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TWI624084B - 減少顏色因角度變異的發光二極體 - Google Patents

減少顏色因角度變異的發光二極體 Download PDF

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TWI624084B
TWI624084B TW104144791A TW104144791A TWI624084B TW I624084 B TWI624084 B TW I624084B TW 104144791 A TW104144791 A TW 104144791A TW 104144791 A TW104144791 A TW 104144791A TW I624084 B TWI624084 B TW I624084B
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TW
Taiwan
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led
wavelength conversion
curved
lens
led die
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Application number
TW104144791A
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TW201614872A (en
Inventor
瑟吉Ｊ 比爾惠山
歐樂Ｂ 喬利金
Original Assignee
飛利浦露明光學公司
皇家飛利浦電子股份有限公司
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Publication date
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Abstract

本發明揭示一種發光二極體(LED)封裝，其包含一LED晶粒及在該LED晶粒上之一波長轉換元件，該LED晶粒包含一堆疊之半導體層，該等半導體層包含一作用區域。該波長轉換元件包含產生一所期望之角度顏色分佈型樣的兩個或多個非平坦表面。

Description

減少顏色因角度變異的發光二極體
本發明係關於發光二極體(LED)封裝，且特定言之，係關於照明應用之具有一所期望顏色因角度變異的LED封裝。
本申請案係關於2008年9月24日申請之代理人檔案號碼為PH009874US1之題為「LED with Controlled Angular Non-Uniformity」的美國專利申請案第12/236,527號，該案經共同讓與且在此以引用的方式併入本文中。
在許多照明應用中使用發光二極體(LED)的照明裝置變得越來越通用。一般而言，LED使用主發射的磷光體轉換以產生白光，但磷光體亦可用於建立更飽和的顏色，如紅色、綠色及黃色。
在許多磷光體轉換之LED中發現的問題係產生的光顏色因角度(COA)變異。通常從磷光體層以較高角度發射的光將具有比以較低角度發射之光具有更長的波長，因為以較高角度的光較少徑直，且具有由該磷光體轉換的一更大機會。結果是所發射之光的顏色取決於角度。該COA變異在一些系統中係所期望的，且在其他系統中係不令人喜歡的。因此，需要用於控制COA變異的解決方案。
在本發明之一些實施例中，一種發光二極體(LED)封裝包含：一LED晶粒，該LED晶粒包含一堆疊之半導體層，該等半導體層包含一 作用區域；及在該LED晶粒上的一波長轉換元件。該波長轉換元件包含產生一所期望角度顏色分佈型樣的一個或多個非平坦的表面。
102‧‧‧透鏡
104‧‧‧透鏡底部
106‧‧‧非平坦表面
108‧‧‧輪緣
202‧‧‧波長轉換元件
206‧‧‧非平坦發射表面
208‧‧‧側塗佈
210‧‧‧高度
212‧‧‧波長轉換元件的平均高度
300‧‧‧高度
306‧‧‧LED晶粒
308‧‧‧支撐件
310‧‧‧子基座/內插器
312‧‧‧散熱器
314‧‧‧外殼
316‧‧‧電引線
402‧‧‧透鏡
404‧‧‧透鏡底部
508‧‧‧側塗佈
602‧‧‧波長轉換材料
608‧‧‧支撐件
702‧‧‧波長轉換元件
706‧‧‧非平坦發射表面
800‧‧‧LED封裝
802‧‧‧透鏡21
808‧‧‧側塗佈
900‧‧‧裝置晶圓
902-2‧‧‧LED晶粒
902-1‧‧‧LED晶粒
904‧‧‧n型層
906‧‧‧發光層
908‧‧‧p型層
910‧‧‧傳導反射性層
912‧‧‧防護金屬層
914‧‧‧介電層
916‧‧‧接合墊
918‧‧‧接合墊
920‧‧‧可移除黏合劑
924‧‧‧波長轉換材料
1002-1‧‧‧波長轉換元件
1002‧‧‧波長轉換元件
1006‧‧‧彎曲發射表面
1100‧‧‧LED封裝
1108‧‧‧側塗佈
1110‧‧‧反射鏡
1200‧‧‧LED封裝
1202‧‧‧波長轉換元件
1206‧‧‧階狀發射表面
1300‧‧‧波長轉換晶圓
1304‧‧‧工具
1306‧‧‧階狀發射表面
1400‧‧‧LED封裝
1402‧‧‧波長轉換元件
1406‧‧‧階狀表面
1600‧‧‧波長轉換元件
1602‧‧‧彎曲表面
1604‧‧‧彎曲表面
1800‧‧‧波長轉換元件
1802‧‧‧非平坦發射表面
1804‧‧‧非平坦發射表面
1806‧‧‧非平坦發射表面
1808‧‧‧非平坦發射表面
圖1繪示具有一個或多個彎曲或實質上彎曲之表面的一透鏡的一橫截面視圖；圖2繪示圖1之透鏡的一橫截面視圖，其中該等彎曲表面填充有一波長轉換材料以形成具有一個或多個彎曲或實質上彎曲發射表面的一波長轉換元件；圖3繪示具有圖2之透鏡的一發光二極體(LED)封裝的一橫截面視圖；圖4繪示具有一個或多個彎曲或實質上彎曲表面的一透鏡的一橫截面視圖；圖5繪示圖4之透鏡的一橫截面視圖，其中該等彎曲表面填充有一波長轉換材料以形成具有一個或多個彎曲或實質上彎曲發射表面及側塗佈的一波長轉換元件；圖6繪示在一支撐件上的一LED晶粒上沈積的一波長轉換材料；圖7繪示從圖6之波長轉換材料模製而來的一波長轉換元件；圖8繪示具有圖7之波長轉換元件的一LED封裝；圖9繪示在具有LED晶粒之一裝置晶圓上沈積之一波長轉換材料的一橫截面視圖；圖10繪示從圖9之波長轉換材料模製而來的一波長轉換元件的一橫截面視圖；圖11繪示具有圖10之該等LED晶粒之一者及波長轉換元件之一者的一LED封裝的一橫截面視圖；及圖12係具有一個或多個階狀發射表面的一波長轉換元件的一LED封裝的一橫截面視圖； 圖13係從一陶瓷磷光體晶圓製造波長轉換元件的一橫截面視圖；圖14係具有一LED晶粒及圖13之波長轉換元件之一者的一LED封裝的一橫截面視圖；圖15係設計彎曲或實質上彎曲之發射表面的一波長轉換元件的一流程圖；圖16及圖17繪示具有重疊半球發射表面的一波長轉換元件的透視圖及俯視圖；及圖18及圖19繪示具有重疊貝茲發射表面的一波長轉換元件的透視圖及俯視圖，其等均依照本發明之實施例而配置。
圖1至圖3繪示在本發明之一個或多個實施例中具有一所期望之顏色因角度(COA)變異的一發光二極體(LED)封裝300(圖3)的製造。參考圖1，具有一似圓頂形狀的一透鏡102幫助從一光源處提取光。透鏡102的底部104包含一個或多個彎曲或以別的方式非平坦的表面106。一非平坦表面可為一實質上彎曲的表面，諸如階狀、具彎角或用於模擬一彎曲表面的其他形狀之表面。彎曲表面106可經模製或鑽孔入透鏡102的底部104。圍繞非平坦表面106的周界界定一輪緣108。透鏡102可為玻璃、藍寶石、金鋼石、氧化鋁或聚矽氧。
參考圖2，在彎曲表面106之上沈積一波長轉換材料以形成一波長轉換元件202。該波長轉換材料可為在一黏結劑材料(諸如聚矽氧)中的一個或多個類型之磷光體。該等磷光體可為具有通式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12：CeaPrb的鋁石榴石磷光體，其中0<x<1、0<y<1、0<z0.1、0<a0.2且0<b0.1，諸如Lu3Al5O12：Ce3+及Y3Al5O12：Ce3+，其發射在黃綠範圍內的光；及(Sr1-xyBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa：Euz2+，其中0a<5、0<x1、0y1且0<z1，諸如Sr2Si5N8：Eu2+，其發射紅色範圍內的光。其他發射綠色、黃色及紅色 的磷光體亦可為適宜的，包含(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz：Eua2+(a=0.002-0.2，b=0.0-0.25,c=0.0-0.25，x=1.5-2.5，y=1.5-2.5，z=1.5-2.5)，包含例如SrSi2N2O2：Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4)：Eu2+，包含例如SrGa2S4：Eu2+；Sr1-xBaxSiO4：Eu2+；及(Ca1-xSrx)S：Eu2+，其中0<x1，包含例如CaS：Eu2+及SrS：Eu2+。
波長轉換元件202具有一個或多個彎曲或以別的方式之非平坦發射表面206，非平坦發射表面206由彎曲或以別的方式之非平坦表面106(圖1)而定義。一非平坦表面係在製造容限內在非理想性之外的一故意建立的表面。一非平坦表面可定義為具有從該表面之最低點至最高點的高度210上之一變化的一表面，該變化大於波長轉換元件202的平均高度212的10%。如上文所描述，一非平坦表面可為一實質上彎曲的表面，諸如階狀、具彎角或以別的方式用於模擬一彎曲表面的形狀之表面。
波長轉換元件202之彎曲發射表面206及似圓頂形狀之透鏡102的組合提供對於一給定應用所期望的COA變異。下文參考圖15而解釋一種用於設計波長轉換元件202之彎曲發射表面206的方法。下文參考圖16至圖19而描述彎曲發射表面206的實例。
一反射性或散射材料沈積於輪緣108中，以形成圍繞波長轉換元件202之邊緣的一側塗佈208。側塗佈208幫助控制來自波長轉換元件202及LED晶粒的邊緣發射。側塗佈208可為具有反射性粒子的一聚合物或樹脂，諸如聚矽氧、環氧或具有TiO2的丙烯酸。或者側塗佈208可為一薄金屬膜，諸如Al、Ag、Cr、Au、Ni、V、Pt、Pd或其等的一組合。
參考圖3，透鏡102安裝於一支撐件308上之一LED晶粒306上。LED晶粒306可包含一n型層、在該n型層上的一發光層(通常稱為「作用區域」)、在該發光層上的一p型層、在該p型層上的一傳導反射性 層及在該傳導反射性層上的一防護金屬層。一個或多個n型接合墊提供電接觸至該n型層，且一個或多個p型接合墊提供電接觸至該p型層的傳導反射性層。
支撐件308可包含一子基座或內插器310、一散熱器312及一外殼314。LED晶粒306安裝於子基座310上。子基座310具有一基板，該基板具有通孔或LED晶粒306之金屬圖案的子基座上接續佈線。子基座310安裝於散熱器312上。散熱器312讓來自LED晶粒306的熱消散。散熱器312容納於外殼314中。接合線將子基座310上的墊電耦接至外殼314的電引線316處，其在LED封裝300與外部組件之間傳遞電信號。
圖4繪示本發明之一個或多個實施例中的一透鏡402。透鏡402可取代在LED封裝300中之透鏡102。透鏡402類似於透鏡102，惟以下方面除外。透鏡402並不包含圍繞彎曲表面106的一輪緣108。如圖5所展示，一側塗佈508形成於透鏡402的底部404上，從波長轉換元件202的邊緣處至該透鏡的周界。側塗佈508可為如上文所描述之側塗佈208類似的一材料。
在另一替代實施例中，透鏡102或402可填充有磷光體，藉此使得該透鏡為具有彎曲或實質上彎曲發射表面106的一波長轉換元件。可用無任何磷光體的一聚矽氧填充由波長轉換元件202所留出的空隙。
圖6至圖8繪示一LED封裝800(圖8)的構造，其具有在本發明之一個或多個實施例中的所期望的一COA變異。參考圖6，LED晶粒306安裝於一支撐件608上。儘管未作展示，支撐件608可包含如上文所描述之用於支撐件308的一子基座、一散熱器及一外殼。一波長轉換材料602沈積於LED晶粒306上。波長轉換材料602可為與上文所描述之波長轉換元件202類似的一材料。
參考圖7，藉由一模具而塑型波長轉換材料602(圖6)，以形成具有一個或多個彎曲或以別的方式呈非平坦狀發射表面706(類似於上文 所描述之表面206)的一波長轉換元件702。
參考圖8，側塗佈808施加至LED晶粒306的橫向側及波長轉換元件702。側塗佈808可為與上文描述之側塗佈208類似的一材料。一透鏡802模製於支撐件608上以囊封LED 306及波長轉換元件702而完成LED封裝800。透鏡802可為聚矽氧或環氧。透鏡802具有一似圓頂形狀，以幫助從一光源提取光。
波長轉換元件702的彎曲發射表面706及似圓頂形狀透鏡802的組合提供對於一給定應用所期望之COA變異。下文參考圖15而解釋一種用於設計波長轉換元件702之彎曲發射表面706的方法。下文參考圖16至圖19而描述彎曲發射表面706的實例。
圖9至圖11繪示一LED封裝1100(圖11)的晶圓級製造，該LED封裝具有本發明之一個或多個實施例中所期望的一COA變異。參考圖9，其繪示具有多個LED晶粒902的一裝置晶圓900。出於簡單，僅繪示LED晶粒902-1及902-2，但應理解該裝置晶圓900可包含許多類似LED晶粒。
LED晶粒902-1包含：一n型層904，其磊晶地生長於現在已移除的一生長晶圓上；一發光層906(通常亦指一「作用層」)，其磊晶地生長於該x型層之上；一p型層908，其磊晶地生長於該發光層上；一傳導反射性層910，其形成於該p型層上；及一防護金屬層912，其形成於該傳導反射性層上。一介電層914形成於該等結構上。
開口形成於多種層中以提供通路至n型層904及對於p型層的傳導反射性層910。一個或多個n型接合墊916經形成以電接觸n型層904，且一個或多個p型接合墊918經形成以電接觸傳導反射性層910。接合墊916及918可延伸至該晶粒邊緣且覆蓋LED晶粒902-1背側的一實質部分(例如大於85%)以提供機械支撐至該LED晶粒。至於接合墊916及918的更多細節，請參考2006年12月15日申請之代理人檔案號碼為 LUM-06-03-01的題為「LED Assembly Having Maximum Metal Support for Laser Lift-off of Growth Substrate,」的美國專利申請案第11/611,775號，該案經共同讓與且在此以引用之方式併入本文中。LED晶粒902-2具有與LED晶粒902-1類似的一結構。
一可移除黏合劑920施加於裝置晶圓900的底部上，且一載體晶圓920接著接合至裝置晶圓900的底部。一波長轉換材料924沈積於裝置晶圓900的頂部上。波長轉換材料924可為與上文描述之波長轉換元件902類似的一材料。
參考圖10，藉由一模具而塑型波長轉換材料924(圖9)，以形成在裝置晶圓900上的每個晶粒上具有一個或多個彎曲或以別的方式之非平坦發射表面1006(類似於上文描述之表面206)的波長轉換元件1002。波長轉換元件1002的彎曲發射表面1006對於一給定應用提供所期望之COA變異。下文參考圖15而解釋一種用於設計波長轉換元件1002的彎曲發射表面1006的方法。下文參考圖16至圖19而描述彎曲發射表面1006的實例。
或者，一平坦模具可將波長轉換材料924塑形成為一平坦波長轉換元件。該平坦波長轉換元件可經機械地塑形以形成具有實質上彎曲發射表面1006的波長轉換元件1002。例如，該平坦波長轉換元件可為碾磨過的或用微粒(例如鹽)噴砂以形成具有實質上彎曲發射表面1006的波長轉換元件1002。下文參考圖13及圖14而描述類似程序。
裝置晶圓900接著從載體晶圓920轉移至一拉伸膜。LED晶粒902連同波長轉換元件1002接著被分割成具有個別波長轉換元件的個別晶粒。可使用一雷射、一劃線器或一鋸子而分割LED晶粒902及波長轉換元件1002。該拉伸膜接著擴張至橫向單獨的LED晶粒902，且一側塗佈1108(圖11)施加至LED晶粒902及波長轉換元件1002的橫向側。側塗佈1108可為與上文描述之側塗佈208類似的一材料。至於關於側塗 佈1108之施加的更多細節，請參考2009年5月1日申請之代理人檔案號碼為PH012995US1的題為「Controlling Edge Emission in Package-Free LED Die,」的美國專利申請案第12/433,972號，該案經共同讓與且以引用的方式併入本文中。
參考圖11，具有波長轉換元件1002-1的一經分割LED晶粒902-1安裝於支撐件608上。一反射鏡1110可安裝至支撐件608以塑形來自LED晶粒902-1及波長轉換元件1002-1的光。
圖12繪示本發明之一個或多個實施例中的一LED封裝1200。LED封裝1200包含安裝於支撐件608上的LED晶粒306。一波長轉換元件1202安裝於LED晶粒306上。波長轉換元件1202包含一個或多個堆疊之陶瓷磷光體板。該等磷光體板具有不同長度及寬度，因而該等磷光體板提供模擬上文所描述之彎曲表面之形狀的階狀發射表面1206。明確言之，一較大陶瓷磷光體板1202-1安裝於LED晶粒306上，且兩個堆疊之越來越小的陶瓷磷光體板1202-2、1202-3及1202-4安裝於陶瓷磷光體板1202-1之上以模擬兩個彎曲表面。至於關於該等陶瓷磷光體板的細節，請參考美國專利第7,361,938號，該案經共同讓與且在此以引用的方式併入本文中。波長轉換元件1202之階狀發射表面1206提供對於一給定應用所期望的COA變異。下文參考圖15而解釋一種用於設計波長轉換元件1202之階狀發射表面1206或由階狀表面模擬的彎曲表面的方法。下文參考圖16至圖19而描述階狀發射表面1206或由階狀表面模擬之彎曲表面的實例。儘管未作圖式，一透鏡802可模製於支撐件608之上以囊封LED晶粒306及波長轉換元件1202，以完成LED封裝1200。
圖13及圖14繪示本發明之一個或多個實施例中一LED封裝1400(圖14)的製造。圖13展示用一工具1304機械地塑形(即，碾磨過或以別的方式加工)一波長轉換晶圓1300以形成階狀發射表面1306。波 長轉換晶圓1300可為一陶瓷磷光體晶圓。代替階狀發射表面1306，工具1304可能能夠形成彎曲或具彎角的表面。代替碾磨，波長轉換元件1300可用微粒(例如鹽)噴砂以形成階狀、彎曲或具彎角的表面。波長轉換晶圓1300接著被分割成具有一個或多個彎曲、階狀或具彎角表面1406(圖14)的個別波長轉換元件1402(圖14)。
圖14展示波長轉換元件1402安裝於LED晶粒306上，該LED晶粒安裝於支撐件608上，以完成LED封裝1400。波長轉換元件1402的階狀表面1406提供對於一給定應用所期望的COA變異。下文參考圖15而解釋一種用於設計波長轉換元件1402的階狀表面1406或由階狀表面模擬之彎曲表面的方法。下文參考圖16至圖19而描述階狀表面1406或由階狀表面模擬之彎曲表面的實例。儘管未作圖式，一透鏡802模製於支撐件608上以囊封LED晶粒306及波長轉換元件1402，以完成LED封裝1400。
圖15係設計本發明之一個或多個實施例中之一波長轉換元件的彎曲、階狀、具彎角或以別的方式之非平坦表面的一方法1500的一流程圖。方法1500使用具有一光學設計軟體的電腦而實施，諸如來自美國加州巴莎迪那市Optical Research Associates的LightTools。
在方塊1502中，在光學設計軟體中量化顏色因角度變異的機制。例如，可由穿過波長轉換材料的不同通道長度、磷光體的均勻發射、LED的朗伯(lambertian)發射、磷光體粒子的散射、LED晶粒表面的散射(來自背部發射的磷光體光)、側塗佈的散射及來自任意圓頂透鏡的散射而引起顏色因角度變異。繼方塊1502後接著方塊1504。
在方塊1504中，任意透鏡的形狀提供至光學設計軟體。繼方塊1504後接著方塊1506。
在方塊1506中，目標COA變異提供至光學設計軟體。該光學設計軟體接著模擬該設計以決定將提供目標COA變異的波長轉換元件的彎 曲、階狀或具彎角的表面。繼方塊1506後接著方塊1508。
在方塊1508中，藉由製作一波長轉換元件，將該波長轉換元件安裝於一LED晶粒上，且從總成處決定實際的COA變異，而驗證設計。當實際COA無法滿足目標COA時，繼方塊1508後可接著選用之方塊1510。
在選用之方塊1510中，修改波長轉換元件的設計以補償介於實際COA與目標COA之間的差異。在驗證波長轉換元件的新設計情況下，繼選用之方塊1510後選用地接著方塊1508。
圖16繪示具有本發明之一個或多個實施例中之具有彎曲或以別的方式之非平坦發射表面1602及1604之波長轉換元件1600的一實例。於彎曲表面1602及1604中提供輪廓線，以更好繪示彎曲表面1602及1604的曲率。彎曲表面1602及1604可為重疊的半球形或其他類似表面。彎曲表面1602及1604可具有相同的形狀或不同形狀以達成所期望之COA變異。
圖17展示相對於波長轉換元件1600的LED晶粒306的佈置。請注意波長轉換元件1600可具有相對於LED晶粒306的一不對稱形狀，因而其在一個方向(例如X)比在另一方向(例如Y)長。此允許波長轉換元件1600產生一不對稱COA分佈型樣或補償來自光源的一不對稱COA分佈型樣。彎曲表面1602及1604可用於上文描述之波長轉換元件中。亦可由上文描述之階狀或具彎角表面模擬彎曲表面1602及1604。
圖18繪示在本發明之一個或多個實施例中具有彎曲或以別的方式非平坦的發射表面1802、1804、1806及1808的波長轉換元件1800的一實例。彎曲表面1802、1804、1806及1808係重疊的貝茲(Bezier)表面。彎曲表面1802、1804、1806及1808可具有相同形狀或不同形狀以達成所期望之COA變異。
圖19展示相對於波長轉換元件1800的LED晶粒306的佈置。請注 意波長轉換元件1800可具有相對於LED晶粒306的一不對稱形狀，因而其在一個方向(例如X)比在另一方向(例如Y)長。此允許波長轉換元件1800產生一不對稱COA分佈型樣或補償來自光源的一不對稱COA分佈型樣。彎曲表面1802、1804、1806及1808可用於上文描述之波長轉換元件中。亦可由上文描述之階狀或具彎角表面模擬彎曲表面1802、1804、1806及1808。
所揭示之實施例的特徵之多種其他適應體及組合在本發明之範圍內。許多實施例由下述申請專利範圍而涵蓋。

Claims (6)

  1. 一種發光二極體(LED)封裝，其包括：一LED晶粒，其包括一堆疊(stack)之半導體層，該等半導體層包含一作用(active)區域；在該LED晶粒上(over)的一波長轉換元件，該波長轉換元件包括形成複數個階狀(stepped)發射表面的一或多個陶瓷磷光體板，該等階狀發射表面模擬經配置以產生一預定的角度顏色分佈型樣之複數個彎曲發射表面。
  2. 如請求項1之LED封裝，其中該等階狀發射表面之至少兩者具有不同形狀。
  3. 如請求項1之LED封裝，其中該波長轉換元件具有相對於該LED晶粒的一不對稱形狀。
  4. 一種發光二極體(LED)封裝，其包括：一圓頂形狀的透鏡，其包含填充有磷光體之一透明材料，該透鏡的底部界定複數個凹(concave)面；及在該透鏡下方之一LED晶粒，該LED晶粒包括一堆疊之半導體層，該等半導體層包含一作用區域。
  5. 如請求項4之LED封裝，其中該等凹面之至少兩者具有不同形狀。
  6. 如請求項4之LED封裝，其中該等凹面相對於該LED晶粒中央的X及Y軸是不對稱的。
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