顏色轉換的發光二極體的製作方法

2023-07-12 23:05:41

專利名稱：顏色轉換的發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體(LED),尤其涉及用於轉換發光二極體的 光輸出為白光的技術。
背景技術：
發光二極體發射單色光。使用藍色發光二極體並且照射一個或多 個磷光體產生白光是通常的做法。磷光體可以加入紅色和綠色組分， 或者可以加入黃綠色組分(例如YAG磷光體)。這樣的技術包括在包 圍藍色發光二極體的反射杯內澱積磷光體(一種或多種)，或者在粘 結介質(如矽樹脂)內混合磷光體並且在藍色發光二極體上澱積這種 混合物。
使用黃綠色磷光體與藍色發光二極體產生高溫白光，這種白光在 視覺上令人不愉快，並且具有差的顏色再現效果。加入紅色磷光體可 使這個光更溫暖些。
在包圍發光二極體的反射體杯中提供磷光體產生相對較大的光 源。進而，磷光體/粘結劑材料在杯中的厚度發生變化，難以實現期 望的色溫和均勻的顏色。再有，杯的壁擋住了側向光，這就限制了可 能的發射圖案。還存在其它的缺點。
當一起澱積兩種或多種磷光體的時候，難以產生可預期的和一致 的光的顏色，並且不同的磷光體在相同的澱積工藝中有不同的反應。 例如，相對的磷光體厚度和密度是難以控制的， 一種磷光體的光轉換 對於另一種磷光體的光轉換有影響，不同的磷光體在一般情況下都有 不同的物理性質(例如密度差和溫度膨脹係數)和化學性質，因此當 經受相同的澱積工藝時有不同的反應出現。
當前所需要的是使用磷光體和藍色、紫外或近紫外的發光二極體 產生白光的技術，這種技術的實施相對容易，並且能一致性地產生期 望的白光溫度。尤其期望產生溫度範圍為2000K- 5000K的溫暖白光(更 紅)。發明內容這裡公開了一種用於形成白光發光二極體的技術。在一個實施例 中，二極體晶片發射藍色光。澱積用於產生紅色、黃色或黃綠色光的 第一磷光體，以便均勻地塗敷二極體晶片。 一種合適的澱積技術是電泳澱積(EPD),這種技術是通過向晶片施加一個電位並且在溶液中使 磷光體充電，來用磷光體電鍍所說的晶片。吸引力使得磷光體均勻地 塗敷在晶片上。磷光體的厚度和覆蓋率是完全可控的，因此磷光體塗 層的作用結杲是完全可以預期的。在得到的發光二極體結構上澱積粘結劑中的另 一種磷光體，以便 增加其餘的顏色分量(如紅色或綠色)並且密封塗敷了保形 (confo畫l )磷光體的晶片。因為兩種不同的澱積技術都是容易獨立可控以便提供期望的顏色 分量，因此由於磷光體的物理和化學相容性並不是影響因素，所以得 到的白光溫度(如2000K- 5000K)是高度可控的，並且發射顏色是均 勻的。溫暖白光發光二極體的 一種用途是汽車的前燈。在一個實施例中，將藍色發光二極體晶片陣列安裝在裝配架 (submount)上，每個發光二極體都有在它上面形成的第一磷光體的 保形塗層。然後，每個發光二極體都由光刻膠模具所包圍，在模具內 澱積用第二磷光體浸漬的液態矽樹脂，從而在每個發光二極體上形成 尺寸完全確定的一個包層。然後固化矽樹脂，並且除去光刻膠。通過 常規的切片步驟使發光二極體相互分離。第一磷光體可以是黃色、黃 綠色或綠色(如YAG磷光體)，第二磷光體可以是紅色(如CaS磷光 體)。在另一個實施例中，第一磷光體是紅色，第二磷光體是黃色、 黃綠色或綠色。在另一個實施例中，在上方才莫制工藝(overmolding process )中， 澱積矽樹脂-磷光體材料，其中在包含與磷光體粉末混合的液態矽樹 脂的模具上放置裝配在裝配架上的陣列中的保形塗敷了磷光體的發光 二極體。每個模具的形狀是透鏡的形狀。然後，固化矽樹脂-磷光體 材料，並且分離發光二極體陣列和模具。每個發光二極體結構現在包 括所說兩種磷光體和矽樹脂透鏡。通過常規的切片過程可以使發光二 極管相互分離。


圖1是安裝在裝配架上的具有導電錶面的藍色發光二極體陣列的
側一見圖2說明浸入溶液中的發光二極體陣列，所說溶液包含帶電的磷 光體顆粒，用於用磷光體保形塗敷發光二極體的導電錶面；
圖3說明得到的具有磷光體保形塗層的發光二極體；
圖4說明在圖3的裝配架上形成的光刻膠，用於形成用第二種類 型的磷光體浸漬的矽樹脂模具；
圖5說明得到的矽樹脂，其在除去光刻膠前形成密封透鏡，包含 磷光體顆粒；
圖6、 7、 8說明用於形成包含磷光體顆粒的密封透鏡的上方模製 工藝；
圖9是使用這裡所述的工藝形成的發射白光的發光二極體陣列的 透視圖IO是具有一種類型磷光體的保形塗層和具有包含一種磷光體或 兩種不同的磷光體以產生白光的矽樹脂透鏡的藍光、紫外光或近紫外 光發光二極體的側視圖ll是沒有保形塗層的、但具有包含兩種不同的磷光體以產生白 光的矽樹脂透鏡的藍光發光二極體的側視圖12是任何一種上述發光二極體的側視圖，其中包含一種或兩種 類型的磷光體的矽樹脂透鏡是作為菲涅爾透鏡形成的；
圖13是任何一種上述發光二極體的側視圖，其中包含一種或兩種 類型的磷光體的矽樹脂透鏡是作為寬角發射透鏡形成的。
具體實施例方式
作為準備工作(preliminary matter),在生長基片上形成常規 的藍色、紫外或近紫外的發光二極體。在所用的例中，發光二極體是 基於GaN的發光二極體，例如AlInGaN發光二極體。在一般情況下， 使用常規技術在藍寶石或SiC生長基片上生長相對較厚的n型GaN層。 該相對較厚的n型GaN層通常包括低溫成核層以及一個或多個附加層， 從而可以為n型包層和活性層提供低缺陷的晶格結構。然後在厚的n
6型層的上方，形成一個或多個n型包層，接下去形成活性層、 一個或 多個p型包層以及p型接觸層(用於金屬化)。使用各種不同的技術來對於n型層實現電接入。在倒裝晶片例中， 將部分p型層和活性層蝕刻掉，露出n型層以便進行金屬化。以此方 式，p型觸點和n型觸點都在晶片的同一側，可以與封裝(或裝配架) 的接觸墊直接電連接。來自n型金屬觸點的電流開始橫向流過n型層。 對比之下，在垂直注入(非倒裝晶片)的發光二極體中，在晶片的一 側形成n型觸點，在晶片的另一側形成p型觸點。在一般情況下，用 導線或金屬橋實現與p型觸點或n型觸點之一的電接觸，並且將另一 個觸點直接粘結到封裝(或裝配架)的接觸墊上。在各種不同的例子 中出於簡潔性的考慮使用倒裝晶片發光二極體，但是也可以使用垂直 注入的發光二極體。可選擇地，將導電基片粘結到發光二極體層(通常粘結到p型層) 並且除去生長基片。在美國專利No. 6649440和No. 6274399中描述了形成發光二極體 的例子，這兩個專利都轉讓給Lmnileds Lighting,並且在這裡參考引 用。可以將一個或多個發光二極體晶片的n型觸點和p型觸點粘結到 裝配架上相應的接觸墊上。裝配架可以是矽、陶梵或任何其它合適的 材料。裝配架具有附加的接觸墊，用於連接到印刷電路板上。在裝配 架上的導電通路可以將發光二極體的墊連接到印刷電路板的墊上。裝 配架可以是金屬圖案，這個金屬圖案將裝配架上的多個發光二極體相 互連接在一起。裝配架可以包含附加電路，如ESD保護。多個裝配架 可以連接到 一 個印刷電路板上，該印刷電路板在 一 般情況下包含金屬 引線，用於相互連接各個發光二極體，並且用於連接發光二極體到電 源上。電路板可以串聯連接和/或並聯連接地相互連接各種不同的發 光二極體。上述發光二極體結構只是可以在本發明中使用的發光二極體結構 的一些實例。圖1是安裝在支撐結構12上的兩個倒裝晶片發光二極體晶片10 的側視圖。假定發光二極體發射的藍光範圍是420 - 490納米。支撐結 構12可以是裝配架(如帶有金屬引線的陶瓷或矽)、金屬散熱器、印刷電路板或任何其它結構。在本例中，支撐結構12是具有金屬墊14 的陶瓷裝配架，金屬墊14通過金塊16或任何其它粘結裝置連接到發 光二極體晶片10的n型或p型接觸墊上。在支撐結構12的表面上澱積光刻膠18並且在將要澱積磷光體的 發光二極體晶片10的表面除去光刻膠18 (例如通過剝離或腐蝕)。在 每個發光二極體晶片10的下面可以存在另一種材料的底層填料 (underfill) 19。底層填料向支撐結構12提供熱傳輸並且保護髮光 二極體晶片IO不受汙染。在一般情況下，發光二極體晶片10的曝露表面將是導電的n型層 或p型層，並且電連接到支撐結構12上的金屬引線。如果所說的表面 不導電，那麼可以將發光二極體晶片IO浸漬到例如銻錫氧化物的溶液 中並且烘乾以便在發光二極體晶片IO上提供溫和的導電塗層。圖2表示一個容器(tub)，其在溶液20中包含第一磷光體粉末。 除了磷光體顆粒外，溶液20還可以包括粘結劑材料和/或充電試劑。 典型的溶液20可以包括異丙醇和水作為溶劑，還包含氮化鋁作為充電 試劑和粘結劑，並且包含摻雜的釔鋁石榴石化合物作為磷光體顆粒。 在此例中，用於保形塗敷發光二極體晶片10的第一磷光體在由發光二 極管晶片IO發出的藍光提供能量時將會產生黃色或黃綠色的光。這樣 的用於當由藍光提供能量時產生特定顏色的磷光體是眾所周知的。與溶液20接觸的電極22耦合到偏置電壓源24的一端，發光二極 管晶片10的導電錶面(經過裝配架l2上的墊)耦合到偏置電壓源24 的另一端。由偏置電壓產生的電場從溶液20中吸出磷光體顆粒，並且 吸向發光二極體晶片IO的充電導電錶面。在磷光體塗層具有足夠大的厚度時(由經驗確定)，從溶液20除 去支撐結構12並且將其烘乾。磷光體厚度的任何變化優選小於磷光體 的平均厚度的15%左右，並且優選小於平均厚度的10%。然後，通過 常規的溼法剝離(丙酮)或幹法剝離(氧的等離子體)除掉光刻膠層 18。圖3表示在發光二極體晶片IO表面上得到的保形的磷光體層26。 作為通過電泳澱積形成保形塗層的 一個替換方案，還可以使用型 板噴刷(stenciling )。在William David Col 1 insIII等人的美國專 利No. 6576488和No. 6642652中進一步描述了電泳澱積和型板噴刷，這兩個美國專利轉讓給本發明的受讓人並且在這裡參照引用。
代替在發光二極體晶片io上澱積黃色或黃綠色的磷光體的保形層
的是，保形層26可以是紅色磷光體(CaS:Eu)，使用相同的技術進行 澱積。這種當通過藍光提供能量時發出紅光(如630 - 675納米)的紅 色磷光體是眾所周知的。
在一個實施例中，保形層26的厚度是15-35微米，但根據期望 的色溫、所用的磷光體和所用的特定的發光二極體，其它的厚度也可 以是適合的。
接下去，如圖4所示，澱積一層光刻膠28,並且在每個發光二極 管晶片10的周圍選擇性地除去光刻膠28,從而產生用於形成透鏡的模 具，所說透鏡包括用第二類型磷光體32浸漬的矽樹脂30。 A樹脂由於 它是透明的和耐用的，所以特別適合於形成透鏡。但是，其它的材料 也可以是適宜的。如果保形層26是黃色磷光體或黃綠色磷光體，則磷 光體32應該是紅色磷光體以產生溫暖的白光。由發光二極體晶片10 發出的某些藍色光通過這兩種磷光體洩露出來並與這兩種磷光體的顏 色組合起來，產生白光。紅色磷光體由藍色分量和綠色分量提供能量。 如果保形層26是紅色磷光體，則磷光體32應該是綠色磷光體以產生 白光。當由藍光提供能量時發出綠光(如520 - 570納米)的磷光體是 眾所周知的(如摻雜了 Ce+3的YAG )。
圖中表示出經過精確控制的由液態的矽樹脂-磷光體構成的液滴 被澱積到模具中。設定液滴的粘度，以使凸起的彎月面形成期望的透 鏡形狀(見圖5)。在使用紅色磷光體32的一個實施例中，對於每5 克的矽樹脂，CaS:Eu的濃度為0. 3克。在矽樹脂中任何類型的磷光體 的所需濃度可以很容易地憑經驗確定。通過改變磷光體的保形塗層26 的厚度和在矽樹脂中磷光體32的濃度，可以很容易地調節色溫。
在另一個實施例中，在整個表面上澱積用磷光體浸漬的矽樹脂， 並且旋轉這個結構以除去模具外部的矽樹脂。
圖5表示出得到的透鏡34。在透鏡34上面可以形成附加的透鏡， 以便進一步影響光的發射圖案。然後固化矽樹脂。發光二極體晶片10 現在由矽樹脂密封或基本密封。發光二極體晶片IO的下表面可受到底 層填料的保護，因此矽樹脂完全包圍發光二極體晶片IO以得到足夠密 封並不是必要的。在一個實施例中，保形層26和透鏡34的總厚度約為75微米或更大些。
然後，除去光刻膠28。
圖6-8說明用矽樹脂-磷光體透鏡密封發光二極體晶片10的另 一種技術。如以上所述，每個發光二極體晶片在密封之前都有一個磷 光體的保形層。
在圖6中，模具40具有與在每個發光二極體晶片10上的透鏡的 期望形狀對應的凹陷42。模具40最好是由金屬形成的。在模具40上 放置具有模具40的大體形狀的一個極薄的不黏膜44。膜44是由防止 矽樹脂粘結到金屬上的眾所周知的常規材料製成的。如果透鏡材料與 模具不粘結，就不需要膜44了。這可通過使用不粘的模具塗層、使用 不粘的模具材料或者使用產生不粘界面的模具工藝完成。這樣一些工 藝可能涉及選擇某些工藝溫度來獲得最小的粘性。通過不使用膜44, 可形成更加複雜的透鏡。
在圖7中，用可以熱固化的或者可以紫外固化的、浸漬有磷光體 的液態透鏡材料填充模具凹陷42。先前針對圖4描述過這樣的磷光體。 透鏡材料46可以是任何適當的光學透明的材料，如矽樹脂、環氧樹脂 或者混合的矽樹脂/環氧樹脂。可以使用混合物實現匹配的熱膨脹系 數(CTE)。矽樹脂和環氧樹脂具有足夠高的折射率(大於1.4)，因 此可以極大地改善從AlInGaN發光二極體的光提取，並且可以用作為 透鏡。 一種類型的矽樹脂的折射率為1.76。
在支撐結構12的周邊和模具40之間產生了真空密封，並使這兩 塊相互壓緊，從而使每個發光二極體晶片10都插入液態透鏡材料46 中，並且使透鏡材料46處在壓迫之中。
然後將模具40加熱到約150攝氏度(或其它合適的溫度) 一段時 間，以便硬化所說的透鏡材料46。
然後，從模具40上分離支撐結構12。膜44使得到的硬化透鏡容 易從模具40上脫離。然後，除去膜"。
在另一個實施例中，首先用浸漬有磷光體的一個矽樹脂層(或另 外的粘結劑)覆蓋圖6的發光二極體晶片10，然後固化所說的矽樹脂。 用矽樹脂或另一種材料填充模具凹陷42。然後當將發光二極體晶片10 放置在模具中時，在覆蓋材料上成型模具材料以形成透鏡。如果覆蓋 層不用作透鏡，則可以使用這種技術。圖8表示在每個發光二極體晶片10上帶有模製透鏡48的所得結 構。在一個實施例中，模製透鏡的直徑在1亳米和5毫米之間。透鏡 48可以是任何大小和形狀。得到的發光二極體通過藍色光和兩種磷光 體發出的光的組合發射白光。
可以通過任何一種上述的方法在保形層26和第一矽樹脂-磷光體 塗層上形成一個或多個附加的透鏡。所說一個或多個附加的透鏡可以 包含例如用於發射橙色光的另外類型的磷光體，以便產生更加令人愉 悅的光。
圖9是所得結構的透視圖，其中支撐結構12支撐發光二極體晶片 陣列，每個發光二極體晶片都具有使用這裡描述的任何一種工藝形成 的矽樹脂-磷光體透鏡48。通過鋸割或切分裝配架12可以分離每個發 光二極體(帶有其下方的裝配架部分)，以形成單個的發光二極體芯 片。可替換地，可以切開支撐結構12，以支撐發光二極體的子組，或 者可以在不切開支撐結構12的條件下使用所說的支撐結構12。
浸漬有磷光體的透鏡48不僅影響總顏色，而且還改善光從發光二 極管晶片的提取，折射所說的光以產生期望的發射圖案，密封發光二 極管晶片以保護晶片不受汙染，增加機械強度，並且保護任何的線結 合。
可以將裝配架安裝在電路板上。電路板可以是金屬板(如鋁)， 在絕緣層上有金屬引線。
發光二極體晶片IO還可以是非倒裝晶片的晶片，其導線將頂部的 n型層或p型層連接到裝配架上的金屬墊上。透鏡48可以密封所說的 導線。
在一個實施例中，電路板本身可以是支撐結構12。 圖10-13表示的是上述實施例的變化。可以使用上述的任何一種 技術來產生這些變化。
圖IO表示具有磷光體的保形層26的發光二極體晶片50,其中在 密封材料54(如矽樹脂)中混合兩種不同的磷光體52、 53。例如，發 光二極體晶片50可以發射紫外光或近紫外光，保形層26可以轉換部 分所說的這個光為紅色，磷光體52、 53分別轉換漏過的發光二極體的 光為藍色和綠色。可替換地，保形層26可以是所說3種顏色磷光體中 的任何一種，磷光體52、 53可以是其餘的磷光體。在材料54中可以包括超過兩種類型的磷光體，以產生期望的白光溫度和較寬的顏色光 譜。
圖n表示沒有磷光體的保形層的藍色發光二極體56。在密封劑
59中浸漬紅色和綠色磷光體57、 58，以產生白光。
圖12表示具有磷光體的保形層26以及在透鏡62中浸漬的一種或 多種磷光體61的發光二極體晶片60,其中透鏡62模製成菲涅爾透鏡。 透鏡62還可以是在第一透鏡上上方才莫制(overmolded)的第二透鏡。
圖13表示具有磷光體的保形層26以及在透鏡66中浸漬的一種或 多種磷光體65的發光二極體晶片64,其中透鏡66模製成寬發射透鏡。 透鏡66還可以是在第一透鏡上上方模製(overmolded)的第二透鏡。 如果使用圖6-8的技術，這樣一種形狀是可能出現的，條件就是當從 模具上除去透鏡時透鏡材料足夠軟。
在另 一個實施例中，通過相繼進行的電泳工藝來澱積磷光體的兩 保形層，其中一層是YAG(黃色、黃綠色或綠色，這取決於摻雜劑)， 另一層是CaS(紅色)。然後，矽樹脂透鏡密封發光二極體晶片。
在這裡描述的任何一種發光二極體晶片可以發射藍色光、紫外光 或近紫外光。在一般情況下使用磷光體產生白光，白光的色溫範圍是 2000K- 5000K。
在這裡描述的白光發光二極體的某些用途包括汽車前燈、閃光 燈、內部照明燈、照相機閃光、液晶顯示器的背光源。
雖然已經示出並描述了本發明的特定實施例，但對於本領域的普 通技術人員來說顯而易見的是，在不偏離本發明的情況下可以在其較 寬方面進行變化和改進，因此所附的權利要求書的範圍將要包含落入 本發明的真正構思和範圍內的所有的這些變化和改進。
權利要求
1、一種發光二極體(LED)結構，包括發光二極體晶片，它發出具有藍色或較短波長的光；第一磷光體，用於轉換發光二極體的光為白光的第一顏色分量，所說第一磷光體在多個表面上保形塗敷發光二極體晶片，其中第一磷光體塗層的外表面基本上符合發光二極體晶片的多個表面；在透明粘結劑中的第二磷光體，它基本上密封具有保形塗層的發光二極體晶片，從發光二極體晶片和至少第一和第二磷光體發出的光的組合產生白光。
2、 權利要求l的結構，其中從發光二極體晶片發出的光是範圍 在420 - 490納米的藍色。
3、 權利要求l的結構，其中白光的色溫範圍是2000K- 5000K。
4、 權利要求l的結構，其中當由發光二極體的光提供能量時第 一磷光體產生黃色光或黃綠色光，並且當由發光二極體的光提供能量 時第二磷光體產生紅色光。
5、 權利要求l的結構，其中當由發光二極體的光提供能量時第 一磷光體產生紅色光，並且當由發光二極體的光提供能量時第二磷光體產生黃綠色光或綠色光。
6、 權利要求l的結構，其中當由發光二極體的光提供能量時第 一磷光體產生綠色光，並且當由發光二極體的光提供能量時第二磷光 體產生紅色光。
7、 權利要求l的結構，進一步還包括第三磷光體，第三磷光體在 粘結劑中與第二磷光體混合，用於從至少第一磷光體、第二磷光體和 第三磷光體的組合中產生白光。
8、 權利要求l的結構，其中第一磷光體和第二磷光體是用於產 生白光的僅有的磷光體。
9、 權利要求l的結構，其中通過電泳澱積第一磷光體。
10、 權利要求l的結構，其中第一磷光體是YAG磷光體，第二 磷光體是CaS磷光體。
11、 權利要求l的結構，其中第一磷光體是CaS磷光體，第二 磷光體是YAG磷光體。
12、 權利要求l的結構，其中透明粘結劑是矽樹脂。
13、 權利要求l的結構，其中保形塗層的厚度範圍是15-35微米。
14、 權利要求1的結構，其中第一磷光體的保形塗層厚度的任 何變化小於第一磷光體的平均厚度的15%左右。
15、 權利要求1的結構，其中透明的粘結劑形成透鏡以實現期 望的白光發射圖案。
16、 權利要求15的結構，其中透鏡包括菲涅爾透鏡。
17、 一種用於產生發光二極體(LED)結構的方法，包括 提供發光二極體晶片，該發光二極體晶片發射具有藍色或更短波長的光；用第 一磷光體在多個表面上保形塗敷發光二極體晶片，以便轉換 發光二極體的光為白光的笫一顏色分量，其中第一磷光體塗層的外表 面基本上符合發光二極體晶片的多個表面；用透明粘結劑中的第二磷光體基本上密封具有保形塗層的發光二 極管晶片，從發光二極體晶片以及至少第 一和第二磷光體發出的光的 組合產生白光。
18、 權利要求17的方法，其中保形塗敷發光二極體晶片包括進 行電泳澱積工藝，以便用第一磷光體電鍍發光二極體晶片。
19、 權利要求17的方法，其中基本上密封發光二極體晶片包括 利用保形塗層在發光二極體晶片的周圍形成光刻膠模具； 在模具內，在透明粘結劑中澱積第二磷光體；固化粘結劑； 除去光刻膠。
20、 權利要求17的方法，其中基本上密封發光二極體晶片包括在模具內的透明粘結劑中提供第二磷光體； 將具有保形塗層的發光二極體晶片插入所說模具中；固化所說粘結劑； 從模具上除去發光二極體晶片。
全文摘要
公開了用於形成白光發光二極體的技術。在一個實施例中，發光二極體發出藍色光。形成用於產生紅、黃、黃綠或綠色光的第一磷光體，以便保形塗敷發光二極體晶片。一種合適的澱積技術是電泳澱積(EPD)。在得到的發光二極體結構上，在用於密封所說晶片的粘結劑(如矽樹脂)中，澱積另一種磷光體(以增加其餘的顏色分量)。藍色發光二極體的光與兩種磷光體的顏色組合產生白光。由於兩種不同的澱積技術是獨立無關並且容易控制，所以得到的白光溫度是高度可控的，並且顏色發射基本上是均勻的。
文檔編號H01L33/50GK101248539SQ200680031192
公開日2008年8月20日 申請日期2006年8月21日 優先權日2005年8月26日
發明者G·巴辛, P·S·馬丁, R·S·韋斯特, T·H·希姆斯特拉, Y·莫裡塔 申請人:飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司