专利名称：均匀颜色发光的led封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED封装，特别涉及发光二极管的一个框架和一个封盖，其能够改善颜色均勻性和发光强度，及其制作方法。
背景技术：
发光二极管(LED)是半导体光源。LED跟其它光源如白炽灯相比，有很多优点。在这些优点中，LED通常具有更长的使用寿命、更高的可靠性、更快的切换特性和更低的能耗。 最近的技术发展已经能够生产出与白炽灯发光强度相当或超出白炽灯发光强度(流明/瓦特)的LED。在电子电路里，当LED的正向偏压超过阈值电压时，基于电子空穴对的复合，LED 会自发性地发光。LED所产生的光的波长取决于形成LED的p-n结内所使用材料之间的带隙。LED所产生光的波长通常在红外线、可视光或紫外光范围内。LED的详细资料请参照E.Fred Schubert的“发光二极管(light emitting diodes) ”，剑桥大学出版，在此其通过引用结合到本文。半导体光学的详细资料请参照Claus F. Klingshirn的“半导体光学 (semiconductor optics) ”，Springer出版，在此其通过引用结合到本文。为了便于制造，LED的最常用外形是一个微米尺寸的平面方形的LED芯片，其被安置在基板上。构成该芯片的半导体通常是硅或蓝宝石，基板可以是金属，如铝，其也可充当散热器(heat sink)。LED芯片可以通过细金属导线而电连接到基板上的电路。LED芯片本身可以是安装在基板表面上，或在基板上的一个腔内。生产一个适合用于人类环境的光源的高亮度输出的LED存在着许多挑战。首先是从LED芯片的平面尽量提取更多的光。由于半导体材料有一个高折射率，大量所产生的光在半导体和空气界面会产生全内反射(TIR)行为。现有技术是，通过降低半导体和空气间的折射率差异，能够减少产生TIR的光。由于半导体折射率是一种材料特性，可以利用一种较高折射率的密封材料来封装LED。通常使用的是一种环氧树脂材料，最近越来越多地使用硅胶，因为硅胶具有更高的透明性、颜色稳定性和热特性。但是，硅胶相对而言比较难进行点涂(dispense)。LED的平面具有朗伯发光图案(Lambertian emission pattern)，如图1所示。换言之，发光强度与观察者位置和表面法线之间的角度的余弦成正比例。所以，观察者在所有位置上所观察到的发出光是一样的。用来减少TIR的密封材料也可以充当一个透镜，使发出的光束变窄。各种形状的密封材料已经被使用过，在现有技术里，已经知道使用一半球状的密封材料来使平面LED芯片的光提取效率达到最大值。—些逃出的光会被周围基板材料吸收或反射，特别是当LED芯片被安置在一个腔内时。一个未封装的LED会产生单色光。当LED用作环境光源时，近年来研究重点集中在如何制作LED封装，使该封装能够发出跟LED芯片不同颜色光的光。其中，人们相当大的兴趣是制作白光。最常用來产生白光的方法是放置一种波长转换材料在单个LED上，如黄
4色荧光粉，被放置在蓝光LED芯片的发光面上。施加到LED芯片上的波长转换材料层将会吸收一些发出的光子，并将它们转换(down-convert)成另一种可视波长的光，从而产生一个蓝色和黄色波长光的两色光源。当产生的黄光和蓝光有适当比例时，人眼所感受到的就是白光。在现有技术里，人们会添加一种波长转换材料在围住LED芯片的封装层中。可以有各种方法来施加封装材料。它们主要分为两种一种是使用模封成型或预模封成型技术来直接固定荧光材料到基板，另一种是建立一个围绕LED芯片的坝提，作为材料填充范围。 后者通常被称为点涂(dispensing)，以液体方式提供的封装材料被放置在芯片上进行固化。影响白光颜色质量的因素是LED芯片上方的荧光粉数量和分布。这些决定了所产生的黄色波长光的比例。当荧光粉被分散在封装材料内时，工艺控制问题会导致荧光粉不均勻地分布在LED周围。结果，封装的LED所产生的光可能有一个远离中央光轴的黄色光 “环”。这也起因于LED的朗伯发光图案和/或荧光粉颗粒沉淀相对于发出的蓝光数量，在 LED芯片中央有太少的荧光粉颗粒以致不能发出足够的黄光，然而，相对发出的蓝光数量， 在LED芯片侧面有太多荧光粉颗粒，因此过度激发而发出黄光。因此，需要一种具有均勻颜色发光属性的LED封装。
发明概述本发明提供一个有一个或多个发光二极管被安装在基板上的发光二极管封装。一个框架被安置在基板上的至少一部分，并围住但没有接触到发光二极管。框架对于发光二极管发出的光是透明的，并包括一个或多个第一波长转换材料。波长转换材料可以是一种或多种荧光材料，如荧光粉，用于将从发光二极管发出的光的至少一部分由一波长转换成另一波长。一个封盖覆盖住发光二极管，并被连接到框架，通常是在框架的外缘，并且对于发光二极管发出的光来说是透明的。封盖包括一个或多个第二波长转换材料，其在波长转换材料的浓度上，或者在被转换的光的波长上，或者在波长转换材料组合上，不同于一个或多个第一波长转换材料。
图1显示一个发光二极管的朗伯发光模式。图2A-2C是本发明实施例的LED封装示意图。图3A-3C是典型LED封装的俯视图。图4显示一个LED芯片根据不同角度发出的光强度。图5显示计算一个LED封装边缘高度的公式的参数。
发明详述详情请参照附图，图4显示一个LED芯片所发出的不同角度的光强度。如图4所示，在正负60度的发光角度上，LED光的相对发光强度下降大约50%，而在正负75度的发光角度上，下降大约90%。因此，本发明发现围住LED芯片的波长转换材料的均勻分布通常会导致LED封盖层顶部附近(即具有最大发光强度的区域)的波长转换材料不够，类似地， 均勻分布会导致太多的波长转换材料在LED的侧面。结果，整体的发光图案将显示不均勻的颜色特性。从这个发现，开发出了本发明。图2A是本发明其中一个实施例的封装了的发光二极管200的示意图。LED 210安置在基板215上。尽管所示LED在一个水平基板表面上，但是应该理解，LED可以安置在一个腔内，如用于点涂方法制作的那些腔。在一个典型实施例里，LED 210是一个发出主要颜色的LED，如蓝光LED，其用于制作一个“白光”LED封装，如上所述，其发出的光在人眼看来是“白光”。但是，根据期望从LED 封装发出的总体光，也可以选择其它LED，如UV或绿色LED。可以从已知的LED材料来选择 LED,如半导体材料LED和有机发光二极管(OLED)。在LED 210周围制作一个框架220，使得LED被安置的位置的中心与框架220所建形状的中心基本一致。框架220的形状通常于LED中心对称，尽管也可以使用不对称的框架。典型的框架形状如图3A-3C的俯视图所示，尽管框架并不只限于这些外形。在图3A 里，框架220基本是圆形的。图:3B显示两个相邻LED的一个框架形状320，而图3C显示一个适合一批排列整齐的LED的框架420。框架可以在一个或多个LED周围形成一个连续的周边边缘(“闭合框架”)，或者框架也可以是开放的，即框架在一个或多个LED周围形成一个不连续的周边边缘(“开放框架”)。在一个典型实施例里，框架是由一层硅胶形成，其对于LED 210发出的光来说，基本上是透明的。但是，应该理解，也可以使用其它材料作为该边缘，透明的或是半透明的都可以，包括但不限于环氧、丙烯树脂、其它聚合物材料或玻璃(如旋涂式玻璃(spin-on glass))。内含在框架材料内的是一种或多种波长转换材料。波长转换材料将LED发出的光的至少一部分转换成另一波长。在一个典型实施例里，波长转换材料是一种或多种荧光材料，其通过吸收发出的蓝色光子然后发出不同颜色的光子的一个受激发光过程而转换波长。典型的荧光材料包括荧光粉如钇铝石榴石(YAG)基材料(可掺杂铈)、铽铝石榴石 (TAG)基材料、以及硅酸盐基、硫磺基、氮基或氮氧化物基材料，但并不只限于这些材料。根据对从封装LED发出的整体光的期望，可以选择单种波长转换材料或几种波长转换材料的组合。如上所述，依照图4所述的发光角度强度，可以选择框架220的高度。在一个典型实施例里，框架220的高度可以根据以下公式确定(参照图5的参数描述)
h 彡[(x/2)+y]tan(90° - θΒ/2)+a 其中ΘB是LED发出光的角度； a是LED的高度；
y是在LED边缘和框架220的中心线之间的距离；以及 χ是LED的宽度。框架220的厚度通常大于其围住的LED芯片210的宽度的30%。如图2A所示，封盖230直接接触到LED 210和框架220。在一个典型实施例里， 封盖230基本上是一个半球状。如果使用硅胶来制作封盖230，硅胶的表面张力(surface tension)通常使其形成一个半球状。通过形成封盖230的硅胶材料的粘性，曲度可以被控制在某个程度。优选地，封盖的折射率低于框架220的折射率。如图2A所示，封盖230完全围住LED 210，并延伸到框架220。在连续框架的情况下，封盖延伸到框架。在开放框架的情况下，封盖230将延伸到基板区域上的框架开放的位置。在一个典型实施例里，封盖的边缘被连接到框架的外缘。封盖230还包括一种波长转换材料，或者几种波长转换材料的组合。在一个典型实施例里，可以选择和框架220的波长转换材料相同的波长转换材料。但是，由于在封盖 230的区域里，发出光的强度更大，因此波长转换材料的浓度也比框架220的更大。在另一个实施例里，使用一种不同的波长转换材料或几种波长转换材料的组合，或使用和框架里使用的同一波长转换材料和另一种波长转换材料的组合，封盖230的波长转换材料可以将波长转换成不同于框架220的波长转换材料所转换的波长。波长转换材料的受激发光强度上的不同，在与LED蓝光混合后，会使从封装发出的整体光颜色均勻。和框架220 —样，波长转换材料可以与封盖230的材料混合在一起。图2B是本发明另一个实施例的封装了的LED 300的示意图。封装包括第一框架 220和第一封盖230，它们基本上类似于图2A所述的那些。另一个封盖层330和另一个框架 340形成在封盖230上方和框架220外侧。封盖330可以包括一种光散射材料以进一步增强光的均勻性。另一个框架340可自由选择其包括的波长转换材料，其可以与如上所述的第一框架220的、第一封盖230的相同或者不同。亦即是说，在框架220、封盖230以及框架 340里的波长转换材料是独立地被选择的，它们可以相同或者不同，浓度也可能相同或者不同，也可以是包括一个或多个相同材料的混合物，或所有的都相互各异。图2C显示本发明的另一个实施例。如之前的实施例，一个框架220和一个封盖 230形成如图2A内所述的。另外，第二框架425和第二封盖430分别形成在框架220外侧和封盖230之上。第二封盖430和第二框架425包括的波长转换材料，其波长不同于在框架220和封盖230内的材料。但是，和封盖230 —样，封盖430的波长转换材料比框架425 的有更高的浓度，因为穿过第二封盖430和框架425的光的分布是保持相同的。增加的第二层具有不同波长转换材料，这会增加从整个封装发出的光颜色的可能范围。如图2B的实施例，如上所述，框架425和封盖430的波长转换材料可以不同于框架220和封盖230的， 并且可以是相互不同，也可以是波长转换材料的组合。尽管前面已经描述了本发明的典型实施例，应该理解，各种修改和变化是可能的。 因此，这些修改和变化也属于以下权利要求所阐述的本发明范围内。
权利要求
1.一个发光二极管封装，包括一个或多个发光二极管，其被安装在基板上；一个框架，其被安置在基板上的至少一部分，并围住发光二极管，但不接触到发光二极管，该框架对于发光二极管发出的光是透明的，并且包括一个或多个第一波长转换材料，用于将从发光二极管发出的光的至少一部分由一波长转换成另一波长；一个封盖，其覆盖发光二极管，并连接到框架，该封盖对于发光二极管发出的光是透明的，并且包括一个或多个第二波长转换材料，用于将从发光二极管发出的光的至少一部分由一波长转换成另一波长，一个或多个第一波长转换材料和一个或多个第二波长转换材料在波长转换材料的浓度上是不同的，或在被转换成的光的波长上是不同的，或在波长转换材料的组合上是不同的。
2.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中发光二极管是一个半导体材料。
3.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中发光二极管发出至少一个颜色波长的光。
4.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中发光二极管是一个有机发光二极管 (OLED)。
5.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中第一和第二波长转换材料是荧光材料。
6.根据权利要求5所述的发光二极管封装，其中封盖的荧光材料的浓度不同于框架的荧光材料的浓度。
7.根据权利要求5所述的发光二极管封装，其中荧光材料被安置在封盖和框架内。
8.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中发光二极管发出第一波长的光，并且第一和第二波长转换材料是荧光材料，它们在发光二极管发出的第一波长的光的激发下发出第二和第三波长的光。
9.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中封盖大体上是半球状。
10.根据权利要求1所述的发光二极管封装，还包括形成在第一框架外侧的第二框架和形成在第一封盖上方的第二封盖。
11.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中框架的折射率大于封盖的折射率。
12.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中框架可以是一个闭合框架或一个开放框架。
13.根据权利要求1所述的发光二极管封装，其中框架和封盖可以是有机或无机材料。
14.根据权利要求10所述的发光二极管封装，其中第二封盖包括一种光散射材料。
15.一种制作权利要求1所述的发光二极管封装的方法，包括安装发光二极管到基板上，放置包括一个或多个第一波长转换材料的框架材料在基板上，使得框架围住发光二极管，放置封盖，使得封盖覆盖发光二极管并连接到框架的一个外缘。
16.一个发光二极管封装，包括一个或多个发光二极管，其被安装在基板上；一个硅胶框架，其被安置在基板上的至少一部分，并围住发光二极管，但不接触到发光二极管，该框架对于发光二极管发出的光是透明的，并且包括一个或多个第一波长转换荧光粉，用于将从发光二极管发出的光的至少一部分由一波长转换成另一波长；一个硅胶封盖，其覆盖发光二极管并被连接到框架的外缘上，硅胶封盖对发光二极管发出的光是透明的，并且包括一个或多个第二波长转换荧光粉，一个或多个第一波长转换荧光粉和一个或多个第二波长转换荧光粉的浓度上是不同的，或在成分上是不同的，或在荧光粉的组合上是不同的。
17.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中发光二极管是一种半导体材料。
18.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中发光二极管发出至少一个颜色波长的光。
19.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中发光二极管是一个有机发光二极管 (OLED)。
20.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中发光二极管发出第一波长的光，并且一个或多个第一波长转换荧光粉通过蓝光的激发发出第二和第三波長的光。
21.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中硅胶封盖是半球状。
22.根据权利要求16所述的发光二极管封装，还包括形成在第一硅胶框架外侧的第二硅胶框架和形成在第一硅胶封盖上方的第二硅胶封盖。
23.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中硅胶框架的折射率大于硅胶封盖的折射率。
24.根据权利要求16所述的发光二极管封装，其中硅胶框架可以是一个闭合框架或一个开放框架。
全文摘要
本发明涉及有一个或多个发光二极管被安装在基板上的发光二极管封装。一个框架被安置在基板上的至少一部分，并围住但没有接触到发光二极管。该框架对于发光二极管发出的光是透明的，并且包括一个或多个第一波长转换材料。波长转换材料，其可以是一种或多种荧光粉，将一波长的光的至少一部分转换成另一波长的光。一个封盖覆盖着框架内的发光二极管。该封盖包括一个或多个第二波长转换材料，第二波长转换材料在波长转换材料的浓度上，或在被转换成的波长上，或在波长转换材料的组合上不同于一个或多个第一波长转换材料。
文档编号H01L33/54GK102282687SQ201180000273
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年2月22日
发明者卢明, 李长署, 温珊媚 申请人:香港应用科技研究院有限公司