具有增加的对比率的LED封装的制作方法

具有增加的对比率的led封装
1.相关申请的交叉引用本技术要求2019年12月19日提交的美国专利申请16/720636、2019年2月11日提交的欧洲专利申请19156328.7、和2018年12月21日提交的美国临时专利申请62/783973的优先权的权益，这些申请中的每一个以其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开总体上涉及制作具有反射侧壁和改进的对比率的led模块。在一个实施例中，在led堆叠周围丝网印刷光吸收黑色区域。


背景技术：

3.半导体发光二极管和激光二极管（在本文中两者都称为led）可以制作成包括led与相对厚的陶瓷磷光体或嵌入硅树脂中的磷光体的组合。光从led的顶部穿过磷光体层，其中某个百分比的光被波长转换以提供所需要的光谱输出。通常，通过反射或直接透射出led的侧面、而不是led的顶部，有效地浪费了某个比例的光。为了最小化这种浪费，反射材料可以用于将侧面发射的光反射回到磷光体中。例如，一种常见的封装技术使用包覆成型侧涂层工艺，其用高反射光材料包封led/磷光体侧壁。这种包封还充当光反射器，以在发光区域外提供清晰的亮度截止、最小化杂散光的量、并改进近场对比度。
4.即使利用这种包覆成型封装，近场对比度也可以通过由底座散射的杂散光、通过由磷光体侧面散射和反射的光、或者通过由于在喷砂处理或清洁期间磷光体侧壁的部分暴露而引起的磷光体侧壁光来降低。这种降低对比度的杂散光对于具有初级或次级光学器件的应用——包括相机闪光模块、汽车前照明、和其他光投影系统——特别有害。
5.已经对通过在led周围产生光吸收线或区来增加对比度进行了尝试。例如，光反射材料可以被布置成覆盖led的侧壁和磷光体。使用标示激光，可以通过加热光反射材料来产生光吸收层。在一些实施例中，这种光吸收层可以被定位成至少部分地包围磷光体并在其间限定间隙。不幸的是，这种激光标示的线也可以穿透显著的距离而进入侧面涂敷的材料的深处，造成不可接受的光损失。


技术实现要素：

6.根据本发明的实施例，led封装可以包括具有顶部和侧壁的顶部发射led。具有顶侧和侧壁的磷光体层（更一般地，波长转换结构）附接到顶部发射led，一起形成磷光体转换的led，并且牺牲层用于在磷光体层的顶部上提供保护覆盖。光反射材料被布置成覆盖led的侧壁和磷光体层，并且光吸收层定位在光反射材料上，以至少部分地包围牺牲层和磷光体层并在其间限定至少30微米的间隙。有利地，这种结构确保led和磷光体层侧壁不被暴露、吸收通过大部分反射侧涂层引导的光、消除眩光、并显著改进led封装的近场对比度。
7.在一些实施例中，磷光体层是陶瓷磷光体（例如陶瓷磷光体片），而在其他实施例中，它是用硅树脂、环氧树脂、或其他适合的粘合剂结合在一起的磷光体颗粒块。
8.在一些实施例中，光反射材料包括sio2、al2o3和tio2中的至少一种或多种。光反射材料可以包括硅树脂橡胶作为粘合剂。
9.在一些实施例中，牺牲层是透明的。在其他实施例中，牺牲层可以在丝网印刷之前完全去除。仍在其他实施例中，如果精细控制研磨和抛光工艺是可用的，则牺牲层不是必要的。
10.在一些实施例中，间隙在30和60微米之间。
11.在其他实施例中，描述了一种用于提供包括（具有led、磷光体层、和牺牲层的）led堆叠的led封装的方法，该led堆叠具有顶部和侧壁。led堆叠的顶部和侧壁覆盖有光反射材料，之后从led堆叠的顶部去除任何多余的光反射材料。使用丝网印刷或其他适合的技术，光吸收层在光反射材料上，其中所沉积的光吸收层至少部分地包围led堆叠并在其间限定至少30微米的间隙。
12.在该方法的一些实施例中，多余的光反射材料可以通过研磨和平坦化步骤去除。
13.在其他实施例中，在光反射材料上沉积光吸收层的步骤进一步包括沉积限定用于充填光吸收层的腔的可移除图案化层的步骤。这允许使用丝网印刷技术，其中光吸收材料被跨图案移动的刀片刮擦，从而充填腔。替代地，可以使用喷墨或其他适合的沉积方法。
14.在一些实施例中，在印刷光吸收层之后，可以通过蚀刻或清洗来去除保护性牺牲层。
附图说明
15.参考以下的图描述了本公开的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有指定，否则遍及各个附图类似的附图标记指代类似的部分。
16.图1示出了示例pcled的示意性截面视图。
17.图2a和图2b分别示出了pcled阵列的示意性截面视图和示意性俯视图。
18.图3a示出了其上可以安装pcled阵列的电子板的示意性俯视图，并且图3b相似地示出了安装在图3a的电子板上的pcled阵列。
19.图4a示出了相对于波导和投影透镜布置的pcled阵列的示意性截面视图。图4b示出了相似于图4a的布置的布置，而没有波导。
20.图5是图示用于制作高对比度led封装的示例工艺的流程图。
21.图6a、图6b、图6c、和图6d图示了高对比度led封装的制作步骤的示例实施例中的步骤。
具体实施方式
22.应参考附图阅读以下详细描述，在附图中遍及不同的图，完全相同的附图标记指代类似的元件。不一定按比例的附图描绘了选择性实施例，并且不旨在限制本发明的范围。详细描述通过示例的方式、不通过限制的方式说明了本发明的原理。
23.图1示出了包括设置在衬底104上的半导体二极管结构102——在本文中一起被认为是“led”——和设置在led上的磷光体层106的单独pcled 100的示例。半导体二极管结构102通常包括设置在n型和p型层之间的有源区。跨二极管结构施加适合的正向偏压导致从有源区发射光。发射的光的波长由有源区的成分和结构确定。
24.led可以是例如发射蓝光、紫光、或紫外光的iii族
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氮化物led。也可以使用由任何其他适合的材料体系形成并发射任何其他适合波长的光的led。其他适合的材料体系可以包括例如iii族
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磷化物材料、iii族
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砷化物材料、和ii
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vi族材料。
25.取决于来自pcled的期望的光输出，可以使用任何适合的磷光体材料。
26.图2a
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图2b分别示出了包括设置在衬底202上的磷光体像素106的pcled 100的阵列200的截面视图和俯视图。这种阵列可以包括以任何适合的方式布置的任何适合数量的pcled。在所图示的示例中，该阵列被描绘为单片地形成在共享衬底上，但是替代地，pcled的阵列可以由分开的单独的pcled形成。衬底202可以可选地包括用于驱动led的cmos电路，并且可以由任何适合的材料形成。
27.如图3a
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图3b中所示，pcled阵列200可以安装在电子板300上，该电子板300包括电源和控制模块302、传感器模块304、和led附接区306。电源和控制模块302可以接收来自外部源的电源和控制信号以及来自传感器模块304的信号，基于这些信号，电源和控制模块302控制led的操作。传感器模块304可以从任何适合的传感器、例如从温度或光传感器接收信号。替代地，pcled阵列200可以安装在与电源和控制模块以及传感器模块分开的板上（未示出）。
28.单独的led可以可选地合并或布置成与相邻于磷光体层而定位或设置在磷光体层上的透镜或其它光学元件组合。图中未示出的这种光学元件可以被称为“初级光学元件”。另外，如图4a
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图4b中所示，pcled阵列200（例如，安装在电子板300上）可以与次级光学元件（诸如波导、透镜或两者）组合布置，供预期的应用使用。在图4a中，由pcled 100发射的光被波导402收集并引导至投影透镜404。例如，投影透镜404可以是菲涅耳透镜。这种布置可能适合于例如在汽车前灯中使用。在图4b中，由pcled 100发射的光由投影透镜404直接收集，而不使用中间波导。当pcled可以间隔得足够靠近彼此时，这种布置可能特别适合，并且也可以在汽车前灯以及相机闪光应用中使用。例如，微led显示应用可以使用与图4a
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图4b中所描绘的光学布置相似的光学布置。一般地，取决于期望的应用，光学元件的任何适合布置都可以与本文描述的pcled组合使用。
29.对于pcled阵列的许多用途，期望划分从阵列中的单独pcled发射的光。也就是说，能够操作阵列中的单独pcled作为光源而阵列中的相邻pcled保持黑暗是有利的。这允许更好地控制显示器或光照。
30.在许多应用中，将pcled靠近在一起放置在阵列中也是有利的。例如，微led中的优选配置是具有单独的led之间的最小间隔。在用作相机闪光光源的阵列中或在汽车前灯中紧密间隔pcled可以简化对任何次级光学器件的要求，并改进由阵列提供的光照。
31.然而，如果阵列中的pcled靠近在一起放置，则相邻pcled之间的光学串扰可能发生。也就是说，由pcled发射的光可能散射到或以其他方式耦合到相邻的pcled中，并看起来源自另一个pcled，从而阻止光的期望的划分并降低相邻像素之间的对比度。
32.如图5中所见，工艺500描述了一种通过使用选择性研磨和丝网印刷工艺来制作具有增加的对比率的led模块的方法。提供覆盖led侧壁的光反射材料，以在包括led、磷光体材料（诸如波长转换陶瓷）、和波长转换陶瓷上的可选透明牺牲层的led堆叠上包覆成型（步骤510）。这种包覆成型的光反射材料覆盖了led堆叠的侧壁和顶部。顶部表面被磨平以暴露led堆叠的顶部牺牲层（步骤520）。有利地，波长转换陶瓷上的透明牺牲层在研磨期间保护
表面。在用严格控制的研磨或抛光工艺可制作的那些实施例中，可以省略牺牲层。将光吸收材料丝网印刷在led堆叠周围的光反射材料上（步骤530），并然后去除丝网印刷工艺中使用的任何图案化材料（步骤540）。在一些实施例中，在光吸收材料和led堆叠之间限定至少30微米的间隙。维持这种狭窄的间隙减少了来自led堆叠的潜在光损失。在最后的步骤中，图案化材料可以被去除，留下包围led堆叠的顶部的光吸收材料。
33.led可以包括由能够支撑外延生长或沉积的半导体n型层的蓝宝石或碳化硅形成的衬底。半导体p型层可以顺序生长或沉积在n型层上，从而在层之间的联结处形成有源区。能够形成高亮度发光器件的半导体材料可以包括但不限于iii
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v族半导体；特别是镓、铝、铟、和氮的二元、三元、和四元合金，也称为iii族
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氮化物材料。
34.除了包含磷光体的陶瓷材料之外，led 堆叠中的磷光体可以用硅树脂或其他适合的粘合剂结合在一起。磷光体可以包括能够产生白光或其他颜色的单色光的一种或多种波长转换材料。由led发射的光的全部或仅一部分可以被磷光体的波长转换材料转换。未转换的光可能是光的最终光谱的一部分，尽管它不需要是。常见器件的示例包括与发射黄色的磷光体组合的发射蓝色的led段，与发射绿色和红色的磷光体组合的发射蓝色的led段，与发射蓝色和黄色的磷光体组合的发射uv的led段，以及与发射蓝色、绿色和红色的磷光体组合的发射uv的led段。
35.光反射材料可以包括使用硅树脂或其他适合的粘合剂结合在一起的颗粒。光反射材料还可以包括有机、无机、或有机/无机粘合剂和填充材料。例如，有机/无机粘合剂和填料可以是例如具有嵌入的反射性氧化钛（tio2）、sio2、或其他反射性/散射颗粒的硅树脂。无机粘合剂可以包括溶胶
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凝胶（例如，teos或mtms的溶胶
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凝胶）或也称为水玻璃的液体玻璃（例如，硅酸钠或硅酸钾）。在一些实施例中，粘合剂可以包括调节物理性质的填料。填料可以包括无机纳米颗粒、二氧化硅、玻璃颗粒或纤维、或者能够改进光学或热性能的其他材料。光反射材料可以通过各种工艺——包括模制、分配（dispensing）、丝网印刷、喷涂、或层压（对于粘合剂中的反射颗粒）——涂敷到侧壁。
36.如上所述，仍在其他实施例中，初级或次级光学器件可以附接或定位在led封装附近。光学器件可以包括凹透镜或凸透镜、小透镜阵列、渐变折射率透镜、反射器、散射元件、光束均化器、漫射器、或其他光聚焦或模糊光学器件。保护层、透明层、热层、或其他封装结构可以按具体应用的需要来使用。
37.如图6a
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图6d中所见，描述了一种用于形成具有被光反射材料640包围的led堆叠601的led封装600a的工艺。如图6a中所见，led堆叠600a包括具有电触点612的发光半导体led 610。磷光体层620定位在led 610的顶部上，并且可选的牺牲层630定位在磷光体层620的顶部上。牺牲层可以是薄且透明的硅树脂或环氧树脂的层，其保护磷光体层620免受随后的研磨或抛光步骤对表面性质或微结构的损害。在一些实施例中，牺牲层可以省略；或者如果存在的话，在研磨或抛光步骤期间完全去除。led结构用光反射材料640包覆成型，该光反射材料640覆盖led堆叠201的侧壁和顶部，从而仅暴露电触点612。
38.图6b图示了在从led堆叠601的顶部去除多余的包覆成型的光反射材料之后，由图6a的led封装600a限定的led封装600b。这可以通过研磨或抛光来完成，并且通常导致去除少量（由深度641指示）的牺牲层630和光反射材料640。
39.图6c图示了在涂敷图案化的丝网印刷层650之后由图6b的led封装600b限定的led
封装600c。由图案化的丝网印刷层650限定的腔通道、或凹槽可以充填有光吸收材料660，诸如硅树脂、环氧树脂、或者包含炭黑或其他光吸收颗粒或染料的其他粘合剂。
40.图6d图示了在去除图案化的丝网印刷层650之后的结构600d。光吸收材料定位在距led堆叠和牺牲层630的边缘大于30微米的距离661处。
41.除了在常规的 led 照明应用中使用之外，诸如本文公开的封装的led和/或封装的led阵列可以支持受益于光分布的细粒度强度、空间和时间控制的广泛应用。这可以包括但不限于从块或单独的led发射的光的精确空间图案化。取决于应用，发射的光可以是光谱上截然不同的、随时间自适应的、和/或环境响应的。在一些实施例中，led可以以各种强度、空间或时间模式提供预编程的光分布。发射的光可以至少部分基于接收的传感器数据，并且可以用于光学无线通信。相关联的光学器件在单个或多个led水平上可以是截然不同的。示例发光阵列可以包括具有共同控制的高强度led的中心块及相关联的共用的光学器件的设备，而边缘定位的led可以具有单独的光学器件。由发光led阵列支持的常见应用包括视频照明、汽车前灯、建筑和区域照明、街道照明、和信息显示。
42.可编程发光阵列可以用于选择性地和适应性地照亮建筑物或区域，用于改进视觉显示或降低照明成本。另外，发光阵列可以用于投影媒体立面，用于装饰性的运动或视频效果。结合跟踪传感器和/或相机，对行人周围区域的选择性光照可以是可能的。光谱上截然不同的led可以用于调节照明的色温，以及支持特定波长的园艺光照。
43.街道照明是重要的应用，它可能极大地受益于可编程发光阵列的使用。单一类型的发光阵列可以用于模拟各种街灯类型，例如，通过适当激活或去激活所选择的led，允许在类型i的线性街灯和类型iv的半圆形街灯之间切换。另外，通过根据环境条件或使用时间调节光束强度或分布，可以降低街道照明成本。例如，当不存在行人时，可以减小光强度和分布区域。如果发光阵列的led在光谱上截然不同，则可以根据相应的白天、黄昏、或夜晚条件来调节光的色温。
44.可编程发光led也很适合于支持要求直接或投影显示的应用。例如，要求校准、或者警告、紧急情况、或信息标志的的汽车前灯都可以使用发光阵列来显示或投影。例如，这允许修改从汽车前灯输出的光的方向性。如果发光阵列由大量led组成或者包括适合的动态光掩模，则可以以用户指导的位置来呈现文本或数字信息。也可以提供方向箭头或相似的指示符。
45.受益于前述描述和相关联附图中呈现的教导，本领域技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，要理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。还要理解，本发明的其他实施例可以在没有本文未具体公开的元件/步骤的情况下实践。