CN101438202B - 制造led提取器阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造提取器阵列的模制操作：提供具有多个腔体的模具，其中每个腔体适于形成适用于耦合到LED晶粒的提取器；使用多个玻璃粒子填充该模具；将玻璃粒子加热至其玻璃化转变温度以上，使得粒子再成形以适形于该腔体形状；并形成在腔体之间延伸的基体层。该基体层维持提取器彼此之间的固定空间关系以进行后续的处理或加工，诸如同时进行打磨操作或将提取器阵列连接到相应的LED阵列。

Description

制造LED提取器阵列的方法
技术领域
本发明整体涉及发光二极管(LED)，具体地讲涉及提取在LED晶粒内部产生的光的光学部件或元件。
背景技术
LED是良好的光源选择，这在一定程度上是因为它们具有相对较小的尺寸、较低的功率/电流需求、快速的响应时间、较长的使用寿命、牢固的封装、各种可用的输出波长以及与现代电路结构的兼容性。这些特性可以解释过去数十年中它们得以广泛应用于多种不同的最终应用场合的原因。一直在效率、亮度、以及输出波长方面对LED进行改进，这进一步扩大了LED潜在的最终应用范围。
LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED晶粒或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，电引线连接到LED晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，用于包封LED晶粒。胶囊包封树脂可以具有使晶粒射出的光保持部分平行的标称的半球形前表面，或者具有标称的平坦表面。除了树脂以外的其他建议用作胶囊包封本体的材料，在本文中称为封壳。例如，美国专利3,596,136(费歇尔(Fischer))论述了具有某些玻璃制成的圆盖的LED，所述玻璃包含按重量计19％至41％的砷、10％至25％的溴、以及28％至50％的硫或65％至70％的硒。费歇尔报告了至少一种折射率为约2.4的黄色玻璃、另一种折射率在2.5和2.7之间的红色玻璃、以及另一种折射率为约2.9的黑色玻璃。
以下方法也是已知的，即利用单独制造的光学元件，然后使之与LED晶粒表面接触或极为贴近，以从晶粒中耦合或“提取”光并且减少在晶粒内无法射出的光量。这类元件在本文中称为提取器。提取器通常具有与LED晶粒主发射面的尺寸和形状基本上配合的输入面。
LED在构成LED晶粒的高折射率半导体材料内产生光。如果晶粒浸没在空气中，半导体和空气之间的较大折射率失配会引起许多晶粒内传播的光在晶粒/空气界面发生全内反射。只有沿与该界面相关的相对较窄的逸出锥内的角度传播的光才能折射到空气中，并且逸出该晶粒。逸出锥的半角就是熟知的界面临界角。因此，晶粒产生的很多光都浪费了，并且影响了可达到的LED亮度。
封壳和提取器都能用于减少浪费的光量并且提高亮度。它们通过在LED晶粒表面提供透光材料(其折射率(n)比空气更接近晶粒的折射率)、降低界面处的折射率失配、以及增大逸出锥的跨度来实现上述目的。n越接近晶粒的折射率，浪费在晶粒内的光就越少，因此LED发出的光就越亮。
从实际应用来看，传统的封壳就这一点而言取得的成功是很有限的。封壳几乎完全包围了晶粒，并且由于此原因，以及在晶粒处发热的温度大幅度变化，选择封壳材料时，不仅要考虑其折射率特性，而且要考虑热性能和机械性能(从而不会在许多温度循环中损坏LED晶粒)，以及当暴露在晶粒发射高通量下抵抗泛黄或其他劣化的能力。因此，大多数胶囊包封的LED利用的是特殊的环氧树脂，其折射率n仅为约1.4至1.6。这些值远高于空气折射率(n＝1)，但远低于大多数LED晶粒的折射率(n≈2.3或更高)。因而，仍有待进行实质性的改进。
目前，提取器没有像封壳一样广泛应用于LED，这可能是由于其附加的制造步骤(首先制造提取器，然后保持其定位在LED晶粒处)、以及相关的费用和复杂性。由于LED晶粒通常具有大约毫米或更小的特性尺寸，上述问题因所涉及的小尺寸而更加困难了。
发明内容
本专利申请公开了，特别是，制造适用于LED光源的提取器的更加简便和经济的方法。所述方法涉及使用玻璃模制操作同时制造多个(通常为数十个或数百个)提取器。该模制操作通过提供具有多个腔体的模具(其中每个腔体适于形成适用于耦合到LED晶粒的提取器)，以制造提取器阵列；使用多个玻璃微珠填充该模具；将玻璃微珠加热至其玻璃化转变温度以上，使得微珠再成形以适形于该腔体形状；并形成在腔体之间延伸的基体层。该基体层将提取器以相互固定的空间关系维持，以进行后续的处理或加工，诸如同时进行打磨操作或将提取器阵列连接到相应的LED阵列。
从下面的具体实施方式中，本专利申请的这些方面以及其他方面将显而易见。然而，在任何情况下，以上内容都不应理解为是对受权利要求书保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求的限定，在专利申请过程中可以对其进行修正。
附图说明
在整篇说明书中都参考了附图，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1为单个LED提取器/LED晶粒组合的示意性侧视图；
图2为可供选择的提取器构造示意性侧视图；
图3为提取器阵列和已在其中形成LED的晶片示意图，该图还示出了同时耦合提取器阵列到LED阵列以制造多个LED光源或LED光源阵列的方法；
图4示出了包含模制玻璃小珠以制造提取器阵列的方法；
图5示出了模具腔体和模制后尺寸或体积基本上足以填充腔体的玻璃粒子的近距离视图；以及
图6示出了图5的玻璃粒子在另一个模具腔体中的近距离视图，其中粒子模制后尺寸或体积再次基本上足以填充腔体。
具体实施方式
以下具体实施方式将描述发光二极管(LED)光源及其组件。其中，“发光二极管”或“LED”是指发出光(无论是发射可见光、紫外光或者红外光)的二极管。发光二极管包括作为“LED”销售的不相干的封闭或封装的半导体器件。所述“LED”可以是常规型或者超辐射型，也可以是向前发光或者侧发光类型，后者通常在显示器应用中是有利的。在LED发射诸如紫外光等不可见光的情况下，以及在LED发射可见光的一些情况下，可以将该LED封装成包括有机或无机荧光体(或者该LED可以照亮设置在远处的荧光体)，以将短波长的光转换为波长较长的可见光，从而在某些情况下生成发射白光的装置。“LED晶粒”是处于其最基本形态的LED，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片的形态。例如，LED晶粒通常是由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合而形成的(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化铟镓)。还可以使用其他类型的III-V材料，同样，还可以使用元素周期表其他族的无机材料。元件或芯片可包括适用于施加能量以便使装置通电的电触点。该电触点的实例包括回流焊接、引线键合、卷带自动键合(TAB)、或者倒装片键合。通常以晶片级形成该元件或芯片的各层和其他功能部件，然后将制成的晶片切割成单个元件，以生产多个LED晶粒。可以用表面贴装、芯片直接贴装或其他已知的贴装构造来构造LED晶粒。
此外，为了本专利申请的目的，以下术语具有指定的含义，除非另外清楚地指明其他：
“非晶态材料”是指缺乏任何经X射线衍射确定的长距离晶体结构，和/或具有经差热分析(DTA)确定的、与非晶态材料的结晶相同的放热峰的材料，它们衍生自熔融物和/或蒸汽相；
“差热分析”或“DTA”是指这样一种操作步骤，其涉及测量样本与热惰性参考(诸如Al2O3)之间随温度的升高的温度差值。取决于惰性参考温度的温度差坐标图提供了发生在样本中的放热和吸热反应的信息。执行此操作步骤的示例性仪器可以商品名“NETZSCH STA409DTA/TGA”得自德国塞尔布的耐驰仪器公司(Netzsch Instruments，Selb，Germany)。可将适量(如，400mg)样本放置到合适的惰性的夹持器(如：100mL Al2O3样本夹持器)并在静态空气中以合适的速度(如：10℃/分钟)从初始温度(如室温，或约25℃)加热到最终温度(如1200℃)。
“玻璃”是指显示具有玻璃化转变温度的非晶态无机材料；
“玻璃陶瓷”是指由热处理玻璃形成的材料，该材料为局部或完全的晶体；
“Tg”是指由适当的DTA测试确定的玻璃化转变温度；以及
“Tx”是指由适当的DTA测试确定的结晶温度。
现在我们回到各个图上，这些图主要示出和描述示例性LED提取器、提取器/LED晶粒组合、以及它们的阵列。然后，我们将讨论使用可模制的玻璃粒子制造LED提取器阵列的优选方法。
LED提取器和提取器阵列
图1示出了LED提取器10，其具有输入面12、输出面14、以及侧面16。布置在靠近输入面12的LED晶粒18从包括主发射面20在内的多个表面发射光。所示间隙22将输入面12与发射面20分隔开。无论是使用空气还是透明粘结材料或是其他材料进行填充，间隙22都足够小，以使得提取器10可引起至少一些原本会在LED晶粒18里全内反射的光通过折射或受抑全内反射被耦合到提取器中。通常，间隙22为大约100、50、或25nm或更小。在其他实施例中，间隙22可以基本上消除。无论哪种情况，输入面12都适光耦合到发射面20，以使得光有效地从LED晶粒转移到提取器。
为简单起见，LED晶粒18一般性示出，但是它可以包括本领域中已知的常规设计特征。例如，LED晶粒18可以包括界限分明的正和负掺杂半导体层、缓冲层、基底层、以及覆盖层。虽然示出的LED晶粒呈矩形构造，但是还可以想到其他已知的构型，例如具有可形成截平倒锥体的倾斜侧表面的LED晶粒。为简单起见，未示出LED晶粒18的电触点，但众所周知，它们可以布置在LED晶粒18表面的任意位置。优选地，晶粒18具有“倒装片”构造，其中电触点设置在底部主表面上，以使得与之相对的表面20可以平坦而无障碍物，易于与提取器的输入面12配合。
提取器10具有倒置的截平圆锥形状，但也可以具有其他形状。在图1的示意图中，侧面16可以是单个的旋转锥形表面，或将输入面12连接到输出面14的多个带小平面的表面。输入面12可以被构造为放置电触点留出空间，电触点可位于LED晶粒的发射面20上。在许多情况下，发射面20的一些或基本上全部为平坦的和抛光的。如果是那样，理想的是，提取器的输入面12的相应部分(包括全部)也为平坦的和抛光的，例如，表面粗糙度小于50nm或另一个指定公差。输入面12的横向尺寸和形状还可以优选地形成为与LED发射面配合，但不需要精确相等。考虑到制造公差，提取器的输入面可以相对于LED发射面较小或较大。例如，提取器输入面的横向尺寸可以大到LED发射面相应尺寸的110％或120％，或者小到LED发射面相应尺寸的90％或80％。选择提取器的尺寸使得提取器的最大横向尺寸(无论是出现在输入面、输出面还是中间位置)标称地等于相应的LED晶粒的横向尺寸，这也会是有益的。在该方法中，在2005年11月22日提交的共同转让的美国专利申请11/288,071(莱若戴尔(Leatherdale)等人)(代理人案卷号60914US002)中进行了更全面的描述，在将包含规则排列提取器阵列的盘或主体键合到晶片规模LED阵列之后，单独的成对LED/提取器可沿着相同切割线被切削或切片。在其他情况下，可取的是提取器输入面远小于LED晶粒的输出面(例如提取器输入面的面积可为LED输出面面积的50％，或更小)。请参阅(例如)美国专利申请序列号10/977,577(乌得柯克(Ouderkirk)等人)(代理人案卷号60217US002)，2004年10月29日提交。
由于提取器适于与LED晶粒一起使用，并且LED晶粒的宽度趋于不超过数个毫米，所以提取器同样趋于相对较小。不希望受到限制，提取器通常具有1至10、1至5、1至3、或1至2毫米的总长度，以及在该相同范围内并且常常小于长度的总宽度。
在操作中，LED晶粒18内产生的光从发射面20射出，并且经过间隙22进入提取器10。提取器10可被键合到LED晶粒，(例如)在美国专利申请公开2005/0023545(卡姆拉斯(Camras)等人)中有所描述，也可以为非键合构造，在2004年10月29日提交的共同转让的美国专利申请10/977,249(康纳(Connor)等人)(代理人案卷号60216US002)中有所描述。LED晶粒18中使用的材料具有高折射率，可以使LED晶粒18内产生的大部分光在晶粒表面经历全内反射。为了使得更多的这种光逸出，可将发射面20光耦合到提取器10的输入面12。制成提取器10的高折射率材料可将LED晶粒中原本会通过全内反射损失的光提取出来。提取器10的形状，具有沿LED晶粒中心轴设置的输入面和输出面(其中输出面比输入面宽)，并且具有如图所示的锥形侧面，至少一部分地准直收集的光。图1示出代表性的倾斜方向的光线24a在侧面16经全内反射或是其他反射后，产生了与LED中心轴更接近平行的反射光线24b。
要最大化光提取效率，提取器10的折射率应与LED晶粒18的表面20的折射率十分相配。但是LED晶粒本身通常由折射率不同的截然不同的层组成，例如，设置在SiC、Al2O3或另一种适合材料的固态基底上的外延半导体层。在这些情况下，如果LED晶粒18以朝上的构型装配在散热器(未示出)上，那么发射面20与其中一个半导体层的外表面重合，并且提取器的折射率优选地匹配于半导体的折射率。另一方面，如果LED以朝下的构型装配在散热器上(即外延层朝下或倒装片)，那么发射面20与基底重合，并且提取器的折射率优选地匹配于基底的折射率。对于GaN/Al2O3基高亮度LED，折射率要求在约1.75至2.4之间。在III族-磷化物基半导体情况下，半导体层的折射率可以高达4.0。已经建议用作LED提取器的高折射率材料(n≥2)一般是这样的一些晶体材料：它们难于用机器加工或形成所需的窄小形状，并且这些方法趋于费时并且昂贵。
图2示出了与图1所示类似的另一个提取器30的示意性侧视图，但是该提取器30具有由连接截然不同的透光性主体或结构产生的复合构造提取器30具有输入面32、输出面34、以及锥形的侧面35。该提取器包括截然不同的光学主体36、38，它们沿着配合面36a、38a键合或以其他方式接合在一起，这两个表面优选地(但非必需)是平坦的。可以使用常规的方式(诸如光学粘接剂、低Tg密封玻璃或反应键合)进行连接。主体36、38可由具有相似或不同特性的相同或不同透光性材料制成。例如，主体38可以是市售的光学玻璃或者甚至是聚合体。优选地，提取器最靠近LED晶粒的部分(而且包含输入面)具有比提取器的其他部分更高的折射率。因此，在图2的情况中，光学主体36优选地由相对较高折射率的玻璃组成，并且主体38可由另一种具有较低折射率的光学玻璃(或甚至是聚合体)构成。如果高折射率光学材料显示有大量的散射或吸收，使其不能有效地用于整个提取器，则该复合构造也可有所帮助。这种材料可以用在提取器的输入末端，其足够小的厚度将散射或吸收保持在可接收的程度，然后将其与散射较低或吸收较低的材料相结合，以形成完整的提取器。可根据其各自光学材料的光学、机械、以及热特性选择光学主体36、38的相对尺寸或厚度，以制造满足光学、机械、以及热特性需求的提取器。2004年10月29日提交的共同转让的美国专利申请10/977,225(欧德柯克(Ouderkirk)等人)(代理人案卷号60218US002)中进一步讨论了用于LED的复合提取器。
如果需要，可以将锥形提取器的取向翻转，使得输入面比输出面大或宽。在这些情况下，提取器可以采用锥体形式(无论是截平还是非截平，并且无论具有圆形、椭圆形还是多边形基部)而不是如图1所示的耦合到LED晶粒的倒转锥体。光从此前称为输出面14、34的表面进入提取器，然后可以从此前称为输入面(12、32)的表面以及侧面16、35离开提取器。作为另外一种选择，可以将所述锥体制造为在一点终止(即非截平的)，移除表面12、32。2006年5月2日提交的共同转让的美国专利申请序列号11/381,324(名称为“LED PackageWith Converging Optical Element”(使用会聚光学元件的LED封装))(代理人案卷号62076US002)中进一步讨论了这种提取器构造。
上述实施例只代表了众多可能的提取器形状和构造的其中一些。无论选择哪种形状或构造，从制造的角度来看，以阵列的形式制造提取器是理想的。所述阵列使得可以方便地同时操纵、处理、以及加工大量的小提取器，如，在希望抛光提取器表面以用于更好耦合到LED晶粒的情况中。阵列中的提取器也可以设计为选择的构造和间距，以基本匹配LED阵列的构造和间距，使得提取器阵列可以对准并接合到LED阵列，以同时制造大量(优选地，数十或数百个)成对的LED/提取器。
图3示意性地示出了代表性的提取器阵列40以及与之匹配的LED阵列50。提取器阵列40包括多个连接在一起的提取器42，它们以固定的空间关系保持在一起，例如具有连续基体层44。选择该固定的空间构造是为了匹配LED阵列50上的LED的空间构造，如下所述。提取器阵列40可以是单体，其中提取器42和基体层44由相同的透光性材料组成，或者可以是非单体，其中基体层44由不同于提取器42的材料(无论是否透光)组成。此外，提取器42本身可以具有如上所述的复合构造。提取器42显示为与图1的提取器10相似的锥形形状，但是它们还可以代表上述的任何其他的提取器形状和构造。显著的是，每个提取器都具有输入面42a，该输入面适于光耦合到相应LED晶粒发射面。优选地，这是通过确保提取器输入面的外部尺寸与LED发射面的外部尺寸基本匹配，和/或通过确保提取器输入面的轮廓与LED发射面的轮廓基本匹配来完成。通常，LED的发射面是在指定公差范围内平坦而光滑的，并且在这种情况下提取器的输入面也是在相同或相似公差范围内平坦而光滑的。
优选地，LED阵列50是使用常规半导体加工工序加工的固态晶片，以形成能够产生光的p-n结等，使得经过切割(如通过锯切或切片)可以形成具有发射面52a的单个LED晶粒52。因此，如上所述，LED阵列50可以包括选择用于批量制造LED的截然不同的层的叠堆，例如陶瓷或半导体基底、覆盖、外延层和/或掺杂质的层。阵列50上也可包括用于给单个LED供电的图案化电触点。LED阵列50也可称为“晶片”，因为它通常很薄并且相对是刚性的，并且一般是圆的。可以在晶片表面上以任何所需的样式布置晶粒52，如以行和列的布置方式。在晶片区域内可装配数十或数百个单个的晶粒52。因此优选地将相同数量的提取器42布置在提取器阵列40上。
在图3描述的方法中，初始分离的阵列40、50互相对准，优选地提供提取器与LED晶粒的一一对应关系。然后将分离对准的阵列接合在一起，可选地使用适合的透光性粘结材料，诸如光学粘合剂或低Tg的密封玻璃、或经反应键合、或通过任何其他适用的技术。如果需要，可以通过(例如)切割或切片将晶片或阵列50分割，以显露单个的LED晶粒52。根据预期应用，还可以将提取器阵列40分割，以使得单个的成对LED晶粒/提取器可以根据需要单独地装配在散热器或其他基底上。分割可以是通过切割或折断基体层44，该基体层的上表面可以变为提取器42的输出面。如果通过切割实现分割，与切割LED阵列50相同的切割操作可以同时切割提取器阵列40(如果提取器的尺寸适宜)。在另一种可供选择的方法中，如果两者使用的是不同的材料，那么可以简单地将基体层移除，如通过将提取器从基体层分开。移除基体层后会暴露提取器42的上表面，该表面可以根据设计成为每个提取器的输出面。在另一种方法中，可以使基体层44朝下将提取器阵列键合到LED阵列，即，通过重新布置提取器阵列和LED阵列，以使得LED发射面接触基体层44，同时对准提取器42。在那种情况下，表面42a可能会成为输出面，并且基体层暴露的主表面可成为提取器的输入面。
制造提取器阵列的方法
所述提取器阵列优选地使用玻璃粒子模制工艺制造。在此工艺中，模具被加工为具有一批尺寸适当的腔体。然后用多个玻璃粒子填充此模具，同时将粒子加热至其玻璃化转变温度以上，再成形粒子以适形于该腔体。可选地，各个玻璃粒子可熔合或聚结以形成较大的粒子或主体。冷却再成形的玻璃以形成提取器的至少一部分，并且形成连接提取器的连续基体层。
在某些情况下，使用足够多的玻璃粒子过度填充腔体，并且使用加热和冷却步骤来形成基体层。在这些情况中，该基体层和提取器由相同的玻璃材料构成。
在其他情况下，玻璃粒子的数量不足以在加热与冷却步骤形成基体层，因此单独形成基体层，例如将提取器附着到支持背衬上，然后再从模具上将其移除。所述的支持背衬可以是(或包括)涂布有粘合剂的膜或板，或倒在提取器上的一些蜡、环氧树脂或类似材料，并且使其变硬为固体层。
在一些情况下，模具初始填充有第一多个玻璃粒子，其中这些第一多个粒子的数量不足以在加热与冷却步骤后形成基体层，并且(开始加热时)该第一粒子变形后仅能部分填充模具腔体。随后该模具被第二多个玻璃粒子填充，该第二玻璃粒子具有与第一玻璃粒子不同的组成，并且该第二粒子的数量足以填充模具腔体的其余部分，然后在后续的加热与冷却步骤后形成基体层。
在所有情况下，随后，在提取器由基体层连接时，将该提取器阵列从模具移除。优选地，该基体层使提取器之间保持相互固定的空间关系。这对于同时打磨或抛光每个提取器的至少一个表面来说尤其有用。对于将数十或数百个提取器的阵列有效耦合到相似尺寸的LED晶粒阵列(例如，仍固定在整体固态晶片上的LED晶粒)来说也尤其有用。在抛光和/或耦合到LED阵列后，可从提取器阵列分割或移除单个的提取器。注意，该基体层可能形成最终分割的提取器的一部分，也可能不形成其中一部分。
图4示出了包括模制玻璃粒子的制造提取器阵列的方法。
首先，提供模具60，其包括下模具部分60a以及可选的上模具部分60b。该模具优选地由能经受反复加工循环的热稳定和机械稳定的材料制成。适合的模具材料包括陶瓷和难熔金属，例如石墨、氧化铝、碳化硅、碳化钨、不锈钢、铂、无电解镀镍、及其他们的复合物。该模具也可涂覆非活性材料(例如铂或稀有金属合金)，以防止模制的玻璃材料附着模具。
该模具包括多个腔体62，所述腔体优选地限定了具有所需LED提取器外部几何形状的体积。可使用多种加工工艺制造该腔体，包括但不限于磨削与打磨、放电加工(EDM)或金刚石车削。该腔体也可通过压印工艺来制造，如，在难熔金属薄片(例如0.5至1mm厚的不锈钢层或铂层)上压印腔体阵列。该腔体的形状和分布包括但不限于(暴露的)顶面具有平坦表面的几何形状，以及不包含(阻止从模具移除成品的)底切的几何形状。例子包括截平的或非截平的圆锥或棱锥、圆柱体、楔、以及截头。每个腔体优选地具有表面(如腔体62的底部表面)或孔隙(如腔体62顶上的开口)，该孔隙的尺寸和/或形状被制成基本上匹配LED晶粒的输出区域。(如上所述，故意控制提取器的输入面，使之比LED发射面更大或更小可能较为有利。)此外，可对一些或所有腔体表面进行抛光或其他方式处理使之具有光学质量光泽，以使得这样的光泽也被施加到已完成的提取器的相应表面上。除了配置每个单个腔体62的尺寸之外，可以任何所需样式相对彼此布置腔体，但在示例性实施例中，如图3所示，它们被布置成(例如)基本上与LED晶粒阵列相配合的行和列的阵列。
在准备好模具60之后，使用多个玻璃粒子64对其进行填充。就这一点而言，“填充的”意指至少一些腔体62(优选的是基本上所有腔体62)充满或部分充满了该粒子。粒子64可以是球形或非球形，下文进一步讨论。粒子64还可以具有较窄的、均匀的粒度分布，或可以具有较宽的(不均匀的)粒度分布。在图4中，示出的粒子64的平均尺寸或体积基本上小于给定腔体62的体积。注意，如果腔体64具有不相等的体积，那么平均粒度可以远小于平均腔体体积。其他情况在下文讨论。
该玻璃粒子64可以是(或包括)由玻璃给料制成的碎片、小珠或珠缘，和/或可包括模制的玻璃预成型件。例如，玻璃给料可通过将适合的金属氧化物混合物粉末置于坩埚中加热同时碾磨成具有均匀分布组分的浆料而制成。然后冷却并固化该浆料，并且将其分解为粒子。随后将该粒子送入混合了空气或氧气(如，氢/氧)的易燃气体喷枪火焰，以产生大量熔融的玻璃小珠。冷却后，这种小珠可被用作玻璃粒子64。如果需要，可使用筛子等过筛粒子，以形成均匀或是可控的粒度分布。
在另一种可选方法中，该粒子可包括常规的玻璃粉粉末，或氧化物的均匀混合物(例如用于传统玻璃生产方法中的混合物)。
该玻璃组合物不受局限，它可以是几乎完全透射所关注波长光的—即，提取器将耦合的LED晶粒所发射的波长—并且能被模制的任何材料。优选地，该玻璃组合物具有至少为5摄氏度的加工窗口，加工窗口通过其结晶温度和其玻璃化转变温度的差值来表征(Tx-Tg)。可使用具有中等折射率(1.5<n<2)的常规玻璃，以及具有较高折射率(n≥2或2.1或2.2或2.3)的使用较少的玻璃。示例性材料包括：可得自小原公司(Ohara Corporation)的S-LAH51、S-LAH53、S-LAH63、以及S-LAL61；可得自肖特玻璃有限公司(Schott Glass Technologies)的P-LASF47、N-LAF34、N-LAF36、以及N-LASF46；可得自保谷公司(HoyaCorporation)的BAFD8；以及在下列专利申请中所公开的玻璃：美国专利申请公开US2003/0126803(罗森弗兰泽(Rosenflanz))、WIPO专利公开WO03/011776(罗森弗兰泽(Rosenflanz))、美国专利申请公开US2005/0065013(罗森弗兰泽(Rosenflanz)等人)、2005年11月14日提交的美国专利申请序列号11/273,513的(弗雷(Frey)等人)、以及与本申请同一天提交的标题为“LED Extractor Composed of High IndexGlass”(由高折射率玻璃组成的LED提取器)(代理人案卷号61216US002)的美国专利申请。优选地，提取器的至少一部分是由折射率至少为2、或2.1、或2.2、或2.3、或2.4的玻璃所制成，但是有用的实施例也可以由较低折射率的玻璃制成。
在使用玻璃粒子64填充了模具以后，玻璃粒子64以及模具60被加热到玻璃的玻璃化转变温度以上，使得各个粒子64变软并变形，聚结或熔结在一起，形成适形于(至少一部分适形于)腔体62的熔化的提取器64a。如图所示，玻璃粒子的数量可使得熔化的玻璃过度填充腔体62，并形成基体层66。在一些情况下，施加到模具部分60a、60b之间玻璃粒子上的压力会促进玻璃粒子的变形和/或聚结。以上提到的某些玻璃可经受温度为800至1000℃、压力为1至10MPa的热压1至20分钟。其他玻璃所具有的玻璃化转变温度通常在600℃左右(某些低至360℃)，并且这些玻璃可在相应较低的温度下被热压。在两种情况中，热压可以是单轴或等静压技术。注意，如果使用了另一个模具部件例如上模具部分60b，这类部件可具有平坦表面(如图所示)，或非平坦表面(如在每个提取器上形成类透镜特征的曲面图形、带小平面的表面、或部分平坦部分弯曲或带小平面的表面)以在完成的提取器一端形成所需轮廓，取决于想要提取器的哪一端耦合到LED晶粒，以及所需的提取器表面轮廓。
然后冷却该玻璃和模具以固化提取器64a和基体层66。优选地，冷却速率足够慢，避免玻璃材料受热冲击时发生断裂。如果需要，冷却速率可以小到足以使玻璃材料完全退火。
在某些情况下，期望形成具有两个或更多个截然不同光学主体的提取器，如说明图2时所述。在那种情况中，可减少玻璃粒子64的数量以使得熔化的玻璃仅部分填充模具腔体62，并且不形成基体层66。然后，使用多个第二玻璃粒子填充已部分填充的模具，该第二玻璃粒子可被加热到其玻璃化转变温度之上并可选地受压变形，然后聚结该第二玻璃离子以适形于模具60的剩余部分。该第二玻璃材料可足以完全填充腔体62，还可足以形成类似于层66的基体层。
如果第一或第二玻璃粒子没有形成基体层66，或者形成了基体层但是它太薄或易碎，可在所有的提取器64上形成另一个层以提供具有足够刚度的基体层，从而可从模具移除完成的提取器64a同时保留它们的相对空间，然后如上讨论的那样作为整体进行操作和处理。附加层可以是(或包括)涂布有粘合剂的膜或板，或倒在提取器上的一些蜡、环氧树脂或类似材料，并且使其变硬为固体层。
在所有情况下，一次或多次填充、加热、以及冷却步骤后，在这些步骤的一部分和/或单个步骤中形成了基体层，将所有固化的提取器64a与基体层66一起从模具60a上移除，该基体层将提取器保持并维持在固定的相对位置。
在一些情况下，根据所使用的玻璃的特性以及模制条件，聚结多个玻璃粒子形成较大体积会导致模制玻璃产生有关边界或组成粒子的缺陷网络。这类缺陷可导致模制玻璃的散射或雾度增加，或是机械性能变弱或破裂。在这类情况下，以及在这种缺陷不是问题的其他情况下，这有利于控制玻璃粒子尺寸以使得基本上每个模具腔体中仅有一个玻璃粒子，这样就避免了在腔体内聚结或熔结多个粒子。图5a和5b描述了利用此设想的方法。
在图5a中，提供了具有多个腔体72的模具70。在该模具上分散这类玻璃粒子74，然后振动模具使得每个粒子落入每个腔体内，或是采用单个拾放方法，使得模具填充多个玻璃粒子。无论采用那种方法，基本上只有一个粒子74存在于任何指定的腔体中。选择粒子74的体积以基本上匹配腔体72的体积。在一些情况下，粒子74的体积为腔体体积的70％至110％，或甚至是90％至105％。然后，如图5b所示，当粒子在高于其玻璃化转变温度加热变软时，可选地施加压力，它会变形为熔化的提取器74a，其完全填充、或稍填充不足或稍过度填充该腔体72。这个提取器74a的所得顶面用表面74b(完全填充)、74c(稍填充不足)、74d(稍过度填充)、以及74e(较大过度填充)来描述。玻璃冷却之后，由相同玻璃或不同玻璃、或上述另一种材料形成基体层76，以使得可从模具70上移除提取器74a阵列。
在其他情况下，粒子74可以远大于腔体，例如，其体积可为腔体体积的150％或200％，并且可将腔体之间布置得足够近，以使得粒子在加热步骤中变形时，较大粒子熔化而来的过量玻璃材料不仅完全填充腔体，而且从腔体向外流出，与来自邻近腔体的过量熔化材料连接在一起，形成连续熔化的基体层。
采用形成玻璃给料的火焰制造的粒子74的形状是球形的。或者，为了加快模制处理，可将粒子74拉长或甚至预模制为腔体72的近似形状或纵横比(如图5a所示)。
图6a和6b描述了对模具80中的伸长的玻璃粒子74的加工，模具80具有腔体82阵列，它与模具70类似，但是其中的腔体82具有与腔体72不同的纵横比(但体积可能相同)。注意，伸长的粒子74可调整自身方向以逼近腔体82的纵横比。如图6b所示，当粒子74在高于其玻璃化转变温度下受热软化时，可选地施加压力，它会变形为熔化的提取器84a，其完全填充、或稍填充不足或稍过度填充该腔体82。这个提取器84a的所得顶面用表面84b(完全填充)、84c(稍填充不足)、84d(稍过度填充)、以及84e(较大过度填充)来描述。玻璃冷却之后，由相同玻璃或不同玻璃、或上述另一种材料形成基体层86，以使得可从模具80上移除提取器84a阵列。
在第一具体实施例中，石墨模具(Poco EDM3grade)(步高公司EDM3级)是使用线切割机加工的。在模具中心加工出四个相同腔体，每个腔体都具有截平的圆锥形状。腔体设置成正方形图案，沿着正方形每侧的中心至中心距离为8mm。每个圆锥为3mm深，底部平坦圆形表面的直径为0.56mm，圆形孔隙或开口直径为2.9mm，并且锥(半圆锥)角为21度。计算出的此截平圆锥体积为7.97立方毫米。线切割产生的腔体壁(锥形侧壁和底部平坦圆形表面)的表面光洁度Ra为约1.2微米。选择底部直径为0.56mm的圆形表面来形成尺寸相同的平坦的提取器输入面，确定其构形有利于耦合到倒装片LED晶粒较大的1mm乘1mm发射面。
然后选择得自小原公司的S-LAH51不规则玻璃块或碎片用于填充模具。此玻璃密度为4.40g/cc，折射率为约1.786，并且转变温度Tg为617℃。放置到第一腔体内的是重0.0318g的单块玻璃，计算出的该块玻璃体积为7.23立方毫米，也就是腔体体积的91％。放置到第二腔体内的是重0.0378g的单块玻璃，计算出的该块玻璃体积为8.59立方毫米，也就是腔体体积的108％。放置到第三腔体内的是三块相似尺寸的玻璃，这些玻璃块总重量为0.0367g，计算出的总体积为8.34立方毫米，也就是腔体体积的105％。放置到第四腔体内的是重0.0362g的单块玻璃，计算出的该块玻璃体积为8.23立方毫米，也就是腔体体积的103％。
然后将此填充的模具放置在管炉中，根据具体的温度分布进行加热。炉中的气氛为缓慢放出的合成气体(5％氢、95％氮的混合物)即，还原气氛。在加热期间不向玻璃块施加外部压力。温度分布如下：在80分钟内从室温(约25℃)升至700℃；保持700℃15分钟；在30分钟内从700℃升至800℃；保持800℃20分钟；在60分钟内从800℃降至610℃；保持610℃15分钟；在25分钟内从610℃降至555℃；保持555℃20分钟；在75分钟内从555℃降至室温；
此加热和冷却特征图引起玻璃粒子在其各自的腔体内软化和变形，然后固化形成提取器。提取器的顶部和底部，其分别对应于腔体中直径为2.9mm的开口和直径为0.56mm的底面，显示具有曲率，据信该曲率是因为没有施加压力、由熔化的玻璃的表面张力所引起。观察到提取器是透光的，但有些模糊或光散射，这可能是还原气氛造成的。
有利地，提取器将经过以下附加的工序。当提取器仍在模具中时，可使用(如)石蜡形成上述刚性基体层。然后可将提取器从模具移除，同时维持它们的相对取向。可同时将提取器的底部磨平并抛光(例如，Ra为50nm或25nm或更小)，然后分割并分别附接或以其他方式连接到具有1mm乘1mm发射面的单个LED晶粒。
在第二具体实施例中，使用的是与第一具体实施例中所用相同的石墨模具。再次选择相同的得自小原公司的S-LAH51不规则玻璃块或碎片以用于填充模具，但要使得玻璃块的数量或体积显著地过度填充每个腔体(但不足以形成腔体之间的连续基体层)。放置到第一腔体内的是重0.0655g的单块玻璃，计算出的该块玻璃体积为14.89立方毫米，也就是腔体体积的187％。放置到第二腔体内的是重0.0644g的单块玻璃，计算出的该块玻璃体积为14.64立方毫米，也就是腔体体积的184％。放置到第三腔体内的是三块相似尺寸的玻璃，这些玻璃块总重量为0.0645g，计算出的总体积为14.66立方毫米，也就是腔体体积的184％。放置到第四腔体内的是两块相似尺寸的玻璃，这些玻璃块总重量为0.0725g，计算出的总体积为16.48立方毫米，也就是腔体体积的207％。
然后将此填充的模具放置在管炉中，根据稍微有些不同的温度分布进行加热。炉中的气氛为缓慢放出的100％氮气。在加热期间不向玻璃块施加外部压力。温度分布如下：在110分钟内从室温(约25℃)升至850℃；保持850℃ 20分钟；在60分钟内从850℃降至610℃；保持610℃10分钟；在25分钟内从610℃降至555℃；保持555℃10分钟；在75分钟内从555℃降至室温；
此加热和冷却特征图引起玻璃粒子在其各自的腔体内软化和变形，然后固化形成提取器。在该第二具体实施例中形成的提取器类似于第一实施例中所形成的提取器，不同的是第二实施例中的提取器显示出在其顶部具有显著的穹窿，这是由于与第一实施例相比使用了过量的玻璃材料。
有利地，第二实施例的提取器将同样经过以下附加的工序。当提取器仍在模具中时，可使用(如)石蜡形成上述刚性基体层。然后可将提取器从模具移除，同时维持它们的相对取向。可同时将提取器的底部磨平并抛光(例如，Ra为50nm或25nm或更小)，然后分割并分别附接或以其他方式连接到具有1mm乘1mm发射面的单个LED晶粒。在可供选择的实施例中，可将该模具材料由石墨更换为另一种材料，例如可得自密歇根州安阿伯市工业陶瓷技术有限公司(IndustrialCeramic Technology，Inc.)的克里斯特罗伊(CRYSTALOY)牌陶瓷(如CRYSTALOY 2311 EDX，一种碳化硅晶须增强陶瓷复合材料)等能够在氧化气氛中操作的材料。
除非另外指明，在说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由词语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，在上述说明书和所附权利要求中所提出的数值参数为近似值，可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。
上述具体实施方式为示例性的，并非旨在限制本发明的范围。本文所公开的实施例可能存在变体以及修改形式，本领域的普通技术人员研究本专利文档后可以理解实施例中多种元件的实际替代物和等同物。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以制造出本文所公开的实施例的这些以及其他的变型和修改形式。本文提到的所有专利和专利申请全文以引用方式并入本文，只要不与上述说明书相矛盾。

Claims (10)

1.一种制造提取器阵列的方法，所述方法包括：
提供模具，所述模具内具有多个腔体，每个腔体适于形成适用于耦合到LED晶粒的提取器；
使用多个玻璃粒子填充该模具；
将所述玻璃粒子加热至其玻璃化转变温度以上，使得所述粒子再成形以适形于该腔体形状；以及
形成在所述腔体之间延伸的基体层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体和所述玻璃粒子的相对尺寸使得一个以上玻璃粒子填充每个腔体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体和所述玻璃粒子的相对尺寸使得单个玻璃粒子基本上填充每个腔体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热步骤还包括向所述玻璃粒子施加压力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个玻璃粒子过度填充所述腔体，使得在所述加热步骤过程中发生所述形成步骤，通过所述玻璃粒子的变形来形成所述基体层。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
冷却受热的玻璃以形成固体提取器的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述模具具有至少一个表面，其表面粗糙度Ra小于50纳米(nm)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中再成形的粒子为提取器或提取器的一部分，并且所述基体层将所述提取器以相互固定的空间关系维持。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述提取器连接至所述基体层时将所述提取器从所述模具移除。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述提取器连接至所述基体层时抛光所述提取器中的每一个的表面。
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