发光器件和方法与流程

文档序号:11170634
发光器件和方法与流程
发光器件和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2010年11月22日提交的美国临时专利申请序列No.61/416,184和2011年5月10日提交的美国部分继续专利申请序列No.13/104,558的优先权,所述专利申请以全文引用的方式并入本文中。本申请涉及2010年11月22日提交的美国设计专利申请序列No.29/379,636、2011年2月16日提交的美国部分继续专利申请序列No.13/028,972和2011年10月26日提交的美国专利申请序列No.13/282,172。技术领域本文公开的主题总体上涉及发光器件和方法。更具体地,本文公开的主题涉及包括至少一个图案和/或发光二极管(LED)阵列的发光器件和方法。

背景技术:
诸如发光二极管(LED)的发光器件可以封装用于提供白光(例如,感知为白色或接近白色),并且正在发展成为白炽灯、荧光灯和金属卤化物高强度放电(HID)灯产品的替代品。LED器件的代表性示例包括具有至少一个LED芯片的器件,LED芯片的一部分可涂覆有例如钇铝石榴石(YAG)的荧光体。荧光体涂层可将一个或多个LED芯片发出的光转化为白光。例如,LED芯片可以发出具有期望的波长的光,荧光体反过来可发出例如峰值波长为大约550nm的黄色荧光。观察者感觉发出的混合光为白光。作为荧光体转化白光的替换,红色、绿色和蓝色(RGB)波长的发光器件可以组合于一个器件或封装或器件中以产生感觉为白色的光。尽管市场中有各种LED器件和方法可用,仍然需要适于工业和商业照明产品以及传统光源的替代品的改进的器件和改进的器件制造能力,传统光源诸如50至100瓦特的HID和高瓦数紧凑型荧光(CFL)灯、室外照明产品、室内灯具和改进的灯泡。仍然需要适应于低电压至高电压应用范围的改进的器件。本文描述的LED器件和方法可以有利地提高发光性能并且适应于各种低电压至高电压应用,同时促进易于制造性。

技术实现要素:
根据本公开,提供的新颖的发光器件和方法非常适合包括工业和商业照明产品的多种应用。因此,本文中的本公开的目标在于提供包括优化的发光器件的至少一种图案、布置和/或阵列以提高光输出性能并且适应于各种低电压至高电压应用,同时节能。通过本文公开的主题至少整体或部分实现了根据本文的公开可变得明显的本公开的这些和其它目标。附图说明在说明书的包含参照附图的剩余部分更具体地陈述了包含对于本领域的普通技术人员来说属于最好的模式的本主题的完整和授权公开,其中:图1示出根据本公开内容的发光器件的实施例的顶视图;图2示出根据本公开内容的发光器件的实施例的侧视图;图3A和3B示出根据本公开内容的具有发光二极管(LED)的一个或多个图案的发光器件的实施例的顶视图;图4示出根据本公开内容的具有LED的一个或多个图案的发光器件的实施例的顶部透视图;图5示出根据本公开内容的发光器件的实施例的顶视图;图6示出根据本公开内容的发光器件的发光区域的第一横截面图;图7示出根据本公开内容的发光器件的发光区域的第二横截面图;图8示出根据本公开内容的发光器件的顶视图;图9示出根据本公开内容的发光器件的间隙区域的横截面图;图10示出根据本公开内容的发光器件的顶视图;图11至图14B示出根据本公开内容的具有LED的一个或多个图案的发光器件的实施例的顶视图;以及图15A和图15B示出根据本公开内容的用于LED器件的管芯附接(dieattach)。具体实施方式现在将详细参照本文主题的可能的方面或实施例,图中示出了这些方面或实施例的一个或多个示例。提供各个示例以解释主题但不作为限制。事实上,示出或描述作为一个实施例的部分的特性可以用于另一实施例以产生进一步的实施例。本文公开和预期的主题覆盖这样的修改和变更。如各图所示,为了说明目的相对于其它结构或部分放大了某些结构或部分的尺寸,并且因此提供这些放大的结构和部分或以描述本主题的通常结构。此外,参照形成在其它结构、部分或两者上的结构或部分描述本主题的各个方面。本领域技术人员应该理解,所谓的形成在另一结构或部分“上”或“上方”的结构预期有另外的结构、部分或两者可介入。所谓的形成在另一结构或部分上而没有介入的结构或部分的结构或部分描述为“直接”形成在该结构或部分上。类似地,可以理解,当元件称为“连接”、“附接”或“耦合”至另一元件,可以直接连接、附接或耦合至其它元件,或者存在介入元件。相反地,当元件称为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦合”至另一元件,则不存在介入元件。此外,诸如“上”、“上方”、“上部”、“顶部”、“下部”或“底部”的相关术语在本文中用于描述如图中示出的一个结构或部分与另一个结构或部分的关系。应该理解,诸如“上”、“上方”、“上部”、“顶部”、“下部”或“底部”的相关术语包含了除图中描述的取向之外的不同的器件取向。例如,如果图中的器件倒置,描述为其它结构或部分“上方”的结构或部分现在将取向为其它结构或部分的“下方”。同样地,如果图中的器件沿轴旋转,描述为其它结构或部分“上方”的结构或部分现在将取向为与其它结构或部分“邻接”或“左侧”。相同的标记表示相同的元件。根据本文描述的实施例的发光器件可以包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物(例如,GaN)基发光二极管(LED)或制造在例如碳化硅衬底的生长衬底上的激光器,诸如由北卡罗莱纳州达勒姆的Cree公司制造并销售的那些器件。例如,本文讨论的碳化硅(SiC)衬底/层可以是4H多型碳化硅衬底/层。然而,可以使用诸如3C、6H和15R多型的其它碳化硅候选多型。来自本主题的受让人,美国北卡罗来纳州达勒姆的Cree公司的合适的SiC衬底是可用的,并且用于生产这样的衬底的方法在科学文献和多个共同受让的美国专利中陈述,包含但不限于美国专利No.Re.34,861、美国专利No.4,946,547和美国专利No.5,200,022,这些专利的公开以全文引用的方式并入本文中。如在本文中所使用,术语“Ⅲ族氮化物”指的是那些形成在氮和一个或多个通常为铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)的周期表的Ⅲ族元素之间的半导体化合物。该术语也指诸如GaN、AlGaN和AlInGaN的二元、三元和四元化合物。Ⅲ族元素可以组合氮以形成二元(例如,GaN)、三元(例如,AlGaN)和四元(例如,AlInGaN)化合物。这些化合物可以具有一摩尔氮组合一摩尔全部Ⅲ族元素的化学实验式。因此,诸如AlxGa1-xN(1>x>0)的实验式经常用于描述这些化合物。Ⅲ族氮的外延生长的技术已经得到充分的发展并且在合适的科学文献中报道。虽然本文公开的各种LED的实施例包括生长衬底,本领域技术人员将理解可以去除其上生长有包括LED的外延层的晶体外延生长衬底,独立式外延层可以安装于具有比原衬底更好的热、电气、结构和/或光学特性的替代载体衬底或基板上。本文描述的主题不限于具有晶体外延生长衬底的结构而可以与已经将外延层从它们的原生长衬底去除并接合至替代载体衬底的结构一起使用。例如,可以在生长衬底(诸如碳化硅衬底)上制造根据本主题的某些实施例的基于Ⅲ族氮化物的LED以提供水平器件(在LED的同一侧都有电触点)或垂直器件(在LED的相对侧有电触点)。此外,生长衬底可以在制造或去除(例如,通过蚀刻、研磨、抛光等)之后保持在LED上。例如,可以去除生长衬底以减小产生的LED的厚度和/或减小通过垂直LED的正向电压。例如,水平器件(具有或没有生长衬底)可以倒装接合至(例如,使用焊接)载体衬底或印刷电路板(PCB)或是导线接合的。垂直器件(具有或没有生长衬底)可以具有接合至载体衬底、安装焊盘或PCB的第一端子焊料和接合至载体衬底、安装焊盘或PCB的第二端子焊料。通过Bergmann等人的美国公开No.2008/0258130和Edmond等人的美国公开No.2006/0186416的示例讨论了垂直和水平LED芯片结构的示例,所述公开以它们全文引用的方式并入本文中。LED可至少部分涂覆有一层或多层荧光体,荧光体吸收至少一部分LED光并发出不同波长的光,以使得LED发出来自LED和荧光体的光的组合。在一个实施例中,LED发出LED和荧光体光的白光组合。可以使用许多不同的方法涂覆和制造LED,在均题为“WaferLevelPhosphorCoatingMethodandDevicesFabricatedUtilizingMethod”的美国申请专利序列No.11/656,759和11/899,790中描述了一种合适的方法,两者以引用的方式并入本文中。替代地,可以使用其它方法,诸如电泳沉积(EPD)来涂覆LED,在题为“CloseLoopElectrophoreticDepositionofSemiconductorDevices”的美国专利申请序列No.11/473,089中描述了合适的EPD方法,其也以引用的方式并入本文中。应当理解,根据本主题的LED器件和方法也可以具有不同颜色的多个LED,其中的一个或多个可以是发白光的。现在参照图1至15B,图1示出总体标记为10的发光或LED器件的顶视图。LED器件10可以包括衬底12,总体标记为16的发光区域设置在衬底12之上。在一方面,发光区域16可以相对于LED器件10基本上设置于中央。替换地,发光区域16可以设置于LED器件10之上的任意位置,例如角落中或邻近边缘。在一方面,发光区域16可以包括基本圆形形状。在其它方面,发光区域16可以包括例如基本正方形、椭圆形或矩形形状的任意其它合适的形状。LED器件10可以包括单个发光区域16或多个发光区域16。特别地,LED器件10可以包括发光区域形式的均匀光源,这可以为制造商简化需要单个组件的灯产品的制造工艺。LED器件10还可以包括至少部分设置于发光区域16周围的保持材料14,保持材料14可以称为坝(dam)。保持材料14也可以设置于至少一个诸如齐纳二极管44(图9)的静电放电(ESD)保护器件之上。在某些方面,保持材料可以设置于两个电气元件(图8)之间串联的两个齐纳二极管44之上。衬底12可以包括任意合适的安装衬底,例如印刷电路板(PCB)、金属核印刷电路板(MCPCB)、外部电路或任意其它可以在其之上安装和/或附接诸如LED的发光器件的合适衬底。发光区域16可以与衬底12电连通和/或热连通。在发光区域16和衬底12之间可以设置一个或多个介入层,使得发光区域16间接设置于衬底12之上,由此与衬底12间接电连通和/或热连通。替换地,发光区域16可以直接安装于衬底12之上,由此与衬底12直接电连通和/或热连通或连接。在一个方面以及例如仅仅没有限制的,衬底12可以包括22毫米(mm)×22-mm的小尺寸正方形覆盖区。在另外的方面,衬底12可以包括任意合适的尺寸和/或例如圆形或矩形的形状。发光区域16可以包括多个LED芯片或设置于诸如图7中示出的填充材料40之中和/或下方的LED25。LED25可以包括任意合适的尺寸和/或形状。例如,LED25可以具有矩形、正方形或任意其它合适的形状。在一方面,填充材料40可以包括密封剂,该密封剂具有预定或选择性的量的荧光体和/或例如适用于白光转换的任意期望光发射的量的流明体(lumiphor)。填充材料40可以与多个LED25发出的光相互作用,使得可以观察到可感知的白光或任意合适的和/或期望的波长的光。可以使用任意合适的密封剂和/或荧光体的组合,并且可以使用用于产生期望的光发射的不同荧光体的组合。在其它方面,填充材料40可以包括模制透镜材料。填充材料40可以基本上不透明,使得发光区域16可以取决于例如所使用的荧光体的量和类型而基本上不透明(如图1中所示出)、透明或半透明。保持(retention)材料14可以适合于分配或布置于发光区域16的至少一部分的周围。在布置保持材料14之后,可以在设置于保持材料14的一个或多个内壁之间的空间中选择性地将填充材料40填充至任意合适的水平面。例如,可以将填充材料40填充至等于保持材料14的高度或等于任意高于或低于保持材料的水平面。保持材料40的水平面可以是平坦的,或者任意合适方式弯曲的,诸如凹或凸的。仍参照图1,LED器件10还可以包括至少一个总体标记为20的开口或孔,开口或孔可以设置为贯通或至少部分贯通衬底12以便于将LED器件10附接于外部衬底或表面。例如,可以将一个或多个螺丝插入穿过至少一个孔20以固定器件10至另一个部件、结构或衬底。LED器件10还可以包括一个或多个电附接表面18。在一方面,附接表面18包括诸如焊料触点的电触点。附接表面18可以是任意合适的配置、尺寸、形状和/或位置并且可以包括正或负电极端子,当正或负电极端子连接至外部电源时电流或信号会通过该正或负电极端子。当使用锻焊、焊接或任意其它已知合适的附接方法时可以将一条或多条导线(未示出)附接并电连接至附接表面18。电流或信号可以从电连接至附接表面18的外部导线进入LED器件10并进入发光区域16以促进光输出。附接表面18可以与包括一个或多个LED25的发光区域16电连通。附接表面18可以与第一和第二传导性迹线33和34(见图8)电连通,并且因此可以与使用电连接器电连接的LED25电连通。电连接器可以包括接合线(wirebond)或其它合适的部件用以将LED25电连接至第一和第二传导性迹线34和33。LED器件10还可以包括用于表示LED器件10的给定侧的电极性的指示符号或标志。例如,第一标志22可以包括表示LED器件10的包括正电极端子的一侧的“+”符号。第二标志23可以包括表示LED器件10的包括负电极端子的一侧的“-”符号。一个或多个测试点15可以定位为与器件的正极侧或负极侧相邻,用以测试LED器件10的电性质或热性质。在一方面,测试点15可以设置为与LED器件10的负极侧或端子相邻。图2示出LED器件10的侧视图。如图1和图2所示,保持材料14可以包括设置于发光区域16的至少一部分的周围并且设置于衬底12之上的基本圆形坝(dam)。保持材料14可以分配、定位或另外布置于衬底12之上并可以包括任意合适的尺寸和/或形状。保持材料14可以包括任意合适的反射材料并可以包括诸如硅酮或环氧树脂材料的透明或不透明白色材料。可以使用诸如二氧化钛(TiO2)的填料颗粒并将其添加至保持材料14,用于提供不透明材料。可以使用自动分配机器将保持材料14分配或沉积到位,其中可以形成任意合适的尺寸和/或形状的坝。在一方面,可以分配为所示的圆形形状,尽管也可以例如提供诸如矩形配置、弯曲配置和/或期望配置和横截面形状的任意组合的任意其它配置。图2示出LED器件10的侧视图,保持材料14可以包括倒圆角的外壁24,使得保持材料14与衬底12相对的上表面是倒圆角的。保持材料14的倒圆角的或弯曲的外壁24可以进一步增加由LED器件10反射的光的量。保持材料14可以包括本领域已知的任意材料,例如含有7%气相二氧化硅+3%TiO2+甲基硅酮的硅酮材料。如图3A和3B示出,在线接合一个或多个LED25之后可以分配保持材料14以使得保持材料14设置于接合线26之上并至少部分覆盖接合线26以在保持材料14内包含至少诸如每一条接合线26的一端的一部分。在图3A和3B中,用于给定的一组LED,诸如LED25的第一和最后或最外边缘的LED25A的接合线26设置于保持材料14内。在一方面,在分配期间室温下可以使保持材料14“找平”,用以精确的体积和/或高度控制。TiO2的添加可以增加发光区域16周围的反射以进一步最优化LED器件10的发光。可以添加气相二氧化硅作为触变剂。分配保持材料14可以实现增大的板空间和承受更高电压的能力。在某些方面,LED器件10可以工作于42伏特(V)或更高。图3A、3B和4示出没有填充材料40的层的发光区域16。图3A和3B示出LED器件10和包括至少一种LED的图案或布置的发光区域16。LED25可以布置、设置或安装于传导焊盘30上方。LED25可以布置或设置于可以包括一串或多串LED的多组LED中,并且给定的一组LED例如可以是串联电连接或任意其它合适配置的一串或多串LED。可以提供多组LED,并且每一组LED可以平行于其它一组或多组LED布置。如本文中进一步描述的,任意给定组或串的LED中的LED可以按照任意合适的图案或配置布置,并且甚至给定组或串的LED中的LED可以按照一种或多种不同的图案或配置布置或设置。例如,图3A示出以例如第一图案P1、第二图案P2和第三图案P3的三种图案布置的至少3组LED。图案P1、P2和P3中的每一种可以包括整个发光区域16范围内一致的图案设计。可以使用图案P1、P2和P3中的多种。可以按照任意合适的配置替换或布置图案P1、P2和P3中的每一种。为了说明的目的,仅示出三种图案。预期有任意数量的图案或布置,并且图案可以包括任意合适的设计,例如LED可以至少在至少两个方向上基本对准的棋盘设计或网格设计或布置。图3B示出以组合图3A中示出的图案P1、P2、P3中的一种或多种的例如第一图案P1A、第二图案P2和第三图案P3A图案布置的至少三组LED。例如,图案P1A和P3A可以包括多种图案的组合。在一方面,图案P1A可以包括网格布置或图案和直线布置或图案。在一方面,图案P3A可以包括棋盘和直线图案设计。图案P1A和P3A中的每一种可以包括14个LED25,每一种图案设计7个LED。为了说明的目的,仅示出两种组合。然而,请注意,每一组LED可以包括具有大于两种图案的组合。仍参照图3A和3B,传导焊盘30可以导电和/或导热并且可以包括任意合适的导电和/或导热材料。在一方面,传导焊盘30可以包括导电金属。在图3A示出的一方面,发光区域16可以包括在传导表面或传导焊盘30之上以单个图案布置的一个或多个LED25。替换地,可以提供的LED是诸如图3B示出的布置在传导焊盘30之上的LED25的多个图案的LED的组合。如上所述,发光区域16可以包括不同的布置或图案的组合,例如第一图案P1、第二图案P2和/或第三图案3的组合,用以最优化发光和器件亮度。设置于传导焊盘30之上的每一组或每一串LED25可以包括最外面的LED25A,其间设置有一个或多个LED25。每一串LED25可以包括相同或不同的图案,例如图案P1、P2和P3。多串LED25可以包括相同和/或不同颜色或特征(bins)波长的二极管,并且为了实现期望的波长的发射光,可以将不同颜色的荧光体用于设置在相同或不同颜色的LED25之上的填充材料40中(图7)。LED25的一种或多种图案可以包括发光区域16中的LED的阵列。图3A、3B和图4示出包括例如10行或10串LED25的发光区域16。每一串LED25可以包括电连接于可以连接至各自的电气元件的最外面的LED25A之间的任意合适数量的LED。在一方面,每一串LED250可以包括至少14个LED。在一方面,LED器件可以包括布置为阵列的至少140个LED。此处的布置、图案和/或多种图案的组合可以包括用于最优化从LED器件10发出的光的颜色均匀性和亮度的阵列。可以使用附接相邻LED25的接合焊垫的一条或多条接合线26以使LED串联电连接。在如图3A所示的一个方面,第一图案P1可以包括第一和第十串的14个LED25。第一图案P1可以包括两个相对行的LED25,这些LED25设置于该串联的第一和最后的或最外面LED25A之间。在一方面,第一图案P1包括此处称为的网格布置、图案或设计,其中至少两个LED在至少两个方向上至少基本对齐,并且包括在一组或一串LED的相对端处单个未对齐的LED。包括第一图案P1的LED25中的每一个可以串联电连接。在一方面,第二布置或第二图案P2可以设置为与第一图案P1相邻,例如位于第二和第九串LED25处。在一方面,第二图案P2可以包括总共14个LED25,其中14个LED25中的每一个可以布置为沿着直线设计或布置的水平线彼此相邻,并且14个LED25中的每一个可以串联电连接。任意合适数量的LED25可以以任意合适的配置或布置连接,诸如串联以形成具有合适图案的串。当串联LED25时必须注意,以使得前一个LED的正电极或负电极电连接至其后的LED的相反电极性的电极,用于使电流正常地流过该串LED25。图3A示出的第三图案P3可以包括具有串联电连接的LED25的棋盘设计或布置的棋盘图案。在一方面,至少14个LED25可以包括棋盘图案,并且第三图案P3可以设置于具有第二图案P2的多串LED之间和/或与第二图案P2的多串LED交替。棋盘图案或第三图案P3可以包...
再多了解一些
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