为封装的高亮度led芯片提供微结构的方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:为封装的高亮度led芯片提供微结构的方法
技术领域
本公开涉及光学领域。更具体地,本公开涉及固态发光。
背景技术
美国每年花费700亿美元在照明上。LED可以显著降低照明能量的经济和环境成 本,从而降低从外国来源进口能量的需要以及降低包括温室气体在内的能量相关排放,同时在所有经济成分方面提高能量效率。在LED照明市场中,尤其是在用于LCD TV、信号/标记、汽车、街道/停车场照明以及一般商业/工业照明的高亮度LED (HB-LED)的商业可用性方面,期望持续而强劲的发展。大量的研究和开发集中于在LED芯片级提高HB-LED效率。但是LED的总体发光度也受到LED封装(模制/封装)工艺的影响。对于HB-LED的总体发光效率的提高几乎没有研究,在终端产品的实际应用中,HB-LED的总体发光效率影响LED性能。目前,使用硅树脂作为HB-LED的芯片封装剂。在对LED封装进行模制之前,模型衬有柔性的未图案化的牺牲释放膜(例如但不限于由含氟聚合物ETFE制成),在工艺结束后分离模型和LED封装时防止模型和LED封装损坏。接下来,将硅树脂液体注入模型,以形成最终产品(封装的LED)。然后在部分真空下将LED芯片压入硅树脂液体,从而使液体扩散遍及模型腔体和释放膜。一旦硅在高温下固化,最终模制而成的LED封装就从腔体释放。但是由于娃的高折射率和全内反射(TIR),娃俘获大量的由LED芯片产生的光。由于不期望地俘获的光所产生的过量的热,俘获的光降低LED封装的光学效率以及LED封装的总体寿命O

发明内容
可以通过以下操作来制造封装LED:采用限定腔体的模具,所述腔体限定透镜形状;提供图案化的释放膜,所述图案化的释放膜在膜表面中限定微结构的反转(inverse)。使图案化的释放膜与模具的腔体形状一致(conform)。在腔体中将LED芯片与图案化的释放膜隔开放置。然后将树脂注入腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中。将腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中的树脂固化,同时保持图案化的释放膜与树脂的接触。然后将封装LED从模具和图案化的释放膜释放。可操作地,图案化的释放膜在固化树脂的表面上形成漫射体,甚至可以形成光整形漫射体。光整形漫射体微结构可以是随机、无序并且非平面的结构,所述结构是非连续的并且具有平滑改变的变化,以提供散射,在散射中光非连续地透射通过微结构。光整形漫射体结构可以是所记录的激光斑点的结构,如图3所示的结构。
LED芯片可以是RGB 二极管封装或涂有磷光体(phosphor)的蓝色LED封装。透镜可以具有大致半球形的形状,树脂可以是光学质量硅树脂。图案化的释放膜可以是含氟聚合物膜,所述含氟聚合物膜具有整体形成于膜中的微结构,其中在释放膜中实现的图案可以是具有最高约100微米的特征尺寸的微结构。本发明的另一方面是一种发光二极管封装,所述发光二极管封装包括发光二极管;固化树脂,封装发光二极管;微结构,构成光整形漫射体,所述光整形漫射体整体形成于固化树脂的表面中。


通过对可操作实施例和以下附图的详细描述,将更全面地理解在此公开的封装发 光二极管的优点以及其他优点。图I示出了现有的LED封装工艺;图2示出了本发明的可操作实施例以及使用本发明的方法;以及图3是光学微结构的示例的显微照片,在本发明的可操作实施例之一中,所述光学微结构包括本发明的装置的表面形貌图案。
具体实施例方式本公开所述领域的相关技术人员可以针对各种想到的应用对所公开的实施例进行修改和增加。因此,应理解本公开的范围不限于这些实施例。参考图1,示出了形成封装LED的现有方法。现有工艺100开始于提供与平滑释放膜102分开的LED芯片101,平滑释放膜102在形成于模具103中的腔体110上。LED芯片101可以是任何类型或颜色的,典型地通过封装红色LED、绿色LED和蓝色LED或者在蓝色LED上使用磷光体来获得白色光。所描述的技术适合于高亮度LED照明应用等。释放膜102是柔性的,因此释放膜102可以与模具103和模具103中的腔体110形状一致。模具103中的腔体110被配置为形成透镜,用于封装的LED芯片所产生的光。透镜形状可以是所示的穹形或者本领域技术人员普通技术人员想要的其他形状,以达到期望的结果。在步骤108,树脂104实质上填充腔体110上LED芯片101与平滑释放膜102之间的体积。然后将树脂104固化成封装剂105,同时释放膜102保持与模具103和树脂104相接触,树脂104保持与LED芯片101相接触。然后去除释放膜102和模具103与封装剂105之间的接触。从而得到封装在封装剂105中的封装LED芯片101,所述封装剂具有平滑表面107。可以从TOWA公司获得执行图I的工艺以制造图I的产品的示例模制设备,TOffA公司的商业地址为 5 Kamichoshi-cho,Kamitoba,Minami-ku,kyoto 601-8105,日本。本模型包括FFT1030W和PMC1040-S。关于平滑含氟聚合物释放膜,也可以联系TOWA公司。至少可以从CREE,Inc. of Durham,NC获得高亮度LED芯片。硅树脂可以应用于所描述的工艺,并且可以从包括Dow Corning Corporation of Midland, Michigan在内的多个供应商获得。可以根据诸如价格、保护、纯净度、稳定性、应力消除、光源折射率的匹配、模制工艺条件和热管理等因素的期望权衡来选择树脂。也可以使用其他纯净树脂并考虑类似的选择条件,但是在商业上通常认为这些都次于硅树脂。参考图2,示出了本公开的可操作工艺200。工艺200开始于提供与图案化的释放膜202分离的LED芯片201,图案化的释放膜202在形成于模具203中的腔体201上。释放膜102是柔性的,因此释放膜102可以与模具103和模具103中的腔体110形状一致。以微结构211来凸印图案化的释放膜202,从而图案化的释放膜202自身就形成了用于形成微结构的模具。可操作地,微结构整体地形成在图案化的释放膜中。微结构可以具有小于I微米的特征尺寸,并且与释放膜202的厚度一样大。LED芯片201可以是任何类型或颜色的,典型地通过封装红色LED、绿色LED和蓝色LED或者在蓝色LED上使用磷光体来获得白色光。所描述的技术适合于高亮度LED照明应用等。模具203中的腔体210被配置为形成透镜,用于封装的LED芯片所产生的光。透镜形状可以是所示的穹形或者本领域技术人员普通技 术人员想要的其他形状,以达到期望的结果。在步骤208,树脂204实质上填充腔体210上LED芯片201与平滑释放膜202之间的体积。然后将树脂204固化成封装剂205,同时释放膜202保持与模具203和树脂204相接触,树脂204保持与LED芯片201相接触。然后去除释放膜202和模具203与封装剂205的接触。从而得到封装在封装剂205中的LED芯片201,所述封装剂具有微结构化的表面207。除了图案化的释放膜之外,用于实现工艺200的材料与用于实现工艺100的材料相同。工艺200的一个图案化释放膜202可以但不排他性地由下述制造工艺制成。可以根据其他工艺来形成其他图案以形成图案的底版(master)。可以通过将释放膜102用作微结构211的模具,整体凸印微结构211的规则图案和不规则图案。现有技术已知微透镜阵列的许多示例。规则图案的示例可以是棱镜、锥体、半球(“点”)、立方体等等,只要这些形状会从图案化的释放膜202脱模。在图3的微结构中示出了不规则形状的微结构图案的示例。应注意,反转结构通常与图3所示的类型具有相同的光学特性,但是是图3的结构的镜像,而不是图3的结构本身。关于微结构211的图案,可以凸印的一种类型的微结构是图3所示的类型的反转。图3是根据以下描述由激光斑点图案产生的微透镜阵列结构的显微图。在封装的LED的封装剂205的表面207上使用微透镜阵列结构301可以降低已有LED封装方案100中的光学损耗。制造图案化的释放膜的一种方法使用直接热复制。在该方法中,可以使用具有图案化表面的镍垫片(nickel shim)作为模型或工具。在热复制期间,在升高的温度(高于释放膜的玻璃化温度)和均匀的压力下,可以将镍表面上的图案转移到适当材料的膜(甚至平滑的释放膜)的表面。在将膜冷却并将膜从镍垫片去除之后,得到的图案化释放膜适用于形成采用来自镍垫片的图案凸印的封装剂。封装的LED包括封装在封装剂205中的LED芯片201,封装剂205在其表面207处具有微透镜阵列结构。封装剂可以由硅或其他合适的光学树脂204制成。将图案化的结构301 一次性地凸印或印刻到由模制工艺200形成的封装体205的之前平滑的表面207上。如果使用微结构图案(如图3所示的微结构图案)来提供封装LED芯片的表面,则通过减小或消除在LED封装剂的边界和周围环境发生的反射,从模制的LED封装的光提取量将会有显著的提高,典型地在相当结构的全内反射附近提高2.5%。这种改进是相对于具有平滑表面107的封装剂105的相同结构而言的。此外,这种微结构可以在实践中降低色温。由于能够影响LED的色温,所以对于需要从高亮度LED获得较暖的光来说是有利的。此外,这种微结构还起到光整形漫射体的作用,从而根据特征尺寸,允许从封装LED较窄或较宽地进行光定向。较宽的特征使得来自封装LED的光的分布较窄。正如在美国专利5,365,354中那样,可以通过在诸如玻璃之类的稳定衬底上提供诸如重铬酸盐明胶或其他体积记录材料之类的记录介质,来制造底版图案。然后可以在记录介质和相干光的光源之间布置掩模漫射体孔。然后,通过在记录介质的表面上以记录介质不保留相位信息的方式照射由掩模漫射体散射的相干光,非全息地将随机、无序并且非平面的斑点记录在所述记录介质上。随机、无序并且非平面的斑点的区域构成了记录在记录介质上的图3所示的典型图案。然后根据用于这种记录介质的工序来处理记录介质。在记录期间,对光进行控制,使得斑点限定记录介质中非连续并且平滑改变的变化,从而提供散射,在散射中从第一表面传播至另一表面的光非连续地反射。所记录的斑点的期望平均尺寸与从漫射体中心来看的孔的角度尺寸成反比。正如在美国专利6,158, 245中那样,可以根据底版来制造副版(submaster)。将框紧固到底版的边缘。底版应当具有在底版顶面上方略微升起的边缘。然后将硅橡胶灌入光致抗蚀剂上方的框架并允许将硅橡胶固化。硅橡胶构成反转副版,然后将反转副版与光致抗蚀剂/玻璃底版分离。硅橡胶的使用使得可以在不损坏底版的情况下将副版分离。然后可以利用聚丙烯片或其他期望膜介质所支持的环氧树脂,根据反转副版来制造后续的与主板匹配的膜。 美国专利6,110,401公开了一种简单、快速且可靠的方法和设备,用于在相对刚性的衬底的层压表面上复制光整形表面结构。在释放膜的情形下,衬底可以是聚酯、尼龙或乙酸纤维膜。在将衬底安装在工作台上并将环氧树脂层沉积在衬底与反转副版之间以产生分层结构之后,分层结构在形成于工作台与旋转的加压辊的外表面之间的辊隙中自动压缩,从而在环氧树脂层中复制表面结构。副版可以是聚碳酸酯片,在该聚碳酸酯片包含图案化表面的反转。然后将环氧树脂固化,将副版与衬底分离以使层压结构在其表面处具有微透镜阵列结构。可操作地,可以围绕加压辊缠绕副版,并旋转加压辊,同时线性地往复工作台,以将分层结构压缩在辊隙中。为了防止副版与衬底之间的滑动,在压缩操作期间,优选地通过将副版用作在工作台移动时驱动辊旋转的传动带,使加压辊的旋转速度与工作台的平移速度相匹配。复制机优选地还在压缩操作之后自动将环氧树脂固化,然后自动将副版与衬底分离。此外,放射线示踪(正如在美国专利5,995,742中详细描述的那样,其全部公开一并在此作为参考)建模和仿真技术可以被用来模拟固态发光器件(例如,LED)源,本发明的随机化光学微结构,在对固态发光器件应用本发明的随机化光学微结构之后,相关固态发光器件或包含该相关固态发光器件的系统的光学输出提高。在所述建模和仿真操作中用于计算光功率的基础公式为P = / / / / B(x, y ;kx, ky) dxdydkxdky (等式 I)其中P是固态发光系统的输出功率;B(x,y,kx,ky)等于相位空间强度;x和y是空间坐标,限定特定射线与固态发光源的平面交叉的空间点AiJPky是方向坐标,限定特定射线与光源平面的交叉角度。尽管本发明的上述文本和图形描述及其使用方法可以允许本领域技术人员制造和使用本发明的目前认为是实质上最优的实施例,然而本领域技术人员还应理解,本文描述的特定方法、实施例和/或示例中包含的元素还存在各种改变和组合形式。因此,本文公开的本发明不应限于以上文本或附图中描述的特定实施例、示例或方法,发明人旨在保护本发明的精神和范围之内的所有这些变化和组合。
权利要求
1.一种制造封装LED的方法,包括 提供LED芯片; 提供模具,所述模具限定腔体,所述腔体限定透镜形状; 提供图案化的释放膜,所述释放膜在所述释放膜的表面中限定微结构的反转; 使图案化的释放膜与模具的腔体形状一致; 在腔体中将LED芯片与图案化的释放膜隔开; 将树脂注入腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中; 将腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中的树脂固化,同时保持图案化的释放膜与树脂的接触; 将封装LED从模具和图案化的释放膜释放。
2.根据权利要求I所述的方法,其中,所述图案化的释放膜形成漫射体。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述图案化的释放膜形成光整形漫射体。
4.根据权利要求I所述的方法,其中 LED芯片是RGB 二极管封装或涂有磷光体的蓝色LED封装; 模具限定大致半球形的腔体; 图案化的释放膜是含氟聚合物膜,所述含氟聚合物膜具有整体形成于膜中的微结构;以及 所述树脂是光学质量硅树脂。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,在释放膜中实现的图案包括微结构,所述微结构具有最高约100微米的特征尺寸。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,在释放膜中实现的图案是凸印工具的微结构的反转,所述凸印工具例如是镍垫片。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,光整形漫射体微结构是随机、无序并且非平面的斑点,所述斑点是非连续的并且具有平滑改变的变化,以提供散射,在散射中光非连续地透射通过微结构。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,光整形漫射体结构具有所记录的激光斑点的结构。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,光整形漫射体结构是图3所示的类型。
10.一种发光二极管封装,包括 发光二极管; 固化树脂,封装发光二极管; 微结构,构成光整形漫射体,所述光整形漫射体整体形成于固化树脂的表面中。
11.根据权利要求10所述的封装,其中,微结构包括光整形漫射体结构,所述光整形漫射体结构具有所记录的激光斑点的结构。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,光整形漫射体结构是图3所示的类型。
全文摘要
可以通过以下操作来制造封装LED采用限定腔体的模具,所述腔体限定透镜形状;提供图案化的释放膜,所述图案化的释放膜在膜表面中限定微结构的反转。使图案化的释放膜与模具的腔体形状一致。在腔体中将LED芯片与图案化的释放膜隔开放置。然后将树脂注入腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中。将腔体中LED芯片与图案化的释放膜之间的空间中的树脂固化,同时保持图案化的释放膜与树脂的接触。然后将封装LED从模具和图案化的释放膜释放。
文档编号G02B5/02GK102648426SQ201080050018
公开日2012年8月22日 申请日期2010年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者列弗·卡策内尔恩森, 菲利普·以智·褚, 高·史丹利·大峰 申请人:鲁米尼特有限责任公司

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