通过改变波长转换构件的彩色控制的制作方法

专利名称：通过改变波长转换构件的彩色控制的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及发光器件，以及更具体地涉及使用波长转换构件 控制发光器件的色彩一致性。
背景技术：
长期以来，需要对半导体发光器件，例如产生"白"光的发光二 极管的发光颜色进行精确地控制。制造发射白光的封装的白光发光器 件的通常方法是，采用磷光体(通常基于YAG)和蓝光LED芯片。 从LED发射的蓝光和从磷光体发射的"黄光"的组合形成了 "白" 光。不幸的是，该方法导致了就相关色温(CCT)和邻近黑体曲线而 言，白光的"颜色"大范围扩展。现在售卖的磷光体转换LED的彩 色控制关于白色部分具有至少约2000K至3000K的范围，其中相关 色温(CCT)从5500K到8500K变化。可识别色差取决于LED的色温， 在6500K，如300K—样小的差别对于观看者来说都是非常明显的。 标准光源如焚光灯泡的彩色控制，具有比这个小得多的色温变化，并 且通常观察者无法察觉该色差。虽然磷光体转换LED的商业化获取 已经超过5年，以及已经有了一定的改进，但是色温变化太大以致对 大部分潜在消费者和应用来说是不可接受的。

发明内容
根据本发明的一个实施例，在发光元件上沉积波长转换材料层， 确定由波长转换材料和发光元件组合产生的光镨，以及通过改变波长转换构件中的波长转换材料的量修正波长转换材料，以产生所希望的 波长谱。波长转换构件可以通过减少或增加波长转换材料的量来修
正。在一个实施例中，波长转换材料的量例如通过激光烧蚀(ablate) 或蚀刻被减少以产生所希望的波长镨。


图1A示出了基座上安装的LED管芯和粘合(bonded to)到LED 管芯的光学元件的侧视图。
图IB示出了粘合到LED管芯的光学元件；
图1C示出了粘合到LED管芯的波长转换构件；
图2示出了一个实施例，其中多个LED芯片安装在基座上以及 单独的光学元件粘合到每个LED管芯；
图3示出了一个实施例，其中多个LED芯片安装在基座上以及 具有波长转换层的单个光学元件粘合到LED管芯；
图4是制造这样的具有覆盖光学元件的波长转换材料的LED器 件的一个实施例的流程图5示出了在粘合层和光学元件之间设置有波长转换材料层的 实施例；
图6示出了在LED管芯上设置有波长转换材料层的实施例；
图7示出了安装在板上的LED阵列；
图8是由磷光体转换蓝光LED产生的广语曲线图9是对于图8中所示光谱标注的点的CIE色品图IO是由磷光体转换的LED和彩色LED产生的光谱图，其组
合在一起以产生近似连续的光i普；
图11是示出了可以通过改变彩色LED的亮度产生的CCT中变
化的颜色空间；
图12是说明对于29个磷光体转换LED和12个彩色LED的可 变CCT值的颜色空间；
图13A、 13B和13C示出了顶^L图，以及
图14A、 14B和14C示出了制造发射具有所希望相关色温的光的 LED器件的实施例的侧视图15A、 15B和15C示出了类似于图13C所示出的器件，但是波
5长转换元件被烧蚀有一系列孔的器件的顶视图16是示出了在波长转换构件的激光烧蚀期间，LED器件的 CCT变化的颜色空间。
具体实施例方式
图1A示出了透明光学元件102和安装在基座106上的发光二极 管(LED)管芯104的侧视图。根据本发明实施例，光学元件102可 以粘合到LED管芯104上。图1B示出了粘合到LED管芯104的光 学元件102。
这里使用的术语"透明"表示这样描述的元件，例如"透明光学 元件"，其传输LED发射光波长时，由于吸收和散射的单程损耗少 于50% ，优选小于10% 。 LED的发射波长可以处于电磁光傳的红外、 可见、紫外区域。本领域技术人员可以理解，"小于50%的单程损 耗，，和"小于10%的单程损耗"可以通过传输路径长度和吸收常数 的不同组合满足。
图1A和1B示出的LED管芯104包括n型导电的第一半导体层 108 (n层)和p型导电的第二半导体层110 (p层)。半导体层108 和110电耦接到有源区112。有源区112是例如与层108和110的界 面关联的p-n二极管结。可选择地，有源区112包括一个或多个n型 掺杂或p型掺杂或未掺杂的半导体层。LED管芯104包括分别电耦 接到半导体层108和110的n触点114和p触点116。在倒装芯片结 构中，触点114和触点116可以设置在LED管芯104的相同側面。 耦接到n层108的透明覆盖物118可以由例如蓝宝石、SiC、 GaN、 GaP、金刚石、立方氧化锆(Zr02)、氮氧化铝(AION) 、 A1N、 尖晶石、ZnS、氧化碲、氧化铅、氧化鵠、氧化铝多晶体(透明氧化 铝)和ZnO的材料形成。可选择地，可以除去衬底或覆盖物以仅仅 使在村底或覆盖物上外延生长地层被保留。在一个实施例中，在LED 管芯安装到基座上后，衬底(substrate)或覆盖物被除去。这可以通 过湿或干蚀刻或通过激光剥离工艺实现。
在触点114和116间施加适当的电压时，有源区112发射光。在 另一实施例中，层108和110与各自触点114和116的导电类型净皮反 转。即，层108是p型层，触点114是p触点，层110是n型层，触点116是n触点。
半导体层108和110和有源区112可以由包括但不局限于A1N、 A1P、 AlAs、 AlSb、 GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 InN、 InP、 InAs、 InSb的m- V半导体，包括但不局限于ZnS、 ZnSe、 CdSe、 ZnO、 CdTe的II - VI半导体，包括但不局限于Ge、 Si、 SiC的IV族半导体， 或它们的合金或混合物形成。
在一个示例中，触点114和116为由金属形成的金属触点，该金 属包括但不局限于金、银、镍、铝、钛、铬、铂、钯、铑、铼、钌、 鴒和它们的合金或混合物。
尽管图1A和1B示出了 LED管芯104的具体结构，但是本发明 与LED管芯的结构无关。因此，除了所示出的具体结构，还可以使 用其它类型的LED结构。并且，LED管芯104中的半导体层的数量 和有源区112的具体结构可变化。应当注意，在各个附图中示出的 LED管芯104的各个元件的尺寸并不是按比例缩放的。
LED管芯104可以通过接触元件120，例如焊球、衬垫或其它 适当的元件如焊料或金属层安装到基座106上。为了简单起见，接触 元件120有时指凸块(bump)。凸块120由Au、 Sn、 Ag、 Sb、 Cu、 Pb、 Bi、 Cd、 In、 Zn或它们的合金包括AuSn、 SnSb、 SnCu、 SnAg、 SnAgBi、 InSn、 BiPbSn、 BiPbCd、 BiPbln、 InCd、 BiPb、 BiSn、 InAg、 BiCd、 InBi、 InGa或其熔点高于将光学元件102粘合(bond)到LED 管芯104所使用温度的其它适当的材料形成，但优选为Au或AuSn。 在一种实施方案中，凸块120的熔点大于250'C并优选大于300'C。 基座106可以例如是珪、氧化铝或A1N，并且可以包括用于背面连接 的通孔。
LED管芯104可以例如使用超声波热焊来安装在基座106上。 例如，在超声波热焊过程期间，具有凸块120的LED管芯104与基 座106在所希望的位置对准，同时基座106加热到约150 - 160X:。 通过焊接工具为LED管芯104施加如约50-100gm/凸块的结合力 (bond force),同时施加超声波振动。可以使用其它所希望的工艺 例如热压，把LED管芯104粘合到基座106。本领域公知，对于热 压，通常需要比超声波键合更高的温度和更大的结合力。
在某些实施例中，可以对于LED管芯104和基座106<吏用底层填料(underfill)。底层填料可以具有好的导热率并具有大致与LED 管芯104和基座106匹配的热膨胀系数。底层填料也可以用于阻挡从 管芯侧面发射的光。在另一实施例中，保护侧面涂层，例如硅树脂或 其它适当的材料，可以涂敷在LED管芯104的侧面和基座106上。 保护侧面涂层用作密封剂并用来防止LED 104和凸块120暴露在污 染的环境中。保护侧面涂层也可以具有光学特性例如阻止发射不希望 颜色的光，转换不想要的光为所希望的光，或使不想要的光返回芯片 以使其第二次发射时变为所希望的颜色。
关于从Au或Au/Sn形成凸块120和具有背面通孔的基座以及把 具有Au或Au/Sn凸块的LED管芯粘合到基座的更多信息，可以参 见2004年5月 5日由Ashim S.Haque完成的美国专利申请 No.10/840459,其具有与本发明相同的受让人，这里引入其全部内容 作为参考。然而应当理解，本发明并不局限于基座的任何具体类型，
如果需要可以使用任意需要的基座结构和任意需要的接触元件。在某 些实施例中，例如希望使用接触点。
在一个实施例中，在LED管芯104安装到基座106后，光学元 件102热粘合到LED管芯104上。粘合材料层可以涂敷在光学元件 102的底表面上以形成用于粘合光学元件102到LED管芯104的透 明粘合层122。 在某些实施例中，透明粘合层122可以涂敷到LED 管芯104的顶表面上，例如涂敷到覆盖物(superstrate ) 118上(如 图1A中虚线122，所示)。如果覆盖物118被除去，粘合层122，可以 涂敷到半导体层108上。可以在安装LED管芯104到基座106之前 或之后，将粘合层122涂敷到LED管芯104上。可选择地，如果除 去了覆盖物118,可以不使用粘合层，并且光学元件102可以直接粘 合到LED管芯104上，例如覆盖物(superstrate ) 118或层108上。 例如透明粘合层122厚度为约10埃(A)到约100微米(jum)，并且厚 度优选为约1000 A到10 jam，并且更优选，厚度为约0.5ym至5 jli m。粘合材料通过传统的沉积技术施加，这些技术包括但不局限于旋 转涂敷、喷涂、溅射、蒸发、化学气相沉积(CVD)或通过例如金属 有机化学气相沉积(MOCVD)、气相外延(VPE)、液相外延(LPE) 或分子束外延(MBE)的材料生长，或通过涂布液体树脂、用作粘 结剂的有机或无机材料。也可以使用其它的粘合方法，例如使用UV固化粘结剂。在一个实施例中，可以利用波长转换材料124覆盖光学 元件102，其将在下面讨论。在如图1C所示出的另一实施例中，波 长转换材料124，在未插入光学元件102和粘合层122的情况下，粘合 到LED管芯104。如果需要，粘合层122可与波长转换材料124，结 合。在某些实施例中，例如使用烧蚀、锯割和/或其它方法例如利用 或不利用光刻的湿或干蚀刻，对波长转换材料124，和/或LED104的 表面、覆盖物118或半导体层108 (如果覆盖物118被除去)，进行 构图或使之变粗糙，以阻止TIR以及增加逃逸光的比例和/或将某 些有用的波束成形品质加入到发射锥(emission cone )。
在一个实施例中，透明粘合层122由玻璃粘结材料形成，例如 SF59 、 LsSF3 、 LaSF謂、SLAH51 、 LAF0 、 NZK7 、 NLAF21 、 LASFN35 、 SLAM60或它们的混合物，其可以从7^司如Duryea, PA的Schott Glass技术有限公司和NJ.Somerville的Ohar公司购买到。粘合层122 也可以由高系数的玻璃形成，例如(Ge,As，Sb,GA )(S，Se，Te，Cl，I，Br)硫 属化物玻璃或硫卣化物玻璃。如果需要，可以使用低系数的材料，例 如可以使用玻璃和聚合物。可以使用高和低系数的树脂，例如从日本 东京的Shin-Etsu化学公司可获得的硅树脂或硅氧烷。可以修改硅氧 烷主链(backbone)的侧链(side chain )以改变珪氧烷的折射系数。
在其它的方案中，粘合层122可以由以下材料构成包括但不局 限于GaP、 InGaP、 GaAs和GaN的III - V族半导体；包括但不局限 于ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 CdS、 CdSe和CdTe的n - VI族半导体；包 括但不局限于Si和Ge的IV族半导体和化合物；有机半导体、包括但 不局限于锑、铋、硼、铜、铌、鵠、钛、镍、铅、碲、钾、钠、锂、 锌、锆、铟锡或铬的氧化物的金属氧化物；包括但不局限于氟化镁、 氟化钩、氟化钾、氟化钠和氟化锌的金属氟化物；包括但不局限于 Zn、 In、 Mg和Sn的金属；钇铝石榴石(YAG)、磷化合物、砷化 合物、锑化合物、氮化合物、高系数有机化合物；以及上述物质的混 合物或合金。
在某些实施例中，透明粘合层122可以涂敷在LED管芯104的 顶表面上，例如在覆盖物118上(如图1A中的虚线122，所示)。粘 合层122，可以在管芯104安装在基座106之前，涂敷在LED管芯104 上。可选择地，可以不使用粘合层，并且光学元件102可以直接粘合
9到LED管芯104上，例如覆盖物118或层108上(如果覆盖物被除 去)。如2001年6月12日由MichaelD. Camras等完成的、题为"具 有改善光提取效率的发光二极管"的美国专利申请No.09/880204 (公 开号为2002/0030194 )中所描述的方案中，LED管芯104在相对的 面设置有n触点和p触点，透明粘合层122或122，可以通过例如传统 光刻和蚀刻技术来构图，以留下未被粘合层覆盖的顶部触点并由此允 许与光学元件102上的金属化层进行电接触，金属化层可以是铅层， 这里引入该文献的全部内容作为参考。
在一个方案中，光学元件102可以由下述材料形成Sienna技 术有限公司的光学玻璃、高系数玻璃、GaP、 CZ、 ZnS、 SiC、蓝宝 石、金刚石、立方氧化锆(Zr02) 、 AION;氧化铝多晶体(透明氧 化铝)、尖晶石、可以从Ontario的Optimax System公司获得的Schott 玻璃LaFN21、 Schott玻璃LaSFN35、 LaF2、 LaF3和LaF10; Pb、 Te、 Zn、 Ga、 Sb、 Cu、 Ca、 P、 La、 Nb或W的氧化物；或上述用 作透明粘合层122中的粘结材料中的任意一种，除了金属的厚层。
透明光学元件102可以具有一定的形状和尺寸以使从LED管芯 104进入光学元件102的光将以接近正入射的入射角贯穿光学元件 102的表面102a。由此减小了在表面102a和环境介质通常为空气的 界面处的总内反射。另外，由于入射角的范围较窄，通过在表面102a 涂敷通用的抗反射涂层，可以减小在表面102a处的菲涅耳反射损失。 光学元件102的形状是例如球体的一部分，例如半球，Weierstrass 球(切去顶端的球)，或小于半球的部分球面。可选择的，光学元件 102的形状是椭圆体的一部分，例如切去顶端的椭圆体，侧面发射体 或可以在形状上延长以容纳LED阵列或长方形LED,如相同受让人 的US2005/0023545中所述，其在这里引入全部内容作为参考。随着 光学元件102尺寸的增大，光在表面102a处从LED管芯104进入光 学元件102的入射角更接近正入射(normal incidence)。因此，透 明光学元件102的基座长度和管芯104表面长度之间的最小比率优选 大于约1，更优选大于约2。
在LED管芯104安装在基座106上之后，光学元件102可以热 粘合到LED管芯104上。例如，为了将光学元件102粘合到LED管 芯104，粘合层122的温度升高到室温和接触元件120的熔点温度之间的温度，例如在约150。C到450。C之间，更优选地在约200"C和400 。C之间，并且光学元件102和LED管芯104在粘结温度下压在一起 经过约1秒至6个小时的时间，优选为约30秒到30分钟，压力为约 1磅每平房英寸(psi)至6000 psi。以示例的方式，约700psi至约 3000psi的压力可以施加约3到15分钟之间的时间。如果需要，可以 使用其它的粘结工艺。
光学元件102到LED管芯104的热粘合需要施加较高的温度。 在使用具有高熔点的接触元件120的情况下，即比在热粘合工艺中使 用的高温度更高的温度，LED管芯104可以在光学元件102粘合到 LED管芯104之前，在不损坏LED管芯/基座接合的情况下安装到基 座106上。在粘合光学元件102之前安装LED管芯104到基座106 简化了拾取(pick)和放置工艺。
把光学元件102粘合到LED管芯104的方法下述文献中公开 美国公开号为No.2002/0030194 ; No.2005/0032257 ; 序列号为 09/660317的由Michael D. Camras等完成的、于2000年12月12日 申请的、题目为"具有改善光提取效率"的美国专利申请；美国专利 号为NO.6987613或NO.7009213的美国专利申请，这些专利的受让 人与本申请相同，这里引入其全部内容作为参考。并且，上述将光学 元件102粘合到LED管芯104的工艺可以通过美国专利NO.5502316 和5376580中描述的装置来实施，这里引入其全部内容作为参考，该 装置之前用于在升高的温度和压力下使半导体晶片彼此粘合。如果需 要，所公开的装置可以被修改以容纳LED芯片和光学元件。可选择 地，上述粘合工艺可以通过传统垂直施压而进行。在一个实施例中， 块粘合工艺可以在加压或不加压的情况下利用许多装置在炉内一次 执行。
应当注意，由于热粘合工艺，在加热和冷却时，在光学元件102 和LED管芯104的热膨胀系数(CTE)之间的失配会导致光学元件 102分层或从LED管芯104脱落。因此，光学元件102应当由CTE 基本与LED管芯104的CTE匹配的材料形成。另外，大致匹配的 CTE还减小了由粘合层122和光学元件102在LED管芯104中引入 的应力。利用适当的CTE匹配，热膨胀不会限制可以粘合到光学元 件的LED管芯的尺寸，由此光学元件102可以粘合到较大的LED管芯104，例如尺寸达到lmm2,2mm2，4mm2，9mm2,直到16mm2或甚至大 于16mm2。
图2示出了一个实施例，其中多个LED芯片204a、204b和204c(有 时候共同指LED芯片204)安装在基座206上。在图2中示意性地示 出了 LED芯片204，而没有示出具体半导体层。然而，应当理解， LED芯片204可以与上述LED管芯104相同。
如上所述，每个LED芯片204安装到基座206上。 一旦LED芯 片204安装在基座206上后，单独的光学元件202a、 202b和202c可 以以上述方法分别粘合到LED芯片204a、 204b、 204c上。
如果需要，LED芯片204可以是相同类型的LED,并且可以产 生相同的光波长。在另一实施例中， 一个或多个LED芯片204可以 产生不同波长的光，其当组合使用时可以产生具有所需相关色温 (CCT)的光，例如白光。可以使用另一光学元件(在图2中未示出) 来覆盖光学元件202a、 202b和202c并帮助光的混合。
图3示出了包括安装在基座306上的多个LED芯片304a、 304b 和304c(有时一起称为LED芯片304)和粘合到LED芯片304上的 单个光学元件302的LED器件300的实施例。LED芯片304可以与 上述LED管芯104相似。
如图3所示，由于LED管芯304能紧密地安装在基座306上， 多个LED芯片304使用单个光学元件302是非常有利的。光学元件 通常具有比其所粘合的LED管芯更大的覆盖区，由此，单独的光学 元件与LED芯片的放置可能受到光学元件尺寸的限制。
在LED芯片304安装到基座上之后，例如由于接触元件320的 高度和芯片厚度的差别，LED芯片304的顶表面中可能有稍微的高 度变化。当单个光学元件302热粘合到LED芯片304时，LED芯片 304高度的任何差别可以被接触元件320的适应性所容纳。
在光学元件302粘合到LED芯片304的热粘合过程期间，由于 基座306的加热和冷却，LED芯片304可能横向移动。对于使用某 些接触元件320例如Au的情况下，接触元件320的适应性不足以适 应LED芯片304的横向移动。因此，光学元件302的热膨胀系数 (CTE302 )应当基本匹配基座306的热膨胀系数(CTE306 )。在CTE302 和CTE306之间基本匹配的情况下，由基座306的膨胀和收缩引起的LED芯片304的任何移动可以大致由光学元件302的膨胀和收缩基 本匹配。另一方面，在热粘合工艺的加热和冷却期间，CTE3()2和 CTE306之间的失配会导致LED芯片304从光学元件302分层或分离， 或会对LED器件300造成应力导致的损坏。
通过使用足够小的LED芯片304，可以使热粘合工艺期间的LED 芯片304自身的热膨胀最小化。然而在使用大LED芯片304的情况 下，在热粘合工艺期间的LED芯片304的热膨胀量较大，并且由此 LED芯片304的CTE也应当与基座306和光学元件302的CTE大 致匹配。
LED芯片可以例如是InGaN、 AlInGaP、或InGaN和AlInGaP
器件的组合。在一种方案中，基座302可以由A1N制成，而光学元件 302可以由Ohara公司的SLAM60,或从Schott玻璃技术公司的NZK7 制成。在另一种方案中，氧化铝基座306可以与由蓝宝石、Ohara Glass SLAH51或Schott玻璃NLAF21所制造的光学元件302 —起使用。 在某些示例中，在LED芯片304和基座306之间可以使用增量剂(bulk filler) 305。增量剂305可以是例如树脂、硅氧烷或玻璃。增量剂305 可以具有好的导热率并且可以基本匹配基座306和芯片304的CTE。 如果需要，保护侧面涂层可以选择性地或附加地涂覆在增量剂305 上。可以使用保护侧面涂层以阻挡从管芯发射的侧面光。
在一个实施例中，所有的LED芯片304可以是相同类型的并发 出不同或大致相同波长的光。可选择地，通过适当选择LED芯片304 和/或波长转换材料，可以产生不同波长的光，例如蓝、绿和红色光。 当LED芯片304是相同类型时，LED芯片304的CTE将基本上相 同。人们希望LED芯片304的CTE大致与光学元件302和基座306 的热膨胀系数匹配，以使在热粘合工艺期间分层或脱离或应力导致的 破坏LED器件300的风险最小化。CTE大致匹配的器件300的示例 包括包含蓝宝石衬底的LED芯片304,蓝宝石或CTE大致匹配的 玻璃光学元件，和氧化铝基座306。 CTE匹配程度取决于参数如粘合 材料的柔顺度、器件粘合、加工或工作的温度范围以及粘合区域尺寸。 在某些实施例中，CTE失配应当小于10%。在其它实施例中，大于 10%的CTE适配可以被接受并也会形成可靠的器件。
在另一种方案中，LED芯片304可以是不同类型的并产生不同波长的光。在使用不同类型的LED芯片的情况下，芯片的CTE可以 变化，使其很难使所有LED芯片304的CTE与光学元件302和基座 306的CTE匹配。然而，明智地选择CTE尽可能与LED芯片304 相近的光学元件302和基座306，可以使热粘合工艺期间与LED芯 片304的脱离或其它对器件300的损坏相关的问题最小化。另外，通 过使用相对小的例如区域小于约11111112的LED芯片304,与热粘合单 个光学元件302到多个芯片304相关的问题也被减少。使用增量剂 305还可以阻止在热处理或操作期间对器件的损坏。
如图3中所示，在一个示例中，光学元件302可以涂覆有波长转 换材料以形成波长转换构件310，例如磷光体涂层。在一个实施例中， 波长转换材料是YAG。当然，如果需要可以使用YAG和非YAG磷 光体的许多变体。可选择地，可以使用不同磷光体的多个层，例如与 蓝光LED结合使用的红和绿磷光体。图4是制造这样器件的流程图。 如图4中所示，LED芯片(管芯)304安装在基座306上(步骤402 )， 以及光学元件302粘合到LED芯片304上(步骤404)。在光学元 件302粘合到LED芯片304后，波长转换材料层沉积在光学元件302 上(步骤406)，以形成波长转换构件310。然后可以例如通过在LED 芯片304的有源区施加电压并检测器件产生的光的波长谱测试器件 (步骤408 )。如果器件没有产生所希望的波长谱(步骤410)，可 以改变波长转换构件310的厚度(步骤411),例如通过在光学元件 302上沉积额外的波长转换材料或通过烧蚀、蚀刻或溶解除去部分波 长转换材料，然后再次测试该器件(步骤408 )。 一旦产生了所希望 波长谱的光，立即停止该过程(步骤412)。器件的波长谱确定了 CCT以及其与浦朗克(plankian)的接近度。因此，应当理解，所希 望的CCT范围或所希望的CCT范围和其所希望的浦朗克(plankian) 接近度能确定由器件产生的光的希望波长谱。
因此，波长转换构件310涂层的厚度能根据由LED芯片304产 生的光控制，从而形成高度可重复的相关色温。另外，因为波长转换 材料的沉积与由LED芯片304产生的具体波长相响应，所以能适应 LED芯片304所产生光的波长变化。因此，更少的LED芯片304会 因为产生不想要的波长谱而被拒绝。
虽然图4描述了图3中示出的实施例，但是应当理解，图4中示出的修正波长转换构件310的方法也可以适用于图1B、 1C和2的实 施例。即，图1B中的波长转换构件124和图2中的202a、 202b、 202c 上的波长转换构件(未示出)可以由图4的方法修正。另外，除了在 没有插入光学元件的情况下波长转换材料涂覆到LED管芯104上， 图1C中的波长转换构件124，可以通过与图4中所示相似的方法修正。 在另一实施例中，对于波长i普变换方法，LED芯片不需要安装到基 座上。如果需要可以使用其它的LED结构和封装。
图13A、 13B和13C示出了制造能发射具有所希望相关色温的光 的LED器件的实施例的顶视图，图14A、 14B和14C示出了侧视图。 发光元件，例如在图13A和14A中的LED管芯802 ，被制造和与静 电放电电路(ESD)806例如Zener 二极管一起安装在基座804上。如 下面所述，LED管芯802能被制造并安装到基座804上，或者如果 需要，可以使用其它制造和封装工艺。例如，在某些实施例中，不需 要使用基座804。可选择地，如图1A中所示，可以在LED管芯802 上安装透镜或圓顶。
发光元件，例如LED管芯802 (或圆顶，如果使用的话)，涂 覆波长转换材料涂覆来形成如图13B和14B中所示的波长转换构件 808,从而形成发光器件。为了简单起见，可以用波长转换构件808 覆盖包括基座804和ESD电路806的整个器件。波长转换材料涂层 可以是这里描述的任何类型材料，并且可以是例如电泳沉积(EPD) 的涂层。可以利用能被固化的硅树脂、溶胶凝胶、硅氧烷或适当的树 脂浸泡(infuse)波长转换材料的涂层。
如果需要，可以使用其它类型的波长转换构件808和/或其它的 沉积技术。例如，在一个实施例中，波长转换构件808可以是磷光体 喷雾涂层，而不是EPD层。可选择地，分配喷射(dispense-jetting)能 用于沉积波长转换构件808。分配喷射类似于喷墨，但液滴更大并能 携带更多材料，其能精确地控制质量和位置。磷光体可以添加到树脂、 溶剂、硬化剂和/或触变剂(thixotrophic)中。可以调节粘性和喷雾 图案以形成所希望的波长转换材料涂层。另外，在喷涂过程中，可以 旋转或移动单个器件或包含多个器件的基座以增加涂敷的均匀度。在 涂敷期间，喷雾枪也可以移动。在另一实施例中，波长转换构件材料 可以是粘合到管芯或设置在管芯上的光转换陶瓷。通过举例的方式，在美国公开号为NO.2005/0269582的专利中描述了 一种能用在本发 明中的合适的光转换陶瓷，该专利具有与本发明相同的受让人，这里 引入其全部内容作为参考。优选地，光转换陶瓷是最后的光学元件， 即，没有另外的透镜或封装。可以例如使用短波长激发物激光器来烧 蚀(ablate)光转换陶瓷。
由波长转换构件808转换的光和由LED管芯802发射的从波长 转换构件808渗透过去的光的混合确定了由发光器件产生的特定波 长i普，即CCT。在一个实施例中，波长转换构件808沉积在LED管 芯802的厚度太厚了以至于不能产生所希望的CCT。这使器件的CCT 被测量或测试，并使波长转换构件808被修正，即波长转换构件808 的波长转换材料以可控制的方式被除去以产生所希望的CCT。可选 择地，波长转换材料可能被沉积得太薄以至于不能产生所希望的 CCT，另外的波长转换材料以可控制的方式被加入以产生所希望的 CCT。
因此， 一旦沉积了波长转换构件808,测试发光器件并且测量发 射光的CCT。这个过程可以对于单个器件上进行，但通过批处理执 行该过程可以增力口通过量(throughout)。可以在分开(singulating) LED器件之前或分开基座之前完成该过程。
在一个实施例中，使用计算机控制的激光修剪方法来烧蚀波长转 换构件808，以生成产生希望的CCT的修正波长转换构件。其中当 批处理地测试LED器件时，计算机控制的激光能够在每个LED器件 上根据该器件的单独CCT确定具体裁减的量来烧蚀所述波长转换构 件。
在一个实施例中，例如图4中所示，可以测试LED器件，并且 可重复地删除波长转换构件。在另一实施例中， 一旦系统被较准，波 长转换材料必须被除去以产生CCT中具体变化的量就已知了， LED 器件能被测量一次并且从波长转换构件除去适当量的材料。根据被除 去材料的量，需要使用多程(multiple pass)烧蚀波长转换材料，其中 每程仅仅除去少量的材料。如果通过激光除去材料，使用多程减小了 炭化波长转换材料中的树脂的危险。在使用光转换陶瓷的情况下，由 于不存在树脂，因此不太可能被炭化，但是其变得更难烧蚀。
图13C和14C说明了在被激光烧蚀后的波长转换构件808。如图13C中所示，可以使用一组线808I和间隔808s以改变波长转换元 件808的厚度，例如减小LED管芯802上的波长转换材料的量。在 一个实施例中，厚度的减小可以是在局部，而不是在整个管芯上。在 一个实施例中，在同一管芯上在一个位置处可以有厚度的减小，而在 另一位置处可以有厚度的增加。应当理解，图13C中所示的线和间 隔是说明性的，在实际中可以希望使用小得多的节距。在一个实施例 中，在局部位置完全除去了波长转换构件808以暴露下面的LED管 芯802，由此形成间隔808s。在这样的实施例中，波长转换构件808 的平均厚度被减小，尽管线8081的厚度保持不变。例如通过增加间 隔的宽度和/或减小线的宽度，平均厚度可以被改变。通常，希望使 用细距(fine pitch )和/或低振幅(low amplitude)。在一个实施例中， 低振幅激光烧蚀可以仅仅除去波长转换构件808的一部分厚度,以使 在间隔808s中的波长转换元件比线8081中的更薄，但下面的LED 管芯802仍然被波长转换构件808完全覆盖。
除了线和间隔之外，可以使用其它图案来用于改变波长转换材料 的厚度。例如，图15A示出了类似于图3C所示器件的器件的顶视图， 但与线和间隔不同，波长转换构件818具有被烧蚀的一组孔818h。 为了改变波长转换构件818的平均厚度以获得想要的CCT，在孔818h 和/或孔818h的半径之间的距离可以改变。可选择地，可以使用不 同的图案或具有不同参数的相同图案以除去在LED管芯802局部区 域中的波长转换构件。例如，当LED器件被测试和发射光的CCT被 测量时，可以产生CCT的空间图。CCT的空间图可以提供给计算机 控制器，以及可以烧蚀涂层上较高的点，因此不仅能获得想要的CCT， 还能使CCT形成更加均匀的空间分布。图15B示出了其中具有更小 半径的孔820h位于管芯802的中心，而具有更大半径的孔818h位于 其它地方的实施例。图15C示出了其中孔830以具体图案形成的实 施例，其可以是例如图形、符号或象征。光源然后被成像以使由孔 830形成的图案产生具有与周围光不同颜色的光。
如果需要，可以使用除了激光烧蚀之外的其它工艺以除去波长转 换构件材料。例如，使用其它技术包括机械和/或化学蚀刻、离子束 或电子束烧蚀以修整波长转换构件。
波长转换材料除去的量取决于初始CCT和想要得到的CCT。图16是说明了亮度-色度或使用u，v，坐标(通常称为u，v，空间)的颜色 空间的曲线图，其中线850是浦朗克。图16说明了具有波长转换构 件的三种不的LED器件的测试结果，所述波长转换构件设置在LED 芯片上，被测试和被烧蚀以改变所产生的波长傳，其减小了 v，值并很 小程度上减小了u，值，增加了 CCT。 LED器件的初始u，v，点在曲线 的顶端示出。图16中的每个数据点示出了在每次激光烧蚀后，u，v， 坐标被进一步降低。实际上， 一旦LED器件产生了所希望的CCT， 优选产生了在浦朗克上或接近浦朗克的希望CCT后，不会进行进一 步的烧蚀。由此，LED器件产生的波长谱被改变，直到器件产生了 u，v， 空间的所希望区域内的点。本领域技术人员可以理解，本发明可以使 用许多类型的空间，包括如图9、 11和12中示出的例如xy或uv空 间。因此，本说明书使用的u，v，空间应当理解为，包括所有其它类型 的空间，因为u，v，空间能很容易地被转换成其它类型的空间，反之亦 然。
在图16中，以小的连续步骤进行烧蚀，即节距没有改变，每一 次除去少量的材料，以说明该调整可以有多精细。在生产环境中，希 望使用尽可能少的烧蚀/测量循环。然而，如果单次烧蚀了过多的材 料，粘合剂可能会被炭化。
在另一实施例中，波长转换材料涂层可以设置在LED管芯和光 学元件之间，例如在粘合层322的内部、之上或之下。图5以示例的
的1lED管芯502,工其中波长转换材料层510设置在粘合层508和光 学元件506之间。在将光学元件506粘合到LED管芯502之前或期 间，波长转换材料510可以通过粘合层509粘结到光学元件506的底 部。波长转换材料510可以是例如磷光体浸渍玻璃或波长转换陶瓷， 其是独立形成的并且然后被粘合到LED管芯502和光学元件506上。 在某些实施例中，波长转换材料510可以直接粘结到LED管芯502 和光学元件506中的一个或两个上。在一个实施例中，光学元件506、 LED管芯502和波长转换材料510可以同时粘合在一起。在另一实 施例中，波长转换材料510可以先粘合到光学元件506,随后粘合到 LED管芯502，例如其中粘合层509具有比粘合层508更高的粘合温 度。在Paul S. Martin等人完成的、于2004年6月9日申请的、题目为"具有预先制造的波长转换构件的半导体发光器件"的、序列号
为No.10/863980的美国专利申请中详细介绍了适当的波长转换材料， 例如磷光体浸泡玻璃，该专利具有与本申请相同的受让人，这里引入 其全部内容作为参考。如所示，波长转换材料510可以具有比管芯 502更大的面积，可以具有与管芯502相同的面积，也可以具有比管 芯502稍微小的面积。如果波长转换材料510在粘合到管芯502之前 被粘合到光学元件506，可以使用比将波长转换材料510粘合到LED 管芯502所使用的粘结工艺温度更高的粘结工艺。因此，粘合材料 509可以是比粘合材料508更高温度的粘合材料。
图6示出了另一实施例，其类似与图5中示出的实施例，除了在 粘结光学元件506之前或期间，波长转换材料520粘合到LED管芯 502 (和优选在LED管芯502的边缘上)。因此，如图6中所示，波 长转换材料520放置在LED管芯502和粘合层509之间。
在另一实施例中，波长转换材料涂层可以位于远离LED管芯或 芯片上方，例如在玻璃、塑料、树脂或硅树脂的外壳上面，其中在外 壳和LED管芯或芯片之间有空腔。如果需要，空腔可以填充有例如 硅树脂或环氧树脂材料。在一个实施例中，波长转换材料可以例如通 过喷雾涂敷沉积在标准T1.5mm的LED灯或Lumiled公司的 LUXEON上。该涂层然后被测试和校正，直到产生所希望的波长谱。
图7示出了安装在板604上的LED 602的阵列600。板604包括 用于提供电接触到LED 602的电轨迹(electrical trace)606。 LED 602 可以是如上所述制造的磷光体转换器件。LED 602每个可以产生具有 不同CCT的白光。通过在阵列600中混合具有不同CCT的白光，可 以产生具有所希望CCT的光。如果需要，LED 602可以覆盖有透明 元件608,例如玻璃、塑料、树脂或硅树脂。透明元件608可以用环 氧树脂或硅树脂填充，其能帮助光的提取和混合并能保护LED 602。 应当理解，阵列600可以包括任意数量的LED 602,并且如果需要， 一个或多个LED可以产生非白色的光。并且，如果需要，多个LED 602可以粘合到单个光学元件603，或一个或多个LED 602可以不包 括光学元件603。
如图7所示，可以例如通过控制器610单独地控制单个LED或 LED组602,该控制器电连接到板604上的轨迹606。通过独立地控制LED 602或LED 602的组，可以得到具有恒定亮度的高显色性，例 如超过85。另外，由阵列600产生的白点可以在大范围的CCT内是 可孩史调的，例如在3000K和6000K之间。通过示例的方式，多个产 生白光的磷光体转换(PC)蓝光LED可以与具有不同颜色例如蓝色、 青色、黄色和红色的LED结合使用，以产生所希望的CCT。如图8 的曲线所示，磷光体转换蓝色LED产生具有广语702的光，该光在 绿区域中结合蓝区域中的尖峰。磷光体的厚度可以被调节以产生对光 谱的绿色和蓝色部分基本相等的峰值。图9示出了图8中所示光谱的 CIE色品图，其示出了在黑体线754上的x和y坐标。当然，如果需 要,可以使用产生在其它区域具有峰值的光谱的PCLED。可选择地， 如果需要，产生不同光谱的即具有不同CCT的白光的PC LED,可 以在一起使用。
图7的阵列600中的大部分LED 602可以是产生如图8中所示 光谱的PC LED。如图7中所示的其它LED 602可以是彩色LED, 例如产生蓝色、青色、黄色和红色光的LED。彩色LED的亮度可以 通过控制器610调节。如图10中所示，满功率的PC LED和彩色LED 的组合产生了基本上连续的光谱。图10示出了具有来自PC LED的 光谱702和来自蓝色、青色、黄色和红色的彩色LED的光谱704、 706、 708和710组合以形成光谱720的曲线。如图ll中所示的CIE 色品曲线的一部分所示，通过改变彩色LED的亮度，可以获得覆盖 部分黑体线764的区域。通过示例的方式，包括29个PC LED和12 个彩色LED的实施例能产生800流明的亮度，并具有在85-95之间 的显色性和3200K-5800K之间的CCT。图12示出了一部分CIE色 品图，其示出了 29个PC LED和12个彩色LED阵列的可变CCT值。 当然，可以使用任意数量的PCLED和彩色LED。
虽然为了说明的目的，结合具体实施例描述了本发明，但是本发 明并不局限与此。在不脱离本发明范围的情况下，可以作出多种调节 和修改。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限制于前述的说明。
权利要求
1.一种方法，包括提供发光元件；在所述发光元件上沉积波长转换材料层；确定由发光元件和波长转换材料的组合所发射光的波长谱；和通过使用烧蚀减少发光元件上沉积的波长转换材料的量，改变发光元件上的波长转换材料的量。
2. 如权利要求1的方法，其中减少在光发射元件上沉积的波长 转换材料的量包括以下之一减小基本横跨整个发光元件的波长转换材料的厚度，和 减小在发光元件的局部区域中的波长转换材料厚度。
3. 如权利要求2的方法，其中改变波长转换材料的量通过下述 图形之一种或多种烧蚀所述波长转换材料层来进行一组条紋、 一组孔、图样、符号或标志。
4. 如权利要求3的方法，其中烧蚀波长转换材料层通过使用多 程在波长转换材料层上进行。
5. 如权利要求1的方法，其中确定由发光元件和波长转换材料 的组合所发射光的波长语还包括在颜色空间或空间图中定位光的波长语，并基于颜色空间和空间 图中光的波长i普的位置，改变发光元件上波长转换材料的量。
6. 如权利要求1的方法，其中在发光元件上沉积波长转换材料
7.如权利要^1的方法，其中波长转换材料是^L长转换陶瓷。
8. —种器件，包括半导体发光元件，其包括半导体叠层，该半导体叠层包含发射光 的有源区；和耦接到半导体光发射元件的修正波长转换构件；该修正波长转换构件已经被烧蚀以使得波长转换材料的量少于 最初耦接到半导体发光元件的波长转换材料的量，该修正波长转换构件中的波长转换材料的量足够产生所希望的波长谱。
9. 如权利要求8的器件，其中修正波长转换构件以由下述中的至少一种构成的图案被烧蚀一组条紋、 一组孔、图样、符号或标志。
10.如权利要求8的器件，其中修正波长转换构件包括下述的至 少一种磷光体层和光转换陶瓷,
全文摘要
通过在发光元件上沉积波长转换材料层形成发光器件，测试该器件以确定产生的波长谱并修正波长转换构件以产生所希望的波长谱。波长转换构件可以通过减少或增加波长转换材料的量来修正。在一个实施例中，例如通过激光烧蚀或蚀刻减小了在波长转换构件中的波长转换材料的量，以产生所希望的波长谱。
文档编号H01L33/22GK101553936SQ200780020145
公开日2009年10月7日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月31日
发明者F·M·斯特兰卡, J·E·埃普勒, M·D·坎拉斯, O·A·乔普约尔, S·保利尼 申请人:飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司