专利名称：发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光器件，所说发光器件包括至少一个发光二极管(LED)芯片和一个无机光学元件，无机光学元件借助粘结剂连接到 芯片(一个或多个)，并且本发明还涉及制造这样一种发光器件的方 法。
背景技术：
在使用发光二极管时的一个技术难题是有效地提取发光二极管芯 片产生的光，从而获得具有足够功效的发光器件。在这一方面的传统 作法包括使用主提取光学元件(primary extraction optics)，即 在发光二极管芯片上提供的光学球罩，所说光学球罩可以根据它们的 折射性质来提取光。这些光学球罩的材料是通常基于硅树脂和聚合物 (如PMMA)的。然而，这些光学球罩限制了光-热稳定性，光-热稳定 性限制了所用发光二极管芯片的功率，所说的功率又限制了发光器件 的发光功率。一种可替换的方法是使用无机光学元件从发光二极管芯片提取 光。这样的光学元件的材料可以例如是多晶陶f:材料或玻璃。这种无 机光学元件具有高得多的光-热稳定性，这就允许使用高功率的发光二 极管芯片，这又可实现具有高发光功率和高光输出的发光器件。然而，高功率的发光二极管芯片可能排放大量的热量，辐射可能 是强烈的。在这种情况下，在发光二极管芯片(一个或多个)和无机 光学元件之间的粘结剂是一个重要的方面，所说的粘结剂形成将光从 发光二极管芯片(一个或多个)耦合进无机光学元件的一个结合部。 粘结剂或结合部的本身应该表现出高的光-热稳定性，这样它就不成为 发光器件中的性能限制因素，并且因而才有可能从无机光学元件获 益。于是，需要一种发光器件，在发光器件的高功率发光二极管芯片 和无机光学元件之间的粘结剂要能够承受它所面对的负荷和应力。发明内容本发明的一个目的是解决这个问题并提供一种改进的发光器件。
从下面的描述变成显而易见的这个和其它目的是借助根据所附的 权利要求书所述的一种发光器件，和一种用于制造这种发光器件的方 法实现的。按照本发明的一个方面，提供一种发光器件，所说发光器件包括 至少一个发光二极管芯片和借助粘结剂连接到所说芯片(一个或多 个)的一个无机光学元件，其中的粘结剂是一种粘结材料，粘结材料 包括一种基质，其中包括硅和氧的原子，利用烃基直接键合到硅原子的至少一部分上。优选地，粘结材料包括分子式为Si0uR的倍半硅氧 烷(silsesquioxane )，这里的R例如是甲基、乙基、或苯基。这样的无机-有机粘结材料具有极高的光和热稳定性。硅-碳粘 结剂在空气中一直到约400TC都是热稳定的，并且波长低达约350nm 都是稳定的。结果，可以使用高功率的发光二极管芯片，借此可以实 现高亮度的发光器件。还有，由于硅原子相互之间只是三重交联的事 实，所说的基质具有相对较高的弹性。应当指出的是，类似的粘结材料本身是公知的，例如文献 US5991493所公开的。然而，当作为(高功率)发光二极管芯片和无 机光学元件之间的粘结材料应用时，却具有出人意料的附加效果粘 结材料具有极高的光和热稳定性，因此作为发光二极管芯片和无机光 学元件之间的粘结剂使其极为适用。所说粘结剂优选地是至少部分透光的或者透明的，以便将来自发 光二极管芯片(一个或多个)的光耦合出来并进入无机光学元件内。粘结材料是从一种前驱物材料制成的，所说前驱物材料优选包括 有机改性的硅烷。优选地，例如使用甲基、乙基、或苯基作为有机改 性剂，对于硅烷进行单一有机改性。将单一有机改性理解为硅的四个 共价键之一是Si-C键。在这种情况下，其余的三个键是Si-O键。优 选的前驱物材料的一个例子是溶胶凝胶材料，该溶胶凝胶材料包括甲 基-3-甲氧基-硅烷(MTMS)，这是一种单曱基改性硅烷。在经过适当 的处理之后，MTMS导致一种粘结材料，该粘结材料包括具有基本结构 CH3-Si-015 (即，倍半硅氧烷)的基质。由于硅原子相互之间只是三 重交联的事实，这种基质具有相对较高的弹性。其它合适的前驱物材 料包括T-树月旨，例如来自Wacker Chemie GmbH的Silres610或 Silres603。
将发光二极管芯片(一个或多个)连接到无机光学元件的粘结剂进一步还可包括从Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb和Hf 组成的组中选择出来的至少一种元素 的氧化物。氧化物的作用是 增加粘结剂的折射率，折射率的增加又提高了粘结剂的光耦合能力。还有，粘结剂进一步还可包括磷光颗粒，例如YAG:Ce。包括磷光 颗粒的粘结剂优选地与发射蓝光或紫外(A)光的发光二极管芯片组合 起来，产生所谓的磷转换的发光二极管。在磷转换的发光二极管中， 通过磷光颗粒把来自发光二极管芯片的至少某些蓝光辐射转换成例如 黄光。未经转换的蓝光和所说的黄光合在一起产生白光。于是，在这 种情况下，粘结剂的作用有两个， 一是粘结剂，二是磷包壳(phosphor encapsulate)。还有，上述的粘结材料在蓝光通量下表现出极其稳定 的性能。按照本发明的另一方面，提供制造发光器件的方法。所说方法包 括提供发光二极管芯片和无机光学元件，制备包括有机改性的硅烷 的前驱物粘结材料，将所说粘结材料涂敷到所说芯片和光学元件中的 至少一个上，至少部分地水解粘结材料，使用涂敷的粘结材料作为粘 结剂粘结所说芯片和光学元件，固化所说粘结材料。这种方法提供与 利用本发明的先前讨论过的方面获得的优点相似的优点。
下面，参照表示本发明的当前优选的实施例的附图更详细描述本 发明的这些和其它的方面。图1是按照本发明的实施例的发光器件的侧视图，和图2是描述用于制造按照本发明的实施例的发光器件的方法的流程图。
具体实施方式
图l表示按照本发明的实施例的发光器件10。发光器件IO例如可 用于照明的目的。发光器件10包括发光二极管(LED)芯片12，发光 二极管芯片借助粘结剂16连接到无机光学元件14。在这里，无机光学 元件14粘接到发光二极管芯片12的发光侧18。图1中的无机光学元件14是一个光学球罩，用于从发光二极管芯
片提取光。然而，无机光学元件还可采用其它的形式，例如可以将其设计成一个平板。发光二极管芯片12最好是倒装芯片类型，并且安装 在一个基板(未示出)上。粘结剂16至少是部分透光的或透明的，由此，在发光器件IO工 作时，发光二极管芯片12产生的光经过粘结剂16耦合到光学元件14 上，所说光学元件又用于提取由发光二极管芯片12产生的光。按照本发明的实施例，有机-无机的粘结剂是一种粘结材料，该 粘结材料包括一种基质，基质优选地包括倍半硅氧烷 (silsequioxane)。所说的粘结剂展示出很高的光和热稳定性(发光二 极管芯片的工作温度可以是约IOO'C )。结果，可以使用高功率和高流明的发光二极管芯片，由此可以实现高亮度的发光器件。现在针对图2详细地描述诸如图1所示的器件IO之类的发光器件 的制造方法。首先准备前驱物材料(步骤1 )。所说前驱物材料包括有机改性的 硅烷。优选的前驱物材料的一个例子是溶胶-凝胶材料，该材料包括曱 基-3-曱氧基-硅烷(MTMS)，这是一种单甲基改性硅烷，它的分子式 是CH广Si(CH广0)3。另一种合适的前驱物材料是T-树脂，如 Silres610。还可以使用利用另外的有机基如乙基或苯基改性的硅烷。前驱物材料进一步还可包括Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb、或Hf的氧化物的纳米颗粒，其作用是增加最终的粘结剂的折 射率。所说氧化物可以具有一个外部硅烷层，用于防止外围基质的光 -热性能下降。前驱物溶胶-凝胶材料经受水解过程(步骤2)，在将所说前驱物 溶胶-凝胶材料涂敷到发光二极管芯片和无机光学元件中的至少 一个 上(由此它们粘结在一起)(步骤3)之后，在这些部分上形成一个涂层。当前驱物溶胶-凝胶材料涂在这些部分(即发光二极管芯片和无机 光学元件)上时，继续进行网格的形成(凝结)，并且在固化期间这 个网格的形成过程不断进展。在这个凝结期间，网格收缩，固体成分 增加并且释放出挥发性的组分。优选地，当存在尽可能高的固体成分时在溶胶-凝胶材料的状态粘 结这些部分，但所说的材料仍旧还有点柔软而且具有起反应的基团/
位置(凝胶状态)。这样就可以对于要粘结的部分的非平直度进行补 偿。通过首先将溶胶-凝胶涂敷在要粘结的部分上并且使溶胶-凝胶几乎完全干燥(步骤4 )，就能以可控的方式获得这种高固体含量的凝胶 状态。这将从涂层上并且从网格上除去大部分乙醇和水。然而，在这 一状态涂层不再足够柔软来产生形变并补偿要粘结的部分的非平直 度。通过将这些涂敷的部分放在乙醇气氛中(步骤5)，溶胶-凝胶吸 收一些乙醇、膨胀、并且再次变得柔软。通过溶胶-凝胶曝露于乙醇气 氛的时间可以控制这个膨胀的量。这个过程的一个优点是，在随后的 固化期间很少量的挥发物需要通过基质扩散来除掉。随后使发光二极管芯片和无机光学元件部分聚在一起并粘结在一 起(步骤6)，同时可选地要经过压缩，即彼此压在一起。由于溶胶-凝胶材料要进一步固化(步骤7)，剩余的挥发性组分从溶胶-凝胶基 质上扩散出来。通过緩慢地加热溶胶-凝胶材料在粘结这些部分以后， 同时向这两个部分施加压力，从而完成了这一固化过程。溶胶-凝胶固 化的最低温度约为200C，并且这个温度可以高达450"C。在固化期间， 溶胶-凝胶进一步凝聚，它的密度进一步加大。这将产生期望的性质， 例如最终粘结材料的机械强度和折射率。当4吏用MTMS时，整个反应是CH3Si (OCH3) 3+1. 5H20 —CH3Si015+3CH3OH作为前述的将粘结材料在乙醇气氛中膨胀的替换方案，前驱物材 料可以包括高沸点溶剂，借此使粘结材料在粘结步骤之前预干燥。这 一过程的优点是，它将高沸点溶剂留作最后的挥发物，在随后的固化 期间通过基质的扩散排除掉该挥发物。所说溶剂的沸点优选地在100 至200。C范围内。还有，在一个加热步骤中，可以将预干燥过程变为固 化过程。为了减小MTMS溶胶-凝胶材料在转换时的收缩，前驱物材料进一 步还可包括胶质的硅烷。结果，可以降低热膨胀系数，同时还可保持 高的弹性。这样一种材料具有很好的粘结性质，并且能够适应由粘结 材料基质本身的形成过程引发的应力以及热性质产生的应力，例如由 于粘结的部分和/或粘结剂之间的膨胀系数的失配产生的应力。还可以用TEOS (四乙氧基硅烷，Si(0C2H0 0 ，或钛、锆、或其它 高折射率的前驱物材料部分地代替MTMS。在这种情况下，前驱物材料 包括MTMS和例如TE0S这两者。进而，有机基较少，并且认为这种粘 结材料具有甚至于更大的光-热稳定性。转变为有机成分较少的系统的 缺点是粘结层需要更薄些。本领域的普通技术人员应该认识到，本发明决不限于以上描述的 优选实施例。相反，在所附的权利要求书的范围内许多的改进和变化 都是可以的。例如，即使在以上图1中表示的是一个发光二极管芯片， 但是可以将多个发光二极管芯片粘结到一个无机光学元件上，形成有 多个发光二极管的模块。
权利要求
1、一种发光器件(10)，包括至少一个发光二极管芯片(12)；和借助粘结剂(16)连接到所说芯片(一个或多个)的一个无机光学元件，其特征在于所说粘结剂是一种粘结材料，粘结材料包括一种基质，基质包括硅和氧原子，氧原子利用烃基直接键合到硅原子的至少一部分上。
2、 根据权利要求1所述的发光器件，其中所说粘结材料包括倍 半硅氧烷，在这里，直接与硅键合的基是从由甲基、乙基、或苯基构成 的组中选择出来的一种成分。
3、 根据权利要求l所述的发光器件，其中所说粘结材料是从一 种前驱物材料形成的，所说的前驱物材料包括有机改性的硅烷。
4、 根据权利要求3所述的发光器件，其中所说前驱物材料包括 单一有机改性的硅烷。
5、 根据权利要求3所述的发光器件，其中所说硅烷是通过从甲 基、乙基、或苯基构成的基团中选择出来的一种成分进行改性的。
6、 根据权利要求3所述的发光器件，其中所说前驱物材料包括 甲基-3-甲氧基-硅烷(MTMS)。
7、 根据权利要求3所述的发光器件，其中所说前驱物材料是溶 胶-凝胶材料。
8、 根据权利要求3所述的发光器件，其中所说前驱物材料包括 T-树脂。
9、 根据权利要求1所述的发光器件，其中所说粘结剂进一步还 包括一种氧化物，氧化物包括从由Si、 Al、 Ga、 Ti、 Ge、 P、 B、 Zr、 Y、 Sn、 Pb和Hf构成的组中选择出来的至少一种元素。
10、 根据权利要求1所述的发光器件，其中所说粘结剂进一步 还包括磷光颗粒。
11、 根据权利要求1所述的发光器件，其中所说粘结剂是至少 部分地透明的。
12、 根据权利要求1所述的发光器件，其中所说发光二极管芯 片适合于发射蓝光和紫外(A)光这二者之一。
13、 一种制造发光器件的方法，所说方法包括 提供发光二极管芯片和无机光学元件； 制备包括有机改性的硅烷的前驱物粘结材料； 至少部分地水解粘结材料；涂敷所说的粘结材料到所说芯片和所说光学元件这二者中的至少 一个上；使用涂敷的粘结材料作为粘结剂粘结所说芯片和所说光学元件；和固化所说粘结材料。
14、 根据权利要求13所述的方法，进一步还包括在所说的粘结 之前，完全地或者接近完全地干燥所说的粘结材料；并将具有粘结材料的所说芯片和所说光学元件放置在乙醇气氛中。
15、 根据权利要求13所述的方法，其中所说前驱物材料进一步 还包括一种溶剂，并且其中所说的方法进一步还包括在所说粘结 之前，预干燥所说粘结材料。
全文摘要
本发明涉及一种发光器件，它包括至少一个发光二极管芯片(12)；和借助粘结剂(16)连接到所说芯片(一个或多个)的一个无机光学元件(14)。所说发光器件的特征在于粘结剂是一种粘结材料，粘结材料包括一种基质，该基质包括硅和氧原子，氧原子利用烃基直接键合到硅原子的至少一部分上。这样的无机-有机粘结材料具有极高的光和热稳定性。结果，可以使用高功率和高流明的发光二极管芯片，借此可实现高亮度的发光器件。本发明还涉及制造这样一种发光器件的方法。
文档编号H01L33/58GK101160672SQ200680012156
公开日2008年4月9日 申请日期2006年4月12日 优先权日2005年4月14日
发明者J·德格拉夫, M·A·弗舒伦, M·P·J·皮特斯, T·A·P·M·柯尔斯滕 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司