CN105679922B

CN105679922B - 用于增大的光提取和非黄色的断开状态颜色的在封装剂中具有颗粒的led

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Publication number: CN105679922B
Application number: CN201610249881.XA
Authority: CN
Inventors: G.巴辛; A.S.哈奎; C.陈; R.S.韦斯特; P.马丁
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Lumileds Lighing Co LLC
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Lumileds LLC
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: CN105679922A

Abstract

在一个实施例中，TiO₂、ZrO₂或其它白色的非磷光体惰性粒子的亚微米尺寸粒子（34）与硅树脂封装剂（32）混合并应用在LED（10）之上。在一个实验中，当惰性材料为封装剂的按重量计约2.5‑5%时，该粒子使GaN LED的光输出增大超过5%。通常，大于5%的惰性材料百分比开始使光输出减小。如果LED具有浅黄色YAG磷光体涂层，封装剂中的白色粒子使得当LED处于断开状态时该LED看上去更白，当该LED用作小型相机（40）中的白色光闪光灯（42）时这种颜色是更为悦目的颜色。粒子的添加也减小了在视角上以及在LED之上的位置上的色温变化，这对于相机闪光灯和投影应用而言是重要的。

Description

用于增大的光提取和非黄色的断开状态颜色的在封装剂中具有颗粒的LED

本申请是申请号为200880131373.5，申请日为2008年10月1日，发明名称为“用于增大的光提取和非黄色的断开状态颜色的在封装剂中具有颗粒的LED”的分案申请。

技术领域

本发明涉及发光二极管（LED），并且具体而言涉及用于提高光提取的技术。本发明还涉及形成具有浅黄色磷光体涂层的LED的非黄色的断开状态颜色。

背景技术

比如GaN LED的半导体LED具有比空气的折射率（n约等于1）高得多的折射率（例如，对于GaN，n=2.2-3.0）。通过将LED封装在具有中间折射率的比如硅树脂（n=1.4-1.76）的透明材料中，光提取显著提高。封装剂还保护半导体LED管芯。进一步增大光提取是期望的。

高功率LED现在通常用作包含移动电话相机的小型相机中的闪光灯。LED发射白色光。这种用作闪光灯的LED典型地为被一层钇铝氧化物石榴石（YAG）磷光体覆盖的一个或多个GaN LED管芯，该GaN LED管芯发射蓝色光，该磷光体在被蓝色光激励时发射黄色-绿色光。通过YAG磷光体泄漏的蓝色光与黄色-绿色光的组合产生白色光。

当LED断开时，LED上的YAG磷光体涂层在白色环境光下看上去为黄色-绿色。这种黄色-绿色通常不具备吸引力且典型地不与相机外观很好地匹配。期望以某种方式消除闪光灯在处于其断开状态时的黄色-绿色颜色。

发明内容

在一个实施例中，TiOx、ZrOx或其它白色非磷光体的惰性材料的粒子与用于LED的基本上透明封装剂混合。一种合适的封装剂为硅树脂。申请人发现，当惰性材料为封装剂的约2.5-5%（按重量计）时，在封装剂中的惰性材料（比如TiO₂）的亚微米尺寸颗粒使GaN LED的亮度（流明）增加超过5%。通常，更高百分比的惰性材料开始使光输出减小。封装剂中的这种少量的颗粒产生令人吃惊的结果，所述结果超越了发明人所预测的任何结果。在封装剂中的TiO₂的0.5%-10%的范围通常增大亮度，这取决于所使用的实际LED。更高的百分比开始使通过封装剂的透射显著减小。

二氧化钛和氧化锆二者被用作油漆和搪瓷中的白色色素。被认为是白色的颜色具有一系列色温，且该颜色受到检视光的影响。如本公开内容中使用的术语白色在观察者看来在太阳光下为基本上白色。

无论LED涂覆有磷光体还是未涂覆有磷光体，通过将颗粒添加在封装剂中实现的光增强都发生。

在一些实验中，将TiO₂添加到封装剂略微减小当LED接通时发射光的色温，这是不明显的。然而，TiO₂的添加使在整个180度发射角上的色温变化大幅减小（例如，减小了三分之二）。在摄影中这是重要的，因为整个对象是用基本上均匀的光照射。

此外，将TiO₂添加到封装剂也提高了包装各处的色温均匀性。当投影LED的放大图像的光学元件被使用，比如与闪光灯或投影仪一起使用时，这是尤其重要的。

由于惰性材料（例如，TiO₂或ZrO₂）是白色的，具有YAG磷光体涂层的LED的外观在该LED断开时看上去白得多，这比YAG磷光体的黄色-绿色颜色更悦目。

在一个实施例中，闪光灯LED模块使用具有按重量计约5%的TiO₂的硅树脂封装剂，其中封装剂形成为具有平坦表面从而不显著影响LED发射的形状（即，封装剂不形成透镜）。相机包含位于闪光灯上的透镜以控制闪光灯的光发射模式。在另一实施例中，硅树脂封装剂可以成型为透镜从而使光发射模式定形。

附图说明

图1为包含蓝色LED管芯、YAG磷光体涂层、底座和硅树脂封装剂的现有技术闪光灯LED的截面视图。

图2为依照本发明实施例的闪光灯LED的截面视图，其中TiO₂颗粒与封装剂混合。

图3为说明通过在封装剂中添加TiO₂，闪光灯在处于其断开状态时的颜色外观从黄色-绿色到白色的变化的曲线图。

图4为说明通过在封装剂中添加TiO₂，闪光灯在处于其接通状态时色温的下降以及在视角上的色温偏差的下降的曲线图。

图5为说明当TiO₂添加到封装剂中时LED包装各处的色温均匀性提高的曲线图。

图6为依照本发明实施例的不具有磷光体涂层的蓝色LED管芯的截面视图，其中TiO₂颗粒与封装剂混合。

图7为图5的LED的光功率输出的曲线图，其示出了随着封装剂中TiO₂数量的增大，功率输出提高。

图8为具有依照本发明一个实施例的闪光灯的相机的正视图，其中TiO₂颗粒与封装剂混合。

在各个图中相似或相同的元件用相同的数字来标记。

具体实施方式

尽管本发明可以应用到任何类型的LED，但是将详细描述在所有实例中使用的一种具体LED。图1为封装在硅树脂中的常规白色光LED 10的截面视图。

该实例中LED 10的有源层产生蓝色光。LED 10形成于比如蓝宝石、SiC或GaN的起始生长衬底上。通常，生长n层12，接着是有源层14，接着是p层16。p层16被蚀刻以露出一部分的位于下面的n层12。反射金属电极18（例如，银、铝或合金）接着形成于LED的表面之上从而接触n层和p层。可存在许多分布式电极从而更均匀地扩散电流。当二极管正向偏置时，有源层14发射光，该光的波长是由有源层的成份（例如AlInGaN）确定。形成这种LED是公知的且无需更详细描述。形成LED的附加细节描述于Steigerwald等人的美国专利No. 6,828,596和Bhat等人的美国专利No. 6,876,008，这两个美国专利均转让给本申请的受让人且通过引用结合于此。

半导体LED接着安装在底座22上成为倒装芯片。底座22的顶表面含有金属电极，该金属电极经由焊料球被焊接或超声焊到LED上的金属电极18。也可以使用其它类型的结合。如果电极本身可以被超声焊到一起，则焊料球可以删去。

底座电极通过通路电连接到底座底部上的阴极和阳极焊盘24，因此底座可以表面安装到印刷电路板上的金属焊盘，该印刷电路板典型地形成用于相机的闪光灯模块的一部分。电路板上的金属迹线将焊盘电耦合到电源。底座22可以由任何合适材料形成，比如陶瓷、硅、铝等。如果底座材料导电，则绝缘层形成于衬底材料之上，且金属电极图案形成于绝缘层之上。底座22充当机械支撑，提供LED芯片上的精巧的n和p电极与电源之间的电学接口，并且提供热沉。底座是公知的。

为了致使LED 10具有低廓形并防止光被生长衬底吸收，生长衬底被移除，比如通过CMP或者利用激光剥离方法，在激光剥离方法中激光加热GaN和生长衬底的界面以形成高压气体，该高压气体将衬底推离GaN。在一个实施例中，生长衬底的移除是在LED阵列安装在底座晶片上之后且在LED/底座被单体化（例如，通过锯切）之前进行的。半导体层的最终厚度可以约为40微米。LED层加上底座的厚度可以约为0.5mm。

LED半导体层的处理可以在LED安装在底座22上之前或之后进行。

在生长衬底移除之后，磷光体层30形成于LED顶部上，用于波长转换从有源层14发射的蓝色光。磷光体层30可以喷射沉积、旋涂、通过电泳而薄膜沉积、预形成为陶瓷板并固定到LED层顶部、或者利用任何其它技术形成。磷光体层30可以是透明或半透明结合剂（其可以是有机或无机的）中的磷光体颗粒，或者可以是烧结磷光体颗粒。由磷光体层30发射的光在与蓝色光混合时形成白色光或者另一期望的颜色。在该实例中，磷光体为产生黄色光的钇铝氧化物石榴石（YAG）磷光体（Y+B=白色）。该磷光体可以是任何其它磷光体或者多种磷光体的组合，比如红色磷光体和绿色磷光体（R+G+B=白色），从而形成白色光。在所有实例中，磷光体层30的厚度可以约为20微米。

利用YAG磷光体（即，Ce:YAG），白色光的色温在很大程度上取决于磷光体中的Ce掺杂以及磷光体层30的厚度。

硅树脂封装剂32接着形成于LED结构之上以保护LED并增大光提取。在一个实施例中，封装剂被旋涂。在另一实施例中，封装剂直接成型在LED和磷光体之上。如果期望使用封装剂作为透镜，封装剂可以利用模具来定形。

图1的现有技术LED结构被用作基线，从而示出当采用本发明时该结构的改进特性。

图2为LED结构的截面视图，该LED结构与图1的LED结构相同，但是其中在封装LED之前，TiO₂颗粒34与硅树脂封装剂32混合。取决于LED结构的特性，TiO₂的最优数量可以在硅树脂的重量的1-10%之间任意位置变化。在一个实施例中，含有TiO₂的封装剂被旋涂。在另一实施例中，含有TiO₂的封装剂被直接成型在LED和磷光体之上。如果期望使用封装剂作为透镜，则封装剂可以使用模具来定形。

在一个实施例中，平均TiO₂颗粒尺寸为0.25微米，且颗粒为随机形状。在典型实施例中，硅树脂的厚度约为100微米。

当TiO₂的重量百分比增大至约5%时，LED结构的光输出增大。在一些实验中，在5%之后光输出减小。在一个实验中，样品的光输出对于0% TiO₂为90流明，对于5% TiO₂为96流明，以及对于7% TiO₂为93流明，随后光输出随着TiO₂数量增大而降低。色温（CCT）也随TiO₂的百分比变化。在一个实验中，CCT在0% TiO₂时为5815K，在5% TiO₂时为5332K，以及在7%TiO₂时为5486K，证明在TiO₂的最高效率百分比处CCT是最低的。

在另一实验中，样品的光输出对于0% TiO₂为145流明，对于仅1% TiO₂上升到154流明，这在光输出上增大了6%。在另一实验中，仅仅对于0.5% TiO₂，看到光输出的显著增大。在另一实验中，对于5% TiO₂，光输出增大6%。对于每种类型LED、所使用的材料以及应用，可以凭经验确定TiO₂的最优数量。

图3为说明使用CIE xy色度系统（1931版本）绘制的，图2的LED结构在处于其断开状态时的颜色外观变化的曲线图。该磷光体为YAG磷光体。被加热的黑体曲线（也称为普朗克轨迹）也被示出作为参考，其中坐标0.32，0.33对应于约5500-6000K的色温。当x和y值一起朝向0.42，0.54的体磷光体颜色值（未绘出）增大时，LED颜色变得通常更加黄色-绿色。当薄层磷光体（例如，约20微米）形成于LED管芯之上且LED用具有0% TiO₂的纯硅树脂（厚约100微米）封装时，如图1中所示，LED（例如，相机中的闪光灯）在处于其断开状态时的外观为黄色-绿色颜色，不过比体磷光体的黄色-绿色浅。当封装剂与5% TiO₂混合时，闪光灯为基本上白色。当封装剂与7% TiO₂混合时，闪光灯甚至更白（更远离黄色-绿色）。

尽管在提交此公开内容的时候，发明人仍在分析性能提高的原因，但是认为：将TiO₂添加到封装剂使封装剂的折射率稍微增大，以及TiO₂的颜色（白色）致使LED/磷光体的外观更接近纯白色。

图4为在-90度至+90度的视角之上，图2的LED结构在该LED接通时的色温的曲线图。该曲线图说明图2的LED结构在其接通状态时的色温（CCT）如何随所添加的TiO₂数量而非线性变化。对于5% TiO₂，在该视角之上的颜色偏差的期望降低是最小的（约150K）。对于摄影而言这是有利的，因为被拍摄的整个场是用基本上相同颜色闪光灯来照射。0% TiO₂曲线具有非常显著的偏差，该偏差约为使用5% TiO₂的偏差的三倍。认为TiO₂颗粒散射来自LED的光，这帮助混合光输出以形成视场之上更均匀的亮度和颜色。

替代TiO₂，也可以使用比如ZrO₂的其它浅白色惰性颗粒。

尽管本发明特别期望与LED闪光灯一起使用，由于TiO₂颗粒的一个效应是使LED管芯之上的黄色-绿色YAG磷光体的外观变白，但是本发明也提高了不使用磷光体涂层的LED的总体光输出。

封装剂中的TiO₂的效应也有效地过滤掉LED包装各处的显著颜色变化，其中视角垂直于LED表面。图5为近似实际实验结果的曲线图，其中测量了LED包装各处（跨度大约3mm）的色温。对在封装剂中不具有TiO₂的LED以及对在封装剂中具有TiO₂的类似LED进行该测量。封装剂形成位于LED之上的包覆成型的半球形透镜。该LED为蓝色LED，磷光体板固定到LED芯片的顶部，其中磷光体与泄漏通过的蓝色光组合生成橙色发射。磷光体板不覆盖LED层的边缘。

如在图5的曲线图中所看到，在封装剂中不具有TiO₂的LED的左边缘附近存在色温尖峰，这是由于来自LED边缘的未经转换的蓝色光被发射。右边具有在LED边缘附近的较不严重的色温增大。如果该LED用在闪光灯或投影仪中（其中光学元件大幅放大LED图像），边缘附近的蓝色颜色在投影图像中将是可见的。与之对照，如在在封装剂中具有TiO₂的LED的色温测量中所看到，在LED边缘附近没有明显的色温尖峰，因为TiO₂有效地过滤掉任何尖峰。

图6为不具有磷光体层的LED管芯的截面视图，其中TiO₂颗粒34与硅树脂封装剂32混合。LED管芯发射蓝色光。除了磷光体层之外，该LED的所有方面与图2相同。

在图7的曲线图中，方形数据点代表在1000mA驱动电流时，图6的LED结构的光输出功率（单位为mW）与封装剂中TiO₂的百分比的关系。圆形为参考数据点，其示出没有封装剂的LED管芯的光输出功率。在0%处的数据点是估计的；其它数据点是测量的。如所见，在裸LED管芯之上的封装剂中包含TiO₂颗粒显著增大LED的光输出功率，即使是在TiO₂的数量约为0.5%时。

图8为利用此处描述的发明的相机40的图示，该相机可以是移动电话相机。闪光灯模块42包含安装在单个底座上的用于增大光功率输出的三个蓝色发射LED 44，该底座安装在电路板上。YAG磷光体层覆盖LED。ESD保护电路也可以安装在底座上且被磷光体覆盖。LED、磷光体和ESD电路利用与TiO₂混合的硅树脂来封装，从而实现此处描述的益处。也示出了相机透镜48。

测试表明，在封装剂中添加惰性颗粒的LED结构的可靠性未降低。

封装剂中TiO₂或ZrO₂颗粒的附加用途可以是通过封装剂阻挡或反射光。通过使颗粒的百分比增大为大于10%，通过封装剂的透射率的减小变得非常显著（从具有0% TiO₂的90%透射率到具有10% TiO₂的25%透射率）。如果颗粒的百分比不断增大，封装剂变得越来越像漫射反射器，将大多数光反射回到LED中且从侧边离开。这种边发射LED在比如LCD背光的某些应用中是有用的。在一个实施例中，颗粒的百分比超过25%从而形成基本上边发射LED。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员将理解，鉴于本公开内容，可以对本发明进行改动而不背离此处描述的精神和发明构思。因此，不打算将本发明的范围限制为所说明和描述的特定实施例。

Claims

1.一种发光装置，包含：

半导体发光二极管（10）；

在该半导体发光二极管（10）的至少顶表面之上的磷光体（30）层，该磷光体在白色环境光下具有浅黄色颜色；以及

该磷光体（30）层上的封装剂（32），该封装剂包含含有惰性非磷光体颗粒（34）的透明材料（32），该颗粒为该封装剂的按重量计0.5%-10%，该颗粒在白色环境光下具有白色颜色，其中含有该颗粒（34）的该封装剂（32）在该半导体发光二极管处于断开状态时使该磷光体的外观变白，其中该颗粒（34）混合在该封装剂（32）中，遍布固化的该封装剂的整个体积。

2.如权利要求1所述的发光装置，其中该颗粒（34）包含TiO_x或ZrO_x。

3.如权利要求1所述的发光装置，其中该颗粒（34）包含该封装剂（32）的按重量计2.5%至7%。

4.如权利要求1所述的发光装置，其中该封装剂（32）具有在该半导体发光二极管（10）之上的平坦表面。

5.如权利要求1所述的发光装置，其中该颗粒（34）的平均直径为0.25微米。

6.如权利要求5所述的发光装置，其中该磷光体（30）包含钇铝氧化物石榴石（YAG）磷光体。

7.如权利要求1所述的发光装置，其中与具有0%的颗粒的封装剂相比，该颗粒（34）在该半导体发光二极管处于接通状态时增大离开该封装剂的光输出功率。

8.如权利要求1所述的发光装置，其中与具有0%的颗粒的封装剂相比，该颗粒（34）在该半导体发光二极管（10）处于接通状态时降低来自该封装剂（32）的光输出的色温。

9.如权利要求1所述的发光装置，其中与具有0%的颗粒的封装剂相比，该颗粒（34）在该半导体发光二极管（10）处于接通状态时降低相对于来自该封装剂（32）的光输出的视角的色温偏差。

10.如权利要求1所述的发光装置，其中与具有0%的颗粒的该封装剂（32）相比，该颗粒（34）在该半导体发光二极管处于接通状态时降低相对于垂直该半导体发光二极管（10）的顶表面的位置的色温偏差。

11.如权利要求1所述的发光装置，其中该半导体发光二极管（10）和封装剂（32）包含相机（40）中的闪光灯光源（42）。

12.如权利要求1所述的发光装置，其中该半导体发光二极管（10）的半导体部分发射蓝色光。

13.一种制造发光装置的方法，包含：

在半导体发光二极管（10）的至少顶表面之上形成磷光体（30）层；以及

在该磷光体（30）层之上形成封装剂（32），该封装剂包含含有惰性非磷光体颗粒（34）的透明材料，该颗粒为该封装剂的按重量计0.5%-10%，该颗粒在白色环境光下具有白色颜色，该磷光体在白色环境光下具有浅黄色颜色，并且含有该颗粒（34）的该封装剂（32）在该半导体发光二极管处于断开状态时使该磷光体的外观变白，其中该颗粒（34）混合在该封装剂（32）中，遍布固化的该封装剂的整个体积。

14.如权利要求13所述的方法，其中该颗粒（34）具有0.25微米的平均直径。