具有顏色轉換材料的發光二極體排布的製作方法

2023-07-09 02:58:51

專利名稱：具有顏色轉換材料的發光二極體排布的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的發光二極體排布，所述排布具有由顏色轉換材料所包圍的發光二極體晶片，所述顏色轉換材料用於將由所述發光二極體晶片所發出的光的至少一部分轉換為其他波長的光。
背景技術：
發光二極體領域，特別是所謂的「白光LED」領域，形成了本發明的背景。由於半導體發光元件通常發出特定波長的光，因此，尚未實現直接提供白光的半導體元件的產品。作為替代方案，半導體元件被設置而使其發射單一波長的光，例如，綠色、紅色或藍色的光。不過，為了可以形成白光，由現有技術公知的是，通過顏色轉換而將藍光LED的光轉換為白光混合物。而後，通常被嵌置在基體中的螢光體圍繞被稱為LED模的半導體元件而排布。所述藍光現在通過所述螢光體而被吸收在所述LED模的周圍，並隨後被轉換為波長更長的光。螢光體的這種波長較長的光與發光二極體晶片的未被轉換的藍光相結合，於是產生白光混合物。
不過，用於對圍繞著所述LED模的顏色轉換材料進行排布的從現有技術公知的各種形式，通常具有缺陷，即，從包圍著所述LED晶片的顏色轉換材料所形成的光並非均勻的白色，而是根據空間方向而具有不同的顏色，並且/或者在螢光層的表面處具有不同的著色。對發射的光進行準直和成像，例如採用透鏡輔助，導致了顏色不均勻性的加劇。
這些不均勻性的原因在於，顏色被轉換的組分的增加正比於光通過螢光體/基體圍繞物的路徑。由於事實上通常被設置為立方體或長方體的發光二極體晶片同等處理沿著所有方向的光，因此，很難實現光的均勻轉換。然而，現在致力於從不均勻發光區域實現均勻白光的成像光學系統而言，這導致了明顯的缺點。由此，採用傳統的光學系統，白光LED通常具有不均勻的白光發射，其中，白光發射的成像在中央為藍色而在邊緣為黃色。
在由現有技術公知的各種排布中，試圖將由發光二極體晶片發出的光儘可能均勻地轉換為白光混合物。如圖5-7中示出了兩種公知的結構，它們將在下文中得到簡要論述。
圖5和6中的第一種已知的發光二極體排布100首先具有排布在基底102上的發光二極體晶片101。基底102例如由熱導絕緣層103組成，在熱導絕緣層103上側設置有具有電導體路徑104的電導層，在電導體路徑104上接著排布有LED模101。通過引導至發光二極體晶片101上側的接線105，所述LED模實現了從電導體路徑104至LED模側部的電接觸。
為了對由發光二極體晶片101發出的光進行顏色轉換，上述結構被半球形的封閉物所包圍，所述封閉物被完全填充以顏色轉換材料106。採用這種排布，意在通過穿過所述半球形封閉物的光線的長度大致均勻的路徑，來獲得均勻的表面顏色。由於所述封閉物相對於空氣折射率n＝1的折射率躍變為n≈1.4-1.6，對應於圖6的例示，光的形成提供了未經轉換的藍光和通過顏色轉換材料106的螢光體而進行顏色轉換的經顏色轉換的光的本地均衡。據此，所形成的光混合物在其顏色方面被均勻化。
不過，公知的結構要求，發光二極體晶片101本質上能夠大致被認為是一個點，因此所述封閉物實際上必然大於發光二極體晶片101所處的發光區域。由此帶來的缺點是，對於這種系統的成像而言，需要很大的透鏡，這是因為，為了進行有效的光導向，發光表面相對透鏡而言也應大致看作一個點。對於顏色轉換而言，所述半球的可用的最小尺寸相應地大致為發光二極體晶片101的邊沿長度的3至4倍，而同時透鏡的尺寸應大致為發光表面的10至20倍。
圖6顯示了用於白光LED的完整排布，其中，使用了包括球狀轉換器幾何形狀和透鏡107的排布。由於為了進行光成像，僅僅可以使用有限的發射角度範圍，因此，在半球轉換器的情況下，由於發射光的特性，預期有較大的側向光損失，即，特定部分的光不能通過透鏡107成像。
不過，如果不使用被設置為半球形式的光轉換材料並且代之以具有恆定厚度的塗層，則所提供的排布如圖7中所示。
首先，公知的發光二極體120的這種第二變例，仍包括排布在基底122上的發光二極體晶片121，基底122包括絕緣層123和具有電導體路徑124的層。如同在第一公知排布的情況那樣，在此，仍通過引導至發光二極體晶片121的上側接線125來實現接觸。
現在排布顏色轉換材料126，而使其完全覆蓋發光二極體晶片121的表面，並均勻地具有固定厚度。然後，射出顏色轉換材料126的光線仍被透鏡127準直。
如果選擇的塗層過薄，則LED晶片121的電極結構仍然可見，以小的發射角度(例如小於10°)的成像導致了入射光場中的非均勻成像。如果顏色轉換材料126的層非常薄，則電極結構還可導致顏色不均勻。舉例而言，如果晶片121的較大面積並不發光，就是這種情況。
與此相反，如果所述層具有較大的層厚度，則存在著所述層的邊沿發射為另一顏色的風險。不過，於是至少所述電極結構將不再可見，而還可避免由於不發光的電極結構較大而導致的顏色的不均勻性。
採用這種公知排布，由側部區域發出的光線因而僅可部分地用於成像。隨著層厚度的增大，越來越多的光線發射通過所述側部區域，由此，可使用的光的配額進一步減少。因此，這種已知的結構還具有與如下方面相關的缺點，即，可實現的均勻白光發射和通過光學系統對其成像的可能性。
對於發光二極體排布而言，在圖5-7中所示的各公知結構之間，存在許多中間情況的幾何結構，不過，這些結構並未實現，這是因為，實際上，僅有圖6所示的發光二極體排布的結構高度具有可接受的尺寸。
產生白光而不使用顏色轉換材料的可能性，在WO 02/50472A1中進行了描述。該公開描述了一種發光二極體排布，其中，不同顏色的多個發光二極體晶片被排布在漏鬥形反射器的基底側上。通過所述不同顏色發光二極體晶片的排布以及反射體的特定結構，實現了將各發光二極體晶片的光整體混合為白光。不過，這種公知結構與圖5-7中所示的解決方案相比是非常複雜的，因為在圖5-7所示的解決方案中可分別使用單獨的發光二極體晶片。

發明內容
本發明相應地基於如下目的，即，對於實現發光二極體排布而指出一種可能性，其中，通過用於形成光混合的顏色轉換材料轉換由發光二極體晶片發射的光，而且，其中避免了所描述的現有技術相關的缺點。具體地，提供一種發射白光的表面，其能夠通過傳統的光學系統被均勻地成像而沒有顏色偏差。
上述目的通過具有權利要求1所述特徵的發光二極體排布來實現。本發明的進一步的有利展開，則基於各從屬權利要求。
因此，提出一種發光二極體排布，其具有排布在一基底上的發光二極體晶片，和包圍所述發光二極體晶片的顏色轉換材料，所述材料被設置以將由所述發光二極體晶片所發出的光的至少一部分轉換為其他波長的光。根據本發明，所述顏色轉換材料被反射體側向包圍，從所述發光二極體晶片到所述反射體的距離最多為0.5mm。優選地，在所述發光二極體晶片與所述反射體之間的距離僅在0.1mm至0.2mm之間的範圍內。
因此，根據本發明，為了避免公知技術中的顏色的不均勻性，所述顏色轉換材料被優選地為豎直排布的反射體側向連結。雖然已知的是，通過反射體或反射元件來包圍LED晶片，不過，在公知的情況中，在發光二極體晶片與反射體之間的距離顯著大於根據本發明所提供的距離。對此的原因在於，在現有技術中，反射元件被專門提供以準直由已處於特定方向的發光二極體晶片所發射的光。不過，根據本發明的反射體的主要目的在於，優化穿過所述顏色轉換材料的光的路徑，以實現混合光的均勻發射。
因此，首先光的側向發射通過反射體而被排除，這些光僅能部分地被使用以被折射透鏡而成像。另一方面，反射體的使用允許用於顏色轉換材料的較大層的厚度超過發光二極體晶片的厚度。因此，這種較大層的厚度導致光的更好的顏色混合，使得發光二極體晶片的可能的電極結構不再經顏色轉換材料而可見。另一優點還在於，通過反射體，將被成像的區域的尺寸被保持為儘可能地小，據此，可能使用的光學系統的結構尺寸，特別是透鏡的結構尺寸，也保持在限度之內。
完全覆蓋所述發光二極體晶片的上側的顏色轉換材料的厚度，優選地為至少0.05mm，從而其特別地提供的厚度比在發光二極體晶片與反射體之間的距離至少大0.05mm。
如上所述，優選地提供光學系統用於準直由發光二極體晶片發射的光。一方面，此光學系統可為包圍所述發光二極體晶片和顏色轉換材料的透鏡。不過另一方面，此光學系統也可將使用的透鏡放置在從發射光的方向來看在發光二極體晶片的前方。根據特定的優選示例性實施例，可提供的是，所述透鏡被設置為與顏色轉換材料的表面隔開，特別是隔開以氣隙。如在下文中所進行的更詳細的闡釋，據此特定的結構，實現了特別好的光混合，以及採用該混合而導致的顏色均勻的光發射。
包圍所述顏色轉換材料以覆蓋其全部高度的反射體，優選地可一方面由金屬製成；不過，還應想到的是，形成漫反射的反射體，可以使用例如聚四氟乙烯或其他適合的材料來製成所述反射體。


本發明將在下文中參照附圖而進行更詳細的說明。其中顯示圖1是根據本發明的發光二極體排布的第一示例性實施例；圖2是說明用於顏色轉換的顏色轉換材料的幾何尺寸的示意圖；圖3是根據本發明的發光二極體排布的第二示例性實施例；圖4a和圖4b是根據本發明的發光二極體排布的第三示例性實施例；和圖5-7是根據現有技術的發光二極體排布。
具體實施例方式
首先，如圖1中所示並提供以附圖標記1的發光二極體排布，具有發光二極體晶片2，其優選地發射藍光，並排布在基底3上，基底3具有絕緣層4以及帶有電導體路徑5的電導層，以便通過從這些電導體路徑引導至所述晶片上側的接線，使電導體路徑5接觸發光二極體晶片2。應注意的是，基底3也可以採用其他方式構建。特別地，可採用特定的措施，從而可以使發光二極體晶片2有效散熱。
為了將由發光二極體晶片2發射的光轉換為白光混合物，提供顏色轉換材料7，其包圍發光二極體晶片2並具有顏色轉換顆粒，所述顆粒特別地為螢光體，其將所述光的至少一部分轉換為其他波長的光。根據本發明，發光二極體晶片2和顏色轉換材料7被反射壁8所包圍，反射壁8例如可由金屬反射體形成，或被構建以進行漫反射並為實現此目的而例如由聚四氟乙烯或例如硫酸鋇形成。不同於已知的發光二極體排布，反射壁8已被採用而包圍發光二極體晶片2，與其的距離小於0.5mm；優選的是，與發光二極體晶片2的側面相距大約0.1mm至0.2mm。
通過優選為豎直取向的反射壁8，由發光二極體晶片2側向發出的光被再次轉向，因而，發光區域的尺寸首先受限於反射體8的上開口的尺寸。進一步，從發光二極體晶片2側向發出的光在包圍的顏色轉換材料7中被部分地轉換，或者，在經過所述螢光顆粒的第一路徑上未被吸收或轉換的組分在反射壁8處被反射並在隨後返回，直到此光也具有白色光譜分布，並射出顏色轉換材料7的上側。
由LED晶片2、顏色轉換材料7、和反射體8組成的排布，最終被光學系統所包圍，該光學系統由封閉所述排布的透鏡9形成。透鏡9被設置而使其僅在其上部區域中具有彎曲的表面，從而以所希望的方式而對在顏色轉換材料7上側射出的光進行成像。不過，所述透鏡的較低的圓柱形區域不具有任何光學功能，這是因為，由於反射體8幫助對發光區域進行定界，從而在任何情況下都沒有光從這些區域中射出。因此，反射體8允許所使用的透鏡可被構造得非常簡單和緊湊，卻又能夠對由發光二極體晶片發出的光進行完全成像，並且如果適宜，則通過顏色轉換材料7轉換所述光。不過，採用根據本發明的發光二極體排布，就不會出現側向發出的具有不希望的顏色混合因而不能使用的光。
根據本發明的發光二極體排布1的具體尺寸，在圖2中再次變得清楚，圖2顯示了根據本發明的發光二極體排布的第二示例性實施例的一部分。由此圖示中可看出，在發光二極體晶片2的側面與反射體8之間的距離被表示為x，而相對照地，發光二極體晶片2的上表面到顏色轉換材料7的上表面的距離被表示為h。如上所述，在所述發光二極體晶片與所述反射體之間的距離x，根據本發明而被選擇為較小，數量上為最多0.5mm，優選在0.1mm至0.2mm之間。不過，顏色轉換層7的高度h數量上為至少0.05mm，並且優選地被選擇為，對於最小高度而言，其適用於hmin＝0.05mm+x。顏色轉換層的高度h的上限理論上並不增加，這是因為，高度越大，形成的光混合就越被優化。如開始之時已經提到過的，從發光二極體晶片2發出的光被轉換的概率，正比於所述光通過顏色轉換材料7的路徑的長度，由此原因，為了實現均勻的光發射，應爭取儘可能大的厚度。不過，出於生產技術上的原因，對於厚度h而言，上限應該選擇為3mm，因為還要爭取使發光二極體排布的整體配置儘可能緊湊和一致。
在圖2中的排布中，相比於圖1中所示的發光二極體排布的第一示例性實施例，其不同在於，現在發光二極體晶片2的電接觸不再通過連結接線而生效。作為替代方案，在所示的結構中，晶片2「面朝下」；也就是說，其被倒置。在這種情況下，為實現所述接觸而採用了所謂的隆起10，其直接形成了具有電導體路徑5的層到晶片2的表面的接觸。這種發光二極體晶片2在基底3上的通常稱為倒裝晶片技術的排布，還帶來了與可實現的光強度相關的其他優點，這是因為，採用這種裝配技術，可獲得更高的光輸出。這可以部分地被解釋為，由於不需要接線就獲得了投影自由發射表面。圖3示出了發光二極體排布的完整排布，其中，透鏡結構9於是包圍反射體8，順次地，反射體8包圍顏色轉換材料7，顏色轉換材料7包圍發光二極體晶片2。
在上述的根據本發明的兩個示例性實施例中，顏色轉換材料7和反射體8被形成透鏡9的光學系統直接封閉。圖4a和4b現在顯示了根據本發明的發光二極體排布1的第三示例性實施例，其中，使用所謂的附加透鏡11，其被排布為與顏色轉換材料7的表面相距一定距離。首先，發光二極體排布1仍具有如圖3中的示例性實施例所示的相同的元件，相同的元件被提供以相同的附圖標記。不過，現在，在具有電導體路徑5的電導層的表面上，另外地排布有隔離件12，隔離件12的上側排布有附加透鏡11。例如可由另一絕緣層形成的隔離件12，其高度被選擇而使得，附加透鏡11與顏色轉換材料7隔開一小氣隙13。據此，可以使來自顏色轉換材料7上側的光進行特別有效的成像。
也就是說，通過顏色轉換材料7的上表面發出的光，現在通過氣隙13而耦合進入附加透鏡11。一旦所述光從顏色轉換劑7發出，由於受到螢光材料以及從螢光基體材料到空氣的折射率躍變的控制，所述光遵從朗伯(Lamber)分布，即，在所有方向上光發射大致等大。因此，這種分布當其進入附加透鏡11中時，被準直至一定範圍，例如，±41.8°，該範圍對應於所述透鏡的折射率，在範圍為±41.8°的情況下，附加透鏡11的折射率為n＝1.5。這種效果如圖4b中所示。所述光線一旦射出透鏡11，則然後必然被轉向，例如對於40°的透鏡而言最多轉向21.8°，這不需很大的花費就能夠實現，而且尤其在執行過程中損失不會很大。
因此，在所圖示的結構中，顏色轉換材料在側向受到反射體的界定，因此這種結構可以使除菲涅耳反射以外的光達到幾乎100％的光成像。據此，相比於現有技術，所用的光組件可大致在所希望的目標範圍內進行增加。同時，獲得了更有效的顏色混合，據此確保了，同樣是通過透鏡或其他傳統的光學系統，混合白光也能夠以有效的方式而被均勻地成像。
權利要求
1.一種發光二極體排布，包括排布在一基底上的發光二極體晶片，和將所述發光二極體晶片側向包圍並覆蓋於其上的顏色轉換材料，所述顏色轉換材料的構成將由所述發光二極體晶片所發出的光的至少一部分轉換為其他波長的光，其特徵在於，所述顏色轉換材料被一反射體側向包圍，所述發光二極體晶片到所述反射體的橫向距離最多為0.5mm。
2.根據權利要求1所述的發光二極體排布，其特徵在於，從所述發光二極體晶片(2)到所述反射體(8)的距離(x)在0.1mm至0.2mm之間的範圍內。
3.根據權利要求1或2所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述反射體(8)遍及所述顏色轉換材料(7)的整個高度而將其包圍。
4.根據前述任一權利要求所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述反射體(8)豎直定向。
5.根據前述任一權利要求所述的發光二極體排布，其特徵在於，覆蓋所述發光二極體晶片(2)上側的顏色轉換材料(7)的厚度(h)至少為0.05mm。
6.根據權利要求5所述的發光二極體排布，其特徵在於，覆蓋所述發光二極體晶片(2)上側的顏色轉換材料(7)的厚度(h)，比在所述發光二極體晶片(2)與所述反射體(8)之間的距離(x)至少大0.05mm。
7.根據權利要求5或6所述的發光二極體排布，其特徵在於，覆蓋所述發光二極體晶片(2)上側的顏色轉換材料(7)的厚度(h)最多為3mm。
8.根據前述任一權利要求所述的發光二極體排布，其特徵在於，光學系統，用於準直由所述發光二極體晶片(2)發出的光。
9.根據權利要求8所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述光學系統由透鏡(9)形成，所述透鏡(9)包圍所述發光二極體晶片(2)和所述顏色轉換材料(7)。
10.根據權利要求8所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述光學系統由透鏡(11)形成，所述透鏡(11)沿著發光方向來看被設置在所述發光二極體晶片(2)的前方。
11.根據權利要求10所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述透鏡(11)被排布為與所述顏色轉換材料(7)的表面隔開。
12.根據權利要求11所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述透鏡(11)與所述顏色轉換材料(7)的表面隔開一氣隙。
13.根據前述任一權利要求所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述反射體(8)由金屬製成。
14.根據權利要求1-12中任一權利要求所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述反射體(8)進行漫反射。
15.根據權利要求14所述的發光二極體排布，其特徵在於，所述反射體由聚四氟乙烯製成。
全文摘要
本發明提供一種發光二極體排布(1)，其具有排布在基底(3)上的發光二極體晶片(2)，和包圍所述發光二極體晶片(2)的顏色轉換材料(7)，所述顏色轉換材料被設置以將由所述發光二極體晶片(2)所發出的光的至少一部分轉換為其他波長的光，所述顏色轉換材料(7)被反射體(8)側向包圍，所述發光二極體晶片(2)到所述反射體(8)的側向距離(x)為最多0.5mm。
文檔編號H01L33/50GK101088172SQ200580038155
公開日2007年12月12日 申請日期2005年8月24日 優先權日2004年11月3日
發明者彼得·帕克勒 申請人:特裡多尼克光電子有限公司