專利名稱：發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件，所說發(fā)光器件包括至少一個發(fā)光二極管(LED)芯片和一個無機光學元件，無機光學元件借助粘結(jié)劑連接到 芯片(一個或多個)，并且本發(fā)明還涉及制造這樣一種發(fā)光器件的方 法。
背景技術(shù)：
在使用發(fā)光二極管時的一個技術(shù)難題是有效地提取發(fā)光二極管芯 片產(chǎn)生的光，從而獲得具有足夠功效的發(fā)光器件。在這一方面的傳統(tǒng) 作法包括使用主提取光學元件(primary extraction optics)，即 在發(fā)光二極管芯片上提供的光學球罩，所說光學球罩可以根據(jù)它們的 折射性質(zhì)來提取光。這些光學球罩的材料是通?；诠铇渲途酆衔?(如PMMA)的。然而，這些光學球罩限制了光-熱穩(wěn)定性，光-熱穩(wěn)定 性限制了所用發(fā)光二極管芯片的功率，所說的功率又限制了發(fā)光器件 的發(fā)光功率。一種可替換的方法是使用無機光學元件從發(fā)光二極管芯片提取 光。這樣的光學元件的材料可以例如是多晶陶f:材料或玻璃。這種無 機光學元件具有高得多的光-熱穩(wěn)定性，這就允許使用高功率的發(fā)光二 極管芯片，這又可實現(xiàn)具有高發(fā)光功率和高光輸出的發(fā)光器件。然而，高功率的發(fā)光二極管芯片可能排放大量的熱量，輻射可能 是強烈的。在這種情況下，在發(fā)光二極管芯片(一個或多個)和無機 光學元件之間的粘結(jié)劑是一個重要的方面，所說的粘結(jié)劑形成將光從 發(fā)光二極管芯片(一個或多個)耦合進無機光學元件的一個結(jié)合部。 粘結(jié)劑或結(jié)合部的本身應該表現(xiàn)出高的光-熱穩(wěn)定性，這樣它就不成為 發(fā)光器件中的性能限制因素，并且因而才有可能從無機光學元件獲 益。于是，需要一種發(fā)光器件，在發(fā)光器件的高功率發(fā)光二極管芯片 和無機光學元件之間的粘結(jié)劑要能夠承受它所面對的負荷和應力。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是解決這個問題并提供一種改進的發(fā)光器件。
從下面的描述變成顯而易見的這個和其它目的是借助根據(jù)所附的 權(quán)利要求書所述的一種發(fā)光器件，和一種用于制造這種發(fā)光器件的方 法實現(xiàn)的。按照本發(fā)明的一個方面，提供一種發(fā)光器件，所說發(fā)光器件包括 至少一個發(fā)光二極管芯片和借助粘結(jié)劑連接到所說芯片(一個或多 個)的一個無機光學元件，其中的粘結(jié)劑是一種粘結(jié)材料，粘結(jié)材料 包括一種基質(zhì)，其中包括硅和氧的原子，利用烴基直接鍵合到硅原子的至少一部分上。優(yōu)選地，粘結(jié)材料包括分子式為Si0uR的倍半硅氧 烷(silsesquioxane )，這里的R例如是甲基、乙基、或苯基。這樣的無機-有機粘結(jié)材料具有極高的光和熱穩(wěn)定性。硅-碳粘 結(jié)劑在空氣中一直到約400TC都是熱穩(wěn)定的，并且波長低達約350nm 都是穩(wěn)定的。結(jié)果，可以使用高功率的發(fā)光二極管芯片，借此可以實 現(xiàn)高亮度的發(fā)光器件。還有，由于硅原子相互之間只是三重交聯(lián)的事 實，所說的基質(zhì)具有相對較高的彈性。應當指出的是，類似的粘結(jié)材料本身是公知的，例如文獻 US5991493所公開的。然而，當作為(高功率)發(fā)光二極管芯片和無 機光學元件之間的粘結(jié)材料應用時，卻具有出人意料的附加效果粘 結(jié)材料具有極高的光和熱穩(wěn)定性，因此作為發(fā)光二極管芯片和無機光 學元件之間的粘結(jié)劑使其極為適用。所說粘結(jié)劑優(yōu)選地是至少部分透光的或者透明的，以便將來自發(fā) 光二極管芯片(一個或多個)的光耦合出來并進入無機光學元件內(nèi)。粘結(jié)材料是從一種前驅(qū)物材料制成的，所說前驅(qū)物材料優(yōu)選包括 有機改性的硅烷。優(yōu)選地，例如使用甲基、乙基、或苯基作為有機改 性劑，對于硅烷進行單一有機改性。將單一有機改性理解為硅的四個 共價鍵之一是Si-C鍵。在這種情況下，其余的三個鍵是Si-O鍵。優(yōu) 選的前驅(qū)物材料的一個例子是溶膠凝膠材料，該溶膠凝膠材料包括甲 基-3-甲氧基-硅烷(MTMS)，這是一種單曱基改性硅烷。在經(jīng)過適當 的處理之后，MTMS導致一種粘結(jié)材料，該粘結(jié)材料包括具有基本結(jié)構(gòu) CH3-Si-015 (即，倍半硅氧烷)的基質(zhì)。由于硅原子相互之間只是三 重交聯(lián)的事實，這種基質(zhì)具有相對較高的彈性。其它合適的前驅(qū)物材 料包括T-樹月旨，例如來自Wacker Chemie GmbH的Silres610或 Silres603。
將發(fā)光二極管芯片(一個或多個)連接到無機光學元件的粘結(jié)劑進一步還可包括從Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb和Hf 組成的組中選擇出來的至少一種元素 的氧化物。氧化物的作用是 增加粘結(jié)劑的折射率，折射率的增加又提高了粘結(jié)劑的光耦合能力。還有，粘結(jié)劑進一步還可包括磷光顆粒，例如YAG:Ce。包括磷光 顆粒的粘結(jié)劑優(yōu)選地與發(fā)射藍光或紫外(A)光的發(fā)光二極管芯片組合 起來，產(chǎn)生所謂的磷轉(zhuǎn)換的發(fā)光二極管。在磷轉(zhuǎn)換的發(fā)光二極管中， 通過磷光顆粒把來自發(fā)光二極管芯片的至少某些藍光輻射轉(zhuǎn)換成例如 黃光。未經(jīng)轉(zhuǎn)換的藍光和所說的黃光合在一起產(chǎn)生白光。于是，在這 種情況下，粘結(jié)劑的作用有兩個， 一是粘結(jié)劑，二是磷包殼(phosphor encapsulate)。還有，上述的粘結(jié)材料在藍光通量下表現(xiàn)出極其穩(wěn)定 的性能。按照本發(fā)明的另一方面，提供制造發(fā)光器件的方法。所說方法包 括提供發(fā)光二極管芯片和無機光學元件，制備包括有機改性的硅烷 的前驅(qū)物粘結(jié)材料，將所說粘結(jié)材料涂敷到所說芯片和光學元件中的 至少一個上，至少部分地水解粘結(jié)材料，使用涂敷的粘結(jié)材料作為粘 結(jié)劑粘結(jié)所說芯片和光學元件，固化所說粘結(jié)材料。這種方法提供與 利用本發(fā)明的先前討論過的方面獲得的優(yōu)點相似的優(yōu)點。


下面，參照表示本發(fā)明的當前優(yōu)選的實施例的附圖更詳細描述本 發(fā)明的這些和其它的方面。圖1是按照本發(fā)明的實施例的發(fā)光器件的側(cè)視圖，和圖2是描述用于制造按照本發(fā)明的實施例的發(fā)光器件的方法的流程圖。
具體實施方式
圖l表示按照本發(fā)明的實施例的發(fā)光器件10。發(fā)光器件IO例如可 用于照明的目的。發(fā)光器件10包括發(fā)光二極管(LED)芯片12，發(fā)光 二極管芯片借助粘結(jié)劑16連接到無機光學元件14。在這里，無機光學 元件14粘接到發(fā)光二極管芯片12的發(fā)光側(cè)18。圖1中的無機光學元件14是一個光學球罩，用于從發(fā)光二極管芯
片提取光。然而，無機光學元件還可采用其它的形式，例如可以將其設計成一個平板。發(fā)光二極管芯片12最好是倒裝芯片類型，并且安裝 在一個基板(未示出)上。粘結(jié)劑16至少是部分透光的或透明的，由此，在發(fā)光器件IO工 作時，發(fā)光二極管芯片12產(chǎn)生的光經(jīng)過粘結(jié)劑16耦合到光學元件14 上，所說光學元件又用于提取由發(fā)光二極管芯片12產(chǎn)生的光。按照本發(fā)明的實施例，有機-無機的粘結(jié)劑是一種粘結(jié)材料，該 粘結(jié)材料包括一種基質(zhì)，基質(zhì)優(yōu)選地包括倍半硅氧烷 (silsequioxane)。所說的粘結(jié)劑展示出很高的光和熱穩(wěn)定性(發(fā)光二 極管芯片的工作溫度可以是約IOO'C )。結(jié)果，可以使用高功率和高流明的發(fā)光二極管芯片，由此可以實現(xiàn)高亮度的發(fā)光器件?，F(xiàn)在針對圖2詳細地描述諸如圖1所示的器件IO之類的發(fā)光器件 的制造方法。首先準備前驅(qū)物材料(步驟1 )。所說前驅(qū)物材料包括有機改性的 硅烷。優(yōu)選的前驅(qū)物材料的一個例子是溶膠-凝膠材料，該材料包括曱 基-3-曱氧基-硅烷(MTMS)，這是一種單甲基改性硅烷，它的分子式 是CH廣Si(CH廣0)3。另一種合適的前驅(qū)物材料是T-樹脂，如 Silres610。還可以使用利用另外的有機基如乙基或苯基改性的硅烷。前驅(qū)物材料進一步還可包括Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb、或Hf的氧化物的納米顆粒，其作用是增加最終的粘結(jié)劑的折 射率。所說氧化物可以具有一個外部硅烷層，用于防止外圍基質(zhì)的光 -熱性能下降。前驅(qū)物溶膠-凝膠材料經(jīng)受水解過程(步驟2)，在將所說前驅(qū)物 溶膠-凝膠材料涂敷到發(fā)光二極管芯片和無機光學元件中的至少 一個 上(由此它們粘結(jié)在一起)(步驟3)之后，在這些部分上形成一個涂層。當前驅(qū)物溶膠-凝膠材料涂在這些部分(即發(fā)光二極管芯片和無機 光學元件)上時，繼續(xù)進行網(wǎng)格的形成(凝結(jié))，并且在固化期間這 個網(wǎng)格的形成過程不斷進展。在這個凝結(jié)期間，網(wǎng)格收縮，固體成分 增加并且釋放出揮發(fā)性的組分。優(yōu)選地，當存在盡可能高的固體成分時在溶膠-凝膠材料的狀態(tài)粘 結(jié)這些部分，但所說的材料仍舊還有點柔軟而且具有起反應的基團/
位置(凝膠狀態(tài))。這樣就可以對于要粘結(jié)的部分的非平直度進行補 償。通過首先將溶膠-凝膠涂敷在要粘結(jié)的部分上并且使溶膠-凝膠幾乎完全干燥(步驟4 )，就能以可控的方式獲得這種高固體含量的凝膠 狀態(tài)。這將從涂層上并且從網(wǎng)格上除去大部分乙醇和水。然而，在這 一狀態(tài)涂層不再足夠柔軟來產(chǎn)生形變并補償要粘結(jié)的部分的非平直 度。通過將這些涂敷的部分放在乙醇氣氛中(步驟5)，溶膠-凝膠吸 收一些乙醇、膨脹、并且再次變得柔軟。通過溶膠-凝膠曝露于乙醇氣 氛的時間可以控制這個膨脹的量。這個過程的一個優(yōu)點是，在隨后的 固化期間很少量的揮發(fā)物需要通過基質(zhì)擴散來除掉。隨后使發(fā)光二極管芯片和無機光學元件部分聚在一起并粘結(jié)在一 起(步驟6)，同時可選地要經(jīng)過壓縮，即彼此壓在一起。由于溶膠-凝膠材料要進一步固化(步驟7)，剩余的揮發(fā)性組分從溶膠-凝膠基 質(zhì)上擴散出來。通過緩慢地加熱溶膠-凝膠材料在粘結(jié)這些部分以后， 同時向這兩個部分施加壓力，從而完成了這一固化過程。溶膠-凝膠固 化的最低溫度約為200C，并且這個溫度可以高達450"C。在固化期間， 溶膠-凝膠進一步凝聚，它的密度進一步加大。這將產(chǎn)生期望的性質(zhì)， 例如最終粘結(jié)材料的機械強度和折射率。當4吏用MTMS時，整個反應是CH3Si (OCH3) 3+1. 5H20 —CH3Si015+3CH3OH作為前述的將粘結(jié)材料在乙醇氣氛中膨脹的替換方案，前驅(qū)物材 料可以包括高沸點溶劑，借此使粘結(jié)材料在粘結(jié)步驟之前預干燥。這 一過程的優(yōu)點是，它將高沸點溶劑留作最后的揮發(fā)物，在隨后的固化 期間通過基質(zhì)的擴散排除掉該揮發(fā)物。所說溶劑的沸點優(yōu)選地在100 至200。C范圍內(nèi)。還有，在一個加熱步驟中，可以將預干燥過程變?yōu)楣?化過程。為了減小MTMS溶膠-凝膠材料在轉(zhuǎn)換時的收縮，前驅(qū)物材料進一 步還可包括膠質(zhì)的硅烷。結(jié)果，可以降低熱膨脹系數(shù)，同時還可保持 高的彈性。這樣一種材料具有很好的粘結(jié)性質(zhì)，并且能夠適應由粘結(jié) 材料基質(zhì)本身的形成過程引發(fā)的應力以及熱性質(zhì)產(chǎn)生的應力，例如由 于粘結(jié)的部分和/或粘結(jié)劑之間的膨脹系數(shù)的失配產(chǎn)生的應力。還可以用TEOS (四乙氧基硅烷，Si(0C2H0 0 ，或鈦、鋯、或其它 高折射率的前驅(qū)物材料部分地代替MTMS。在這種情況下，前驅(qū)物材料 包括MTMS和例如TE0S這兩者。進而，有機基較少，并且認為這種粘 結(jié)材料具有甚至于更大的光-熱穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C成分較少的系統(tǒng)的 缺點是粘結(jié)層需要更薄些。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應該認識到，本發(fā)明決不限于以上描述的 優(yōu)選實施例。相反，在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)許多的改進和變化 都是可以的。例如，即使在以上圖1中表示的是一個發(fā)光二極管芯片， 但是可以將多個發(fā)光二極管芯片粘結(jié)到一個無機光學元件上，形成有 多個發(fā)光二極管的模塊。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光器件(10)，包括至少一個發(fā)光二極管芯片(12)；和借助粘結(jié)劑(16)連接到所說芯片(一個或多個)的一個無機光學元件，其特征在于所說粘結(jié)劑是一種粘結(jié)材料，粘結(jié)材料包括一種基質(zhì)，基質(zhì)包括硅和氧原子，氧原子利用烴基直接鍵合到硅原子的至少一部分上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所說粘結(jié)材料包括倍 半硅氧烷，在這里，直接與硅鍵合的基是從由甲基、乙基、或苯基構(gòu)成 的組中選擇出來的一種成分。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)光器件，其中所說粘結(jié)材料是從一 種前驅(qū)物材料形成的，所說的前驅(qū)物材料包括有機改性的硅烷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中所說前驅(qū)物材料包括 單一有機改性的硅烷。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中所說硅烷是通過從甲 基、乙基、或苯基構(gòu)成的基團中選擇出來的一種成分進行改性的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中所說前驅(qū)物材料包括 甲基-3-甲氧基-硅烷(MTMS)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中所說前驅(qū)物材料是溶 膠-凝膠材料。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中所說前驅(qū)物材料包括 T-樹脂。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所說粘結(jié)劑進一步還 包括一種氧化物，氧化物包括從由Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb和Hf構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所說粘結(jié)劑進一步 還包括磷光顆粒。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所說粘結(jié)劑是至少 部分地透明的。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所說發(fā)光二極管芯 片適合于發(fā)射藍光和紫外(A)光這二者之一。
13、 一種制造發(fā)光器件的方法，所說方法包括 提供發(fā)光二極管芯片和無機光學元件； 制備包括有機改性的硅烷的前驅(qū)物粘結(jié)材料； 至少部分地水解粘結(jié)材料；涂敷所說的粘結(jié)材料到所說芯片和所說光學元件這二者中的至少 一個上；使用涂敷的粘結(jié)材料作為粘結(jié)劑粘結(jié)所說芯片和所說光學元件；和固化所說粘結(jié)材料。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進一步還包括在所說的粘結(jié) 之前，完全地或者接近完全地干燥所說的粘結(jié)材料；并將具有粘結(jié)材料的所說芯片和所說光學元件放置在乙醇氣氛中。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所說前驅(qū)物材料進一步 還包括一種溶劑，并且其中所說的方法進一步還包括在所說粘結(jié) 之前，預干燥所說粘結(jié)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件，它包括至少一個發(fā)光二極管芯片(12)；和借助粘結(jié)劑(16)連接到所說芯片(一個或多個)的一個無機光學元件(14)。所說發(fā)光器件的特征在于粘結(jié)劑是一種粘結(jié)材料，粘結(jié)材料包括一種基質(zhì)，該基質(zhì)包括硅和氧原子，氧原子利用烴基直接鍵合到硅原子的至少一部分上。這樣的無機-有機粘結(jié)材料具有極高的光和熱穩(wěn)定性。結(jié)果，可以使用高功率和高流明的發(fā)光二極管芯片，借此可實現(xiàn)高亮度的發(fā)光器件。本發(fā)明還涉及制造這樣一種發(fā)光器件的方法。
文檔編號H01L33/58GK101160672SQ200680012156
公開日2008年4月9日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者J·德格拉夫, M·A·弗舒?zhèn)? M·P·J·皮特斯, T·A·P·M·柯爾斯滕 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司