具有透鏡中的磷光體片和過模壓磷光體的led的制作方法

文檔序號：6921645閱讀：407來源：國知局

專利名稱：具有透鏡中的磷光體片和過模壓磷光體的led的制作方法
具有透鏡中的磷光體片和過模壓磷光體的LED
本申請是Willem Smits、 Grigorily Basin等人于2005年3月29日提交的題為"Wide Emitting Lens for LED Useful for Backlighting"、序列號為 No. 11/093961的美國申請的部分繼續(xù)申請(CIP )，該序列號為 No.ll/093961的美國申請是Grigoriy Basin等人于2005年2月28日提交的題為"Overmolded Lens Over LED Die"、序列號為No.ll/069418的美國申請的CIP ，所述序列號為No. 11/069418的美國申請是Grigoriy Basin等人于2004年11月15日提交的題為"Molded Lens Over LED Die"、序列號為 No.l0/990208的美國申請的CIP,所有這些文獻都通過引用合并于此。
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED),特別地，涉及特定的透鏡設計和用于在LED管芯(die)上形成透鏡的技術。
LED管芯典型地以朗伯模式發(fā)射光。通常，在LED管芯上使用透鏡以便縮窄光束或者形成側發(fā)射模式。用于表面安裝LED的常見類型的透鏡是預制模壓塑料，其鍵合到其中安裝了LED管芯的封裝。轉讓給飛利浦Lumileds照明公司并且通過引用合并于此的美國專利No.6274924中示出了一種這樣的透鏡。
與各種不同的透鏡設計一起，本文描述了形成用于表面安裝LED的模壓透鏡的技術。此外，還描迷了用于在該透鏡內提供顏色轉換磷光體的各種不同的技術。
在用于形成透鏡的一種方法中，將一個LED管芯或多個LED管芯安裝到支撐結構上。該支撐結構可以是陶瓷襯底、硅襯底或者其他類型的支撐結構，其中LED管芯電連接到該支撐結構上的金屬焊盤。該支撐結構可以是安裝到電路板上的基板(submount)或者封裝中的熱沉。
模具(mold)在其內具有與支撐結構上的LED管芯位置相應的壓痕 (indentation )。這些壓痕填充有液態(tài)光學透明材料，例如硅樹脂，其在固化時形成硬化的透鏡材料。這些壓痕的形狀將是透鏡的形狀。將所述模具和LED管芯/支撐結構集中在一起，使得每個LED管芯駐留在關聯的壓痕中的液態(tài)透#:材沖+內。
接著，加熱模具以便使透鏡材料固化(硬化)。然后，將模具和支
撐結構分離，從而在每個LED管芯上留下完整的透鏡。這個一般的工藝過程將稱為過模壓(overmold)。與其中在待封裝對象周圍裝入空模具之后在高壓下注入液態(tài)材料的注射成型技術形成對照的是，本發(fā)明沒有使用這種注射并且LED和任何線焊(wire bond)都沒有^皮才莫壓工藝施加應力。此外，透鏡材料的浪費非常小。再者，在模具壓痕之間不存在導管，這是注射成型所需要的。
可以利用不同的模具來重復過模壓工藝以便形成重疊的透鏡殼。這些透鏡可以包含磷光體的任意組合以便將LED光轉換成任何顏色，包括白色。
在一個實施例中，通過在加熱和加壓下燒結磷光體顆?；蛘咄ㄟ^烘干磷光體顆粒漿來形成薄的陶瓷磷光體板。每個板具有尺寸與提供能量的LED的頂面近似的表面，所述LED例如藍色LED。 ^粦光體可以是YAG
生白色光。、可以將這些板貼(affix)在安裝到基板晶^上的LED上，接著在每個LED結構上模壓清晰透鏡。然后，切分(singulate)基板以便分離LED結構。
在另一個實施例中，在LED和YAG磷光體板上模壓的透鏡包括紅色磷光體以便產生更暖和的白色光。
在另一個實施例中，首先臨時地將磷光體板安裝到底板(backplate ) 上，并且在磷光體板上模壓包含紅色磷光體的透鏡。從底板移除具有過模壓透鏡的板并且將其貼到提供能量的LED的頂部。然后，在每個LED 結構上模壓清晰透鏡。
由于磷光體板是平坦的，因而當觀察角接近與LED/磷光體的表面垂直的角度時，色溫變得更熱(更藍)。為了補償這種顏色-角度非均勻性，限定包含紅色磷光體的模具的形狀，使得當觀察角變化時色溫更加均勻。因此，模具的形狀依賴于使用的特定LED和磷光體板。
在一個實施例中，用來通過過模壓形成外透鏡的固化硅脂比通過過模壓形成的任何內透鏡都硬得多。當形成較軟的內透鏡時或者當專用 LED產生熱量時，該透鏡不在專用LED上產生應力，而硬的外透鏡則防止外部元件的影響并且保持清晰。在另一個實施例中，例如為了靜電放電(ESD)保護，多個LED或某個LED和另一個芯片由單個過模壓透鏡封裝，其中該透鏡的形狀基于被封裝的特定芯片。
在另一個實施例中，在LED上形成^^壓透鏡，其中該透鏡可以是清晰的或加載了磷光體。透鏡的頂部具有平坦的部分。然后，將尺寸與LED 近似相同的預制準直透鏡(例如菲涅爾(Fresnel)透鏡)貼在該過模壓透鏡的平坦部分上。這種小的準直光源作為蜂窩電話相機閃光燈是特別有用的。
在另一個實施例中，將軟硅樹脂凝膠用作LED和基板之間的底層填料以便填充任何空隙(void)。該底層填料可選地可以涂敷LED的側面。然后，利用硬透鏡對得到的結構進行過模壓。該底層填料有助于在工藝和操作期間支撐LED管芯，將熱量耦合到基板，并且降低LED管芯與硬的外透鏡之間的應力。
本文描述了透鏡的許多其他實施例和應用。
圖l為安裝到支撐結構(例如基板)上的四個LED管芯以及用于在每個LED管芯周圍形成透鏡的模具的側視圖。
圖2為插入到填充了液態(tài)透鏡材料的模具中的壓痕中的LED管芯的
側一見圖。
圖3為在液體被固化從而得到封裝了每個LED管芯的透鏡之后從模
具中移除的LED管芯的側視圖。
圖4為基板或電路板上的LED管芯陣列的透視圖，其中在每個LED
管芯上形成模壓透鏡。
圖5為安裝到基板上的倒裝芯片LED管芯的特寫側視圖，所述基板
又安裝到電路板上，并且其中在LED管芯上形成模壓透鏡。
圖6為安裝到基板上的非倒裝芯片LED管芯的特寫側視圖，所述基
板又安裝到電路板上，其中導線將LED管芯上的n和p金屬電連接到電路
板上的引線，并且其中在LED管芯上形成模壓透鏡。
圖7-ll為其上形成了不同透鏡的LED管芯的截面圖。

圖12為使用本發(fā)明技術;f莫壓到LED管芯上的側發(fā)射透鏡的截面圖。
圖13為使用本發(fā)明技術模壓到LED管芯上的準直透鏡的截面圖。
圖14為貼在使用本發(fā)明技術模壓到LED管芯上的朗伯(lambertian)
10透鏡上的預制側發(fā)射透鏡的截面圖。
圖15為使用圖14的LED和側發(fā)射透鏡的用于液晶顯示器或其他類型顯示器的背光源的截面圖。
圖16為具有相機的蜂窩電話的透視圖，所述相機使用具有才莫壓透鏡的LED作為閃光燈。
圖17和圖18為兩種類型的模壓透鏡的截面圖。所示的所有透鏡都關于中心軸對稱，但是本發(fā)明同樣可以應用到非對稱透鏡。
圖19-22示出了用于獲得希望的發(fā)射模式的外殼透鏡或內透鏡上的表面特征。
圖23示出了高圓頂透鏡用于準直發(fā)射模式。
圖2 4和圖2 5示出了硬的外透鏡和軟的內透鏡用于限制線焊上的應力。
圖26-28示出了各種類型的內或中間透鏡上形成的外透鏡用于側發(fā) 射模式。
圖29示出了另一種側發(fā)射模壓透鏡。
圖30示出了模壓殼的使用，每個模壓殼包含不同的磷光體。圖31示出了在支撐襯底上形成模具部分以便制成才莫壓透鏡。圖32示出了在透鏡的一部分上沉積金屬反射器以便實現希望的發(fā) 射模式。
圖33為在背光源中使用具有側發(fā)射透鏡的LED的液晶顯示器的側視圖。
圖3 4為使用具有準直透鏡的LED作為RGB光源的背投影電視的側視圖。
圖35示出了現有技術LED發(fā)射模式(朗伯型)以及它們在屏幕上的重疊亮度分布。
圖3 6示出了使用本發(fā)明的透鏡的LED的寬角度發(fā)射模式以及它們在屏幕上的重疊亮度分布。
圖37更詳細地示出了圖36中的LED的發(fā)射模式。圖38示出了依照本發(fā)明一個實施例的寬發(fā)射透鏡和LED的截面圖。圖39示出了圖38的透鏡的光強-角度關系的曲線圖。圖40為依照本發(fā)明另一個實施例的寬發(fā)射透鏡和LED的截面圖。圖41A-41E示出了過模壓磷光體晶片，然后切割模壓磷光體晶片并且將單獨的過模壓板附接到LED管芯的步驟。
圖42A-42E示出了過模壓磷光體板并且將過模壓板附接到LED管芯的步驟。
圖43A-43D示出了利用磷光體板過模壓LED的步驟，其中透鏡材料包含紅色磷光體以便產生暖白色光。
圖44A-44C示出了具有平坦磷光體層的LED,其中模具被定制形狀以形成補償顏色-角度關系中的非均勻性的磷光體加載透鏡。
圖45A和圖45B示出沒有平坦磷光體層的LED,其中模具被定制形狀以形成改善顏色-角度關系的均勻性的磷光體加載透鏡。
圖46A-46D示出了在LED管芯和另一種類型的半導體芯片(例如瞬態(tài)電壓抑制器)上模壓透鏡。
圖47A-47C示出了在不同顏色的多個LED上模壓單個透鏡。
圖48A-48C示出了在LED上模壓透鏡并且然后將準直透鏡貼在過模壓透鏡的平坦部分上。
圖49A和圖49B示出了使用硅樹脂凝膠底層填料填充LED管芯下面空隙，其中LED然后由硬的外透鏡封裝。
不同附圖中利用相同的附圖標記標出的元件可以是相同或等價的。
作為初步的事情，在生長襯底上形成常規(guī)的LED。在使用的實例中， LED為基于GaN的LED,例如AlInGaN LED，其用于產生藍色或UV光。典型地，使用常規(guī)的技術在藍寶石生長襯底上生長相對較厚的n型GaN 層。該相對較厚的GaN層典型地包括低溫成核層以及一個或多個附加層以便為n型包覆層和有源層提供低缺陷晶格結構。然后，在厚的n型層上形成一個或多個n型包覆層，接著是有源層、一個或多個p型包覆層以及 p型接觸層(用于金屬化)。
各種不同的技術被用來獲得對n型層的電訪問。在倒裝芯片實例中，蝕刻掉p型層和有源層的若干部分以暴露n層以便金屬化。通過這種方式，p觸點和n觸點處于芯片的相同側并且可以直接電連接到封裝(或基板)接觸墊。來自n金屬觸點的電流起初通過n層橫向傳播。形成對照的是，在豎直注射(非倒裝芯片)LED中，在芯片的一側形成n觸點并且在芯片的另一側形成p觸點。到p觸點或n觸點之一的電接觸典型地利用導線或金屬橋來形成，并且另一個觸點直接鍵合到封裝(或基板)接觸墊。為了簡單起見，在圖l-3的實例中使用了倒裝芯片LED。
美國專利No.6649440和No.6274399中描述了形成LED的實例，這兩
可選地，將導電襯底鍵合到LED層(^典型地鍵合到p層)，并且移除所述藍寶石襯底。可以將一個或多個LED管芯鍵合到基板上的金屬焊盤，其中導電襯底直接鍵合到金屬焊盤，其將參照圖5和圖6進行更詳細的描述?？梢詫⒁粋€或多個基板的電極鍵合到印刷電路板，該印刷電^各板包括用于連接到其他LED或連接到電源的金屬引線。該電路板可以串聯和/或并聯地互連各種不同的LED。
形成的特定LED以及它們是否安裝到基板上對于理解本發(fā)明的目的并不重要。
構可以是基板(例如具有金屬引線的陶瓷或硅)、金屬熱沉、印刷電路板或者任何其他結構。在這個實例中，支撐結構12是具有金屬焊盤/引線的陶瓷基板。
模具14具有與每個LED管芯10上的透鏡的希望的形狀相應的壓痕 16。模具14優(yōu)選地由金屬制成。具有模具14的大體形狀的非常薄的不粘薄膜18被放置或形成在模具14上。薄膜18具有防止硅樹脂粘結到金屬上的公知的常規(guī)材料。
如果透鏡材料不粘結到模具上，那么就不需要薄膜18。這可以通過使用不粘模具涂層、使用不粘模具材料或者使用導致不粘界面的模具工藝來實現。這樣的工藝可能涉及選擇特定的工藝溫度以獲得最小的粘性。通過不使用薄膜18，可以形成更復雜的透鏡。
在圖2中，模具壓痕16已經填充了可熱固化的液態(tài)透鏡材料20。該透鏡材料20可以是任何適當的光學透明材料，例如硅樹脂、環(huán)氧樹脂或者混合的硅樹脂/環(huán)氧樹脂。混合物可以用來實現匹配的熱膨脹系數 (CTE)。硅樹脂和環(huán)氧樹脂具有足夠高的折射率(大于1.4),以便大大地改善來自AlInGaN或AlInGaP LED的光提取以及充當透鏡。一種類型的硅樹脂具有折射率1.76。
真空密封在支撐結構12和模具14的外圍之間形成，并且將這兩個工件彼此擠壓，使得每個LED管芯IO插入到液態(tài)透鏡材料20中并且透鏡材料20被壓縮。接著，將模具加熱到大約150攝氏度(或者其他適當的溫度)達一
定時間，以便使透鏡材料20硬化。
然后，將支撐結構12與模具14分離。薄膜18使得得到的硬化透鏡容易與模具14脫離。然后，移除薄膜18。
在另一個實施例中，可以首先利用諸如粘結劑中的磷光體粒子或石圭樹脂之類的材料覆蓋圖1中的LED管芯IO。利用另一種材料填充模具壓
痕16。接著，當將管芯置于模具中時，模具材料在覆蓋材料上被定形。
圖3示出了得到的在每個LED管芯10上具有模壓透鏡22的結構。在一個實施例中，所述模壓透鏡的直徑介于lmm與5mm之間。透鏡22可以具有任何尺寸或形狀。
圖4為得到的結構的透視圖，其中支撐結構12支撐L E D管芯陣列，每個LED管芯具有模壓透鏡22。使用的模具將具有相應的壓痕陣列。如果支撐結構12是陶瓷或硅基板，那么可以通過鋸切或折斷基板12以形成單獨的LED管芯來分離每個LED(連同其底下的基板部分)?？商鎿Q地，可以分離/切割支撐結構12以支撐LED子組，或者可以不分離/切割地佳: 用支撐結構12。
透鏡22不僅改善了來自LED管芯的光提取并且折射該光以形成希望的發(fā)射模式，而且該透鏡也封裝了 LED管芯以便保護該管芯不受污染、增加了機械強度并且保護了任何線焊。
圖5為由任何適當材料(例如陶瓷或硅)制成的基板24上的單個倒裝芯片LED管芯的一個實施例的簡化特寫視圖。在一個實施例中，基板 24充當圖l-4中的支撐結構12,并且圖5的管芯/基板通過鋸切與圖4的結構分離。圖5的LED管芯10具有底部p接觸層26、 p金屬觸點27、 p型層28、發(fā)光有源層30、 n型層32以及與n型層32接觸的n金屬觸點31?；?4上的金屬焊盤直接金屬鍵合到觸點27和31。通過基板24的通孔終止于基板 24的底面上的金屬焊盤，其鍵合到電路板45上的金屬引線40和44。金屬引線40和44連接到其他的LED或者連接到電源。電路板45可以是具有覆蓋在絕緣層上的金屬引線40和44的金屬板(例如鋁)。使用圖l-3的技術制成的模壓透鏡22封裝了 LED管芯10 。
圖5中的LED管芯IO也可以是非倒裝芯片管芯，具有將頂部n層32連接到基板24上的金屬焊盤的導線。透鏡22可以封裝該導線。
在一個實施例中，電路板45本身可以是圖l-3的支撐結構12。圖6中
14示出了這個實施例。圖6為非倒裝芯片LED管芯10的簡化特寫視圖，該 LDE管芯具有通過導線38連接到電路板45上的金屬引線40的頂部n金屬觸點34。 LED管芯10安裝在基板36上，該基板在圖6的實例中為金屬厚片。導線42將p層26/28電連接到電路板45上的金屬引線44。透鏡22被示為完全封裝了導線和基板36;然而，在其他的實施例中，不必封裝整個基板或整個導線。
常用的現有技術的封裝方法是旋涂保護涂層。然而，該封裝工藝不適合用于將磷光體涂層添加到LED管芯，因為LED管芯上的密封材料的厚度不均勻。此外，這樣的封裝方法并不形成透鏡。用于在LED管芯上提供磷光體的常用技術是利用硅樹脂/磷光體組分填充LED管芯周圍的反射杯。然而，該技術形成具有變化的厚度的磷光體層并且不制成適當的透鏡。如果希望得到透鏡，那么附加的工藝仍然必須產生塑料模壓透鏡并且將它貼在LED管芯上。
圖7-11示出了可以利用上述技術制成的各種不同的透鏡。
圖7示出了已經通過使用任何適當的方法涂敷了磷光體60的LED管芯IO。一種這樣的方法是美國專利No.6576488中描述的電泳，該專利轉讓給了飛利浦Lumileds照明公司并且通過引用合并于此。適當的磷光體是公知的。透鏡22通過使用上述技術而制成。磷光體60通過LED發(fā)射(例如藍色或UV光)而被提供能量，并且發(fā)射不同波長(例如綠色、黃色或紅色)的光。磷光體發(fā)射單獨地或者與LED發(fā)射一起可以產生白色光。
利用磷光體涂敷LED的工藝是耗時的。為了消除利用磷光體涂敷 LED管芯的工藝，可以將磷光體粉末與液態(tài)硅樹脂混合以便嵌入到透鏡 62中，如圖8所示。
如圖9所示，為了在LED管芯上提供厚度被仔細控制的磷光體材料，通過使用上述技術制成內透鏡64,并且使用單獨的模壓步驟(通過使用具有更深和更寬壓痕的模具)直接在內透鏡64上制成任意厚度的外磷光體/硅樹脂殼66。
圖IO示出了可以通過使用另一模具在磷光體/硅樹脂殼66上制成以便進一步對光束定形的外透鏡68。
圖ll示出了分別具有紅色、綠色和藍色發(fā)射磷光體的殼70、 72和74, 其覆蓋在清晰硅樹脂殼76、 78和80上。在這種情況下，LED管芯10發(fā)射 UV光，并且紅色、綠色和藍色發(fā)射的組合產生白色光。所有的殼都利用上述方法來產生。
可以通過使用上述模壓技術來制成許多其他形狀的透鏡。圖12為
LED 10、基板24和模壓側發(fā)射透鏡84的截面圖。在一個實施例中，透鏡 84由諸如硅樹脂之類的非常柔軟的材料制成，其在從模具中移除時彎曲。當透鏡不是簡單的形狀時，通常將不使用脫模薄膜18 (圖l )。
圖13為LED10、基板24和模壓準直透鏡86的截面圖。透鏡86可以通過使用可變形模具或者通過使用軟透鏡材料來制造，所述軟透鏡材料在從模具中拉拔時壓縮并且在脫離模具之后伸展到其^t壓形狀。
圖14示出了可以如何將預制透鏡88貼在模壓朗伯透鏡22上。在圖14 的實例中，以上面所述方式制成透鏡22。透鏡22用來封裝LED IO并且防止其受污染。然后，使用UV可固化粘合劑或者機械夾具將預制側發(fā)射透鏡88固定在透鏡22上。該透鏡形成技術相對于常規(guī)的技術具有優(yōu)勢。在常規(guī)的技術中，預制透鏡(例如側發(fā)射透鏡)通過粘合劑固定在LED 管芯上，并且通過注射硅樹脂來填充任何空隙。該常規(guī)的工藝難以預制，這首先歸因于要為透鏡布置和間隙填充步驟仔細地定位分開的管芯/基板。使用圖14的本發(fā)明的技術，可以通過在每個LED上制成模壓透鏡來同時封裝大的LED陣列(圖4)。然后，可以在這些LED仍然處于該陣列 (圖4)中的同時或者在其分開之后將預制透鏡88貼在每個沖莫壓透鏡22 上。
此外，可以使得模壓透鏡非常小(例如l-2mm直徑)，這與常規(guī)的透鏡不同。因此，可以制成非常小的完全封裝的LED?？梢証f吏得這樣的 LED具有非常低的輪廓，這對于某些應用來說是有利的。
圖14還示出了其上安裝了基板24的電路板45。該電路板45可以讓 LED陣列/基板24安裝于其上。
圖15為液晶顯示器(LCD)或使用背光源的其他顯示器的背光源的截面圖。通常的用途是電視、監(jiān)視器、蜂窩電話等等。所述LED可以是紅色、綠色和藍色以便產生白色光。這些LED形成二維陣列。在所示的實例中，每個LED結構是圖14中所示的LED結構，^旦是也可以使用^壬^f可合適的透鏡。優(yōu)選地，利用白色反射式漫射材料涂敷背光源箱的底部和側壁90。在每個LED的正上方是白色漫射點92，其防止每個LED正上方的背光發(fā)射光斑。點92由透明或漫射PMMA片94支撐。側發(fā)射透鏡88發(fā) 射的光在背光源的下部混合，然后在離開上面的漫射器9 6之前進一步在背光源的上部混合?？梢詫⒕€性LED陣列安裝到窄的電路板45上。
圖16示出了用作相機中的閃光燈的具有模壓透鏡22的LED 10。圖16 中的相機是蜂窩電話98的一部分。蜂窩電話98包括彩色屏幕100 (其可以具有使用這里描述的LED的背光源)和小鍵盤102。
如參照圖10所討論的，可以在內殼上制成外透鏡以便進一步對光束定形。可以使用不同的殼材料，這取決于不同殼的要求。圖17-30示出了可以結合過模壓工藝使用的各種不同的透鏡和材料的實例。
圖17和圖18示出了用于內殼的兩種類型的模壓透鏡，其通過使用上面描述的模壓技術而制成。可以將許多LED 10安裝到相同的支撐結構12 上。如前所述，支撐結構12可以是具有金屬跡線(trace)和接觸墊的陶資或硅基板。可以將任意數量的LED安裝到相同的支撐結構12上，并且典型地將以相同的方式處理相同支撐結構12上的所有LED,但這不是必需的。例如，如果支撐結構大并且規(guī)定了整個LED陣列的光模式，那么每個LED透鏡可以不同，以便提供規(guī)定的總的光模式。
可以注射底層填料以填充L E D管芯10的底部與支撐結構12之間的任何間隙，以便首先防止LED下面的任何空氣間隙并且改善熱傳導。
上面已經參照圖3-6描述了圖17，其中對于朗伯輻射模式而言，內模壓透鏡22通常是半球形的。圖18中的內模壓透鏡106通常為具有圓整邊緣的矩形。取決于外透鏡提供的輻射模式，內模壓透鏡22或106之一可能更合適。其他形狀的內模壓透鏡也可能是合適的。每個透鏡的頂視圖一般都是圓形的。
圖19示出了圖18的結構，其中透鏡外表面具有折射光以實現希望的輻射模式的圖案。可以在內模壓透鏡中(通過模具本身)直接形成外表面圖案，或者可以在過模壓到內模壓透鏡上或通過粘合劑(例如硅樹脂、環(huán)氧樹脂等等)貼到內模壓透鏡上的外透鏡中形成外表面圖案。圖案108 是衍射光柵，而圖案110使用雙步長(binary step)折射光。在這些實例中，所述圖案形成具有圖20所示的輻射模式的一般側發(fā)射透鏡。在圖20 中，峰值強度出現在50-80度內，并且遠大于O度處的強度。
對于內透鏡的要求通常與對于外透鏡的要求不同。例如，內透鏡應當很好地粘附到支撐結構上，不隨時間而呈黃色或變得更不透明，具有高折射率(大于1.4),不破壞或將任何導線壓在LED上，耐受高的LED 溫度并且具有一致的熱系數。內透鏡應當是非剛性的(例如硅樹脂)以便不在LED或任何導線上提供應力。相對照而言，外透鏡材料通常只需
要能夠以希望的圖案來圖案化并且粘附到內透鏡上?？梢詫ν馔哥R過才莫壓或者可以預制外透鏡并且將其粘貼到內透鏡上。用于外透鏡的材料可
以是可UV固化的，而用于內透鏡的材料可以是熱固4匕的。熱固化比UV 固化花費更長的時間。
一般而言，內透鏡材料的硬度范圍是Shore 00 5-90，而外殼的硬度范圍是Shore A30或更大。
圖21示出了在透鏡外表面上形成的用于產生與圖20的模式類似的一般側發(fā)射光模式的菲涅爾透鏡圖案112。外表面可以是內才莫壓透鏡的外表面或者外殼的外表面，如參照圖19所示。這適用于這里所描述的所有圖案。
圖22示出了外透鏡表面上產生準直光模式或另一光模式的金子塔 114或錐形116圖案。
圖23示出了用于產生準直模式的高圓頂外透鏡118。
圖19和圖21-23的表面圖案可以(例如通過改變表面角度)被配置成產生任何光模式?？梢孕纬扇⒔Y構、TIR和其他模式。準直光模式典型地用于背投影電視，而側發(fā)射光模式典型地用于背光照明LCD屏幕。
圖24示出了使用諸如硅樹脂凝膠之類的軟材料作為內模壓透鏡124 以便不對鍵合到LED 10上的導線126產生應力。凝膠典型地^皮UV固化。模壓或預制外透鏡128并且利用粘合劑進行粘貼。外透鏡128典型地將硬得多以便經久耐用、抗粒子等等。外透鏡128可以是硅樹脂、環(huán)氧硅樹脂(epoxy-silicone)、環(huán)氧樹脂、硅樹脂彈性體、硬橡膠、其他聚合物或其他材料。外透鏡可以被UV固化或熱固化。
圖25類似于圖24,但是具有不同形狀的內模壓透鏡129 (類似于圖 18)以用于不同的發(fā)射模式或較低的輪廓。透鏡129可以是軟硅樹脂凝膠。外透鏡130將進一步對發(fā)射模式定形并且保護軟內透鏡129。
所有附圖中的LED都可以是倒裝芯片或線焊類型。
圖26示出了一種LED結構，其具有擁有內透鏡所需特性的軟內模壓透鏡132、充當界面層并用于結構穩(wěn)定性的硬中間殼134以及用于產生側發(fā)射光模式的外透鏡136。外透鏡136可以是軟的，以便有助于模壓工藝。可替換地，可以預制外透鏡136并且將其粘貼到中間殼134上。中間殼134 的使用使得外透鏡材料的選擇基本上與內透鏡材料無關。圖27示出了如何可以在內透鏡132或中間殼134的任何部分上制成外透鏡138。
圖28示出了直接在內透鏡144材料上制成外透鏡142。
圖29示出了在內透鏡132上模壓的另一種形狀的側發(fā)射透鏡145?？?br> 以在沒有任何內透鏡的情況下直接在LED管芯10上;f莫壓透鏡145 。
圖30示出了一種LED，其中每個殼146、 147和148包含不同的磷光
體材料，例如紅色發(fā)射磷光體、綠色發(fā)射磷光體和藍色發(fā)射磷光體。LED
殼中的:,光體提供能量。'可替換地，僅僅使用紅色和:色磷光體殼,°并
且LED管芯10發(fā)射藍色光。紅色、綠色和藍色光的組合產生白色光。此外，可以調節(jié)這些殼的厚度、磷光體粒子的密度以及磷光體顏色的順序以獲得希望的光?？梢允褂萌魏涡螤畹耐哥R。
圖31示出了在支撐結構12本身上使用模具模式149。通過在支撐結構12上模壓該模式，使用與圖l中所示的方法類似的方法，或者使用金屬化工藝，或者使用另一種合適的工藝來制成高指數材料(例如聚合物) 或反射材料(例如鋁或銀)。然后，將模具模式149用作用于制成透鏡 150的另一材料的模具。在一個實施例中，透鏡150材料是沉積在支撐結構12上制成的模具中然后固化的液體(例如硅樹脂)。然后，可以對表面平面化。得到的透鏡通過反射/折射撞擊到壁(比如反射杯)上的光而準直該光。
圖32示出了在其側面噴濺了金屬151以便反射LED IO發(fā)射的光的模壓透鏡22。反射的光將由LED IO散射并且最終通過頂部開口發(fā)射。金屬 151可以是任何反射材料，比如鋁或銀。該金屬可以改為噴濺到透鏡22 的頂部上以形成側發(fā)射模式。透鏡22可以被制成任何形狀以便形成希望的光發(fā)射模式。
圖33為液晶顯示器(LCD) 152的側視圖，該液晶顯示器具有擁有可控RGB像素的LCD屏幕154、漫射器156以及背光源158,其用于混合來自紅色、綠色和藍色LED 160的光以便產生白色光。背光源158為漫反射箱。LED 160具有使用上述任何技術制成的側發(fā)射透鏡。
圖34為背投影電視162的側視圖，其具有用于增亮規(guī)定的觀察角內的圖像的前透鏡164、一組紅色、綠色和藍色LED166、用于調制和聚焦 RGB光以便產生彩色電視圖像的調制器/光學器件170以及反射器172。調制器可以是可控反射鏡陣列、LCD面板或者任何其他合適的器件。LED 166具有使用上述任何技術制成的準直透鏡。
如上所述，可以設計主透鏡或輔助透鏡以形成側發(fā)射才莫式。這種側發(fā)射模式在預期混合來自多個LED的光時，例如在來自多個LED的光用于產生用于LED面板的均勻背光或者用于裝飾照明或者用于另一用途
時是特別有用的。
如圖35所示，沒有安裝到背板(backplane) 182上的透鏡或者僅有安裝到背板182上的半球形透鏡的LED 180典型地將以朗伯模式183發(fā)射光。LED 180陣列照射漫射屏184的背部。屏幕184可以是圖33的LCD背光源中的漫射器156。圖中還示出了每個LED的漫射亮度分布185及其全寬半高(FWHM)。除非這些LED彼此放置得足夠靠近，否則屏幕184 前面的總的光輸出將具有可察覺的亮斑。因此，這種背光源需要相對較高密度的LED,從而導致昂貴的背光源。
申請人已經發(fā)明了圖3 6-3 8中所示的寬發(fā)射透鏡，其在背光源中特別有用。在圖36中，示出具有寬發(fā)射透鏡的LED 188安裝到背板190上。每個LED管芯的峰值光發(fā)射(Ipeak)出現在偏離中心軸(法線)的50-80 度內，如圖37所示。70-80度之間的范圍是優(yōu)選的。透鏡被設計成使得沿著中心軸的光發(fā)射(10)為峰值發(fā)射的5%-33%。相應地，每個LED的亮度分布192與圖35中的亮度分布185相比更為展開。因此，圖36的背光源中的LED 188間距可以比圖35中的LED 180間距更大，同時從漫射屏184 實現相同的光輸出均勻性。這導致不那么昂貴的背光源。
所述亮度分布應當沒有漏斗狀透鏡在中心尖端處通常出現的劇烈轉變。
中心軸強度與5 8-80度峰值強度的最佳比值將取決于應用，例如實現背光源的規(guī)定的亮度所需的LED間距。峰值強度至少三倍于沿中心軸的強度并且在圖37的實施例中，該比值介于4-8之間。
圖38是具有上述特性的寬發(fā)射透鏡的一個實施例的截面圖。如參照圖l-6所述，將LED管芯194安裝到由陶瓷、硅或其他材料制成的襯底或基板196上，并且如參照圖1-6所述在LED管芯194上沖莫壓第一透鏡198。可以將多個管芯安裝到單個大基板上。透鏡198可以由任何適當的材料 (例如硅樹脂)制成。
接著，分離基板196,并且然后通過回流焊接技術或其他適當的技術將其安裝到背板190 (PCB)上。
將輔助透鏡202預制成具有希望的寬發(fā)射特性。該輔助透鏡可以是注射成型或機械加工塑料或者其他材料。這樣的材料包括COC、 COP、 PMMA、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、玻璃或者任何其他適當的材料。然后，將輔助透鏡202安裝成覆蓋在第一透鏡198之上并且接觸背板190以便支撐。空氣間隙204 (或其他低折射率材料間隙)形成將光彎向側面的內折射界面。輔助透鏡202的外表面與空氣的界面進一步彎曲光以便實現 50-80度內的峰值強度。輔助透鏡202可以直接接觸第一透鏡198;然而，輔助透鏡202的形狀將必須被改變以便實現相同的寬發(fā)射模式。
在另一個實施例中，輔助透鏡202接觸基板196并由基板196支撐而不是接觸背板190并由背板190支撐。
可以利用諸如環(huán)氧樹脂之類的粘合劑將輔助透鏡202固定到背板或基板或者可以利用扣環(huán)(snap-tab)連接固定輔助透鏡202。
與參考背板固定輔助透鏡202相比，通過參考基板來固定輔助透鏡 202實現了稍微更好的控制，因為背板上LED和第一透鏡198的高度可以
隨著安裝參數而稍微變化。
具有非球形圓頂內部空氣隙的非球形輔助透鏡202是易于模壓的簡
單設計。透鏡202在背板190附近被底切以便在底切表面處向上反射光，使得光不向下朝背板190發(fā)射。這避免了光環(huán)并且增大了背光源的光輸出。
圖39示出了圖38的LED的光強-角度關系。峰值強度大約72度，并且沿中心軸的強度大約為峰值強度的10%。
在另一個實施例中，輔助透鏡202的表面包含如參照圖19、圖21和圖22所描述的微型結構，其進一步折射光以實現希望的發(fā)射模式。
圖40為具有透鏡206的LED 194的截面圖，該透鏡206具有全內反射 (TIR)部分208。該TIR部分208為漏斗狀。該TIR部分208使得大多數向上發(fā)射的光發(fā)生內反射并且通過側面部分210發(fā)射。這種設計可用來降低沿中心軸的強度，同時仍然提供50-80度內的峰值強度以及沿中心軸的在峰值強度的5-33%之間的強度。在圖33的背光源中，可以采用這些透鏡實施例中的任何一個。
圖3 8和圖4 0以及在其他附圖中的輔助透鏡也可以用在沒有模壓的第一透鏡的LED管芯上。然而，優(yōu)選的是與模壓的第一透鏡一起使用以便保護LED。輔助透鏡的直徑典型地將在4-10mm的范圍之內。
圖41A-41E示出了過模壓陶資磷光體板并且將過模壓板附接到LED 管芯的步驟?？梢詫⒘坠怏w板制成具有精確的特性，因為可以仔細地控制其厚度(例如50-300微米)以及磷光體密度。當藍色光(例如 440nm-460nm)向磷光體提供能量時，磷光體發(fā)射更長波長的光。當磷光體板貼在藍色LED上時，一定百分比的藍色光穿過該板，并且該藍色光與磷光體產生的光混合。
一種制成陶資磷光體片的方式是使用加熱和加壓燒結磷光體粉末的顆粒。穿過所述板的藍色LED光的百分比取決于磷光體的密度和板的厚度，其可以精確地加以控制。另一種制成磷光體薄片的方式是在薄片內制成磷光體漿并且然后烘干所述漿。Gerd Mueller等人的題為 "Luminescent Ceramic for a Light Emitting Diode" 的美國專利申i青 20050269582中描述了制成這樣的陶資磷光體板，該文獻通過引用合并于此。
與藍色LED—起使用的流行的磷光體是YAG:Ce磷光體(摻雜了大約 2%的鈰的釔鋁石榴石)，其可在商業(yè)上獲得。
圖41A示出了使用任何適當的粘合劑臨時安裝到底板212上的陶瓷磷光體板晶片211 ，所述粘合劑可以借助于力或借助于溶劑而容易地脫離。底板212可以具有防止在后來的步驟中粘結固化的硅樹脂的特氟綸 (Teflon)涂層。所述晶片典型地為矩形，但是可以為任意形狀。該晶片將在后來被鋸切以便形成用于數百LED的磷光體板。在這個實例中，晶片211為50-300微米厚的YAG磷光體，其在利用來自藍色LED的藍色光而被提供能量時發(fā)射綠黃色光。得到的白色光通常被認為是刺眼的，因為它具有高的色溫(例如4000-6000K)。如下面所描述的，紅色磷光體將用來降低色溫，這在常規(guī)上被稱為形成更暖和的白色光。
在圖41B中，向模具214中的壓痕213填充包含紅色磷光體粒子216 的液態(tài)硅樹脂215。常規(guī)的不粘脫模薄膜(未示出)保形地涂敷模具并且之后允許不用太大拉力地移除模壓的硅樹脂。任何類型的自動液體分配器都可以用來分配硅樹脂/磷光體混合物。紅色磷光體的實例包括公知的BaSSN、 CaS和e-CaS。紅色磷光體粒子的最佳密度以及壓痕213的形狀由紅色磷光體提供的希望的色溫降低決定。如果希望達到特定的色溫的話，也可以在硅樹脂215中使用其他的磷光體粒子，例如YAG、綠色、橙色、藍色等等。在一個實施例中，所使用的硅樹脂215使得它在固化之后相對較軟，從而在操作LED結構期間在LED以及得到的磷光體板上存在很少的應力。在另一個實施例中，硅樹脂215與后來用于制成外透鏡的硅樹脂相同或等效。
接著，將底板212和模具214放置在一起，以便將磷光體晶片211浸沒到硅樹脂215中。將底板212和模具214夾在一起，在結構的周圍形成真空并且硅樹脂215被壓縮。在這個過模壓步驟期間，排空了液態(tài)硅樹脂中的任何氣泡。然后，通過加熱或UV固化硅樹脂215。之后，借助于脫模薄膜將底板212和模具214分離。
然后，鋸切得到的模壓磷光體晶片以便形成單獨的模壓磷光體板，其中每個板近似于LED的尺寸。所述磷光體加載硅樹脂在磷光體板上形成透鏡。在一個實施例中，在鋸切工藝期間將模壓磷光體晶片保留在底板212上，并且鋸片僅切穿晶片。這使得所述板更易于由自動拾放機拾放。在另一個實施例中，從底板212移除模壓晶片，然后進行鋸切。
在圖41C中，自動拾放臂從底板212移除每個模壓磷光體板218 (具有磷光體加載硅樹脂221的YAG板220 )并且將才莫壓》岸光體板218粘結到安裝在基板226 (這個階段的晶片)上的藍色LED 224的頂面?；?26 可以包含與圖4中所示陣列類似的二維陣列中的數百藍色LED 224?；?226典型地為陶資并且包含用于每個LED的金屬跡線和電極以便連接到電源。磷光體板218與LED 224的粘結可以通過低熔點玻璃、硅樹脂、環(huán) 氧樹脂、其他透明粘合劑或者加熱和加壓實現。
在將在后面詳細說明的一個實施例中，模具壓痕213的形狀通過計算機建模來確定，以便補償LED/板組合發(fā)射的光的色溫-角度關系的非均勻性。
在圖41D中，在LED 224和模壓磷光體板218上模壓清晰硅樹脂透鏡 234以便封裝整個結構。參照圖l-4以及其他附圖描述的工藝可以用來制成外透鏡234。模壓外透鏡234改善了LED的光提取，實現了希望的光發(fā) 射模式，并且防止了磷光體板218的分層。
在另一個實施例中，外透鏡234比磷光體加載硅樹脂221更硬。這導致用于保護的機械強度大的外透鏡以及抗灰塵粒子的平滑的外表面，同時降低LED和互連線路上的應力。
然后，切割基板226以切分LED結構。上例中的LED發(fā)射例如3000-4000K內的暖白色光。任何其他的磷光體都可以用于所述磷光體板和硅樹脂中的磷光體。
可以通過在測試之后依照^t壓磷光體板218的顏色特性劃分(bin)這些模壓磷光體板來進一步控制色溫。接著，測試基板226上的LED224并且依照其顏色特性分類這些LED。然后，為特定的LED選擇劃分的模壓磷光體板218以便實現目標色溫。
圖41E示出了貼到LED 224上的過才莫壓磷光體板218的另一個實施例。在圖41E中，通過使用硅樹脂或加熱硅樹脂側向下地將模壓磷光體板218貼到LED 224上。
除了磷光體在模壓之前被切割之外，圖42A-42E類似于圖41A-41E。首先，鋸切或折斷磷光體片以便形成與提供能量的LED尺寸近似相同的磷光體板。
圖42A示出了使用任何適當的粘合劑臨時安裝到底板222上的陶瓷磷光體板228的二維陣列，所述粘合劑可以借助于力或借助于溶劑而容易地脫離。底板222和磷光體板特性可以與圖41A-41E中的相同。
在圖42B中，向沖莫具230中的壓痕229填充包含紅色磷光體粒子232的液態(tài)硅樹脂231。常規(guī)的不粘脫模薄膜(未示出)保形地涂敷模具并且之后允許不用太大拉力地移除模壓的硅樹脂。磷光體、硅樹脂和模具的特性與上面描述的那些類似。
接著，將底板222和模具230放置在一起，以便將所述板228浸沒到硅樹脂231中。將底板222和模具230夾在一起，在結構的周圍形成真空并且硅樹脂231被壓縮。然后，通過加熱或UV固化硅樹脂231。之后，借助于脫模薄膜將底板222和模具230分離。
在圖42C中，自動拾放臂從底板222移除每個模壓板234并且將模壓板234粘結到安裝在基板晶片238上的藍色LED 236的頂面?；?38可以包含與圖4中所示陣列類似的二維陣列中的數百藍色LED 236。基板238典型地為陶資并且包含用于每個LED的金屬跡線和電極以便連接到電源。磷光體板228與LED236的粘結可以通過低熔點玻璃、硅樹脂、環(huán)氧樹脂、其他透明粘合劑或者加熱和加壓實現。
在一個將在后面詳細說明的實施例中，^t具壓痕229的形狀通過計算機建模來確定，以便補償LED/板組合發(fā)射的光的色溫-角度關系的非均勻性。在圖42D中，在LED 236和^t壓板234上沖莫壓清晰硅樹脂透鏡244以便封裝整個結構。參照圖1 -4以及其他附圖描述的工藝可以用來制成外透鏡244。
然后，切割基板238以切分LED結構。上例中的LED發(fā)射例如3000-4000K內的暖白色光。任何其他的磷光體都可以用于所述石舞光體板和硅樹脂中的磷光體。劃分和匹配的優(yōu)點參照圖41A-41 E進行了描述。
圖42E示出了貼到LED管芯上的過模壓磷光體板234的另一個實施例。在圖42E中，通過使用硅樹脂或加熱透鏡側向下地將沖莫壓板234貼到LED 236上。為了簡化拾放過程，底板222 (圖42B)可以從模壓板脫離，同時模壓板仍然處于模具230中。然后，拾放臂附接到暴露的板，從模具230中移除模壓板并且將其放置在LED 236上。
在圖41A-E和圖42A-E中，第一模壓步驟僅僅覆蓋磷光體板。圖43A-43D示出了其中第一模壓步驟也封裝LED的工藝。
在圖43A中，將磷光體板228 (例如YAG)貼到基板238上的LED管芯236上。
在圖43B中，向沖莫具250中的壓痕248填充包含紅色磷光體粒子254的液態(tài)硅樹脂252。如上所述，也可以使用其他的磷光體。將基板238和模具250放置在一起，并且加熱硅樹脂252以便固化它。出于上面陳述的原因，得到的硅樹脂可以相對較軟，或者可以與用來制成外透鏡的硅樹脂相同或相似。
在圖43C中，將基板238和模具250分離，使得紅色磷光體透鏡258封裝每個LED和磷光體板，從而產生暖白色光。
在圖43D中，使用本文描述的模壓工藝在每個LED上模壓硬的硅樹脂透鏡260以便封裝和保護整個LED結構。像在所有實施例中一樣，外透鏡260可以由模具定形以便產生實際上任意的光發(fā)射模式，例如朗伯模式、側發(fā)射模式、準直模式等等。
圖44A-44C示出了模壓工藝用來產生更均勻的色溫-觀察角關系。
在圖44A中，YAG磷光體262粉末保形地涂敷LED236,得到平坦的磷光體表面。一種利用磷光體保形地涂敷LED的方式是電泳沉積。DaveCollins等人的題為"Using Electrophoresis to Produce a ConformallyCoated Phosphor-Converted Light Emitting Semiconductor"的美國專利no.6576488中描述了電泳沉積，該文獻通過引用合并于此。當石壽光體為例如圖43A中所示的板時，圖44B和圖44C的工藝同樣適用。圖44B和圖44C的工藝同樣適用其中希望色溫-角度關系更均勻的任何LED結構。
圖44A中示出的色溫曲線圖表明，0%觀察角下磷光體涂敷LED的色溫比其他觀察角下的色溫冷(更高的CCT或更藍)。這是因為當沿表面的法向行進時，藍色光行進最少的距離通過磷光體。結果，當從不同的角度觀看LED時，白色光改變顏色。盡管所示的色溫范圍從3000K到3500K,這些溫度可以更高(例如高達6000K)或者更低，這取決于涂層的特定磷光體和厚度。
精確地制成在厚度方面發(fā)生變化，使得藍色光在所有角度下行進相同的距離通過磷光體的磷光體涂層是非常困難的。
為了補償這種顏色-角度關系的非均勻性，使用了包含基本上均勻分布的補償磷光體的模壓透鏡。在一個實例中，將紅色磷光體分散在與圖43B中的模具250類似的模具中的液態(tài)硅樹脂中。模具的尺寸基于要校正的LED的實際色溫-角度特性通過計算機建模來確定。通常，模具將是凸的，其中精確的寬度、深度、曲率和磷光體密度通過計算機建模確定。具有磷光體涂層的LED置于液態(tài)硅樹脂中，并且固化該硅樹脂。然后，將具有模壓透鏡的LED從模具中移除。
圖44B示出了包含紅色磷光體的補償^t壓透鏡264的一個實例?？梢允褂闷渌难a償磷光體，這取決于希望的色溫。由色溫-角度關系的曲線圖可知，通過來自紅色磷光體的添加的紅色分量降低了平均溫度，并且溫差(temperature delta )從(圖44A的)500K降低到250K，從而得到更均勻的色溫-角度關系。透鏡264優(yōu)選地相對較軟以便降低LED上的應力。
在圖44C中，使用前述技術在顏色補償透鏡264上模壓硬的硅樹脂透鏡268。
圖45A示出了沒有平坦的磷光體層的LED 236,其中模具被定制形狀以形成改善色溫-角度關系的均勻性的磷光體加載透鏡272。計算機建模用來基于LED的顏色-角度關系確定模具的最佳形狀和磷光體密度。通常，透鏡272的形狀使得藍色光在大范圍的角度上穿過透鏡的近似相同的厚度。透鏡的相對尺寸將比圖45A中所示大得多。透鏡272中的磷光體可以是YAG和紅色或者任何其他磷光體的組合。透鏡中的磷光體分布基本上是均勻的。多個重疊的模壓透鏡也可以用來實現希望的顏色特性。
然后，在更軟的補償透鏡272上模壓硬的外透鏡276。該透鏡276可以是清晰的或者包含磷光體。
在圖45B中，內模壓透鏡272包含YAG磷光體，中間模壓透鏡277包含紅色磷光體并且硬的外透鏡276不包含磷光體。透鏡272和277二者都可以被定形以便提供基本上均勻的色溫-角度關系。也可以使用其他類型的磷光體和附加的磷光體加載透鏡。在一些情況下，通過不將所有磷光體混合到單個透鏡中來提供對于顏色和色溫-角度關系的更好的控制。清晰的外透鏡通常增大了光提取。
圖46A-46D示出了在LED管芯和另一種類型的半導體芯片(例如瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或光電檢測器)上模壓透鏡。
圖46A為基板280的一部分的頂視圖，其示出連接到LED 282的電源引線之間的TVS芯片284和LED 282?；?80上的金屬跡線未示出。在例如由于靜電放電(ESD)而引起電壓浪涌時，TVS芯片284中的電路將瞬態(tài)電壓短接到地以便旁路LED 282。否則，可能損壞LED 282。 TVS電路是公知的。據申請人所知，現有技術TVS電路沒有利用用于LED的透鏡的一部分來封裝。圖46A中所示的基板280是其上安裝了許多對LED和TVS管芯的晶片的一部分。該基板晶片將在以后被鋸切以便切分所述LED/TVS配對。
圖46B為基板280的側視圖。與圖43B和其他附圖中所示類似的模具具有填充了包含磷光體顆粒的液態(tài)硅樹脂的壓痕。將所述基板晶片和模具放置在一起，使得每個LED/TVS配對處于單個壓痕中的硅樹脂內，并且接著對硅樹脂固化。之后，將基板晶片從模具中分離，并且得到圖46C的結構。模壓磷光體透鏡286封裝了這兩個芯片。使用的磷光體的類型、磷光體的密度以及透鏡286的形狀由希望的色溫特性決定。在一個實施例中，透鏡286中的磷光體是YAG和紅色磷光體的混合物以便在由藍色LED 282提供能量時產生暖白色光。
如圖46D所示，與先前所示的工藝類似地進行第二過模壓工藝以便在模壓磷光體透鏡286上制成清晰的硅樹脂透鏡288。像另一實施例一樣，內透鏡286優(yōu)選地比外透鏡288軟。外透鏡288被定形以便提供光的希望的折射，從而實現實際上任意的發(fā)射模式并且同樣完整地封裝所述芯片。外透鏡288在TVS芯片284上的部分對LED的光發(fā)射模具有很小的影響。在一個實際的實施例中，這兩個芯片的厚度典型地相對于外透鏡的高度比圖46D中所示小得多。例如，LED 282的厚度可以是120微米(其生長襯底被移除)，模壓磷光體透鏡286在LED上可以具有100微米的厚度并且外透鏡288在模壓磷光體透鏡286上可以具有1000微米的厚度。
模壓磷光體透鏡286的足跡(footprint)不必像半球形外透鏡的足跡那樣被圓整。磷光體透鏡286的足跡可以是直線式的以便剛好覆蓋該 LED和TVS配對。
像在所有實施例中一樣，外透鏡可以包含一種或多種磷光體類型以便實現任何色溫，例如暖白色。
盡管可以簡單地在內硅樹脂透鏡上模壓外硅樹脂透鏡，但是已經發(fā) 現，內透鏡的中間等離子體處理增加了這兩個透鏡之間的粘性。等離子體處理稍微蝕刻和粗糙化了透鏡。使內透鏡經受200瓦的等離子體功率幾分鐘(例如2-15分鐘)足以確保這兩個硅樹脂透鏡之間的粘性大于外透鏡到模具的脫模薄膜的粘性。等離子體功率可以近似為200-600瓦。等離子體氣體可以是任何適當的惰性氣體(例如氬)，并且可以在能夠產生等離子體的任何合適的腔室中進行該處理。圖43C示出了可選的等離子體289步驟。該等離子體步驟可以在其中制成兩個或更多過模壓透鏡的任何實施例中執(zhí)行。已經證明，提供清晰的硅樹脂透鏡作為外透鏡增大了光輸出功率24%,這歸因于其折射率低于磷光體加載硅樹脂的折射率。
在圖46A-46D中，LED可以是任意顏色，例如藍色、青色、綠色等等，并且可以利用非LED芯片來過模壓多個LED。
圖47A-47C示出了在不同顏色的多個LED上;f莫壓單個透鏡。圖47A 為包含紅色LED 292、綠色LED 293和藍色LED 294的基板290的一部分的頂視圖。金屬跡線未示出。該基板晶片包含許多這樣的組，每個組根據RGB LED的相對亮度水平產生具有任何希望的色溫的白色光。
布置、顏色以及每種顏色之比不受限制。例如，LED組也可以包括白色LED,或者該組可以單獨地或者與一個或多個綠色和藍色LED—起包括2-3個紅色LED,或者該組可以是2個白色LED加琥珀色LED。
在圖47B中，模具296具有填充了液態(tài)硅樹脂298以便在基板晶片上的每組RGB LED上制成單個透鏡的壓痕297。基板290相對于模具296被夾住，并且硅樹脂被固化。
在圖47C中，于是將基板晶片和模具296分離，從而在LED組上制成才莫壓透鏡300。在一個實施例中，透鏡300包含一個或多個磷光體。然后，切分基板晶片，或者整個基板晶片可以形成LED顯示單元。任意數量和顏色的LED可以由單個過^t壓透鏡封裝。
圖48A-48C示出了在LED上過模壓透鏡并且然后將準直透鏡貼在過模壓透鏡的平坦部分上。
在圖48A中，基板晶片310已經在其上安裝了LED 312陣列。每個LED 管芯的底部電極通過使用金屬球314超聲鍵合到基板上的金屬接觸墊。也可以使用其他鍵合技術。接著，將基板晶片310夾在模具上，其中每個LED處于先前填充了液態(tài)硅樹脂的模具壓痕中。這些壓痕呈圖48A中所示的模壓硅樹脂透鏡316的形狀。其后，固化硅樹脂。然后，將基板晶片31 O從模具中分離。每個模壓透鏡316封裝了 LED并且具有平坦的頂部。
隨后，通過硅樹脂膠319、環(huán)氧樹脂或者通過其他手段將預制菲涅爾透鏡318貼在^^莫壓透鏡316的平坦部分上。菲涅爾透鏡318具有對光準直的非常精細的特征。為什么不能通過模具中的圖案在模壓透鏡316中直接形成菲涅爾透鏡的原因在于，脫模薄膜(其在模具上形成50微米的層)不能在模具中依這樣的精細圖案形成輪廓。如果模具由不粘物質制成并且不需要脫模層，那么可以在所述透鏡中直接模壓菲涅爾透鏡。單獨的菲涅爾透鏡318可以通過沖壓軟化的塑料材料或者使用其他手段而制成。在一個實施例中，菲涅爾透鏡318具有圓形的足跡。
;f莫壓透鏡316的壁部分320包圍每個菲涅爾透鏡318并且與菲涅爾透鏡318具有近似相同的高度。這個壁部分320具有成角度的側面，其向上反射從菲涅爾透鏡318側面發(fā)射的任何光。此外，壁部分320保護菲涅爾透鏡318不受撞擊。向模壓透鏡提供壁部分是可選的，并且模壓透鏡可以是在頂部支撐另一透鏡的任意形狀。
然后，沿著鋸線322鋸切基板晶片310以便切分準直的光源。在一個實施例中，圖48A-C的光源用作用于圖16的蜂窩電話相機的微型閃光燈。可以使用其他類型的準直透鏡。
模壓透鏡也可以包含磷光體，如圖48B所示。在圖48B中，LED發(fā)射藍色光并且當模壓透鏡330時，不同類型的磷光體326、 328分散到液態(tài) 硅樹脂中。在一個實施例中，這些磷光體提供至少紅色和綠色成分給藍色光以便產生白色光。在一個實施例中，這些磷光體包括用于暖白色光的紅色磷光體和YAG磷光體。圖48C示出了其中利用磷光體334 (例如YAG)保形地涂敷藍色LED 312的實施例。所述涂敷可以通過使用電泳來完成。模壓硅樹脂透鏡336 包含紅色磷光體338以便產生暖白色光。
圖49A和圖49B示出了使用硅樹脂凝膠底層填料填充AlInGaN LED 管芯下面的空隙，其中LED然后由硬的外透鏡封裝。在圖49A中，將其生長襯底(例如藍寶石)面向上方的LED 340安裝到基板342上，使得LED 340上的金屬觸點344鍵合到基板342上的金屬跡線346。這些金屬跡線終止于基板342底部上的線焊盤或表面安裝墊。然后，將諸如硅樹脂凝膠之類的底層填料材料348注射到LED 340之下以便填充LED 340與基板 342之間產生的空隙。然后，固化所述凝膠。該固化的凝膠保持相對較軟。
然后，將受激準分子激光束施加到透明生長襯底上，其加熱GaN LED表面并且在該表面處分離GaN以便產生鎵和氮氣。氮膨脹以使得藍寶石襯底升離GaNLED，并且移除該藍寶石襯底。在該工藝期間產生了巨大的向下壓力，并且底層填料348在機械上支撐薄的LED層以防LED 破損。底層填料348也有助于在操作LED期間將熱從LED傳導到基板。
然后，使用本文所描述的技術在LED上模壓清晰或加載了磷光體的硬的硅樹脂透鏡350。底層填料348防止模具中的液態(tài)外透鏡材料進入空隙。這降低了操作期間LED上的熱應力，其否則可能導致LED升離基板。可以優(yōu)化底層填料以便在不關心其光學特性的情況下實現其功能。
以沿著LED 340和襯底354的側面沉積底層填料356以便確保所有的空隙被填充并且當在操作期間LED被加熱和冷卻時降低LED/襯底與硬的外模壓透鏡358之間的壓力。此外，如果底層填料不透明，那么沿著側面的底層填料阻止側發(fā)射，這在磷光體層位于襯底頂部上的情況下是有利的。像在所有實施例中一樣，外透鏡可以是加載了磷光體的。
在本文所描述的所有實施例中，可以采用底層填料硅樹脂凝膠。此外，可以代替本文所描述的藍色LED而使用發(fā)射UV光的LED，并且可以將藍色磷光體分散到模壓透鏡中。
盡管已經顯示和描述了本發(fā)明的特定實施例，但是對于本領域技術人員顯然的是，可以在本發(fā)明的更廣的方面不脫離本發(fā)明的情況下做出若干改變和修改，并且因此所附權利要求應當在其范圍內包含落入本發(fā) 明的真實精神和范圍內的所有這樣的改變和修改。
權利要求
1.一種用于制成發(fā)光二極管(LED)結構的工藝，包括在基板上提供發(fā)射藍色光或UV光的LED；提供基本上平坦的磷光體層；提供具有與中間透鏡相應的壓痕的模具；利用包含磷光體的液態(tài)透鏡材料填充壓痕；在填充步驟之后，將至少磷光體層浸沒到模具中的液態(tài)透鏡材料中；固化液態(tài)透鏡材料，以便在磷光體層上制成磷光體加載透鏡；以及在LED上提供磷光體層。
2. 權利要求1的工藝，其中所述磷光體層是在將至少所述磷光體層浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中的步驟之前貼到所述LED上的磷光體板，其中將至少所述磷光體層浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中的步驟包括將該LED以及貼到該LED上的磷光體板浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中以便封裝該LED和^粦光體板。
3. 權利要求1的工藝，其中所述磷光體層是在將至少所述磷光體層浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中的步驟之后貼到所述LED上的磷光體板，其中在制成包含所述磷光體層的磷光體加載透鏡之后將該磷光體加載透鏡貼到所述LED上。
4. 權利要求3的工藝，其中將包含所述磷光體板的磷光體加載透鏡貼到所述LED上，所述磷光體板鄰近該LED。
5. 權利要求3的工藝，其中將包含所述磷光體板的磷光體加載透鏡貼到所述LED上，所述透鏡鄰近該LED。
6. 權利要求1的工藝，還包括通過將所述磷光體加載透鏡和LED浸沒到模具壓痕中的液態(tài)透鏡材料中并且然后固化該液態(tài)透鏡材料來在所述磷光體加載透鏡和LED上一莫壓清晰透鏡。
7. 權利要求l的工藝，其中所述磷光體層包含YAG磷光體并且所述磷光體加載透鏡中的磷光體包括紅色磷光體。
8. 權利要求l的工藝，其中所述磷光體層為磷光體板，其在浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中時貼到底板上。
9. 權利要求1的工藝，還包括確定所述磷光體層貼于其上的LED的色溫-觀察角關系，并且然后對所述模具壓痕定形以增大該色溫-觀察角關系的均勻性。
10. 權利要求1的工藝，其中所迷磷光體層是在將至少該磷光體層浸沒到所述液態(tài)透鏡材料中的步驟之前保形地涂敷所述LED的磷光體層。
11. 權利要求l的工藝，其中來自所述LED、磷光體層和磷光體加載透鏡的光的組合產生白色光。
12. 權利要求l的工藝，其中將所述LED連同多個相同的LED — 起安裝到基板上，其中將至少所述磚光體層浸沒到所述模具中的液態(tài)透鏡材料中的步驟包括同時將該基板上的所有LED浸沒到關聯的模具壓痕中的液態(tài)透鏡材料中。
13. —種發(fā)光二極管(LED)結構，包括基板上發(fā)射藍色光或UV光的LED; 覆蓋該LED的基本上平坦的磷光體層；在該磷光體層上的模壓的磷光體加載透鏡；以及在所述LED和磷光體加載透鏡上模壓的不含磷光體的清晰透鏡。
14. 權利要求13的結構，其中所述磷光體層是貼到所述LED上的磷光體板。
15. 權利要求13的結構，其中將所述磷光體加載透鏡貼到所述LED 上，所述;舞光體層鄰近該LED。
16. 權利要求13的結構，其中所述磷光體層包含YAG磷光體并且所述磷光體加載透鏡中的磷光體包括紅色磷光體。
17. 權利要求13的結構，其中與所述磷光體層結合的LED具有一定的色溫-觀察角關系，并且其中對所述磷光體加載透鏡定形以便增大該色溫-觀察角關系的均勻性。
18. 權利要求13的結構，其中所述磷光體層是保形地涂敷所述LED 的磷光體層。
19. 權利要求13的結構，其中來自所述LED、磷光體層和磷光體加載透鏡的光的組合產生白色光。
20. —種用于制成發(fā)光二極管(LED)結構的工藝，包括在基板上提供發(fā)射藍色光或UV光的LED; 通過包括以下步驟的工藝在所述LED上模壓磷光體加載透鏡提供具有與中間透鏡相應的壓痕的模具；利用包含磷光體的液態(tài)透鏡材料填充該壓痕；在填充步驟之后，將至少所述LED浸沒到所述模具中的液態(tài)透鏡材料中；以及固化該液態(tài)透鏡材料，以便在所述LED上制成磷光體加載透鏡；以及在該磷光體加載透鏡上模壓清晰透鏡。
21. 權利要求20的工藝，其中所述磷光體加載透鏡是包含第一磷光體的第一磷光體加載透鏡，該工藝還包括在該第一磷光體加載透鏡上模壓第二磷光體加載透鏡，該第二磷光體加載透鏡包含與笫一磷光體不同的第二磷光體。
22. 權利要求21的工藝，還包括確定具有所述第一磷光體加載透鏡的LED的色溫-觀察角關系，并且然后模壓所述第二磷光體加載透鏡以增大該色溫-觀察角關系的均勻性。
23. —種發(fā)光二極管(LED)結構，包括基板上發(fā)射藍色光或UV光的LED;該LED上的模壓的第一磷光體加載透鏡，其包含第一磷光體；該第一磷光體加載透鏡上的模壓的第二磷光體加載透鏡，其包含第二磷光體；該第二磷光體加載透鏡上的模壓的清晰透鏡，其不含磷光體。
24. 權利要求23的結構，其中第一磷光體不同于第二磷光體。
25. 權利要求23的結構，其中與第一磷光體加載透鏡結合的LED具有一定的色溫-觀察角關系，并且其中對第二磷光體加載透鏡定形以便增大該色溫-觀察角關系的均勻性。
26. —種發(fā)光二才及管(LED)結構，包括基板上連同安裝到該基板上的一個或多個半導體管芯一起的LED;以及在該LED和所述一個或多個半導體管芯上模壓的單個透鏡。
27. 權利要求26的結構，還包括覆蓋所述LED和所述一個或多個半導體管芯的模壓的磷光體加載透鏡，其中在所述磷光體加載透鏡上模壓所述單個透鏡。
28. 權利要求26的結構，其中所述一個或多個半導體管芯包括一個或多個LED。
29. 權利要求26的結構，其中所述一個或多個半導體管芯包括多個發(fā)射不同顏色的LED。
30. 權利要求26的結構，其中所述一個或多個半導體管芯包括瞬態(tài) 電壓抑制器。
31. 權利要求26的結構，其中所述一個或多個半導體管芯包括光電檢測器。
32. 權利要求26的結構，其中在所述LED和所述一個或多個半導體管芯上模壓的所述單個透鏡關于中心軸不對稱。
33. 權利要求26的結構，其中所述單個透鏡封裝所述LED和所述一個或多個半導體管芯。
34. —種發(fā)光二極管(LED)結構，包括安裝到襯底上的LED;在該LED上模壓并且封裝該LED的第一透鏡，該透鏡具有基本上平坦的頂部；以及預制的第二透鏡，其貼到第一透鏡的所述基本上平坦的頂部上。
35. 權利要求34的結構，其中第二透鏡為準直透鏡。
36. 權利要求34的結構，其中第二透鏡為菲涅爾透鏡。
37. 權利要求34的結構，其中第一透鏡具有包圍所述基本上平坦的頂部的壁部分，使得所述壁部分的頂部基本上與第二透鏡的頂部共面。
38. 權利要求37的結構，其中所述壁部分具有一定角度，以便反射來自第二透鏡側面的離開所述LED的光。
39. 權利要求34的結構，其中第二透鏡的表面與所述LED的表面具有近似相同的尺寸。
40. 權利要求34的結構，其中第一透鏡包含磷光體，并且來自所述 LED的光為該磷光體提供能量且與該磷光體產生的光混合。
41. 權利要求34的結構，其中該結構發(fā)射白色光。
42. 權利要求41的結構，其中該結構為相機中的閃光燈。
43. 權利要求34的結構，其中第一透鏡包括硅樹脂。
44. 一種用于制成發(fā)光二極管(LED)結構的工藝，包括將LED安裝到基板上，其中該LED上的至少第一電極鍵合到該基板的表面上的至少第二電極，在該LED與所述基板的表面之間存在空隙；利用底層填料材料填充該空隙；提供具有與透鏡相應的壓痕的模具；利用液態(tài)透鏡材料填充該壓痕；在該填充步驟之后，將所述LED和底層填料材料浸沒到所述模具中的液態(tài)透鏡材料中，該底層填料防止該液態(tài)透鏡材料進入所述空隙中；固化該液態(tài)透鏡材料，以便利用模壓透鏡封裝所述LED和底層填料材料；以及將具有模壓透鏡的所述LED從所述模具中移除。
45. 權利要求44的方法，其中透明襯底形成所述LED的頂面，其中所述底層填料材料的一部分設置在包括該襯底的LED的側面。
46. —種用于制成發(fā)光二極管(LED)結構的工藝，包括在基板上提供LED;提供具有第一壓痕的第一模具，所述第一壓痕具有與第一透鏡相應的形狀；利用笫一液態(tài)透鏡材料填充第一壓痕；在該填充步驟之后，將所述LED浸沒到第一模具中的第一液態(tài)透鏡材料中；固化該第一液態(tài)透鏡材料以便在所述LED上制成第一透鏡；將具有第一透鏡的所述LED從第一模具中移除；對第一透鏡進行等離子體處理；提供具有第二壓痕的第二模具，該第二壓痕具有與第二透鏡相應的形狀；利用第二液態(tài)透鏡材料填充第二壓痕；在填充第二壓痕的步驟之后，將所述LED和第一透鏡浸沒到第二模具中的第二液態(tài)透鏡材料中；固化第二液態(tài)透鏡材料以便在所述LED上制成第二透鏡，其中等離子體處理的步驟增加了第一透鏡到第二透鏡的粘性；以及將具有第一透鏡和第二透鏡的LED從第二模具中移除。
47. 權利要求46的工藝，其中第一透鏡材料與第二透鏡材料相同。
48. 權利要求46的工藝，其中第一透鏡包含磷光體。
49. 權利要求46的工藝，其中等離子體處理包括在大約200-600瓦之間對第一透鏡進行等離子體處理以便蝕刻第一透鏡。
50. —種發(fā)光二極管(LED)結構，包括基板上的LED;在該LED上的模壓的第一透鏡，其中該模壓的第一透鏡具有等離子體處理的外表面；直接在第一透鏡上制成的模壓的第二透鏡，其中第一透鏡的等離子體處理的外表面增加了第一透鏡到第二透鏡的粘性。
全文摘要
描述了用于LED結構的過模壓透鏡和某些制造技術。在一個實施例中，制成薄的YAG磷光體板并且將其貼在安裝到基板晶片上的藍色LED上。接著，在單模壓工藝期間在每個LED結構上模壓清晰透鏡。然后，將這些LED與晶片分離。模壓透鏡可以包含紅色磷光體以便產生更暖和的白色光。在另一個實施例中，首先臨時將磷光體板安裝到底板上，并且在磷光體板上模壓包含紅色磷光體的透鏡。將具有過模壓透鏡的板從底板中移除并且貼在提供能量的LED的頂部。然后，在每個LED結構上模壓清晰透鏡。模壓磷光體加載透鏡的形狀可以被設計成改善顏色-角度關系的均勻性。多個管芯可以由單個透鏡封裝。在另一個實施例中，將預制的準直透鏡粘貼到過模壓透鏡的平坦頂部。
文檔編號H01L33/00GK101636851SQ200880006208
公開日2010年1月27日申請日期2008年2月26日優(yōu)先權日2007年2月26日
發(fā)明者G·巴辛, G·米勒, P·S·馬丁, R·S·韋斯特, R·米勒-馬克, S·埃伯爾, T·-S·林申請人:皇家菲利浦電子有限公司;飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司

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