長基板,且該等獨立磊晶層可安裝於一替代載體基板或基臺上,該替代載體基板或基台可具有比原始基板更佳之熱、電、結構及/或光學特性。本文中所闡述之標的物並不限於具有結晶磊晶生長基板之結構且可結合其中已自其原始生長基板移除該等磊晶層並將其接合至替代載體基板之結構而使用。
舉例而言,根據本標的物之某些實施例之基於III族氮化物之LED可製作於生長基板(諸如一個碳化矽基板)上以提供水平裝置(其中兩個電觸點皆位於該LED之一相同側上)或垂直裝置(其中電觸點位於該LED之相對側上)。此外,該生長基板可在製作後維持於該LED上或將其移除(例如,藉由蝕刻、研磨、拋光等)。舉例而言,可移除該生長基板以減小所得LED之一厚度及/或減小穿過一垂直LED之一正向電壓。舉例而言,一水平裝置(具有或不具有生長基板)可覆晶接合(例如,使用焊料)至一載體基板或印刷電路板(PCB)或線接合至該載體基板或印刷電路板。一垂直裝置(具有或不具有生長基板)可具有焊料接合至一載體基板、安裝墊或PCB之一第一端子及線接合至該載體基板、電元件或PCB之一第二端子。垂直LED晶片結構及水平LED晶片結構之實例係藉助實例方式論述於頒予Bergmann等人之美國公開案第2008/0258130號中及頒予Edmond等人之美國公開案第2006/0186418號中,該等專利之揭示內容藉此以全文引用方式併入本文中。
可至少部分地用一或多個磷光體來塗佈一LED(其中磷光體吸收LED光之至少一部分且發射一不同波長之光)以使得該LED發射來自該LED及該磷光體之光組合。在一項實施例中,該LED發射LED與磷光體光之一白色光組合。可使用諸多不同方法來塗佈並製作一LED,其中一種適合之方法闡述於美國專利申請案序列號11/656,759及11/899,790中,該兩個美國專利申請案題目皆為「Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Method」,且該兩者皆以引用方式併入本文中。在該替代性方案中,可使用諸如一電泳沈積(EPD)之其他方法來塗佈LED,其中一適合之EPD方法闡述於題目為「Close Loop Electrophoretic Deposition of Semiconductor Devices」之美國專利申請案序列號11/473,089中,該美國專利申請案亦以引用方式併入本文中。應理解,根據本標的物之LED裝置及方法亦可具有不同色彩之多個LED,該多個LED中之一或多者可發射白色。
現在參照圖1至圖15B,圖1圖解說明通常指定為10之一發光裝置或LED裝置之一俯視圖。LED裝置10可包含通常指定為16之一發射區域可安置於其上方之一基板12。在一個態樣中,發射區域16可相對於LED裝置10安置於實質上中心處。在替代性方案中,發射區域16可安置於LED裝置10上方之任一定位中,例如在一拐角中或毗鄰一邊緣。在一個態樣中,發射區域16可包含一實質上圓形形狀。在其他態樣中,發射區域16可包含任一其他適合之形狀,例如一實質上正方形、橢圓形或矩形形狀。LED裝置10可包含一單個發射區域16或一個以上發射區域16。顯而易見,LED裝置10可包含形式為發射區域之一均勻光源,該發射區域可使需要一單個組件之燈產品之製造商簡化製造程序。LED裝置10可進一步包含至少部分地圍繞發射區域16而安置之一保持材料14,其中保持材料14可稱作一壩狀物。保持材料14亦可安置於至少一個靜電放電(ESD)保護裝置(諸如一齊納二極體44)上方(圖9)。在某些態樣中,保持材料可安置於串聯連接於兩個電元件之間的兩個齊納二極體44上方(圖8)。
基板12可包含任一適合之安裝基板(例如一印刷電路板(PCB)、一金屬芯印刷電路板(MCPCB)、一外部電路或任一其他適合之基板),發光裝置(諸如LED)可安裝及/或附接於該安裝基板上方。發射區域16可與基板12電及/或熱連通。一或多個介入層可安置於發射區域16與基板12之間以使得發射區域16間接安置於基板12上方從而與基板12間接電及/或熱連通。在替代性方案中,發射區域16可直接安裝於基板12上方從而與基板12直接電及/或熱連通或連接。在一個態樣中且僅舉例而言(非限定性地),基板12可包含22毫米(mm)×22-mm之正方形佔用面積之一緊湊尺寸。在其他態樣中,基板12可包含任一適合之尺寸及/或形狀,例如一圓形或矩形形狀。
發射區域16可在一填充材料40內及/或下方包含複數個LED晶片或LED 25,諸如圖7中所圖解說明。LED 25可包含任一適合之大小及/或形狀。舉例而言,LED 25可具有一矩形、正方形或任一其他適合之形狀。在一個態樣中,填充材料40可以適用於任一期望光發射(例如,適用於白色光轉換)之一量包含一囊封劑,該囊封劑具有一預定或選定量之磷光體及/或螢光粉。填充材料40可與自複數個LED 25發射之光相互作用以使得可觀察到一感知之白色光或任一適合及/或期望波長之光。可使用囊封劑及/或磷光體之任一適合之組合,且可使用用於造成期望光發射之不同磷光體之組合。在其他態樣中,填充材料40可包含一模塑成形之透鏡材料。填充材料40可係實質上不透明的以使得發射區域16可端視於(例如)所使用之磷光體之量及類型係實質上不透明的(如圖1中所圖解說明)、透明的或半透明的。保持材料14可經調適以圍繞發射區域16之至少一部分施配或放置。在保持材料14放置之後,填充材料40可在安置於保持材料14之一或多個內壁之間的空間內選擇性地填充至任一適合水平面。舉例而言,填充材料40可填充至等於保持材料14之高度之一水平面或至高於或低於保持材料之任一水平面。填充材料40之水平面可係平面的或以任一適合之方式彎曲(諸如凹狀或凸狀)。
仍參照圖1,LED裝置10亦可包含透過或至少部分地透過基板12所安置之通常指定為20之至少一個開口或孔以用於促進LED裝置10附接至一外部基板或表面。舉例而言,一或多個螺絲可插入穿過至少一個孔20以用於將裝置10緊固至另一部件、結構或基板。LED裝置10亦可包含一或多個電附接表面18。在一個態樣中,附接表面18包含諸如焊料觸點之電觸點。附接表面18可係任一適合之組態、大小、形狀及/或定位且可包含在連接至一外部電源時一電流或電信號可透過其而傳遞之正電極端子及負電極端子。一或多個導線(未展示)可在焊接合、焊接或以任一其他適合之已知附接方法時附接及電連接至附接表面18。電流或電信號可自電連接至附接表面18之外部線傳遞至LED裝置10中且傳遞至發射區域16中以促進光輸出。附接表面18可與包含一或多個LED 25之發射區域16電連通。附接表面18可與第一導電跡線及第二導電跡線33及34(參見圖8)及因此可使用電連接器而電連接之LED 25電連通。電連接器可包含用於將LED 25電連接至第一導電跡線及第二導電跡線33及34之線接合或其他適合之部件。
LED裝置10可進一步包含一指示器標誌或符號以用於表示LED裝置10之一既定一側之電極性。舉例而言,一第一符號22可包含表示LED裝置10之側包含正電極端子之一「+」標誌。一第二符號23可包含表示LED裝置10之側包含負電極端子之一「-」標誌。一或多個測試點15可毗鄰該裝置之一正側或負側而定位以用於測試LED裝置10之電性質及/或熱性質。在一個態樣中,測試點15可毗鄰LED裝置10之負側或負端子而安置。
圖2圖解說明LED裝置10之一側視圖。如圖1及圖2所圖解說明,保持材料14可包含圍繞發射區域16之至少一部分而安置且安置於基板12上方之一實質上圓形壩狀物。保持材料14可施配、定位或以其他方式放置於基板12上方且可包含任一適合之大小及/或形狀。保持材料14可包含任一適合之反射材料且可包含一清澈或不透明之白色材料(諸如,例如一矽樹脂或環氧樹脂材料)。舉例而言,可使用諸如二氧化鈦(TiO2 )之填充物粒子且可將其添加至保持材料14以用於提供一不透明材料。可使用一自動化施配機器使保持材料14施配或沈積於適當位置,其中可形成任一適合大小及/或形狀之壩狀物。在一個態樣中,可施配如所展示之一圓形形狀,但亦可提供任一其他組態,諸如,例如一矩形組態、一彎曲組態及/或期望組態與剖面形狀之任一組合。如圖2在LED裝置10之一側視圖中所圖解說明,保持材料14可包含一經修圓外壁24以使得保持材料14相對於基板12之上部表面係經修圓的。將保持材料14之外壁24修圓或使其彎曲可進一步改良由LED裝置10反射之光之量。
保持材料14可包含此項技術中已知之任一材料,例如包含7%氣相二氧化矽+3% TiO2 +甲基矽樹脂之一個矽樹脂材料。如圖3A及圖3B中所圖解說明,保持材料14可在一或多個LED 25之線接合之後施配以使得保持材料14安置於線接合26上方且至少部分地覆蓋線接合26以使線接合26中之每一者之至少一部分(諸如一個端)含納於保持材料14內。在圖3A及圖3B中,用於一既定LED(諸如LED 25)組之第一及最後一個或最外面邊緣LED 25A之線接合26安置於保持材料14內。在一個態樣中,保持材料14可在室溫時針對精確體積及/或高度控制而施配期間「刨平」。TiO2 之添加可圍繞反射區域16而增加反射以進一步最佳化LED裝置10之光發射。可添加氣相二氧化矽以作為一觸變劑。施配保持材料14可允許增加之板空間及用以承受較高電壓之能力。在某些態樣中,LED裝置10可以42伏特(V)或較高而操作。
圖3A、圖3B及圖4圖解說明沒有一填充材料40層之發射區域16。圖3A及圖3B圖解說明LED裝置10及包含至少一個LED圖案或配置之發射區域16。LED 25可配置、安置或安裝於一導電墊30上方。LED 25可以LED組之形式配置或安置,LED組可包含一或多個串或LED,且一既定LED組可係(例如)串聯或以任一其他適合之組態而電連接之一或多個LED串。可提供一個以上LED組,且每一LED組可與一或多個其他LED組並聯配置。如本文進一步所闡述,任一既定LED組或串中之LED可配置成任一適合之圖案或組態,且甚至一既定LED組或串內之LED可配置或安置成一或多個不同圖案或組態。舉例而言,圖3A圖解說明配置成三個圖案(例如,一第一圖案P1、一第二圖案P2及一第三圖案P3)之至少三組LED。圖案P1、P2及P3中之每一者可跨越發射區域16而包含一致圖案設計。可使用圖案P1、P2及/或P3中之一個以上。圖案P1、P2及/或P3中之每一者可交替或配置成任一適合之組態。出於圖解說明之目的,僅圖解說明三個圖案。預期任一數目個圖案或配置,且圖案可包含任一適合之設計(例如,一棋盤設計或一柵格設計或配置),其中該等LED可至少在至少兩個方向上實質上對準。圖3B圖解說明配置成組合圖3A中所圖解說明之圖案P1、P2及P3中之一或多者之圖案(例如,一第一圖案P1A、第二圖案P2及一第三圖案P3A)之至少三組LED。舉例而言,圖案P1A及P3A可包含一個以上圖案之一組合。在一個態樣中,圖案P1A可包含一柵格配置或圖案及一直線配置或圖案。在一個態樣中,圖案P3A可包含棋盤及直線圖案設計。圖案P1A及P3A中之每一者可包含14個LED 25,每一圖案設計七個LED。出於圖解說明之目的,僅圖解說明兩個組合。然而,請注意每一組LED可包含具有兩個以上圖案之一組合。
仍參照圖3A及圖3B,導電墊30可係導電及/或導熱的且可包含任一適合之導電及/或導熱材料。在一個態樣中,導電墊30可包含一導電金屬。在圖3A中所展示之一個態樣中,發射區域16可包含在導電表面或導電墊30上方配置成一單個圖案之一或多個LED 25。在一替代性方案中,可提供係如圖3B所圖解說明配置於導電墊30上方之一個以上LED(諸如LED 25)圖案之一組合之LED。如上文所注意,發射區域16可包含不同配置或圖案之一組合(例如,第一圖案P1、第二圖案P2及/或第三圖案P3之一組合)以用於最佳化光發射及裝置亮度。安置於導電墊30上方之每一組或串LED 25可包含一或多個LED 25安置於其中間之最外面LED 25A。每一串LED 25可包含相同或一不同圖案,例如圖案P1、P2及/或P3。LED 25串可包含相同及/或不同色彩或波長頻段之二極體,且可在安置於相同或不同色彩之LED 25上方之填充材料40(圖7)中使用不同色彩之磷光體以便達成一期望波長之發射光。LED 25之一或多個圖案可在發射區域16內包含一LED陣列。
圖3A、圖3B及圖4圖解說明包含(例如)10個LED 25線或串之發射區域16。每一LED 25串可包含電連接於可連接至各別電元件之最外面LED 25A之間的任一適合數目個LED。在一個態樣中,每一串LED 25可包含至少14個LED。在一個態樣中,LED裝置可包含配置成一陣列之至少140個LED。本文之配置、圖案及/或多個圖案之組合可包含一陣列以用於最佳化自LED裝置10發射之光之色彩均勻性及亮度。該等LED可係使用一或多個線接合26串聯電連接以用於附接毗鄰LED 25之接合墊。在如圖3A中所展示之一個態樣中,第一圖案P1可包含14個LED 25之第一串及第十串。第一圖案P1可包含安置於該等系列之第一及最後一個或最外面LED 25A之間的兩個相對LED 25線。在一個態樣中,第一圖案P1包含本文中稱作一柵格配置、圖案或設計之情形,其中至少兩個LED至少在至少兩個方向上實質上對準且可在一組或串LED之相對端處包括單個不對準之LED。構成第一圖案P1之LED 25中之每一者可串聯電連接。在一個態樣中,第二配置或第二圖案P2可毗鄰第一圖案P1而安置,例如定位於第二串及第九串LED 25處。在一個態樣中,第二圖案P2可包含總共14個LED 25,其中該14個LED 25中之每一者可沿一水平線彼此毗鄰地配置成一直線設計或配置,且該14個LED 25中之每一者可串聯電連接。任一適合數目個LED 25可以任一適合組態或配置(諸如串聯)而連接以形成具有一適合圖案之一串。在連接LED 25時須小心以使得前一LED之正電極或負電極電連接至一後續LED之相反電極性之一電極以用於允許電流適當穿過LED 25串而流動。
圖3A中所展示之第三圖案P3可包含具有串聯電連接之LED 25之一棋盤設計或配置之一棋盤圖案。在一個態樣中,至少14個LED 25可構成該棋盤圖案,且第三圖案P3可安置於具有第二圖案P2之LED串之間及/或與其交替。該棋盤圖案或第三圖案P3可包含在一水平線上方及下方兩者交替之一組LED 25。圖案P1、P2及P3不限於圖案之形狀或至少14個LED,而是圖案可包含任一適合之配置及任一適合數目個LED 25。出於圖解說明之目的,僅展示三個圖案,但可利用任一適合數目個圖案。第三圖案P3之交替LED 25可藉由確保導電墊30上方之均勻覆蓋及空間對準來最佳化光輸出以使得光發射均勻並得以改良。第三圖案P3可自第三串LED 25重複到第八串LED 25。圖案P1、P2及/或P3中之每一者之一既定LED 25串中之第一及最後一個LED 25A可電連接至第一導電跡線及第二導電跡線33及34(參見圖7、圖8)以用於透過一既定LED 25串接收並傳送電流或電信號且使該既定LED 25串照亮。
甚至發射區域16中之一單個組或串中之LED可構成一個以上圖案或組態中之LED。舉例而言,圖3B圖解說明發射區域16中之LED之一可能配置之一個態樣,在發射區域16中存在至少兩組(此處非限定性地展示為若干串)LED 25且其中某些組或串之LED 25相對於另一組或串LED係配置成不同圖案或組態且甚至在一單個組或串之LED內亦係如此。任何兩個既定單獨LED 25組或串可電連接於一圖案中以使得該兩個LED組或串中之每一者內之某些或全部LED可配置成不同圖案、完全相同圖案或圖案之任一組合。換言之,任一既定組或串中之LED可不僅相對於彼組或串中之LED以不同或完全相同之圖案安置而且可相對於另一LED組或串以任一圖案安置且該兩個組或串在一個態樣中可彼此並聯。舉例而言,圖3B中之LED 25可在一個態樣中經安置以使得發射區域16包含不同配置或圖案之一組合(例如,一第一圖案P1A、一第二圖案P2A及/或一第三圖案P3A)以用於最佳化光發射及裝置亮度。如早先所注意,圖案P1A及P3A圖解說明兩個不同圖案(例如,棋盤、直線及/或柵格配置中之至少兩者)之一組合,然而藉此預期兩個以上之圖案之組合。僅已揭示三個圖案配置(亦即,棋盤、柵格、直線),但可使用任一適合之配置或圖案設計。安置於導電墊30上方之每一串LED 25可包含一或多個LED 25安置於其中間之最外面LED 25A。每一組或串LED 25可構成相同或一不同圖案,例如圖案P1A、P2A及/或P3A。LED 25組或串可包含相同及/或不同色彩或波長頻段之二極體,且可在安置於相同或不同色彩之LED 25上方之填充材料40(圖7)中使用不同色彩之磷光體以便達成一期望波長之發射光。一或多個LED 25圖案可包含發射區域16內之一LED陣列。如圖3B圖解說明,舉例而言,在圖案P3A中,LED 25組可包含所配置之矩形LED,其中一第一LED之主(亦即,長)軸線以不同於至少一第二LED之主軸線之一定向而安置。亦即,一既定LED 25組可包含以不同定向之LED 25。在其他態樣中,舉例而言,如圖3A中所圖解說明,圖案P2及圖案P3可包含矩形LED 25組,其中主軸線對於既定組係相同的但不同於其他組之定向。
在提供小型裝置同時維持品質效能及光輸出存在壓力之情形下,如本文所闡述之各種LED配置及裝置設計對於提供具有極佳效能及輸出之一發光裝置同時仍係一小型發光裝置係有利的。
圖5圖解說明在形式及功能上類似於LED裝置10之通常指定為50之一LED裝置之一第二實施例。LED裝置50可包含基板12及安置於基板12上方之發射區域16。發射區域16可包含任一適合之大小、形狀、數目及/或安置於基板12上方之任一適合之定位處。保持材料14可安置於基板12上方且至少部分地圍繞發射區域16而安置。LED裝置50可包含用於促進LED裝置10附接至一外部基板或表面之穿過基板12而安置之一或多個開口或孔20。LED裝置50可包含用於表示LED裝置50之電極性之第一符號及第二符號22及23。LED裝置50圖解說明毗鄰該裝置之正側或負側而安置以用於測試LED裝置50之電性質及/或熱性質之測試點15。LED裝置50可進一步包含可電連接至一或多個外部線(未展示)以用於促進電流流動至LED裝置50之發射區域16中之至少一個電附接表面18。在一個態樣中,附接表面18可包含具有彎曲拐角之一形狀。將附接表面18之拐角或邊緣修圓可在將一或多個外部導線(未展示)附接至LED裝置50時相比於鋒利拐角使焊料流較佳地含納於該裝置上方。
圖6圖解說明沿圖3A及圖3B之導電墊30之一邊緣之一剖面之一部分,其中還未用填充材料40(諸如囊封劑及/或磷光體)填充發射區域16。圖6圖解說明包含發射區域16內之一既定LED串之一最外面LED 25A及毗鄰LED之LED 25。圖7圖解說明圖1之一剖面之一部分,其中填充材料40安置於發射區域16上方。出於圖解說明之目的,在圖7中圖解說明四個LED 25且其串聯電連接。然而,如早先所注意,每一LED 25串或圖案可包含任一適合數目個LED 25。在一個態樣中,每一串LED可包含14個LED 25。圖6及圖7圖解說明藉由一或多個線接合26串聯連接之一或多個LED 25。LED 25可配置於導電墊30上方且可直接與導電墊30熱連通或間接透過一或多個介入層與導電墊30熱連通。LED 25可係使用技術中已知之任一附接手段而附接至導電墊30或介入層。在一個態樣中,LED 25可係使用焊料膏、環氧樹脂或助銲劑而附接。導電墊30可作為一片基板12形成整體或可包含安置於基板12上方之一單獨層。導電墊30可消散由一或多個LED 25產生之熱。
如圖6及圖7進一步圖解說明,一系列、串或圖案之LED 25之最外面LED 25A可電連通或電連接至一或多個電元件。電元件可包含經組態以使電信號或電流流動或將其供應至各別LED 25串之第一導電跡線及第二導電跡線33及34。第一導電跡線及第二導電跡線33及34中之一者可包含一陽極及另外一陰極。該電極性可由如早先所論述之第一符號及第二符號22及23(圖1)表示。導電墊30及導電跡線33及34可包含任一適合之導電及導熱材料且可包含相同或不同材料。在一個態樣中,導電墊30及導電跡線可包含使用任一適合之技術沈積於基板上方之一銅(Cu)層。可至少部分地在導電墊30與各別導電跡線33及34之間安置一電絕緣焊料遮罩32以便在使用焊料在導電墊30上方附接一或多個LED 25時,該焊料不可與導電跡線33及34電連接從而造成一或多個LED 25串變得電短路。
圖6圖解說明保持材料14圍繞發射區域16之各個放置區域、位置或定位。在一個態樣中,保持材料14可圍繞至少一部分或整體圍繞發射區域16而施配。習用裝置可包含一模塑成形之透鏡材料,此與放置於諸如圖6中之虛虛線所展示之先前技術定位PA之一位置處且沿焊料遮罩32接觸第一導電跡線34之一邊緣安置之經施配壩狀物相對。本標的物設想保持材料14安置於區域、位置或定位R1、R2及/或其之間的任一定位中。當保持材料14安置於定位R1或R2中時,其可安置於將最外面LED 25A連接至電元件(諸如導電跡線34)之一或多個線接合26之至少一部分上方且將其覆蓋。當在定位R1中時,保持材料14可至少部分地安置於焊料遮罩32及連接至一各別LED 25串之最外面LED 25A之線接合26上方。在一個態樣中,保持材料14在定位R1時可整體安置於在導電墊30與導電跡線34之間安置之焊料遮罩32之部分上方及/或整體安置於線接合26上方。在另一態樣中,保持材料14可安置於在發射區域16中安置之每一串LED 25之最外面LED 25A中之每一者之線接合26中之每一者上方且將其至少部分或整體覆蓋。該保持材料可施配於基板12上之一預定定位中以用於在保持材料14與一或多個LED 25之間提供一適合距離。顯而易見,當在定位R1中時保持材料14可消除對焊料遮罩32之需要,此乃因保持材料將安置於導電墊30與第一導電跡線33及/或第二導電跡線34之間。定位R2圖解說明保持材料14至少部分地安置於焊料遮罩32上方且至少部分地安置於外面LED 25A之線接合26上方。如所圖解說明,根據本文標的物之保持材料14可包含一實質上經修圓或半球形狀之剖面。將保持材料14修圓可增加光可自其發射及/或反射之表面積。
圖7圖解說明一串一或多個LED 25,出於圖解說明之目的展示四個LED 25,但LED 25串可包含串聯配置之任一適合數目個LED(例如14個LED 25)。圖7圖解說明基板12之一剖面,LED 25可安裝或以其他方式配置於基板12上方。基板12可包含(例如)導電墊30、第一導電跡線及第二導電跡線33及34以及至少部分地安置於導電墊30與導電跡線32及/或33中之每一者之間的焊料遮罩32。如早先所注意,若保持材料毗鄰最外面LED 25A而定位(例如,在定位R1中),則可消除導電墊30與第一導電跡線及第二導電跡線33及34之間的焊料遮罩32,此乃因其可將不再必要。焊料遮罩32可安置於導電跡線33及34與附接表面18之間(圖8),可在圖7中看到附接表面之接近邊緣毗鄰保持材料14,毗鄰保持材料14之外壁24。基板12可進一步包含一介電層36及一核心層38。出於圖解說明之目的,基板12可包含一MCPCB,例如由Chanhassan,MN之Bergquist公司可購得並製造之彼等MCPCB。然而可使用任一適合之基板12。核心層38可包含一導電金屬層(例如,銅或鋁)。介電層36可包含一電絕緣但導熱材料以輔助透過基板12之熱消散。圖7圖解說明至少部分地在焊料遮罩32及連接至導電跡線33及34之線接合26中之每一者上方配置於(例如)位置R2中之保持材料14。圖7圖解說明安置於一或多個LED 25上方之填充材料40。填充材料40可選擇性地填充至高於、低於或等於保持材料14之高度之任一適合之水平面。如所展示之最外面LED 25A之線接合26可至少部分地安置於保持材料14內。
圖7進一步圖解說明可選擇性地填充於LED裝置10內之填充材料40之第一高度H1及第二高度H2之實例。第一高度H1可包含填充材料40安置於LED 25上方之一高度。該高度可由於程序可變性而變化,因此可使用並控制LED 25串上方之一平均高度以達成最佳亮度。第二高度H2可包含填充材料40選擇性地安置於導電墊30之一頂部表面上方之一高度。可(例如)藉由控制保持材料14之定位及採用定位R1、R2還是其之間的某一位置來控制第二高度H2。亦可藉由控制施配至由保持材料14界定之腔中之填充材料40之量來控制第二高度H2。
控制該腔內之填充材料40之體積或由保持材料14界定之壩狀物可影響第一高度及第二高度H1及/或H2且可顯而易見地允許細調或微調自LED裝置10所發射之光之色彩或波長。微調LED裝置10之色彩可因此理想化地增加生產良率至100%。舉例而言,可選擇性地添加含納於填充材料40中之色彩影響組件(包括但不限於磷光體)之量且可端視於裝置10內所使用之LED 25之波長藉由在發射區域16內不足填充或過分填充填充材料40來選擇性地控制第一高度H1及/或第二高度H2。保持材料14之定位(例如在R1、R2或其中間之任一位置或距離處定位保持材料)亦可影響第一高度及/或第二高度H1及H2。可藉由改變(例如)磷光體與填充材料40之總施配容量體積之體積比而在多個裝置上方或在每一裝置或封裝基礎上達成微調色彩。可基於經選擇以用於一既定裝置中之LED 25之波長頻段來調整磷光體與填充材料40之總施配容量體積之體積比以達成LED裝置10之期望總波長輸出。藉由操縱(例如)由保持材料14提供之壩狀物之直徑及/或保持材料14之高度(其中之每一者可影響高度H1及/或H2及因此填充材料之體積),可微調個別裝置10之色彩從而達成較高程序良率。顯而易見,選擇性地控制該填充材料之一體積以使得可經細調之填充材料之色彩影響組件允許由一或多個LED產生之光屬於一預定及精確色彩範圍內。
圖8圖解說明圍繞發射區域16之至少一部分配置、施配或以其他方式放置保持材料14之前包含基板12之LED裝置10。出於圖解說明之目的,僅圖解說明一第一串LED 25,然而如早先所注意,發射區域可包含串聯電連接之一串以上LED 25。在一個態樣中,LED裝置10包含串聯連接之10串LED 25。如所圖解說明,在放置保持材料14之前,基板12可包含圍繞導電墊30以一實質上圓形配置而配置之第一導電跡線及第二導電跡線33及34以使得配置於導電墊30上方之LED可藉由線接合及線接合26或藉由任一其他適合之附接方法而電連通至每一跡線。如所圖解說明,一各別LED 25串之最外面LED 25A可電連接至導電跡線。
至少一個間隙42可存在於導電跡線33與34之間。LED裝置10及本文所揭示之裝置可進一步包含用以抵禦來自定位或安置於間隙42中之ESD之損害之元件。在一個態樣中,可使用不同元件,諸如各種垂直矽(Si)齊納二極體、經配置以相對於LED 25反向偏壓之不同LED、表面安裝變阻器及橫向Si二極體。在一個態樣中,至少一個齊納二極體44可安置於第一導電跡線及第二導電跡線33及34之端之間且相對於LED 25串形成反向偏壓。在一個態樣中,兩個齊納二極體44可係使用一或多個線接合46串聯電連接於第一導電跡線與第二導電跡線33與34之間以用於較高電壓應用。由於齊納二極體44通常係黑色且吸收光,因此將間隙42中之至少一個齊納二極體44放置於導電跡線33與34之間及亦保持材料14下方可進一步改良光輸出強度。
圖8亦圖解說明用於導電墊30之一個可能定位。亦即,導電墊30可包含安置於導電跡線33與34之間的一實質上中心定位之圓形墊。然而,導電墊30可定位於基板上方之任一適合之定位及除該裝置實質上中心之外的任一定位處。焊料遮罩32可至少部分地安置於各別導電跡線與導電墊30之間,以使得焊料遮罩32包含圍繞導電墊30之一實質上圓形配置。焊料遮罩32亦可安置於導電跡線外部之區域中,例如各別導電跡線與一或多個附接表面18之間。虛線52圖解說明包含導電跡線33及34之導電材料之大小及/或形狀之一個可能態樣。該等線係虛線以圖解說明該材料可如何安置於焊料遮罩32下方。因此,附接表面18與各別導電跡線電連通及/或熱連通,且可包含相同材料層。外部導線(未展示)可電連接至附接表面18,且電流或電信號可自附接表面18流動至各別導電跡線。電流可沿安置於焊料遮罩32層下方之由虛線52所指定之導電材料流動。該電流可流進及/或流出導電跡線且因此流進及流出安裝於導電墊30上方之各別LED 25串。
如早先所注意,齊納二極體44通常係黑色且吸收光。圖9圖解說明在放置保持材料之後的齊納二極體44。在一個態樣中,保持材料14可至少部分地安置於至少一個齊納二極體44上方。在另一態樣中,保持材料14可整體安置於至少一個齊納二極體44上方以便完全覆蓋該二極體以用於進一步改良光輸出強度。齊納二極體44可安置於一導電及/或導熱表面或區域54上方以使得電流可透過二極體44流動至線接合46中,及流動至各別導電跡線33及34。
本文所揭示之LED裝置可有利地消耗較小能量同時釋放相等或較大照亮。在一個態樣中,當用於傳統下照燈應用中時,基於LED裝置10及/或50之照明設備可比一26瓦CFL或一100瓦白熾燈泡釋放多38%之照度,同時僅消耗14瓦。在一個態樣中,LED裝置10可達成一等效60瓦A燈,同時僅消耗11瓦。LED裝置10可在一3000-K暖白色溫度時在11瓦下包含1050流明之一光輸出,或在27瓦下包含2000流明。
圖10圖解說明通常指定為55之一LED裝置之另一實施例。LED裝置55圖解說明圍繞發射區域16之至少一部分配置、施配或以其他方式放置保持材料14(圖11)之前的基板12。出於圖解說明之目的,僅圖解說明一第一串LED 25,然而發射區域可包含串聯電連接之一串以上LED 25。每一串LED 25可構成相同或不同圖案。LED裝置60在形式及功能上類似於前文相對於圖8所闡述之LED裝置10。舉例而言,在放置保持材料14之前,基板12可包含圍繞導電墊30以一實質上圓形配置而配置之第一導電跡線及第二導電跡線33及34以使得配置於導電墊30上方之LED可藉由線接合經由線接合26或藉由任一其他適合之附接方法而電連通至每一跡線。如所圖解說明,一各別LED 25串之最外面LED 25A可電連接至該等導電跡線。實際上,對於本文所闡述之LED裝置而言,發射區域16可包含至少部分地由外面LED 25A界定之一單個不可分安裝區域,其中外面LED 25A經由線接合26線接合至接觸區域(諸如導電跡線33及34)。不是外面LED 25A之LED 25經由線接合26線接合成具有一或多個圖案或陣列之串。
至少一個間隙42可存在於導電跡線33與34之間。在此實施例中,一或多個ESD保護裝置或齊納二極體44可安置於間隙42中且可電連接或安裝至導電區域54。在此實施例中,導電區域54可包含大於齊納二極體44之一佔用面積之一面積。齊納二極體44可在第一導電跡線與第二導電跡線33與34之間定位於導電區域54上方。齊納二極體44可相對於一或多個LED 25串形成反向偏壓。舉例而言,當使用一個齊納二極體44時,一或多個線接合46可將導電區域54連接至第一導電跡線及第二導電跡線33及34中之一者以使得齊納二極體44可相對於LED 25串形成反向偏壓。由於齊納二極體44通常係黑色且吸收光,因此將間隙42中之至少一個齊納二極體44放置於導電跡線33與34之間及亦保持材料14(圖9)下方可進一步改良光輸出強度。
圖10亦圖解說明測試點15之一個可能定位。測試點15可安置於對應於安置於焊料遮罩下方之導電材料之由虛線52標記之區域內。虛線52圖解說明可沈積於基板12上或中以用於電耦合導電跡線33及34以及附接表面18之導電材料之大小及/或形狀之一個可能態樣。該電耦合允許電流自附接表面18遞送至電連接至跡線33及34之一或多個LED 25串。該等線係虛線以圖解說明該材料可如何安置於焊料遮罩32下方。因此,測試點15及附接表面18與各別導電跡線電及/或熱連通,且可包含相同材料層。焊料遮罩32可至少部分地沈積或安置於各別導電跡線與導電墊30之間,以使得焊料遮罩32圍繞導電墊30包含一實質上圓形配置。出於定向目的及用於適當對準保持材料14,導電墊30可包含一或多個標記或凹口62。
焊料遮罩32亦可沈積於該等導電跡線外部之區域中,例如各別導電跡線與一或多個附接表面18及/或測試點15之間。外部導線(未展示)可電連接至附接表面18,且電流或電信號可自附接表面18流動至各別導電跡線。電流可沿安置於焊料遮罩32層下方之由虛線52指定之導電材料流動。該電流可流進及/或流出導電跡線且因此流進及流出安裝於導電墊30上方之各別LED 25串。在一個態樣中,當用一導電測試線或裝置(未展示)探測時,測試點15可允許該裝置之電性質得以測試。圖10所圖解說明之配置,亦即在放置保持材料14之前導電跡線33及34、導電區域54、齊納二極體44及測試點15之定位可對應於前文所闡述之LED裝置(例如,10及50)或圖11至圖14中所闡述之裝置中之任一者之任一配置。舉例而言,圖11至圖14中所闡述之LED裝置可包含用於促進LED裝置附接至一外部基板或表面之可穿過或至少部分地穿過基板12而安置之通常指定為20之至少一個開口或孔。另外,可使用第一符號22及第二符號來表示包含正電極端子及負電極端子之LED裝置之部分。一或多個測試點15可毗鄰該裝置之一正側或負側而定位以用於測試LED裝置之電性質及/或熱性質。
圖11至圖14圖解說明LED裝置之不同實施例之俯視圖。此等裝置可在諸多態樣中類似於前文所闡述之LED裝置10及50,但除了藉由圖案變化達成不同光輸出之外亦可對一定範圍之低及/或高電壓應用有用。舉例而言,圖11圖解說明可用於較低電壓應用中之通常指定為60之一LED裝置之一項實施例。在一個態樣中且僅舉例而言(非限定性地),LED裝置60可以大約16 V操作。在一個態樣中,LED裝置60可以小於大約16 V(例如,14 V至16 V)操作。在一個態樣中,LED裝置60可以大於大約16 V(例如,16 V至18 V)操作。在一個態樣中,使用140個以上LED 25(例如,不僅僅LED裝置10)且改變LED 25之圖案可允許LED裝置60在較低電壓應用時操作。在一個態樣中,可藉由在一系列或串中將小於14個LED 25電連接在一起來改變該圖案。
圖11圖解說明配置成形成發射區域16內之一網狀LED 25陣列之兩個圖案之至少兩組LED。舉例而言,一第一組LED可包含前文所闡述之第二圖案P2。一第二組LED可構成一第四圖案P4。每一圖案可包含(例如)30串串聯電連接之五個LED 25。亦即,少於14個(圖3A、圖3B)LED 25可串聯電連接於一既定串中。根據前文所闡述之第二圖案P2,第一串LED 25及最後一串LED 25可包含串聯電連接之五個LED 25。第二串至第二十九串可構成不同於該第一串及該第三十串之另一圖案。舉例而言,圖11圖解說明根據圖案P2串聯電連接之五個LED 25,該等串可接近發射區域16之一或多個經修圓之外部邊緣而安置於導電墊30上。根據圖案P2,配置成第一串及第三十串之LED 25可(舉例而言且非限定性地)跨越發射區域16彼此等距地且均勻地隔開。配置成圖案P2之LED 25可包含一直線配置,在該直線配置中LED 25之較長軸線實質上平行。圖案P2中之LED 25之較短軸線亦可至少實質上平行。配置成圖案P2之LED 25之較長軸線可垂直於線接合26而對準。另外,配置成圖案P2之LED 25之較長軸線可垂直於配置成毗鄰圖案(例如,圖案P4)之LED 25之較長軸線。
在一個態樣中,圖案P4可包含跨越導電墊30串聯電連接之五個LED 25。圖案P4可包含LED之一直線,且該五個LED 25中之每一者可經定位以使得LED 25之較長軸線沿一直線而實質上對準。在一個態樣中,每一LED 25之較長軸線可在與將LED 25連接至安置於保持材料14下方之導電跡線33及34之線接合26之方向相同之一方向上對準。毗鄰串(例如,連接於圖案P4中之第二串LED 25到第二十九串LED 25中之毗鄰串)可在一直線上方及下方交替以使得LED 25形成一實質上棋盤型配置。亦即,配置成圖案P4之一第一串LED 25(亦即,安置於構成圖案P2之第一串下方之第二總串LED 25)可包含等距間隔開之五個LED 25,從而在毗鄰LED 25之間留下一空間。在替代性方案中,圖案P4中之LED 25可線接合成一棋盤配置,但彼可增加裝置60之操作電壓。在配置成圖案P4之該第一串LED 25下方,配置成圖案P4之一後續LED 25串可經定位或經放置以使得LED 25實質上在前一串之毗鄰LED 25之間的空間內及/或稍微在該空間下方。亦即,配置成圖案P4之LED 25可包含經對準以使得該串中之每一LED 25之一底部邊緣沿一相同第一直線對準之一第一串。圖案P4之一相鄰後續串中之LED 25可經對準以使得每一LED 25之一頂部邊緣亦沿與前一串中之LED 25之底部邊緣相同之第一直線對準。因此,前一串及後續串之LED 25在一既定串中之毗鄰LED 25之間的空間上方及/或下方交替,且毗鄰串中之LED 25之頂部邊緣與底部邊緣可沿一相同線對準。此配置包含可有利地允許LED 25在沒有一或多個毗鄰LED阻擋光之情形下自LED裝置60均勻發射光之一實質上棋盤形狀之定向。
配置成圖案P4之額外LED 25串可根據剛剛所闡述之最初兩個串而交替。構成圖案P4之LED 25串可在發射區域16上方包含一相同或類似寬度。亦即,一既定串之每一毗鄰LED 25可以等距長度間隔開,但總串長度可不均勻地跨越發射區域16。而是,LED 25可隔開以使得第二列至第二十九列在發射區域16上方形成一實質上網狀陣列。在一個態樣中,LED 25在發射區域16上方形成一矩形陣列,該矩形陣列利用導電墊30之水平片段或弦部之一實質上均勻部分。在一個態樣中,LED裝置60可包含配置成一個以上LED串之至少一個LED 25群組,其中總組態可係以一預定幾何形狀,諸如例如且非限定性地係一矩形。任一適合數目個LED 25可串聯連接。如圖11中所圖解說明之串聯連接之較少數目個LED 25(例如,五個LED 25)可允許LED裝置60適用於較低電壓應用(例如,16 V應用)。出於圖解說明之目的,針對較低電壓下之操作圖解說明配置成一或多個圖案之30串五個LED 25,然而預期任一適合數目個串及/或串聯電連接之LED 25。
LED裝置60可包含經由電連接器(諸如線接合26)電連接至導電跡線33、34之最外面LED 25A(圖10)。保持材料14然後可至少部分地圍繞導電墊30且至少部分地在線接合26上方施配。保持材料14可圍繞發射區域16而施配,發射區域16可諸如圖7中所圖解說明包含安置於填充材料40內及/或下方之複數個LED晶片或LED 25。填充材料40可至少部分地由保持材料14含納,且保持材料可如可期望用以控制或調整填充材料之各個高度。顯而易見,LED裝置60可包含形式為單個、緊密結合及不可分之發射區域之一均勻光源,該發射區域可使需要一單個組件之燈產品之製造商簡化製造程序。LED 25可間隔開一適合距離以使得裝置60可在不使一或多個毗鄰LED 25阻擋任一光之情形下有利地發射均勻光。舉例而言,LED裝置10及60中所揭示之該等圖案及圖案間距(亦即,毗鄰LED 25之間的間距及毗鄰LED 25串之間的間距)藉由減小由毗鄰LED 25及毗鄰LED 25串阻擋之光之量而允許光萃取之最佳化。舉例而言,可藉由增加毗鄰LED 25之間的間距(例如,至圖12至圖14B中所圖解說明之圖案間距)來進一步組態且擴大(例如)LED裝置10及60中所揭示之圖案間距至一既定串內及一或多個串之間的最大間距以在一既定LED裝置內進一步最大化且達成一較高效率及光萃取。
圖12至圖14B圖解說明可以較高電壓(諸如,僅舉例而言而非限定於大約42 V)操作之LED裝置之俯視圖。在一個態樣中,圖12至圖14B所圖解說明之LED裝置可包含每串五個以上LED 25以使得該裝置經組態以大於大約16 V操作。圖12圖解說明通常指定為70之具有(例如)五串14個LED 25之一LED裝置。LED裝置70可包含配置成一或多個不同圖案之LED 25串。舉例而言,在接近導電墊30之經修圓邊緣之第一串及最後一串可包含配置成前文所闡述之圖案P2之14個LED 25。圖案P2中之毗鄰LED 25之縱向軸線可對準以使得其至少實質上係平行的。圖案P2中之毗鄰LED 25之縱向軸線可至少實質上垂直於連接毗鄰LED 25之線接合26之方向。對於所闡述之每一LED裝置而言,預期LED之任一形狀、定向或結構。在一個態樣中,LED裝置70可包含總共70個LED 25。
仍參照圖12,安置於第二圖案P2之最外面串之間的LED 25串可包含一不同圖案(例如,前文在圖3A及圖3B中所闡述之第三圖案P3)。第三圖案P3可包含串聯電連接之LED 25之一實質上棋盤圖案或配置。在一個態樣中,圖案P3可安置於具有第二圖案P2之LED串之間及/或與具有第二圖案P2之LED串交替。該棋盤圖案或第三圖案P3可包含在一水平線上方及下方兩者交替之一組LED 25。舉例而言,LED裝置70可跨越發射區域16及/或導電墊30均勻安置。通常,LED裝置70之該等串中之每一者中之毗鄰LED 25可以等距間隔隔開以利用導電墊30之水平片段之一實質部分。亦即,裝置70中之LED 25可比前文所闡述之LED裝置60佔據導電墊30之水平片段之一更大量之表面積及長度。出於圖解說明之目的,圖解說明配置成兩個不同圖案之五串14個LED 25,然而預期串聯電連接之任一適合數目個串及/或LED 25。
圖13A及圖13B圖解說明LED裝置之進一步實施例。在一個態樣中,圖13A及圖13B中之LED裝置包含六串14個LED 25,總共84個LED 25。參照圖13A,通常指定為80之LED裝置可包含跨越導電墊30配置成(例如)一單個圖案之一或多個LED 25串。裝置80之該一或多個串可具有相同及/或不同圖案。出於圖解說明之目的,圖解說明前文所闡述之圖案P3。LED 25可配置成在一水平線上方及下方交替之一棋盤圖案。毗鄰LED 25可跨越導電墊30之表面積之一大部分彼此隔開一實質上均勻距離。棋盤配置(例如,圖案P3)可有利地允許LED 25在沒有一或多個毗鄰LED 25阻擋光之情形下自LED裝置80均勻地發射光。
圖13B圖解說明通常指定為85之一個六串LED裝置之另一實施例。像LED裝置80一樣,LED裝置85可包含六串14個LED 25。同一串內之毗鄰LED 25及不同串內之毗鄰LED 25之間的間距已最大化以最小化由毗鄰LED吸收之光之量。在一個態樣中,LED裝置85包含前文所圖解說明之第一圖案P1(圖3A),如第一串及最後一串。顯而易見,圖案P1及P3之LED 25延伸於導電墊30之至少實質上全長度及寬度。LED裝置85內之第二串LED 25到第五串LED 25構成圖案P3。當將圖13A之六串配置與圖13B之六串配置作比較時,圖13B之該等串明顯在導電墊30上更充分地展開(亦即,垂直及水平地更遠地間隔開)以利用更大的安裝面積。最大化LED 25串之間的空間可最小化由相鄰LED 25吸收或阻擋之光之量。
在一個態樣中,自LED裝置80至LED裝置85,對於圖案P3而言串內間距(亦即,同一串之毗鄰LED 25之間的間距)在垂直方向上已增加了至少大約31%或125 μm或更大。類似地,圖案P1中之LED 25之串內間距在水平及垂直方向兩者上均已增加及/或最佳化。舉例而言,自LED裝置10中之P1至LED裝置85中之P1,間距已在水平方向上增加了大約41%或225 μm或更大且在垂直方向上增加了至少大約27%或210 μm或更大。在LED裝置85中串內部間距(亦即,毗鄰串之LED 25之間的間距)可增加了至少大約68%或750 μm或更大。顯而易見,雖然LED裝置85可與LED裝置80包含相同數目個LED 25(例如,84個LED),但與LED裝置80相比時,LED裝置85可包含至少大約一1%至3%或更大之效率及亮度增加。在一個態樣中,自一個六串配置至另一者如所闡述增加毗鄰LED 25之間的間距可使效率增加至少大約2.5%或更大,例如,LED裝置85可超過LED裝置80而包含一2.5%或更大之效率增加。舉例而言,LED裝置85可具有比上文所闡述可在11瓦下包含大約1050流明或更大或在27瓦下包含大約2000流明或更大之LED裝置80之光輸出高至少大約2.5%或更高之一光輸出。
圖14A及圖14B圖解說明LED裝置之進一步實施例。在一個態樣中,圖14A及圖14B中之LED裝置包含八串14個LED 25。參照圖14A,圖解說明通常指定為90之一LED裝置且該LED裝置可以較高電壓(不限於大於或等於大約42 V)操作。LED裝置90可包含跨越發射區域16及/或導電墊30配置成一或多個圖案之一或多個LED 25串。在一個態樣中,LED裝置90可包含配置成一個以上圖案之八串LED 25。每一串LED 25可包含14個LED 25,或總共112個LED。在一個態樣中,第一串及最後一串可包含前文所闡述之圖案P2。第二串LED 25到第七串LED 25可包含前文所闡述之圖案P3。顯而易見,圖11至圖14B所圖解說明之LED裝置可包含形式為單個、緊密結合及不可分之發射區域之一均勻光源,該發射區域可使需要一單個組件之燈產品之製造商簡化製造程序。
圖14B圖解說明通常指定為95之一個八串LED裝置之另一實施例。像LED裝置90一樣,LED裝置95可包含八串14個LED 25。同一串內之毗鄰LED 25及不同串內之毗鄰LED 25之間的間距已最大化以最小化由毗鄰LED吸收之光之量。在一個態樣中,LED裝置95可包含前文所圖解說明之第一圖案P1(圖3A),如第一串及最後一串。第二串及第七串可構成圖案P2,且第三串到第六串可構成圖案P3。顯而易見,圖案P1、P2及P3之LED 25延伸於導電墊30之至少實質上全長度及寬度。P1、P2及P3之LED 25可水平及/或垂直地更遠地間隔開以使得由毗鄰LED 25阻擋之光之一量可減少。在一個態樣中,自LED裝置10中之P1至LED裝置95中之P1,圖案P1間距已在水平方向上增加了至少大約41%或225 μm或更大且在垂直方向上增加了至少大約27%或210 μm或更大。類似地,圖案P2中LED 25之間的水平及/或垂直間距可超過LED裝置90中之P2增加至少大約4%或更大。在LED裝置95中串內部間距(亦即,毗鄰串之LED 25之間的間距)可增加了至少大約68%或750 μm或更大。顯而易見,雖然LED裝置95可與LED裝置90包含相同數目個LED 25,例如112個LED,但與LED裝置90相比時,LED裝置95可具有至少一大約1%至2%或更大之效率及亮度增加。
在一個態樣中,圖3A、圖3B及圖11至圖14B所揭示之LED裝置10、60、70、80及90可包含在導電墊30上方配置成一或多個圖案之大量LED 25。在一個態樣中,本文所揭示之LED裝置包含64個以上之大量LED 25。舉例而言,在一個態樣中且非限定性地,LED裝置10可包含串聯電連接之總共140個LED或10串LED 25。LED裝置60可包含串聯電連接之總共150個LED或30串五個LED 25。LED裝置70可包含總共70個LED或五串14個LED 25。LED裝置80可包含總共84個LED或六串14個LED 25。LED裝置90可包含總共112個LED或八串14個LED 25。用於本文中所闡述之LED裝置中之LED 25與導電墊30相比時可包含一小佔用面積或表面積。舉例而言且非限定性地,LED 25可包含下面表格1中之以下尺寸之晶片。
在一個態樣中且非限定性地,導電墊30可包含大約6.568 mm之一半徑及大約135.7 mm2 之一面積。因此,一單個LED晶片25之面積與導電墊30之面積之比率可包含大約0.0027或更小。在一個態樣中,一單個LED晶片25之面積與導電墊30之面積之比率可包含大約0.0018或更小。在其他態樣中,該比率可包含大約0.0012或更小。下面之表格2列出各個LED 25晶片大小及導電墊30之面積。LED 25可包含與導電墊之面積相比係小之晶片,亦即,係導電墊之面積之大約0.0027或更小。然而可使用任一晶片大小。
除期望之光學性質(諸如高亮度)之外,在一單個發射區域上方使用包含一較小佔用面積之大量LED 25亦可有利地允許更均勻的光輸出,此乃因LED 25可在發射區域16之一部分上方配置成一或多個均勻圖案。LED 25之密集圖案可允許密集光發射。在一個態樣中,本文所闡述之一或多個圖案中之LED 25之密度或間距可經調整以使得光將不被毗鄰LED 25吸收或阻擋。亦即,本文所揭示之LED 25之圖案及配置可藉由最小化由毗鄰或相鄰LED 25吸收之光之量而改良光萃取。每串之LED 25數目可允許LED裝置以低至高電壓操作。出於圖解說明之目的,已圖解說明瞭四個圖案。然而,預期任一適合之LED 25圖案。每一串LED 25可構成一單個圖案或一個以上圖案之一組合。
圖15A及圖15B圖解說明根據本文發明可(舉例而言且非限定性地)用於LED裝置之晶粒附接方法。LED 25可包含用於安裝於導電墊30上方之一背面金屬墊或接合層100。接合層100可包含整個底部表面LED 25或其一部分之一長度。出於圖解說明之目的,將接合層100圖解說明為與LED 25之整個底部表面具有一相同長度,然而預期任一組態。LED 25可包含可在LED 25之一上部表面與下部表面之間延伸之側邊104。圖15A及圖15B圖解說明傾斜側邊104,然而側邊104在選擇一縱切LED之情形下可係實質上垂直或筆直。圖15A及圖15B圖解說明具有大於包含接合層100之底部表面之一面積之一表面積之一上部表面之LED 25。然而,上部表面可具有小於接合表面之表面積之一表面積。除具有任一適合之側邊組態之外,LED 25可包含一正方形、矩形或任一適合之形狀。
可使用任一適合之晶粒附接方法在前文所闡述之LED裝置中之任一者中之導電墊30上方安裝LED 25。在一個態樣中,可使用任一適合之最佳化晶粒附接方法及/或材料。舉例而言,最佳化晶粒附接方法可包含金屬-至-金屬晶粒附接方法以用於促進一或多個金屬附接於LED 25及導電墊30上及/或LED 25與導電墊30之間。圖15A圖解說明可係共晶或非共晶之一金屬-至-金屬晶粒附接方法之一實例。此金屬-至-金屬晶粒附接方法可包含使用一輔助材料106以促進金屬-至-金屬晶粒附接。在一個態樣中,可使用一助銲劑輔助共晶金屬-至-金屬晶粒附接方法,且在其他態樣中可使用一金屬輔助非共晶金屬-至-金屬晶粒附接方法。在一助銲劑輔助共晶或助銲劑共晶晶粒附接方法中,接合層100可包含具有一共晶溫度之一金屬合金(例如但不限於金(Au)與錫(Sn)之一合金)。舉例而言,接合層100可包含具有大約280℃之一共晶溫度之一80/20 Au/Sn合金。在助銲劑共晶技術中,輔助材料106可包含一助銲劑材料。在非共晶技術中,輔助材料106可包含一金屬材料。輔助材料106可包含在接合層100經加熱高於共晶溫度時用於促進接合層100與導電墊30之間的金屬-至-金屬晶粒附接之一導管。接合層100之金屬可流動至導電墊30之金屬中且附接至導電墊30之金屬。接合層100之金屬或可原子擴散且與下伏安裝導電墊30之原子接合。在一個態樣中,用於一助銲劑輔助共晶方法中之助銲劑可包含一組合物,例如除小量其他成分之外的55%至65%樹脂與25%至35%聚乙二醇醚。然而可使用任一適合之助銲劑材料。
助銲劑輔助共晶晶粒附接方法可係單調,且在預定配置及/或一陣列中附接大量LED 25時使用此等方法係出乎意料的。根據本標的物之助銲劑共晶晶粒附接可包含以係用以避免LED 25遊動或在使用太多或太少助銲劑之情形下之差勁晶粒附接之精確地恰當體積之一量施配在室溫時可係液體之助銲劑輔助材料106。根據本標的物之助銲劑輔助共晶晶粒附接亦可需要用於助銲劑輔助材料106及發射體晶片之接合金屬100中之每一者之恰當組合物。根據本標的物之助銲劑輔助共晶晶粒附接可最佳地利用在使焊料接合點張緊之加熱及冷卻期間不移動或彎曲之一極清潔及平坦表面及基板。根據本標的物之助銲劑輔助共晶可利用小得足以不妨礙發射體晶片之Au/Sn接合表面同時粗糙得足以允許助銲劑在加熱期間逃逸之一細小表面粗糙度。加熱輪廓可極佳地與接合金屬100(諸如Au或AuSn)匹配以確保接合金屬100與下伏導電墊30之間的一良好焊接。根據本標的物針對晶粒附接使用助銲劑輔助共晶亦可利用一惰性氣氛(諸如一氮氣氛)以減小氧氣(O2 )水平且亦允許重力使一向下力施加於LED 25上。這可減小接合層100與下伏導電墊30之間的金屬-至-金屬接合處氧化之量。
仍參照圖15A,可使用亦可包含一輔助材料106之一非晶金屬-至-金屬晶粒附接方法,其中輔助材料106可包含一金屬材料。在此態樣中,接合層100可包含一單個金屬或一金屬合金。舉例而言,接合層100可包含Au、Sn或AuSn。在非共晶方法中,該接合層不需要達到或超過一溫度,例如一共晶溫度。在此態樣中,輔助材料106可包含一金屬材料以促進金屬-至-金屬接合。舉例而言,輔助材料106可包含AuSn膏或Ag環氧樹脂。可使用任一適合之金屬輔助材料106。接合層100之金屬可附接至輔助材料106之金屬。輔助材料106之金屬亦可附接至導電墊30之金屬。在一個態樣中,一金屬「夾層」以其中使用一金屬輔助材料106之非共晶金屬-至-金屬附接技術形成於接合層100、輔助材料106與導電墊30之間。金屬輔助非共晶晶粒附接可正如助銲劑輔助方法一樣係單調的,且在將LED 25附接於本文所闡述LED裝置之一或多個圖案內亦係出乎意料的。在將多個小佔用面積LED附接於一裝置內時,使用一輔助材料106之金屬-至-金屬附接可難以控制且係單調的。
圖15B圖解說明不需要一輔助材料106之一金屬-至-金屬晶粒附接技術。一種此方法可包含一熱壓縮晶粒附接方法,其中接合層100之金屬將直接附接至導電墊30之金屬。該熱壓縮方法可係共晶或非共晶的。在一個態樣中,可在接合層100包含具有一共晶溫度之一合金時使用熱壓縮。在其他態樣中,接合層100可包含不具有一共晶溫度之一金屬。導電墊30可在一金屬芯印刷電路板(MCPCB)內包含任一適合之金屬,不限於一Cu、Al、Ag或Pt層。。接合層100包含任一適合之金屬。在一個態樣中,接合層100可包含具有任一適合厚度之一Sn層。在一個態樣中,接合層100可包含大於大約0 μm之一厚度。在一個態樣中,接合層100可包含等於或大於至少大約0.5 μm之一接合層。在一個態樣中,接合層100可包含具有至少等於或大於大約2.0 μm之一厚度之一Sn層。不像剛剛所闡述之助銲劑輔助共晶或金屬輔助非共晶方法,熱壓縮金屬-至-金屬晶粒附接技術可利用如圖15B中所圖解說明之一外部向下力F。
與施配一助銲劑或金屬輔助材料106相反,力F可包含在一加熱環境中釋放之一壓縮,因此視為一熱壓縮。該熱壓縮技術係經發展以減小沿導電墊30之金屬擠出之一替代性晶粒附接方法,沿導電墊30之金屬擠出可形成肖特基或分流缺陷且允許後續電流洩漏及其他各種及相關問題。在一個態樣中,熱壓縮技術中之接合溫度可在視情況使導電墊30接受一預加熱處理或程序之後係大約255℃至265℃。導電墊30可加熱至接合層100之融化溫度之上至少20℃之一安裝溫度。接合時間可係大約300毫秒且接合力可係大約50 +/- 10克(g)。對於此方法而言預定設定可係重要的,包括充足預加熱、接合溫度、接合時間及接合力。與熱壓縮方法一同使用之設備及預定設定可難以使用及/或維持,且在以一陣列及/或一或多個圖案附接大量LED 25時使用此等方法係出乎意料的。用於在LED裝置中附接一LED陣列之金屬-至-金屬方法係不熟知的且使用助銲劑輔助共晶、金屬輔助非共晶或熱壓縮晶粒附接技術以用於以一陣列或圖案配置附接一或多個LED 25串係出乎意料的。
該等圖式中所展示及上文所闡述之本發明之實施例係可屬於隨附申請專利範圍之範疇內之諸多實施例之實例。能夠達成同樣效能之LED裝置及方法之組態可預期包含除所特定揭示之彼等組態之外的眾多組態。
10...發光裝置或發光二極體裝置
12...基板
14...保持材料
15...測試點
16...發射區域
18...附接表面
20...開口或孔
22...第一符號
23...第二符號
24...外壁
25...發光二極體
25A...發光二極體
26...線接合
30...導電墊
32...焊料遮罩
33...導電跡線
34...導電跡線
36...介電層
38...核心層
40...填充材料
42...間隙
44...齊納二極體
46...線接合
50...發光二極體裝置
52...虛線
54...導電區域
55...發光二極體裝置
60...發光二極體裝置
62...標記或凹口
70...發光二極體裝置
80...發光二極體裝置
85...發光二極體裝置
90...發光二極體裝置
95...發光二極體裝置
100...接合層
104...側邊
106...輔助材料
F...力
H1...高度
H2...高度
PA...定位
P1...圖案
P1A...圖案
P2...圖案
P3...圖案
P3A...圖案
P4...圖案
R1...定位
R2...定位
圖1圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一實施例之一俯視透視圖;
圖2圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一實施例之一側視圖;
圖3A及圖3B圖解說明根據本文發明之具有一或多個發光二極體(LED)圖案之一發光裝置之一實施例之俯視圖;
圖4圖解說明根據本文發明之具有一或多個LED圖案之一發光裝置之一實施例之一俯視透視圖;
圖5圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一實施例之一俯視圖;
圖6圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一光發射區域之一第一剖視圖;
圖7圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一光發射區域之一第二剖視圖;
圖8圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一俯視圖;
圖9圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一間隙區域之一剖視圖;
圖10圖解說明根據本文發明之一發光裝置之一俯視圖;
圖11至圖14B圖解說明根據本文發明之具有一或多個LED圖案之一發光裝置之實施例之俯視圖;及
圖15A及圖15B圖解說明根據本文發明用於LED裝置之晶粒附接。
10...發光裝置或發光二極體裝置
12...基板
14...保持材料
15...測試點
16...發射區域
18...附接表面
20...開口或孔
22...第一符號
23...第二符號
25...發光二極體
25A...發光二極體
26...線接合
30...導電墊
P1...圖案
P2...圖案
P3...圖案

Claims (41)

  1. 一種發光裝置,其包含:一基板;複數個發光二極體(LED),其以一陣列安置於該基板上方,該陣列包含複數個不同LED圖案;及一保持材料,其圍繞該LED陣列而施配;其中至少一第一圖案包括以線性串連接之LED及至少一第二圖案包括以非線性串連接之LED。
  2. 如請求項1之裝置,其中該複數個LED係使用助銲劑輔助共晶、金屬輔助非共晶或熱壓縮晶粒附接而附接至該基板。
  3. 如請求項1之裝置,其中該複數個LED係64個以上LED。
  4. 如請求項1之裝置,其中該LED陣列包含一個以上LED串,該一個以上LED串包含串聯電連接之複數個LED。
  5. 如請求項1之裝置,其中該等LED各自包含大約470μm或更小之一長度及大約350μm或更小之一寬度。
  6. 如請求項1之裝置,其中該裝置可以大約16伏特(V)或更小而操作。
  7. 如請求項1之裝置,其中該裝置經組態以用於以大約16伏特(V)或更大而操作。
  8. 如請求項1之裝置,其中該裝置經組態以用於以大約42伏特(V)或更大而操作。
  9. 如請求項1之裝置,其中該保持材料係施配於一或多個ESD保護裝置上方。
  10. 如請求項4之裝置,其中該基板包含第一電跡線及第二電跡線,且每一LED串經由電連接器而電連接至該第一電跡線及該第二電跡線。
  11. 如請求項10之裝置,其中該保持材料係至少部分地施配於該等電連接器之一部分上方。
  12. 如請求項4之裝置,其中該一個以上LED串包含串聯電連接之五個或五個以上LED。
  13. 如請求項4之裝置,其中該一個以上LED串包含串聯電連接之14個LED。
  14. 如請求項1之裝置,其中該不同圖案包含以下配置中之至少兩者:(i)一棋盤配置;(ii)一直線配置;及(iii)一柵格配置,其中該等LED係在至少兩個方向上實質上對準。
  15. 一種發光裝置,其包含:一基板;一或多個發光二極體(LED)串,其串聯電連接於該基板上方,每一串包含五個或五個以上LED,其中該一或更多之LED串以不同圖案連接,且其中至少一第一串包括以線性列串聯連接之LED及至少一第二串包括以非線性串聯連接之LED;且該等LED係使用助銲劑輔助共晶、金屬輔助非共晶或熱壓縮晶粒附接而附接至該基板。
  16. 如請求項15之裝置,進一步包括一反射保持材料,其圍繞該一或多個LED串配置。
  17. 如請求項15之裝置,其中該不同圖案包含以下配置中之至少兩者:(i)一棋盤配置;(ii)一直線配置;及(iii)一柵格配置,其中該等LED係在至少兩個方向上實質上對準。
  18. 如請求項15之裝置,其包含五個以上LED串。
  19. 如請求項15之裝置,其包含10個以上LED串。
  20. 如請求項15之裝置,其包含30個LED串。
  21. 如請求項15之裝置,其中每一LED串包含14個LED。
  22. 如請求項18之裝置,其中每一LED串包含5個LED。
  23. 如請求項15之裝置,其中該裝置包含64個以上LED。
  24. 如請求項15之裝置,其中該裝置經組態以用於以大約16伏特(V)或更大而操作。
  25. 如請求項15之裝置,其中該裝置經組態以用於以大約16V或更小而操作。
  26. 如請求項15之裝置,其中該裝置經組態以用於以大約42V或更大而操作。
  27. 一種提供一發光裝置之方法,該方法包含:提供一基板;將複數個發光二極體(LED)以一陣列附接至該基板,該陣列包含一或多個LED圖案,其中至少一第一圖案包 括線性串連接之LED及至少一第二圖案包括以非線性串連接之LED;及圍繞該LED陣列施配一保持材料。
  28. 如請求項27之方法,其中附接該複數個LED包含使用助銲劑輔助共晶、金屬輔助非共晶或熱壓縮以將該等LED晶粒附接至該基板。
  29. 如請求項27之方法,其中附接複數個LED包含將該等LED串聯電連接至該基板之第一導電跡線及第二導電跡線。
  30. 如請求項27之方法,其中以一陣列附接該複數個LED包含將一或多個LED串附接至該基板,每一串包含串聯電連接之五個或五個以上LED。
  31. 如請求項30之方法,其中附接一或多個LED串包含將五個以上LED串附接至該基板。
  32. 如請求項30之方法,其中附接一或多個LED串包含將10個以上LED串附接至該基板。
  33. 如請求項30之方法,其中附接一或多個LED串包含將30個LED串附接至該基板。
  34. 如請求項27之方法,其中以一陣列附接該複數個LED包含將64個以上LED附接至該基板。
  35. 如請求項27之方法,其中附接複數個LED包含以以下圖案中之至少兩者附接該等LED:(i)一棋盤配置;(ii)一直線配置;及 (iii)一柵格配置,其中該等LED係在至少兩個方向上實質上對準。
  36. 一種發光裝置,其包含:一基板;複數個發光二極體(LED),其以一陣列安置於該基板上方;一保持材料,其至少部分地圍繞並接近該LED陣列而安置;該LED陣列包含一或多個不同LED圖案,其中至少一第一圖案包括以線性串連接之LED及至少一第二圖案包括以非線性串連接之LED,其中該複數個LED中之至少某些LED藉由線接合而電連接以形成單獨LED串,且其中每一LED串具有由該保持材料覆蓋之至少一個線接合。
  37. 如請求項36之裝置,其中該裝置包含64個以上LED。
  38. 如請求項36之裝置,其中該等LED各自包含大約470μm或更小之一長度及大約350μm或更小之一寬度。
  39. 如請求項36之裝置,該不同圖案包含以下配置中之至少兩者:(i)一棋盤配置;(ii)一直線配置;及(iii)一柵格配置,其中該等LED係在至少兩個方向上實質上對準。
  40. 如請求項36之裝置,其中該保持材料係施配於一或多個 ESD保護裝置上方。
  41. 如請求項36之裝置,其中該複數個LED包含使用助銲劑輔助共晶、金屬輔助非共晶或熱壓縮以將該等LED晶粒附接至該基板。
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