專利名稱：為封裝的高亮度led芯片提供微結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及光學(xué)領(lǐng)域。更具體地，本公開涉及固態(tài)發(fā)光。
背景技術(shù)：
美國每年花費700億美元在照明上。LED可以顯著降低照明能量的經(jīng)濟和環(huán)境成 本，從而降低從外國來源進口能量的需要以及降低包括溫室氣體在內(nèi)的能量相關(guān)排放，同時在所有經(jīng)濟成分方面提高能量效率。在LED照明市場中，尤其是在用于LCD TV、信號/標(biāo)記、汽車、街道/停車場照明以及一般商業(yè)/工業(yè)照明的高亮度LED (HB-LED)的商業(yè)可用性方面，期望持續(xù)而強勁的發(fā)展。大量的研究和開發(fā)集中于在LED芯片級提高HB-LED效率。但是LED的總體發(fā)光度也受到LED封裝(模制/封裝)工藝的影響。對于HB-LED的總體發(fā)光效率的提高幾乎沒有研究，在終端產(chǎn)品的實際應(yīng)用中，HB-LED的總體發(fā)光效率影響LED性能。目前，使用硅樹脂作為HB-LED的芯片封裝劑。在對LED封裝進行模制之前，模型襯有柔性的未圖案化的犧牲釋放膜(例如但不限于由含氟聚合物ETFE制成)，在工藝結(jié)束后分離模型和LED封裝時防止模型和LED封裝損壞。接下來，將硅樹脂液體注入模型，以形成最終產(chǎn)品(封裝的LED)。然后在部分真空下將LED芯片壓入硅樹脂液體，從而使液體擴散遍及模型腔體和釋放膜。一旦硅在高溫下固化，最終模制而成的LED封裝就從腔體釋放。但是由于娃的高折射率和全內(nèi)反射(TIR),娃俘獲大量的由LED芯片產(chǎn)生的光。由于不期望地俘獲的光所產(chǎn)生的過量的熱，俘獲的光降低LED封裝的光學(xué)效率以及LED封裝的總體壽命O

發(fā)明內(nèi)容
可以通過以下操作來制造封裝LED:采用限定腔體的模具，所述腔體限定透鏡形狀；提供圖案化的釋放膜，所述圖案化的釋放膜在膜表面中限定微結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)(inverse)。使圖案化的釋放膜與模具的腔體形狀一致(conform)。在腔體中將LED芯片與圖案化的釋放膜隔開放置。然后將樹脂注入腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中。將腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中的樹脂固化，同時保持圖案化的釋放膜與樹脂的接觸。然后將封裝LED從模具和圖案化的釋放膜釋放?？刹僮鞯?，圖案化的釋放膜在固化樹脂的表面上形成漫射體，甚至可以形成光整形漫射體。光整形漫射體微結(jié)構(gòu)可以是隨機、無序并且非平面的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的并且具有平滑改變的變化，以提供散射，在散射中光非連續(xù)地透射通過微結(jié)構(gòu)。光整形漫射體結(jié)構(gòu)可以是所記錄的激光斑點的結(jié)構(gòu)，如圖3所示的結(jié)構(gòu)。
LED芯片可以是RGB 二極管封裝或涂有磷光體(phosphor)的藍(lán)色LED封裝。透鏡可以具有大致半球形的形狀，樹脂可以是光學(xué)質(zhì)量硅樹脂。圖案化的釋放膜可以是含氟聚合物膜，所述含氟聚合物膜具有整體形成于膜中的微結(jié)構(gòu)，其中在釋放膜中實現(xiàn)的圖案可以是具有最高約100微米的特征尺寸的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一方面是一種發(fā)光二極管封裝，所述發(fā)光二極管封裝包括發(fā)光二極管；固化樹脂，封裝發(fā)光二極管；微結(jié)構(gòu)，構(gòu)成光整形漫射體，所述光整形漫射體整體形成于固化樹脂的表面中。


通過對可操作實施例和以下附圖的詳細(xì)描述，將更全面地理解在此公開的封裝發(fā) 光二極管的優(yōu)點以及其他優(yōu)點。圖I示出了現(xiàn)有的LED封裝工藝；圖2示出了本發(fā)明的可操作實施例以及使用本發(fā)明的方法；以及圖3是光學(xué)微結(jié)構(gòu)的示例的顯微照片，在本發(fā)明的可操作實施例之一中，所述光學(xué)微結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的裝置的表面形貌圖案。
具體實施例方式本公開所述領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)人員可以針對各種想到的應(yīng)用對所公開的實施例進行修改和增加。因此，應(yīng)理解本公開的范圍不限于這些實施例。參考圖1，示出了形成封裝LED的現(xiàn)有方法?，F(xiàn)有工藝100開始于提供與平滑釋放膜102分開的LED芯片101，平滑釋放膜102在形成于模具103中的腔體110上。LED芯片101可以是任何類型或顏色的，典型地通過封裝紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED或者在藍(lán)色LED上使用磷光體來獲得白色光。所描述的技術(shù)適合于高亮度LED照明應(yīng)用等。釋放膜102是柔性的，因此釋放膜102可以與模具103和模具103中的腔體110形狀一致。模具103中的腔體110被配置為形成透鏡，用于封裝的LED芯片所產(chǎn)生的光。透鏡形狀可以是所示的穹形或者本領(lǐng)域技術(shù)人員普通技術(shù)人員想要的其他形狀，以達到期望的結(jié)果。在步驟108，樹脂104實質(zhì)上填充腔體110上LED芯片101與平滑釋放膜102之間的體積。然后將樹脂104固化成封裝劑105，同時釋放膜102保持與模具103和樹脂104相接觸，樹脂104保持與LED芯片101相接觸。然后去除釋放膜102和模具103與封裝劑105之間的接觸。從而得到封裝在封裝劑105中的封裝LED芯片101，所述封裝劑具有平滑表面107?？梢詮腡OWA公司獲得執(zhí)行圖I的工藝以制造圖I的產(chǎn)品的示例模制設(shè)備，TOffA公司的商業(yè)地址為 5 Kamichoshi-cho,Kamitoba,Minami-ku,kyoto 601-8105,日本。本模型包括FFT1030W和PMC1040-S。關(guān)于平滑含氟聚合物釋放膜，也可以聯(lián)系TOWA公司。至少可以從CREE，Inc. of Durham，NC獲得高亮度LED芯片。硅樹脂可以應(yīng)用于所描述的工藝，并且可以從包括Dow Corning Corporation of Midland, Michigan在內(nèi)的多個供應(yīng)商獲得。可以根據(jù)諸如價格、保護、純凈度、穩(wěn)定性、應(yīng)力消除、光源折射率的匹配、模制工藝條件和熱管理等因素的期望權(quán)衡來選擇樹脂。也可以使用其他純凈樹脂并考慮類似的選擇條件，但是在商業(yè)上通常認(rèn)為這些都次于硅樹脂。參考圖2，示出了本公開的可操作工藝200。工藝200開始于提供與圖案化的釋放膜202分離的LED芯片201，圖案化的釋放膜202在形成于模具203中的腔體201上。釋放膜102是柔性的，因此釋放膜102可以與模具103和模具103中的腔體110形狀一致。以微結(jié)構(gòu)211來凸印圖案化的釋放膜202，從而圖案化的釋放膜202自身就形成了用于形成微結(jié)構(gòu)的模具?？刹僮鞯兀⒔Y(jié)構(gòu)整體地形成在圖案化的釋放膜中。微結(jié)構(gòu)可以具有小于I微米的特征尺寸，并且與釋放膜202的厚度一樣大。LED芯片201可以是任何類型或顏色的，典型地通過封裝紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED或者在藍(lán)色LED上使用磷光體來獲得白色光。所描述的技術(shù)適合于高亮度LED照明應(yīng)用等。模具203中的腔體210被配置為形成透鏡，用于封裝的LED芯片所產(chǎn)生的光。透鏡形狀可以是所示的穹形或者本領(lǐng)域技術(shù)人員普通技 術(shù)人員想要的其他形狀，以達到期望的結(jié)果。在步驟208，樹脂204實質(zhì)上填充腔體210上LED芯片201與平滑釋放膜202之間的體積。然后將樹脂204固化成封裝劑205，同時釋放膜202保持與模具203和樹脂204相接觸，樹脂204保持與LED芯片201相接觸。然后去除釋放膜202和模具203與封裝劑205的接觸。從而得到封裝在封裝劑205中的LED芯片201，所述封裝劑具有微結(jié)構(gòu)化的表面207。除了圖案化的釋放膜之外，用于實現(xiàn)工藝200的材料與用于實現(xiàn)工藝100的材料相同。工藝200的一個圖案化釋放膜202可以但不排他性地由下述制造工藝制成?？梢愿鶕?jù)其他工藝來形成其他圖案以形成圖案的底版(master)?？梢酝ㄟ^將釋放膜102用作微結(jié)構(gòu)211的模具，整體凸印微結(jié)構(gòu)211的規(guī)則圖案和不規(guī)則圖案。現(xiàn)有技術(shù)已知微透鏡陣列的許多示例。規(guī)則圖案的示例可以是棱鏡、錐體、半球(“點”)、立方體等等，只要這些形狀會從圖案化的釋放膜202脫模。在圖3的微結(jié)構(gòu)中示出了不規(guī)則形狀的微結(jié)構(gòu)圖案的示例。應(yīng)注意，反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通常與圖3所示的類型具有相同的光學(xué)特性，但是是圖3的結(jié)構(gòu)的鏡像，而不是圖3的結(jié)構(gòu)本身。關(guān)于微結(jié)構(gòu)211的圖案，可以凸印的一種類型的微結(jié)構(gòu)是圖3所示的類型的反轉(zhuǎn)。圖3是根據(jù)以下描述由激光斑點圖案產(chǎn)生的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的顯微圖。在封裝的LED的封裝劑205的表面207上使用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)301可以降低已有LED封裝方案100中的光學(xué)損耗。制造圖案化的釋放膜的一種方法使用直接熱復(fù)制。在該方法中，可以使用具有圖案化表面的鎳墊片(nickel shim)作為模型或工具。在熱復(fù)制期間，在升高的溫度(高于釋放膜的玻璃化溫度)和均勻的壓力下，可以將鎳表面上的圖案轉(zhuǎn)移到適當(dāng)材料的膜(甚至平滑的釋放膜)的表面。在將膜冷卻并將膜從鎳墊片去除之后，得到的圖案化釋放膜適用于形成采用來自鎳墊片的圖案凸印的封裝劑。封裝的LED包括封裝在封裝劑205中的LED芯片201，封裝劑205在其表面207處具有微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。封裝劑可以由硅或其他合適的光學(xué)樹脂204制成。將圖案化的結(jié)構(gòu)301 一次性地凸印或印刻到由模制工藝200形成的封裝體205的之前平滑的表面207上。如果使用微結(jié)構(gòu)圖案(如圖3所示的微結(jié)構(gòu)圖案)來提供封裝LED芯片的表面，則通過減小或消除在LED封裝劑的邊界和周圍環(huán)境發(fā)生的反射，從模制的LED封裝的光提取量將會有顯著的提高，典型地在相當(dāng)結(jié)構(gòu)的全內(nèi)反射附近提高2.5%。這種改進是相對于具有平滑表面107的封裝劑105的相同結(jié)構(gòu)而言的。此外，這種微結(jié)構(gòu)可以在實踐中降低色溫。由于能夠影響LED的色溫，所以對于需要從高亮度LED獲得較暖的光來說是有利的。此外，這種微結(jié)構(gòu)還起到光整形漫射體的作用，從而根據(jù)特征尺寸，允許從封裝LED較窄或較寬地進行光定向。較寬的特征使得來自封裝LED的光的分布較窄。正如在美國專利5，365，354中那樣，可以通過在諸如玻璃之類的穩(wěn)定襯底上提供諸如重鉻酸鹽明膠或其他體積記錄材料之類的記錄介質(zhì)，來制造底版圖案。然后可以在記錄介質(zhì)和相干光的光源之間布置掩模漫射體孔。然后，通過在記錄介質(zhì)的表面上以記錄介質(zhì)不保留相位信息的方式照射由掩模漫射體散射的相干光，非全息地將隨機、無序并且非平面的斑點記錄在所述記錄介質(zhì)上。隨機、無序并且非平面的斑點的區(qū)域構(gòu)成了記錄在記錄介質(zhì)上的圖3所示的典型圖案。然后根據(jù)用于這種記錄介質(zhì)的工序來處理記錄介質(zhì)。在記錄期間，對光進行控制，使得斑點限定記錄介質(zhì)中非連續(xù)并且平滑改變的變化，從而提供散射，在散射中從第一表面?zhèn)鞑ブ亮硪槐砻娴墓夥沁B續(xù)地反射。所記錄的斑點的期望平均尺寸與從漫射體中心來看的孔的角度尺寸成反比。正如在美國專利6，158, 245中那樣,可以根據(jù)底版來制造副版(submaster)。將框緊固到底版的邊緣。底版應(yīng)當(dāng)具有在底版頂面上方略微升起的邊緣。然后將硅橡膠灌入光致抗蝕劑上方的框架并允許將硅橡膠固化。硅橡膠構(gòu)成反轉(zhuǎn)副版，然后將反轉(zhuǎn)副版與光致抗蝕劑/玻璃底版分離。硅橡膠的使用使得可以在不損壞底版的情況下將副版分離。然后可以利用聚丙烯片或其他期望膜介質(zhì)所支持的環(huán)氧樹脂，根據(jù)反轉(zhuǎn)副版來制造后續(xù)的與主板匹配的膜。 美國專利6，110,401公開了一種簡單、快速且可靠的方法和設(shè)備，用于在相對剛性的襯底的層壓表面上復(fù)制光整形表面結(jié)構(gòu)。在釋放膜的情形下，襯底可以是聚酯、尼龍或乙酸纖維膜。在將襯底安裝在工作臺上并將環(huán)氧樹脂層沉積在襯底與反轉(zhuǎn)副版之間以產(chǎn)生分層結(jié)構(gòu)之后，分層結(jié)構(gòu)在形成于工作臺與旋轉(zhuǎn)的加壓輥的外表面之間的輥隙中自動壓縮，從而在環(huán)氧樹脂層中復(fù)制表面結(jié)構(gòu)。副版可以是聚碳酸酯片，在該聚碳酸酯片包含圖案化表面的反轉(zhuǎn)。然后將環(huán)氧樹脂固化，將副版與襯底分離以使層壓結(jié)構(gòu)在其表面處具有微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。可操作地，可以圍繞加壓輥纏繞副版，并旋轉(zhuǎn)加壓輥，同時線性地往復(fù)工作臺，以將分層結(jié)構(gòu)壓縮在輥隙中。為了防止副版與襯底之間的滑動，在壓縮操作期間，優(yōu)選地通過將副版用作在工作臺移動時驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)的傳動帶，使加壓輥的旋轉(zhuǎn)速度與工作臺的平移速度相匹配。復(fù)制機優(yōu)選地還在壓縮操作之后自動將環(huán)氧樹脂固化，然后自動將副版與襯底分離。此外，放射線示蹤(正如在美國專利5，995，742中詳細(xì)描述的那樣，其全部公開一并在此作為參考)建模和仿真技術(shù)可以被用來模擬固態(tài)發(fā)光器件(例如，LED)源，本發(fā)明的隨機化光學(xué)微結(jié)構(gòu)，在對固態(tài)發(fā)光器件應(yīng)用本發(fā)明的隨機化光學(xué)微結(jié)構(gòu)之后，相關(guān)固態(tài)發(fā)光器件或包含該相關(guān)固態(tài)發(fā)光器件的系統(tǒng)的光學(xué)輸出提高。在所述建模和仿真操作中用于計算光功率的基礎(chǔ)公式為P = / / / / B(x, y ；kx, ky) dxdydkxdky (等式 I)其中P是固態(tài)發(fā)光系統(tǒng)的輸出功率；B(x，y，kx，ky)等于相位空間強度；x和y是空間坐標(biāo)，限定特定射線與固態(tài)發(fā)光源的平面交叉的空間點AiJPky是方向坐標(biāo)，限定特定射線與光源平面的交叉角度。盡管本發(fā)明的上述文本和圖形描述及其使用方法可以允許本領(lǐng)域技術(shù)人員制造和使用本發(fā)明的目前認(rèn)為是實質(zhì)上最優(yōu)的實施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解，本文描述的特定方法、實施例和/或示例中包含的元素還存在各種改變和組合形式。因此，本文公開的本發(fā)明不應(yīng)限于以上文本或附圖中描述的特定實施例、示例或方法，發(fā)明人旨在保護本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有這些變化和組合。
權(quán)利要求
1.一種制造封裝LED的方法，包括 提供LED芯片； 提供模具，所述模具限定腔體，所述腔體限定透鏡形狀； 提供圖案化的釋放膜，所述釋放膜在所述釋放膜的表面中限定微結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)； 使圖案化的釋放膜與模具的腔體形狀一致； 在腔體中將LED芯片與圖案化的釋放膜隔開； 將樹脂注入腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中； 將腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中的樹脂固化，同時保持圖案化的釋放膜與樹脂的接觸； 將封裝LED從模具和圖案化的釋放膜釋放。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述圖案化的釋放膜形成漫射體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述圖案化的釋放膜形成光整形漫射體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中 LED芯片是RGB 二極管封裝或涂有磷光體的藍(lán)色LED封裝； 模具限定大致半球形的腔體； 圖案化的釋放膜是含氟聚合物膜，所述含氟聚合物膜具有整體形成于膜中的微結(jié)構(gòu)；以及 所述樹脂是光學(xué)質(zhì)量硅樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在釋放膜中實現(xiàn)的圖案包括微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)具有最高約100微米的特征尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在釋放膜中實現(xiàn)的圖案是凸印工具的微結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)，所述凸印工具例如是鎳墊片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，光整形漫射體微結(jié)構(gòu)是隨機、無序并且非平面的斑點，所述斑點是非連續(xù)的并且具有平滑改變的變化，以提供散射，在散射中光非連續(xù)地透射通過微結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，光整形漫射體結(jié)構(gòu)具有所記錄的激光斑點的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，光整形漫射體結(jié)構(gòu)是圖3所示的類型。
10.一種發(fā)光二極管封裝，包括 發(fā)光二極管； 固化樹脂，封裝發(fā)光二極管； 微結(jié)構(gòu)，構(gòu)成光整形漫射體，所述光整形漫射體整體形成于固化樹脂的表面中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的封裝，其中，微結(jié)構(gòu)包括光整形漫射體結(jié)構(gòu)，所述光整形漫射體結(jié)構(gòu)具有所記錄的激光斑點的結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，光整形漫射體結(jié)構(gòu)是圖3所示的類型。
全文摘要
可以通過以下操作來制造封裝LED采用限定腔體的模具，所述腔體限定透鏡形狀；提供圖案化的釋放膜，所述圖案化的釋放膜在膜表面中限定微結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。使圖案化的釋放膜與模具的腔體形狀一致。在腔體中將LED芯片與圖案化的釋放膜隔開放置。然后將樹脂注入腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中。將腔體中LED芯片與圖案化的釋放膜之間的空間中的樹脂固化，同時保持圖案化的釋放膜與樹脂的接觸。然后將封裝LED從模具和圖案化的釋放膜釋放。
文檔編號G02B5/02GK102648426SQ201080050018
公開日2012年8月22日 申請日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者列弗·卡策內(nèi)爾恩森, 菲利普·以智·褚, 高·史丹利·大峰 申請人:魯米尼特有限責(zé)任公司