涂覆有发光材料的紫光led的制作方法
【专利摘要】公开了用于制造和使用涂覆有致密压缩发光材料层的发紫光的LED阵列的技术及其装置和方法的实施方式。
【专利说明】涂覆有发光材料的紫光LED
[0001]本申请根据美国法典第35篇第119节要求于2012年12月21日提交的美国临时申请号US61/740，937的权益。
【技术领域】
[0002]本公开内容涉及LED照明领域，更具体地涉及用于生产涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED阵列的技术。
【背景技术】
[0003]通过利用反射白色围堰(dam)环绕蓝光LED晶粒(die)的阵列和利用硅树脂-磷光体混合物填充在围堰内部的区域，已经构建了白光LED光源的传统实施方案。这种传统方法产生了被含有发光材料的硅烷包围的蓝光LED晶粒，但是得到的传统实施方案表现出一些明显的缺点。首先，由远离LED晶粒的发光材料发出的光在能够离开结构物前被散射多次。在这样做的过程中，这种光能够被其它发光材料颗粒、邻近的LED晶粒(如果有的话)、和/或形成结构物的底部的材料(例如底固定座(次粘合基台，submount)材料)吸收。尽管底固定座材料的反射率已经过特别处理，例如通过将亦或高反射率白色涂覆物(涂层，coating)亦或高反射金属如银涂覆在底固定座(submount)表面,一部分光被转化为热量，并且发光效率降低。更希望的光学构造是制造具有在非常接近LED晶粒本身的立体区域中并列放置(并置，juxtaposed)的发光材料颗粒的此类光源。以这种方式，可以减少由远离晶粒的发光材料颗粒引起的光散射和由底固定座材料引起的光吸收，并且可以提高此类光源的效率。例如，为了将磷光体材料共形地涂覆在晶粒上，将浸溃有磷光体的硅树脂或其它粘合剂的层片(laminar sheet)热棍压至LED晶粒上。这种方法具有LED晶粒的各侧面上覆盖率差的缺点，其导致了光输出的降低。
[0004]然而，为了将发光材料颗粒限制在非常接近LED晶粒本身的立体区域中，所需要的是在LED晶粒周围施加发光材料的一个或多个共形层(例如涂覆物)的低成本方法，以提高LED光源的发光效率同时提供希望的色彩平衡以及在高电流密度运行下可靠的运行。
【发明内容】
[0005]为了提高LED光源的发光效率，使用高的长宽比(纵横比，aspect ratio)的光致抗蚀剂来产生随后被磷光体填充的腔。该方法提供了在其中磷光体覆盖LED的各侧面的器件。
[0006]在第一个方面，提供了一种用于将致密压缩发光材料涂覆在发紫光的LED晶粒(die)上的方法，包括将一个或多个发紫光的LED晶粒的排列附连至底固定座结构(submount structure)上；施加光致抗蚀剂,其特征在于厚度大于一个或多个发紫光的LED晶粒中的至少一些的高度；在一个或多个发紫光的LED晶粒中的至少一些周围的光致抗蚀剂上打开第一腔孔；将发光材料分配至第一腔孔中；以及剥离光致抗蚀剂以提供一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的发紫光的LED晶粒。[0007]在第二个方面，提供了一种装置，其包括底固定座；发紫光的LED晶粒，附连于底固定座，其中晶粒的周长形成了一区域；以及
[0008]涂覆物(涂层)，覆盖发紫光的LED晶粒的至少一个表面，其中涂覆物包含至少一种发光材料。
[0009]在第三个方面，提供了一种装置，包括灯座(灯基座，lamp base);底固定座；发紫光的LED晶粒，附连于底固定座并且与灯底座电连接，其中发紫光的LED晶粒的周长形成三角形区域；以及涂覆物，覆盖发紫光的LED晶粒的至少一个表面，其中涂覆物包含至少一种发光材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]本领域技术人员会理解如在本文中所描述的，附图仅用于说明目的。附图并非意在限制本发明的范围。
[0011]图1是一种LED晶粒阵列，示出了附连至并电连接于硅或陶瓷底固定座的一系列LED晶粒。
[0012]根据一些实施方式，图2A是示出了紫光LED晶粒的并列放置的示图，其中发紫光的LED晶粒被固定在用于制造涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED阵列的硅或陶瓷底固定座上。
[0013]根据一些实施方式，图2B是示出了经涂覆的紫光LED晶粒的示图，其中经涂覆的发紫光的LED晶粒被固定在硅或陶瓷底固定座上并且底固定座用比紫光LED晶粒的顶表面厚的一层光致抗蚀剂涂覆。
[0014]根据一些实施方式，图2C是在用于制造涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED晶粒阵列的方法中在每个LED晶粒周围的光致抗蚀剂中的腔的示图。
[0015]根据一些实施方式，图2D描绘了用致密压缩发光材料来填充腔并且通过将硅树脂分配到发光材料层上来使发光材料固定在合适的位置的组装步骤。
[0016]根据一些实施方式，图2E描绘了剥离光致抗蚀剂层、留下涂覆在紫光LED晶粒之上的发光材料的组装步骤。
[0017]根据一些实施方式，图3是示出了经涂覆的紫光LED晶粒的透明(澄清，clear)硅树脂封装以在用于制造涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED晶粒阵列的方法中提高光提取效率的不图。
[0018]根据一些实施方式，图4是涂覆有发光材料的紫光LED晶粒的圆形阵列的俯视图。
[0019]根据一些实施方式，图5是涂覆有包含红光、绿光和蓝光发光材料的层的紫光LED晶粒的排列的示图。
[0020]根据一些实施方式，图6A是由涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED晶粒阵列形成的晶粒水平封装的器件的截面侧视图。
[0021]根据一些实施方式，图6B是在制造涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED晶粒阵列后形成的成形侧壁晶粒水平封装(shaped-side-wall-die-level-encapsulated)的器件的俯视图。
[0022]根据一些实施方式，图7A是用光致抗蚀剂层包围并且用发光材料层覆盖的三角形紫光LED晶粒704的一系列线性阵列的俯视图。[0023]根据一些实施方式，图7B是在去除光致抗蚀剂层之后用发光材料层覆盖的三角形紫光LED晶粒的一系列线性阵列的俯视图。
[0024]根据一些实施方式，图8A描绘了由用发光材料层覆盖的三角形紫光LED晶粒制造的线性光源的实施例，其中线性光源是由两排三角形紫光LED晶粒制造的，其中每个LED晶粒的一边面对光源的长边以提高发光的均匀性。
[0025]根据一些实施方式，图SB描绘了由三角形紫光LED晶粒制造的线性光源的实施例，其中线性光源是由一排用发光材料层覆盖的三角形紫光LED晶粒制造的，其中每个LED晶粒的一边面对线性阵列的短边以提高发光的均匀性。
[0026]根据一些实施方式，图9A示出了在填充发光材料前的线性光源的俯视图。
[0027]根据一些实施方式，图9B示出了在用发光材料覆盖用于发光材料沉积的区域并且进一步用透明透镜盖覆盖后的线性光源的侧视图。[0028]根据一些实施方式，图1OA至图101描绘了用于在单一 LED晶粒之上产生多个涂层的方法。
[0029]根据一些实施方式，图1lA至图1lI描绘了用于在第一单一紫光LED晶粒之上产生第一发光材料的单一涂层、以及在第二单一紫光LED晶粒之上产生第二发光材料的单一涂层的方法。
[0030]根据一些实施方式，图12A和图12B描绘了具有置于数量稀疏增加的阵列中的共形涂覆物的单一紫光LED晶粒。
[0031]根据一些实施方式，图13A至图13C描绘了在数量完全增加的阵列中的多个紫光LED晶粒。
[0032]根据一些实施方式，图13D示出了通过在一定范围内的波长下的光谱改造而调整的色彩平衡，以及得到的具有光谱改造的光的色域的发射光品质。
[0033]根据一些实施方式，图13E是示出了由于涂覆物厚度的变化而引起的蓝光泄漏的变化是如何产生白色点的变化的图表。
[0034]根据一些实施方式，图13F表征了作为N、S、E、W、和顶部给出的尺寸，这些尺寸用于定义LED晶粒周围的磷光体层的厚度。
[0035]图13G示出了用于比较颜色变化与磷光体层非对称性的图表。与基于蓝光的LED相比，对于基于紫光的LED而言，变化小许多倍。
[0036]根据一些实施方式，图14是用于产生封装的、基于紫光LED晶粒的、发白光的线性光源的系统的流程图。
[0037]根据一些实施方式，图15是用于制造涂覆有致密压缩发光材料层的紫光LED晶粒阵列的系统的流程图。
[0038]图16A至图161描绘了可以被用于照明用途的本公开内容的实施方式。
[0039]图17描绘了用于在照明用途中实现本公开内容的各个实施方式的一系列的灯。
[0040]附图标号
[0041]102 LED晶粒；104白色围堰；
[0042]106负载有磷光体的硅树脂；108硅或陶瓷底固定座；
[0043]210紫光LED晶粒；220硅或陶瓷底固定座；
[0044]230硅或陶瓷底固定座； 240在LED晶粒周围的光致抗蚀剂中的腔；[0045]250硅树脂260发光材料层/致密发光材料层
[0046]270分配针310透明(澄清)硅树脂
[0047]402涂覆有发光材料层的紫光LED晶粒阵列；404三角形紫光LED晶粒；
[0048]602透明(澄清)硅树脂；604涂覆有致密发光材料的晶粒；
[0049]704三角形紫光LED晶粒；706与线性阵列的触点；
710光致抗蚀剂层/已经去除光致抗蚀剂层后的边缘；
[0050]902用于发光材料沉积的区域； 904发紫光的LED晶粒；
[0051]906透明硅围堰；908透明透镜盖；
[0052]16D40滤色器衬底；16D50驱动器1C。
【具体实施方式】
[0053]在本文中使用术语“示例性的”，意思是指充当实例(实施例)、例证、或说明。在本文中被描述为“示例性的”的任何方面或设计并非必须解释为相比于其它方面或设计是优选的或有优势的。更确切地说，使用词语示例性的旨在以具体的方式提出概念。
[0054]术语“或”旨在表示包括“或”而不是排除“或”。也就是说，除非另外指定，或由上下文确定，“X采用A或B”旨在表示自然包含的排列中的任何一种。也就是说，如果X采用A，X采用B，或X采用A和B 二者，则在任何前述例证下满足“X采用A或B”。此外，如在本申请和所附权利要求中使用的，冠词“一个”和“一种”通常应该被解释为表示“一个或多个”，除非另外指定或由上下文确定为针对单数形式。
[0055]现在详细地参考某些实施方式。公开的实施方式并非旨在限制权利要求。
[0056]在本公开内容中提及的波长转换材料的组合物包括多种发光材料。并且，在本公开内容中提及的发光材料的组合物包括多种波长转换材料。
[0057]波长转换材料可以是陶瓷或半导体颗粒磷光体、陶瓷或半导体板磷光体、有机或无机降频剂(降频器，downconverter)、升频剂(升频器，upconverter)(反斯托克斯(ant1-stokes))、纳米颗粒，以及提供波长转换的其它材料。在以下列出了一些实例:
[0058](Sm, Ca1J 10 (PO4) 6*B203: Eu2+ (其中 O ≤n ≤1)
[0059](Ba, Sr, Ca) 5 (PO4) 3 (Cl, F，Br, 0H): Eu2+, Mn2+
[0060](Ba, Sr, Ca) BPO5: Eu2+, Mn2+
[0061]Sr2Si308*2SrC12:Eu2+
[0062](Ca, Sr, Ba) 3MgSi208: Eu2+, Mn2+
[0063]BaAl8013:Eu2+
[0064]2Sr0*0.84P205*0.16B203:Eu2+
[0065](Ba, Sr, Ca) MgAl10O17: Eu2+, Mn2+
[0066]K2SiF6:Mn4+
[0067](Ba, Sr, Ca) Al2O4: Eu2+
[0068](Y, Gd, Lu, Sc, La) BO3: Ce3+, Tb3+
[0069](Ba, Sr, Ca) 2 (Mg, Zn) Si2O7: Eu2+
[0070](Mg, Ca, Sr, Ba, ZrO2SiUu2+ (其中 O ≤ χ ≤ 0.2)
[0071] (Ca, Sr, Ba) MgSi2O6: Eu2+[0072](Sr, Ca, Ba) (Al, Ga) 2S4:Eu2+
[0073](Ca, Sr) 8 (Mg, Zn) (SiO4) 4C12: Eu2+, Mn2+
[0074]Na2Gd2B207:Ce3+, Tb3+
[0075](Sr, Ca, Ba, Mg, Zn) 2P207: Eu2+, Mn2+
[0076](Gd, Y, Lu, La) 203: Eu3+, Bi3+
[0077](Gd, Y, Lu, La) 202S: Eu3+, Bi3+
[0078](Gd, Y, Lu, La) VO4: Eu3+, Bi3+
[0079](Ca, Sr) S: Eu2+, Ce3+
[0080](Y, Gd, Tb, La, Sm, Pr, Lu)3(Sc, Al, Ga) 5_n012_3/2n: Ce3+ (其中 0 ≤ n ≤ 0.5)
[0081]ZnS: Cu+, CF
[0082](Y, Lu, Th) 3Al5012:Ce3+
[0083]ZnS: Cu+, Al3+
[0084]ZnS: Ag+, Al3+
[0085]ZnS: Ag+, Cl-
[0086]Ca^xA I x-xy S i 1-x+xyN2-x-xyCxy: A
[0087]Cah_zNazM (III) x-xy-zSih+xy+zN2_x_xyCxy: A
[0088]M(II) ^zM(I)zM(III)HSi1^xyUy:A
[0089]M(II) HzM (I)zM(III) x-xy-zS LfzUxyCVvAHv: A
[0090]M(II) h_zM(I)zM(III) x_xy_zSih+xy+zN2_x_xy_2w/3_v/3Cxy0wHv: A
[0091]其中0<x<l>0<y<l>0 = z〈l、0 = v〈l、0〈w〈l、x+z〈l、x>xy+z、且 0〈x-xy-z〈l,M(II)是至少一种二价阳离子，M(I)是至少一种一价阳离，M(III)是至少一种三价阳离子，H是至少一种一价阴离子，并且A是杂在晶体结构中的发光激活剂。
[0092]LaAl (Si6 - z Al z) (N10 - z Oz):Ce3+ (其中 z=l)
[0093](Ca, Sr) Ga2S4: Eu2+
[0094]AIN: Eu2+
[0095]SrY2S4: Eu2+
[0096]CaLa2S4: Ce3+
[0097](Ba, Sr, Ca) MgP2O7: Eu2+, Mn2+
[0098](Y, Lu) 2W06: Eu3+, Mo6+
[0099]CaffO4
[0100](Y, Gd, La) 202S:Eu3+
[0101](Y, Gd, La) 203: Eu3+
[0102](Ba, Sr, Ca)nSinNn:Eu2+ (其中 2n+4=3n)
[0103]Ca3 (SiO4) Cl2: Eu2+
[0104](Y, Lu, Gd)^nCanSi4H:Ce3+，(其中 0 ≤ n ≤ 0.5)
[0105]掺杂有Eu2+ 和 / 或 Ce3+ 的(Lu, Ca, Li, Mg, Y) a -SiAlON
[0106](Ca, Sr, Ba) SiO2N2: Eu2+, Ce3+
[0107]Ba3MgSi2O8: Eu2+, Mn2+
[0108](Sr, Ca) AlSiN3:Eu2+[0109]CaAlSi (ON)3:Eu2+
[0110]Ba3MgSi2O8: Eu2+
[0111]LaSi3N5:Ce3+
[0112]Sr10 (PO4)6Cl2IEu2+
[0113](BaSi) O12N2: Eu2+
[0114]M(II)aSibOcNdCe:A 其中(6〈a〈8、8〈b〈14、13〈c〈17、5〈d〈9、0〈e〈2) M(II)是(Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Co、N1、Pd、Tm、Cd)的二价阳离子，并且 A 是(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、B1、Sb)
[0115]SrSi2 (O, CD2N2: Eu2+
[0116]SrSi9Al19ON31: Eu2+
[0117](Ba, Sr) Si2 (O, C1)2N2: Eu2+
[0118]LiM2O8 = Eu3+其中 M= (W 或 Mo)。
[0119]为了应用的目的，应理解的是当发光材料具有两种或更多种掺杂物离子(即在以上发光材料中冒号后面的那些离子)时，这意味着发光材料具有至少一种(但并非全部)在材料内的那些掺杂物离子。也就是说，如本领域技术人员所理解的，这种类型的表示方法意味着发光材料可以包括在配制物中作为掺杂物的那些指定的离子中的任何一种或全部。
[0120]进一步地，应该理解的是可以将纳米颗粒、量子点、半导体颗粒、和其它类型的材料用作波长转换材料。以上的清单是代表性的并且应该包括并非所有可以在本文描述的实施方式中应用的材料。
[0121]要着力解决的改进包括高电流密度/大功率LED应用，其中发光材料颗粒发热会降低效率和降低寿命。在此类应用中的LED晶粒发射出大流量的光子，在被包围LED晶粒的发光材料颗粒吸收时，由于光子下变频过程，光子在发光材料颗粒中产生大量的热量。由于在其中分散有发光材料颗粒的硅树脂的差的导热率，通常这种下变频产生的热量在发光材料颗粒中累积。累积的热量的一个结果是在发光材料颗粒中显著的温度上升。这种温度上升具有降低光子下变频效率以及导致周围硅树脂封装剂的分解(例如褐变或破裂)的结果。这种问题的一种解决方案是将发光材料在LED晶粒周围紧紧地压缩(packed)以使它们二者互相、与底固定座、和与LED晶粒表面保持热接触。在这种构造中，热量接着可以高效地从发光材料颗粒、经过底固定座和LED晶粒本身、并向封装件的背面传输(例如在发光材料颗粒和LED晶粒两者的导热率都比娃树脂封装剂的闻的情况下)。
[0122]传统技术使得各层能够在稍后被切成单个LED晶粒的LED晶片的表面上沉积，然而，这种涂覆方法不适合用于三维LED晶粒。在本文中所公开的是将发光材料颗粒的致密层涂覆在三维紫光LED晶粒上的方案。
[0123]一种方案是利用电泳沉积(EPD)方法共形涂覆LED晶粒。然而，在采用发蓝光的LED晶粒时，需要精确受控的发光材料沉积方法，因为泄漏到最终白光谱中的蓝光的量必须受到超精确地控制。EH)沉积系统是复杂的，并且因此这种涂覆方法是昂贵的——尤其是如果希望多层涂覆物的话。通过采用发紫光的LED晶粒代替发蓝光的LED晶粒，降低了对于此类超精确的发光材料厚度控制的需要——使得能够使用较低复杂性的发光材料沉积方法。在采用致密发光材料层的一些情况中，提供了至少部分地基于选取的一种或多种发光材料的特征的热控制。当在涂覆物(涂层)中的发光材料的密度不足以允许在它们之间合理热接触时，可以向涂覆物添加导热的和光学上透明的材料以改善层的整体导热率。在表1中列出了示例性的导热的和光学上透明的材料。
[0124]表1:选取的导热的和光学上透明的材料
【权利要求】
1.一种用于将致密压缩发光材料层涂覆在发紫光的LED晶粒上的方法，包括: 将一个或多个发紫光的LED晶粒的排列附连至底固定座结构上； 施加光致抗蚀剂，其特征在于厚度大于所述一个或多个发紫光的LED晶粒中的至少一些的高度； 在所述一个或多个发紫光的LED晶粒中的至少一些周围的所述光致抗蚀剂中打开第一腔孔； 将发光材料分配至所述第一腔孔中；以及 剥离所述光致抗蚀剂以提供一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的发紫光的LED晶粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在本体GaN衬底上生长所述发紫光的LED。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 在所述一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的LED晶粒上，施加第二光致抗蚀剂，所述第二光致抗蚀剂的高度大于所述一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的发紫光的LED晶粒的闻度； 在所述一个或多个发紫光的LED晶粒中的至少一些周围的所述光致抗蚀剂中打开多个第二腔孔，其中所述第二腔孔的宽度大于所述第一腔孔的宽度； 将第二发光材料分配至所述第二腔孔中；以及 剥离所述第二光致抗蚀剂以提供包括两个包含发光材料的层的一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的发紫光的LED晶粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述一个或多个发紫光的LED晶粒之上的所述光致抗蚀剂的高度不同于从剥离所述光致抗蚀剂以提供一个或多个涂覆有致密压缩发光材料的发紫光的LED晶粒的边缘至光致抗蚀剂腔壁的距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个发紫光的LED晶粒中的不同晶粒具有在不同晶粒或更多个发紫光的LED晶粒周围沉积的红光、绿光、蓝光发光材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发紫光的LED晶粒中的不同晶粒具有选取比例的冷白光、暖白光、红光、绿光、或蓝光发光材料涂覆物以产生颜色可调的白光源。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述发光材料沉积在发紫光的LED晶粒的线性排列周围的线性条带构造中。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述排列包括三角形LED晶粒的线性阵列，其中所述三角形发紫光的LED晶粒中的至少一些在使所述三角形LED晶粒的一边面对所述底固定座的窄边的三角形发紫光的LED晶粒的第一条带中并列放置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述排列包括三角形LED晶粒的第一条带，其中所述三角形发紫光的LED晶粒的一边面对所述底固定座的宽边。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在已经将第一发光材料涂覆在所述一个或多个发紫光的LED晶粒上后进行的另外的腔打开步骤，并且进一步将第二发光材料涂覆在所述晶粒上。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成通过所述底固定座的通孔。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将涂覆有发光材料的发紫光的LED晶粒从所述底固定座中切割下来作为独立的发紫光的LED。
13.根据权利要求1所述的方法，其中反射围堰置于一组涂覆有发光材料的发紫光的LED晶粒的周围。
14.一种装置，包括: 底固定座； 发紫光的LED晶粒，附连至所述底固定座，其中所述晶粒的周长形成一区域；以及 涂覆物，覆盖所述发紫光的LED晶粒的至少一个表面，其中所述涂覆物包含至少一种发光材料。
15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括附连至所述底固定座的第二发紫光的LED晶粒。
16.根据权利要求14所述的装置，进一步包括附连至所述底固定座的一个或多个发紫光的LED晶粒。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述一个或多个发紫光的LED晶粒形成至少一个线性阵列。
18.根据权利要求17所述的装置，其中使所述一个或多个发紫光的LED晶粒的至少一个面对齐以使其基本上与矩形底固定座的长边平行。
19.根据权利要求14所述的装置，其中在所述发紫光的LED晶粒中的电流密度是至少175 安培 /cm2。
20.一种装置,包括:` 灯座； 底固定座； 发紫光的LED晶粒，附连至所述底固定座并且与所述灯座电连接，其中所述发紫光的LED晶粒的周长形成三角形区域；以及 涂覆物，覆盖所述发紫光的LED晶粒的至少一个表面，其中所述涂覆物包含至少一种发光材料。
【文档编号】H01L33/50GK103887414SQ201310718453
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】弗兰克·M·斯特兰卡, 拉斐尔·阿尔达斯, 塞沙赛义·安基雷迪, 特洛伊·特罗蒂尔, 罗希特·莫迪, 拉贾施·萨哈 申请人:天空公司