ПРЕССОВАННАЯ ЛИНЗА, ФОРМИРУЮЩАЯ LED-МОДУЛЬ МАСШТАБА ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ, И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MOULDED LENS FORMING LED-MODULE OF INTEGRATED CIRCUIT SCALE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к обработке светоизлучающих диодов (LED) и, в частности, к способу формирования LED-модуля масштаба интегральной схемы.
Уровень техники
Типичный LED с перевернутым кристаллом имеет отражающие p- и n-контакты на нижней поверхности LED, и контакты непосредственно соединены с контактными площадками на жесткой вспомогательной подложке, которая гораздо больше LED-кристалла. Свет, создаваемый посредством LED, главным образом, излучается через верхнюю поверхность LED-поверхности. Таким образом, нет верхних контактов, которые блокируют свет, и проводные соединения не нужны.
Во время производства пластина вспомогательной подложки заполняется массивом LED-кристаллов. Электроды, сформированные на нижней поверхности LED-кристаллов, соединяются с монтажными площадками на верхней поверхности пластины вспомогательной подложки, и монтажные площадки ведут к более прочным монтажным площадкам на нижней поверхности пластины вспомогательной подложки для сборки на печатной плате. LED-кристаллы на пластине вспомогательной подложки затем дополнительно обрабатываются как комплект на пластине. Такая обработка в масштабе пластины может необязательно устранять подложки для выращивания кристаллов с верхних поверхностей LED-кристаллов, наносить фосфор поверх LED-кристаллов, инкапсулировать LED-кристаллы и формировать линзу поверх каждого LED. В конце концов, пластина вспомогательной подложки разделяется, например, посредством отрезания, чтобы формировать отдельные модульные LED.
Обработка в масштабе пластины является эффективной. Однако пластина вспомогательной подложки или другой поддерживающий слой, который механически поддерживает тонкий хрупкий LED-кристалл, добавляет стоимость. Дополнительно, процесс разделения пластины для типичных поддерживающих слоев, таких как керамика или металл, является весьма сложным для того, чтобы избегать разламывания, металлических заусенцев и других проблем.
Поэтому необходима технология для комплектования LED, которая не страдает от вышеупомянутых недостатков.
Сущность изобретения
Описывается процесс в масштабе пластины, который одновременно инкапсулирует LED-кристаллы, формирует линзы поверх LED-кристаллов и формирует модуль масштаба интегральной схемы для LED-кристаллов. Модуль масштаба интегральной схемы, как правило, только слегка больше по площади, чем сама интегральная схема.
Хотя изобретение описывается с помощью LED с перевернутым кристаллом в примерах, любой тип LED может применять изобретение, такие как LED, имеющие верхний соединенный проводом электрод.
Первоначально, в одном варианте осуществления изобретения массив полупроводниковых LED формируется на сапфировой подложке для выращивания кристаллов. Такие LED могут быть традиционными. Множество LED затем разделяются на кристаллы, чтобы формировать LED-кристаллы. Вместо способа предшествующего уровня техники для монтажа LED-кристаллов на пластину вспомогательной подложки LED-кристаллы временно прикрепляются к поддерживающей структуре, имеющей клейкую поверхность. Поддерживающая структура может быть любого размера, и LED-кристаллы могут быть размещены в любой конфигурации, например в вертикальных и горизонтальных рядах или в шахматном порядке.
Традиционная обработка масштаба пластины может затем выполняться по LED-кристаллам, например необязательное устранение сапфировой подложки с помощью процесса лазерного отслаивания или другими средствами, утончающими и огрубляющими экспонированный слой n-типа для увеличения вывода света, и нанесение фосфора поверх LED-кристаллов. В другом варианте осуществления сапфировая подложка остается на прежнем месте, и на ней формируется рисунок для увеличенного вывода света (уменьшения TIR). Такие процессы могут быть традиционными, и могут выполняться дополнительные процессы масштаба пластины.
Поддерживающая структура затем приводится в контакт с пресс-формой, содержащей силикон или другой подходящий материал, имеющий желательные инкапсулирующие и линзообразные свойства для LED-кристаллов. Пресс-форма сформирована так, что силикон формирует линзу поверх каждого LED-кристалла, в то же время также формируя жесткую структуру, окружающую каждый LED-кристалл. Нижний электрод(ы) LED-кристаллов не покрываются силиконом, поскольку нижние поверхности LED-кристаллов присоединены к поддерживающей структуре.
Силикон затем затвердевает, и поддерживающая структура удаляется из пресс-формы. Поддерживающая структура затем удаляется с затвердевшего силикона. Получающаяся в результате структура затем разделяется поштучно. Разделение поштучно легко выполняется посредством рассекания через силикон. Один этап отливки инкапсулирует каждый LED-кристалл, формирует линзу поверх каждого из LED-кристаллов и формирует модуль масштаба интегральной схемы для каждого LED-кристалла с помощью одного целостноотлитого материала. Получающийся в результате модульный LED-кристалл может иметь свой нижний электрод(ы), присоединенный (например, ультразвуком или спайкой) к любой подходящей структуре, такой как монтажные площадки печатной платы или другой подложки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – это упрощенный вид "сверху вниз" LED-пластины, в целом показывающей области различных LED.
Фиг. 2 – это упрощенный вид "сверху вниз" временной поддерживающей подложки, имеющей массив разделенных поштучно LED-кристаллов, присоединенных к ней.
Фиг. 3 – это поперечное сечение вдоль линии 3-3 на фиг. 2, показывающее два LED-кристалла, установленных на поддерживающую структуру.
Фиг. 4 иллюстрирует поддерживающую структуру, приложенную к пресс-форме, содержащей силикон, где LED-кристаллы погружаются в силикон для инкапсуляции, в то время как силикон также формирует линзу и модуль масштаба интегральной схемы для LED-кристаллов.
Фиг. 5 иллюстрирует инкапсулированные LED-кристаллы после удаления из пресс-формы и после того, как поддерживающая структура удалена из затвердевшего силикона.
Фиг. 6 иллюстрирует один тип конфигурации LED-кристаллов после удаления из пресс-формы.
Фиг. 7 иллюстрирует шахматный тип конфигурации LED-кристаллов после удаления из пресс-формы, чтобы увеличивать плотность размещения LED-кристаллов.
Фиг. 8 иллюстрирует то, как линзы могут быть асимметричными.
Фиг. 9 иллюстрирует отделенный LED, нижние электроды которого соединяются с монтажными площадками подложки, такой как печатная плата.
Фиг. 10 иллюстрирует структуру на фиг. 5 с нижним отражающим слоем.
Элементы, которые являются одинаковыми или эквивалентными, обозначены одинаковым числом.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 – это вид "сверху вниз" традиционной пластины 10 для изготовления LED, содержащей тысячи LED-площадок 12. LED-площадки 12 представляют LED-кристаллы после разделения. В используемом примере LED являются LED на основе GaN, такими как AlInGaN или INGaN LED, для создания синего света. Типично, относительно толстый GaN-слой n-типа выращивается на сапфировой подложке для выращивания кристаллов с помощью традиционных технологий. Относительно толстый GaN-слой типично включает в себя низкотемпературный слой образования центров кристаллизации и один или более слоев, чтобы предоставлять низкодефектную структуру кристаллической решетки для слоя покрытия n-типа и активного слоя. Один или более слоев покрытия n-типа затем формируются поверх толстого слоя n-типа, за которыми следует активный слой, один или более слоев покрытия p-типа и контактный слой p-типа (для металлизации).
Для перевернутого кристалла фрагменты p-слоев и активный слой стравливаются, чтобы раскрывать n-слой для металлизации. Таким образом, p-контакт и n-контакт находятся на одной стороне интегральной схемы. Ток от n-металлического контакта первоначально протекает сбоку сквозь n-слой. Нижние электроды LED типично формируются из отражающего металла.
Другие типы LED, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, включают в себя AlInGaP LED, которые могут создавать свет в диапазоне от красного до желтого. Также могут быть использованы LED, не использующие технологии перевернутого кристалла.
Сапфировая подложка для выращивания может быть удалена с пластины 10 с помощью традиционных процессов, таких как химико-механическое полирование, травление, лазерное отслаивание или другие процессы. Раскрытый полупроводниковый слой может затем быть сделан шероховатым для увеличения вывода света. В другом варианте осуществления подложка для выращивания остается на прежнем месте и на ней формируется рисунок, чтобы увеличивать вывод света. Фосфор может быть осажден поверх светоизлучающей поверхности множества LED.
LED тестируются, пока находятся в пластине 10, по рабочим характеристикам и распределяются по категориям (сортируются).
Пластина 10 затем разделяется, чтобы выделять отдельные LED, с помощью традиционного процесса.
Традиционная монтажная захватная установка затем позиционирует отдельные LED-кристаллы на временной поддерживающей структуре, как показано на фиг. 2. Фиг. 2 – это вид "сверху вниз" поддерживающей структуры 14, на которой размещаются LED-кристаллы 16.
Поддерживающая структура 14 может быть любого размера и формы. В одном варианте осуществления поддерживающая структура 14 имеет липкую поверхность или другой тип клейкой поверхности с электродами LED-кристаллов, обращенными к клейкой поверхности. Поддерживающая структура 14 может быть тонкой, растягиваемой, клейкой пленкой. Клейкая поверхность может быть удаляемым слоем, который становится не прилипающим после применения тепла, UV, растворителя или посредством другого технического приема. Шаг LED-кристаллов 16 на поддерживающей структуре 14 достаточен, чтобы предоставлять возможность формирования линзы поверх каждого LED-кристалла 16.
Фиг. 3 – это упрощенный вид в разрезе LED-кристаллов 16 и поддерживающей структуры 14 вдоль линии 3-3 на фиг. 2. Служащие в качестве примера LED-кристаллы 16A и 16B (называемые LED 16), в целом, содержат эпитаксиально выращенный полупроводниковый слой 18 N-типа, полупроводниковый активный слой 20 и полупроводниковый слой 24 P-типа. Для перевернутого кристалла фрагменты слоя 24 P-типа и активный слой 20 вытравливаются, чтобы раскрывать слой 18 N-типа, и N-электрод 26 наносится, чтобы контактировать со слоем 18 N-типа. P-электрод 28 контактирует со слоем 24 P-типа. В другом варианте осуществления LED-электроды 26/28 распределены как точки на нижней поверхности LED-кристалла для более однородного распределения тока. Подложка для выращивания кристалла показана удаленной со слоя 18 N-типа на фиг. 3, но она может вместо этого быть на месте.
В одном варианте осуществления LED являются AlInGaN и излучают свет от синего до янтарного.
Фосфорный слой может присутствовать, по меньшей мере, поверх поверхности слоя 18 N-типа, чтобы преобразовывать синий свет, например, в белый свет.
Процесс формовки затем выполняется, как показано на фиг. 4. Пресс-форма 32 имеет углубление 34, соответствующее желаемой форме линзы поверх каждого LED-кристалла 16. Пресс-форма 32 предпочтительно сформирована из металла. Пресс-форма 32 может использовать тонкий разделительный слой или может иметь неадгезионную поверхность, если необходимо, чтобы предотвращать приклеивание к ней затвердевшего формовочного материала. Пресс-форма 32 также имеет боковые стенки 36, которые действуют в качестве герметизирующих прокладок по отношению к периферии поддерживающей структуры 14, а также служат в качестве разделителей, чтобы отливать формовочный материал вокруг сторон LED-кристаллов 16, чтобы инкапсулировать их. Пресс-форма 32 может включать в себя рассекающую структуру 37, которая уменьшает любую вероятность повреждения линзы во время разделения.
На фиг. 4 углубления 34 пресс-формы и область между боковыми стенками 36 заполнены термоотверждаемым жидким материалом 40 линзы. Материал 40 линзы может быть любым подходящим оптически прозрачным материалом, таким как силикон, эпоксидная смола или гибридный силикон/эпоксид. Гибрид может быть использован, чтобы добиваться коэффициента соответствия теплового расширения (CTE). Силикон и эпоксидная смола имеют достаточно высокий коэффициент преломления (больше 1,4), чтобы значительно улучшать вывод света из AlInGaN или AlInGaP LED, так же как и действовать в качестве линзы. Один тип силикона имеет коэффициент преломления 1,76.
Вакуумное уплотнение создается между периферией поддерживающей структуры 14 и боковыми стенками 36 пресс-формы, так что каждый LED-кристалл 16 вставляется в жидкий материал 40 линзы, и материал 40 линзы находится в сжатом состоянии.
Пресс-форма 32 затем нагревается примерно до 150 градусов Цельсия (или другой подходящей температуры) на время, чтобы делать твердым материал 40 линзы. LED-кристаллы 16 теперь механически соединены вместе посредством затвердевшего материала 40 линзы и могут обрабатываться как единый блок.
Поддерживающая структура 14 затем отделяется от пресс-формы 32, что устраняет инкапсулированные LED-кристаллы 16 из пресс-формы 32. Инкапсулированные LED-кристаллы 16 затем отсоединяются от поддерживающей структуры 14, например, посредством отслаивания затвердевшего материала 40 линзы от поддерживающей структуры 14 или отделения клейкого слоя от материала 40 линзы. Поддерживающая структура 14 может быть повторно использована.
В другом варианте осуществления в материал 40 линзы внедряется фосфор или материал с другой длиной волны, чтобы преобразовывать синий свет в другой цвет, включающий в себя белый свет. Рассеивающие частицы могут также быть внедрены в материал 40 линзы.
Одна или более дополнительных силиконовых линз могут быть сформованы поверх материала 40 линзы, чтобы придавать форму излучению.
Фиг. 5 иллюстрирует получающуюся в результате структуру с прессованной линзой 44 поверх каждого LED-кристалла 16. В одном варианте осуществления прессованная линза 44 имеет диаметр между 1 мм и 5 мм. Линза 44 может быть любого размера или формы. LED-кристаллы 16 инкапсулируются с помощью материала 40 линзы, и материал 40 линзы формирует модуль масштаба интегральной схемы для каждого кристалла 16, составляющего одно целое с герметизирующим материалом и линзой. Электроды 26/28 LED раскрыты через низ модуля, так что они могут быть присоединены (например, ультразвуком или спайкой) к монтажным площадкам подложки или печатной платы. Модули масштаба интегральной схемы для двух кристаллов 16, показанные на фиг. 5, будут сегментированы вдоль пунктирной линии 46. Модули могут быть сегментированы более предпочтительно посредством рассекания, чем разрезания. Рассекание – это просто применение направленного вниз лезвия вдоль линий сегментации. Это создает хорошо контролируемые отрезы и не приводит в результате к порошкообразным отходам.
В одном варианте осуществления линза 44 является полусферической. В других вариантах осуществления линза 44 может быть любой формы, такой как линза бокового свечения, линза Френеля и т.д.
Хотя линза 44 показана почти выровненной с верхней поверхностью LED-кристалла 16, линза 44 может простираться ниже верхней поверхности. Толщина материала 40 линзы, соединяющего модули вместе, может быть любой толщиной, чтобы предоставлять возможность легкого разделения в случае затвердевшего силикона.
Соответственно, модуль, герметизирующий материал и линза формируются с помощью одного этапа отливки с использованием одного типа материала, такого как силикон. Дополнительная поддерживающая структура для модуля, такая как выводная рамка, теплоприемник или пластиковый корпус, не требуется, что значительно уменьшает стоимость модуля. Необязательно, одна или более дополнительных силиконовых линз могут быть отлиты поверх линзы 44 или присоединены с помощью клея, чтобы придавать форму излучению.
Фиг. 6 и 7 иллюстрируют различные возможные компоновки LED-кристаллов 16 перед сегментацией. Компоновка LED-кристаллов 16 на поддерживающей структуре 14 может обеспечивать максимальную плотность размещения. Фиг. 6 иллюстрирует компоновку с горизонтальными-вертикальными рядами аналогично фиг. 2. Это обеспечивает легкость разделения, поскольку линии разделения прямые. Фиг. 7 иллюстрирует компоновку в шахматном порядке, обеспечивающую увеличенную плотность размещения, поскольку существует меньше пространства вокруг полусферической линзы 44. Разделение требует более сложного отрезания.
Фиг. 8 иллюстрирует то, что отлитые линзы 50 могут быть асимметричными или любой другой формы, чтобы добиваться желаемой диаграммы направленности.
Фиг. 9 иллюстрирует отделенный модуль 54, имеющий электроды 26/28 LED-кристалла, присоединенные к металлическим монтажным площадкам 56/58 подложки 60 или печатной платы. Монтажные площадки 56/58, в конечном счете, электрически соединяются, чтобы проводить ток от источника энергии. В одном варианте осуществления размеры в ширину и длину всего модуля 54 меньше, чем тройные соответствующие размеры самого кристалла 16. Типичный размер кристалла 16 приблизительно 1×1 мм или меньше, что дает в результате размер всего модуля 54 меньше 3×3 мм. В другом варианте осуществления модуль 54 меньше двойного размера LED-кристалла 16.
2
2
При пайке LED-модуля 54 на подложку (например, FR4, MCPCB, керамика и т.д.) отражательная способность области вокруг кристалла 16 (через прозрачный силиконовый герметизирующий материал) будет зависеть от подложки, к которой он присоединен/припаян. Чтобы улучшать отражательную способность, может быть выполнен следующий необязательный этап процесса, который дает в результате структуру на фиг. 10, имеющую нижний отражающий слой 64. После помещения кристалла 16 на поддерживающую структуру 14 на фиг. 3 (которая может быть растягиваемой липкой пленкой), силикон (или золь-гель) с внедренными отражающими частицами TiO распределяется по поверхности подложки 14, но не поверх кристаллов 16, и затвердевает. Может быть использован простой процесс трафаретной печати, где трафарет включает в себя маску. Контакт со сторонами кристаллов 16 является желательным. После этапа отливки на фиг. 4 отражающий слой 64 силикон/TO (фиг.10) будет приклеен к нижней поверхности силиконовой линзы 44 и может быть отсоединен от подложки 14 вместе с линзой 44. Отражающий слой 64 будет тогда частью модуля 54, эффективно увеличивая отражательную способность модуля (все вокруг кристалла 16) независимо от любой отражательной способности подложки потребителя.
Альтернативным, без формовки, способом формирования линз на массиве LED-кристаллов 16 является распределение капель силикона поверх каждого кристалла 16 на поддерживающей подложке 14. Используя тиксотропный силиконовый материал поверх кристаллов 16 и предоставляя слабоклейкую (например, тефлоновую) поверхность подложки 14, поверхностное натяжение силикона будет естественным образом после распределения формировать форму типа купола. Силикон затем затвердевает, чтобы делать линзу твердой.
В то время как конкретные варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны, специалистам в области техники будет очевидно, что могут быть сделаны изменения и модификации без отступления от этого изобретения и его широких аспектов и, следовательно, прилагаемая формула изобретения должна заключать в своих рамках все такие изменения и модификации, как попадающие в сущность и рамки этого изобретения.