CN101313417B - 发光制品的阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发光制品及制造这类制品的方法。在一个方面，发光制品包括具有输入孔和输出孔的光学元件，每个孔均具有尺寸。LED晶粒具有尺寸，并与所述光学元件光学耦合。所述光学元件的所述输出孔的尺寸与所述LED晶粒的尺寸匹配。在另一方面，发光制品的阵列包括具有研磨的输入孔表面的光学元件阵列，和在所述输入孔处与所述光学元件光学耦合的LED晶粒阵列。在另一方面，发光制品的阵列包括光学元件阵列，和LED晶粒阵列，每个LED晶粒均具有尺寸。每个LED晶粒均与光学元件在所述输入孔处光学耦合。所述光学元件的所述输出孔尺寸与所述LED晶粒尺寸匹配。

Description

发光制品的阵列及其制造方法
技术领域
本申请涉及发光制品及制造这类制品的方法。
发明内容
本申请公开了发光制品的阵列及制造这类制品的方法。在一个方面，一种发光制品的阵列包括：光学元件阵列，每个光学元件均具有输入孔和输出孔，每个输入孔和输出孔均具有尺寸，其中光学元件阵列具有研磨的输入孔表面；和LED晶粒阵列，每个LED晶粒均有尺寸，其中每个LED均与一个或多个所述光学元件在所述输入孔处光学耦合。
在另一方面，一种发光制品的阵列包括：光学元件阵列，每个光学元件均具有输入孔和输出孔，每个输入孔和输出孔均具有尺寸；和LED晶粒阵列，每个LED晶粒均具有尺寸，其中每个LED晶粒均与一个所述光学元件在所述输入孔处光学耦合，并且所述光学元件的输出孔尺寸与所述LED晶粒尺寸匹配。
在另一方面，一种发光制品包括：具有输入孔和输出孔的光学元件，每个孔均具有尺寸；和与光学元件光学耦合的LED晶粒，所述LED晶粒具有LED晶粒尺寸，并且所述光学元件的输出孔尺寸与LED晶粒尺寸匹配。
本发明的以上发明内容并非意图描述本发明的每个公开的实施例或每种实施方式。在下面的具体实施方式中，本发明的这些以及其它方面将是显而易见的。在任何情况下都不应将以上发明内容理解为是对受权利要求书保护的主题的限制。受权利要求书保护的主题仅受所附权利要求书限定，并在专利申请过程中可对权利要求书进行修改。
附图说明
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细描述将有利于更全面地理解本发明，在附图中，类似的附图标记代表类似的元件。附图旨在给出示例性实例而并非意图进行限制。
图1为示出一个实施例中的光学元件和LED晶粒的示意性侧视图。
图2a-c为光学元件的示例性形状的透视图。
图3为光学元件阵列的示意性侧视图。
图4a-b为两个可供选择的光学元件阵列的仰视图。
图5a-c为在制造方法的第一实施例的三个步骤中的示例性光学元件阵列的示意性侧视图。
图6为示出根据第二实施例的示例性制造方法的框图。
图7a-f为在图6示出的制造步骤中的光学元件阵列的示意性侧视图。
图8为示出制造方法的第三实施例中的附加步骤的框图。
图9a-c为在图8示出的制造步骤中的光学元件阵列的示意性侧视图。
图10为按照本发明所公开的实施例制造的发光制品的示意性侧视图。
图11a-d为根据几个实施例的光学元件和LED晶粒的仰视图。
具体实施方式
目前利用多种方法制造具有至少一个小于几毫米的尺寸的光学元件和半导体元件。这些方法包括模制，研磨单个元件，用溶胶-凝胶浇注光学元件并然后进行烧结，微复制，以及利用表面张力或收缩形成所需形状的方法。在这些方法中，只有研磨方法能够采用难熔或者结晶材料制造出精确的形状。然而，对于大量光学元件的生产来说，因为必须单独搬移每个成形元件，因此研磨是速度最慢且成本最高的方法之一。
本发明公开了制造光学元件阵列的方法。这些方法包括：提供粗略成形的光学元件阵列，在相邻光学元件之间的间隙中填充可移除的保护材料以形成机械稳定的光学元件阵列，以及研磨该机械稳定的阵列以便为光学元件赋予所需的形状和表面粗糙度。
在制造光学元件，例如用于在发光装置(LED)中提取光的光学元件时，本发明公开的方法尤其有用。在为了得到光学光滑的最终表面粗糙度而必需研磨时，通常按单个元件来制造这样的光学元件。在与LED晶粒装配在一起时，搬移单个LED晶粒/光学元件对是费时且麻烦的。本申请公开了制造光学元件阵列的方法，这些方法可以将光学元件阵列与LED晶粒阵列装配在一起，从而制成大量单个LED晶粒/光学元件对。通过将光学元件阵列与LED晶粒阵列装配在一起，然后将光学元件阵列分成单个的发光元件对，这一方法更快且更节省成本。
图1为示出示例性实施例中的光学元件20和LED晶粒10的构造的示意性侧视图。光学元件20是透明的，并且优选地具有相对高的折射率。
在一些实施例中，光学元件可以具有如图1所示的锥形形状。锥形的光学元件可以有多种形状，包括但不限于图2a、2b和2c中示出的那些形状。锥形是对光学元件尤其有利的形状。在图2a中，锥形光学元件20a具有大于输入孔120a的输出孔130a。锥形形状包括图2a示出的截顶倒棱锥形(TIP )、图2b示出的截顶圆锥形、如图2c所示的具有抛物线侧壁的形状、以及它们的组合，这些形状提供了使光准直的附加有益效果，并且在本文中被称为光学准直器。因为光学准直器提供了对发射光的角分布的控制，所以利用光学准直器从LED晶粒提取光是尤其有利的。对于本领域的技术人员来说，其它形状的光学准直器将是显而易见的。例如，图2a示出的TIP形状可以被修改为具有类似于图2c示出的弯曲侧壁。可以设想出其它变型。例如，侧壁可以包括一系列直线段、一系列曲线段或它们的组合。在光学元件由高折射率材料形成时，这种光学元件因其高折射率而增加了从LED晶粒的光提取，并因其形状而使光准直，因而修改光的角向发射。本领域的技术人员应当理解，当准直不太重要或者不需要准直时，可以采用其它形状的光学元件。
在图1中，为简单起见，LED晶粒10只是一般性地示出，但是它可以包括本领域中已知的常规设计结构。例如，LED晶粒10可以包括截然不同的p型和n型掺杂半导体层、缓冲层、基底层、以及覆盖层。示出的是简单的矩形LED晶粒构造，但还可以想到其它已知的构造，例如，形成截顶倒棱锥LED晶粒形状的倾斜侧面。为简单起见，LED晶粒10的电触点也没有示出，但众所周知，它们可以布置在晶粒表面上的任意位置。在示例性的实施例中，LED晶粒具有设置在底面上的两个触点。这种LED晶粒设计通常被称为“倒装芯片”。本发明并不意图限制光学元件的形状或者LED晶粒的形状，而是仅仅提供示例性的实例。
锥形光学元件具有输入孔120、输出孔130和设置在输入孔和输出孔之间的至少一个中间侧壁140。如果光学元件的形状是如图2a所示的截顶倒棱锥形，那么这样的光学元件20a就包括四个中间侧壁140a。如果光学元件为旋转对称的，那么它就可以有单个侧壁。例如，如果光学元件的形状是如图2b所示的倒圆锥形，或者如图2c所示的具有抛物线侧壁的形状，那么这样的光学元件20b或者20c就分别具有单个侧壁140b或者140c。可以使用其它的形状变型。图2a、2b以及2c中示出的每个光学元件均分别包括输入孔120a、120b、120c与输出孔130a、130b、130c。输入孔和输出孔的形状和横截面可以变化。示例性形状包括正方形孔、矩形孔、圆孔或它们的组合。位于输入孔和输出孔之间的横截面形状可以是变化的(例如，光学元件具有正方形的输入孔和矩形的输出孔，或者具有圆形输入孔和正方形输出孔)。
图3示出由基底材料50制成的锥形光学元件20的阵列30。多个单独的光学元件20形成该阵列，而相邻光学元件的侧壁140形成阵列中的槽142。可以利用模制玻璃的方法或者通过将工件磨制成粗略成形元件阵列的方法制造这样的光学元件阵列。当通过磨制制造时，工件通常包含基底材料50和支承件52。可选地，基底和支承件的材料可为一体。当用玻璃模制而成时，基底和支承件的材料可以为玻璃。可以用其它材料模制光学元件，例如玻璃-陶瓷材料，或者通过注塑模制得到的细粒度多晶陶瓷，或者溶胶-凝胶衍生玻璃或晶体材料。
合适的基底材料包括光学材料，例如无机玻璃和陶瓷(例如方解石、蓝宝石、氧化锌、碳化硅、金刚石、氧化锆)或者它们的组合。特别适用的玻璃包括但不限于折射率大于约1.7且玻璃化转变温度低于750℃，优选低于650℃的无铅玻璃。热膨胀系数较低的玻璃是优选的。示例性玻璃包括可得自Schott(Germany)的n-LAF7、n-LAF3、n-LAF33、n-LASF46和可得自Ohara Corporation(Japan)的S-NPH2。在名称为“LEDEXTRACTOR COMPOSED OF HIGH INDEX GLASS”(由高折射率玻璃构成的LED提取器)的美国专利申请No.11/381,518(Leatherdale等人)中描述了其它合适的玻璃。
光学材料还可以包括这些材料的层叠制品，例如，粘合在玻璃上的碳化硅、粘合在玻璃上的蓝宝石、粘合在玻璃上的方解石和粘合在玻璃上的聚合物膜。光学材料的有利特性包括至少为0.01cm2/s的热扩散率、透明性、高折射率、浅色以及低毒性。
基底材料50还可以包括半导体材料，例如沉积在碳化硅或蓝宝石上的硅或半导体。尽管基底材料可以包括任何类型的光学和/或半导体材料，但对于易碎的、极硬的和/或温度敏感的材料-使用常规方法极难切削且不可模制的材料，利用异型磨料进行磨制和抛光的方法尤为有利。可以用本领域熟知的若干种材料中的任何材料制成支承件52。合适的材料应具有极高的机械稳定性。作为另外一种选择，支承件52的材料可以和基底材料相同。
图4a和4b示出光学元件(分别为20a和21)的两个示例性阵列(分别为30a和30b)的仰视图。图4a示出光学元件20a的阵列，每个光学元件的形状均是具有正方形横截面的截顶倒棱锥形。每个光学元件20a均有输入孔120a和输出孔130a以及四个侧壁140a。相邻光学元件的侧壁140a形成阵列30a中的槽142a。在涉及电视、液晶显示屏监视器或者显示器的应用中，提供具有这些应用中的常用长宽比(例如16∶9或者4∶3)的矩形横截面的光学元件和LED晶粒可能是有利的。图4b示出锥形光学元件21的阵列30b的另一个实施例。在该阵列中，各个光学元件21均具有圆形输入孔121和正方形输出孔131。相应地，侧壁141被成形为连接输入孔和输出孔。相邻光学元件21的侧壁141形成阵列30b中的槽142b。
图5a-c示出本制造方法的一个实施例。该实施例的第一步是形成粗略成形的光学元件22的阵列32。图5a示出由三个粗略成形的光学元件22组成的示例性阵列的剖视图。每个成型元件均有一个或多个侧壁42。相邻光学元件22的侧壁42形成阵列32中的槽142。可以通过将玻璃元件模制为光学元件阵列，将工件研磨或者磨制成粗略成形光学元件阵列，或者通过本领域中已知的其它方法制备该粗略成形光学元件的阵列。例如，如名称为“PROCESS FOR MANUFACTURING OPTICAL AND SEMICONDUCTORELEMENTS”(制造光学和半导体元件的方法)的美国专利公开No.2006/0094340(Ouderkirk等人)所述，可以用工件制备粗略成形元件的阵列，其中工件被磨制成至少部分地形成限定成形元件阵列的槽。作为另外一种选择，可以通过模制或者粘性烧结制成粗略成形元件的阵列。例如，可以将例如N-LASF46(可得自Schott North Ameri ca，Inc.，Elmsford，NY)的高折射率玻璃加热至其软化点温度以上，并且让其落入合适形状的覆铂碳化钨模具内。
该实施例的第二步是利用可移除的保护材料填充阵列的槽，以形成机械稳定的阵列。图5b示出填充有可移除保护材料40的图5a的粗略成形光学元件的阵列32，从而形成机械稳定的阵列34。可以用涂敷溶剂涂料，直接施加液体或者使用转移胶带的方法施加保护材料。一些材料可能需要在施加后硬化。例如，可以使用例如热、光或者它们的组合等能源使例如热固性材料等可固化材料硬化。可以通过冷却至其玻璃化转变温度以下的方法使热塑性材料硬化。
合适的保护材料应具有机械稳固性，对光学元件有良好附着性，而且可以在不损坏光学元件的情况下从光学元件阵列中移除。在一些实施例中，优选的是，可移除保护材料不溶解于在研磨过程中使用的任何(通常是水基的)浆液，并且具有使其研磨速度与光学元件的研磨速度基本上相同的特性。一些合适的聚合物实例包括例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸苯酯和聚丙烯酸异冰片酯等丙烯酸树脂。其它可用的聚合物包括聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂、聚氨酯、聚醚和聚碳酸酯。线型聚合物是优选的。也可以使用硬蜡、天然和合成沥青。示例性材料包括ACCULAP Synthetic Optical Pitch(可得自Sutton Technologies，Inc.，Star，NC)。也可以使用低官能度低聚物。在该情况下，将低聚物与合适的固化催化剂(例如本领域中已知的固化催化剂)混合，将该混合物沉积在元件之间的空间中，并且然后利用光、热或它们的组合使混合物固化。也可以使用某些溶胶-凝胶，其它无机前体、低熔点金属、低熔点玻璃和熟石膏，前提条件是可以在不损坏光学元件的情况下移除它们。如本领域所知，固化可以包括增加平均分子量、交联或其它聚合指示剂。
该实施例的第三步是将机械稳定的阵列34研磨成所需的形状和表面粗糙度。在图5c中，使用单面研磨步骤研磨光学元件22的输入孔侧。图5a的每个粗略成形的光学元件22均具有粗糙的输入孔24。在研磨后，图5c的阵列36中的每个光学元件均具有研磨的输入孔26。光学元件阵列36具有研磨的输入孔表面27。具有研磨的输入孔表面的光学元件阵列通常包括基本共面和显示相同的表面形态(例如表面粗糙度)的光学元件。
在一些实施例中，保护材料填充阵列中的槽，使得可以在研磨时同时研磨保护材料和光学元件材料。如图5c所示，在这种情况下，研磨的表面27包括多个光学元件以及填充阵列中的槽的保护材料。在其它实施例中，保护材料可以部分地填充阵列中的槽。在这种情况下，仅由多个光学元件形成研磨的表面27。
可选地，可以为本发明公开的方法增加其他的步骤。在第二个实施例的上下文中描述示例性的附加步骤。
图6为示出根据第二实施例的本发明公开的制造方法的框图。图7示出在图6的相应制造步骤中的光学元件阵列的示意性侧视图。在图6和图7示出的实施例中，可以用磨制包括基底材料350和支承件352的工件的方法制备粗略成形的光学元件阵列。图7a示出成形之前的工件。
图7b示出粗略成形的光学元件的阵列332。可以用研磨或者磨制步骤210所示工件的方法执行粗略成形(图6的步骤220)。可以通过利用粗磨工艺在工件的一个表面上制备两组相距90度的凹槽来制成光学元件。可以利用成形金刚石锯或者通过使用成形表面砂轮或者例如3M Tri zactTMDiamond Tile(参见美国专利公开No.2006/0094340)的异形固定磨料进行成形磨削来制备凹槽。作为另外一种选择，也可以通过模制玻璃坯料，使坯料的一个表面为平坦的，而另一个表面具有多个粗略成形的光学元件来执行粗略成形(220)。使用任一种方法，均可以使粗略成形的光学元件高于成品光学元件，从而补偿研磨步骤中移除的一些材料。
图6的步骤230是精修光学元件侧壁以获得所需表面粗糙度的可选步骤。利用这一步骤，可以获得光学元件倾斜侧壁的最终几何形状，包括角度和表面粗糙度。取决于粗磨或者模制工艺与最终公差的接近程度，该精修步骤可以是一个或者两个步骤。
如果在粗略成形步骤220中没有得到最终几何形状公差，则精修步骤可以包括可选的精磨处理，以及可选的抛光处理。可以通过在粗磨或模制操作产生凹槽以后在工件的结构化表面上制成两组相距90度的磨迹，来完成光学元件的精磨。可以利用成形金刚石轮，或者利用美国专利公开No.2006/0094340(Ouderkirk等人)描述的方法执行精磨操作。可以通过计算在光学元件倾斜侧壁342上得到几何形状公差所需的材料移除量来确定必需移除的材料量。然后可以利用抛光工艺在光学元件的每个倾斜表面上获得最终的表面粗糙度。
如果已满足最终角度公差，就可以仅使用抛光处理在光学元件倾斜侧壁上产生最终的表面粗糙度。可以使用多种常规抛光技术执行抛光，包括如共同未决的美国专利公开No.2006/0094340(Ouderkirk等人)描述的松散和固定磨料抛光。
例如，可以利用(成形的或平的)有回弹力的衬垫材料和浆液磨料执行抛光。作为另外一种选择，可以利用(成形的或者平的)有回弹力的固定磨料衬垫执行抛光。在需要深槽时，成形的抛光衬垫是优选的。对于硬陶瓷材料，可取的是，使用如名称为“ABRASIVE ARTICLE AND METHOD OFMODIFYING THE SURFACE OF A WORKPIECE”(修改工件表面的磨料制品及方法)的共同未决的美国专利申请No.11/254,614(Lugg等人)描述的、利用包括具有树脂相和金属相的精确成形的磨料复合物的磨料制品的抛光技术。对于玻璃材料，可取的是，使用常规的抛光衬垫和浆液(例如，使用磨料浆液的多孔聚氨酯衬垫)。氧化铈磨料可以用于含二氧化硅的材料。氧化铝或者金刚石磨料可以用于例如蓝宝石等更硬的陶瓷材料。也可以使用磁流变抛光(MRF)技术进行抛光。
图7c示出具有已精修侧壁344的光学元件阵列333。
如果在步骤220中(图7b)粗略成形的光学元件的侧壁342获得可接受的角度和粗糙度，就可以省略步骤230。作为另外一种选择，可以在研磨步骤250以后执行步骤230，前提条件是在该精修步骤前移除保护材料。
在图6的步骤240中，利用例如可溶性聚合物的保护材料340回填阵列的槽，形成机械稳定的阵列334。图7d示出阵列的槽342中填充有保护材料340的光学元件阵列。在这一过程中，有利于后续精修操作的保护材料包围光学元件。一种这样的材料可以为可溶性聚合物材料，例如可用溶剂显影的光致抗蚀剂。包封光学元件倾斜侧面的目的是为了在后续的研磨操作中为它们提供支承、以及在研磨和抛光期间防止破碎和减少卷边。该材料应具有足以承受步骤250中的研磨操作的机械稳固性。优选地，仅将槽342填充到光学元件的顶端，从而不需要用于在研磨步骤前移除多余密封剂的附加磨削步骤。作为另外一种选择，可以部分地填充槽342，前提条件是保护材料的量依然可实现光学元件阵列的机械稳定。保护材料不得溶解于在步骤240中使用的浆液，但是还应该可以方便地移除，例如使用如下所述的合适的溶剂移除。
在一些实施例中，可以将机械稳定的光学元件阵列334和保护材料一起用于进一步加工。进一步加工的实例包括下面将描述的光学元件与相应的LED晶粒阵列的连接。在其他实施例中，可以在进一步加工的步骤之前移除保护材料。
在图6和图7e示出的步骤250中，研磨在步骤240中形成的机械稳定的阵列334，以提供研磨的表面327。研磨提供光学元件输入孔326必需的表面粗糙度。在这一过程中，移除光学元件下方多余的材料，得到最终高度的光学元件，并且在晶片粘合表面或输入孔表面326上产生必需的表面粗糙度。可以用本领域已知的方法进行研磨。例如，可以利用金属板(例如铸铁)上的固定磨料(例如3M TrizactTM Diamond Tile)或者松散磨料(例如氧化铝或者金刚石)进行研磨。对于硬陶瓷材料或者极硬的玻璃，可取的是，采用名称为“SELF-CONTAINED CONDITIONING ABRASIVEARTICLE”(自包含精修磨料制品)的共同未决的美国专利申请No.11/191,722(Fletcher等人)；名称为“ABRASIVE AGGLOMERATEPOLISHING METHOD”(研磨团聚物抛光方法)的共同未决的美国专利申请No.11/191,711(Fletcher等人)；以及名称为“ABRASIVE ARTICLE ANDMETHOD OF MODIFYING THE SURFACE OF A WORKPIECE”(修改工件表面的磨料制品及方法)的共同未决的美国专利申请No.11/254,614(Lugg等人)描述的方法。
在图6的步骤260中，研磨机械稳定的阵列的输出孔侧。图7f示出具有已研磨的输出孔表面325的机械稳定的阵列。在这一步骤后，各个光学元件之间的玻璃或者陶瓷材料的厚度将极小(可能为零)。将来主要利用在步骤240中施加的保护材料340将光学元件固定在一起。
作为另外一种选择，可以将研磨步骤250和260结合成一个双面研磨步骤265。采用双面研磨可以同时在光学元件的输入孔侧和输出孔侧产生最终表面粗糙度(例如，光学光滑的粗糙度)。双面研磨处理的速度很快，并且大大方便了以高产率制备大量优质且在光学元件输入孔侧和输出孔侧之间具有良好平行度的光学元件。例如，在光学元件锥角较小和光学元件之间的间隙狭窄时，可能很难正好抛光或者研磨至槽的顶部，即使使用成形磨料也不例外。使用本发明所公开的方法，光学元件的初始高度可以做得比最终产品高一些，并且可以通过单面或者双面研磨移除光学元件顶部和底部中一个或者两个的一部分。也可以在此处理过程中使光学元件的节距最小化，从而使每个晶片的产率最大化。双面研磨还可以在输入孔上产生优质的光学表面，该光学表面对于与LED晶粒发光表面的晶片粘合或光学耦合来说是理想的。
可选地，还可以抛光(一个或者多个)研磨表面，以提供光学光滑的粗糙度。可以在多孔聚氨酯、聚合物复合物或者合成沥青抛光衬垫上利用研磨浆液执行抛光。氧化铈磨料可以用于含二氧化硅的材料。氧化铝或者金刚石磨料可以用于例如蓝宝石等更硬的陶瓷材料。作为另外一种选择，二氧化硅磨料(优选胶态二氧化硅)可以用于蓝宝石的(通过化学机械抛光操作的)最终抛光。
在一些应用中，可取的是生产粘合在晶片或LED晶粒元件上的光学元件阵列。图8示出可与本发明所公开的方法一起使用的附加可选步骤。图8示出的附加工序包括将光学元件连接到晶片支承件(步骤270)上，将该阵列晶片粘合到磊晶片上(步骤280)，以及切割晶片以产生与LED晶粒元件粘合的单个光学元件(步骤290)。本文所公开的方法利用一个制造操作提供这样的粘合光学元件/LED晶粒对。在一些应用中，可以将LED晶粒的尺寸和光学元件输出孔的尺寸设计为匹配的。这对大量生产是有利的。
图9a-9c示出在图8的制造步骤中光学元件阵列的示意性侧视图。
图8的步骤270和对应的图9a示出将光学元件连接到晶片支承件370的可选步骤。合适的晶片支承件材料可以连接到光学元件阵列的输出孔侧。在粘合到磊晶片380(步骤280)上以前，在保护材料340被移除的状态下，连接的晶片支承件370为光学元件提供支承。可以使用粘合剂连接晶片支承件370。例如，可以使用3M Wafer Support System，其采用独特的、UV固化的3M粘合剂将晶片粘合到刚性的均匀的支承表面上。这可以在晶片粘合(步骤280)和光学元件分割(步骤290)中将作用于光学元件阵列上的应力最小化。
接着，可以移除保护材料，暴露单个光学元件的阵列338。取决于具体的移除工艺，可以在移除过程中采取合适的步骤保护光学元件表面的粗糙度质量。当使用光致抗蚀剂时，可以采用例如灰化或者化学蚀刻等标准的光致抗蚀剂移除步骤来移除保护材料。其它合适的移除保护材料的方法包括但不限于：加热(例如，熔化或者软化热塑性材料或低熔点金属)、等离子灰化、热分解以及激光降解。作为另外一种选择，可以在将光学元件连接到晶片支承件之前从光学元件阵列移除保护材料340。在一些实施例中，可取的是，在粘合前仅移除小部分的保护材料，例如，深蚀刻保护材料厚度的5-10％，以使阵列在粘合时保持稳定，同时仍可使光学元件阵列与磊晶片紧密接触。
图8的步骤280和图9b示出将光学元件阵列晶片粘合到磊晶片380上的步骤。磊晶片380包括LED晶粒阵列。在这一步骤中，可以使用合适的粘合技术将光学元件阵列的输入孔表面粘合到磊晶片380的表面上。在使用倒装芯片LED设计时，可以在粘合以前使光学元件与磊晶片380上的LED晶粒对准。例如，可以使用例如用于传统光刻法的掩模校准仪使光学元件阵列与倒装芯片LED阵列对准。由于基底和半导体层在可见光区域是透明的，所以可以通过磊晶片成像，识别蚀刻的金属触点或者磊晶片背面的其它不透明的基准标记，并且利用显微镜影像中的十字准线对准这些轴线。然后，将显微镜物镜聚焦于光学元件阵列所在平面上，并且，类似地，可以使阵列与显微镜或机器视觉***中的十字准线对准(例如，利用校准仪镜台上的x、y和θ控制器对中和旋转)。最后，在对x、y和θ执行微调并且使用前述技术进行粘合的同时，可以使光学元件阵列和磊晶片紧密接触。
图8的步骤290和图9c示出分割或者晶片切割步骤，利用此步骤生产多个与LED晶粒元件382粘合的单个光学元件328。在这个步骤中，切割磊晶片380，以生产单个LED晶粒元件382的阵列。可以使用本领域已知的方法将包括磊晶片380的LED晶粒分割成单个LED晶粒元件382，这些方法包括但是不限于：使用树脂或金属粘合的金刚石锯的磨锯法、干法激光雕刻、水喷射流导向的激光切割以及湿法或者干法蚀刻。在这一步骤后，所得的LED晶粒元件/光学元件对的阵列与晶片支承件370保持粘合。
如果将光学元件用于与LED晶粒非粘合的构造，就不需要步骤270到290。参考图1，光学元件可以不通过粘合方法而与LED晶粒光学耦合。在非粘合的构造中，如名称为“LED PACKAGE WITH NON-BONDED OPTICALELEMENT”(带有非粘合光学元件的LED封装体)的美国专利公开No.2006/0091784(Connor等人)所述，可以利用夹具将光学元件20在LED晶粒10上方保持在位，同时，通过空气间隙150或者例如折射率匹配的流体或凝胶等薄导光层实现光学接触。
每个光学元件/LED晶粒对形成阵列中的一个发光制品。在切割以后，可以从晶片支承件上移除发光制品。如本文所述，在一些应用中，可以将LED晶粒的尺寸和光学元件输出孔的尺寸设计为匹配的。本文所公开的方法尤其适合大批量生产这样的发光制品。
图10示出按照本发明所公开的方法生产的单个发光制品200。光学元件28具有通过输出孔尺寸b来表征的输出孔130。同样地，LED晶粒元件82通过LED晶粒尺寸b来表征。尺寸可以是在一个维度上测量的，例如，长度、宽度或者直径。作为另外一种选择，尺寸可以指表面积。本发明所公开的方法生产LED晶粒尺寸与输出孔尺寸大体相等的发光制品。例如，如果光学元件具有正方形的输出孔，但是LED晶粒为矩形的，就可以采用切割步骤使两个平面维度(x-y)中仅一个维度(例如，x方向)大体匹配。作为另外一种选择，可以采用切割步骤提供与光学元件的输出孔表面积匹配的LED晶粒表面积。
优选地，使输入孔的尺寸与LED晶粒发光表面处的尺寸匹配。图11a到11d示出了这类结构的示例性实施例。在图11a中，具有圆形输入孔125a的光学元件与具有正方形发光表面107a的LED晶粒光学耦合。在此，通过使圆形输入孔125a的直径“d”与正方形发光表面107a的对角线长度(同样为“d”)相等，实现输入孔和发光表面匹配。在图11b中，具有六边型输入孔125b的光学元件与具有正方形发光表面107b的LED晶粒光学耦合。在此，六边形输入孔125b的高度“h”与正方形发射表面107b的高度“h”匹配。在图11c中，具有矩形输入孔125c的光学元件与具有正方形发光表面107c的LED晶粒光学耦合。在此，输入孔和发光表面两者的宽度“w”匹配。在图11d中，具有正方形输入孔125d的光学元件与具有六边形发光表面107d的LED晶粒光学耦合。在此，输入孔和发光表面的高度“h”匹配。当然，输入孔和发光表面具有相同形状并具有相同表面积的简单结构也是满足此标准的。在此，输入孔的表面积和LED晶粒发光表面的表面积匹配。
例如，如果LED晶粒发光表面是边长1mm的正方形，就可以将光学元件输入孔制成边长为1mm的匹配正方形。作为另外一种选择，正方形发光表面可以与如下矩形输入孔光学耦合，所述矩形的一个边长在尺寸上与发光表面的边长尺寸匹配。矩形的非匹配边长可以大于或者小于正方形的边长。可选地，光学元件可以制成具有圆形输入孔，所述圆形输出孔的直径与发光表面的对角线长度相等。例如，在用于这一应用时，对于1mm×1mm的正方形发光表面，可以认为直径1.41mm的圆形输入孔是尺寸匹配的。也可以将输入孔的尺寸制成略小于发光表面的尺寸。如名称为“HIGHBRIGHTNESS LED PACKAGE”(高亮度LED封装体)的共同拥有的美国专利公布No.2006/0091411所述，如果目的之一是使光源的表观大小最小化，那么这可能是有利的。
图5c示出具有研磨的输入孔表面27的光学元件的阵列36。在一些应用中，以阵列的特征横向尺寸(例如，直径)的百分比表示，可取的是，提供阵列总厚度变化(TTV)小于100ppm的光学元件。例如，在特征横向尺寸为50mm的阵列中，实测的5微米厚度变化会被表示为100ppm的TTV。在其它应用中，可取的是，提供具有表面粗糙度小于所需公差(例如峰到谷的表面粗糙度小于50nm)的精修输入孔的光学元件。作为另外一种选择，可取的是，提供输入孔和输出孔在规定公差范围内相互平行(例如平行度公差在1°以内)的光学元件阵列。
虽然结合由单一材料构成的光学元件详细描述了本发明所公开的方法，但这些方法也适用于包括两种或者更多种材料的光学元件。例如，所述方法可用于制造如名称为“HIGH BRIGHTNESS LED PACKAGE WITHCOMPOUND OPTICAL ELEMENT(S)”(包括一个或者多个复合光学元件的高亮度LED封装体)的美国专利公开No.2006/0091798(Ouderkirk等人)所述的复合光学元件。同样地，本发明所公开的方法可用于提供如名称为“HIGH BRIGHTNESS LED PACKAGE WITH MULTIPLE OPTICAL ELEMENTS”(包括多个光学元件的高亮度LED封装体)的美国专利公开No.2006/0092532(Ouderkirk等人)所述的与单个LED晶粒组合的多只光学元件。
同样地，本发明所公开的方法可以用于提供如名称为“LED PACKAGEWITH CONVERGING OPTICAL ELEMENT”(包括会聚光学元件的LED封装体)的美国专利申请No.11/381,324(Leatherdale等人)所述的具有一个或者多个会聚侧面的光学元件阵列。
本发明所公开的方法也可以用于提供在与LED晶粒组合前与其它元件组合的光学元件阵列。例如，如名称为“HIGH BRIGHTNESS LED PACKAGE”(高亮度LED封装体)的美国专利公开No.2006/0091411(Ouderkirk等人)所述，光学元件阵列可以被布置成与图案化的低折射率层光学接触。同样地，如名称为“POLARIZED LED”(偏振LED)的美国专利公开No.2006/0091412(Wheatley等人)所述，光学元件阵列可以被布置成与双折射材料或反射偏振片光学接触。同样地，光学元件阵列可以与荧光材料层组合。例如，如名称为“METHODS OF MAKING PHOSPHOR BASED LIGHTSOURCES HAVING AN INTERFERENCE REFLECTOR”(制作具有干涉反射器的基于荧光体的光源的方法)的美国专利申请公开No.2004/0116033(Ouderkirk等人)所述，可以将荧光涂层添加到光学元件阵列，或者可以将涂布荧光体的多层光学膜布置成与光学元件阵列光学接触。
本文中引用的所有参考文献和专利公开明确地以全文引用方式并入本发明。以上讨论了本发明的示例性实施例并提及本发明范围内可能的变型。在不偏离本发明范围的前提下，对于本领域的技术人员来说，本发明的这些和其它变化和修改形式将是显而易见的，而且应当理解，本发明不受限于本文所提供的示例性实施例。因此，本发明仅受下面提供的权利要求书的限制。

Claims (8)

1.一种发光制品的阵列，包括：
光学元件阵列，每个光学元件均具有输入孔和输出孔，每个输入孔和输出孔均具有尺寸，并且每个输入孔具有研磨的表面；和
LED晶粒阵列，每个LED晶粒均具有尺寸，其中每个LED晶粒均与一个光学元件在所述输入孔处光学耦合，并且所述光学元件的所述输出孔的尺寸与所述LED晶粒的尺寸匹配。
2.根据权利要求1所述的阵列，其中所述LED晶粒的尺寸和所述输出孔的尺寸均是在一个维度上测量的。
3.根据权利要求1所述的阵列，其中每个光学元件均是锥形的。
4.根据权利要求1所述的阵列，其中所述光学元件阵列粘合在所述LED晶粒阵列上。
5.根据权利要求1所述的阵列，还包括与所述光学元件阵列光学接触的反射偏振片。
6.根据权利要求1所述的阵列，其中所述LED晶粒的横截面是矩形的。
7.一种发光制品，包括：
光学元件，其具有输入孔和输出孔，每个输入孔和输出孔均具有尺寸，并且每个输入孔具有研磨的表面；和
LED晶粒，其与所述光学元件在所述输入孔处光学耦合，所述LED晶粒具有LED晶粒尺寸，并且其中所述光学元件的所述输出孔的尺寸与所述LED晶粒的尺寸匹配。
8.根据权利要求7所述的制品，其中所述光学元件是锥形的。
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