納米顆粒基無機粘合材料的製作方法

2023-07-11 01:02:46

專利名稱：納米顆粒基無機粘合材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製作發光裝置的方法及能夠通過這些方法獲得的 發光裝置，並涉及使用金屬氧化物納米顆粒的穩定溶膠作為用於將光 學元件粘合到發光二極體的粘合材料前驅體。
背景技術：
發光二極體(LED)目前被考慮為用於若干不同照明應用的光源， 且預期發光二極體的使用在將來幾年增長。
發光二極體通常被包含在封裝內，該封裝容納包含有源光產生層 的實際LED晶片以及布置於該LED晶片上的光提取光學系統。封裝 的晶片和光學系統之間的光提取效率是LED面臨的主要課題。
在該上下文中，經典方法涉及使用初級(primary)提取光學系統， 例如，設於LED晶片上的光學球置(optical dome),該光學球置基於 其折射性質來提取光。這些光學球置的材料經常基於矽樹脂和聚合物 (諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))。然而，這些光學球置具有受限 的光熱穩定性，這限制了所使用的LED晶片的功率，並因此限制了發 光裝置的流明功率。
另一挑戰在於，使光學系統在提升的溫度下耐受高的光學功率， 因而使得通過使用在工作時散逸大量熱量的高功率LED可以實現高流 明功率的光源。
解決這個問題的方法是採用無機光學元件以用於從LED晶片提 取光。這些光學元件的材料例如可以是多晶陶瓷材料或玻璃。這些無 機光學元件具有更高的光熱穩定性，這允許發光裝置具有高的流明功 率和輸出。
然而，高功率LED會散逸相當的熱量，且輻射可能強烈。在該上 下文中，LED晶片和提取光學系統之間的粘合形成結，該結將光從LED 晶片耦合到提取光學系統並將提取光學系統物理地粘合到LED晶片， 且該結本身應呈現高的光熱穩定性，使得該結不成為發光裝置中的限 制因素，並使得該結能夠受益於無機提取光學系統的高的光熱穩定性。使情況複雜的因素為，LED晶片本身僅能忍受適當的加工溫度， 而具有高的光熱穩定性的材料是無機的且通常在對於LED晶片而言太 高的溫度下加工。
因此，需要一種發光裝置，其中LED晶片和提取光學系統之間的 粘合能夠耐受在該裝置工作期間所暴露於的負載和應力，且該粘合是 在與LED晶片兼容的溫度下形成的。

發明內容
本發明的目的是克服上述問題，並提供一種發光裝置，其中LED 晶片通過粘合材料粘合到提取光學系統，該粘合材料呈現高的光熱穩 定性且可以在對該LED晶片無害的溫度形成。
從本發明的下述說明而顯而易見的這些和其他目的是通過根據所 附權利要求書的發光裝置以及這種裝置的製作方法來實現的。
因此，在笫一方面，本發明涉及一種用於製作發光裝置的方法，包 括(a)提供至少一個發光二極體和至少一個光學元件；(b)將粘合材 料布置在所述至少一個發光二極體的發光表面上和/或所述至少一個光學 元件的表面上，該粘合材料包含分散於液體介質中的無機金屬氧化物納 米顆粒的穩定溶膠；(c)將所述至少一個光學元件置於所述至少一個發 光二極體的發光表面上，所述粘合材料位於其間，以形成至少一個組件； 以及(d)固化所述粘合材料以形成無機粘合。
如此形成的粘合為LED和光學元件之間的基本純的無機粘合。這 種無機粘合光穩定且熱穩定。此外，這種粘合可以使用對LED晶片無 害的溫度來獲得。所形成的粘合具有遍及可見波長範圍的高透射。由 於粘合材料是不包含任何反應性前驅體的穩定溶膠，保存期限非常長， 且不需要高溫來獲得緻密層。
應注意，在本發明中用作該粘合材料的材料本身例如從文獻US 2005/0141240 Al獲知。然而，當用作LED晶片和光學元件之間的粘合 材料時，存在這樣的附加效應，即，當作為粘合材料以用於獲得LED 晶片和光學元件之間的物理和光學粘合時，該材料呈現良好的特性， 因此使其非常適合作為LED晶片和光學元件之間的粘合材料。
粘合材料的固化可在低於約300°C，優選地200。C或其以下的溫度 加熱所述至少一個組件。
5在該固化步驟中的加熱之前可進行這樣的步驟，其中在諸如真空 這樣的減壓條件下，基本所有剩餘的液體介質從該粘合材料除去。
該金屬氧化物納米顆粒的金屬氧化物可選自Zr、 Ti、 Hf、 Zn、 Nb、 Ta、 B、 Si、 Al、 Ga、 Ge、 Y、 Sn、 Pb的氧化物及其組合，從而 獲得所得到粘合的合適的折射率，該折射率通常在1.45至2.1的範圍。
本發明的方法還可包括，在將粘合材料布置在所述表面上之後， 但是在將光學元件置於LED晶片上之前，從粘合材料除去部分的液體 介質。
在光學元件置於LED晶片上之前去除粘合材料的至少部分液體 介質是有利的。例如，通過除去液體介質，粘合材料轉變為膠粘的高 粘稠材料，用作粘合劑。此外，在固化步驟中，需要從粘合材料乾燥 的液體介質數量更少。
所述金屬氧化物顆粒的平均顆粒尺寸通常為約4nm至約80nm。 通過使用在該尺寸範圍內的金屬氧化物顆粒，可以使用低溫進行固化。 這助於在對LED無害的低溫形成緻密粘合材料。
優選地，金屬氧化物納米顆粒分布於其中的該液體介質兼做該納 米顆粒的分散劑和表面活性劑。通過選擇兼做金屬氧化物納米顆粒的 分散劑和表面活性劑的液體介質，當液體介質被除去時，顆粒不會絮 凝或聚結。這種液體介質的示例包括諸如乙二醇單丁醚(2-buthoxy ethanol)和乙二醇單正丙醚(2-propoxyethano1)這樣的乙二醇醚類。
在本發明的實施例中，置於LED晶片上的光學元件是無機材料 的。本發明的粘合材料非常耐熱。此外，(例如，多晶陶瓷的)無機光 學元件非常耐熱，因此這種材料體系可用在散逸大量熱的高功率LED 上。
在第二方面，本發明涉及一種發光裝置，其包括至少一個發光二 極管和通過由金屬氧化物納米顆粒組成的粘合材料粘合到所述發光二 極管的發光表面的光學元件，該發光裝置通常可通過本發明的方法來 得到。
在第三方面，本發明涉及使用液體介質中的金屬氧化物納米顆粒 的穩定溶膠作為粘合材料以將光學元件粘合到發光二極體的發光表 面。


現在將參照顯示本發明的當前優選實施例的附圖，更詳細描述本 發明的這些和其他方面。
圖1示意性說明根據本發明實施例的發光裝置。
具體實施例方式
圖1示出根據本發明實施例的發光裝置1。發光裝置1例如可以用
於照明目的。發光裝置l包含發光二極體(LED)晶片10，該LED芯 片IO通過粘合12連接到光學元件13，使得粘合12將由LED晶片10 發射的光從該LED晶片的發光表面11耦合到光學元件13。
圖1中的光學元件13為用於從該LED晶片提取光的光學球置。 然而，光學元件13可採取其他形式，例如其可以設計成板。該光學元 件可由有機材料(例如PMMA)、矽樹脂、或由諸如多晶陶瓷材料或 玻璃這樣的無機材料形成。優選地，該光學元件由這樣的材料形成， 該材料相對於由下面LED發射的波長的光且相對於該裝置在工作期間 達到的溫度是穩定的，該材料通常為無機材料。
光學元件13還可包含諸如發光(螢光和/或磷光)材料的附加部 件，從而至少部分地轉換由LED晶片IO發射的光。
適合在本發明中使用的光學元件的示例包括但不限於光提取球 置、透鏡、準直器以及色彩轉換板。
LED晶片10優選地為倒裝焊(flip-chip )類型並安裝在基板上(未 示出)。
粘合12是至少部分光學透射的或透明的，由此在發光裝置l工作 時，由LED晶片IO發射的光從其發光表面11經由粘合12耦合到光學 元件13，例如用於提取所產生的光。
當在此使用時，術語"發光二極體(縮寫為LED)"指本領域技術 人員已知的所有類型的發光二極體，且包括但不限於無機基發光二極 管、諸如polyLED和OLED之類的有機基發光二極體，且還指雷射二 極管。在本發明的上下文中，"光"被使用來涵蓋從紫外輻射到紅外輻 射的波長範圍，特別是其中的可見和近可見範圍。
本申請的裝置特別適合但不限於與高功率LED —起使用，例如與 在工作期間達到185。C及更高溫度的這類LED—起使用。此外，其中
7陰極和陽極均位於發光表面的同一側上的所謂倒裝焊LED特別地被考 慮用於本發明。
此外，具有無機發光表面的LED,例如，諸如藍寶石的單晶表面， 特別地被考慮用於本發明。
根據本發明，粘合12為金屬氧化物納米顆粒的無機材料，特別是 從金屬氧化物納米顆粒的穩定溶膠得到的緻密層，通常其中該金屬為 Zr、 Ti、 Hf、 Zn、 Nb、 Ta、 B、 Si、 Al、 Ga、 Ge、 Y、 Sn或Pb,例如 Zr02或Ti02，以及其組合和混合物。獲得這種粘合的方法將在下文描 述，但是簡言之，金屬氧化物納米顆粒的溶膠被乾燥和加熱以形成該 緻密層。
該粘合呈現高的光和熱穩定性(對於LED晶片，工作溫度可遠高 於100'C )。結果是，可以採用高功率和高流明LED晶片，由此可以實 現高亮度發光裝置。
通常，這種材料的粘合的折射率範圍為約1.45至約2.1，優選地 1.6至1.9,從而使從LED晶片IO的發光表面11到粘合12的界面內以 及從粘合12到光學元件13的界面內的內部反射最小化。
現在將描述諸如圖1中的裝置1的發光裝置的製造方法。
首先，準備粘合材料。該粘合材料為分散在液體介質中的無機金 屬氧化物納米顆粒的溶膠，該溶膠被穩定以防止絮凝和/或聚結。
該金屬氧化物通常為選自Zr、 Ti、 Hf、 Zn、 Nb、 Ta、 B、 Si、 Al、 Ga、 Ge、 Y、 Sn和Pb其中的一種或多種金屬的氧化物。該金屬氧化 物顆粒可以是單一氧化物，或者是不同氧化物的組合或混合物。優選 地，使用單一成份的高折射率氧化物，例如Zr02或Ti02，或者其組合， 例如 Zr02-Ti02 、 Zr02-Si02 、 Ti02-Si02 、 Zr02-Si02-B203 、 Ti02-Si02-B203、 Zr02國Ti02國Si02或Zr02-Ti02-Si02-B203。
在優選實施例中，金屬氧化物為ZrOz或Ti02,因為基於這些氧 化物的粘合可以獲得高的折射率。
溶膠可以按照本領域技術人員已知的任何合適方式來製備。
通常，金屬氧化物納米顆粒的金屬顆粒尺寸的範圍為約4nm至約 80nm，例如，諸如約4nm至約30nm。
基於溶膠的總重量，按重量計算，溶膠中金屬氧化物納米顆粒的 濃度通常處於20至30%的範圍內。穩定的液體溶膠也可以形成於更低
8和更高的濃度，且這些溶膠可用於本發明。然而，出於本發明的目的， 金屬氧化物納米顆粒的濃度優選地應被優化以得到粘稠溶膠，儘可能 粘稠，但仍具有足夠流動性而可以均勻地分散。取決於顆粒尺寸，按
重量計算介於20和30%的濃度因此適於沉積為粘合層。
液體介質優選地兼用作金屬氧化物顆粒的分散劑和表面活性劑。
結果是，液體溶膠可被濃縮，例如通過除去(蒸發)該液體介質，而
該金屬氧化物納米顆粒沒有任何顯著的絮凝或聚結。
這種液體介質的示例包括乙二醇醚類，優選地乙二醇單丁醚或乙
二醇單正丙醚，或者乙二醇醚類的混合物，這種情況下優選地包含乙
二醇單丁醚或乙二醇單正丙醚。
本發明中考慮的溶膠僅包含分散在液體介質中的無機金屬氧化物
納米顆粒，與含有諸如鋯或鈦醇鹽之類的反應性基質形成體(matrix
former)的溶膠-凝膠相比，朝縮合反應的反應性低得多，因此保存期限長。
液體溶膠形式的粘合材料隨後布置在LED晶片的發光表面(光離 開LED晶片所經過的LED晶片的表面)上，布置在用於面向LED芯 片發光表面的光學元件的表面上，或者布置在這二者上。
將粘合材料布置在(這些)表面上的合適方法包括但不限於配給、 噴塗和旋塗、浸塗、刮刀塗布以及本領域技術人員已知的其他塗布方 法。
當粘合材料布置在(這些)表面上時，例如通過在減壓條件下蒸 發和/或通過加熱，至少部分液體介質可選地從溶膠除去。優選地，光 學元件在粘合材料的下述狀態下置於LED晶片上，即，該粘合材料具 有儘可能高的固體含量，但粘合材料仍然是可變形的。這使得可以補 償將被粘合的部分上的任何不平整。通常，在30至50%重量範圍的固 體濃度，當溶膠已經轉變為膠粘的粘稠溶膠時，光學元件被拾取並置 於LED晶片上，粘合材料介於其間，可選地但不是必需地同時壓縮及 加熱(熱壓)，以形成LED-光學系統組件。
此後，通常是在金屬氧化物的縮合緩慢的減壓和適中溫度條件下， 通過乾燥從粘合材料除去基本所有剩餘的液體介質，且隨後通過熱處 理而固化粘合材料。取決於乾燥工藝的持續時間，固化的溫度可以低 於約300'C，優選地在約200'C或以下，該溫度足以獲得機械強度方面
9的期望特性以及適當的折射率值，從而使其與LED晶片及光學元件的 折射率匹配。
在溶膠的乾燥和固化期間，即使在對LED晶片無害的溫度下，得 到自組織密堆積的納米顆粒氧化物層。所形成的緻密無機氧化物層是 熱穩定的。
在液體介質的釋放期間，粘合材料層中的固體含量增加，該層收 縮且納米顆粒自組織成為堆積層。通過調整分散在溶膠中的氧化物納 米顆粒的顆粒尺寸分布，可以獲得更高的堆積密度，其意味著更低的 孔隙度。因此，折射率和光學透射得到增強。
本領域技術人員理解，本發明絕不限於上述的優選實施例。相反， 在所附權利要求書的範圍內可以進行許多調整和變型。例如，即使一 個LED晶片示於圖1，但多個LED晶片可粘合到一個光學元件以形成 多LED組件。
權利要求
1. 一種用於製作發光裝置(1)的方法，包括(a)提供至少一個發光二極體(10)和至少一個光學元件(13)；(b)將粘合材料(12)布置在所述至少一個發光二極體(10)的發光表面(11)上和/或所述至少一個光學元件(13)的表面上，該粘合材料(12)包含分散於液體介質中的無機金屬氧化物納米顆粒的穩定溶膠；(c)將所述至少一個光學元件(13)置於所述至少一個發光二極體(10)的發光表面(11)上，所述粘合材料(12)位於其間，以形成至少一個組件；以及(d)固化所述粘合材料(12)以形成無機粘合。
2. 如權利要求l所述的方法，其中所述固化包括在低於300。C的溫度加熱所述至少一個組件。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中所述固化包括(dl)在減壓條件下除去至少部分所述液體介質；以及(d2)在低於300'C的溫度加熱所述至少一個組件。
4. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物選自Zr、 Ti、 Hf、 Zn、 Nb、 Ta、 B、 Si、 Al、 Ga、 Ge、 Y、 Sn、 Pb的氧化物及其組合。
5. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中按重量計算，所述穩定溶膠中所述金屬氧化物的濃度範圍為20至30 % 。
6. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中步驟(b)還包括，在該粘合材料布置在所述表面上之後(b2)除去部分所述液體介質以增加所述粘合材料的粘度。
7. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物顆粒的平均顆粒尺寸範圍為4nm至80nm。
8. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述液體介質為所述金屬氧化物納米顆粒的M劑和表面活性劑。
9. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述液體介質包含至少一種乙二醇醚。
10. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述光學元件(13)是無機材料的。
11. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述粘合材料在固化之後具有約1.45至約2.1的折射率。
12. —種發光裝置(l)，包括至少一個發光二極體(10)和通過粘 合材料(12)粘合到所述發光二極體(10)的發光表面(11)的光學元 件(13)，其特徵在於所述粘合材料由經過乾燥和熱處理的金屬氧化物納米顆 粒的溶膠組成。
13. 如權利要求12所述的發光裝置，可通過權利要求1的方法來得到。
14. 使用液體介質中金屬氧化物納米顆粒的穩定溶膠作為粘合材料， 以將光學元件粘合到發光二極體的發光表面。
全文摘要
提供一種用於製作發光裝置的方法，包括提供至少一個LED(10)和至少一個光學元件(13)；將粘合材料(12)布置在所述至少一個LED的發光表面(11)上和/或所述至少一個光學元件(13)的表面上，該粘合材料(12)包含分散於液體介質中的無機金屬氧化物納米顆粒的穩定溶膠；(c)將所述至少一個光學元件(13)置於所述至少一個LED(10)的發光表面(11)上，所述粘合材料(12)位於其間，以形成至少一個組件；以及固化所述粘合材料以形成無機粘合。該粘合材料可以在對LED無害的溫度固化，且所得到的粘合是光熱穩定的。
文檔編號H01L33/58GK101501872SQ200780029449
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月6日 優先權日2006年8月8日
發明者C·克萊南, J·德格拉夫, M·A·弗舒倫, M·-I·波波維西 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司