專利名稱：具有遠程磷光體層和反射基板的led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有磷光體覆層從而波長轉(zhuǎn)換LED發(fā)射的發(fā)光二極管(LED)，且尤其涉及使用遠程(remote)磷光體改善LED燈的效率的技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了使用藍光LED管芯產(chǎn)生白光，公知的是例如通過在粘合劑中噴涂或旋涂磷光體、電泳、在反射杯中應(yīng)用磷光體或其他方式而在LED管芯之上直接沉積YAG磷光體或紅色和綠色磷光體。還已知將磷光體的預(yù)制片(例如，燒結(jié)的磷光體粉末)附著在LED管芯頂部上。這種磷光體層是非遠程的，因為它們直接接觸半導體管芯的表面。通過磷光體泄露的藍光與磷光組合產(chǎn)生白光。使用這種非遠程磷光體的問題包括1)存在來自磷光體層的藍光的明顯背散射，該背散射然后被LED、基板(submoimt)和金屬電極部分地吸收；2)存在被 LED、基板和金屬電極部分吸收的顯著數(shù)量的由磷光體產(chǎn)生的光；3)對于高功率LED而言光子密度極高且使得磷光體飽和；4) LED非常熱且磷光體可以對熱作出反應(yīng)以導致磷光體顆粒嵌于其中的聚合物粘合劑層(例如硅樹脂)變暗；以及5)由于經(jīng)過不同厚度的磷光體的藍光射線的各種角度(經(jīng)過最小厚度的法向藍光射線)，顏色隨視角變化。諸如在Grigoriy Basin等人轉(zhuǎn)讓給本受讓人且通過引用結(jié)合于此的美國專利 No. 7，344，902中描述，還已知在硅樹脂粘合劑中浸泡磷光體粉末且在LED管芯之上模制硅樹脂以形成透鏡。磷光體在透鏡中以極低密度分布。這種遠程磷光體創(chuàng)建了相對大的光源，與具有磷光體薄涂層的LED管芯相比，其每單位面積的亮度大為減小。而且，因為磷光體覆蓋在大面積基板上，磷光部分地被基板以及LED管芯和電極吸收，所以白光LED的效率減小。Alien 等人在 Applied Physics Letters 92，143309(2008)上的名為“A Nearly Ideal Phosphor-Converted White Light-Emitting Diode” 的文章描述了被氣隙環(huán)繞的裸LED管芯以及被透明層封裝的半球磷光體層。存在從LED到氣隙的不良光提取，且光被基板吸收。經(jīng)濟地制造這種設(shè)備也是相當困難的。所需要的是利用遠程磷光體創(chuàng)建磷光體轉(zhuǎn)換LED的技術(shù)，通過使得較少的光被 LED和基板吸收，該LED是十分高效的。還希望提供一種遠程磷光體，其中所得的光源小于具有浸泡在硅樹脂透鏡中磷光體的光源。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，藍光LED管芯安裝在基板上。基板設(shè)置有環(huán)繞管芯的反射表面。 LED管芯具有在其上模制的薄半球密封劑，諸如硅樹脂或另一高折射率透明材料。薄反射層然后在密封劑層之上創(chuàng)建，該薄反射層允許藍光經(jīng)過但是反射來自其上的磷光。反射層可以是在大于臨界角(例如，空氣隙或多孔層)的角度全反射光的低折射率(低η)層，或者反射層可以是分布式布拉格反射器。磷光體層然后沉積或模制在反射層之上。磷光體層可以是致密和薄的，以免創(chuàng)建大光源。諸如模制的硅樹脂透鏡的透明外部層然后在磷光體層之上
3形成以保護磷光體層，且提供諸如創(chuàng)建所需發(fā)射圖案和增加光提取的光學屬性。將描述用于在LED管芯之上形成各層的各種技術(shù)，一種方法是用于形成所有層的模制技術(shù)。具有LED管芯和反射層的折射率之間折射率的內(nèi)部半球密封劑改善了從LED管芯的光提取。因為磷光體“殼”遠離管芯，存在很少藍光的背散射。而且，磷光通過反射層和反射基板表面向外反射，改善了效率。而且，來自磷光體的藍光的任意背散射被反射層反射出來而不是返回LED，這是因為大多數(shù)背散射光將不垂直于反射層。而且，因為遠程磷光體并不浸泡在透鏡中，磷光體殼可以具有小直徑以創(chuàng)建亮光源。在創(chuàng)建小光源的同時仍獲得了遠程磷光體的所有優(yōu)點。磷光體可以是YAG、紅色、綠色或任意其他顏色磷光體或磷光體的組合。在一個實施例中，在成百上千個LED管芯安裝在基板晶片上的情況下，在晶片尺度上同時執(zhí)行各層的創(chuàng)建。


圖1是安裝在基板上的藍光或UV倒裝芯片LED管芯的剖面圖，其中基板具有反射頂層。圖2說明由諸如500-4000個LED的LED管芯陣列組裝的簡化的基板晶片，其中晶片上的所有LED管芯被同時處理。圖3說明基板晶片設(shè)為與模具相抵(bring against)，該模具用于形成用于封裝 LED管芯的第一硅樹脂層并且從LED管芯隔開磷光體層。使用不同模具的相同模制工藝可以用于形成不同于圖5-8工藝的所有層。圖4說明封裝之后的LED管芯。圖5說明固體半球外部透鏡。圖6說明被加工以創(chuàng)建腔體的圖5的透鏡。圖7說明其上沉積有磷光體層的圖6的腔體。圖8說明透鏡和磷光體層附著在封裝管芯之上。圖9說明透鏡和磷光體層附著在封裝管芯之上，在磷光體層和密封劑之間存在氣隙以提供TIR。圖10說明圖9中的光源的各種光線，示出氣隙和基板表面之間的反射。圖11說明具有浸泡在外部透鏡中的磷光體的光源，示出氣隙和基板表面的反射。圖12說明光源，其中每一層通過LED管芯之上的連續(xù)模制工藝形成，且低折射率 (η)層可以是包括犧牲溶膠凝膠層的任意可模制層。圖13說明光源，其中反射層是分布式布拉格反射器(DBR)。圖14是說明流明輸出與基板上反射層的反射率之間關(guān)系改進的圖表。使用相同的標號標記相同或等同的元件。
具體實施例方式圖1說明安裝在一部分基板晶片12上的常規(guī)倒裝芯片LED管芯10。在倒裝芯片中，在LED管芯的相同面上形成η和ρ接觸。
LED管芯10由生長在諸如藍寶石襯底的生長襯底上的包括η層14、有源層15和 P層16的半導體外延層形成。在圖1中，生長襯底通過激光剝離、刻蝕、研磨或通過其他技術(shù)去除。在一個實例中，外延層是GaN基的，且有源層15發(fā)射藍光。發(fā)射UV光的LED管芯也可應(yīng)用于本發(fā)明。金屬電極18電接觸ρ層16，且金屬電極20電接觸η層14。在一個實例中，電極 18和20是超聲焊接到陶瓷基板晶片12上的陽極和陰極金屬焊盤22和23的金焊盤?；寰?2具有通到底部金屬焊盤沈和觀的導電通孔M以用于結(jié)合到印刷電路板。很多 LED安裝在基板晶片12上，且將在稍后被劃片以形成各個LED/基板。LED的進一步細節(jié)能夠在受讓人的美國專利No. 6，649，440和6，274，399以及美國專利公報US 2006/(^81203Α1和2005/(^69582 Al中發(fā)現(xiàn)，所有這些通過引用結(jié)合于此。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在基板晶片12的表面之上形成反射層四(例如R>90%) 以反射遠程磷光體層產(chǎn)生的光。基板典型地是陶瓷、硅或其他光吸收材料。反射層四可以是濺射的金屬鏡(例如Al或Ag)、電介質(zhì)鏡、金屬/電介質(zhì)組合或非吸收散射體。在一個實施例中，反射層四延伸到除LED管芯10之上以外的晶片12的所有區(qū)域。在另一實施例中， 反射層四是至少在磷光體層接觸基板的地方之下延伸的每個LED管芯周圍的鏡面環(huán)。當沉積反射層沈時，在附連LED管芯之前，可以臨時在LED管芯區(qū)域之上形成掩模(未示出)， 以防止反射層四覆蓋金屬焊盤22和23，或者可以使用印刷工藝來形成反射層四。反射層 29將增加燈的效率。圖2是其上安裝LED管芯10的陣列的基板晶片12的簡化說明?？梢栽趩蝹€基板晶片12上存在500-4000個LED。晶片12上的所有LED將使用下述方法同時處理。按照以下方式在LED管芯10之上模制第一硅樹脂層以封裝管芯10。圖3說明基板晶片12和LED管芯10的一部分布置在模具30之上，該模具30具有用液體硅樹脂34或軟化硅樹脂34或粉末硅樹脂34或片劑形式硅樹脂填充的腔體32。 如果硅樹脂34不以液體或軟化形式配給，則模具30被加熱以軟化硅樹脂34?；寰?2 設(shè)為與模具30相抵，使得LED管芯10在每個腔體32中浸沒在硅樹脂34中。晶片12和模具30被按壓在一起，以迫使硅樹脂34填充所有空隙。外圍密封劑允許高壓力，同時在硅樹脂34填充空隙時允許所有空氣逃逸。還可以利用環(huán)繞密封劑的真空源在晶片12和模具30 之間拉出(pulled)真空。取決于使用的硅樹脂34的類型，模具30然后被加熱以固化硅樹脂34。如果原始硅樹脂34在室溫是固體(例如粉末或片劑)，模具30被冷卻以硬化硅樹脂34。備選地，可以使用透明模具且可以使用UV光來固化硅樹脂34。然后從晶片12去除模具30，得出圖4的結(jié)構(gòu)，其中所得硅樹脂層36封裝每個LED 管芯10。在所示實施例中，硅樹脂層36形成為具有基本半球的形狀。硅樹脂層36的厚度并不關(guān)鍵，因為LED光通過透明硅樹脂層36以朗伯(Lambertian)模式擴展。取決于使用的硅樹脂34的類型，晶片12然后可以經(jīng)歷約250°C的后固化溫度以附加地硬化硅樹脂層36?？梢允褂貌煌诠铇渲牟牧?，諸如粉末形式的環(huán)氧樹脂的模制化合物或另外合適聚合物。還可以使用注射模塑法形成硅樹脂層36，其中晶片12和模具放在一起，液體硅樹脂通過入口被壓力注入到模具中且創(chuàng)建真空。模具腔體之間的小通道允許硅樹脂填充所有
5腔體。然后通過加熱而固化硅樹脂，從晶片12分離模具。硅樹脂層36 (聚合物)可以替代為由高折射率玻璃、環(huán)氧樹脂或其他材料形成。將參考圖5-8描述用于在LED管芯10和硅樹脂層36之上形成附加層的一種技術(shù)。 稍后描述一種全模制工藝。在圖5中，通過模制或另一技術(shù)形成固體半球穹頂38。穹頂38可以具有5mm量級的直徑。穹頂可以是硅樹脂、環(huán)氧樹脂、藍寶石或其他合適的透明材料。在圖6中，穹頂38被加工或處理以形成具有3mm量級直徑的腔體40。在一個實施例中，用于穹頂38的模制處理可以在匹配基板晶片12上的LED管芯10位置的穹頂陣列中在穹頂之間創(chuàng)建薄連接器以簡化處理。在圖7中，在腔體中形成具有基本均勻厚度的幾百微米量級的薄磷光體層42。這可以使用浸泡在硅樹脂粘合劑中的磷光體預(yù)制柔性片的堆疊完成。還可以通過在硅樹脂粘合劑中噴射磷光體、電泳、沉積接著加工、或者通過其他技術(shù)沉積磷光體。如在所有實施例中那樣，磷光體層42可以包括多個不同磷光體層或諸如YAG、紅色和/或綠色磷光體的磷光體混合物以產(chǎn)生白光。如果使用UV LED，則藍色磷光體也將用于產(chǎn)生白光。如圖8所示，完成的帽44然后對準于每個LED管芯10，且帽44附著到環(huán)繞每個 LED管芯10的基板晶片12的表面。硅樹脂可以用作粘合劑。如圖9所示，在磷光體層42和硅樹脂層36之間存在氣隙46。LED管芯10具有約 Imm的邊，硅樹脂層36具有約2mm的直徑，磷光體層42是幾百微米，且腔體40具有約3mm 的直徑，導致環(huán)繞硅樹脂層36的約0. 2-0. 5mm的氣隙46。因為氣隙46的折射率(η)約為 1，且磷光體層42的η處于1. 7-2的量級，以大于臨界角產(chǎn)生的朝向氣隙46的任何磷光將被全反射回來且不被LED管芯10、電極或其他元件吸收。通過使得硅樹脂層36基本是環(huán)繞LED管芯10的半球，將在氣隙36和硅樹脂層46 之間的界面存在LED光極少的TIR。硅樹脂層36改善了從LED管芯10的光提取，因為其折射率(例如>1. 5)更接近LED管芯10的折射率(例如>2. 2)。圖10示出產(chǎn)生的各個光線將如何在圖9的燈48中反射。射線50是來自LED管芯10的藍色射線，且通過磷光體層42泄露。射線52是來自磷光體顆粒的在遠離氣隙46 方向中的發(fā)射(例如，黃色、紅色、綠色等)。射線M是來自磷光體顆粒的以大于臨界角反射離開氣隙46且在不撞擊LED 10或基板晶片12的條件下離開燈48的發(fā)射。射線56是來自磷光體顆粒的反射離開基板晶片12上的反射層四(圖1)的發(fā)射。而且，射線M可以是來自LED管芯的背散射的藍色射線。盡管藍色射線一般以接近垂直入射地進入磷光體層，但來自磷光體的背散射一般是各向同性的，所以背散射的光具有寬角度范圍。大于臨界角的任意背散射的藍光通過氣隙46界面(或此處描述的其他反射層)反射出來而不是返回LED。低折射率層(氣隙46)、硅樹脂層36和反射層四的組合極大地增加了來自燈48的光提取。圖11說明，不是形成圖7的帽，可以使用硅樹脂透鏡58中低密度磷光體顆粒的較厚的帽。氣隙46用作圖10中的反射器。射線50是來自LED管芯10的通過透鏡58泄露的藍色射線。射線60和62是來自磷光體顆粒的反射離開氣隙46界面的射線(或背散射的藍光)。射線64是來自磷光體顆粒的反射離開基板晶片12上的反射層四(圖1)的射線。因為硅樹脂透鏡58遠寬于圖10中的磷光體層42，每單位面積的燈66的亮度將小于圖10 的亮度，取決于應(yīng)用，這一點可能是有利或不利的。由于處理和各種對準，圖5-11的技術(shù)可能是困難的。圖3中表示的連續(xù)模制工藝可以用于形成圖12中示出的結(jié)構(gòu)，其中代替氣隙，直接在硅樹脂層36上模制低折射率材料。在一個實施例中，如前所述模制硅樹脂層36。接下來，具有較大腔體32 (圖3)的模具被填充以溶膠凝膠。溶膠凝膠是公知的且在溶劑中包括納米顆粒以形成凝膠。這種物質(zhì)能夠被模制。溶劑然后通過受熱而被干燥，導致一些收縮以及由納米顆粒形成的晶體。所得的層將是極度多孔的且有效地用作氣隙。因為結(jié)構(gòu)幾乎是空的，折射率極低。溶膠凝膠層在圖12中示為層68。除了溶膠凝膠，可以使用另一低折射率材料，只要折射率低于磷光體層即可。接下來，具有稍大穹頂形腔體的另一模具用浸泡在硅樹脂中的磷光體顆粒填充。 如參考圖3所討論，具有模制的溶膠凝膠穹頂?shù)幕寰?2然后設(shè)為與模具相抵。磷光體層7然后通過受熱而固化。最終的硅樹脂透鏡72然后模制在磷光體層之上，或磷光體層可以是最終層。取決于磷光體層是否是最終層，所得的燈74的操作類似于圖10或圖11中示出的燈的操作。圖13說明低折射率層(46或48)可以替代的是沉積的布拉格反射器(DBR)76。DBR 76可以使用共形濺射做得極薄且可以包括10對厚度為98nm和64nm的Si02/Ta205(折射率 η分別等于1. 5和2)(在450nm (藍光)提供約40度的反射)、接著是6對厚度為U9nm和 8Inm的Si02/T￡i205 (在550nm (綠色)提供約45度的反射)。DBR 76在LED光的垂直入射附近一直到15度角在450nm都基本透明(R<10%)。DBR 76在大于15度是反射性的。如前所述，磷光體層78和外部硅樹脂透鏡80然后被模制。圖13說明各個光射線經(jīng)過DBR 76、反射離開DBR 76且反射離開基板表面。為了使得所有這些設(shè)計有效，來自內(nèi)部硅樹脂穹頂?shù)奶崛⌒时仨毷歉叩摹＿@要求LED光以小于臨界角的角度撞擊該表面，因此內(nèi)部穹頂?shù)陌霃奖仨氉銐虼蟆Ｒ虼?，一般而言，在小入射角度和小源尺寸的要求之間存在折衷。如果管芯是IX Imm且內(nèi)部穹頂?shù)陌霃绞?mm，則大部分光以小角度(小于15度)撞擊在穹頂上，且僅少量射線以高達20度的角度撞擊。這小于用于環(huán)氧樹脂(或硅樹脂)/空氣界面的全內(nèi)折射的角度(約41度)，且小于用于DBR的高透射的最大角度。因此，這種尺寸適合于本申請中描述的實現(xiàn)方式。圖14是說明當與本發(fā)明的遠程磷光體實施例一同使用時，流明輸出與基板上的反射層四(圖1)的反射率之間關(guān)系的近似改善的圖表。所有實施例的各種組合可以用于創(chuàng)建具有高效率的遠程磷光體燈。除了改善的效率，具有基本均勻厚度的遠程半球磷光體層相對于視角實現(xiàn)均勻的顏色且磷光體不因受熱而劣化?；寰?2然后被劃片以形成各個LED/基板，其中各圖可以表示各個LED/基板。在本公開中，術(shù)語“基板”旨在表示用于至少一個LED管芯的支撐，其中基板上的電接觸被結(jié)合到LED管芯上的電極，且其中基板具有將被連接到電源的電極。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯可以在不偏離本發(fā)明的條件下在其更廣義的方面做出變化和修改，因此所附權(quán)利要求書將落在本發(fā)明真實精神和范圍內(nèi)的所有這種變化和修改都包含在其中的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，包括基板上的倒裝芯片發(fā)光二極管(LED)管芯；在基板的頂面上形成的反射層，其對于可見波長具有至少90%的反射率； 透明的基本半球的第一層，其封裝該LED管芯，該第一層具有第一折射率； 基本半球的第二層，其環(huán)繞該第一層；以及基本半球的磷光體層，其形成在該第二層之上，該第二層具有這樣的特性至少在光相對于第二層大于某一角度時，導致該第二層反射來自該磷光體層的光，其中在該基板的頂面上的該反射層至少在該磷光體層的一部分下方延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該第二層包括模制的硅樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該第二層具有低于第一折射率的第二折射率，且該磷光體層具有大于第一折射率的第三折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該第二層是氣隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該第二層是已經(jīng)干燥的溶膠凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該第二層是分布式布拉格反射器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該磷光體層包括浸泡在硅樹脂中的磷光體粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，還包括環(huán)繞該磷光體層的透明第三層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中該LED管芯發(fā)射藍光且該磷光體層具有這樣的特性將藍光的一部分轉(zhuǎn)換成這樣的光，當該光與藍光組合時產(chǎn)生白光。
10.一種用于形成發(fā)光器件的方法，包括 在基板上提供倒裝芯片發(fā)光二極管(LED)管芯；在基板的頂面上形成反射層，該反射層對于可見波長具有至少90%的反射率； 在該LED管芯之上模制透明的基本半球的第一層且封裝該LED管芯，該第一層具有第一折射率；形成環(huán)繞該第一層的基本半球的第二層；以及在第二層之上模制基本半球的磷光體層，該第二層具有這樣的特性至少在光相對于該第二層大于某一角度時，導致該第二層反射來自該磷光體層的光，其中在該基板的頂面上的該反射層至少在該磷光體層的一部分下方延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成環(huán)繞該第一層的基本半球的第二層包括 在該第一層之上模制溶膠凝膠，以及干燥該溶膠凝膠以創(chuàng)建第二層，該第二層具有小于該第一折射率且小于該磷光體層的折射率的第二折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成環(huán)繞該第一層的基本半球的第二層包括 在該第一層之上模制透明層以創(chuàng)建第二層，該第二層具有小于第一折射率且小于該磷光體層的折射率的第二折射率。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成環(huán)繞該第一層的基本半球的第二層包括 在該第一層之上沉積分布式布拉格反射器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中模制基本半球的磷光體層包括模制具有浸泡在硅樹脂中的磷光體粉末的層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在該磷光體層之上模制透明第三層。
全文摘要
一種發(fā)光器件，包括安裝在基板(12)上的倒裝芯片發(fā)光二極管(LED)管芯。基板的頂面具有反射層。在LED管芯之上模制半球第一透明層(36)。然后在第一透明層之上提供低折射率層(68)以提供磷光的TIR。然后在低折射率層之上提供半球磷光體層(70)。然后在磷光體層之上模制透鏡(72)。與在高折射率磷光體層和底層低折射率層的界面處的TIR相組合，通過反射基板層實現(xiàn)的反射極大地改善了燈的效率。可以使用其他材料。低折射率層可以是氣隙(46)或模制層(68)。除了低折射率層，可以在第一透明層之上濺射分布式布拉格反射器(76)。
文檔編號H01L33/56GK102460748SQ201080025736
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者J. 戴維 A., 巴特沃思 M., I. 阿爾達斯 R., J. 比爾休曾 S. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責任公司