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TWI608760B - 形成螢光粉轉換發光元件之方法 - Google Patents

形成螢光粉轉換發光元件之方法 Download PDF

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TWI608760B
TWI608760B TW098138413A TW98138413A TWI608760B TW I608760 B TWI608760 B TW I608760B TW 098138413 A TW098138413 A TW 098138413A TW 98138413 A TW98138413 A TW 98138413A TW I608760 B TWI608760 B TW I608760B
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陳傑
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行家光電有限公司
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Description

形成螢光粉轉換發光元件之方法 參考相關申請案
本申請案請求於2008年11月13日提申之美國臨時申請案序號61/114,198的優惠，其係整體併入於此作為參考。
發明領域
本發明係普遍相關於發光元件且更特定地係關於一用於形成相鄰於半導體發光元件之薄膜螢光層的薄膜螢光粉沉積方法。
發明背景
經由發光二極體之固態發光(SSL-LEDs)涉及使用固態、無機半導體發光二極體以產生供用於照明之白光。如同無機半導體電晶體，其置換用於計算之真空管，SSL-LED係一具有置換掉使用於傳統白熾燈或螢光照明之真空或氣體管之潛力的突破性技術。SSL-LED超過傳統光源的優點包括：(1)較高的效能及相應之節省能源；(2)較佳之色彩呈現；(3)小封裝；(4)耐用；(5)較長的操作週期及低維修；(6)保護生態環境的；以及(7)低製造成本。
傳統的LED典型地產生具有狹窄發光譜的單色光，且因此典型地缺少一寬發光譜以提供照明用之白光。為了由一LED產生白光，一來自於在LED中之輻射結合的窄頻發射係被轉換為寬頻白光光譜。此類寬頻白光光譜可藉由三種普遍的方法而產生。一第一方法為波長轉換方法，藉由 使用一紫外光(UV)LED以在下轉換波長下激發放出可見光之多重色彩螢光粉。一第二方法為色彩混合方法，藉由合併多重LED，其各產生不同色彩的光。一第三方法為上述兩種方法間的混合。市面上可得之白光LED之現今生成係主要基植於此混合方法。特定地，由一藍光以氮化銦鎵為基礎之LED所發出之主要光係和一由淺黃以YAG：Ce3+為基礎之無機螢光粉所發出之下轉換第二光混合。部份傳送藍光及再發射黃光的合併產生了冷(綠-藍)白光的外觀。因此，螢光粉塗覆技術係涉及於使用波長轉換方法或是混合方法之白光LED。
用於螢光粉塗覆之現今方法係於後敘述。如第1A圖中所描述，一第一方法係涉及使用混合於一液態聚合物系統(例如：聚丙烯、聚碳酸酯、環氧樹脂或聚矽氧烷樹脂)之螢光顆粒或微粒1的泥漿方法。該經混合的螢光粉泥漿係分配於一LED晶片2之上或是週圍，且接著該液態聚合物係經乾燥或是經聚合化。帶有該螢光粉泥漿之該LED晶片2可被配置於一反射器杯狀物3中，如第1A圖所描述。雖然該泥漿方法係一傳統螢光粉分配方法，以此泥漿方法所製造之LED所產生的色彩一致性係通常無法令人滿足的，且由不同視角可看到著色環形物。這些缺點係以下各項之結果：(1)在LED晶片週圍之含螢光粉材料之厚度變化在一被發出之光離開一封裝之前可導致各種光學路徑長度；以及(2)在含螢光粉材料中不一致的螢光粉分佈(起因於重力及浮力效應)傾向於使較大的螢光粉微粒在液態聚合物聚合化期間向下 移動。此外，基於被分配於LED晶片週圍之螢光粉數量的變異，一白色協調性傾向於在裝置及裝置之間有所變異。結果，這些色彩變異導致複雜的白光LED色彩排序過程，即所謂之色彩重新分級(binning)，其企圖於藉由依據各元件之白色協調性排序各元件而控制此色彩變異。
為測量所發出之光的一致性，可使用在相對色溫(Correlated Color Temperature；CCT)中之變異。一發光元件之色溫可藉由將其色調和一假設性、經加熱之黑體輻射體而決定。一以凱爾文絕對溫標(Kelvin)所表示之溫度，在該溫度下該經加熱之黑體輻射體相符於該發光元件之色調時，即為該元件之色彩溫度。一白熾光源可接近於作為一黑體輻射體，但是許多其它在黑體曲線形式下不發出輻射之發光元件因而被歸為一CCT。一發光元件之CCT係一最密切相符該元件之感知色彩之黑體輻射體的色彩溫度。該凱爾文分級愈高，該光則為「愈冷」或是更加藍的。該凱爾文分級愈低，該光則為「愈暖」或是更加黃的。藉由測量在不同發光角度之CCT且比較在不同發光元件間之此變異，可數量化所生成之光的一致性。一藉由泥漿方法分佈有黃色螢光粉之藍光LED晶片自該LED之中心發光軸為±70°之發光角度處可具有一橫跨1,400K範圍之自約5,800K至約7,200K之典型CCT。因為著色環形物的出現，該CCT係典型地在該中心軸處或靠近該中心軸處較在該週邊處為高，其所發出的光傾向於為較黃色的。
一第二螢光粉塗覆方法為一用於製造螢光粉轉換型白 光LED之電泳沉積法(Electrophoretic Deposition；EPD)，如第1B圖中所描述者。在EPD之實例中，一螢光粉係藉由添加一適量之電解質於一液態溶劑中以形成一液體懸浮液而成為帶電粒子，且係由一電場而經偏壓。接著，表面帶電之螢光粉粒子係移動至一相反極性之電極且塗覆於該電極上。螢光粉粒子之EPD製造了一具相當一致厚度之螢光粉層4(其可產生具相當一致性以及減少著色環形物存在之白光。雖然達成了較佳之色彩一致性，該EPD方法係普遍缺少直接將螢光粉沉積於一非導電性表面上之能力。在商業生產中，一螢光層係通常直接塗覆在一LED晶片5上，依據所謂之遠離螢光粉結構。以光散射來說，該結構傾向為效能差的，因為該遠離螢光粉層可將總白色發光之約60%導回向該LED晶片5，這可能發生高度損失。該EPD方法的另一缺點是特定的螢光粉係易於被溶劑所降解的，因此限制了EPD方法的一般應用性。
近來且如第2圖所述，另一包含在高壓下加熱螢光粉粒子至該等螢光粉粒子之表面軟化及融溶而形成一冷光陶瓷板6之方法。該等部份融溶粒子可相互黏結在一起而形成包括該等粒子所構成之硬團塊的陶瓷板6。該冷光陶瓷板6係置放於由一LED晶片7所放出之光徑中，該LED晶片7係置放於一組電極8之上。在堅固、減少對溫度的敏感度，以及減少晶片和晶片間之色彩變異方面雖有提供益處，基於該遠離螢光粉結構，一所致之封裝效能可能是不符合要求的。
對於市面可得之白光LED而言，散射效率(有時也稱為 封裝效能)係典型為40%至60%之間，由於內部封裝組件，如：LED晶片、導線架或基板所致之光吸收所造成之效能喪失。第3圖描述一由藍光LED晶片32所驅動之具有黃色螢光粉31的螢光粉轉換型白光LED之範例，其一第一藍光34和一為黃色之第二光線35進行色彩混合以產生一白光。光損失之主要來源導因於LED晶片32之光吸收。因為該LED晶片32係通常由具高折射係數之材料所形成，一旦該等光子撞擊且進入該LED晶片32，基於總內部反射(Total Internal Reflection；TIR)，該等光子則傾向於被捕捉於該LED晶片32之內。另一光損失之潛在來源係導因於在該LED封裝中鏡面反射器33的不完美。
在第3圖中所描述之數種方案可將光導至該高度吸光性之LED晶片32。首先，由該LED晶片32所發出之第一光線36可被該螢光粉末31或是被該鏡面反射器33反射回該晶片32。第二，由該螢光粉末31所發出之下轉換第二光線37可被散射回到該LED晶片32。第三，由於在空氣-LED封裝界面處之TIR，該第一光線36及該第二光線38二者可被反射回到該晶片32。為了改善光由該封裝漏出的可能性，可使用一半球形之鏡片39以減少在空氣-封裝界面處之TIR的情形。為了減少反向散射光線撞擊該LED晶片32的情形，該螢光粉末31應該理想地不被直接放置在該晶片表面之上，且應當是被放置在距離該LED晶片32一定距離處。此外，一較薄之螢光粉層將減少第二光線被該螢光粉末31向後散射的情形。
基於此背景資料，產生發展此處所述之薄膜螢光粉沉積方法以及相關之元件及系統的需要。
發明概要
本發明之特定實施態樣係關於製造一併有薄膜螢光粉層之高效能白光發光元件。因為發光半導體元件，例如一發光二極體(LED)，係典型地由一高折射率之材料所形成，一高提取結構係所欲於併入以降低在一LED封裝內光的TIR。該光提取結構可包含舉例來說使用一半球形之鏡片、一微型鏡片陣列或是一菲涅爾透鏡。該光提取結構係典型地由一光學透明或半透明材料所形成，其係典型地為非電傳導性的。當相較於EPD，此處所揭露之薄膜螢光粉層之沉積方法不但可被使用於直接在一非電傳導性表面之上也可在一具電傳導性表面之上形成共形薄膜螢光粉層。該共形薄膜螢光粉層不但也可被沉積在一平坦表面上也可在一非平坦之表面上，例如一凸狀或凹狀表面。
本發明之某些實施態樣係關於藉由在一光提取鏡片結構上沉積一共形薄膜螢光粉層而製造一高效能之螢光粉轉換型發光元件。特定地，一實施態樣涉及藉由直接沉積一薄膜螢光粉層於一為非電傳導性之光提取鏡片結構上而製造一螢光粉塗覆鏡片，該光提取鏡片結構係如一由環氧樹脂、聚矽氧烷、聚(甲基)甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、玻璃、或是石英材料所組成之半球形鏡片。該經薄膜螢光粉層塗覆之鏡片結構係連接至一LED以製造一高效能遠離螢光粉結構。一空氣缺口可被包括在該遠離螢光粉結構以增加該光提取效能。
本發明之某些實施態樣係關於藉由在一微鏡片陣列上沉積一薄膜螢光粉層而製造一螢光粉微鏡片。該經螢光塗覆之微鏡片陣列可被層合於一發光元件上方以形成一高效能之螢光粉轉換型發光元件。
本發明之某些實施態樣係關於藉由在一菲涅爾透鏡上方沉積一薄膜螢光粉層而製造一經螢光粉塗覆之菲涅爾透鏡。該經螢光塗覆之菲涅爾透鏡可被層合於一發光元件上方以形成一高效能之螢光粉轉換型發光元件。
本發明之某些實施態樣係關於在一發光元件之光學路徑之上方沉積一實質平面之薄膜螢光粉層。對於特定之LED應用，例如：用於液晶顯示器之背光，係涉及由一發光元件所發出之小集光率之光束。沿著這一考量，本發明之某些實施態樣係關於製造一經配置在一發光元件之實質平坦表面上之實質平坦的薄膜螢光粉層。一特定之實施態樣係涉及將一薄膜螢光粉層直接沉積在一發光元件之表面上方。另一實施態樣係涉及將一薄膜螢光粉層沉積在一發光元件之上方且具有一光學透明或是半透明之平面隔片層配置於其間。
依據本發明之某些實施態樣，一光子晶體陣列結構係對於一產生小集光率光束之發光元件而言係有效為一光提取機制。特殊地，特定之實施態樣係涉及藉由沉積一實質平坦之薄膜螢光粉層於一光子晶體陣列結構之上方而製造一高效能之螢光粉轉換型光子晶體發光元件，該光子晶體陣列結構係例如一雙維之光子晶體陣列結構。
本發明之一特定實施態樣係關於一塗螢光提取結構，其包括：(1)一光提取結構，該光提取結構包括一塗覆表面；以及(2)一薄膜螢光粉層，該薄膜螢光粉層包括至少一螢光粉末層以及至少一作為用於該至少一螢光粉末層之黏結劑的聚合物層，其中該薄膜螢光粉層係經共形配置相鄰於該光提取結構之塗覆表面。
本發明之另一特定實施態樣係關於一螢光粉轉換型發光元件，其包括：(1)一發光元件；以及(2)一經配置在該發光元件之一光學路徑中的薄膜螢光粉層，其中該薄膜螢光粉層之厚度係在1nm至100μm之範圍內，且該薄膜螢光粉層包括：(a)一包括第一螢光粉粒子之第一螢光粉末層；以及(b)一相鄰於該第一螢光粉末層之第一聚合物層，該第一聚合物層作為用於該第一螢光粉粒子之黏結劑。
本發明之另一特定實施態樣係關於一形成螢光粉轉換型發光元件的方法。該方法包括：(1)備置一包括有基板反射器陣列之封裝基材，其可以是反射器杯狀物之陣列；(2)將發光元件連接至該封裝基材之各別的基板反射器；(3)備置一經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列；(4)將該經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列連接至該封裝基材；以及(5)將該封裝基材切割以形成各別之螢光粉轉換型發光元件。
本發明之另一特定實施態樣係關於一形成螢光粉轉換型發光元件的方法。該方法包括：(1)形成一薄膜螢光粉層相鄰於一半球形鏡片，該薄膜螢光粉層包括一以聚對二甲苯(帕里綸，parylene)為基礎之聚合物作為一黏結劑材料；以及(2)將該經螢光粉塗覆之半球形鏡片連接至一發光元件。
本發明之另一特定實施態樣係關於一形成螢光粉轉換型發光元件的方法。該方法包括：(1)形成一薄膜螢光粉層相鄰於一徵型鏡片陣列，該薄膜螢光粉層包括一以聚對二甲苯為基礎之聚合物作為一黏結劑材料；以及(2)將該經螢光粉塗覆之徵型鏡片陣列連接至一發光元件。
本發明之又一特定實施態樣係關於一形成螢光粉轉換型發光元件的方法。該方法包括：(1)形成一包括以聚對二甲苯為基礎之聚合物的薄膜螢光粉層；以及(2)將該薄膜螢光粉層連接至一光子晶體發光元件。
也可思及本發明之其它方面及實施態樣。前述之摘要及以下的詳細敘述並非表示用以限制本發明為任何特有的實施態樣，而僅是用以敘述本發明之某些實施態樣。
圖式簡單說明
為了更能了解本發明之某些實施態樣之本質及目的，必須參考以下詳細敘述以及所附之圖式。
第1A圖描述一使用泥漿方法所形成之習知白光LED的遠離槽內螢光粉結構。
第1B圖描述一使用EPD所形成之習知白光LED的遠離螢光粉結構。
第2圖描述一藉由和一冷光陶瓷板層合所形成之習知白光LED的遠離螢光粉結構。
第3圖描述由螢光粉粒子、在材料界面之TIR以及在一發光元件表面的光吸收所致之典型的光損失來源。
第4A圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所形成之單一色彩薄膜螢光粉膜堆疊。
第4B圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所形成之多重色彩薄膜螢光粉複合膜堆疊。
第5A圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一中空半球形光提取鏡片之內部凹狀表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第5B圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一實心半球形光提取鏡片之底部表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第5C圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一半球形光提取鏡片之外部凸狀表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第6圖描述依據本發明之一實施態樣使薄膜螢光粉層共形沉積於多重、中空半球形鏡片之內部凹狀表面上的批次塗覆方法。
第7A圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所製造之帶有於半球形鏡片結構之內部凹狀表面之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第7B圖描述依據本發明之一實施態樣之一帶有經配置於半球形鏡片結構之底部表面之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第7C圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所製造之帶有經配置於半球形鏡片結構之外部凹處之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第8A圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7A圖的螢光粉轉換型LED。
第8B圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7B圖的螢光粉轉換型LED。
第8C圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7C圖的螢光粉轉換型LED。
第9A圖描述依據本發明之一實施態樣之塗覆有一薄膜螢光粉層的微型鏡片陣列。
第9B圖描述依據本發明之一實施態樣之經層合於一半導體基材上方之經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列。
第9C圖描述依據本發明之一實施態樣之經層合有一經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列之半導體基材，該半導體基材係經切割為個別的螢光粉轉換型元件。
第10A圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一發光元件之表面上方的薄膜螢光粉層。
第10B圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一發光元件之表面上方的薄膜螢光粉層，其具有一平面隔片層於其間。
第10C圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一LED封裝上方的薄膜螢光粉層。
第11圖描述依據本發明之一實施態樣之一螢光粉轉換型光子晶體發光元件。
第12A圖至第13B圖描述依據本發明之一實施態樣之一用於發光元件之晶元層次、批次封裝方法。
 較佳實施例之詳細說明
以下之定義係應用於所述之有關於本發明之某些實施態樣的方面。這些定義可同樣地於此處詳述。
如其中所使用的，「一」、「一者」及「該」包括複數個指示之對象，除非該內文另有明確地指定。因此，舉例來說，所謂一層可包括多層，除非該內文另有明確地指定。
如其中所使用的，該用詞「套組」意指一或多個構件之聚集。因此，舉例來說，一套組之層可包括一單一層或是多層。一套組之構件也可意指一套組之部件。一套組之構件可以是相同的或是相異的。在某些實例中，一套組之構件可共有一或多個共同的特質。
如其中所使用的，該用詞「相鄰」意指毗鄰的或是鄰接的。相鄰之構件可以是相互相隔開來的或可以是實際上或是直接彼此接觸。在某些實例中，相鄰之構件可以是彼此相連或可以是相互整體地形成的。
如其中所使用的，該用詞「連接」、「經連接的」及「連接」係意指一操作性之耦合或相連。經連接之構件可以是直接耦合至另一者或是可以是間接耦合至另一者，例如經由另一套組之構件。
如其中所使用的，該用詞「實質地」及「實質」係意指一相當大的程度或範圍。當使用於一事件或情況時，該等用詞可意指該事件或情況係精確地發生之場合以及該事件或情況係存在為一相近之近似值之場合，例如說明此處所述之製造操作之具代表性的容限位準。
如其中所使用的，該用詞「具導電性的」及「電傳導性」係意指一傳送電流之能力，然而該用詞「不具導電性的」及「非電傳導性」係意指缺乏一傳送電流之能力。具導電性的材料典型地係相當於那些呈現少許或是沒有對抗電流流動之材料，然而不具導電性的材料典型地係相當於那些在其中電流具有少許或是沒有流動趨勢之材料。導電率(或是非導電率)之量測係以每公尺之西蒙(Siemens per meter；S‧m-1)來表示。典型地，一具導電性之材料係一具有多於約104S‧m-1導電率之材料，例如至少約105S‧m-1或是至少約106S‧m-1，然而一不具導電性之材料係一具有少於約104S‧m-1導電率之材料，例如少於或等於約103S‧m-1或是少於或等於約102S‧m-1。一材料之電傳導性(或是非電傳導性)有時候係隨著溫度而變化。除非另有指明，一材料之電傳導性(或是非電傳導性)係界定為在室溫下。
如其中所使用有關於光致發光，該用詞「量子效率」係意指所輸出之光子數目比上所輸入之光子數目的比例。
如其中所使用的，該用詞「尺寸」係意指特有的規模。在一球形顆粒之實例中，該等顆粒之尺寸係意指該等顆粒的直徑。在一非球形顆粒之實例中，該等顆粒之尺寸可意指該等顆粒之各種直角維綱的平均值。因此，舉例來說，一類似球體顆粒之尺寸可意指該顆粒之最大軸及最小軸的平均值。當意指一組之顆粒為具有一特定的尺寸時，其係被認知為該等顆粒可具有在該尺寸附近之一尺寸分佈。因此，如此處所使用者，一組顆粒之尺寸可意指一尺寸分佈之具代表性的尺寸，例如一平均尺寸、一中間值尺寸或是一峰值尺寸。
如其中所使用的，該用詞「烷類」係意指一飽和碳氫化合物分子。對於特定之使用，一烷類可包括自1至100個碳原子。該用詞「低級烷類」係意指一包括自1至20個碳原子之烷類，例如，舉例來說，自1至10個碳原子，然而該用詞「高級烷類」係意指一包括多於20個碳原子之烷類，例如，舉例來說，自21至100個碳原子。該用詞「分枝之烷類」係意指包括一或多個分枝之烷類，然而該用詞「不具分枝之烷類」係意指一為直鏈之烷類。該用詞「環烷類」係意指包括一或多個環形結構之烷類。該用詞「雜烷類」係意指一具有一或多個其碳原子被一或多個雜原子所取代之烷類，例如，舉例來說，氮、矽、硫、氧及磷。該用詞「經取代之烷類」係意指一具有一或多個其氫原子被一或多個取代基所取代之烷類例如，舉例來說，鹵代基、羥基、烷氧基、羰基、硫代基、烷硫基、氰基、硝基、胺基、烷基胺基、二烷基胺基、矽烷基及矽氧基，然而該用詞「非經取代之烷類」係意指一沒有此類取代基之烷類。以上用詞之合併可使用於指稱具有該等特性合併之烷類。舉例來說，該用語「分枝之低級烷類」係被使用於指稱一包括自1至20個碳原子以及一或多個分枝之烷類。烷類之範例包括甲烷、丙烷、環丙烷、丁烷、2-甲基丙烷、環丁烷以及其等之經帶電、雜型或是經取代之形式。
如其中所使用的，該用詞「烷基」係意指一烷類之單價形式。舉例來說，一烷基可以被想像成一烷類而其一氫原子被移除以允許連接至一分子之另一基團。該用詞「低級烷基」係意指一低級烷類的單價形式，然而該用詞「高級烷基」係意指一高級烷類的單價形式。該用詞「具分枝之烷基」係意指一具分枝之烷類的單價形式，然而該用詞「不具分枝之烷基」係意指一不具分枝之烷類的單價形式。該用詞「環烷基」係意指一環烷類的單價形式，而該用詞「雜烷基」係意指一雜烷類之單價形式。該用詞「經取代之烷基」係意指一經取代之烷類的單價形式，然而該用詞「未經取代之烷基」係意指未經取代之烷類的單價形式。烷基之範例包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、環丙基、丁基、異丁基、第三丁基、環丁基、及其等之經帶電、雜型或是經取代之形式。
如其中所使用的，該用詞「芳香烴」意指一芳香族碳氫化合物分子。對於特定之應用，一芳香烴可包括自5至100個碳原子。該用詞「低級芳香烴」係意指一包括自5至20個碳原子之芳香烴，例如，舉例來說，自5至14個碳原子，然而該用詞「高級芳香烴」係意指一包括多於20個碳原子之芳香烴，例如，舉例來說，自21至100個碳原子。該用詞「單環芳香烴」係意指一包括一單一芳香環結構之芳香烴類，然而該用詞「多環芳香烴」係意指一包括多於一個之芳香環結構的芳香烴類，例如，舉例來說，二或更多個經由一碳-碳單鍵而連接或是融合在一起之芳香環結構。該用詞「雜芳香烴」係意指一具有一或多個其碳原子被一或多個雜原子所取代之芳香烴，例如，舉例來說，氮、矽、硫、氧及磷。該用詞「經取代之芳香烴」係意指一具有一或多個其氫原子被一或多個取代基所取代之芳香烴，例如，舉例來說，烷基、烯基、炔基、亞胺基、鹵代基、羥基、烷氧基、羰基、硫代基、烷硫基、氰基、硝基、胺基、烷基胺基、二烷基胺基、矽烷基及矽氧基，然而該用詞「非經取代之芳香烴」係意指一沒有此類取代基之芳香烴。以上用詞之合併可使用於指稱具有該等特性合併之芳香烴。舉例來說，該用語「單環之低級芳香烴」係被使用於指稱一包括自5至20個碳原子以及一個單一芳香環結構之芳香烴。芳香烴類之範例包括苯、聯苯、萘、吡啶、嗒、嘧啶、吡、喹啉、異喹啉，以及其等之經帶電、雜型或是經取代之形式。
如其中所使用的，該用詞「芳香基」係意指一芳香烴之單價形式。舉例來說，一芳香基可以被想像成一芳香烴而其一氫原子被移除以允許連接至一分子之另一基團。該用詞「低級芳香基」係意指一低級芳香烴的單價形式，然而該用詞「高級芳香基」係意指一高級芳香烴的單價形式。該用詞「單環之芳香基」係意指一單環芳香烴之單價形式，然而該用詞「多環之芳香基」係意指一多環芳香烴之單價形式。該用詞「雜芳基」係意指一雜芳香烴的單價形式。該用詞「經取代之芳香基」係意指一經取代之芳香烴類的單價形式，然而該用詞「未經取代之芳香基」係意指未經取代之芳香烴類的單價形式。芳香基之範例包括苯基、聯苯基、萘基、吡啶基、嗒基、嘧啶基、吡基、喹啉基、異喹啉基，以及其等之經帶電、雜型或是經取代之形式。
如其中所使用的，該用詞「亞芳基」係意指一芳香烴之二價形式。舉例來說，一亞芳基可以被想像成一芳香烴而其二氫原子被移除以允許連接至一分子之一或多個額外的基團。該用詞「低級亞芳基」係意指一低級芳香烴的二價形式，然而該用詞「高級亞芳基」係意指一高級芳香烴的二價形式。該用詞「單環之亞芳基」係意指一單環芳香烴之二價形式，然而該用詞「多環之亞芳基」係意指一多環芳香烴之二價形式。該用詞「雜亞芳基」係意指一雜芳香烴的二價形式。該用詞「經取代之亞芳基」係意指一經取代之芳香烴類的二價形式，然而該用詞「未經取代之亞芳基」係意指未經取代之芳香烴類的二價形式。亞芳基之範例包括伸苯基、伸聯苯基、伸萘基、伸吡啶基、伸嗒基、伸嘧啶基、伸吡基、伸喹啉基、伸異喹啉基，以及其等之經帶電、雜型或是經取代之形式。
共形薄膜螢光粉沉積方法
本發明之某些實施態樣係關於形成一具實質均勻厚度之薄膜螢光粉層，該薄膜螢光粉層係可經共形配置於一發光元件(例如：一LED)之光學路徑中，藉此可產生一具有少量是不具有著色環之實質均勻白光。此薄膜螢光粉層可藉由一經改良的沉積方法而製備，該方法包含：(1)形成一實質上為均勻沉積於一基材表面上之螢光粉末層；以及(2)形成一聚合物黏結劑層填充在鬆散疊之螢光粉顆粒之間的空隙，藉此形成一實質為連續之薄膜螢光粉層。基於由準確控制數量之螢光粉末所組成之較薄層可被配置在一光學路徑中，藉以減少光散射損失，該薄膜螢光粉層之螢光轉換效能可被顯著地改善。並且，該薄膜螢光粉層之色彩同質性可被顯著地改善，基於螢光粉粒子之實質均勻沉積。形成一均勻、薄膜螢光粉層之一方法係在螢光粉粒子沉積期間導入靜電電荷至螢光粉粒子之間。在該螢光粉粒子之間的靜電電荷可自行平衡且調整其分佈，藉此促使該等螢光粉粒子之實質均勻分佈。形成一均勻、薄膜螢光粉層之另一方法係通過一螢光粉分配機制，例如在一沉積腔室中之噴灑頭機制，或是憑藉一旋轉基材固持機制，例如：一固持一基材之轉動桌。除了經改善之效能及色彩同質性之外，該薄膜螢光粉層之溫度穩定性可被顯著地改善，因為該聚合物層可以在高達至少約300℃或是更高之下為熱穩定的。
有利地，藉由透過一螢光粉末遞送機械而具有精確控制數量之經沉積螢光粉粒子的塗覆方法可將白色一致性維持在一緊密之色彩協調性中。以多重色彩之螢光粉的層-沿-層循序沉積(例如紅色螢光粉層沉積、綠色螢光粉層沉積以及接著藍色螢光粉層沉積)可精確地調整白色呈現。在一所致之複合多重色彩螢光粉膜狀堆疊中，可精確地控制多重色彩螢光粉的比例。因此，由該螢光粉薄膜法所製備之一白光LED的色彩協調性及CCT可被精確地控制。接著，這可以顯著地簡化(或甚至是避免掉)一分級的步驟。
依據本發明之若干實施態樣，可藉由調整多重色彩螢光粉膜狀堆疊之劑量以輕微地改變藍光LED晶片而達成一致之白色色彩協調性。使用不同之組成物或是螢光粉成份的量，此色彩補償方法可補償該藍光LED晶片之色彩變異。以此方法，可顯著增加對於色彩敏感性之應用中(例如：使用白光LED之顯示器背光)白光LED之效益。
依據本發明之一實施態樣，一薄膜螢光粉塗覆方法為一批次螢光粉塗覆法。在一塗覆操作中，多重發光元件可被沉積有薄膜螢光粉。依據本發明之另一實施態樣，在一塗覆操作中，多重LED鏡片可被沉積有薄膜螢光粉。相似於半導體晶片製造，可顯著地減少每一發光元件之製造成本，而且藉由一批次方法可顯著地增加製造產率。形成該薄膜螢光粉層之沉積方法係所欲地保持在一真空腔室內。然而，該被了解的是，該沉積方法也可在一充滿有如氮氣之惰性氣體的腔室中或是在一大氣環境下進行。
對照於EPD，可使用薄膜螢光粉層之沉積以形成直接在一非導電性表面之上的共形薄膜螢光粉層。該共形薄膜螢光粉也可被沉積在一非平坦表面上，例如一LED鏡片之凸狀或凹狀表面。
依據該經改良之方法，可使用各種的螢光粉。典型地，一螢光粉係由一冷光材料所形成，也就是對應於一能量激發而發光的材料。冷光可基於由原子或分子之受激電子狀態的弛緩而發生，而且一般來說可包括，舉例如：化學發光、電致發光、光致發光、熱致發光、摩擦發光以及其等之合併。例如，在光致發光(其可包括螢光及磷光)的例子中，可基於一光激發(例如光的吸收)而產生一受激之電子態。依據該經改良之方法可使用之螢光粉包括各種經由如Ce3+及Eu2+之活化劑離子摻雜的無機宿主材料，包括石榴石(garnets)(例如：(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+，其中或是YAG:Ce3+)，矽酸鹽，原矽酸鹽，硫化物及氮化物。石榴石及原矽酸鹽可被使用為發黃光螢光粉，而氮化物可被使用為發紅光螢光粉。然而，將被了解的是，可使用各種其它類型之波長轉換材料，包括有機染料。所欲地，螢光粉以及其它類型之波長轉換材料可表現出具有多於約30%之量子效率的光致發光，例如：至少約40%，至少約50%，至少約60%，至少約70%或是至少約80%，且可以高達約90%或是更高。
典型地，依據該經改良之方法所使用之螢光粉係經備製為粉末形式，也就是一套組之顆粒。為了增加色彩的均勻性，該等顆粒係所欲地具有在約1nm至約100μm之範圍內的尺寸，例如自約10nm至約30μm，自約100nm至約30μm，自約500nm至約30μm，或是自約1μm至約30μm。
依據該螢光粉沉積方法，該螢光粉末可以被傳送且經由慣性效用、布朗運動、熱泳法或是電場(若是該螢光粉末係帶電荷的)而沉積至該基材表面之上方。一用於在該基材表面上形成實質上均勻分佈之螢光粉末層之方法係藉由一組之載體氣體(例如：乾淨之乾空氣或是一如氮氣之惰性氣體)自一螢光粉容器夾帶、載動、流通或是傳送該螢光粉末，且接著在一真空、惰性氣體或是大氣環境之腔室中通過一噴灑頭機制噴灑該螢光粉末。對於某些實施態樣，所欲的是在螢光粉傳送過程中該螢光粉係經離子化為相同的正電或是負電靜電電荷。當該帶電之螢光粉末係經噴灑且沉積在該基材表面之上，由於在該螢光粉粒子之間靜電力之自行平衡，該組成之螢光粉粒子係實質上均勻地分佈以形成一螢光粉末層。特別地，螢光粉末之靜電噴灑含括：
1)該螢光粉末係藉由一惰性載體氣體自一螢光粉末容器或是其它螢光粉末源被傳送。可藉由一噴嘴裝置或是其它流量控制機制來精確地控制螢光粉末流量體積。
2)將該螢光粉末離子化為相同之靜電電荷。離子化該螢光粉末之操作係所欲於使該螢光粉末實質上均勻地沉積在該基材表面之上。然而，將被了解的是，此粉末離子化操作係非必須的(任擇的)，且在特定之實施態樣中係可省略的。
3)若該基材表面係由一非電傳導性之聚合物材料所形成，該基材表面係被離子化為該基材表面上之相反靜電電荷。若該基材表面係由一電傳導性材料所形成，該基材表面係經接地的，例如藉由將該基材表面電性連接至一基礎電位。該基材表面離子化或是接地的操作係所欲於將該螢光粉末實質上均勻地沉積在該基材表面之上。然而，將被了解的是，此基材表面離子化或是接地的操作係非必須的(任擇的)，且在特定之實施態樣中係可省略的。
4)該載體氣體經由一噴灑頭機制夾帶該帶電荷之螢光粉末至該沉積腔室，從而均勻地分佈該等螢光粉末。該噴灑頭機制係所欲於使該螢光粉末實質上均勻地沉積在該基材表面之上。可擇地，或是連同地，該基材表面係在該沉積腔室中使用一旋轉機制而旋轉俾使該螢光粉末實質上均勻地沉積在該基材表面之上。然而，將被了解的是，這些機制係非必須的(任擇的)，且在特定之實施態樣中係可被省略的。
5)該螢光粉末係被共形地且實質上均勻地沉積在該基材表面上。在一實施態樣中，該基材表面係一LED晶片之表面或是多個LED晶片之表面。在另一實施態樣中，該基材表面係一LED鏡片之表面或是多個LED鏡片之表面。在另一實施態樣中，該基材表面係一玻璃或是石英基材之表面。在另一實施態樣中，該基材表面係一具可撓性透明膜之表面，例如：由聚對苯二甲酸乙烯酯所形成者。
6)該螢光粉末係以離子化(或是去離子化)氣體而去除電荷。該離子化氣體中和在該螢光粉末上之剩餘的靜電電荷。將被了解的是，這去除電荷之操作係非必須的(任擇的)，且在特定之實施態樣中係可被省略的。
依據該螢光粉沉積方法，該螢光粉末係由以下方法之一或是以下方法之合併而以靜電電荷離子化：
‧電暈起電，其使用電力以產生該靜電電荷
‧摩擦起電，其藉由在該粉末及某些導管表面間之摩擦而產生靜電電荷
‧感應起電，其藉由來自於一電場之感應而使該粉末帶電
對於一具電傳導性之基材，該基材表面可以經研磨以維持用於沉積該帶靜電電荷螢光粉末之電場電位。靜電電荷也可藉由摩擦起電而被產生在螢光粉末上或是不具電傳導性之基材表面上。特定來說，當二種不同之材料接觸時，電荷可能會由一者傳送到另一者以抵消電荷的不平衡。電荷傳送之程度及方向可依據數種因素，包括：兩者材料之化學及電子結構。
以摩擦起電方法可在一非電傳導性基材表面產生一相反靜電電荷。舉例來說，負電荷可由以下方法之一或是以下方法之合併而被製造於一非傳導性基材表面：
‧使用鐵氟龍粉末刮過一非傳導性環氧樹脂或聚矽氧烷樹脂表面而執行摩擦起電。該鐵氟龍粉末可帶著電子離開該環氧樹脂或聚矽氧烷樹脂表面而使得該表面成為帶負電的。
‧以尼龍刷或布料摩擦一環氧樹脂表面。
該螢光粉沉積方法提供數個優點，包括：
‧其可以被應用到供螢光粉轉換型白光LED所用之一近螢光粉結構或是一遠離螢光粉結構。
‧其可被實行為一層-沿-層螢光粉沉積方法，且可容易地使用於形成一多重色彩螢光粉薄膜堆疊。
‧該沉積方法可以是一乾且乾淨的方法，不需要任何溶劑。
‧在沉積期間可以使用控制量之螢光粉，藉此明顯地減少白光LED之色彩變異以及重新分級。
‧其可藉由在螢光粉顆粒間之靜電電荷完成一實質均勻之螢光粉塗覆層。
‧其可在沉積期間完成高螢光粉利用產率。
依據該螢光粉沉積方法，該經沉積之螢光粉層起初係一零散堆疊粉末層。接著，一聚合物薄膜係經沉積以填充螢光粉顆粒間之空隙且形成一實質連續之薄膜層。為了維持該實質均勻分佈之螢光粉層結構，所欲的是使用化學蒸汽沉積(Chemical Vapor Deposition；CVD)法以形成此聚合物層作為供該螢光粉顆粒所用之黏結劑材料。將被了解的是，可使用另一適用之沉積方法來取代或是合併CVD以形成該聚合物層。其它沉積方法之範例包括其它蒸汽沉積法、例如：熱蒸發、電子束蒸發、或是物理蒸汽沉積法，以及噴灑塗覆、浸泡塗覆、篩網塗覆、溼塗覆以及旋轉塗覆。
依據本發明之一實施態樣，適用之聚合物範例包括一系列可使用於形成一用於薄膜螢光粉層之黏結劑基質的共形塗覆聚合物。特別地，該系列之聚合物相當於一系列之以聚對二甲苯為基礎之聚合物。一般而言，以聚對二甲苯為基礎之聚合物係相當於各種以聚二甲苯為基礎的聚合物，例如：聚(p-二甲苯)以及其衍生物，且包括，舉例來說，含有大體上重覆單元為化學式-CZZ’-Ar-CZ”Z’’’-之聚合物，其中Ar係一伸芳香基(例如：未經取代、部份經取代、或是完全經取代之伸芳香基，如伸苯基)，且其中Z、Z’、Z”以及Z’’’可以是相同的或是不同的。在特定之實施態樣中，Ar是C6H4-xXx，其中X是一鹵代基，如氯或氟，x=0,1,2,3或4，且Z,Z’,Z”以及Z’’’係獨立地擇自於H、F、烷基以及芳香基(例如：C6H5-xFx，其x=0,1,2,3,4或5)。在一特定之實施態樣中，聚對二甲苯N包括重覆單元為化學式-CH2-C6H4-CH2-，且係使用為一黏結劑材料以形成一薄膜螢光層。在另一實施態樣中，聚對二甲苯C包括重覆單元為化學式-CH2-C6H3Cl-CH2-，且係使用為一黏結劑材料以形成一薄膜螢光層。聚對二甲苯C可由和聚對二甲苯N相同之單體而製造，但是以氯原子在該芳香族氫之一者上進行取代而改質。在另一實施態樣中，聚對二甲苯D包括重覆單元為化學式-CH2-C6H2Cl2-CH2-，且係使用為一黏結劑材料以形成一薄膜螢光層。聚對二甲苯D可由和聚對二甲苯N相同之單體而製造，但是以二個氯原子在該芳香族氫之二者上進行取代而改質。在另一實施態樣中，可使用一經部份氟化之以聚對二甲苯為基礎之聚合物(係被稱為聚對二甲苯F)。聚對二甲苯F包括重覆單元為化學式-CF2-C6H4-CF2-，且可由各種前質所形成，如：BrCF2-C6H4-CF2Br。將被了解的是，這些以聚對二甲苯為基礎之聚合物係提供為範例，且可使用各種其它共形塗覆聚合物。其它適用之聚合物的範例包括聚醯亞胺、以碳氟化合物為基礎之聚合物(例如：聚四氟乙烯)、聚苯乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚己二醇雙乙炔、碳氟化合物/有機矽化合物共聚物、聚乙烯乙二醇以及其等之衍生物。丙烯酸酯之熱蒸發也可被使用於形成一實質連續之螢光粉膜。
可藉由一輸送聚合反應之CVD技術以形成各種以聚對二甲苯為基礎之聚合物膜以及其它型式之聚合物膜。輸送聚合反應典型地包含在距離一基材表面遠處之位置由一前質分子生成一蒸汽相反應性中間物質，且接著輸送該汽相反應性中間物質至該基材表面。該基材表面可維持在該用於聚合化之反應性中間物質的熔融溫度之下。舉例來說，聚對二甲苯F可由前質BrCF2-C6H4-CF2Br藉由移除溴原子而形成反應性中間物質*CF2-C6H4-CF2*所形成，其中*表示一自由基。此反應性中間物質可在遠離於沉積腔室之位置形成，且可被輸送至該沉積腔室之內且在該基材表面上方經濃縮，聚合反應則在此發生。
更普遍地，以聚對二甲苯為基礎之聚合物膜可由各種前質所形成，例如那些具有化學式為(CZZ’Y)m-Ar-(CZ”Z’’’Y’)n者，其中Ar是一伸芳香基(例如：未經取代、部份經取代、或是完全經取代之伸芳香基，如伸苯基)，且Z、Z’、Z”以及Z’’’可以是相同的或是不同的，Y及Y’可以是相同的或是不同的且係可移除的以產生自由基，m及n係各等於0或是一正整數，且m和n時總合係少於或等於在Ar上可供取代之sp2-混成碳的總數目。在特定之實施態樣中，Ar是C6H4-xXx，其中X是一例如氯或氟之鹵代基，x=0,1,2,3或4，且Z,Z’,Z”及Z’’’係獨立地擇自於H、F、烷基以及芳香基(例如：C6H5-xFx，其x=0,1,2,3,4或5)。其它適用之前質包括具有化學式為{(CZZ’)-Ar-(CZ”Z’’’)}2之二聚物，其中Ar係一伸芳香基(例如：未經取代、部份經取代、或是完全經取代之伸芳香基，如伸苯基)，且Z、Z’、Z”以及Z’’’可以是相同的或是不同的。在特定之實施態樣中，Ar是C6H4-xXx，其中X是一例如氯或氟之鹵代基，x=0,1,2,3或4，且Z,Z’,Z”及Z’’’係獨立地擇自於H、F、烷基以及芳香基(例如：C6H5-xFx，其x=0,1,2,3,4或5)。
由CVD方法所製備之以聚對二甲苯為基礎之聚合物膜(或是另一型式之聚合物膜)之一方面係其為一具有較優異之裂縫滲透能力之共形塗覆物，藉此實質地填充在一螢光粉末層內之間隙或空缺。在某些例子中，在以聚對二甲苯為基礎之聚合物系列之中，聚對二甲苯F可達到最好之間隙填充結果，然而聚對二甲苯N可達成第二好之間隙填充結果。以聚對二甲苯為基礎之聚合物的另一方面係其在可見光光譜中具有優異之光學透明度，使得其成為在光致發光螢光粉末之中適用之填充劑材料。以聚對二甲苯為基礎之聚合物之另一方面係其可基於化學組成而調整其折射率。在一實施態樣中，一多層之以聚對二甲苯為基礎之聚合物膜可被形成為一複合薄膜螢光粉堆積。此多層結構可藉由沉積一聚對二甲苯N薄膜(具有約1.66之折射率)作為一在螢光粉之間的黏結劑材料，而接著再沉積一聚對二甲苯F(具有約1.4之折射率)而形成，藉此基於聚對二甲苯F薄膜和週圍環境(例如：空氣)間之指數配合而增加光提取。將被了解的是，一般而言，此多層結構可藉由沉積一具有第一折射率之第一聚合物膜作為在第一螢光粉末層之間的黏結劑材料而形成一相鄰於該基材表面之第一螢光粉層，沉積一具有第二折射率之第二聚合物膜作為在第二螢光粉末層之間的黏結劑材料而形成一相鄰於該第一螢光粉層之第二螢光粉層，且諸如此類，該第一折射率係大於或等於該第二折射率。
使用CVD方法，一以聚對二甲苯為基礎之聚合物，或是另一型式之聚合物，可被形成為一厚度在幾十埃(angstroms)至約100μm之範圍內之實質連續的膜，例如：自約1nm至約100μm，自約10nm至約100μm，自約100nm至約100μm，自約1μm至約100μm，自約1μm至約75μm，自約1μm至約30μm，或是自約1μm至約10μm。在某些例子中，該薄膜之厚度相關於平均厚度可能表現出少於約20%之標準偏差，例如少於約10%或是少於約5%。最初經沉積之螢光粉末層的厚度可能在約1nm至約60μm之範圍內，例如：自約10nm至約60μm，自約100nm至約40μm，或是自約100nm至約20μm。在某些例子中，該螢光粉末層之厚度相關於一平均厚度可能表現出少於約20%之標準偏差，例如少於約10%或是少於約5%。在所致之膜內的螢光粉分佈在遍及該膜之範圍內可以是實質上均勻的，因此相關於一平均密度，重量密度(例如：每一單位體積之螢光粉顆粒質量或重量)或是數量密度(例如：每一單位體積之螢光粉顆粒數目)可表現出少於約20%之標準偏差，例如：少於約10%或是少於約5%。
由CVD方法所製備之薄膜螢光粉層的一實施態樣係在第4A圖中描述。在第4A圖中，一單一色彩之螢光粉末層41，例如：一以YAG:Ce3+為主之黃光螢光粉，係最初經沉積於一基材表面42之上。該基材表面42可以是一光提取結構之表面，其可以是不具電傳導性如同一具可撓性之塑膠基材的實例。一以聚對二甲苯為基礎之聚合物層43係經沉積，而另一以聚對二甲苯為基礎之聚合物層44係接著經沉積。該以聚對二甲苯為基礎之聚合物層43係作為一黏結劑或是一至少部份滲透或圍繞該螢光粉末層41之基質，致使該螢光粉末層41之螢光粉粒子係被驅散在該以聚對二甲苯為基礎之聚合物層43之內。將被了解的是，該以聚對二甲苯為基礎之聚合物層43及44可由相同的材料或是不同的材料所形成。在某些實例中，該以聚對二甲苯為基礎之聚合物層43之折射率係大於該以聚對二甲苯為基礎之聚合物層44的折射率。該所致之經螢光粉塗覆之結構46可經層合或是用其它的方式被配置相鄰於一發光半導體元件以形成一螢光粉轉換型發光元件。
依照一螢光粉層-沿-層沉積，該CVD方法可被用於形成一實質上均勻分佈之多重色彩螢光粉堆疊。在第4B圖中所描述之實施態樣中，係藉由循序沉積一藍光螢光粉末、一供藍光螢光粉末作為黏結劑材料之以聚對二甲苯為基礎之聚合物、一綠光螢光粉末、一供綠光螢光粉末作為黏結劑材料之以聚對二甲苯為基礎之聚合物、一紅光螢光粉末、一供紅光螢光粉末作為黏結劑材料之以聚對二甲苯為基礎之聚合物而形成一多重色彩螢光粉薄膜堆疊45。由此所致之經螢光粉塗覆之結構47可經層合或是用其它的方式被配置相鄰於一發光半導體元件以形成一螢光粉轉換型白光發光元件，其可藉由該螢光粉發出三種各別色彩之下轉換二次光線。因此，可容易地調整該螢光粉轉換型白光發光元件之色彩上彩指數(Color Rendering Index；CRI)，舉例來說，當使用於具有加熱器白光以及經改良之色彩均勻度之室內一般照明應用時。併有該多重色彩薄膜螢光粉堆疊45之螢光粉轉換型白光發光元件的另一應用係用於液晶顯示器(LCD)的背光，該處可達到具有相當於分別由紅、綠及藍色螢光粉所發出之紅、綠及藍光色彩之三峰值波長之較大之顯示色彩範圍。
光提取結構
在分封層及空氣之間界面處之內反射在一LED封裝中係一光損失的普遍來源。為了降低在該分封層內的損失，一空氣/分封層界面係所欲地為凸面的且係和一光源分隔開一特定的距離，該特定距離係取決於該光源之有效直徑。在某些實例中，該分封層係形成為帶有如此之表面，且該表面係配置在距發光元件(例如：一LED)一特定距離處，以及一反射器以確保由發光元件離開之大部份或是所有的光可由該分封層照出。依據此考量，一半球形鏡片、一微型鏡片陣列或是一菲涅爾透鏡可被併入作為一光提取結構或鏡片。
併入分散在一光提取鏡片內之螢光粉末有時候可造成在一LED封裝內之光散射損失。為了增加光散射效能，本發明之某些實施態樣係關於形成一螢光粉層作為一沉積在一光提取鏡片之塗覆表面上的薄膜層。
一光提取鏡片修係典型地由一光學透明或半透明材料所形成，其係典型地為非電傳導性的。對照於EPD，此處所揭露之薄膜螢光粉層之沉積方法不但可被使用於形成直接在一非電傳導性表面之上，也可在一電傳導性表面之上的共形薄膜螢光粉層。該共形薄膜螢光粉層不但可被沉積在一平坦表面上，也可被沉積在一非平坦表面上，例如一凸狀或凹狀表面。
用於發光元件之經螢光粉塗覆鏡片
一半球形狀之鏡片可被使用為一用於螢光粉轉換型白光LED之光提取鏡片。依據一實施態樣，該半球形鏡片係經塗覆有一薄膜螢光粉層，形成一此處稱為經螢光粉塗覆之鏡片的結構。對於在第5A圖中所描述之一經螢光粉塗覆之鏡片53，一薄膜螢光粉層52a係共形地沉積在一中空半球形鏡片51a之內非平坦或非平面之表面上。如第5A圖中所描述的，該內非平坦表面係一具有通常為曲線輪廓之內凹狀表面，且此內凹狀表面界定一在使用期間面對一發光元件的空腔。該鏡片51a可由一光學透明材料，如：環氧樹脂、聚矽氧烷、聚(甲基)甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、玻璃、或是石英所形成。在另一實施態樣中，一薄膜螢光粉層52b係經共形沉積於一實心半球形鏡片51b之底部實質平坦或平面之表面上，如第5B圖中對於一經螢光粉塗覆之鏡片54所描述的。此底部平坦表面在使用期間係面向一發光元件。在另一實施態樣中，一薄膜螢光粉層52c係經共形沉積於一半球形鏡片51c之外部非平坦表面上，如第5C圖中對於一經螢光粉塗覆之鏡片55所描述的。如第5C圖中所描述的，該外部非平坦表面係一具有大致上為曲線輪廓之外部凸狀表面，且該外部凸狀表面在使用期間係面向離去一發光元件之方向。在該說明之實施態樣中，該半球形鏡片51c係一實心半球形鏡片，雖然也預期該半球形鏡片51c可以是一中空半球形鏡片。將被了解的是，在第5A至5C圖中所描述之該螢光粉層52a、52b及52c可以是單一色彩螢光粉層或是多重色彩螢光粉層。並且，將被了解的是，在第5A至5C圖中所描述之特定形狀及構形係提供用以作為範例，且可預期各種其它的實施態樣。舉例來說，在其它實施態樣中，該經螢光粉塗覆之鏡片53及54也可包括一經共形沉積於其各別之外部凸狀表面的薄膜螢光粉層，而該經螢光粉塗覆之鏡片55也可包括一經共形沉積於其底部平坦表面的薄膜螢光粉層。
經螢光粉塗覆之LED鏡片的另一實施態樣包含嵌入或併入一實質均勻之螢光粉末層至一LED鏡片的表面上，依據此處所敘述之螢光粉沉積方法。舉例來說，一經螢光粉嵌入之LED鏡片可如下而形成：
‧使用注射鑄模一液態矽樹脂膠而形成一LED鏡片
‧在該鏡片之一塗覆表面形成一實質均勻之螢光粉末層，該鏡片仍然是一膠狀形式
‧在一指定的時間間隔內使得螢光粉粒子沉澱至該液態矽樹脂膠表面內
‧使該液態矽樹脂膠固化以凝固為一經螢光粉嵌入之LED鏡片
第6圖描述依據本發明之一實施態樣使薄膜螢光粉層61共形沉積於多重、中空半球形鏡片62之內部凹狀表面上的批次塗覆方法。有益地，此處所述之該薄膜螢光粉沉積方法可以被執行為一批次法，且薄膜螢光粉層可以實質同時地被沉積在所欲之基材的表面，例如LED鏡片之表面，藉此增加製造之生產量且降低每一塗覆基材的成本。
第7A圖至第7C圖描述螢光粉轉換型LED之各種實施態樣，該等螢光粉轉換型LED可藉由將一經螢光粉塗覆之鏡片(例如：在第5A圖至第5C圖中所描述之經螢光粉塗覆之鏡片53、54及55)連接至一適用之導線架、一實質平坦之基板反射器或是一杯狀反射器72。可使用一合適之分封劑或黏著劑來完成連接，例如：一矽樹脂黏著劑。因為一螢光粉層係被放置在距一發光元件74若干距離處，如第7A圖至第7C圖中所描述，由該螢光粉層所送出之二次光線將主要撞擊該基板反射器或是該杯狀反射器72，因此減少直接撞擊該高度吸收性之發光元件74的可能性。並且，因為該螢光粉層係被製成一薄膜層，可顯著地改善所致之散射效能，例如：至少約90%、至少約92%或是至少約95%，且高達約99%或更多。此外，在第7A圖至第7C圖中所描述之該螢光粉轉換型LED可發出具有較佳均勻性之白光。特定地，CCT變異在一遍及140°之發光角度範圍(自該中心發光軸±70°)內可以是不多於約1,000K，例如：不多於約800K，不多於約500K，或是不多於約300K，且係低至約200K或更少。
對於在第7A圖至第7C圖中所描述之螢光粉轉換型LED，其所欲的是在該薄膜螢光粉層及該發光元件74之間形成一空腔或一空氣間隙71、73或75。當由該螢光粉層所發出的二次光線向後朝向該空氣間隙71、73或75時，基於在該空氣間隙界面之TIR(由於該空氣間隙(折射率約為1)相對於該經螢光粉塗覆之鏡片53、54及55之較低的折射率)，該向後之經散射二次光線具有較高之光反射可能性。結果，該空氣間隙71、73或75傾向於使該二次光線往外轉向以便射出該螢光粉轉換型LED，因此更進一步地增加該封裝效能。將被了解的是，另外之適用的低折射率材料可被含括以取代空氣或是和空氣併用。
將被了解的是，數種變化可被執行在用以製造具有經塗覆在一光提取鏡片上之薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED的製造方法中，舉例來說，該光提取鏡片可最初被連接至一LED或其它發光元件，而該薄膜螢光粉層可接著沉積在該光提取鏡片之外部表面上以製造一如第7C圖中所描述之螢光粉轉換型LED。
仍然參照第7A圖至第7C圖，一光學空腔(例如：相對於該空氣間隙71、73或75)係有利地形成為具有由該基板反射器或杯狀反射器72之反射器層和沉積在該杯狀物反射器72上方之薄膜螢光粉層所界定出之邊界。該光學空腔之尺寸及形狀係可經設計的致使由該發光元件74所發出的一次光線和由薄膜螢光粉層所送出的二次光線可充分地混合。有利地，第7A圖至第7C圖中所描述之螢光粉轉換型LED之模式可藉由該光學空腔之尺寸及形狀而被控制。
為了更改進螢光粉轉換型LED之效能，一較小之光學透明或半透明半球形鏡片，例如第8A圖至第8C圖中所描述之鏡片81、83或85，係被配置在該發光元件74之週圍。該較小之半球形鏡片81、83或85可作為一散光器鏡片以提取更多自該發光元件74離開之一次光線，例如：多約5%至高達約40%的一次光線。微米規模之特徵，例如：隨機地或是非隨機地(圖案化地)粗糙化表面，可被形成於該較小之半球形鏡片81、83或85的凸狀表面上以控制由該發光元件74所發出之一次光線的照射形態。將被了解的是，該較小之半球形鏡片81、83或85也可被實施為配置在該發光元件74之實質平坦的微型鏡片陣列。
用於發光元件之經螢光粉塗覆微型鏡片
一微型鏡片陣列也可使用為一被放置在發光元件上方之光提取結構。依據一實施態樣，該微型鏡片陣列係經塗覆有一薄膜螢光粉層，造成一此處稱為一經螢光粉塗覆之微型鏡片的結構。在第9A圖中，一薄膜螢光粉層92係經使用一共形薄膜螢光粉沉積法而共形沉積於一微型鏡片陣列91之表面上。在第9B圖中，該所致之經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列94係經層合至一LED半導體晶圓93之上方。在第9C圖中，該經層合有該經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列94的LED半導體晶圓93係接著經切割或是經單顆化為個別的螢光粉轉換型LED95a、95b及95c。
將被了解的是，數種變化可被執行在用以製造具有經塗覆在一光提取微型鏡片陣列上之薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED的製造方法中。舉例來說，該微型鏡片陣列可最初被製造在一LED上或是經層合至一LED，而該薄膜螢光粉層可接著沉積在該微型鏡片陣列之表面上以製造一螢光粉轉換型LED。並且，將被了解的是，一薄膜螢光粉層可類似地被塗覆於一菲涅爾透鏡上以製造一經螢光粉塗覆之菲涅爾透鏡，其可被連接至一LED以形成一螢光粉轉換型LED。
螢光粉轉換型發光元件
本發明之某些實施態樣係關於配置一實質平面之薄膜螢光粉層於一發光元件之光學路徑之上，例如：一LED。即使一光提取鏡片可以是所欲於增加一經封裝之LED的光提取效能，其有時可增加由該經封裝之LED所發出之光的散佈。在某些併入LED(例如：用於LCD之LED背光)作為一光源之應用中，係包含由一LED所發出之小集光率光束。依照此觀點，本發明之某些實施態樣係關於製造一經配置於一LED結構之實質平坦表面上的實質平面薄膜螢光粉層。
一特定之實施態樣係包含將一薄膜螢光粉層直接配置於一發光元件之表面上。在第10A圖中，一如此處所詳述般形成之薄膜螢光粉層102a係配置於一發光元件101a表面之發光側之上。
另一實施態樣包含將一薄膜螢光粉層配置於一發光元件之上，且具有一光學透明或半透明平坦間隔器於其間。如第10B圖中所敘述的，一如此處所敘述般形成之薄膜螢光粉層102b係配置於一光學透明或半透明間隔器層103之上，其接著係經配置於一發光元件101b表面之發光側之上。
如第10C圖中所敘述的另一實施態樣中，一如此處所敘述般形成之薄膜螢光粉層102c係配置於一經封裝之LED之實質平坦表面之上，此處一發光元件101c係經配置於一適用之導線框或是杯形反射器中且係覆蓋有一光學透明或半透明分封物104，例如一環氧樹脂或是一矽樹脂。也預期的是，一空氣填充間隙或是空腔可被包含以取代該分封物104或是和該分封物104併用以混合由該發光元件101c所發出之一次光線以及由該薄膜螢光粉層102c所照射出的二次光線。基於該空氣間隙較低的折射率(約為1)，向後散射的二次光線具有較高的可能性而由該經封裝之LED反射朝外，因此更增加了該封裝的效能。將被了解的是，另外適用之低折射率材料可被含括以取代或是和空氣併用。
螢光粉轉換型光子晶體發光元件
因為一發光元件係典型地由一高折射率料所形成，一光提取結構係所欲地併入以減少在該發光元件中光的TIP。一用於改良LED效能之方法係幫助由該高折射率發光元件而來的光提取。對於典型的InGaN LED，一大部份的能量可被發入該LED內部之波導模式，而非照射模式。在該LED內側所產生之光可進行TIR，而在光由該LED散出之前有很高的可能性會有光吸收。一光子晶體陣列結構可有效於作為用於LED之光提取機制以製造一小集光率且高視準光束。並且，一具折射率之週期性變化之光子晶體陣列結構可藉由將波導模式衍射出一發光元件而改良光提取。因為平面二維度週期性光子晶格結構，光子可沿著一實質垂直於該發光元件之方向散出以產生一小集光率之光。因此，對於一光子晶體發光元件可省略一凸狀或半球形鏡片結構。
在第11圖中，係描述一螢光粉轉換型光子晶體發光元件之實施態樣的橫切面圖，其包括一基材111，一p-型半導體層112，一活性層113，一n-型半導體層114，一光學透明或半透明電極層115，以及一薄膜螢光粉層116。將被了解的是，該薄膜螢光粉層116可以被實施為一單一色彩螢光粉層或是多重色彩螢光粉膜堆疊。一光子晶體係被形成在該半導體層114之中或是相鄰於該半導體層114，該處係有一組空氣孔、空隙或是空腔117係由該半導體層114被蝕刻出。該空氣孔117可被填充有一低折射率之介電物質。例如，一共形塗覆材料可被利用於填充該等空氣孔117，使用例如所謂之空隙填充方法以及以聚對二甲苯為基礎之介電物質，其可藉由蒸汽相沉積而製備且一般係呈現優異之共形塗覆特性。在螢光粉轉換型光子晶體發光元件之製造過程中，後續所沉積之層115及116係經形成在一固態表面(例如是該填充有一組以聚對二甲苯為基礎之聚合物的半導體層114)上可以是有利的。依據此觀點，該螢光粉轉換型光子晶體發光元件之另一實施態樣係使用一低折射率介電物質(例如：聚對二甲苯-F或是聚對二甲苯-N)來取代該空氣孔結構117。
在第11圖中所描述之光子晶體發光元件所具有之一可能的問題係在該半導體層114中之孔結構可造成電流堵塞。為了有助於在該半導體層114中之電流分散，該透明電極115，例如：一氧化銦錫(ITO)電極，係被形成在該光子晶體結構之上。該實質平面之薄膜螢光粉層116係接著被配置在該透明電極115之上方以形成一螢光粉轉換型光子晶體發光元件。將被了解的是，該薄膜螢光粉層116可以是藉由層合一預製備之薄膜螢光粉層或是藉由在原位沉積一薄膜螢光粉層116於該光子晶體結構上而被配置。
用於發光元件之晶圓層次封裝方法
本發明之另一實施態樣係關於一用於併有此處所述之薄膜螢光粉層之發光元件的晶圓層次、批次封裝方法。與傳統之封裝方法相比，該晶圓層次批次方法可產生較薄且具有較少鏡片材料消耗、較高之性能一致性及經改良之可信賴度的經封裝發光元件。甚至更有利的，較薄的且更一致性螢光粉層可被配置為部份的晶圓層次方法，且該經封裝之發光元件可具有經改良之效能及較佳之可信賴度且可具有較少熱產生地操作。
如第12A圖中所描述的，一典型之200mm之鋁、銅、或矽晶圓基材120可適用於每基材有多達10,000個封裝基板反射器或是反射器杯狀物。因此，該晶圓層次封裝方法之總成本可由每批次之多個所製備的元件來分攤。如此一來，以總封裝成本來看，每元件之封裝成本係較少的。
用於發光元件之晶圓層次封裝方法之一實施態樣係包括以下之操作：
(1)該封裝基材120係形成有一杯狀物或是凹陷之陣列且使用鋁、銅或矽晶圓基材，如第12A圖所描述。一反射器層係經配置於該封裝基材120之上以產生一反射器杯狀物陣列。所欲的是在一杯狀物底部或是杯狀物壁上具有良好之反射性，使得向後散射光可被向外反射。
(2)將發光元件連接至該封裝基材120之各別反射器杯狀物。舉例來說，該發光元件之電極可以經佈線結合至該封裝基材120。
(3)形成經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列122，如第12B圖所描述。
(4)該經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列122係經連接至該封裝基材120之各別反射器杯狀物，如第13A圖所描述。也預期的是，一單一經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列(其係按一定尺寸製造以容納多個反射器杯狀物)可被連接至該封裝基材120。
(5)具有經連接之經螢光粉塗覆之微型鏡片陣列122之該封裝基材120係經切割或是個體化以產生個別之經封裝的發光元件，例如在第13B圖中所述之經封裝的LED130。
將被了解的是，在第12A圖至第13B圖所述之晶圓層次封裝方法係提供為範例之用，且可預期有種種的其它實施態樣。
雖然本發明係參照其特定實施態樣而敘述，應被該技術領域中具有通常知識者所了解的是，可有各種變化以及可利用各種等同物來取代而不偏離如同所附之申請專利範圍所界定之本發明真實的本義及範圍。此外，可進行許多修改以適合與本發明之目的、本義和範圍一致之一特定的情形、材料、物質組成、方法或是處理。所有此類的修改係預期在所附申請專利範圍之範圍之內。特定地，雖然此處所揭露之方法係參照以特定順序所執行之特定操作來敘述，該被了解的是，這些操作可以被合併。再細分或是重新排序以在不偏離本發明教示之前提下形成一等同之方法。因此，除非其中有特別地指明，該操作的順序及分組並非本發明之限制。
1．．．螢光粉顆粒
2,5,7,32．．．發光二極體晶片
3．．．反射器杯狀物
4．．．螢光粉層
6．．．陶瓷螢光粉板
8．．．電極
31．．．螢光粉末
33．．．鏡面反射器
34．．．第一藍光
35a,35b,37,38．．．第二光線
36．．．第一光線
39．．．鏡片
41．．．螢光粉末層
42．．．基材表面
43,44．．．聚合物層
45．．．多重色彩螢光粉薄膜堆疊
46,47．．．經螢光粉塗覆之結構
51a．．．中空半球形鏡片
51b．．．實心半球形鏡片
51c,81,83,85．．．半球形鏡片
52a,52b,52c,61,92．．．薄膜螢光粉層
53,54,55．．．經螢光粉塗覆之鏡片
62．．．多重、中空半球形鏡片
71,73,75．．．空腔或空氣間隙
72．．．杯狀反射器
74,101a,101b,101c．．．發光元件
91．．．微型鏡片陣列
93．．．LED半導體晶圓
94,122．．．經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列
95a,95b,95c．．．螢光粉轉換型LED
102a,102b,102c,116．．．薄膜螢光粉層
103．．．間隔器層
104．．．分封物
111．．．基材
112．．．p-型半導體層
113．．．活性層
114．．．n-型半導體層
115．．．光學透明或半透明電極層
117．．．空氣孔
120．．．晶圓基材
130．．．經封裝的LED
第1A圖描述一使用泥漿方法所形成之習知白光LED的遠離槽內螢光粉結構。
第1B圖描述一使用EPD所形成之習知白光LED的遠離螢光粉結構。
第2圖描述一藉由和一冷光陶瓷板層合所形成之習知白光LED的遠離螢光粉結構。
第3圖描述由螢光粉粒子、在材料界面之TIR以及在一發光元件表面的光吸收所致之典型的光損失來源。
第4A圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所形成之單一色彩薄膜螢光粉膜堆疊。
第4B圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所形成之多重色彩薄膜螢光粉複合膜堆疊。
第5A圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一中空半球形光提取鏡片之內部凹狀表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第5B圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一實心半球形光提取鏡片之底部表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第5C圖描述依據本發明之一實施態樣沉積在一半球形光提取鏡片之外部凸狀表面之上的一薄膜共形螢光粉膜堆疊。
第6圖描述依據本發明之一實施態樣使薄膜螢光粉層共形沉積於多重、中空半球形鏡片之內部凹狀表面上的批次塗覆方法。
第7A圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所製造之帶有於半球形鏡片結構之內部凹狀表面之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第7B圖描述依據本發明之一實施態樣之一帶有經配置於半球形鏡片結構之底部表面之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第7C圖描述依據本發明之一實施態樣使用一共形薄膜螢光粉沉積方法所製造之帶有經配置於半球形鏡片結構之外部凹處之上的薄膜螢光粉層的螢光粉轉換型LED。
第8A圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7A圖的螢光粉轉換型LED。
第8B圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7B圖的螢光粉轉換型LED。
第8C圖描述依據本發明之一實施態樣之帶有一圍繞發光元件之散光器鏡片之第7C圖的螢光粉轉換型LED。
第9A圖描述依據本發明之一實施態樣之塗覆有一薄膜螢光粉層的微型鏡片陣列。
第9B圖描述依據本發明之一實施態樣之經層合於一半導體基材上方之經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列。
第9C圖描述依據本發明之一實施態樣之經層合有一經螢光粉塗覆的微型鏡片陣列之半導體基材，該半導體基材係經切割為個別的螢光粉轉換型元件。
第10A圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一發光元件之表面上方的薄膜螢光粉層。
第10B圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一發光元件之表面上方的薄膜螢光粉層，其具有一平面隔片層於其間。
第10C圖描述依據本發明之一實施態樣之一經配置於一LED封裝上方的薄膜螢光粉層。
第11圖描述依據本發明之一實施態樣之一螢光粉轉換型光子晶體發光元件。
第12A圖至第13B圖描述依據本發明之一實施態樣之一用於發光元件之晶元層次、批次封裝方法。
51a‧‧‧中空半球形鏡片
52a‧‧‧薄膜螢光粉層
53‧‧‧經螢光粉塗覆之鏡片

Claims (5)

  1. 一種形成螢光粉轉換發光元件的方法，該方法包含：備置一封裝基材；將發光元件連接至該封裝基材；備置一塗螢之微型鏡片陣列；將該塗螢之微型鏡片陣列連接至該封裝基材；以及將該封裝基材切割以形成各別之螢光粉轉換發光元件，其中提供該塗螢之微型鏡片陣列包括：沈積一相鄰於一微型鏡片陣列之螢光粉層，該螢光粉層包括分佈相鄰於該微鏡片陣列之一塗覆表面的螢光粉粒子；及在沈積螢光粉層之後，沈積一相鄰於該螢光粉層之聚合物層，該聚合層作為用於該螢光粉粒子之黏結劑。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該聚合物層包括一有機矽聚合物。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該聚合物層係一第一聚合物層，且提供該塗螢之微鏡片陣列更包括沈積一相鄰於該第一聚合物層之第二聚合物層。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該第一聚合物層和該第二聚合物層之至少一者包括一包含有重覆單元為化學式-CZZ’-Ar-CZ”Z'''-之聚合物，其中Ar係被擇自於(1)一未經取代之伸苯基，(2)一具有化學式C6H4-xClx之經氯取代的伸苯基，其x係在1到4之範圍內的整數， 及(3)一具有化學式C6H4-x’Fx’之經氟取代的伸苯基，其x’係在1到4之範圍內的整數，且Z、Z’、Z”以及Z'''係獨立地擇自於H、F、烷基以及芳香基。
  5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該第一聚合物層和該第二聚合物層包括一有機矽聚合物。
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