專利名稱：均勻顏色發(fā)光的led封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED封裝，特別涉及發(fā)光二極管的一個框架和一個封蓋，其能夠改善顏色均勻性和發(fā)光強度，及其制作方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是半導體光源。LED跟其它光源如白熾燈相比，有很多優(yōu)點。在這些優(yōu)點中，LED通常具有更長的使用壽命、更高的可靠性、更快的切換特性和更低的能耗。 最近的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)能夠生產(chǎn)出與白熾燈發(fā)光強度相當或超出白熾燈發(fā)光強度(流明/瓦特)的LED。在電子電路里，當LED的正向偏壓超過閾值電壓時，基于電子空穴對的復合，LED 會自發(fā)性地發(fā)光。LED所產(chǎn)生的光的波長取決于形成LED的p-n結(jié)內(nèi)所使用材料之間的帶隙。LED所產(chǎn)生光的波長通常在紅外線、可視光或紫外光范圍內(nèi)。LED的詳細資料請參照E.Fred Schubert的“發(fā)光二極管(light emitting diodes) ”，劍橋大學出版，在此其通過引用結(jié)合到本文。半導體光學的詳細資料請參照Claus F. Klingshirn的“半導體光學 (semiconductor optics) ”，Springer出版，在此其通過引用結(jié)合到本文。為了便于制造，LED的最常用外形是一個微米尺寸的平面方形的LED芯片，其被安置在基板上。構(gòu)成該芯片的半導體通常是硅或藍寶石，基板可以是金屬，如鋁，其也可充當散熱器(heat sink)。LED芯片可以通過細金屬導線而電連接到基板上的電路。LED芯片本身可以是安裝在基板表面上，或在基板上的一個腔內(nèi)。生產(chǎn)一個適合用于人類環(huán)境的光源的高亮度輸出的LED存在著許多挑戰(zhàn)。首先是從LED芯片的平面盡量提取更多的光。由于半導體材料有一個高折射率，大量所產(chǎn)生的光在半導體和空氣界面會產(chǎn)生全內(nèi)反射(TIR)行為。現(xiàn)有技術(shù)是，通過降低半導體和空氣間的折射率差異，能夠減少產(chǎn)生TIR的光。由于半導體折射率是一種材料特性，可以利用一種較高折射率的密封材料來封裝LED。通常使用的是一種環(huán)氧樹脂材料，最近越來越多地使用硅膠，因為硅膠具有更高的透明性、顏色穩(wěn)定性和熱特性。但是，硅膠相對而言比較難進行點涂(dispense)。LED的平面具有朗伯發(fā)光圖案(Lambertian emission pattern)，如圖1所示。換言之，發(fā)光強度與觀察者位置和表面法線之間的角度的余弦成正比例。所以，觀察者在所有位置上所觀察到的發(fā)出光是一樣的。用來減少TIR的密封材料也可以充當一個透鏡，使發(fā)出的光束變窄。各種形狀的密封材料已經(jīng)被使用過，在現(xiàn)有技術(shù)里，已經(jīng)知道使用一半球狀的密封材料來使平面LED芯片的光提取效率達到最大值?！┨映龅墓鈺恢車宀牧衔栈蚍瓷洌貏e是當LED芯片被安置在一個腔內(nèi)時。一個未封裝的LED會產(chǎn)生單色光。當LED用作環(huán)境光源時，近年來研究重點集中在如何制作LED封裝，使該封裝能夠發(fā)出跟LED芯片不同顏色光的光。其中，人們相當大的興趣是制作白光。最常用來產(chǎn)生白光的方法是放置一種波長轉(zhuǎn)換材料在單個LED上，如黃
4色熒光粉，被放置在藍光LED芯片的發(fā)光面上。施加到LED芯片上的波長轉(zhuǎn)換材料層將會吸收一些發(fā)出的光子，并將它們轉(zhuǎn)換(down-convert)成另一種可視波長的光，從而產(chǎn)生一個藍色和黃色波長光的兩色光源。當產(chǎn)生的黃光和藍光有適當比例時，人眼所感受到的就是白光。在現(xiàn)有技術(shù)里，人們會添加一種波長轉(zhuǎn)換材料在圍住LED芯片的封裝層中。可以有各種方法來施加封裝材料。它們主要分為兩種一種是使用模封成型或預模封成型技術(shù)來直接固定熒光材料到基板，另一種是建立一個圍繞LED芯片的壩提，作為材料填充范圍。 后者通常被稱為點涂(dispensing)，以液體方式提供的封裝材料被放置在芯片上進行固化。影響白光顏色質(zhì)量的因素是LED芯片上方的熒光粉數(shù)量和分布。這些決定了所產(chǎn)生的黃色波長光的比例。當熒光粉被分散在封裝材料內(nèi)時，工藝控制問題會導致熒光粉不均勻地分布在LED周圍。結(jié)果，封裝的LED所產(chǎn)生的光可能有一個遠離中央光軸的黃色光 “環(huán)”。這也起因于LED的朗伯發(fā)光圖案和/或熒光粉顆粒沉淀相對于發(fā)出的藍光數(shù)量，在 LED芯片中央有太少的熒光粉顆粒以致不能發(fā)出足夠的黃光，然而，相對發(fā)出的藍光數(shù)量， 在LED芯片側(cè)面有太多熒光粉顆粒，因此過度激發(fā)而發(fā)出黃光。因此，需要一種具有均勻顏色發(fā)光屬性的LED封裝。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一個有一個或多個發(fā)光二極管被安裝在基板上的發(fā)光二極管封裝。一個框架被安置在基板上的至少一部分，并圍住但沒有接觸到發(fā)光二極管?？蚣軐τ诎l(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并包括一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料。波長轉(zhuǎn)換材料可以是一種或多種熒光材料，如熒光粉，用于將從發(fā)光二極管發(fā)出的光的至少一部分由一波長轉(zhuǎn)換成另一波長。一個封蓋覆蓋住發(fā)光二極管，并被連接到框架，通常是在框架的外緣，并且對于發(fā)光二極管發(fā)出的光來說是透明的。封蓋包括一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換材料，其在波長轉(zhuǎn)換材料的濃度上，或者在被轉(zhuǎn)換的光的波長上，或者在波長轉(zhuǎn)換材料組合上，不同于一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料。

圖1顯示一個發(fā)光二極管的朗伯發(fā)光模式。圖2A-2C是本發(fā)明實施例的LED封裝示意圖。圖3A-3C是典型LED封裝的俯視圖。圖4顯示一個LED芯片根據(jù)不同角度發(fā)出的光強度。圖5顯示計算一個LED封裝邊緣高度的公式的參數(shù)。
發(fā)明詳述詳情請參照附圖，圖4顯示一個LED芯片所發(fā)出的不同角度的光強度。如圖4所示，在正負60度的發(fā)光角度上，LED光的相對發(fā)光強度下降大約50%，而在正負75度的發(fā)光角度上，下降大約90%。因此，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)圍住LED芯片的波長轉(zhuǎn)換材料的均勻分布通常會導致LED封蓋層頂部附近(即具有最大發(fā)光強度的區(qū)域)的波長轉(zhuǎn)換材料不夠，類似地， 均勻分布會導致太多的波長轉(zhuǎn)換材料在LED的側(cè)面。結(jié)果，整體的發(fā)光圖案將顯示不均勻的顏色特性。從這個發(fā)現(xiàn)，開發(fā)出了本發(fā)明。圖2A是本發(fā)明其中一個實施例的封裝了的發(fā)光二極管200的示意圖。LED 210安置在基板215上。盡管所示LED在一個水平基板表面上，但是應該理解，LED可以安置在一個腔內(nèi)，如用于點涂方法制作的那些腔。在一個典型實施例里，LED 210是一個發(fā)出主要顏色的LED，如藍光LED，其用于制作一個“白光”LED封裝，如上所述，其發(fā)出的光在人眼看來是“白光”。但是，根據(jù)期望從LED 封裝發(fā)出的總體光，也可以選擇其它LED，如UV或綠色LED?？梢詮囊阎腖ED材料來選擇 LED,如半導體材料LED和有機發(fā)光二極管(OLED)。在LED 210周圍制作一個框架220，使得LED被安置的位置的中心與框架220所建形狀的中心基本一致?？蚣?20的形狀通常于LED中心對稱，盡管也可以使用不對稱的框架。典型的框架形狀如圖3A-3C的俯視圖所示，盡管框架并不只限于這些外形。在圖3A 里，框架220基本是圓形的。圖:3B顯示兩個相鄰LED的一個框架形狀320，而圖3C顯示一個適合一批排列整齊的LED的框架420。框架可以在一個或多個LED周圍形成一個連續(xù)的周邊邊緣(“閉合框架”)，或者框架也可以是開放的，即框架在一個或多個LED周圍形成一個不連續(xù)的周邊邊緣(“開放框架”)。在一個典型實施例里，框架是由一層硅膠形成，其對于LED 210發(fā)出的光來說，基本上是透明的。但是，應該理解，也可以使用其它材料作為該邊緣，透明的或是半透明的都可以，包括但不限于環(huán)氧、丙烯樹脂、其它聚合物材料或玻璃(如旋涂式玻璃(spin-on glass))。內(nèi)含在框架材料內(nèi)的是一種或多種波長轉(zhuǎn)換材料。波長轉(zhuǎn)換材料將LED發(fā)出的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成另一波長。在一個典型實施例里，波長轉(zhuǎn)換材料是一種或多種熒光材料，其通過吸收發(fā)出的藍色光子然后發(fā)出不同顏色的光子的一個受激發(fā)光過程而轉(zhuǎn)換波長。典型的熒光材料包括熒光粉如釔鋁石榴石(YAG)基材料(可摻雜鈰)、鋱鋁石榴石 (TAG)基材料、以及硅酸鹽基、硫磺基、氮基或氮氧化物基材料，但并不只限于這些材料。根據(jù)對從封裝LED發(fā)出的整體光的期望，可以選擇單種波長轉(zhuǎn)換材料或幾種波長轉(zhuǎn)換材料的組合。如上所述，依照圖4所述的發(fā)光角度強度，可以選擇框架220的高度。在一個典型實施例里，框架220的高度可以根據(jù)以下公式確定(參照圖5的參數(shù)描述)
h 彡[(x/2)+y]tan(90° - θΒ/2)+a 其中ΘB是LED發(fā)出光的角度； a是LED的高度；
y是在LED邊緣和框架220的中心線之間的距離；以及 χ是LED的寬度?？蚣?20的厚度通常大于其圍住的LED芯片210的寬度的30%。如圖2A所示，封蓋230直接接觸到LED 210和框架220。在一個典型實施例里， 封蓋230基本上是一個半球狀。如果使用硅膠來制作封蓋230，硅膠的表面張力(surface tension)通常使其形成一個半球狀。通過形成封蓋230的硅膠材料的粘性，曲度可以被控制在某個程度。優(yōu)選地，封蓋的折射率低于框架220的折射率。如圖2A所示，封蓋230完全圍住LED 210，并延伸到框架220。在連續(xù)框架的情況下，封蓋延伸到框架。在開放框架的情況下，封蓋230將延伸到基板區(qū)域上的框架開放的位置。在一個典型實施例里，封蓋的邊緣被連接到框架的外緣。封蓋230還包括一種波長轉(zhuǎn)換材料，或者幾種波長轉(zhuǎn)換材料的組合。在一個典型實施例里，可以選擇和框架220的波長轉(zhuǎn)換材料相同的波長轉(zhuǎn)換材料。但是，由于在封蓋 230的區(qū)域里，發(fā)出光的強度更大，因此波長轉(zhuǎn)換材料的濃度也比框架220的更大。在另一個實施例里，使用一種不同的波長轉(zhuǎn)換材料或幾種波長轉(zhuǎn)換材料的組合，或使用和框架里使用的同一波長轉(zhuǎn)換材料和另一種波長轉(zhuǎn)換材料的組合，封蓋230的波長轉(zhuǎn)換材料可以將波長轉(zhuǎn)換成不同于框架220的波長轉(zhuǎn)換材料所轉(zhuǎn)換的波長。波長轉(zhuǎn)換材料的受激發(fā)光強度上的不同，在與LED藍光混合后，會使從封裝發(fā)出的整體光顏色均勻。和框架220 —樣，波長轉(zhuǎn)換材料可以與封蓋230的材料混合在一起。圖2B是本發(fā)明另一個實施例的封裝了的LED 300的示意圖。封裝包括第一框架 220和第一封蓋230，它們基本上類似于圖2A所述的那些。另一個封蓋層330和另一個框架 340形成在封蓋230上方和框架220外側(cè)。封蓋330可以包括一種光散射材料以進一步增強光的均勻性。另一個框架340可自由選擇其包括的波長轉(zhuǎn)換材料，其可以與如上所述的第一框架220的、第一封蓋230的相同或者不同。亦即是說，在框架220、封蓋230以及框架 340里的波長轉(zhuǎn)換材料是獨立地被選擇的，它們可以相同或者不同，濃度也可能相同或者不同，也可以是包括一個或多個相同材料的混合物，或所有的都相互各異。圖2C顯示本發(fā)明的另一個實施例。如之前的實施例，一個框架220和一個封蓋 230形成如圖2A內(nèi)所述的。另外，第二框架425和第二封蓋430分別形成在框架220外側(cè)和封蓋230之上。第二封蓋430和第二框架425包括的波長轉(zhuǎn)換材料，其波長不同于在框架220和封蓋230內(nèi)的材料。但是，和封蓋230 —樣，封蓋430的波長轉(zhuǎn)換材料比框架425 的有更高的濃度，因為穿過第二封蓋430和框架425的光的分布是保持相同的。增加的第二層具有不同波長轉(zhuǎn)換材料，這會增加從整個封裝發(fā)出的光顏色的可能范圍。如圖2B的實施例，如上所述，框架425和封蓋430的波長轉(zhuǎn)換材料可以不同于框架220和封蓋230的， 并且可以是相互不同，也可以是波長轉(zhuǎn)換材料的組合。盡管前面已經(jīng)描述了本發(fā)明的典型實施例，應該理解，各種修改和變化是可能的。 因此，這些修改和變化也屬于以下權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個發(fā)光二極管封裝，包括一個或多個發(fā)光二極管，其被安裝在基板上；一個框架，其被安置在基板上的至少一部分，并圍住發(fā)光二極管，但不接觸到發(fā)光二極管，該框架對于發(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并且包括一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料，用于將從發(fā)光二極管發(fā)出的光的至少一部分由一波長轉(zhuǎn)換成另一波長；一個封蓋，其覆蓋發(fā)光二極管，并連接到框架，該封蓋對于發(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并且包括一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換材料，用于將從發(fā)光二極管發(fā)出的光的至少一部分由一波長轉(zhuǎn)換成另一波長，一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料和一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換材料在波長轉(zhuǎn)換材料的濃度上是不同的，或在被轉(zhuǎn)換成的光的波長上是不同的，或在波長轉(zhuǎn)換材料的組合上是不同的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管是一個半導體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管發(fā)出至少一個顏色波長的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管是一個有機發(fā)光二極管 (OLED)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中第一和第二波長轉(zhuǎn)換材料是熒光材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管封裝，其中封蓋的熒光材料的濃度不同于框架的熒光材料的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管封裝，其中熒光材料被安置在封蓋和框架內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管發(fā)出第一波長的光，并且第一和第二波長轉(zhuǎn)換材料是熒光材料，它們在發(fā)光二極管發(fā)出的第一波長的光的激發(fā)下發(fā)出第二和第三波長的光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中封蓋大體上是半球狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，還包括形成在第一框架外側(cè)的第二框架和形成在第一封蓋上方的第二封蓋。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中框架的折射率大于封蓋的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中框架可以是一個閉合框架或一個開放框架。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝，其中框架和封蓋可以是有機或無機材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)光二極管封裝，其中第二封蓋包括一種光散射材料。
15.一種制作權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝的方法，包括安裝發(fā)光二極管到基板上，放置包括一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料的框架材料在基板上，使得框架圍住發(fā)光二極管，放置封蓋，使得封蓋覆蓋發(fā)光二極管并連接到框架的一個外緣。
16.一個發(fā)光二極管封裝，包括一個或多個發(fā)光二極管，其被安裝在基板上；一個硅膠框架，其被安置在基板上的至少一部分，并圍住發(fā)光二極管，但不接觸到發(fā)光二極管，該框架對于發(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并且包括一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換熒光粉，用于將從發(fā)光二極管發(fā)出的光的至少一部分由一波長轉(zhuǎn)換成另一波長；一個硅膠封蓋，其覆蓋發(fā)光二極管并被連接到框架的外緣上，硅膠封蓋對發(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并且包括一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換熒光粉，一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換熒光粉和一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換熒光粉的濃度上是不同的，或在成分上是不同的，或在熒光粉的組合上是不同的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管是一種半導體材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管發(fā)出至少一個顏色波長的光。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管是一個有機發(fā)光二極管 (OLED)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中發(fā)光二極管發(fā)出第一波長的光，并且一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換熒光粉通過藍光的激發(fā)發(fā)出第二和第三波長的光。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中硅膠封蓋是半球狀。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，還包括形成在第一硅膠框架外側(cè)的第二硅膠框架和形成在第一硅膠封蓋上方的第二硅膠封蓋。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中硅膠框架的折射率大于硅膠封蓋的折射率。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管封裝，其中硅膠框架可以是一個閉合框架或一個開放框架。
全文摘要
本發(fā)明涉及有一個或多個發(fā)光二極管被安裝在基板上的發(fā)光二極管封裝。一個框架被安置在基板上的至少一部分，并圍住但沒有接觸到發(fā)光二極管。該框架對于發(fā)光二極管發(fā)出的光是透明的，并且包括一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料。波長轉(zhuǎn)換材料，其可以是一種或多種熒光粉，將一波長的光的至少一部分轉(zhuǎn)換成另一波長的光。一個封蓋覆蓋著框架內(nèi)的發(fā)光二極管。該封蓋包括一個或多個第二波長轉(zhuǎn)換材料，第二波長轉(zhuǎn)換材料在波長轉(zhuǎn)換材料的濃度上，或在被轉(zhuǎn)換成的波長上，或在波長轉(zhuǎn)換材料的組合上不同于一個或多個第一波長轉(zhuǎn)換材料。
文檔編號H01L33/54GK102282687SQ201180000273
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者盧明, 李長署, 溫珊媚 申請人:香港應用科技研究院有限公司