TWI502778B - 包含塑模反射型側壁塗層的發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體(LED),且更特定而言係關於一種向內反射側發射光的技術。
一種半導體LED可被製成極薄,例如在50微米以下,以最大化其之光輸出。該半導體LED亦可在其之頂表面之上具有一相對較厚的磷層以便波長轉換來自該LED的光,諸如使用一藍色LED產生白光。此一結構仍可僅具有大約0.2 mm到0.5 mm的一總厚度及小於1 mm2
的一頂面積。該LED可為一倒裝晶片,其被接合至一更大基臺之頂表面上的金屬焊墊,使得僅在該基臺之底部上的強固電極需被焊接至一印刷電路板。
熟知的係藉由經由在一塑模拋物線反射器之底部的一矩形開口插入該LED而利用該塑模拋物線反射器包圍該LED(但非該基臺)。由於該反射器應理想地反射所有從該LED之頂部及側發射的光,該反射器之最靠近該LED的內邊緣需具有一極端小的厚度(稱為一刀口)以擷取大多數的側光。此外,該理想反射器應實質上毗接該LED之邊緣以擷取大多數側光。生產此一理想反射器並不切實際,且典型的塑模反射器在該反射器邊緣及LED之間具有變化的空間,且該反射器內邊緣(大約0.5 mm最小厚度)阻擋大多數側光進入該反射器區域。
需要的係一種使一實際的塑模反射器能實質上反射所有從一LED發射之光的技術。
本發明揭示一種製造一LED光源的方法,其在該LED之側壁之上塑模一反射材料。實質上在該LED之頂部發光表面上沒有反射材料。該LED一般將包含一磷層,其中該磷層及半導體LED之側壁塗布有該反射材料。該反射材料圍堵住光因此實質上所有光在一良好界定的發射區域內發射。該反射材料之頂部可被形成與該LED之頂部齊平或在該LED之頂部之上或之下延伸。
由於實質上無光從該LED之側發射,因此任何圍繞該LED的反射器僅需使其內邊緣與該反射材料之頂邊緣齊平或在其之下以擷取所有的LED光。與先前技術對比,該反射器之內邊緣無須為刀口以擷取光。
在一個實施例中,一碗形反射器包圍該LED及反射材料。
在另一個實施例中,具有反射側的LED被安裝於諸如一白色塑膠零件的一反射零件中之一開口內。該反射零件中之開口寬於該側壁反射材料之外壁,且該反射零件高於該側壁反射材料之頂部。一些低角度光線將反射離開該反射零件之延伸於該側壁反射材料之上的內壁。這產生大於該LED之尺寸的視光源尺寸並產生朝該反射零件之邊緣漸縮的一亮度輪廓。在一些應用中這係有利的,諸如來自多個光源的光須被摻混於一起。
在該等LED側壁之上的反射材料亦可製成較不具反射性使得側光更深地穿透至該反射材料中。這平滑化該光源之視邊緣,其在一些應用中係有利的,諸如來自多個光源的光須被摻混於一起。
在另一個實施例中,該等LED側壁之上的反射材料使光吸收材料可在該等光吸收材料不減少總體光輸出之情形下緊鄰LED而被使用。舉例來說,一黑色塑膠托架可在該托架不吸收側光的情形下用於將該LED基臺固持於一散熱器或其他基板上。
其他實施例亦被描述。
在一個實施例中,一LED陣列(其各者具有諸如一磷板的一磷層)被安裝於一基臺晶圓上。該晶圓相對於具有一凹坑(indention)陣列的一塑模而被定位。該等凹坑填充有矽酮及以重量計10%到50%的TiO2
之一混合物,產生一實質上反射的材料。該TiO2
在白色周圍光下呈現白色。利用低百分比的TiO2
(例如10%到15%),該光邊界變得更軟,因為光更深地穿透至該反射材料中。該等凹坑具有大於該等LED之外尺度的尺度使得該反射材料將形成圍繞該LED之該等側壁的一反射壁。
該等LED之頂表面實質上接觸該等凹坑之底表面使得無明顯厚度的反射材料存在於該頂表面及該凹坑之間。在該LED之頂表面上的任何反射材料可利用各式各樣技術移除,諸如微珠噴砂及雷射剝蝕。在一些應用中,在該磷層之上期望一極薄的TiO2
塗層,因為其產生一更美觀的白色外觀而不明顯地將光反射回去。
然後該反射材料固化,且該基臺晶圓從該塑模分離使得覆蓋該等側壁的反射材料圍堵住從該等LED發射的光。然後該基臺晶圓被切割。用以形成圍繞該LED之側壁的反射材料之各種其他方法被描述。
然後一碗形反射器或其他元件被添加至該基臺。該反射器(或其他元件)具有一開口,該LED被插入該開口中。由於在該等LED側壁上的反射材料至少與該LED等高,該反射器(或其他元件)之內邊緣僅需與該反射材料之頂部齊平或在其之下以便實質上擷取所有LED光。在一些實施例中,該外元件具有高於該側壁反射材料的內反射壁。
一透鏡可替代一反射器而被添加至圍繞該LED的基臺。
在各種圖式中相似或相同的元件標有相同的元件符號。
雖然本發明可被應用於任何類型的LED,但將描述一使用於所有實例中的特定LED。圖1為一白光LED 10之一截面圖。
該實例中的LED 10之主動層產生藍光。該LED 10被形成於一開始生長基板上,例如藍寶石、SiC或GaN。一般而言,一n層12被生長,之後為一主動層14,之後為一p層16。該p層16被蝕刻以暴露在下面之n層12之一部份。然後反射金屬電極18(例如銀、鋁或一合金)被形成於該LED之表面上以接觸該等n及p層。可存在許多散佈電極以便更均勻地傳播電流。當該二極體為順向偏壓時,該主動層14發射波長被該主動層之成份(例如AlInGaN)測定的光。形成此等LED被廣為熟知且無需進一步詳細描述。形成LED的附加細節被描述於讓渡給Steigerwald等人的美國專利第6,828,596號及讓渡給Bhat等人的美國專利第6,876,008號中,其兩者讓渡給本發明受讓人並藉由引用之方式併入本文中。
然後該半導體LED被安裝於一基臺22上作為一倒裝晶片。該基臺22為一基臺晶圓之一部份,在該基臺上安裝許多LED,且該基臺稍後被切斷。基臺22之頂表面含有經由錫球焊接或超音波熔接至該LED上之金屬電極18的金屬電極。其他類型的接合亦可被使用。如果該等電極本身可被超音波熔接於一起,該等錫球可被刪除。
該等基台電極經由通孔電連接至該基臺之底部上的陰極及陽極焊墊24,因此該基臺可被表面安裝至一印刷電路板上的金屬焊墊,該電路板可形成一相機之一閃光燈模組之一部份。該電路板上的金屬跡線將該等焊墊電耦合至一電源。該基臺22可由任何適當材料形成,例如陶瓷、矽、鋁等。如果該基臺材料具導電性,則一絕緣層被形成於該基板材料之上,且該金屬電極圖案被形成於該絕緣層之上。該基臺22充當一機械支撐件,在該LED晶片上的脆弱n及p電極以及一電源之間提供一電介面,並提供散熱。此等基臺係廣為熟知。
為造成該LED 10具有一低輪廓並防止光被該生長基板吸收,該生長基板例如藉由CMP或使用一雷射剝離法被移除,在雷射剝離法中一雷射加熱該GaN及生長基板間之介面以產生將該基板推離該GaN的一高壓氣體。在一個實施例中,該生長基板之移除在一LED陣列被安裝於一基臺晶圓之後且在該等LED/基臺被切斷(例如藉由鋸切)之前執行。該等半導體層之最終厚度可為大約40微米。該等LED層加上基臺可為大約0.5 mm厚。
該等LED半導體層之處理可發生於該LED被安裝於該基臺晶圓上之前或之後。
在一個實施例中,在該生長基板被移除後,被形成作為一預形成板的一磷層30藉由例如矽酮而被添加於該LED之頂部之上,以便波長轉換從該主動層14發射的藍光。在另一個實施例中,該磷層30可在該等LED從該生長晶圓切斷之前或在該等LED被安裝於該基臺晶圓之後被噴灑沈積、旋塗、藉由電泳薄膜沈積或利用任何其他技術形成。該磷層30可為在可為有機或無機之一透明或半透明黏合劑中的磷顆粒,或可為燒結磷顆粒。
被該磷層30發射的光在與藍光混合時產生白光或另一所需顏色的光。在該實例中,該磷為一產生黃光的石榴石氧化釔鋁(YAG)磷(Y+B=白色)。該磷可為任何其他磷或磷的組合物,諸如一紅磷或一綠磷(R+G+B=白色),以產生白光。該磷層30之厚度可為大約100微米或更大,取決於該LED待發射之所需總體顏色及亮度。
在一個實施例中,以大約1%之TiO2
注入的矽酮之一薄層32接著被沈積於該磷層30表面之上以便出於美學目的使該黃色YAG磷呈現白色。厚度可為30微米到100微米之數量級。該薄層32亦有助於防止該磷層30在一隨後的塑模程序期間當該LED之頂部可在壓力下與一剛性塑模接觸時破碎。溶膠-凝膠可被使用以替代矽酮。該層32為可選。其他頂層可被形成,包含一二向色濾光片層。如果使用一遠端磷層,該LED之上之一二向色濾光片層對於允許該LED光透過及反射背向散射之磷光有用。
圖2說明該基臺晶圓36及圖1之LED 10。直線被描繪於該晶圓36上以說明該晶圓36將在稍後被鋸切或斷裂以進行切斷之處。
亦被稱為一模套的一塑模40具有若干凹坑42,較佳的係該等凹坑比該等LED 10更淺以確保該等LED之頂部接觸或極接近各個凹坑42之平坦底表面。該等凹坑42比該等LED 10稍寬,其中差異將為覆蓋該等LED 10之側面的塑模材料之厚度。該等凹坑42可具有極精確的尺度,且該塑模材料之外尺度將與該等LED 10之外尺度的任何變異及其等在該基臺晶圓36上的放置無關。
矽酮及TiO2
之一粘滯混合物44被精確施配於該塑模40之上以填充該等凹坑42並亦在該等凹坑42之間產生一薄層。如果該混合物44具有一極低黏度,一隆起的密封件將圍繞該塑模40而使用。
該TiO2
在該矽酮中的重量百分比足以造成固化混合物具有實質上反射性(例如超過75%)但不會明顯減少該矽酮之屬性。一般而言,大約10%到50%的TiO2
被使用,其中該反射率與TiO2
之百分比有關。其他白色惰性顆粒(例如ZrO2
及Al2
O3
)可替代TiO2
而使用。在一個實施例中,平均之TiO2
顆粒尺寸為0.25微米。
該基臺晶圓36及塑模40在壓力下匯集於一起使得該等LED 10被浸入該混合物44中,如圖3中所示。該混合物44之黏度在該晶圓36表面靠近該塑模40表面時趨於逐漸地抵抗該壓力。當該等LED 10之頂部剛碰到該等凹坑42之底部時,壓力被維持且該矽酮諸如藉由加熱被固化。藉由測量該壓力,可得知該等LED之頂部何時接觸該等凹坑42之底部。
然後該晶圓36及塑模40被分離,如圖4中所示,且硬化的矽酮/TiO2
46可藉由加熱或UV進一步固化。然後該基臺晶圓36藉由鋸切或斷裂沿著該等直線切斷。
覆蓋該LED 10之側的相對較厚之矽酮/TiO2
46層實質上反射所有LED側光(例如至少75%)。在任何離開該矽酮/TiO2
46的反射後,光最終將經由該LED 10之頂表面退出。在一個實施例中,覆蓋該LED 10之側壁的矽酮/TiO2
46之厚度為0.1 mm到1 mm。該厚度應為充分反射光所需之厚度。該等塑模凹坑42之尺寸須考慮該LED 10之尺寸之任何變異及LED 10在該基臺晶圓36上之放置之未對準以及光穿透至該矽酮/TiO2
46中的深度。對於一中等反射矽酮/TiO2
46來說,50微米之數量級之一穿透為典型的。
在一極薄的矽酮/TiO2
46層歸因於該等LED 10在該基臺晶圓36之上之高度的變異而被形成於該LED 10之頂表面之上的事件中,此一小厚度將不會造成任何明顯的反射(例如小於1%)。任何在該頂表面之上的不期望矽酮/TiO2
46可藉由微珠噴砂、雷射剝蝕、拋光或其他技術移除。
在另一個實施例中,該矽酮/TiO2
混合物44填充該塑模中之一單一大型凹坑,且在該晶圓36及塑模被匯集於一起時,該混合物44剛好填充LED 10之間的間隙,因此在該矽酮/TiO2
46中無階梯。圖4顯示此一平面矽酮/TiO2
層之外形47。在另一個實施例中,該混合物44最初被沈積於該等LED 10上,且該(等)塑模凹坑在該晶圓36及塑模被匯集於一起時使該混合物44定形。在一個實施例中,該塑模造成該矽酮/TiO2
46產生圍繞該等LED 10並高於該等LED 10的壁。在另一個實施例中,該混合物44個別圍繞該等LED 10施配且然後固化而不使用一塑模,但使用一塑模以產生精確尺度為更佳並比圍繞各個LED 10施配該混合物44更快。
圖5說明被環氧樹脂黏接至一拋物線反射器50的LED 10及基臺22。該反射器50為模塑塑膠,其具有濺射或蒸發至該碗形表面上的一薄鏡面金屬。鋁、銀、鉻或其他適當的金屬可被用作該鏡面金屬。該環氧樹脂被施配於該反射器50之底側上的架子52上,且該LED/基臺利用一自動取置機定位。
注意該反射器50之內邊緣可具有一相對較大的厚度(例如上至0.5 mm)但不會減少光擷取,因為該反射器50之邊緣低於該LED 10之頂表面或大約與該LED 10之頂表面齊平,且實質上無光從該等側逸出。通過該矽酮/TiO2
46的光之數量取決於該TiO2
百分比及該矽酮/TiO2
46之厚度。在稍後描述的其他實施例中,該反射器之高度可在該LED之高度之上。
由於該矽酮/TiO2
46之外尺度藉由該等塑模凹坑42而被精確測定,該反射器50開口不須考慮該LED 10尺寸之變異或LED 10在該基臺晶圓36上的未對準。此外,該反射器50之垂直定位恆定,因為該矽酮/TiO2
46在該基臺22表面之上的厚度可藉由該塑模程序而被精確控制。該矽酮/TiO2
46之塑模階梯可用於對準任何光學元件。
該側壁反射材料無需覆蓋該LED之該等側至該LED的完全高度,因為在一些應用中該反射材料只需覆蓋該側壁至無光損失的一高度。舉例來說,在圖5中,該矽酮/TiO2
46僅需於與該反射器50之內邊緣齊平的一高度,且該高度可為用於自該反射器50投射一均勻光的較佳高度。對於厚的磷層,可輕易形成薄於該磷層之高度的一外部反射器之內邊緣。然而,該矽酮/TiO2
46之厚度將幾乎永遠大於該LED之半導體部份的頂部(n層12之頂部)並在該基臺22表面之上具有至少該磷層之厚度之10%的一階梯高度。因此,該塑模40將具有適當定形的凹坑以實現此等所需高度。
圖6為具有開口54以便以圖5中所示之方式容納一LED的反射器50之一塑模陣列的一前視圖。一旦所有LED被添加至一反射器50,該反射器50陣列藉由沿著該等反射器邊界(例如沿著塑模弱化線56)鋸切或斷裂而被切斷。圖6亦可用於說明任何將與該等LED一同使用的光學元件之一陣列。
圖5之所得結構可被用作一相機之一閃光燈,該相機可為一行動電話相機,其中該基臺22之電極24(圖1)被焊接至支撐該等閃光燈電子器件的一印刷電路板上之焊墊。
圖7顯示藉由施配於透鏡架62上之環氧樹脂添加至一預先形成之塑模透鏡60的LED 10及基臺22。該透鏡60可具有任何形狀。當該等LED/基臺被添加至該等透鏡60時,該透鏡60可已被連接至一透鏡陣列中的其他透鏡。歸因於該反射型矽酮/TiO2
46,側發射被減少。這對於光被限制於一特定角度的相機閃光燈應用來說係有利的。
圖8顯示一反射零件66被添加至該基臺22且該反射零件66在該LED 10之頂部之上延伸的一個實施例。該反射零件66可為一白色塑膠或其他反射材料。來自該LED 10之頂部的該等低角度光線68反射離開該反射零件66之內壁使得該光源看起來具有一更大的寬度w。這亦產生該光源之一更軟的邊界,在摻混來自多個光源的光時這可係有利的。使該反射零件66更高增加該邊界附近之亮度,因為其截取更多來自該LED 10的光。在圖8中,該反射零件66亦利用螺絲72頂住一散熱器70緊密地固定該基臺22。該散熱器70可為一金屬芯電路板。
該反射零件66可含有用於在LED 10之上對準其他光學元件的參考孔或銷。
圖9說明該矽酮/TiO2
46可被形成以便在該LED 10之上延伸。如果該TiO2
百分比夠低,該矽酮/TiO2
46將產生一漫射邊界。這可用於增加該光源之視尺寸,因為歸因於該矽酮/TiO2
46之增加的高度,更多的光被該矽酮/TiO2
46反射,且光穿透至該矽酮/TiO2
46中。
在一LED之側上之一反射型塑模材料的發明在一些應用中可係有用的,即使未將該LED連接至一反射器或透鏡。舉例來說,在側發射非所需的應用中,該矽酮/TiO2
46可被用於在一界定的邊界內圍堵住該光發射。此外,藉由調整該TiO2
百分比及矽酮/TiO2
46之厚度,該光源之形狀及邊界輪廓係可控制。舉例來說,藉由降低該TiO2
百分比,該光源具有一更軟邊緣,且矽酮/TiO2
46可製成更厚以確保光在該矽酮/TiO2
46內反射。
圖10說明使用該矽酮/TiO2
46以防止來自該LED 10的光被一光吸收保持器76或其他結構吸收。該保持器76可為黑色塑膠或其他光吸收材料。此外,如果該保持器76稍微具反射性,該矽酮/TiO2
76防止該保持器46產生一圍繞該LED 10的非所需發光。這極大地解放在該LED 10附近使用不同材料的可能性。該保持器76可稍微在該LED 10之上延伸而幾乎沒有不良影響。
本發明不需一磷層。一相對較厚的透明層可被形成於該半導體LED之上,或者該生長基板之一部份可被留下,以提供用於黏接該塑模矽酮/TiO2
46的側壁。
在詳細描述本發明之後,技術熟練者將瞭解考慮到本揭示內容,可對本發明做出修改而不脫離描述於本文之精神及發明概念。因此,本發明之範圍不應被已說明及描述的特定實施例限制。
10...LED
12...n層
14...主動層
16...p層
18...金屬電極
22...基臺
24...陽極焊墊
30...磷層
32...矽酮薄層
36...基臺晶圓
40...塑模
42...凹坑
44...矽酮/TiO2
混合物
46...矽酮/TiO2
47...外形
50...反射器
52...架子
54...開口
56...弱化線
60...透鏡
62...透鏡架
66...反射零件
68...光線
70...散熱器
72...螺絲
76...保持器
w...寬度
圖1為安裝於一基臺晶圓上的一藍色LED之一截面圖,其具有添加至該頂表面的一磷板(例如黃綠YAG)。
圖2為複數個安裝於一基臺晶圓上的圖1之LED的一截面圖,以及填充有以大約10%到50%(以重量計)TiO2
注入之液體矽酮的一塑模之一截面圖。
圖3說明圖2之該晶圓及塑模被匯集於一起以便僅圍繞各個LED之側壓縮塑模該矽酮/TiO2
。
圖4說明在該矽酮固化及該晶圓從該塑模移除之後的晶圓。
圖5為添加至一反射器的一經切斷LED之一截面圖,其中該反射器之內邊緣無需為該反射器之一刀口以便在實際上接收所有該LED發射的光(該反射器之相對尺寸通常將更大,因為該LED可僅為0.5 mm高)。
圖6為反射器之一塑模陣列之一俯視圖,因此在該等反射器中的LED之放置係以一陣列規模執行以簡化處理。
圖7為添加至一透鏡的一經切斷LED之截面圖。
圖8說明圍繞該LED並高於該LED以便產生大於該LED之一光源之外觀的一白色塑膠零件。
圖9說明在該LED之側之上的一厚壁反射材料,其中該反射材料具有一低百分比的TiO2
以產生具有平滑邊界的一光源。
圖10說明用於將該基臺固定至一散熱器的一光吸收元件,其中在該等LED側壁上的反射材料防止該元件吸收LED光。
10...LED
12...n層
14...主動層
16...p層
18...金屬電極
22...基臺
24...陽極焊墊
30...磷層
32...矽酮薄層
Claims (13)
- 一種發光裝置,其包括:一發光二極體(LED),其具有若干側壁及一頂表面;一基臺(submount),該LED被安裝於其上;一實質上反射之材料,其直接提供於該等側壁上,該反射材料包括一實質上透明的材料,該透明材料含有造成反射的若干惰性非磷顆粒,該等顆粒以重量計為至少該反射材料之10%,該等顆粒在白色周圍光下具有一實質上白色的顏色,該反射材料不實質地覆蓋該LED之頂表面,使得覆蓋該等側壁的反射材料至少部份圍堵住(contains)從該LED發射的光;及一添加至該基臺的零件,該零件具有一開口,該LED被插入該開口中,其中該零件具反射性,其中該反射材料形成一圍繞該LED的階梯(step),且其中該零件之內邊緣與該反射材料之外邊緣分隔開。
- 如請求項1的裝置,其中該等顆粒包括TiOx 、ZrOx 或Al2 O3 中之一者。
- 如請求項1的裝置,其中該等顆粒包括以重量計該反射材料的大約20%到50%。
- 如請求項1的裝置,其中該等顆粒之一平均直徑小於1微米。
- 如請求項1的裝置,其中該實質上透明材料包括矽酮。
- 如請求項1的裝置,其中該LED包括一磷層,該反射材料 覆蓋該磷層之諸側壁。
- 如請求項6的裝置,其中該磷層為一添加至該LED之一半導體部份之一頂表面的板。
- 如請求項1的裝置,其中該反射材料至少與該LED之頂表面等高地延伸。
- 一種製造一發光裝置的方法,其包括:提供安裝於一基臺上的一發光二極體(LED),該LED具有若干側壁及一頂表面;相對於具有一凹坑(indention)的一塑模定位該基臺;在該基臺及該塑模之間提供一實質上具反射性之材料,該反射材料包括一實質上透明之材料,該透明材料含有造成反射的若干惰性非磷顆粒,該等顆粒以重量計為該反射材料之至少10%,該等顆粒在白色周圍光下具有一實質上白色的顏色,該凹坑具有大於該LED之一外尺度(dimension)的尺度使得該反射材料形成覆蓋該LED之諸側壁的一反射壁,並使得在該頂表面及該凹坑之間不存在顯著厚度的反射材料;固化該反射材料;及從該塑模分離該基臺使得覆蓋該等側壁的反射材料圍堵住從該LED發射的光。
- 如請求項9的方法,其中該等顆粒包括TiOx 、ZrOx 或Al2 O3 中之一者。
- 如請求項9的方法,其中該LED包括一磷層,該反射材料 覆蓋該磷層之諸側壁。
- 如請求項9之方法,其進一步包括添加一反射零件至該基臺,該反射零件具有一開口,該LED被插入該開口中,該反射零件之諸內邊緣圍繞該反射材料。
- 如請求項9的方法,其中相對於該塑模定位該基臺包括相對於該塑模定位一基臺晶圓,該基臺晶圓上已安裝複數個LED,該塑模具有複數個對應於該基臺晶圓上之各個LED位置的相同凹坑。
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