經封裝的經波長轉換的發光器件的製作方法

2024-04-01 15:42:05 1

本發明涉及一種經封裝的經波長轉換的半導體發光器件。

背景技術：

包括發光二極體（LED）、諧振腔發光二極體（RCLED）、垂直腔雷射二極體（VCSEL）和邊緣發射雷射器的半導體發光器件是當前可獲得的最高效的光源之一。在能夠跨可見光譜操作的高亮度發光器件的製造中當前感興趣的材料系統包括III-V族半導體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，其還被稱為III氮化物材料。典型地，III氮化物發光器件通過藉由金屬-有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技術而在藍寶石、碳化矽、III氮化物或其它合適襯底上外延生長不同組成和摻雜劑濃度的半導體層的疊層來製作。疊層通常包括形成在襯底之上的摻雜有例如Si的一個或多個n型層、形成在一個或多個n型層之上的有源區中的一個或多個發光層，以及形成在有源區之上的摻雜有例如Mg的一個或多個p型層。電氣接觸件形成在n和p型區上。

圖1圖示了塗覆有發光材料112（諸如磷光體）的LED，發光材料112吸收一個波長的光並且發射不同波長的光。LED包括形成在襯底114（諸如藍寶石、SiC、或III氮化物材料）上的n型區116。有源區118形成在n型區116上，並且p型區122形成在有源區118上。部分的p型區122、有源區118和n型區116被蝕刻掉以暴露n型區116的一部分。p型接觸件124沉積在p型區122上並且n型接觸件120沉積在n型區116的暴露部分上。LED被翻轉並且通過材料126（諸如焊料）安裝到基板128。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種經封裝的半導體發光器件（諸如LED），其不要求將LED附著到底座。

本發明的實施例包括多個發光器件，多個中的發光器件之一配置成發射具有第一峰值波長的光。波長轉換層設置在由多個發光器件發射的光的路徑中。波長轉換層吸收由發光器件發射的光並且發射具有第二峰值波長的光。多個發光器件僅通過波長轉換層機械地連接到彼此。

本發明的實施例包括用於發射具有第一峰值波長的光的發光器件。波長轉換層設置在發光器件之上。光學元件層設置在波長轉換層之上。光學元件層覆蓋發光器件的頂表面和每一個側表面。

附圖說明

圖1圖示了包括附著到基板與覆蓋有磷光體的LED的現有技術器件。

圖2圖示了III氮化物LED的一個示例。

圖3是根據本發明的實施例的具有波長轉換層的LED的頂視圖。

圖4圖示了附著到設置在襯底上的帶的部分的LED。

圖5是設置在襯底上的帶的截面視圖。

圖6圖示了在形成LED之上的波長轉換層之後的圖4的結構。

圖7圖示了在分離LED之後的圖6的結構。

圖8圖示了保形地施加在設置於襯底上的LED之上的波長轉換層。

圖9圖示了在形成LED之上的光學元件之後的圖8的結構。

圖10圖示了在從襯底移除LED並且將LED分離成單個LED或LED組之後的圖9的結構。

具體實施方式

在圖1中所圖示的器件中，基板128保留所完成的器件的部分。這樣的器件可能是不方便的，例如在要求與基板128不兼容的特定平臺的應用中，或者在要求放置成彼此緊密接近的具有單獨的光學元件的多個LED的應用中。

在本發明的實施例中，LED被封裝而不首先將LED附著到底座。經封裝的LED包括LED和波長轉換層。在一些實施例中，例如其中LED是高功率器件，在LED之上形成波長轉換層，然後通過包括例如模製、層壓、噴射或絲網印刷的任何合適的技術在波長轉換層之上形成光學元件。在一些實施例中，例如其中LED是較低功率器件，波長轉換材料與光學元件混合併且通過包括例如模製、層壓、噴射或絲網印刷的任何技術設置在LED之上。

經封裝LED的晶片可以分離成單獨的經封裝的LED，或僅通過波長轉換層和/或光學元件材料連接的經封裝的LED的陣列。

儘管在以下示例中半導體發光器件是發射藍光或UV光的III氮化物LED，但是可以使用除LED之外的半導體發光器件，諸如雷射二極體，以及由諸如其它III-V材料、III磷化物、III砷化物、II-VI材料、ZnO或基於Si的材料之類的其它材料系統製成的半導體發光器件。

圖2圖示了可以在本發明的實施例中使用的III氮化物LED。可以使用任何合適的半導體發光器件並且本發明的實施例不限於圖2中所圖示的器件。圖2的器件通過在生長襯底10上生長III氮化物半導體結構12而形成，如本領域中已知的那樣。生長襯底通常是藍寶石，但是可以是任何合適的襯底，諸如例如SiC、Si、GaN或複合襯底。在其上生長III氮化物半導體結構的生長襯底的表面可以在生長之前被圖案化、粗糙化或紋理化，這可以改進來自器件的光提取。與生長表面相對的生長襯底的表面（即，在倒裝晶片配置中通過其提取光的大部分的表面）可以在生長之前或之後被圖案化、粗糙化或紋理化，這可以改進來自器件的光提取。

半導體結構包括夾在n和p型區之間的發光或有源區。n型區16可以首先生長，並且可以包括不同組成和摻雜劑濃度的多個層，包括例如諸如緩衝層或成核層之類的準備層，和/或設計成促進生長襯底的移除的層，其可以是n型或非有意摻雜的，以及針對對於使發光區高效地發射光而言合期望的特定光學、材料或電氣性質而設計的n或甚至p型器件層。發光或有源區18生長在n型區之上。合適的發光區的示例包括單個厚或薄的發光層，或多量子阱發光區，包括通過屏障層分離的多個薄或厚的發光層。然後可以在發光區之上生長p型區20。如n型區那樣，p型區可以包括不同組成、厚度和摻雜劑濃度的多個層，包括非有意摻雜的層，或n型層。

在生長之後，在p型區的表面上形成p接觸件。p接觸件21通常包括多個傳導層，諸如反射金屬和防護金屬，其可以防止或減少反射金屬的電子遷移。反射金屬通常是銀，但是可以使用任何合適的一種或多種材料。在形成p接觸件21之後，移除部分的p接觸件21、p型區20和有源區18以暴露其上形成n接觸件22的n型區16的一部分。n和p接觸件22和21通過間隙25從彼此電氣隔離，間隙25可以填充有電介質，諸如矽的氧化物或任何其它合適的材料。可以形成多個n接觸件過孔；n和p接觸件22和21不限於圖2中所圖示的布置。n和p接觸件可以重新分布以形成具有電介質/金屬疊層的鍵合墊，如本領域中已知的那樣。

為了形成到LED的電氣連接，一個或多個互連26和28形成在n和p接觸件22和21上或者電氣連接到n和p接觸件22和21。在圖2中互連26電氣連接到n接觸件22。互連28電氣連接到p接觸件21。互連26和28通過電介質層24和間隙27從n和p接觸件22和21並且從彼此電氣隔離。互連26和28可以是例如焊料、柱形凸塊、金層或任何其它合適的結構。許多單獨的LED形成在單個晶片上，然後從器件的晶片切分成單個LED或LED組或陣列。半導體結構以及n和p接觸件22和21在以下附圖中由塊12表示。

圖3是包括兩個LED和波長轉換層的經封裝的LED的陣列的頂視圖。在圖3中，每一個LED 10的頂表面的區域由陰影區域表示，儘管LED 10的頂表面被波長轉換層30覆蓋。圖4、5、6和7圖示了如何形成圖3中所圖示的器件。在圖3中所圖示的器件中，每一個LED管芯1在五個側面上由波長轉換層30圍繞。波長轉換層30覆蓋LED 1的頂部和所有側面。LED 1的未被波長轉換層30覆蓋的僅有表面是底表面，即包括用於做出到LED的電氣連接的任何合適結構（典型地，如圖2中所圖示的互連或金屬接觸件）的表面。互連允許用戶將結構附著到另一結構，諸如PC板。（如在圖3、4和5中所圖示的LED 1是矩形的，因此它具有由波長轉換層30覆蓋的襯底的頂表面和四個側表面。其它形狀的LED在本發明的範圍內——波長轉換層30在一些實施例中將覆蓋任意形狀的LED的頂表面和所有側表面。）對於單個LED，包括LED和波長轉換層30的結構可以具有立方體、超矩形、長方體、平行六面體或任何其它合適的形狀。

儘管圖示了兩個LED的線性陣列，但是可以使用LED的任何合適的布置和任何數目的LED，諸如例如，單個LED、比兩個LED長的線性陣列、二乘二或三乘三的方形陣列、矩形陣列或任何其它合適的布置。由於LED未設置在諸如底座之類的結構上，因此在圖3中所圖示的兩個LED僅通過波長轉換層30機械連接到彼此。因此，LED經由波長轉換層30僅通過其頂表面和其側表面而不通過其底表面而連接。相比之下，當LED設置在底座上時，它們典型地經由底座通過其底表面連接。

波長轉換層30可以包括波長轉換材料、透明材料和粘合劑材料。波長轉換層30可以具有高熱導率。此外，由于波長轉換層材料例如通過模製、層壓或任何其它合適的技術形成在器件之上，因此波長轉換層的顆粒含量（即，波長轉換材料和透明材料）可以是顯著的；例如，在一些實施例中高達波長轉換層的重量的90％。儘管以下示例涉及模製波長轉換層，但是除模製化合物之外的粘合劑材料和除模製之外的技術可以用於形成波長轉換層並且在本發明的實施例的範圍內。例如，在本發明的實施例中，波長轉換層包括波長轉換材料、透明材料和溶膠-凝膠粘合劑材料。這樣的波長轉換層可以通過以液體形式分配波長轉換層然後固化溶膠凝膠材料來形成。

現有技術經封裝的LED的一個示例包括垂直LED，其具有將LED附著到經模製的引線框架杯的焊線。在形成焊線之後，杯填充有矽樹脂/磷光體漿料。該架構可以稱作「杯中糊塊」。杯中糊塊架構的成本低並且易於製造。然而，杯中糊塊架構在可靠地處置高輸入功率密度方面由於LED管芯、焊線和磷光體/矽樹脂材料（「糊塊」）的高熱阻（如〜20C/W那樣高）而是有限的。倒裝晶片類型LED也可以設置在杯中糊塊架構中。倒裝晶片的優點在於，LED和典型的倒裝晶片互連的熱阻相對低（典型地<5 C/W）。然而，磷光體/矽樹脂材料的熱阻仍舊是高的，並且作為結果，器件不能可靠地處置高功率密度。

在圖3中所圖示的結構中，由于波長轉換層30通過準許波長轉換層30具有如與在杯中糊塊器件中所使用的磷​​光體/矽樹脂材料相比高的顆粒含量的技術（而不是分配在LED之上，如在以上描述的杯中糊塊架構中那樣）形成在LED 1之上。因此，波長轉換層30可以具有擁有高熱導率的顆粒的高含量，這可以改進波長轉換層30的熱導率和因此結構的熱導率。

波長轉換材料可以是例如，常規的磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、II-VI或III-V半導體、II-VI或III-V半導體量子點或納米晶體、染料、聚合物或其它發光的材料。波長轉換材料吸收由LED發射的光並且發射一個或多個不同波長的光。由LED發射的未經轉換的光通常是從該結構提取的光的最終光譜的部分，儘管它不需要是這樣。常見組合的示例包括與黃色發射波長轉換材料組合的藍色發射LED、與綠色和紅色發射波長轉換材料組合的藍色發射LED、與藍色和黃色發射波長轉換材料組合的UV發射LED，以及與藍色、綠色和紅色發射波長轉換材料組合的UV發射LED。可以添加發射其它顏色的光的波長轉換材料以定製從結構所發射的光的光譜，例如黃色發射材料可以利用紅色發射材料來擴充。

透明材料可以是例如，粉末、顆粒或其它材料，其具有高的熱導率；例如，具有比波長轉換材料或粘合劑材料更高的熱導率。在一些實施例中，透明材料具有比常見矽樹脂材料更高的熱導率，常見矽樹脂材料可以具有0.1-0.2 W/mK左右的熱導率。在一些實施例中，透明材料的折射率基本上匹配於粘合劑材料。例如，在一些實施例中透明材料和粘合劑材料的折射率可以變化小於10％。在一些實施例中，透明材料的折射率為至少1.5。合適的透明材料的示例包括白石英、玻璃顆粒或珠體。

在其中多個LED通過波長轉換層30連接的實施例中，粘合劑材料可以是足夠魯棒以將多個LED連接在一起的任何材料。粘合劑材料將透明材料和波長轉換材料結合在一起。在一些實施例中粘合劑材料可以選擇成具有至少1.5的折射率。在一些實施例中，粘合劑材料是可模製的、熱固性材料。合適的材料的示例包括矽樹脂、環氧樹脂和玻璃。粘合劑材料和透明材料典型地為不同的材料，或以不同形式的相同材料，儘管它們不需要這樣。例如，透明材料可以是玻璃顆粒，而粘合劑材料可以是經模製的玻璃。在一些實施例中，粘合劑材料是溶膠凝膠材料。在其中粘合劑材料是溶膠凝膠的實施例中，波長轉換材料、透明材料和溶膠凝膠液的混合物可以被分配在LED 1之上，然後從溶膠凝膠液蒸發水，留下矽酸鹽網絡，其本質上是具有嵌入在矽酸鹽網絡中的波長轉換材料和透明材料的玻璃。

在一些實施例中，波長轉換層30主要是透明材料，具有相對較少的波長轉換材料和粘合劑材料。波長轉換層30可以是按重量計在一些實施例中至少50％的透明材料，在一些實施例中60％的透明材料，並且在一些實施例中不大於70％的透明材料。波長轉換層30可以是按重量計在一些實施例中至少20％的波長轉換材料，在一些實施例中30％的波長轉換材料，並且在一些實施例中不大於40％的波長轉換材料。波長轉換層30可以是按重量計在一些實施例中至少5％的粘合劑材料，在一些實施例中10％的粘合劑材料，並且在一些實施例中不大於20％的粘合劑材料。

波長轉換層30的熱導率可以是在一些實施例中至少0.5 W/mK並且在一些實施例至少1 W/mK。相比之下，杯中糊塊架構中的糊塊典型地具有不大於0.1 W/mK的熱導率。

圖3中所圖示的結構可以根據圖4、5、6和7中所圖示的方法來形成。在LED被形成並且從LED的晶片分離之後，它們被「分箱」，這意味著根據為了使經波長轉換的LED滿足針對給定應用的規範所必要的波長轉換材料的特性來對具有類似的峰值發射波長的LED進行分組。

在圖4中，來自單個箱的各個LED通過諸如例如常規的拾取和放置過程之類的任何合適的技術而設置在襯底40上。儘管在圖4中圖示了單個LED，但是LED 1可以從晶片切分成組，而不是作為單個的LED。最終將從晶片分離為單獨器件的LED可以在一些實施例中間隔開例如至少100μm，在一些實施例間隔開至少200μm，在一些實施例間隔開不大於500μm，並且在一些實施例中間隔開不大於400μm，這取決於例如波長轉換材料的應用方法或其它因素。在陣列中最終將從晶片分離的LED可以在一些實施例中與陣列中的其它LED間隔例如至少100μm，在一些實施例中與陣列中的其它LED間隔至少200μm，在一些實施例中與陣列中的其它LED間隔不大於500μm，並且在一些實施例中與陣列中的其它LED間隔不大於400μm。

襯底40是臨時處置襯底。可以使用任何合適的材料，諸如具有粘合劑層的載體帶。圖5是襯底40的一個示例的截面。襯底40包括載體50和雙面膠帶，所述雙面膠帶包括粘合劑層52、帶層54和釋放層56。

載體50可以是在安裝在襯底上期間和在稍後的處理期間向LED提供機械支撐和穩定性的結構。合適的材料包括例如，玻璃、陶瓷或塑料。

粘合劑層52、帶層54和釋放層56形成附著到載體的雙面膠帶。在處理之後，雙面膠帶可以從載體50移除，使得載體可以被再用。而且，載體上的雙面膠帶的配置允許波長轉換層30和光學元件層70（以下描述）在常規的模製機器中形成。帶層54分離兩個粘性層，並且可以是任何合適的結構，包括例如，晶片處置帶。粘合劑層52將帶層54附著至載體50。可以使用任何合適的材料，包括例如丙烯酸和矽樹脂。LED附著到釋放層56。相應地，釋放層56選擇成在處理期間牢固地保持LED就位，然後在處理之後釋放LED和相關聯的結構。合適材料的示例包括熱釋放粘合劑，它在室溫下如粘合劑那樣起作用，但是可以通過加​​熱到室溫以上的溫度而被移除。

在圖6中，波長轉換層30，如以上所描述的，模製在LED 1之上。例如，模具（在圖6中未示出）可以設置在一組LED 1之上，然後填充有模製材料（即將形成波長轉換層的材料）。波長轉換層30可以包括以液體形式的熱固性粘合劑材料。結構例如通過加熱進行處理以將熱固性粘合劑材料轉變成固體。然後移除模具。波長轉換層30設置在LED 1的頂部之上和相鄰的LED 1之間。釋放層56和模製材料被選擇成使得釋放層56良好地貼附到LED的底表面上的金屬，但是相對弱地貼附到模製材料。在模製之後，可以容易地從釋放層移除LED。

在圖7中，例如通過切割在期望位置處的晶片間隔（street）42中的相鄰LED之間的波長轉換層30來分離各個LED或LED組。可以使用任何合適的切割技術，諸如金剛石鋸切或雷射切割。優選地，切割技術不應切穿襯底40。圖7中所圖示的切割在一些實施例中可以導致基本上豎直的側壁44，如所圖示的那樣。在一些實施例中，側壁44是成角度的或以其它方式成形的，例如以增強來自波長轉換層30的光提取。分離步驟可以留下豎直側壁，該豎直側壁在第二步驟中成角度。在可替換方案中，可以與不同的切割刀片（例如錐形刀片）一起使用更寬的晶片間隔以在一個步驟中產生成角度的側面。

通過任何合適的方法將分離的LED或LED陣列從襯底40釋放，方法包括例如熱學釋放、轉移到第二襯底，或者直接拾取。LED可以被測試，並且以其它方式準備好由用戶安裝到諸如PC板之類的結構。例如通過焊接或任何其它合適的安裝技術通過LED 1的底部上的互連28和26將LED安裝在另一結構上。

圖8、9和10圖示了形成經封裝的LED或LED陣列的可替換實施例。在將LED 1設置在襯底40上（如圖4中所圖示的和以上所描述的）之後，將波長轉換層60設置在LED之上，如圖8中所示。LED 1的頂部之上的波長轉換層60的厚度可以相當薄；例如，在一些實施例中厚度不超過500μm，在一些實施例中厚度不超過100μm，在一些實施例中厚度不超過50μm，並且在一些實施例中至少10μm厚。波長轉換層60可以包括至少一種波長轉換材料，其可以是以上在圖3的討論中描述的任何材料。波長轉換材料可以設置在諸如矽樹脂之類的透明結合劑材料或任何其它合適的材料中。

可以與LED分離地形成波長轉換層60。在一個實施例中，為了創建波長轉換層，將一種或多種磷光體粉末與矽樹脂混合以實現目標磷光體密度，並且將波長轉換層形成為具有目標厚度。期望的厚度可以通過任何合適的技術來獲得，包括例如，在平坦表面上旋轉混合物、模製波長轉換層、層壓。波長轉換層在一些實施例中是柔性的。

為了形成圖8中所示的結構，波長轉換層60可以放置在LED 1之上，並且可以在波長轉換層60和LED 1之間抽取真空以移除基本上所有的空氣。然後可以使用熱量和壓力將波長轉換層60層壓到LED 1，這使得波長轉換層60遵從LED 1的頂表面。在波長轉換層60中的透明材料（諸如矽樹脂）可以通過熱量或UV來固化。儘管以上描述涉及在LED之上層壓預先形成的波長轉換層，但是本發明不限於層壓，並且可以使用任何合適的技術和任何合適的波長轉換層。

在圖9中，光學元件層70設置在波長轉換層之上。光學元件層70可以是例如透明材料，其可以像透鏡那樣起作用。儘管光學元件層70的頂表面在圖9中是平坦的，但是在一些實施例中，光學元件層可以被成形為例如半球形或其它適當成形的透鏡。光學元件層70覆蓋每個LED的頂表面和每一個側表面的至少部分。

光學元件層可以包括粘合劑材料，以及可選的透明材料。透明材料可以是例如，具有比粘合劑更高的熱導率的粉末、顆粒或其它材料。在一些實施例中，透明材料具有比常見矽樹脂材料更高的熱導率，常見矽樹脂材料可以具有0.1-0.2 W/mK左右的熱導率。在一些實施例中，透明材料的折射率基本上匹配於粘合劑材料。例如，透明材料和粘合劑材料的折射率可以在一些實施例中變化小於10％。在一些實施例中，透明材料的折射率為至少1.5。合適的透明材料的示例包括白石英、玻璃顆粒或珠體。

在其中多個LED通過光學元件層連接的實施例中，粘合劑材料可以是足夠魯棒以將多個LED連接在一起的任何材料。在包括透明材料的實施例中，粘合劑材料還將透明材料結合在一起。在一些實施例中粘合劑材料可以被選擇成具有至少1.5的折射率。在一些實施例中，粘合劑材料是可模製的、熱固性材料。合適的材料的示例包括矽樹脂、環氧樹脂和玻璃。粘合劑材料和透明材料典型地是不同的材料，或以不同形式的相同材料，儘管它們不需要這樣。例如，透明材料可以是玻璃顆粒，而粘合劑材料可以是經模製的玻璃。在一些實施例中，粘合劑材料是溶膠凝膠材料。在其中粘合劑材料是溶膠凝膠的實施例中，透明材料和溶膠凝膠液的混合物可以被分配在LED 1之上，然後從溶膠凝膠液蒸發水，留下矽酸鹽網絡，其本質上是具有嵌入在矽酸鹽網絡中的透明材料的玻璃。

在一些實施例中，光學元件層主要是透明材料，具有相對較少的粘合劑材料。光學元件層可以是按重量計在一些實施例中至少50％的透明材料，在一些實施例中60％的透明材料，並且在一些實施例中不大於70％的透明材料。

光學元件層70的熱導率可以是在一些實施例中至少0.5 W/mK並且在一些實施例是至少1 W/mK。

在圖10中，LED從襯底移除，並且分離成各個LED或LED組或陣列，如以上參照圖3所描述的那樣。

在一些實施例中，圖3、6和7中所圖示的LED，其中波長轉換材料與粘合劑材料混合併且模製在LED之上，是中等功率器件，其是足夠低的功率使得來自LED的熱量可以通過波長轉換材料30耗散。例如，中等功率器件可以以小於0.5 A或在0.2 A處操作，並且可以以50流明或更小的通量發射光。

在一些實施例中，圖8、9和10中所圖示的LED，其中在LED之上形成薄的波長轉換層，然後在波長轉換層之上形成光學元件層，是高功率器件。例如，高功率器件可以在大於0.8 A或在1 A處操作，並且可以以200流明或更大的通量發射光。在一些高功率器件的情況下，如圖3、6和7中所圖示的經模製的波長轉換材料層30可能不是充分導熱的以耗散來自LED的熱量。相應地，導熱的波長材料（諸如磷光體）設置在薄的波長轉換層60中，所述薄的波長轉換層60放置在LED和經模製的光學元件層70之間。薄的波長轉換層中的導熱磷光體顆粒促進熱量耗散到LED管芯上的導熱結構中，這可以改進器件的熱學性能。

已經詳細描述了本發明，本領域技術人員將領會到，在給定本公開內容的情況下，可以對本發明做出修改而不脫離本文所描述的發明概念的精神。因此，不意圖將本發明的範圍限制於所圖示和描述的具體實施例。