TWI505508B - 具有增加之特徵尺寸的發光二極體封裝 - Google Patents

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Description

具有增加之特徵尺寸的發光二極體封裝
本發明係關於光發射器封裝，且特定而言係關於具有一模製透鏡的發光二極體(LED)封裝。
本申請案係在2007年10月31日申請之先前美國專利申請案第11/982,275號的部分接續申請案。本申請案主張在2009年4月28日申請之美國臨時申請案第61/173,550號之權利。
發光二極體(LED或若干LED)係將電能轉換為光的固態裝置且通常包括夾置於經相反摻雜層之間的一或更多個半導體材料作用層。當跨該等摻雜層施加一偏壓時，電洞及電子注入於作用層中，在該作用層中，該等電洞及電子重組以產生光。光係從該作用層及LED之所有表面發射。
為了將一LED晶片使用於一電路或其他類似配置中，吾人知曉可將一LED晶片封圍於一封裝中以提供環境及/或機械保護、色彩選擇、光聚焦及類似者。一LED封裝亦可包含用於將LED封裝電連接至一外部電路的電引線、接觸件或跡線。圖1A繪示一習知LED封裝，該習知LED封裝通常包括藉由焊料接合或傳導性環氧樹脂安裝於一反射杯13上的一單個LED晶片12。一或更多個打線接合件11將LED晶片12之歐姆接觸件連接至引線15A及/或15B，該等引線15A及/或15B可附接至反射杯13或與反射杯13整合在一起。可用可含有一波長轉換材料(諸如一磷光體)的一囊封材料16填充反射杯13。由LED發射的在一第一波長下之光可由該磷光體吸收，該磷光體可作出回應而發射在一第二波長下的光。接著將整個總成囊封於一透明保護性樹脂14中，可將該保護性樹脂14以一透鏡形狀模製於LED晶片12上方。
圖1B繪示可更適用於可產生更多熱之高功率操作的另一習知LED封裝20。在LED封裝20中，將一或更多個LED晶片22安裝於一載體(諸如一印刷電路板(PCB)載體、基板或子基板23)上。在該子基板23上可包含一反射器24，該反射器24包圍該(該等)LED晶片22且將由LED晶片22發射之光反射遠離封裝20。可使用不同反射器，諸如金屬反射器、全向反射器(ODR)及分佈式布拉格(Bragg)反射器(DBR)。反射器24亦可對LED晶片22提供機械保護。在LED晶片22上之歐姆接觸件與子基板23上之電跡線25A、25B之間製造一或更多個打線接合連接11。接著用一囊封劑26覆蓋經安裝之LED晶片22，該囊封劑26可在對晶片提供環境及機械保護的同時亦用作一透鏡。金屬反射器24通常藉由焊料或環氧樹脂接合而附接至載體。
雖然一封裝(諸如圖1B中所圖解說明之封裝20)可具有用於高功率操作的某些優點，但亦可能存在與使用一分離金屬件作為一金屬反射器相關聯之許多潛在問題。例如，可能難以在一合理費用下可重複地以一高度精確度製造小金屬零件。此外，因為通常使用一黏著劑將反射器貼附至一載體，所以可能需要若干製造步驟以精細地對準及安裝反射器，而此可增加此等封裝之製程之費用及複雜性。
一種根據本發明之一實施例的光發射器封裝包括以下元件。提供一子基板。一光發射器晶片係安裝於該子基板上。一透鏡係安置於該光發射器晶片上方。在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大。
一種根據本發明之一實施例的發光二極體(LED)封裝包括以下元件。提供包括頂表面及底表面的一子基板。複數個頂部導電及導熱元件係安置於該子基板之頂表面上。一LED晶片係安置於該等頂部元件之一者上。該等導電元件經配置以使來自該LED晶片之熱跨該子基板頂表面之大部分而擴散。一底部導熱元件在該底部表面上且並不與該等頂部元件電接觸。該底部導熱元件經配置以傳導來自該子基板之熱。一透鏡係安置於該LED晶片上方。在一給定方向上該LED晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大。
一種根據本發明之一實施例的光發射器封裝包括以下元件。提供包括氮化鋁(AlN)的一子基板。一光發射器晶片係安置於該子基板上。該光發射器發射的光具有在430奈米至460奈米之範圍內之一大致平均波長。一透鏡係在該光發射器晶片上。在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大。
一種根據本發明之一實施例的光發射器封裝包括以下元件。一單個發光二極體(LED)晶片係安置於具有3.5平方毫米或更大之尺寸的一子基板上。一模製透鏡係安置於該子基板上之該LED晶片上方。
一種根據本發明之一實施例的光發射器封裝包括以下元件。一光發射器晶片係安置於包括具有30 W/m‧K或更高之一導熱率的一材料的一子基板上。一模製透鏡係安置於該子基板上之該發射器上方。
本發明係關於緊湊型、簡單且有效之高功率LED封裝及用於製造該等LED封裝的方法。不同實施例可包括一或更多個高功率LED，其等通常在高功率位準及高溫下操作。根據本發明之封裝可包含容許較高輸出功率之特徵，同時亦藉由配置特徵提供熱管理以幫助熱從LED擴散。接著熱可消散至周圍環境中。根據本發明之封裝亦可包括直接模製於一或更多個LED上方之一透鏡，以在保護LED的同時仍容許有效之發射特性。
在習知LED封裝中，當LED晶片之寬度對透鏡直徑之比率相對低時，可經由LED的模製透鏡最有效地擷取光。相對於透鏡之直徑具有一較小佔據面積(或寬度)之LED晶片可更精密地模擬在透鏡下的一點光源。此容許在使光從透鏡逸出之臨界角內的大部分LED光到達透鏡表面，因此大部分LED光逸出以促進LED封裝之有用發射。對於具有0.4或更小的LED晶片寬度對透鏡直徑比率的LED封裝，來自LED晶片之光的大部分經由透鏡逸出。
期望提供發射高位準之光而同時維持相同尺寸之LED封裝佔據面積的高功率LED封裝。提供發射高位準之光的一LED封裝的一方法係藉由利用較大LED晶片而同時維持LED封裝的尺寸。此通常導致具有一較大LED晶片寬度對透鏡直徑比率的LED封裝。隨著此比率變得更高，即LED晶片之寬度變為更接近於透鏡之直徑，當此比率超過某一位準時輸出功率可減少。此主要係由以臨界逸出角之外的一角度到達透鏡表面之LED晶片光的量增加而使得光經歷全內反射(TIR)所引起。在反射之後，TIR光可被吸收至LED封裝之組件中，因此TIR光並無機會從LED封裝逸出以促進有用光發射。在大部分習知之LED封裝中，LED晶片寬度對透鏡直徑比率並不超過0.4。
本發明之一些實施例提供利用一增加之LED晶片寬度對透鏡直徑比率的一高功率LED封裝。此容許LED封裝提供增加之輸出功率而同時提供與較低功率LED封裝相同之尺寸的一LED封裝佔據面積。儘管可能由於增加之LED晶片寬度對透鏡直徑比率而導致透鏡表面處TIR增加，但是根據本發明之LED封裝經配置具有容許發射光整體增加的不同特徵或特性。該等特徵之一些包含具有擁有較低電流密度及/或利用(具有)較大磷光體粒度之一轉換塗層的LED晶片的LED封裝。
本發明提供低成本、相對小尺寸之LED封裝，該等LED封裝提供一有效但小的光源。根據本發明之封裝特別經調適用於表面安裝技術且提供容許良好熱消散之特徵，使該等封裝可在高功率位準下操作而不會過熱。LED晶片亦可提供在LED晶片光從封裝發射時使該LED晶片光散射的散射特徵以提供增加之均勻度。LED晶片亦可提供靜電放電(ESD)保護電路以保護LED晶片免受ESD事件的損害。
在本文中參考某些實施例描述本發明，但是應理解可以許多不同形式體現本發明且不應將本發明視為限於本文中所提出之實施例。特定而言，下文關於呈特定組態之特定LED封裝描述本發明，但應理解本發明可用於具有許多不同組態之許多其他LED封裝。組件可具有除了所繪示之此等形狀及尺寸之外的不同形狀及尺寸，且不同特徵可包含於LED封裝中以提供增加之輸出功率。LED封裝可包含一個以上之LED晶片，其中用可包括一裝載磷光體之黏結劑的一降頻轉換器塗層塗敷該等LED晶片之一者或所有者。但是，應理解可使用並不具有一轉換材料的LED晶片。
應理解，當一元件(諸如一層、區域或基板)被稱為在另一元件「上」時，該元件可直接位於該另一元件上或亦可存在介入元件。此外，在本文中可使用相對術語(諸如「內部」、「外部」、「上部」、「上方」、「下部」、「之下」及「下方」及類似術語)以描述一層或另一區域之關係。應理解，此等術語意欲涵蓋除了圖式中描繪之定向之外的裝置之不同定向。
雖然在本文中可使用術語第一、第二等等以描述多種元件、組件、區域、層及/或區段，但此等元件、組件、區域、層及/或區段不應由此等術語限制。此等術語僅用於將一元件、組件、區域、層或區段與另一區域、層或區段區分開。因此，在不脫離本發明之教示下，下文中討論之一第一元件、組件、區域、層或區段可稱作一第二元件、組件、區域、層或區段。
在本文中參考作為本發明之理想實施例之示意性圖解的橫截面圖圖解而描述本發明之實施例。因而，期望有例如因製造技術及/或容許度所致之圖解形狀的變動。本發明之實施例不應視為限於本文中所圖解說明之區域的特定形狀，而是應包含由(例如)製造所導致之形狀上的偏差。由於正常之製造容許度，圖解說明或描述為正方形或矩形之一區域將通常具有圓形或彎曲之特徵。因此，在圖式中圖解說明之區域本質上為示意性且該等區域之形狀並非意欲說明一裝置之一區域的精確形狀且並非意欲限制本發明之範疇。
圖2至圖9繪示根據本發明之一LED封裝30之一實施例的不同特徵，該LED封裝30通常包括可固持發射相同或不同色彩之一或更多個LED的一基板/子基板(「子基板」)32。在所示之實施例中，一單個LED 34係安裝於子基板32上。LED 34可具有以不同方式配置之許多不同半導體層。LED結構及其等製造與操作在此項技術中已廣為人知且在本文中僅予以簡單地討論。可使用已知程序製造LED 34之諸層，其中一適當程序係使用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)製造。LED 34之該等層通常包括夾置於第一與第二經相反摻雜之磊晶層之間的一作用層/區域，該等所有層相繼形成於一生長基板上。LED可形成於一晶圓上且接著單件化以安裝於一封裝中。應理解，生長基板可保留為最終單件化LED之部分，或可全部或部分移除生長基板。在保留生長基板的實施例中，可將該生長基板整形或紋理化以增強光擷取。
亦應理解，於LED 34中亦可包含額外層及元件，該等額外層及元件包含(但不限於)緩衝層、成核層、接觸層及電流擴散層以及光擷取層與元件。亦應理解，經相反摻雜層可包括多重層及子層以及超晶格結構及間層。作用區域可包括單量子井(SQW)、多量子井(MQW)、雙異質結構或超晶格結構。作用區域及摻雜層可由不同材料系統製造，其中較佳材料系統為基於III族氮化物之材料系統。III族氮化物係指形成於氮與週期表III族中的元素(通常為鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In))之間的此等半導體化合物。該術語亦係指三元化合物及四元化合物，諸如氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。在一較佳實施例中，摻雜層係氮化鎵(GaN)且作用層係InGaN。在替代實施例中，摻雜層可為AlGaN、砷化鋁鎵(AlGaAs)或磷砷化鋁鎵銦(AlGaInAsP)。
生長基板可由許多材料(諸如藍寶石、碳化矽、氮化鋁(AlN)、GaN)製成，其中一適當基板為碳化矽的4H多型體，然而亦可使用其他碳化矽多型體，包含3C、6H及15R多型體。碳化矽具有某些優點(諸如相比於藍寶石，與III族氮化物更具緊密晶格匹配)且導致較高品質之III族氮化物膜。碳化矽亦具有非常高之導熱率，因此碳化矽上之III族氮化物裝置的總輸出功率通常並不受基板之熱消散的限制(對於形成於藍寶石上之一些裝置則可能受基板之熱消散的限制)。SiC基板可從North Carolina之Durham的Cree Research公司購得且在科學文獻以及美國專利第34,861號、第4,946,547號及第5,200,022號中提出用於製造該等SiC基板之方法。
LED 34在其頂表面上亦可包括一傳導性電流擴散結構36以及在其頂表面處可接達以用於打線接合的一或更多個接觸件38。擴散結構36及接觸件可均由傳導性材料(諸如Au、Cu、Ni、In、Al、Ag或其等之組合)、傳導性氧化物及透明傳導性氧化物製成。電流擴散結構36通常包括以柵格配置於LED 34上之傳導性指狀部37，其中該等指狀部經隔開以增強從接觸件38擴散至LED頂表面中之電流。在操作中，經由如下文描述之一打線接合件將一電信號施加至接觸件38，且該電信號經由電流擴散結構36之指狀部37及頂表面擴散至LED 34中。電流擴散結構經常使用於頂表面係p型的LED中，但亦可使用於n型材料。
可用一或更多個磷光體塗敷LED，其中該等磷光體吸收LED光的至少一些且發射不同波長之光，使得LED發射來自LED及磷光體的組合光。在一較佳實施例中，LED發射LED光及磷光體光之一白光組合。可使用許多不同方法及用許多不同轉換材料塗敷LED，其中適當方法及材料係描述於美國專利申請案第11/656,759號及第11/899,790號中，該兩案名為「Wafer Level Phosphor Coating Method and Devices Fabricated Utilizing Method」且其等均以引用之方式併入本文中。或者，可使用其他方法(諸如電泳沈積(EPD))塗敷LED，其中一適當EPD方法係描述於名為「Close Loop Electrophoretic Deposition of Semiconductor Devices」之美國專利申請案第11/473,089號中，該案亦以引用之方式併入本文中。應理解，根據本發明之LED封裝亦可具有不同色彩之多重LED，該等LED之一者或更多者可發射白光。
子基板32可由許多不同材料形成，其中一較佳材料為電絕緣。適當材料包含(但不限於)陶瓷材料(諸如氧化鋁、氮化鋁)或有機絕緣體(諸如聚醯亞胺(PI)及聚鄰苯二甲醯胺(PPA))。在其他實施例中，子基板32可包括印刷電路板(PCB)、藍寶石或矽或任何其他適當材料，諸如可從美國明尼蘇達州Chanhassen市的Bergquist公司購得之T-Clad熱包覆絕緣基板材料。對於PCB實施例，可使用不同PCB類型，諸如標準FR-4 PCB、金屬核心PCB或任何其他類型之印刷電路板。可使用利用經定尺寸以容納複數個子基板之一子基板面板的一方法製造根據本發明之LED封裝。多種LED封裝可形成於面板上，其中個別封裝係自面板而單件化。
如所提及，可使用許多材料以製造子基板元件。在多種實施例中，期望具有一子基板，該子基板為具有低熱阻或高導熱率之一良好電絕緣體(例如，氮化鋁)。可使用之一些材料具有約30 W/m‧K或更高之導熱率，諸如氧化鋅(ZnO)。其他可接受材料具有約120 W/m‧K或更高之導熱率，諸如具有在140 W/m‧K至180 W/m‧K之範圍內之導熱率的氮化鋁(AlN)。就熱阻而言，一些可接受材料具有2℃/W或更低之熱阻。亦可使用具有本文討論之範圍之外的熱特性的其他材料。
圖12繪示作為一封裝中之晶片尺寸之一函數的以℃/W為單位的熱阻。資料表示繪示為菱形之具有陶瓷子基板的四個實際裝置，及具有氮化鋁子基板之兩個實際裝置。已外推出陶瓷子基板之資料以估計兩個較大晶片的熱阻。資料顯示，當晶片尺寸增加時，熱阻減少。再者，相較於具有陶瓷子基板之類似尺寸之晶片，具有氮化鋁子基板之晶片的熱阻較小。包含圖12中之資料以支援上文討論之一般提議。應理解，該資料不應限制本發明之任何實施例的範疇。
具有此等屬性之一子基板容許其中可以較高驅動電流操作LED之一裝置封裝。因為子基板具有一相對低熱阻，所以由較高驅動電流產生之額外熱更容易消散至周圍環境中。一較高驅動電流可從LED產生一較明亮輸出。類似地，相較於具有擁有一較高熱阻之子基板的一裝置，併入一低熱阻子基板的一裝置可在一給定驅動電流下操作達一更長時段。即，可增加裝置之壽命及可靠性。此外，具有低熱阻子基板的裝置可在較高周圍環境(或背景)溫度中操作，此使得該等裝置在為惡劣環境條件設計之應用中可用。
在根據一實施例之裝置中，已使用與1.4平方毫米之LED晶片組合的3.5平方毫米之氮化鋁(AlN)子基板來達成沿著黑體曲線在7步階MacAdams橢圓內之大於150流明/瓦特(lm/W)之白光發射的一輸出功率。此裝置為可擴縮以在較大子基板/LED尺寸組合下達成類似結果。
在一些實施例中，可有利地使用發射具有430奈米至460奈米之範圍內之一平均波長之光的LED晶片。在一些情況中，範圍可更窄，例如430奈米至450奈米或440奈米至445奈米。當在較高周圍環境溫度下操作時，相較於發射具有較長平均波長之光且在相同溫度下操作的LED，在較短波長(諸如給定之範圍)下發射之LED可展現較好亮度及/或可靠性。
圖13繪示可在根據本發明之實施例之LED封裝中使用的若干LED裝置的表示為百分比之相對光通量對以奈米為單位之波長的一圖形。藉由將80℃(在焊料點處量測)下之光通量除以室溫下之光通量且將商表示為百分比來計算該相對光通量。因此，在一些實施例中，可能需要發射較短波長光之LED晶片以增加亮度及可靠性。
如在圖4中最佳繪示，一光學元件或透鏡70係形成於子基板32之頂表面40上(在LED 34上方)以提供環境保護及/或機械保護二者。透鏡70可位於頂表面40上之不同位置中，其中透鏡如所示係位於子基板32之大致中央處，其中LED 34位於透鏡基座之大致中央處。在一些實施例中，透鏡可形成為與LED 34及子基板之頂表面40直接接觸。在其他實施例中，在LED 34與頂表面40之間可存在一介入材料或層。與LED 34之直接接觸提供某些優點，諸如改良光擷取及易於製造。
可使用不同模製技術來模製透鏡70，諸如在名為「Light Emitting Diode Package and Method for Fabricating Same」之美國專利申請案第11/982,275號中描述的模製技術，該案以引用方式併入本文中。透鏡可取決於光輸出之所期望形狀而為許多不同形狀。如所示之一適當形狀係半球形，其中替代形狀之一些實例為橢圓子彈狀、扁平狀、六角形及正方形。對於透鏡可使用許多不同材料，諸如矽酮、塑膠、環氧樹脂或玻璃，其中一適當材料係與模製程序相容。矽酮適於模製且提供適當光學透射屬性。矽酮亦可耐受隨後回流程序且隨著時間推移並不明顯劣化。應理解，透鏡70亦可經紋理化以改良光擷取，或透鏡70可含有諸如磷光體或散射粒子之材料。在一些實施例中，透鏡70可包括兩部分：一扁平部分70a及一圓頂部分70b。該扁平部分70a係安置於LED 34上方，而該圓頂部分70b係定位於扁平部分70a上。此等部分70a、70b可由相同材料製成或其等可由兩種不同材料製成。
LED封裝30亦可包括一保護層74，該保護層74覆蓋透鏡70與子基板32之邊緣之間的子基板頂表面40。層74在隨後處理步驟及使用期間對頂表面上之元件提供額外保護以減少損害及污染。可在形成透鏡70期間形成保護層74且該保護層74可包括相同於透鏡70之材料。但是，應理解，亦可提供不具保護層74之LED封裝30。
透鏡70在從子基板32移位之前，亦應能耐受某些剪力(sheer force)。在一實施例中，透鏡可耐受1千克(kg)或更大之剪力。在使用在固化之後更硬且具有更高硬度計讀數(諸如Shore A 70或更高)之矽酮的LED封裝的實施例中，透鏡趨向於更能耐受剪力。諸如高黏著性及高拉伸強度之屬性亦可促進透鏡耐受剪力之能力。
LED封裝30之透鏡配置亦可容易地經調適以搭配可由最終使用者包含於透鏡上方之輔助透鏡或光學器件一起使用以促進光束整形。此等輔助透鏡在此項技術中已廣為人知，其中可購得該等輔助透鏡中之許多。
可在具有不同尺寸或佔據面積之LED封裝中使用本發明，其中一個重要因數係在一給定方向上LED晶片寬度(W)與透鏡之直徑或寬度(D)之間的比率。在封裝30之一實施例中，佔據面積可本質上為相同於第一及第二附著墊42、44及46中之有效熱擴散區域的尺寸。如上文所描述，本發明之不同實施例係關於提供具有增加之功率輸出而同時維持相同LED封裝尺寸或佔據面積的LED封裝。藉由維持相同封裝佔據面積，透鏡將大體上具有相同尺寸。如上文提及，增加輸出功率之一方法係增加LED封裝中之LED晶片的尺寸(即寬度W)。即，對於根據本發明之不同實施例，LED之表面積覆蓋LED封裝子基板之表面積的百分比增加。在根據本發明之一些實施例中，LED晶片之表面積覆蓋子基板表面積之10%以上，而在其他實施例中，LED晶片之表面積覆蓋子基板表面積之15%以上。
圖4繪示晶片寬度W及透鏡直徑D。根據本發明之LED封裝實施例可具有不同的W對D比率，其中一些實施例具有大於0.5之一比率。根據本發明之一LED封裝30的一實施例可包括約為3.45平方毫米(即3.45 mm×3.45 mm)之一子基板32及具有約2.55 mm之一直徑的一透鏡。在習知LED封裝中，子基板之此尺寸將固持具有0.7平方毫米至1.0平方毫米之範圍內之一尺寸的一LED晶片。LED封裝30經配置以固持約1.4平方毫米之一較大LED晶片，使得W對D比率為0.55。在此實施例中，LED晶片之表面積覆蓋子基板表面積之16%以上。
在其他實施例中，期望具有5平方毫米之尺寸的一子基板。此一子基板可容納包含1.75平方毫米、2平方毫米及3平方毫米之較大LED晶片尺寸。一子基板/LED晶片組合之一實例係一5平方毫米子基板與一1.75平方毫米LED晶片。在一特定實施例中，使用一2平方毫米LED晶片與一5平方毫米氮化鋁子基板的組合。在另一特定實施例中，一3 mm晶片搭配一5 mm子基板一起使用。對於5 mm子基板封裝，將具有約4.52 mm之一直徑的一模製透鏡安置於晶片上方。給定尺寸為例示性。應理解，較大或較小透鏡、子基板及LED晶片係可行的，且具有多種尺寸之透鏡、子基板及LED晶片之許多不同組合係可行的。此外，雖然本文討論之子基板係指指示一正方形形狀之子基板的尺寸，但應理解其他子基板可具有(例如)圓形或矩形形狀。
建構及測試包含2平方毫米晶片之根據本發明之實施例的若干LED裝置。用350 mA之一驅動電流達成在160 lm/W或更高之效率下展現160 lm或更高光通量的裝置。用一2 A驅動電流達成在110 lm/W或更高之效率下展現750 lm或更高光通量的裝置。例如，製造經量測對於168 lm/W在一350 mA驅動電流及一2.86 V電壓下輸出168.5 lm的一2平方毫米晶片裝置。製造經量測對於116 lm/W在一2001 mA驅動電流及一3.4 V電壓下輸出791.6 lm的另一2平方毫米晶片。在根據本發明之實施例的LED封裝中可使用具有類似特性之晶片。
如上文所描述，增加W對D之比率可導致因LED晶片光在透鏡表面處的TIR而致使輸出功率整體減少。相較於具有較小W對D比率之LED封裝，根據本發明之LED封裝可具有克服與TIR相關聯之減少以使輸出功率整體增加的額外特徵。在一實施例中，整體增加可部分歸因於基於增加之LED晶片面積的較低整體電流密度。減少之電流密度可提供增加之LED晶片發射效率。在上文描述之實施例中，LED晶片尺寸從一習知0.7 mm或1.0 mm LED晶片增加至較大1.4 mm LED晶片可導致減少之電流密度，該減少之電流密度使整體輸出功率增加約6%。
圖10係呈現與經建構及測試而體現本發明之態樣之多種燈相關的資料的一圖形。在1931 CIE曲線之一部分上繪製來自若干燈之輸出光的色點，其中一重疊指示一些Cree標準白光色度區域(色格(bin))。對於此特定組之燈，色點分佈於CIE曲線之白光區域中的若干標準Cree色格(即WK、WB、WE、WC、WF及WG)上。於WG色格內發現之大資料點相對應於展現如圖11中所最佳繪示的約148 lm之一光通量的一燈。
圖11繪示所製造及測試之體現本發明之態樣之若干燈的作為輸出光的CIE x值之一函數的發光強度的一圖形。該圖形繪示光通量在約127 lm至149 lm之範圍內的燈。用350 mA之一電流驅動此等特定燈。應理解，一較高驅動電流將產生一較高光通量。如上文提及，大資料點表示相對應於約0.32之CIE x值且具有約148 lm之光通量的一燈。如圖10中所示，此特定燈具有落入Cree之WG白光色格內之一色點。圖10及圖11中之所有燈經製造為具有約3.45 mm×3.45 mm之一給定子基板尺寸(佔據面積)。從資料看出，對於CIE曲線上之一給定x值，可建立光通量對佔據面積尺寸之一最小比率。例如，具有CIE x值為約0.286的輸出光的燈展現之光通量對佔據面積尺寸的比率約為：
在另一實例中，具有約0.32之CIE x值的一不同燈展現之光通量對佔據面積尺寸的比率約為：
可藉由根據例示性最小比率增加佔據面積尺寸而增加燈之光通量。應理解，此等實例僅意謂著對於一給定CIE x值建立發光功率對佔據面積尺寸之最小比率。較高光通量係可行的且因此較高比率係可行的。此外，雖然並未繪示於圖10及圖11中，但對於CIE曲線上之多種y值及CIE曲線上之多種x-y成對值(色點)，可建立光通量對佔據面積尺寸之比率。
在其他實施例中，發射效率之整體增加可歸因於使用較大尺寸之磷光體粒子來作為轉換材料。許多習知LED晶片利用具有約5微米之粒度的一轉換材料。根據本發明之一些實施例利用具有大於5微米之D50 磷光體粒度的一轉換材料，其中適當之轉換材料具有大於10微米之D50 磷光體粒度；其他實施例可包含約20微米或更大之粒度。在根據本發明之一實施例中，轉換材料包括具有約16微米之D50 粒度的YAG。在一些實施例中，使用增加之磷光體粒度可導致功率輸出增加8%或更多。此等實施例提供與具有一相對大D50 粒度之磷光體組合而與晶片尺寸無關的一相對小之整體透鏡。在一些實施例中，至少10微米之D50 粒度對2.55 mm(或2550微米)之透鏡直徑或寬度的比率可大於約0.4%。在其他實施例中，至少16微米之D50 粒度對2.55 mm之透鏡直徑或寬度的比率可大於約0.6%。
雖然申請者並不希望受任一理論約束，但據信發射效率之此增加係由於較大粒度通常並不背向散射與較小尺寸之磷光體粒子同樣多的LED光的事實。結果，在光經背向散射之後，較少光係由LED晶片或其他LED封裝組件吸收。但是在一些實施例中，此可導致LED封裝之發射均勻度減少，其中一個可能的原因係較少光被背向散射，且結果更少有機會使LED光與來自轉換材料之經降頻轉換的光混合。發射效率與磷光體粒度之間的關係可與磷光體粒子上或磷光體粒子內之缺陷密度相關。磷光體缺陷趨向於更集中於磷光體粒子之表面上且因此隨著粒度增加，缺陷密度減少。換言之，具有較大平均磷光體粒度之一轉換材料可具有較低之缺陷總數。表面密度之一些可包含表面粗糙度、錯位、裂縫或雜質。內部磷光體粒子缺陷之一些可包括氣泡、分層或雜質。在一些實施例中，可藉由提供包含一磷光體的一轉換材料而實現發射效率之增加，該磷光體對於任何平均粒度(諸如低至3微米或高至25微米之D50 )均具有減少之表面缺陷。大於10微米的較大磷光體粒子之使用係描述於名為「Semiconductor Light Emitting Devices With High Color Rendering」之美國專利申請案第12/024,400號中，該案以引用方式併入本文中。
上文僅為可導致光發射整體增加的根據本發明之LED封裝的諸特徵或特性之兩者。
在一些應用中，上文提及的減少之發射均勻度在某些應用中(諸如街道照明中)係可接受的。在其他實施例中，可在系統級下使用不同機構(諸如漫射器或散射元件)補償減少之發射均勻度。為了提供在LED封裝級下的經改良均勻度，可在LED封裝中之不同位置中提供散射材料。在一些實施例中，散射材料可在轉換材料中，但在其他實施例中，該散射材料可包含於透鏡中或透鏡上。在又其他實施例中，該散射材料可包括LED晶片之頂部上的一材料層。散射粒子可包括許多不同材料，該等不同材料包含：
矽膠；
氧化鋅(ZnO)；
氧化釔(Y2 O3 )；
二氧化鈦(TiO2 )；
硫酸鋇(BaSO4 )；
氧化鋁(Al2 O3 )；
熔融矽石(SiO2 )；
發煙矽石(SiO2 )；
氮化鋁；
玻璃珠；
二氧化鋯(ZrO2 )；
碳化矽(SiC)；
氧化鉭(TaO5 )；
氮化矽(Si3 N4 )；
氧化鈮(Nb2 O5 )；
氮化硼(BN)；或
磷光體粒子(舉例來說YAG:Ce、BOSE)
亦可使用並未列出之其他材料且可使用多種材料組合以達成一特定散射效果。在一實施例中，散射粒子可包括大於約4微米之D50 粒度。一適當實施例包括在15微米至20微米之範圍內的D50 粒度，其中大於約4微米的D50 粒度之一實施例具有約相同於轉換材料之D50 粒度的尺寸的一D50 粒度。
類似於較大尺寸之磷光體粒子，據信較大尺寸之散射粒子由於粒子缺陷減少而導致背向散射減少。因為較少之背向散射，所以光更少有機會被吸收於LED晶片組件中。此減少之背向散射亦可導致光更少有機會混合，藉此減少散射粒子之整體混合效率。但是，來自LED晶片之光以一使得光由散射粒子重新導向而光之大部分並未被背向散射之方式與磷光體粒子相互作用。散射粒子亦可經配置使得來自LED晶片之光與散射粒子相互作用達有限次數以進一步減少散射之可能性。此可藉由控制散射粒子層厚度或散射粒子之濃度來完成。在重新導向光之同時控制光相互作用之次數可導致光大體上前向散射。
根據本發明之不同實施例可具有擁有如上文所描述之較大磷光體粒子的一轉換材料，所以由磷光體粒子轉換之大部分光並未被背向散射。即，光被前向轉換以增加效率。為了達成所期望之發射均勻度，可包含亦具有大部分光並未被背向散射之特性的一散射材料。即，光被前向散射。此等實施例之增加之效率與所期望之均勻度可歸因於前向光轉換及隨後之前向散射。
根據本發明之LED封裝亦包括熱管理特徵以容許在高溫下的操作。如圖6中最佳繪示(但部分繪示於其他圖式中)，子基板32之頂表面40包括圖案化傳導性特徵，該等特徵可包含一晶粒附著墊42與一整合第一接觸墊44。於子基板之頂表面40上亦包含一第二接觸墊46，其中LED 34係安裝於附著墊42之大致中央處。此等圖案化傳導性特徵使用已知之接觸方法提供傳導性路徑以供電連接至LED 34。可使用已知方法及材料安裝(諸如使用可含有或不含有可導熱及導電之助熔劑材料或施配聚合材料的習知焊接材料)將LED安裝至附著墊42。
附著墊42及第一及第二接觸墊44、46可包括大量不同之材料，諸如金屬或其他傳導性材料。在一實施例中，墊42、44、46包括使用已知技術(諸如電鍍)而沈積之銅。在典型電鍍程序中，循序將鈦黏著層及銅晶種層濺鍍於一基板上。接著，將約75微米之銅電鍍於銅晶種層上。然後可使用標準微影程序使被沈積之所形成的銅層圖案化。在其他實施例中，可使用一遮罩來濺鍍該層以形成所期望之圖案。
在根據本發明之一些實施例中，傳導性特徵之一些可僅包含銅，其中其他特徵包含額外材料。例如，可用額外金屬或材料電鍍或塗敷附著墊42以使得附著墊42更適於安裝一LED 34。例如，可用黏著劑或接合材料或反射層及障壁層電鍍該附著墊42。
在下至子基板32之表面於第二墊46與附著墊42之間包含一間隙48(在圖6及圖8中最佳繪示)，其中該間隙提供附著墊42與第二墊46之間的電隔離。如下文進一步描述，經由第二墊46及第一墊44施加一電信號至LED 34，其中第一墊44上之電信號經由附著墊42直接傳遞至LED 34且來自第二墊之信號經由打線接合件傳遞至LED 34中。間隙48提供第二墊46與附著墊之間的電隔離以防止施加至LED 34之信號短路。
在一些實施例中，可藉由提供至第一及第二接合墊44、46之外部電接觸件(諸如焊料接觸件或至PCB之其他傳導性路徑)而將電信號施加至封裝30。在所示之實施例中，LED封裝30經配置以使用表面安裝技術來安裝且具有內部傳導性路徑。LED 30包括可形成於子基板之背表面54上的第一及第二表面安裝墊50、52(在圖5、圖7及圖9中最佳繪示)，該等第一及第二表面安裝墊50、52分別至少部分與第一及第二接觸墊44、46對準。導電通孔56穿過子基板32形成於第一安裝墊50與第一接觸墊44之間，使得當將一信號施加至第一安裝墊50時，該信號被傳導至第一接觸墊44。類似地，導電通孔56形成於第二安裝墊52與第二接觸墊之間以在二者之間傳導一電信號。第一及第二安裝墊50、52容許LED封裝30之表面安裝且可跨第一及第二安裝墊50、52施加待施加至LED 34之電信號。通孔56及接觸墊44、46可由使用不同技術(諸如用於附著墊及接觸墊42、44、46的技術)沈積之許多不同材料製成。
應理解，可以許多不同方式配置安裝墊50、52及通孔56且該等安裝墊50、52及通孔56可具有許多不同形狀及尺寸。亦應理解，代替通孔，可在子基板表面上在安裝墊與接觸墊之間(諸如沿著子基板之側表面)設置一或更多個傳導性跡線。
現在參考圖2、圖3、圖8及圖9，由習知材料製成之焊料遮罩58可包含於子基板之頂表面40上，該焊料遮罩58至少部分覆蓋附著墊42與第一及第二附著墊44、46且至少部分覆蓋間隙48。焊料遮罩58在隨後處理步驟期間且特定而言在將LED 34安裝至附著墊42及打線接合期間保護此等特徵。在此等步驟期間，可能存在焊料或其他材料沈積於非期望區域中的危險，而此可導致對該等區域之損害或導致電短路。焊料遮罩用作可減少或防止此等危險的絕緣及保護材料。焊料遮罩包括用於將LED 34安裝至附著墊42及用於將打線接合件附接至第二接觸墊46的開口。該焊料遮罩亦包括側開口60以容許在製造期間方便地電接達至接觸墊44、46以測試封裝30。焊料遮罩58亦具有對準孔，該等對準孔在封裝30之製造期間提供對準且在由最終使用者將封裝30安裝於適當位置中時亦容許對準。
現在參考圖6，在一些實施例中，可對傳導性跡線提供一符號或指示符69以說明LED封裝30之哪一側應被耦合至待施加至封裝的信號之正極或負極。此可確保無論藉由機器或手均可將LED封裝30精確地安裝至一PCB或其他固定具。在所示之實施例中，符號69包括第一接觸墊44上方之一正號(+)，其指示封裝30應安裝於耦合至第一表面安裝墊50之信號的正極。信號的負極則耦合至第二安裝墊52。應理解，可使用許多不同符號類型且在第二傳導性墊46上方亦可包含一符號。亦應理解，該等符號可放置於除了焊料遮罩58之外的其他位置中。
封裝30亦可包括用於防止靜電放電(ESD)之損害的元件。在實施例中，ESD元件為晶載，且可使用不同元件，諸如多種垂直矽(Si)齊納二極體、經並行配置且反向偏壓至LED 34的不同LED、表面安裝變阻器及橫向Si二極體。在所示之實施例中，利用齊納二極體62且使用已知安裝技術將其安裝至附著墊42。該二極體相對較小，所以其並不覆蓋子基板32之表面上的過多面積。在所示之實施例中，二極體62係安裝為相鄰於LED晶片34，且在一些實施例中，該二極體62可在一分離附著墊上。二極體62應以儘可能靠近子基板中央的中央之方式安裝至子基板32而不會干擾LED封裝30之其他組件。
應注意，焊料遮罩58包含用於ESD二極體62之一開口，使得該ESD二極體62可安裝至附著墊42。可使用不同安裝材料及方法，諸如用於將LED 34安裝至附著墊42之安裝材料及方法。在焊料遮罩開口處之第二接觸墊46與ESD二極體62之間包含一ESD打線接合件64。在第二接觸墊46中之焊料遮罩開口與LED 34上之打線接合墊38之間亦包含兩個LED打線接合件65。在其他實施例中，在LED 34與第二接觸墊之間可僅包含一個打線接合件。此LED 34及ESD二極體62之配置容許起因於一ESD事件之通過LED封裝30之過量電壓及或電流通過二極體62而非LED 34，此可保護LED 34免受損害。可使用已知方法應用打線接合件64及65且該等打線接合件64及65可包括已知傳導性材料，其中一適當材料為金(Au)。應理解，在根據本發明之一LED封裝的其他實施例中可不具有一ESD元件/二極體或具有在LED封裝30之外部的一ESD元件/二極體。
如上文所提及，熱通常無法有效地擴散至子基板32(特別是由諸如陶瓷之材料製成的子基板)中。當一LED係設置於大致僅在LED下延伸之一附著墊上時，熱無法擴散通過子基板之大部分且熱通常集中至LED正下方的區域。此可引起LED過熱，而LED過熱可限制LED封裝之操作功率位準。
為了改良LED封裝30中之熱消散，墊42、44、46提供延伸之導熱路徑以將熱傳導遠離LED 34，使得熱可擴散至LED 34正下方之區域之外的子基板之其他區域。附著墊42比LED 34更多地覆蓋子基板32的表面，其中附著墊從LED 34之邊緣朝著子基板32之邊緣延伸。在所示之實施例中，附著墊42大體上為圓形且從LED 34朝著子基板32之邊緣徑向延伸。附著墊42之一部分與第一及第二接觸墊44、46相交，其中間隙48使與第二接觸墊46相鄰之附著墊的一部分分離。應理解，接觸墊42可呈許多其他形狀且在一些實施例中，該接觸墊42可延伸至子基板32之邊緣。接觸墊44、46亦覆蓋通孔56與子基板32之邊緣之間的子基板32的表面。藉由以此方式延伸墊42、44及46，可改良熱從LED 34之擴散。此改良在LED 34中產生之熱的熱消散，而此改良LED之操作壽命且容許較高操作功率。墊42、44及46可覆蓋不同百分比的子基板32之頂表面40，其中一典型之覆蓋面積係大於50%。在其他實施例中，覆蓋面積可為大於75%。
LED封裝30進一步包括在子基板32之背表面54上的介於第一與第二安裝墊50、52之間的一金屬化區域66(在圖5及圖9中最佳繪示)。該金屬化區域較佳地由一導熱材料製成且較佳地與LED 34至少部分垂直對準。在一實施例中，該金屬化區域並不與子基板32之頂表面上之元件或子基板32之背表面上之第一與第二安裝墊電接觸。雖然來自LED之熱係藉由附著墊42及墊44、46而擴散於子基板之頂表面上，但更多熱將傳遞至LED 34正下方及LED 34周圍的子基板32中。金屬化區域可藉由容許此熱擴散至金屬化區域(在該金屬化區域中，熱可更容易消散)中來輔助此消散。亦應注意，熱可經由通孔56從子基板32之頂表面傳導，在該通孔56處，熱可擴散至第一及第二安裝墊50、52中，而在該等第一及第二安裝墊50、52中熱亦可消散。對於在表面安裝中使用之封裝30，金屬化區域66與第一及第二墊50、52之厚度應大致相同，使得所有三者與一橫向表面(諸如PCB)接觸。亦應理解，熱通孔可包含於接觸墊42與LED封裝30之不同特徵之間以消散來自LED晶片34之熱。在一實施例中，可包含通過子基板且在附著墊42與金屬化區域66之間的熱通孔(未繪示)，使得熱將更有效從LED晶片34擴散透過子基板32且至金屬化區域66。
根據本發明之LED封裝亦可包含額外特徵以輔助製造精確度及可靠性。隨著W對D之比率增加，LED晶片34之寬度變為更接近於透鏡70之直徑。結果，變為更重要的是適當對準子基板32之中央的LED晶片34，使得該LED晶片34係在透鏡70下方。為了輔助此對準，附著墊42具有可採用許多不同形式、形狀及尺寸且在所示之實施例中包括正方形切口74的LED對準特徵。當將LED晶片安裝至該附著墊時，LED晶片之隅角擬合於切口之內側邊緣以作適當對準。
LED封裝亦可包含諸如在附著墊42之周圍區域中的焊料壩的特徵，其中焊料壩亦用於幫助使LED定於中央處及用於在安裝焊料呈液態期間減少LED從安裝區域之運動。當液態焊料遇到壩之任一者時，使越過運動減緩或停止。此幫助減少LED之運動直至焊料硬化。
在其他實施例中，LED晶片上方之透鏡形狀可改變以輔助光發射效率。作為一實例，可改變透鏡之曲率半徑，其中一實施例具有增加之曲率半徑。
雖然已參考本發明之某些較佳組態詳細描述本發明，但其他版本係可行的。因此，不應將本發明之精神及範疇限於上文描述之版本。
11．．．打線接合件
12．．．LED晶片
13．．．反射杯
14．．．保護性樹脂
15A、15B．．．引線
16．．．囊封材料
20．．．LED封裝
22．．．LED晶片
23．．．子基板
24．．．反射器
25A、25B．．．電跡線
26．．．囊封劑
30．．．LED封裝
32．．．基板/子基板
34．．．LED
36．．．傳導性電流擴散結構
37．．．傳導性指狀部
38．．．接觸件
40．．．子基板之頂表面
42．．．晶粒附著墊
44．．．第一接觸墊/第一接合墊
46．．．第二接觸墊/第二接合墊
48．．．間隙
50．．．第一表面安裝墊
52．．．第二表面安裝墊
54．．．子基板之背表面
56．．．導電通孔
58．．．焊料遮罩
60．．．側開口
62．．．齊納二極體
64．．．ESD打線接合件
65．．．打線接合件
66．．．金屬化區域
69．．．符號或指示符
70．．．光學元件或透鏡
74．．．保護層/正方形切口
圖1A係一先前技術LED封裝的一截面圖；
圖1B係另一先前技術LED封裝的一截面圖；
圖2係根據本發明而無透鏡之一LED封裝的一實施例的一透視圖；
圖3係圖2中所示的LED封裝之相對側的一透視圖；
圖4係有一透鏡覆蓋LED晶片的圖2中所示之LED封裝的一側視圖；
圖5係圖4中所示之LED封裝的一底部透視圖；
圖6繪示圖2中所示之LED封裝的子基板之頂表面上的傳導性跡線；
圖7繪示圖2中所示之LED封裝的子基板之底表面上的傳導性跡線；
圖8繪示具有一焊料遮罩之如圖6中所示之LED封裝的頂表面；
圖9繪示具有一焊料遮罩之如圖7中所示之LED封裝的底表面；
圖10係呈現與根據本發明之實施例之多種燈相關的資料的一圖形；
圖11係根據本發明之實施例之若干燈的作為輸出光的CIE x值之一函數的發光強度的一圖形；
圖12係作為晶片尺寸之一函數的熱阻的一圖形；及
圖13係根據本發明之實施例之若干LED裝置的表示為百分比之相對光通量對以奈米為單位之波長的一圖形。
30．．．LED封裝
32．．．基板/子基板
34．．．LED
38．．．接觸件
40．．．子基板之頂表面
50．．．第一表面安裝墊
52．．．第二表面安裝墊
54．．．子基板之背表面
70．．．光學元件或透鏡
74．．．保護層

Claims (12)

  1. 一種光發射器封裝，其包括：一子基板；一光發射器晶片，其安裝於該子基板上；及一透鏡，其在該光發射器晶片上方，在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大；及其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該子基板之寬度的比率為0.35或更大。
  2. 如請求項1之光發射器封裝，其進一步包括最近於該光發射器晶片之一轉換材料，該轉換材料包括具有大於10微米之一D50 粒度的磷光體粒子。
  3. 如請求項1之光發射器封裝，該子基板包括氮化鋁(AlN)。
  4. 如請求項1之光發射器封裝，該子基板具有約3.5平方毫米至5平方毫米之尺寸。
  5. 如請求項1之光發射器封裝，該光發射器晶片具有約0.7平方毫米至3平方毫米之尺寸。
  6. 一種發光二極體(LED)封裝，其包括：一子基板，其包括一頂表面及一底表面；複數個頂部導電及導熱元件，其等在該子基板之該頂表面上；一LED晶片，其在該等頂部元件之一者上，該等導電元件經配置以使來自該LED晶片之熱跨該子基板頂表面 之大部分擴散；一底部導熱元件，其在該底部表面上且並不與該等頂部元件接觸且經配置以傳導來自該子基板之熱；及一透鏡，其在該LED晶片上方；其中在一給定方向上該LED晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大；及其中在一給定方向上該LED晶片之寬度對該子基板之寬度的比率為0.35或更大。
  7. 一種光發射器封裝，其包括：一子基板，其包括氮化鋁(AlN)；一光發射器晶片，其在該子基板上，該光發射器發射具有在430奈米至460奈米之範圍內之一大致平均波長的光；及一透鏡，其在該光發射器晶片上；其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大；及其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該子基板之寬度的比率為0.35或更大。
  8. 一種光發射器封裝，其包括：一單個發光二極體(LED)晶片，其具有大於1平方毫米之尺寸；一子基板，其具有3.5平方毫米或更大之尺寸；及一模製透鏡，其在該子基板上之該LED晶片上方，其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬 度的比率為0.5或更大，且其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該子基板之寬度的比率為0.35或更大。
  9. 如請求項8之光發射器封裝，該子基板包括氮化鋁。
  10. 一種光發射器封裝，其包括：一光發射器晶片；一子基板，其包括具有30W/m．K或更高之一導熱率的一材料；及一模製透鏡，其在該子基板上之該光發射器晶片上方，其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該透鏡之寬度的比率為0.5或更大，且其中在一給定方向上該光發射器晶片之寬度對該子基板之寬度的比率為0.35或更大。
  11. 如請求項10之光發射器封裝，該子基板具有約3.5平方毫米至5平方毫米之尺寸。
  12. 如請求項10之光發射器封裝，該光發射器晶片具有約0.7平方毫米至3平方毫米之尺寸。
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