TWI589037B - 發光裝置 - Google Patents

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TWI589037B TW105112987A TW105112987A TWI589037B TW I589037 B TWI589037 B TW I589037B TW 105112987 A TW105112987 A TW 105112987A TW 105112987 A TW105112987 A TW 105112987A TW I589037 B TWI589037 B TW I589037B
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傑佛瑞 戴樂 麥提克
愛恩 威爾森 布雷克
佛瑞德瑞克 史戴芬妮 戴安那
塞吉 羅倫 路達斯
張莉
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Description

發光裝置
本發明係關於發光裝置之領域，且尤其係關於一種發光裝置，該發光裝置藉由在支撐該發光裝置之基板上提供高反射性塗層而具有改良型效率。
針對能量有效率照明之需要已加速針對有效率發光裝置之需求，特別是鑒於固態發光裝置現能夠藉由混合多種波長之光來提供白光的事實。
在典型固態多波長發光裝置中，發光結構之主動元件提供第一波長之光，且波長轉換元件將此光中之一些轉換成第二波長之光。藉由發光元件及波長轉換元件之光提供之波長以及每一者之比例經設計/選擇成產生此等光之所要組合，諸如，在所要色溫(CCT)下之白光。
圖1A說明多波長發光裝置之習知結構。該裝置包含元件堆疊110，元件堆疊110包括發射第一波長之光之主動元件112及通常包含磷光體之波長轉換元件114，波長轉換元件114將在第一波長下之光中之一些轉換成第二波長之光。元件112及114之材料經選擇成基於該兩種波長之光之混合來提供所要光輸出特性。堆疊110建置於基板120(其通常為陶瓷，諸如，氧化鋁)上，且係藉由光學元件130囊封。
儘管大多數經發射且經轉換之光係自光學元件130輸出，但光101中之一些被內反射或以其他方式誤導，從而引起效率損失。在大 多數照明申請人中，所要光輸出係朝向特定方向，且反射器用以朝向該方向重新引導光。通常用以引導發光二極體(LED)之光輸出之技術係在反射器杯內包括LED晶片。然而，隨著陶瓷上晶粒(die on ceramic,DoC)LED封裝的到來，反射器杯之使用通常不係經濟地可行的。
已提議用於增加基板上之發光裝置之效率的許多技術。舉例而言，Chen等人在2008年11月13日申請之名為「REFLECTIVE LAYER FOR LIGHT EMITTING DIODES」的美國專利申請案2010/0038655揭示在基板上且鄰近於堆疊101置放反射性層140，如圖1B所說明。以此方式，內反射光101被反射回直至透鏡元件130，藉此潛在地減少由此內反射光101造成之效率損失。然而，被反射至堆疊110中的光101之至少一部分很可能藉由堆疊110之元件或基板120吸收。
如圖1C所說明，若基板120係透明或半透明的，則反射性層150可定位於基板120下方，以便反射原本將通過基板120而逸出之任何光(圖1A之102)。然而，因為大多數基板120本身係不透明的，所以一些光將隨著通過基板120之每次渡越而被損失/吸收。
在Harrah等人在2007年8月29日申請之名為「LIGHT EFFICIENT LED ASSEMBLY INCLUDING A SHAPED REFLECTIVE CAVITY AND METHOD FOR MAKING SAME」的美國專利申請案2008/0062701中，形成用於將複數個堆疊110安裝於發光裝置內之反射性空腔160，如圖1D所說明。然而，此配置不允許堆疊110安裝於基板120上。
將有利的是提供一種用於生產具有增強型照度輸出之發光裝置之方法。亦將有利的是提供具有增強型照度輸出之此發光裝置。亦將有利的是最小化通過用以安裝發光元件及光轉換元件之基板之光損失及/或吸收。
可藉由提供一種基台來實現此等優點及其他優點，該基台包括一基板及一金屬化層，該金屬化層具有電路跡線及一平面介電層，該平面介電層填充該等電路跡線之間的區。該平面介電層用來最小化藉由該基板損失/吸收之光之量，且較佳地朝向所要光輸出元件反射回內反射光。為了促進有效率製造，將一介電膏施加於該經金屬化層上方、固化該介電膏，且接著刨削該介電膏以曝露金屬導體之至少部分以用於隨後耦接至發光堆疊。較佳地在該等電路跡線上之選擇部位處提供台座元件以促進此耦接，同時允許該等電路跡線之剩餘部分被覆蓋有該介電層。
101‧‧‧內反射光
102‧‧‧通過基板而逸出之任何光
110‧‧‧元件堆疊
112‧‧‧主動元件
114‧‧‧波長轉換元件
120‧‧‧基板/基板元件
130‧‧‧光學元件/透鏡元件/透鏡蓋
140‧‧‧反射性層
150‧‧‧反射性層
160‧‧‧反射性空腔
220‧‧‧瓷磚
240‧‧‧反射性介電質
240'‧‧‧經刨削介電質/反射性材料
300‧‧‧發光裝置
310‧‧‧發光堆疊
311‧‧‧電路跡線
311'‧‧‧成品電路跡線
312‧‧‧發光元件
314‧‧‧波長轉換元件
316‧‧‧金屬化層
320‧‧‧反射性介電材料層
320'‧‧‧成品介電材料/平面介電質
511‧‧‧電路跡線
512‧‧‧空間
520‧‧‧介電材料/介電質
520'‧‧‧介電材料/介電層
560‧‧‧可移除材料
561‧‧‧選擇區域/接觸區域
562‧‧‧選擇區域/接觸區域
563‧‧‧選擇區域
570‧‧‧選擇區域
611‧‧‧電路跡線
620‧‧‧介電材料
620'‧‧‧介電層
661‧‧‧導電台座
661'‧‧‧台座/共平面台座
圖1A至圖1D說明實例先前技術發光裝置。
圖2A至圖2C說明具有反射性側壁之發光裝置。
圖3A至圖3D說明具有反射性基台之發光裝置之實例製作。
圖4說明用於製作具有反射性基台之發光裝置之實例流程圖。
圖5A至圖5D說明具有反射性基台之發光裝置之替代結構。
圖6A至圖6B說明在反射性基台中台座元件之使用。
參看隨附圖式進一步詳細地且藉由實例來解釋本發明。
貫穿該等圖式，相同參考數字指示類似或對應特徵或功能。該等圖式係出於說明性目的而被包括，且該等圖式不意欲限制本發明之範疇。
在以下描述中，出於解釋而非限制之目的，闡述諸如特定架構、介面、技術等等之特定細節，以便提供對本發明之概念之透徹理解。然而，對於熟習此項技術者將顯而易見，可在脫離此等特定細節之其他實施例中實踐本發明。以相似方式，此描述之本文係針對如諸圖所說明之實例實施例，且不意欲超出明確地包括於申請專利範圍中 之限度來限制所主張之本發明。出於簡單性及清楚性之目的，省略熟知裝置、電路及方法之詳細描述，以便不會以不必要之細節混淆本發明之描述。
Serge Bierhuizen及Gregory Eng在2009年7月23日申請且以引用之方式併入本文中之名為「LED WITH MOLDED REFLECTIVE SIDEWALL COATING」的同在申請中之美國專利申請案12/508,238揭示在基板上且向每一發光堆疊之外部邊緣上模製介電材料層，以朝向光輸出表面反射來自堆疊之邊緣之光及在發光裝置內被內反射之光。
Grigoriy Basin、Jeffrey Kmetec及Paul Martin在2009年9月2日申請且以引用之方式併入本文中之名為「LED PACKAGE WITH PHOSPHOR PLATE AND REFLECTIVE SUBSTRATE」的同在申請中之美國專利申請案12/552,328類似地揭示用反射性材料來環繞發光及轉換堆疊，如圖2A至圖2C所說明。圖2A說明瓷磚220，在製造程序期間堆疊110位於瓷磚220上。根據此同在申請中之申請案，在堆疊110之頂部上且圍繞堆疊110施加反射性介電質240。此後，如圖2B所說明，刨削介電質240以便重新曝露堆疊110之頂部，經刨削介電質被參考為240'。此後，如圖2C所說明，將磚切割/切塊成個別基板元件120。以此方式，用反射性材料240'來有效地環繞每一堆疊110，使得朝向透鏡蓋130反射通常自堆疊之側逸出之光以及藉由透鏡蓋130內反射之光。
然而，在此等同在申請中之申請案中每一者中，取決於光是否遇到諸如堆疊內之金屬電路跡線的反射性元件，可能朝向或可能不朝向透鏡蓋反射回自上方進入堆疊110之反射光。至少一些光將很可能橫穿整個堆疊110且進入基板120，藉此減少發光裝置之照度效率。
在本發明之一實施例中，一種用於發光堆疊之基台包括一基板及一金屬化層，該金屬化層具有電路跡線及一平面介電層，該平面介 電層填充該等電路跡線之間的區。該平面介電層用來最小化進入該基板且被吸收或以其他方式損失之光之量。圖3A至圖3B說明用於創製此基台之實例程序。圖3A說明通常經由習知光微影程序而將電路跡線311置放於基板120上。此等電路跡線311通常經設計成促進至發光裝置之外部連接，且通常施加至經建置有多個發光裝置之基板磚上。
在將電路跡線311形成於基板120上之後，在電路跡線311上方施加反射性介電材料層320，且至少部分地固化反射性介電材料層320。此後，刨削反射性介電材料以曝露電路跡線311。可使用各種技術中任一者來實現此刨削，該等技術包括研磨、微珠噴砂或其他機械構件。
較佳地，刨削程序亦刨削電路跡線以移除不規則性，以改良電路跡線之反射性特性。如下文所詳述，可隨後電鍍電路跡線以進一步增強電路跡線之反射性特性。如圖3B所說明，金屬化層316包含成品介電材料320'及成品電路跡線311'，每一者之表面較佳地與另一者共平面以達成最佳反射率。因為介電材料320'與電路跡線311'之組合實質上覆蓋基板，所以實質上防止來自金屬化層上方之光進入基板。輸出照度中之增益將取決於介電材料320'及電路跡線之反射度。
在形成反射性金屬化層316之後，可添加發光堆疊310之剩餘層，包括發光元件312且視情況包括波長轉換元件314，如圖3C所說明。此等層可直接沈積於金屬化層316上，或此等層中之一些或全部可形成於別處(諸如，形成於生長基板上)，接著附接至金屬化層316。儘管未圖示說明，但堆疊310之中間層可包括電路跡線及介層孔以將發光元件之電極連接至金屬化層316中之電路跡線311'。
在完成堆疊310後，隨即可添加透鏡蓋130；此情形可藉由在整個磚上方將透明聚矽氧或環氧樹脂模製至所要形狀而進行。該磚可接著經切塊以提供個別發光裝置300，如圖3D所說明。
應特別注意，平面介電質320'較佳地在磚上延伸於堆疊310之間，使得當形成可選透鏡蓋130時，透鏡蓋130下方之區域將係反射性的。測試已指示出，在堆疊310下方添加反射性介電質的情況下，約5%或更大之照度增加可為可能的。
圖4說明用於生產具有反射性基台之發光裝置之實例流程圖。
在410處，將金屬化晶種層施加至可經附接有多個發光裝置的基板之表面。基板可為陶瓷(例如，氧化鋁或氮化鋁)，但可由其他合適材料(諸如，半導體及陽極化半導體)形成。矽及陽極化鋁為用於此基板之合適材料。
在此金屬化層上，在415處(例如)藉由感光性材料之光微影施加而形成用於每一基台之電路跡線之佈線圖案。在將具有感光性材料之圖案之磚曝露至光及後續蝕刻後，經圖案化電路跡線隨即將曝露於基板上。
晶種層可薄，以促進其圖案化。在420處，可接著在經曝露電路跡線上電鍍較厚金屬(例如，銅)層。在425處，移除剩餘於電路跡線之間的光阻，藉此曝露電路跡線之間的晶種層。在430處，移除經曝露晶種層，從而僅將所欲電路跡線留在基板上。或者，可使用其他圖案化及/或電鍍技術及材料；舉例而言，可沈積金、銀或焊料。
在435處，施加反射性介電材料層。介電材料可為任何非導電材料，較佳地具有至少約85%之反射率。諸如TiO2、Al2O3、Y2O3、ZrO2、SiO2、AlN、AlON、GGG、PLZT、PZT、SiAlON、SiC、SiON、YAG、BaTiO3、SrTiO3、金剛石、ZnSe、ZnS、ZnTe、BaSo3、方晶鋯石(cubic zirconium)等等之介電、陶瓷或半導體材料以及此等化合物中之一或多者之溶膠凝膠通常將係合適的，其中該化合物含於主體矽酸鹽網路中。以相似方式，粒子負載樹脂(諸如，具有上文所列出之材料之粒子的聚矽氧或環氧樹脂)亦將係合適的。通 常，可藉由在粒子與主體基質之間提供高折射率對比度來製造反射性材料。類似地，具有高孔隙度之單一材料將係反射性的，此係因為空氣具有與大多數固體之高折射率對比度。
較佳地，在整個磚上方(包括在電路跡線之頂部上)以漿料形式施加介電質。在440處，接著固化介電材料。在445處，研磨或刨削經固化介電材料，以便與電路跡線共平面。如上文所提及，可延伸該刨削，以便亦刨削電路跡線，藉此提供具有高反射率之均一表面。
可進一步電鍍(450、460)電路跡線以防止腐蝕、促進外部連接，等等。較佳地，至少最後電鍍層可提供至少約85%之反射率。若執行電解電鍍，則電路跡線通常包括互連磚上之多個裝置的繫桿，該等繫桿促進電解電鍍程序。若此等繫桿在切塊之後的成品中係不良的，則在455處，在完成電鍍程序之後自磚移除該等繫桿。若裝置經設計成用於待使用之無電極電鍍程序，則此等繫桿將不存在於電路跡線中。
在完成電鍍程序後，基板磚之表面隨即將較佳地被完全地覆蓋有反射性介電質及反射性電路跡線，藉此最小化來自發光裝置之光通過基板之任何損失或吸收。
在470處，將形成發光元件且視情況形成波長轉換元件之剩餘層附接至包含基板及反射性金屬化介電層之基台。如上文所提及，此等層中之一些或全部可直接形成於基台上，或自另一程序被轉移。
在475處，執行包括(例如)囊封、測試、切塊等等之任何剩餘處理步驟以完成具有反射性基台之發光裝置之生產。
熟習此項技術者應認識到，反射性基台之結構既不限於圖3A至圖3D之實例，又不限於圖4之程序。舉例而言，圖5A至圖5D說明消除電路跡線511之刨削且提供更均一之反射性介電層的替代例。圖5C及圖5D之檢視線A-A分別大致對應於圖5A及圖5B所顯示之橫截面。
在將介電材料520施加於電路跡線511上方之前，可將諸如光阻之 可移除材料560施加至電路跡線511上之選擇區域。該等選擇區域可為(例如)用於耦接至外部組件或用於耦接至發光裝置之接觸區域。可以漿料形式施加介電材料520以覆蓋電路跡線511及可移除材料560，如圖5A所說明。可接著至少部分地固化介電質520，接著將介電質520刨削至恰好高於電路跡線511。此後，可移除該可移除材料560以曝露電路跡線511上之選擇區域570。
圖5C說明兩個電路跡線511及三個選擇區域561、562、563之圖案，可移除材料560置放於三個選擇區域561、562、563處。在此實例中，選擇區域對應於兩個接觸區域561、562，及足夠大以容納發光堆疊之區域563。
圖5D說明在刨削介電材料520'及移除該可移除材料560之後的所得基台。該介電材料係用有斑點圖案予以說明，且底層電路跡線511係用虛線予以說明。在此實例中，因為可移除材料560橫越整個區域563而延伸，所以此區域563中之電路跡線511之間的空間512將不含有介電材料520'。視情況，此區域563中之可移除材料560可能已分割成兩個區域，以便允許空間512被填充有介電材料520'。
可視情況使區域561、562及563中之經曝露電路跡線511電鍍有(例如)鎳或金以提供腐蝕保護及可靠接觸。該電鍍可經結構化成提供與介電材料520'之表面共平面的表面。
藉由僅曝露區域561、562及563，可改良照度效率，此係因為可使介電層520'之反射率(在角域及譜域兩者中)高於用於電路跡線511中之金屬之反射率。反射性介電材料之成本亦可實質上低於具有相同反射率之金屬之成本；且因為不刨削電路跡線511，所以可實質上減少金屬廢料之量。
應特別注意，經覆蓋有介電層520'之電路跡線511被保護免受環境影響，從而避免對提供習知保護性電鍍(諸如，鎳及/或金)之需要。 因為電路跡線511之區域的大部分無需招致成本相對昂貴之電鍍金屬，所以可使電路跡線511之區域有目的地大，以促進來自發光元件之熱轉移及耗散。
圖6A至圖6B說明替代「台座」結構。如在以上實例中，電路跡線611形成於基板120上。但在此實例中，導電台座661可包括於電路跡線611上方。可(例如)藉由在電路跡線611之選擇部位處形成額外金屬層來提供此等台座661，例如，以促進至外部組件之耦接及至發光裝置之耦接。此等台座661之高度可小至在電路跡線611上方約5微米，其可厚達約50微米。形成此等台座之材料可為與電路跡線661相同之材料，或不同導電材料。
如在以上實例中，可以漿料形式施加介電材料620以覆蓋電路跡線611及台座661、至少部分地固化介電材料620，接著刨削介電材料620。在此實例中，將該介電材料刨削降至台座661之位階，以形成與台座661'之表面共平面的介電層620'。視情況，可進一步電鍍經曝露台座661'以防止腐蝕、改良反射率，等等。
延伸式連續介電層620'及共平面台座661'亦可提供用於安裝發光堆疊之較平坦表面，其關於諸如TFFC(薄膜覆晶)LED之薄膜LED之安裝特別重要。
關於台座661'，因為台座661'可比電路跡線小得多，所以可關於金(其較佳地用以促進連接可靠性)之使用(特別是關於發光堆疊之連接)達成顯著節省。
前文僅僅說明本發明之原理。因此應瞭解，熟習此項技術者將能夠設計各種配置，儘管本文中未明確地描述或展示該等配置，但該等配置體現本發明之原理且因此係在本發明之精神及範疇內。舉例而言，儘管該等實例說明反射性層作為第一層而建置於基板上，但熟習此項技術者應認識到，反射性層可在發光元件與基板之間的任何地 方。然而，將介電質置放於基板上會允許在單一操作中反射性地塗佈整個基板區域。以相似方式，儘管該等實例說明用於耦接至外部組件的在上部表面上之觸點，但熟習此項技術者應認識到，例如，基板120可包括允許自基板之底部連接至外部組件的內部介層孔、互連件及襯墊，從而避免對在上部表面上置放用於此等連接之觸點的需要。鑒於本發明，此等及其他系統組態及最佳化特徵對於一般熟習此項技術者將係明顯的，且包括於以下申請專利範圍之範疇內。
在解釋此等申請專利範圍時，應理解：a)字詞「包含」不排除除了給定申請專利範圍中所列出之元件或動作以外之元件或動作之存在；b)在一元件之前的字詞「一」不排除複數個此等元件之存在；c)申請專利範圍中之任何參考符號不限制該等申請專利範圍之範疇；d)若干「構件」可藉由同一項目或硬體或軟體實施結構或功能表示；e)所揭示元件中每一者可包含硬體部分(例如，包括離散及積體電子電路)、軟體部分(例如，電腦程式設計)，及其任何組合；f)硬體部分可包括處理器，且軟體部分可儲存於非瞬態電腦可讀媒體上，且可經組態以使處理器執行所揭示元件中之一或多者之功能中的一些或全部；g)硬體部分可包含類比部分及數位部分中之一者或其兩者；h)所揭示裝置或其部分中任一者可組合在一起或分離成另外部分，除非另有特定敍述；i)不意欲需要動作之特定序列，除非特定地指示；且j)一元件之術語「複數個」包括所主張元件之兩個或兩個以上，且不暗示元件之數目之任何特定範圍；亦即，複數個元件可為少至兩 個元件，且可包括不可量測之數目個元件。
120‧‧‧基板/基板元件
310‧‧‧發光堆疊
311'‧‧‧成品電路跡線
312‧‧‧發光元件
314‧‧‧波長轉換元件
316‧‧‧金屬化層
320'‧‧‧成品介電材料/平面介電質

Claims (9)

  1. 一種發光裝置，其包含：一基台(submount)，其包括一基板及一金屬化(metallization)層，該金屬化層包括電路跡線及一平面介電層，該平面介電層填充該等電路跡線之間的區並實質上覆蓋該金屬化層中除了至該等電路跡線之觸點(contacts)外之一整體區域；及一多層堆疊，其係在該基台上，該多層堆疊包括經由該等觸點而耦接至該金屬化層之一發光元件，其中該等電路跡線包括延伸於一平面上方之台座(pedestal)元件，該平面係藉由超出(beyond)該等台座元件之該等電路跡線形成，該平面介電層與該等台座元件之一上部表面實質上共平面。
  2. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層覆蓋該等電路跡線之一實質部分。
  3. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層係反射性的，且實質上覆蓋該基台之表面區域之一整體。
  4. 如請求項1之裝置，其包括一波長轉換元件，該波長轉換元件係在該發光元件上方，該波長轉換元件經組態以將藉由該發光元件發射的一第一波長之光轉換成一第二波長之光。
  5. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層包括一陶瓷及半導體中至少一者。
  6. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層包括在一主體矽酸鹽網路內之一陶瓷及半導體中至少一者。
  7. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層包括在一環氧樹脂、聚矽氧及溶膠-凝膠樹脂中之一者內之一陶瓷及半導體中至少一者。
  8. 如請求項1之裝置，其中該平面介電層包括在一基質中之粒子元素，其中經由該等粒子元素與該基質之間的一折射率對比度而提供反射率。
  9. 如請求項1之裝置，其中該等電路跡線之至少一部分經電鍍有鎳及金中至少一者。
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