CN104396035A - 通过透明间隔物从led分离的磷光体 - Google Patents

Abstract

为了降低LED管芯（12）对磷光体层（48）所发射的光的吸收，LED管芯（12）的吸收半导体层通过粘附到LED管芯的相对厚玻璃板（44）或者通过LED管芯透明生长衬底从磷光体层分离。因此，以充足角度朝向LED管芯发射的磷光体光将穿过透明间隔物（44）并且离开间隔物的侧壁，从而防止光被LED管芯吸收。LED管芯可以是基于GaN的。间隔物为至少100微米厚。相比于其中磷光体直接沉积在LED半导体层上的光发射，使用该技术可实现光提取中的16%的增益。

Description

通过透明间隔物从LED分离的磷光体

技术领域

本发明涉及磷光体转换发光二极管（LED），并且特别地涉及用于改善这样的LED中的光提取效率的技术。

背景技术

在蓝色LED管芯之上提供诸如黄色YAG磷光体之类的磷光体层是常见的。典型地，将磷光体直接提供在蓝色LED管芯之上以创造白光。通过磷光体泄漏的蓝光与磷光体光组合产生白光。存在许多方式来在LED管芯之上沉积磷光体层。

激发磷光体的蓝光使磷光体在所有方向上发射光子。对于相对薄的磷光体层而言，可以假定磷光体光的50%被向上发射而离开LED管芯，并且磷光体光的50%被朝向LED管芯发射并且撞击在LED管芯表面上。对于基于氮化镓（GaN）的LED管芯而言，撞击在LED管芯表面上的磷光体光的大约15%被LED材料吸收并且大约85%被反射回而朝向磷光体层。因此，由于磷光体光的大约一半撞击在LED表面上并且该光的15%被吸收，因而由磷光体层发射的所有光的大约7.5%通过被LED材料吸收而浪费。这是系统中的最大损失机制。

所需要的是降低由LED管芯对磷光体光的吸收而导致的该损失的技术。

发明内容

基于GaN的LED生长在透明蓝宝石、SiC或其它生长衬底上。这样的衬底典型地大约75微米厚，其中厚度被选择成提供在处理期间用于LED晶片的最小必要机械支撑。在一个实施例中，在LED被单个化之后，将许多LED管芯安装在单个子基板晶片或引线框架组件上使得可以容易地处置和处理所有LED管芯。对于倒装芯片LED管芯而言，在将LED管芯安装在子基板晶片上之后，生长衬底面向上并且被暴露。生长衬底然后可以通过激光剥离被移除。

然后通过薄硅树脂粘合剂（例如小于50微米）将透明玻璃板粘附在每一个LED之上。玻璃板优选地大于100微米厚，并且在一个实施例中为250-400微米厚。玻璃具有大约1.5的折射率。

然后将磷光体层沉积在玻璃板的顶表面和侧壁之上，诸如通过喷涂，或者通过将预形成的磷光体片层压在玻璃板和子基板晶片表面之上，或者通过其它合适技术。在一个实施例中，磷光体被注入在硅树脂胶合剂中。硅树脂具有大约1.5的折射率，因此磷光体层有效地具有大约1.5的指标。磷光体层的厚度将典型地为30-75微米。

由于磷光体层和玻璃板具有近似相同的折射率，因而朝向玻璃板表面发射的任何磷光体光将进入玻璃板，并且除非撞击在LED顶表面上否则将以很少或没有内部反射直接穿过玻璃板。进入玻璃板并且反射离开LED管芯的任何磷光体光由于管芯吸收的缘故而将具有15%的衰减。

由于玻璃板相比于LED管芯（半导体层可以是仅几微米）是相对厚的，因而进入玻璃板的许多磷光体光将从玻璃板的侧壁离开而不接触LED管芯。因此，相比于如果磷光体直接沉积在LED管芯上的情形，LED材料的吸收将少得多。发明人已经模拟了所得LED结构并且对照其中磷光体层直接沉积在LED管芯表面之上的器件获得光提取中的16%的增益。

所得LED结构相比于其中磷光体层直接沉积在LED管芯之上的常规LED结构具有多得多的侧发射。如果侧发射不是所期望的，LED结构可以安装在反射杯中。如果期望总体侧发射，反射金属层可以沉积在磷光体层之上。可选地，玻璃板可以形成有微坑（dimple）以使保形的磷光体层和金属反射体将光引导离开LED管芯。这将甚至更多地改善光提取效率，因为较少光将撞击在LED管芯上。这样的侧发射式LED适用于背光，其中支撑LED模块的印刷电路板与光导平行，并且侧发射被耦合到光导的边缘中。

玻璃板和磷光体层的折射率优选地匹配以降低反射。然而，即便指标不匹配，也将存在离开玻璃板外表面的磷光体光的一些反射，从而仍旧通过降低LED管芯的吸收而增加光提取效率。

在另一实施例中，透明生长衬底未被移除，并且磷光体沉积在生长衬底之上。对于这样的实施例而言，使用比常规75微米衬底厚得多的生长衬底是合期望的。在一个实施例中，生长衬底在100-400微米厚之间。进入厚衬底的任何磷光体光将最可能离开衬底侧壁而不接触LED管芯表面。

可以将玻璃板和衬底制成比400微米更厚，但是在性能和材料成本之间存在折衷。代替于使用玻璃板，可以将蓝宝石板粘附到LED管芯。

在一个实施例中，子基板或引线框架具有诸如由银层形成的反射顶表面，因此任何磷光体光或LED光将反射离开子基板或引线框架并且不被吸收。

将诸如由硅树脂形成的半球形透镜模制在所有LED之上。然后将子基板晶片单个化或者分离引线框架。

公开了其它实施例。

附图说明

图1是连同其它LED管芯安装在子基板晶片上的现有技术蓝色或UV倒装芯片LED管芯的横截面简化视图。

图2是来自图1的更进一步简化的LED管芯和子基板晶片的横截面视图，其具有粘附到LED管芯的顶表面的玻璃板和沉积在玻璃板的顶表面和侧壁之上的磷光体层。

图3图示了图2的结构，其示出来自磷光体层的各种光线如何穿过玻璃板并且通过玻璃板的侧壁离开，从而避免撞击在LED管芯表面上。

图4图示了类似于图2的结构，但是其在磷光体层之上具有带有微坑的玻璃板和金属反射体以用于导致所有侧发射。

图5是简化的LED管芯和子基板晶片的横截面视图，其中LED管芯的透明生长衬底仍旧原封不动并且磷光体层沉积在衬底之上。

图6图示了图5的结构，其示出来自磷光体层的各种光线如何穿过透明生长衬底并且通过衬底的侧壁离开，从而避免撞击在LED管芯表面上。

相同或相似的元件用相同标号来标记。

具体实施方式

本发明技术可以适用于许多类型的不同LED，并且将描述LED结构的一个示例以说明本发明的应用。

现有技术图1图示了安装在子基板晶片14的一部分上的常规倒装芯片LED管芯12。在倒装芯片中，n和p接触二者形成在LED管芯的相同侧上。LED管芯可以是任何其它类型的管芯，包括具有在其顶表面上的一个或两个电极的管芯。

在该公开中，术语“子基板晶片”旨在意指用于LED管芯阵列的支撑，其中晶片上的金属垫被键合到LED管芯上的电极，并且晶片稍后被单个化以形成单个子基板上的一个或多个LED管芯。

代替于子基板晶片，可以将LED管芯12安装在反射引线框架组件上，其中多个引线框架通过稍后被锯开以单个化LED/引线框架的金属垂片（tab）互连。引线框架可以是银涂敷的铜。每一个引线框架将具有用于连接到LED管芯电极的至少两个金属垫和用于连接到印刷电路板的至少两个端子。

LED管芯12由生长在诸如蓝宝石衬底之类的生长衬底上的包括n层16、有源层18和p层20的半导体外延层形成。生长衬底在图1中已经通过激光剥离、蚀刻、研磨或者通过其它技术被移除。在一个示例中，外延层是基于GaN的，并且有源层18发射蓝光。发射UV光的LED管芯也适用于本发明。

金属电极22电气接触p层20，并且金属电极24电气接触n层16。在一个示例中，电极22和24包括金并且被超声焊接到陶瓷子基板晶片14上的金属垫26和28。子基板晶片14具有引向用于键合到印刷电路板的底部金属垫40的导电通孔30。许多LED管芯12安装在子基板晶片14上并且将在稍后沿特征线42被单个化以形成各个LED/子基板。

LED的另外的细节可以在受让人的美国专利号6,649,440和6,274,399以及美国专利公开US 2006/0281203 A1和2005/0269582 A1中找到，这些全部通过引用并入本文中。

图2是经由金属垫26、28（在图1中示出）安装在子基板晶片14上的图1中的简化LED管芯12的横截面视图。子基板晶片14的表面提供有围绕LED管芯12的银反射层52，或者金属垫26、28是反射性的并且延伸超出LED管芯12。

没有生长衬底的LED管芯12仅几微米厚。透明玻璃板44利用非常薄的硅树脂46层粘附到LED管芯12的顶表面。硅树脂46如切实地那样薄并且典型地大约50微米厚。硅树脂46可以借由通过掩模的喷涂或印刷来沉积。玻璃板44应当相对厚，诸如100-400微米并且优选地大于250微米厚。玻璃板44可以通过包括众所周知的液体玻璃技术在内的许多技术来制造，并且使用自动拾取和放置机器来定位。

在一个实施例中，硅树脂46具有注入在其中的磷光体以提供蓝色LED光的一些初始波长转换。硅树脂46中的磷光体可以是YAG磷光体、绿色磷光体、红色磷光体或任何其它磷光体。

磷光体层48然后沉积在玻璃板44的顶表面和侧壁之上。磷光体层48可以是由磷光体粉末和硅树脂的混合物形成的预形成的磷光体片，其被测试然后层压在LED管芯12和子基板晶片14之上。磷光体可以是YAG磷光体。在片被按压在玻璃板44和子基板晶片14表面之上以使片符合表面之后，片然后被加热以将磷光体层48粘附在玻璃板44和LED 12的侧面之上。可以替代地喷涂上、丝网印刷上、通过电泳沉积或者通过其它手段沉积磷光体层48。在一个实施例中，磷光体层是30-75微米厚，这取决于期望的颜色、LED强度、磷光体的密度和其它考虑。磷光体层48可以包括磷光体的组合或者可以是多个磷光体层以实现期望的颜色。在一个实施例中，LED结构的总体输出是具有任何色温的白光。

玻璃板（例如n=1.5）和磷光体层（例如n=1.5）的折射率优选地匹配以降低界面处的反射。然而，即便指标不匹配，也将存在离开玻璃板44外表面的磷光体光的一些反射，从而仍旧通过降低LED管芯12的吸收来增加光提取效率。

子基板晶片14或引线框架组件上的所有LED管芯12一起被处理到最大可能程度以简化处置，改善均匀性，加速处理并且降低成本。

半球形透镜50然后被同时模制在所有LED管芯12之上以增加光提取并且为了保护而包封LED管芯12。透镜50可以是硅树脂。

如图3中所示，图2的结构使更多光54从LED结构的侧面离开，因为LED结构的侧壁比常规磷光体涂敷的LED的那些要厚得多。磷光体层48对光的折射和对光的散射在图3中为了简化而未考虑。如果玻璃板44的顶表面上的磷光体层48以充足角度发射光，所有该光将离开玻璃板44的侧壁而不是撞击在LED管芯12上并被部分地吸收。玻璃板44的侧壁上的磷光体层48所发射的光的绝大部分将不撞击在LED管芯12上。撞击在子基板表面上的光将被反射层52向上反射。较厚的玻璃板将降低撞击在LED管芯12上的磷光体光的量，从而甚至更多地降低吸收。

如果期望LED结构是100%侧发射式LED结构，金属反射层（例如铝或银）可以沉积在磷光体层48的顶表面之上以防止光通过LED结构的顶部离开并且使所有发射的光都是侧光。

图4图示了侧发射式LED结构，其中玻璃板44形成有微坑，其可以是具有尖点或弯曲点的锥形。磷光体层48和沉积的金属膜56符合微坑形状。金属膜56朝向玻璃板44的侧面反射所有光以形成侧发射式LED结构。这样的侧发射式LED适用于薄背光，其中支撑LED结构的印刷电路板与光导平行，并且侧光被耦合到光导的边缘中。

在一个实施例中，蓝宝石板或其它透明材料可以用于板44。

在类似于图2的LED结构上进行的模拟中，对照其中磷光体层直接沉积在LED管芯12表面之上的器件，获得光提取中的16%的增益。

图5是子基板晶片14上的另一简化LED管芯12的横截面视图，其中其透明生长衬底60仍旧原封不动并且磷光体层48在衬底60之上。衬底60是透明的并且可以是蓝宝石、GaN、SiC或其它合适衬底。在一个实施例中，衬底60在100-400微米厚之间，并且优选地大于250微米，以大幅改善光提取效率。出于关于图2所给出的相同原因，所添加的厚度导致多得多的侧光。由于蓝宝石具有大约1.77的折射率，因而被用作磷光体层48中的胶合剂的硅树脂可以被选择成具有大约1.77的指标以最小化离开蓝宝石的磷光体光的反射并且最小化全内反射。

图6图示了图5的结构，其示出磷光体光54如何穿过衬底60并且离开衬底的侧壁，而不是撞击在吸收LED管芯12上。结果，光提取效率相比现有技术结构大幅增加。

在半球形透镜50然后被模制到器件上之后，子基板晶片14被单个化以形成多个封装的LED结构。图2-6可以表示单个化之后的LED结构，其在子基板的底部上具有用于键合到印刷电路板的垫的金属垫。如果磷光体片被层压到子基板晶片14，磷光体片延伸到封装的LED结构的边缘，这类似于图2-5中所示出的情形。在替换方案中，模制透镜、形成磷光体、或者附接玻璃可以发生在单个化之后。

在所有实施例中，子基板晶片14可以被反射引线框架组件取代。一旦LED管芯12被透镜50包封，就不需要另外的封装。

也预期到用于LED管芯12的其它底座。

在一个实施例中，LED管芯12的宽度和长度大约为每侧1mm，并且整个封装的LED结构小于每侧3mm。

尽管玻璃板44和衬底60被称为是“透明”的，但是完美的透明度是不可实现的，并且取术语“透明”来意指材料的典型透明度，其对于由LED管芯12所发射的或由磷光体层48所发射的光的波长基本上是透明的。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显而易见的是可以在不脱离于其更宽方面中的本发明的情况下做出改变和修改，并且因此，所附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (15)

1.一种磷光体转换发光二极管（LED）结构，包括：

LED管芯；

LED管芯的顶表面上的基本上透明层，基本上透明层具有大于约100微米的厚度，基本上透明层具有顶表面和侧壁；以及

基本上透明层的顶表面和侧壁之上的磷光体层。

2.权利要求1的结构，其中基本上透明层利用粘合剂层粘附到LED管芯。

3.权利要求2的结构，其中粘合剂层是包括硅树脂的层。

4.权利要求1的结构，其中基本上透明层包括粘附在LED管芯之上的玻璃层。

5.权利要求4的结构，其中已经在将基本上透明层粘附在LED管芯之上之前移除用于外延生长半导体层的生长衬底。

6.权利要求1的结构，其中基本上透明层包括LED管芯之上的蓝宝石层。

7.权利要求1的结构，其中基本上透明层包括用于形成LED管芯的外延生长半导体层的生长衬底。

8.权利要求7的结构，其中生长衬底大于250微米厚。

9.权利要求1的结构，其中基本上透明层大于250微米厚。

10.权利要求1的结构，还包括磷光体层之上的包封LED管芯的透镜。

11.权利要求1的结构，还包括在其上安装LED管芯的子基板，其中子基板的顶表面部分是反射性的以向下反射由LED管芯和磷光体层所发射的光。

12.权利要求1的结构，还包括在其上安装LED管芯的反射引线框架组件。

13.权利要求1的结构，其中LED管芯发射蓝光，并且磷光体光与蓝光组合创建白光。

14.权利要求1的结构，其中基本上透明层和磷光体层具有近似相同的折射率。

15.权利要求1的结构，其中LED管芯是倒装芯片。