專利名稱：帶有多個(gè)光學(xué)元的高亮度led封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)光源，特別適用于封裝的發(fā)光二極管(LED)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
LED是光源的理想選擇，部分是由于它們的相對較小的尺寸、低的功率/電流要求、高的速度、長的壽命、結(jié)實(shí)的封裝、各種可用的輸出波長以及與現(xiàn)代電路板的兼容性。這些特性可以幫助解釋在過去的幾十年中LED在多種不同終端應(yīng)用中的廣泛使用。在效率、亮度和輸出波長等方面繼續(xù)對LED進(jìn)行改進(jìn)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了其潛在的終端應(yīng)用的領(lǐng)域。
LED通常以封裝的形式出售，其中包括安裝在金屬管座(header)上的LED管芯或芯片。該管座具有LED管芯安裝在其中的反射杯和連接到LED管芯的電引線。所述封裝還包括密封LED管芯的模制透明樹脂。該密封樹脂通常具有名義上半球形的前表面，以使從LED管芯發(fā)出的光部分準(zhǔn)直。

發(fā)明內(nèi)容
本申請公開一種封裝的固態(tài)光源，該光源利用LED管芯。提供了多個(gè)光學(xué)元件，每個(gè)光學(xué)元件具有輸入表面，光學(xué)元件的尺寸和布置方式使得輸入表面相互間隔開，并且與LED管芯的發(fā)光表面的不同部分光學(xué)接觸。
在一些實(shí)施例中，光學(xué)元件可分別具有比各自的輸入表面大的輸出表面，以及至少一個(gè)連接輸入表面和輸出表面的反射側(cè)表面。在一些實(shí)施例中，光學(xué)元件可由光學(xué)材料中的一個(gè)或多個(gè)凹槽限定。在一些實(shí)施例中，光學(xué)元件可在其間限定間隙。在這種情況下，可在一個(gè)或多個(gè)這種間隙內(nèi)布置功能件，例如電觸點(diǎn)或散熱流體。光學(xué)元件可具有接近LED管芯的折射率的高折射率，和/或高導(dǎo)熱率。
從下面的詳細(xì)描述中可以看出本發(fā)明的這些和其它方面。但是，不應(yīng)把上面的綜述理解成對所要求保護(hù)的主題的限制，該主題僅由所附的權(quán)利要求書限定，而權(quán)利要求書在申請過程中是可以修改的。


在整個(gè)說明書中參考附圖，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，其中圖1和圖2是具有增亮層的LED封裝的示意剖視圖；圖3和圖4是具有增亮層的更多的LED封裝和錐形光學(xué)元件的示意剖視圖；圖5示出了LED管芯的模擬的亮度和光強(qiáng)輸出與錐形元件在LED管芯的前發(fā)光表面上的覆蓋區(qū)的大小的函數(shù)關(guān)系；圖6、圖7和圖8是示出使用復(fù)合錐形元件的LED封裝的示意剖視圖，其中圖8還示出與LED管芯耦合的多個(gè)錐形元件；以及圖9是具有增亮層和多個(gè)光學(xué)元件的另一LED封裝的示意剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在上文的背景技術(shù)中描述的常規(guī)LED封裝的一個(gè)缺點(diǎn)是，將在LED管芯內(nèi)產(chǎn)生的光傳輸?shù)酵獠凯h(huán)境(通常，是指空氣)的效率低。這種低效率的主要原因是LED管芯的半導(dǎo)體層的折射率高，以及密封樹脂與(限定發(fā)光表面的)LED管芯的外部之間的折射率失配大。這種失配促使大量的光在LED管芯內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)，從而導(dǎo)致所述光被捕獲并最終被吸收。
典型LED封裝的另一個(gè)缺點(diǎn)涉及LED管芯的較差的熱控制能力，其過度地限制可流過LED二極管結(jié)的電流量。這又限制LED封裝可實(shí)現(xiàn)的亮度和光強(qiáng)輸出。較差的熱控制能力是指從LED管芯排熱的性能非最佳，由于使得LED管芯在給定電流下比所需的情況運(yùn)行得更熱，所以它也可能會(huì)損害LED的壽命。在上述的已知的LED封裝中，將LED管芯結(jié)合到金屬管座上，提供了從LED管芯的背面中合理的排熱。但是，LED管芯的前發(fā)光表面與密封樹脂接觸，所述密封樹脂具有低導(dǎo)熱率，從而從LED管芯中排出極少的熱。
對于很多終端應(yīng)用來說，人們希望改進(jìn)LED封裝以便將在LED管芯內(nèi)產(chǎn)生的更多的光耦合到外部環(huán)境，從而提高裝置的光強(qiáng)輸出。人們還希望改進(jìn)LED封裝以便增強(qiáng)LED管芯的亮度(在給定驅(qū)動(dòng)電流下)。人們還希望改進(jìn)LED封裝以便加強(qiáng)對LED管芯的熱控制，從而提供更低的LED管芯工作溫度和/或更高的可實(shí)現(xiàn)的LED驅(qū)動(dòng)電流。
在下文中，在對可能僅使用單個(gè)光學(xué)元件的相關(guān)實(shí)施例的討論中，公開了使用多個(gè)光學(xué)元件的高亮度LED封裝及其相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。
在圖1中，LED封裝10包括安裝在管座或其它底座14上的LED管芯12。為了簡單起見，大致示出管芯和底座，但是讀者應(yīng)該理解，它們可以包括本領(lǐng)域中所知的常規(guī)設(shè)計(jì)特征。例如，LED管芯12可以包括不同的p摻雜半導(dǎo)體層和n摻雜半導(dǎo)體層、基底層、緩沖層和覆蓋層。在圖中，LED管芯的主發(fā)光表面12a、底表面12b和側(cè)表面12c為簡單的矩形布置形式，但是，也可以是其它已知的構(gòu)造，例如，形成截頂?shù)牡估忮FLED管芯形狀的傾斜側(cè)表面。為了簡單起見，也沒有示出與LED管芯連接的電觸點(diǎn)，但是，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，可以在管芯的任何表面上設(shè)置電觸點(diǎn)。在示例性實(shí)施例中，管芯具有兩個(gè)觸點(diǎn)，這兩個(gè)觸點(diǎn)都設(shè)置在管芯的底表面12b上，和“倒裝芯片”LED管芯設(shè)計(jì)的情況一樣。而且，底座14可以充當(dāng)支撐基底、電觸點(diǎn)、散熱裝置和/或反射杯。
LED封裝10還包括密封或包圍管芯12的透明光學(xué)元件16。所述光學(xué)元件16的折射率介于LED管芯(更準(zhǔn)確地說是LED管芯的靠近發(fā)光表面12a的外部)的折射率和周圍介質(zhì)(通常為空氣)的折射率之間。在許多實(shí)施例中，理想的是，為元件16選擇其折射率盡可能高但不大大超過LED管芯的折射率的材料，因?yàn)長ED管芯和元件16之間的折射率差越小，管芯中捕獲和丟失的光就越少。所示的光學(xué)元件16具有彎曲的輸出表面，其可以幫助確保光從LED封裝中傳輸?shù)街車橘|(zhì)中，而且也可以用來使由LED管芯發(fā)出的光至少部分地聚焦或準(zhǔn)直。也可以用具有其它形狀的光學(xué)元件使光準(zhǔn)直，包括下文進(jìn)一步討論的錐形形狀。
LED封裝10在光學(xué)元件16和管芯之間還設(shè)置有圖案化的低折射率層18，該低折射率層具有這樣的作用，即選擇性地保存一些光滯留在LED管芯中，以便增強(qiáng)在發(fā)光表面12a的局部孔徑或者區(qū)域20中的亮度。圖案化的低折射率層18與側(cè)表面12c和發(fā)光表面12a的除孔徑20之外的部分基本上光學(xué)接觸，而光學(xué)元件16與發(fā)光表面12a的在孔徑20區(qū)域之上的部分光學(xué)接觸(在這點(diǎn)上，“光學(xué)接觸”是指表面或者介質(zhì)間隔足夠近地靠在一起，包括但不限于直接的物理接觸，使得例如低折射率層或者透明元件的折射率性質(zhì)控制或者相當(dāng)大地影響在LED管芯內(nèi)傳播的至少一些光的全內(nèi)反射)。圖案化的低折射率層18的折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED管芯的折射率和透明元件16的折射率。層18在期望促進(jìn)捕獲光的那些位置上也是光學(xué)厚的?！肮鈱W(xué)厚的”的意思是指，其厚度大到足以避免受抑全內(nèi)反射；或者，在該層的一側(cè)上的介質(zhì)(例如光學(xué)元件16)的折射率性質(zhì)不會(huì)控制或者相當(dāng)大地影響在該層的另一側(cè)上的介質(zhì)(例如LED 12)中傳播的至少一些光的全內(nèi)反射。圖案化的低折射率層的厚度優(yōu)選大于所感興趣的光能在真空中的波長的約十分之一，較優(yōu)選地大于所感興趣的光能在真空中的波長的一半，更優(yōu)選地大于所感興趣的光能在真空中的波長。層18的“圖案化”還意味著包括這樣的實(shí)施例，其中，層18在LED發(fā)光表面上是連續(xù)的，但是在孔徑20和光學(xué)厚的其它位置上極薄(從而對保持全內(nèi)反射是無效的)。有益的是，層18是透明的介電材料，或者在LED管芯的表面上至少包括一層這樣的材料。這些材料優(yōu)于通過僅僅向LED施加一層金屬而制得的反射涂層，例如，因?yàn)榻殡姴牧蠈τ谠贚ED管芯中的大量光可以提供100％的反射(通過TIR)，而單一的金屬涂層具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100％的反射率，尤其在高的入射角時(shí)。
圖案化的低折射率層18以降低LED的其它部分(例如，除孔徑20以外的發(fā)光表面12a的部分)的亮度為代價(jià)來增強(qiáng)LED的某些部分(例如，在孔徑20中)的亮度。這種效應(yīng)依賴在工作期間具有足夠低的內(nèi)部損耗，以支持發(fā)射光在LED管芯內(nèi)的多次反射的LED管芯。隨著改進(jìn)LED管芯制造和設(shè)計(jì)，可以期望降低表面或者體吸收造成的損耗，提高內(nèi)部量子效率，并且可以期望本文所述的增亮效應(yīng)能提供越來越大的好處。通過改進(jìn)基底和外延沉積方法，可以減少體吸收。通過改善的背反射體，例如，通過將外延層結(jié)合到高反射性金屬反射鏡上或者通過在LED結(jié)構(gòu)中結(jié)合單向反射鏡，可以減少表面吸收。當(dāng)與成形LED管芯的背面結(jié)合時(shí)，這種設(shè)計(jì)可以更有效地增加通過頂表面的光輸出。在示例性實(shí)施例中，底表面12b的大部分是高反射性的材料，例如金屬或者介電堆。在LED發(fā)射波長處，反射體的反射率優(yōu)選大于90％，較優(yōu)選地大于95％，更優(yōu)選地大于99％。
再次參考圖1，任意的發(fā)光點(diǎn)光源22例如發(fā)射光線24。LED管芯12和透明元件16的折射率使得在LED/光學(xué)元件界面上與發(fā)光表面12a第一次相遇的光線透射入元件16中，并被元件16折射。然而，圖案化層18將該位置處的界面改變成全內(nèi)反射光線24。如圖1所示，該光線傳播通過LED管芯的厚度，被背表面12b反射，然后再次遇到發(fā)光表面12a，由于沒有層18，所以光線這次透射進(jìn)入透明元件16中。因此，以發(fā)光表面12a的被低折射率層18覆蓋的部分為代價(jià)，在發(fā)光表面12a的孔徑20處的部分變得更亮(每單位面積且每單位立體角的光通量更多)。
在圖1的實(shí)施例中，如果入射在低折射率層18上的LED內(nèi)的一些光相對于發(fā)光表面12a的法向矢量的入射角足夠小，以致于它只是通過低折射率層18，則這些光仍可以透射進(jìn)入元件16中。因此，入射在LED管芯的被低折射率層涂布的部分上的光具有非零的透射角，但是透射角的范圍比入射在LED管芯的未涂布的部分上的光的透射角的范圍小。在另一可選的實(shí)施例中，低折射率層18可以被良好的垂直入射反射體(例如反射金屬或者干涉反射體)覆蓋，以在不損失低折射率層18提供的TIR好處的情況下，增加對LED中的光的重復(fù)利用，并且進(jìn)一步增強(qiáng)孔徑20處的亮度?？扇芜x地，干涉反射體可以設(shè)置在管芯的外表面和低折射率層18之間。
合適的低折射率層18包括氟化鎂、氟化鈣、二氧化硅、溶膠凝膠、碳氟化合物和硅的涂層。氣凝膠材料也是合適的，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)極低的有效折射率，即，約1.2或者更小，或者甚至約1.1或更小。氣凝膠是通過在高溫和壓力臨界點(diǎn)干燥由填充有溶劑的膠狀二氧化硅結(jié)構(gòu)單元組成的凝膠而制成的。所得到的材料是欠密的微孔介質(zhì)。低折射率層18的示例性厚度為約50nm至100,000nm，優(yōu)選為約200nm至2000nm，這取決于材料的折射率。層18折射率低于光學(xué)元件16的折射率，并且低于LED管芯或者該管芯的接近(一個(gè)或多個(gè))發(fā)光表面的那一部分的折射率，其中，光學(xué)元件16可以是模塑樹脂或者其它密封材料。層18的折射率優(yōu)選小于約1.5，更優(yōu)選小于1.4。低折射率層18可以是介電材料的實(shí)心層，或者可以是在LED管芯和透明元件16之間的真空間隙或者填有氣體的間隙。
LED管芯的外表面可以是光學(xué)光滑的，即，具有小于約20nm的表面光潔度RA。LED的外表面的一些、全部或者部分也可以是光學(xué)粗糙的，即，具有大于約20nm的表面光潔度RA。側(cè)面的多個(gè)部分或者頂表面相對于LED光學(xué)的底面也可以是非正交的角度。這些角度的范圍可以相對正交狀態(tài)偏離0度至45度。此外，LED管芯的主表面或者次表面不必一定是平坦的。例如，LED管芯的發(fā)光表面的(一個(gè)或多個(gè))凸起部分可以接觸光學(xué)元件的大致平坦的底表面，以至少限定圖1至圖3中的孔徑20、20a和34。
由基本沒有低折射率層18的部分形成的孔徑20的形狀可以是圓形、矩形、正方形或者更復(fù)雜的形狀，無論是多邊形還是非多邊形，規(guī)則的還是非規(guī)則的。如下面更詳細(xì)的描述所示，也可以有多個(gè)孔徑。通常根據(jù)期望應(yīng)用的功能來選擇(一種或多種)孔徑形狀，并且可以調(diào)整孔徑形狀以優(yōu)化整體系統(tǒng)性能。還可以用連續(xù)的或者非連續(xù)的低折射率涂布區(qū)域圖案或網(wǎng)格使孔徑的表面圖案化，或者，提供具有厚度梯度或者折射率梯度或者二者的低折射率層，以改變在整個(gè)孔徑表面上的光輸出的分布?？讖竭€可以覆蓋整個(gè)頂發(fā)光表面12a，其中，側(cè)表面12c的至少一部分被低折射率層覆蓋。
轉(zhuǎn)到圖2，這里示出與LED封裝10相似的LED封裝10a，但是，其中，低折射率層18已經(jīng)被改變成在中心孔徑中包括網(wǎng)格狀的低折射率涂布區(qū)域。因此，改變的低折射率層標(biāo)記為18a，改變的中心孔徑標(biāo)記為20a。其它元件保持圖1中所用的附圖標(biāo)記。如圖所示，網(wǎng)格狀的低折射率區(qū)域可以布置成圖案，圖案在孔徑邊緣附近相對比較密，使得該區(qū)域中的透射率相對比較低。在對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要特定的空間均勻性或者輸出分布的高亮度LED中，能夠調(diào)節(jié)通過孔徑的透射率是有用的。這種在孔徑內(nèi)布置低折射率介質(zhì)的方案同樣可以適用于其它公開的實(shí)施例，包括但不限于圖3、圖4和圖6至圖8的實(shí)施例。
可以用低折射率材料涂布孔徑，該低折射率材料的厚度或者折射率或者二者與限定孔徑的低折射率材料(為了方便起見，稱為“周圍的低折射率材料”)不同。這種設(shè)計(jì)靈活性可以用來改變由封裝的LED發(fā)射的光的角度分布。例如，用其折射率位于光學(xué)元件16的折射率和周圍的低折射率材料的折射率之間的材料涂布孔徑20或20a，將限制由孔徑發(fā)射的光的角度范圍，這導(dǎo)致本來通常以大角度發(fā)射的光在LED管芯內(nèi)被循環(huán)使用，并且增加在可以更有效地被相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)使用的角度范圍內(nèi)的光輸出。例如，用于電子投影系統(tǒng)中的集光裝置不會(huì)有效地使用在常用的F/2至F/2.5的接受設(shè)計(jì)角度之外的光。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，LED封裝30包括透明光學(xué)元件32，該透明光學(xué)元件與LED管芯12部分光學(xué)接觸，并且與LED管芯部分分隔開，以在它們之間形成相當(dāng)大的空氣間隙34。透明元件32具有輸入表面32a和輸出表面32b，輸入表面32a小于輸出表面32b；小于LED管芯的發(fā)光表面12a；并且與發(fā)光表面的一部分光學(xué)接觸，以限定孔徑34。在這點(diǎn)上，輸入表面小于輸出表面，因?yàn)樗哂休^小的表面面積，因此，輸出表面大于輸入表面，因?yàn)樗哂休^大的表面面積。光學(xué)元件32和發(fā)光表面12a之間的形狀差別形成空氣間隙36，空氣間隙36在接觸區(qū)域(孔徑34)周圍形成圖案化的低折射率層。因此，在LED管芯所產(chǎn)生的光可以在孔徑34處被透明元件32有效地提取，從而產(chǎn)生高亮度。本文所述的光學(xué)元件32和其它光學(xué)元件可以在觸點(diǎn)上通過任何合適的方式與LED管芯粘結(jié)，或者，它可以保持在合適的位置上但不與LED管芯的發(fā)光表面粘結(jié)。此外，關(guān)于在LED封裝中的非粘結(jié)的光學(xué)元件的討論可以在2004年10月29日提交的標(biāo)題為“LED Package WithNon-Bonded Optical Element”的美國專利申請No.10/977249(代理機(jī)構(gòu)編號為No.60216US002)中找到。如上所述，通過插入其折射率位于LED管芯12和透明元件32的折射率之間的一層材料，可以減少由LED發(fā)光表面12a發(fā)射的進(jìn)入位于孔徑34上方的光學(xué)元件32中的光的角度范圍。
如圖4所示，用于減少收集的光的角度范圍—或者用于使收集的光準(zhǔn)直(至少部分準(zhǔn)直)—的另一方法是使用具有一個(gè)或多個(gè)錐形側(cè)壁的透明元件。在該圖中，LED封裝40與LED封裝30相似，但是，光學(xué)元件42代替了光學(xué)元件32。元件42具有輸入表面42a和輸出表面42b，輸入表面42a小于輸出表面42b；小于LED管芯的發(fā)光表面12a；并且與發(fā)光表面的一部分光學(xué)接觸，以限定孔徑44。光學(xué)元件42和發(fā)光表面12a之間的形狀差別形成空氣間隙46，空氣間隙46在接觸區(qū)域(孔徑44)周圍形成圖案化的低折射率層。此外，光學(xué)元件42包括錐形的側(cè)表面42c，42d，所述側(cè)表面是反射性的，以使從LED管芯進(jìn)入輸入表面42a的高角度傾斜的光中的一些光準(zhǔn)直。通過支持TIR的低折射率介質(zhì)，或者通過施加反射性材料(例如金屬層或者干涉反射體)或者這兩種方案的組合，可以使側(cè)表面42c，42d具有反射性。
光學(xué)元件42可以通過流體、熱結(jié)合的無機(jī)玻璃、塑料無機(jī)玻璃或者通過如下方式與LED管芯的發(fā)光表面光學(xué)接觸使這些表面具有光學(xué)光滑的光潔度(表面粗糙度RA小于約50nm，優(yōu)選小于約20nm)，然后使這些表面相互緊密靠近。此外，光學(xué)元件42的結(jié)構(gòu)可以是復(fù)合的，其中，包括表面42a，42c，42d的錐形的下部與包括表面42b的透鏡狀的上部分開制造，并且將這兩個(gè)部分通過常規(guī)的方式粘附或者用其它方法連接在一起。虛線用來更清楚地示出這兩個(gè)部分。下面進(jìn)一步討論復(fù)合的光學(xué)元件、設(shè)計(jì)事項(xiàng)和相關(guān)的好處。
使用模型確定封裝的LED的潛在的亮度增加，該封裝的LED使用圖案化的低折射率層和與輸出孔徑耦合的錐形光學(xué)元件。為了表示典型LED的光學(xué)行為，用具有發(fā)光區(qū)域、吸收區(qū)域和傾斜的邊緣小面的碳化硅(折射率為1.55)的材料性質(zhì)建立LED模型。倒置截頂棱錐形的錐形光學(xué)元件與LED的前小面或者發(fā)光表面光學(xué)耦合。光學(xué)元件的材料性質(zhì)是碳化硅的材料性質(zhì)。從正面觀看，LED具有正方形的形狀，光學(xué)元件的輸入表面和輸出表面也是正方形的形狀。該模型還將光學(xué)元件的輸出表面與具有BK7玻璃的材料性質(zhì)的半球形透鏡耦合，其中，透鏡的直徑是正方形LED發(fā)光表面的寬度的十倍，并且，透鏡的曲率半徑是LED發(fā)光表面的五倍。光學(xué)元件的輸入表面的尺寸從LED發(fā)光區(qū)域的100％遞減地變?yōu)?％，與此同時(shí)，保持光學(xué)元件的高度與光學(xué)元件的輸出表面的寬度的縱橫比為2.2，并且，保持輸出表面的寬度是輸入表面的寬度的2倍。當(dāng)光學(xué)元件的尺寸變?yōu)樾∮贚ED發(fā)光表面的尺寸時(shí)，假設(shè)折射率為1的介質(zhì)覆蓋LED發(fā)光表面的位于光學(xué)元件的輸入表面之外的那一部分，從而形成低折射率的圖案化層，該圖案化層以與光學(xué)元件的輸入表面互補(bǔ)的方式覆蓋LED發(fā)光表面。計(jì)算由光學(xué)元件發(fā)射的部分功率(代表LED封裝的相對的光強(qiáng)輸出)和由光學(xué)元件的輸出表面發(fā)射的相對的照度(流明/(cm2sr))(代表LED封裝的相對的亮度)。圖5以總體的方式示出觀察到的趨勢。曲線50是發(fā)射的相對的部分功率；曲線52是相對的照度。結(jié)果證實(shí)，隨著孔徑尺寸下降，從封裝中獲得的總光強(qiáng)輸出更少，但是(在更小孔徑中的)亮度可以驚人地升高。
所公開的實(shí)施例的圖案化的低折射率層可以包括間隙或者施加在LED管芯上的低折射率材料的涂層。用液態(tài)的低折射率材料—或者用形成干涉反射體的各個(gè)層—用液體涂布LED管芯的合適的方法包括將涂料旋涂、噴涂、浸涂和散布在管芯上。液體涂料可以由隨后固化的單體、溶劑、聚合物、無機(jī)玻璃形成材料、溶膠凝膠和氣凝膠構(gòu)成。涂布?xì)鈶B(tài)的低折射率材料的合適方法包括化學(xué)氣相沉積或?qū)⒄魵饽墼诠苄旧?。也可以通過濺射法、氣相沉積法或者其它常規(guī)的物理氣相沉積法用低折射率材料涂布該管芯。
可以在晶片級別時(shí)(在切割之前)，或者在晶片被切割之后但在安裝之前，在將管芯安裝在管座或其它支撐體上之后，以及在對管芯進(jìn)行電連接之后，將涂料施加到大量LED上?？梢栽谑┘拥驼凵渎释苛现盎蛘咧?，形成孔徑。是否選擇在施加涂料后進(jìn)行圖案化的方法，可能取決于所選的具體低折射率材料(一種或多種)和其與半導(dǎo)體處理的兼容性。例如，晶片可以用光致抗蝕劑覆蓋并圖案化，以在需要孔徑的地方形成開孔，沉積合適的低折射率涂料，然后使用合適溶劑進(jìn)行剝離?；蛘?，可以首先在整個(gè)晶片和管芯上沉積低折射率材料，可以施加圖案化的光致抗蝕劑作為蝕刻掩模，并且，使用合適的技術(shù)(例如反應(yīng)離子蝕刻)除去低折射率材料。可任選地，可以使用合適的溶劑剝離光致抗蝕劑層。用于圖案化低折射率材料的其它技術(shù)包括激光燒蝕和掩模遮蓋沉積(蒸鍍)，這對于可溶在典型的光刻剝離和顯影溶劑中的材料尤其有用。用于從低粘附力區(qū)域剝掉不需要的涂層的合適方法包括首先施加粘結(jié)材料，然后除去粘結(jié)材料，其中，粘結(jié)材料能夠從孔徑區(qū)域上除去涂層，但可以使周圍的涂層保持原封不動(dòng)。低折射率涂層也可以被圖案化，以形成在其上可以制作與管芯連接的電連接的區(qū)域。例如，參見美國專利公開US 2003/0111667 A1(Schubert)。
金屬反射層可以通過常規(guī)的方法來施加，并且根據(jù)需要被圖案化，以提供孔徑和適當(dāng)?shù)碾姼綦x。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，LED封裝60利用錐形的光學(xué)元件62將光從LED管芯12中耦合出來。如結(jié)合圖4的光學(xué)元件42所討論的，光學(xué)元件62也具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，即，它包括連接在一起的至少兩個(gè)部分64，66。如圖所示，所述兩個(gè)部分具有輸入表面64a，66a、輸出表面64b，66b和反射側(cè)表面64c，64d，66c，66d。元件62的錐形側(cè)表面以非成像的方式使來自緊鄰的LED發(fā)光表面12a的光改向或者準(zhǔn)直(至少部分地準(zhǔn)直)。在本文所公開的錐形元件62和其它錐形元件中，側(cè)表面不必一定是平面的。它們可以是圓錐形的、曲面的(包括拋物面的)或者任何合適的組合，這取決于期望的應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束。所公開的錐形元件可以具有在本領(lǐng)域中稱為CPC(“復(fù)合”拋物面聚光器)的元件的形狀。
在很多情況中，希望用高折射率材料形成錐形光學(xué)元件，以減少在由輸入表面64a限定的孔徑之上的LED發(fā)光表面12a處的反射，使得光更有效地從LED管芯12中耦合出或者提取出。在很多情況中，還希望使用具有高導(dǎo)熱率和高熱穩(wěn)定性的材料制造光學(xué)元件。這樣，光學(xué)元件不僅可以執(zhí)行光學(xué)功能，而且也可以執(zhí)行熱控制功能。此外，通過將這種光學(xué)元件熱耦合到散熱裝置，可以獲得熱控制的好處，這在2004年10月29日提交的名稱為“LED Package With Front SurfaceHeat Extractor”的美國專利申請No.10/977241(代理機(jī)構(gòu)編號為60296US002)中有更加詳細(xì)的描述。
不幸地，在LED發(fā)射波長處具有足夠高的折射率(例如大于約1.8、2.0或者甚至2.5)并且/或者具有大于約0.2 W/cm/K的導(dǎo)熱率的透明材料往往價(jià)格昂貴，并且/或者難以制造。既具有高折射率又具有高導(dǎo)熱率的比較少的幾種材料中的一些包括金剛石、碳化硅(SiC)和藍(lán)寶石(AI2O3)。這些無機(jī)材料的價(jià)格昂貴，質(zhì)地非常硬，并且難以成形和拋光成光學(xué)級的光潔度。特別是，碳化硅還表現(xiàn)出一種稱為微管的缺陷，這會(huì)導(dǎo)致光散射。碳化硅還是導(dǎo)電的，本身可以提供電觸點(diǎn)或者電路功能。如果散射被限制在元件的輸入端附近的位置，則在錐形的光學(xué)元件中的散射可能是可接受的。然而，制造具有足夠長度的錐形元件以從LED管芯中有效地耦合光是昂貴的、費(fèi)時(shí)的。制造單件錐形元件的額外困難是，材料的產(chǎn)量可能會(huì)比較低，并且，形狀因素可以迫使LED管芯與錐形元件單獨(dú)地組裝。由于這些原因，將錐形元件分成至少兩個(gè)部分可以有益于減少制造成本，其中，所述部分由不同的光學(xué)材料制成。
第一部分希望與LED管芯光學(xué)接觸，并且由具有高折射率(在發(fā)光表面上，優(yōu)選約等于LED管芯的折射率)、高導(dǎo)熱率和/或高熱穩(wěn)定性的第一光學(xué)材料制成。在這點(diǎn)上，高熱穩(wěn)定性是指材料的分解溫度為約600℃或者更高。
第二部分連接第一部分，并且由第二光學(xué)材料制成，第二光學(xué)材料可以具有較低的材料成本，并且比第一光學(xué)材料更容易制造。第二光學(xué)材料相對于第一光學(xué)材料可以具有較低的折射率、較低的導(dǎo)熱率或者二者。例如，第二光學(xué)材料可以包括玻璃、聚合物、陶瓷、填有陶瓷納米顆粒的聚合物和其它光學(xué)透明的材料。合適的玻璃包括那些由鉛、鋯、鈦、鋇的氧化物構(gòu)成的玻璃。玻璃可以由包括鈦酸鹽、鋯酸鹽和錫酸鹽的化合物制成。合適的陶瓷納米顆粒包括氧化鋯、氧化鈦、氧化鋅和硫化鋅。
由第三光學(xué)材料構(gòu)成的第三部分可以連接第二部分，以進(jìn)一步幫助將LED光與外部環(huán)境耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，這三個(gè)部分的折射率布置成這樣，即，n1＞n2＞n3，以使與錐形元件相關(guān)的總菲涅耳表面反射最少。
超大的透鏡元件，例如，圖4所示的光學(xué)元件42的上部，可以有利地放置或者形成在所公開的簡單的或者復(fù)合的錐形元件的輸出端上。抗反射涂層也可以設(shè)置在這種透鏡元件的一個(gè)或多個(gè)表面上和/或在所公開的光學(xué)元件(包括錐形元件或其它的準(zhǔn)直元件)的輸入表面和輸出表面上。
在示例性布置中，LED管芯12在0.4mm厚的SiC板上可以包括1mm×1mm的GaN結(jié)區(qū)。錐形元件62的第一部分64可以由SiC構(gòu)成。第二部分66可以由LASF35構(gòu)成，LASF35是n＝2.0的、非吸收非散射的高折射率玻璃。在第一部分和第二部分之間的結(jié)區(qū)的寬度尺寸和第二部分的輸出尺寸可以按照需要選擇，以使進(jìn)入折射率為1.0的周圍環(huán)境中的總光輸出最優(yōu)化。0.4mm厚的SiC板的邊緣可做成12度負(fù)斜率的錐形，以完全阻止在LED管芯的側(cè)表面上的TIR模式的光反射。因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)的密封LED相比，在LED結(jié)區(qū)和SiC板內(nèi)的吸收和散射改變了整體的模式結(jié)構(gòu)，所以可以按照需要調(diào)節(jié)該斜率。例如，為了將光模式導(dǎo)向遠(yuǎn)離吸收結(jié)區(qū)的方向，可能希望使用正的斜率(其中，LED結(jié)區(qū)的寬度小于SiC板的寬度)。照這樣，SiC板可以被視為錐形元件的一部分。
如前所述，第一部分64可以與散熱裝置耦合。第二部分66可以使用常規(guī)的粘結(jié)技術(shù)與第一部分64粘結(jié)。如果使用粘結(jié)材料，則粘結(jié)材料的折射率可以在被連接的兩個(gè)光學(xué)材料的折射率之間，以減少菲涅耳反射。其它可用的粘結(jié)技術(shù)包括在半導(dǎo)體晶片粘結(jié)領(lǐng)域中所知的晶片粘結(jié)技術(shù)?？捎玫陌雽?dǎo)體粘結(jié)技術(shù)包括在由Q.-Y.Tong和U.G sele編著的課本“Semiconductor Wafer Bonding”(John Wiley&Sons，New York，1999)中的第4章和第10章中所述的那些技術(shù)。還可以使用在美國專利No.5,915,193(Tong等人)和No.6,563,133(Tong)中所述的晶片粘結(jié)方法。
圖7所示的LED封裝70使用復(fù)合的錐形元件72，其中，第一部分74密封在第二部分76中，第一部分74具有通過錐形反射側(cè)表面連接到較大的輸出表面74b的輸入表面74a，第二部分76也具有輸入表面76a(與輸出表面74b共同延伸)和更大的輸出表面76b。輸出表面76b是曲面，以為復(fù)合元件72提供可用于進(jìn)一步準(zhǔn)直或聚焦的光強(qiáng)度。所示第一部分74的錐形側(cè)表面帶有低折射率材料的涂層78，以促進(jìn)在這種表面上的TIR。該材料的折射率優(yōu)選低于第一部分74、第二部分76和LED管芯12的折射率。這種涂層也可以施加到發(fā)光表面12a的不與第一部分74接觸的部分上，和/或LED管芯12的側(cè)表面12c(參見圖1)上。在構(gòu)建LED封裝70的過程中，第一部分74可以與發(fā)光表面12a的所需的孔徑區(qū)粘結(jié)(或者僅僅放置在其上)，并且，可以計(jì)量出足夠量的前體液態(tài)密封材料，以密封LED管芯和第一部分，然后固化前體材料以形成成品的第二部分76。為此目的，合適的材料包括常規(guī)的密封制劑，例如，硅或者環(huán)氧樹脂材料。該封裝也可以包括散熱裝置，該散熱裝置通過涂層78與第一部分74的側(cè)面耦合。即使沒有這種散熱裝置，使用錐形元件的高導(dǎo)熱性的第一部分也可以向LED管芯增加明顯的熱質(zhì)量，從而至少為使用調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流的脈沖工作提供某些好處。
本文所公開的簡單的錐形元件和復(fù)雜的錐形元件二者都可以通過常規(guī)的方式制造，例如，通過單獨(dú)地制造錐形部件，將第一部分與LED管芯粘結(jié)，然后添加相繼的部分?；蛘?，簡單的錐形元件和復(fù)雜的錐形元件可以使用在同時(shí)于2004年10月29日提交的標(biāo)題為“Process ForManufacturing Optical And Semiconductor Elements”的美國專利申請No.10/977239(代理機(jī)構(gòu)編號為No.60203US002)和標(biāo)題為“Process ForManufacturing A Light Emitting Array”的美國專利申請No.10/977240(代理機(jī)構(gòu)編號為60204US002)中所公開的精密研磨技術(shù)制造。簡單地說，制備包括一層或多層所需的光學(xué)材料的工件。該工作可以是大尺寸工件，例如晶片或者纖維片段。然后將精確圖案化的磨料與工件接觸，以在工件中研磨溝道。當(dāng)研磨完成時(shí)，溝道限定多個(gè)凸起，這些凸起可以是簡單或者復(fù)合錐形元件形式。錐形元件可以從工件上單獨(dú)取下，并且一次一個(gè)地粘結(jié)到分開LED管芯上，或者錐形元件的陣列可以方便地粘結(jié)到LED管芯的陣列上。
當(dāng)使用其輸入表面小于LED管芯的發(fā)光表面的光學(xué)耦合元件時(shí)，可以考慮將多個(gè)這種元件與同一發(fā)光表面的不同部分耦合。
有利的是，通過僅僅用多個(gè)較小的元件替代單個(gè)錐形光學(xué)元件，可以用這種方法來減少將給定量的光從LED管芯中耦合出來所需的光學(xué)材料的量。當(dāng)涉及昂貴的且難以加工的材料例如金剛石、SiC和藍(lán)寶石處理時(shí)，材料使用的差別可能尤其重要。例如，用2×2陣列的較小錐形光學(xué)元件替代單個(gè)錐形光學(xué)元件，可以將高折射率(第一)光學(xué)材料的所需厚度降低2倍以上，并且，用3×3陣列的較小錐形光學(xué)元件替代單個(gè)錐形光學(xué)元件，可以將高折射率(第一)光學(xué)材料的所需厚度降低3倍以上。令人吃驚的是，即使光可能不會(huì)在光學(xué)元件的輸入表面之間的位置從LED有效地發(fā)出，但是模擬表明，該方法仍具有非常高的凈提取效率。
使用多個(gè)光學(xué)耦合元件(例如錐形元件)的另一優(yōu)點(diǎn)是，在元件之間形成間隙或者空間，這些間隙或者空間可用于各種目的。例如，間隙或者空間可以填充高折射率流體、金屬導(dǎo)熱體、導(dǎo)電體、熱傳輸流體及其組合。
對LED封裝進(jìn)行模擬，其中，LED管芯由SiC和吸收層構(gòu)成，調(diào)節(jié)吸收層，使得當(dāng)浸入在折射率為1.52的介質(zhì)中時(shí)，在LED管芯中產(chǎn)生的光中有30％的光從LED發(fā)出。這代表典型的LED裝置。如圖8的LED封裝80所示，該模型使用3×3陣列的錐形管芯元件，所述元件與LED發(fā)光表面耦合。這里所示的LED管芯12’具有傾斜的側(cè)表面12c’和前發(fā)光表面12a’，三個(gè)錐形光學(xué)元件82、84、86示出分別在其輸入表面82a、84a、86a處與前發(fā)光表面12a’耦合。注意，在較小的光學(xué)元件之間形成空間或間隙83、85。輸出表面82b、84b、86b與較大的錐形光學(xué)元件88的輸入表面88a耦合，較大的錐形光學(xué)元件88具有輸出表面88b。該模型還使用半球形透鏡(未圖示)，相對于錐形元件88，該半球形透鏡是超大的，其平坦的表面與輸出表面88b連接，該透鏡由BK7玻璃(n＝1.52)制成。錐形元件88模擬為由LASF35(n＝約2)構(gòu)成。然后，該模型評估較小錐形元件的不同光學(xué)材料和包圍LED管芯的環(huán)境空間(包括間隙83、85)的不同材料。
下面是根據(jù)小的錐形元件的光學(xué)材料(在表中表示為“A”)和環(huán)境材料(在表中表示為“B”)，計(jì)算所得的模擬LED封裝的輸出功率(例如，以瓦特表示)。

如果把這些值正規(guī)化成使用單個(gè)SiC錐形元件替代3×3陣列的較小的元件的系統(tǒng)的功率輸出時(shí)，得到下面的結(jié)果

這些表表明，錐形光學(xué)元件不必一定在LED發(fā)光表面的整個(gè)區(qū)域上光學(xué)耦合，以便有效地提取光。這些表還表明，在小的錐形元件之間的環(huán)境體積可以具有低的折射率，而不會(huì)導(dǎo)致提取效率的明顯降低。
環(huán)境體積可以填充材料，以提高提取效率。填料材料可以是流體、有機(jī)聚合物或者無機(jī)聚合物、填充無機(jī)顆粒的聚合物、鹽或者玻璃。合適的無機(jī)顆粒包括氧化鋯、氧化鈦和硫化鋅。合適的有機(jī)流體包括在LED工作溫度下穩(wěn)定且對由LED產(chǎn)生的光穩(wěn)定的任何流體。在一些情況下，流體還應(yīng)當(dāng)具有低的導(dǎo)電率和離子濃度。合適的流體包括水、鹵代烴和芳香烴及雜環(huán)烴。填料材料也可以起到將錐形光學(xué)元件與LED管芯粘結(jié)的作用。
光學(xué)元件之間的空間的至少一部分可以具有用于分配電流給LED管芯或者從LED管芯除熱或者二者的金屬。因?yàn)榻饘倬哂锌蓽y量的吸光率，所以可以希望使吸收損耗最少化。這通過如下方式實(shí)現(xiàn)使金屬與管芯的接觸區(qū)域最小化，并且通過在金屬與管芯表面之間、金屬與光學(xué)元件之間或者金屬與二者之間引入低折射率材料來減少與金屬的光學(xué)耦合。例如，可以用被低折射率材料包圍的金屬觸點(diǎn)陣列將接觸區(qū)域圖案化，這些金屬觸點(diǎn)與上面的金屬層電連通。例如，參見上面引用的Schubert的美國專利公開US 2003/0111667 A1。合適的低折射率材料包括氣體或者真空、碳氟化合物(例如可得自位于美國明尼蘇達(dá)州St.Paul市3M公司的Fluorinert)、水和烴。金屬可以延伸入包圍光學(xué)元件的介質(zhì)中，可以從該介質(zhì)中除去熱。
也可以在錐形元件之間設(shè)置流體，以除去額外的熱。錐形光學(xué)元件的陣列可以是正方形陣列(例如，2×2、3×3等)、矩形陣列(例如，2×3、2×4等)或者六邊形陣列。單個(gè)錐形光學(xué)元件在其輸入表面和輸出表面上的橫截面可以是正方形、矩形、三角形、圓形或者其它所需的形狀。該陣列可以延伸在LED的整個(gè)發(fā)光表面上、或者延伸到該發(fā)光表面之外，或者僅延伸在該發(fā)光表面的一部分上。錐形元件可以用低軟化溫度焊接玻璃、軟的無機(jī)涂料(例如硫化鋅)、高折射率流體、聚合物、填充陶瓷的聚合物來連接在LED發(fā)光表面上，或者通過如下方式連接在LED發(fā)光表面上使光學(xué)元件和LED具非常光滑且平坦的表面，然后通過機(jī)械的方式將該管芯保持靠在光學(xué)元件的輸入表面上。
圖9示出具有多個(gè)光學(xué)元件92、94和圖案化的低折射率層96的另一LED封裝90。圖案化的低折射率層96包括如圖所示的兩個(gè)孔徑，在這些孔徑之上，光學(xué)元件92、94設(shè)置成與LED管芯的發(fā)光表面12a光學(xué)接觸。層96還與LED管芯的發(fā)光表面12a和LED管芯的側(cè)表面12c光學(xué)接觸。LED封裝90還包括位于低折射率層96的一部分上面的金屬觸點(diǎn)98。盡管在圖9中沒有示出，但是在金屬觸點(diǎn)98附近，圖案化層96也被圖案化，并且，金屬觸點(diǎn)98優(yōu)選延伸通過層96中的孔，以提供與LED管芯12的電接觸。第二電觸點(diǎn)可以設(shè)置在LED管芯的另一位置上，這取決于芯片的設(shè)計(jì)。
所選術(shù)語的詞匯表“亮度”每單位面積每單位立體角(球面度)的發(fā)光體或其一部分的光強(qiáng)輸出。
“發(fā)光二極管”或者“LED”發(fā)射光(不管是可見光、紫外光還是紅外光)的二極管。本文所用的術(shù)語包括作為“LED”銷售的非相干的(且通常不貴的)被環(huán)氧樹脂密封的半導(dǎo)體器件，無論是常規(guī)類的還是超發(fā)光類的。
“LED管芯”以其最基本形式存在的LED，即，以由半導(dǎo)體晶片加工工藝制造的單個(gè)部件或者芯片的形式存在的LED。該部件或者芯片可以包括適用于施加功率以為裝置供應(yīng)能量的電觸點(diǎn)。該部件或者芯片的單個(gè)層或者其它功能元件通常以晶片級別形成，最后，將成品的晶片切割成單片的零件，以產(chǎn)生多個(gè)LED管芯。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，對本發(fā)明的各種修改和替換將顯而易見。應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于本文所述的示例性實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種光源，包括LED管芯，其具有發(fā)光表面；以及多個(gè)光學(xué)元件，每個(gè)光學(xué)元件具有輸入表面；其中，光學(xué)元件的尺寸做成使得所述輸入表面相互間隔開，并與所述發(fā)光表面的不同部分光學(xué)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件使入射在其輸入表面上的光準(zhǔn)直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件由單塊材料中的一個(gè)或多個(gè)凹槽限定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件在其各自的輸入表面處結(jié)合到所述發(fā)光表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，每個(gè)光學(xué)元件還具有輸出表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的光源，其中，對于至少一個(gè)光學(xué)元件，輸入表面小于輸出表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的光源，其中，每個(gè)光學(xué)元件包括位于各自的輸入表面和輸出表面之間的至少一個(gè)反射側(cè)表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的光源，其中，所述至少一個(gè)光學(xué)元件的輸出表面是彎曲的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件包括折射率為至少1.8的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件包括導(dǎo)熱率為至少0.2W/cm/K的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件包括選自下述群組的材料，該群組包括藍(lán)寶石，金剛石和碳化硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述光學(xué)元件在其間限定有間隙。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的光源，其中，LED管芯的至少一個(gè)電連接穿過所述間隙中的至少一個(gè)間隙。
14.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的光源，還包括布置在所述間隙內(nèi)的流體。
15.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述多個(gè)光學(xué)元件包括2×2的光學(xué)元件陣列。
16.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光源，其中，所述多個(gè)光學(xué)元件包括3×3的光學(xué)元件陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光源，該光源包括帶有發(fā)光表面的LED管芯和多個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件具有與所述發(fā)光表面的不同部分光學(xué)接觸的輸入表面。光學(xué)元件可包括錐形體或聚光器，所述錐形體或聚光器具有反射側(cè)表面和比各自的輸入表面大的輸出表面。光學(xué)元件既可從LED管芯的發(fā)光表面耦合出光，也可從LED管芯的發(fā)光表面耦合出熱。
文檔編號H01L33/00GK101088173SQ200580044763
公開日2007年12月12日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者安德魯·J·歐德科克, 凱瑟琳·A·萊瑟達(dá)爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司