Encapsulation structures for light-emitting diode packages

Abstract

Light-emitting diode (LED) devices and more particularly encapsulation structures in LED packages are disclosed. Encapsulation structures include encapsulants with a host material and arrangements of diffuser particles within the host material. Different diffuser particles may be configured to provide different optical characteristics, including increased reflection, increased refraction, and / or altering mechanical integrity of the host material. Certain diffuser particles are configured to preferentially form along weak spots in encapsulant materials, such as along corners between recess floors and recess sidewalls of LED packages, to provide localized regions with increased thermal absorption during thermal cycling. LED displays with LED packages that include such encapsulation structures are also disclosed.

Description

ENCAPSULATION STRUCTURES FOR LIGHT-EMITTING DIODE PACKAGES

[0001] Field of the Disclosure

[0002] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices and more particularly to encapsulation structures in LED packages.Background

[0003] Solid-state lighting devices such as light-emitting diodes (LEDs) are increasingly used in both consumer and commercial applications. Advancements in LED technology have resulted in highly efficient and mechanically robust light sources with a long service life. Accordingly, modern LEDs have enabled a variety of new display applications and are being increasingly utilized for general illumination applications, often replacing incandescent and fluorescent light sources.

[0004] LEDs are solid-state devices that convert electrical energy to light and generally include one or more active layers of semiconductor material (or an active region) arranged between oppositely doped n-type and p-type layers. When a bias is applied across the doped layers, holes and electrons are injected into the one or more active layers where they recombine to generate emissions such as visible light or ultraviolet emissions. An LED chip typically includes an active region that may be fabricated, for example, from gallium nitride, gallium phosphide, aluminum nitride, indium nitride, gallium-indium-based materials, gallium arsenide-based materials, and / or from organic semiconductor materials.

[0005] LED packages have been developed that can provide mechanical support, electrical connections, and encapsulation for LED emitters. Lumiphoric materials, such as phosphors, may also be arranged in close proximity to LED emitters to convert portions of light emissions to different wavelengths. As LED technology continues to be developed for ever-evolving modern applications, challenges exist in keeping up with operating demands for LED packages and related elements of LED packages. In certain applications, LED packages are  used in LED-based displays for outdoor applications and / or other locations and may be subject to exposure to adverse environmental conditions.

[0006] The art continues to seek improved LEDs and solid-state lighting devices having desirable illumination characteristics capable of overcoming challenges associated with conventional lighting devices.Summary

[0007] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices and more particularly to encapsulation structures in LED packages. Encapsulation structures include encapsulants with a host material and arrangements of diffuser particles within the host material. Different diffuser particles may be configured to provide different optical characteristics, including increased reflection, increased refraction, and / or altering mechanical integrity of the host material. Certain diffuser particles are configured to preferentially form along weak spots in encapsulant materials, such as along corners between recess floors and recess sidewalls of LED packages, to provide localized regions with increased thermal absorption during thermal cycling. LED displays with LED packages that include such encapsulation structures are also disclosed.

[0008] In one aspect, an LED package comprises: a support structure forming a recess with a recess floor; one or more LED chips positioned at the recess floor; and an encapsulant within the recess and over the one or more LED chips, the encapsulant comprising: a host material; a first plurality of diffuser particles within the host material; a second plurality of diffuser particles within the host material; and a third plurality of diffuser particles within the host material, the third plurality of diffuser particles being arranged in a higher concentration at the recess floor than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments, the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the recess floor than a total concentration of both the first plurality of diffuser particles and the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments: the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess  floor and the recess sidewalls; and the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the one or more recess corners than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.

[0009] In certain embodiments: the encapsulant forms a first subregion along the recess floor and the one or more recess corners and a second subregion such that the first subregion is between the second subregion and the recess floor; the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration within the first subregion than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles; and the third plurality of diffuser particles are arranged in a lower concentration within the second subregion than one or more of the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments, the first subregion is a first encapsulation layer and the second subregion is a second encapsulation layer. In certain embodiments, the first subregion is further arranged along a top surface of the one or more LED chips. The LED package may further comprise a wire bond connected to the top surface of the one or more LED chips, wherein the first subregion is further arranged along the wire bond.

[0010] In certain embodiments, the support structure comprises a lead frame structure with a housing, and the recess is formed within the housing. In certain embodiments: the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess floor and the recess sidewalls; and portions of one or more leads of the lead frame structure extend from within the housing and through portions of the one or more recess corners.

[0011] In certain embodiments, the host material comprises an epoxy. In certain embodiments, the third plurality of diffuser particles comprises fused silica. In certain embodiments: the first plurality of diffuser particles comprise a first surface morphology; the second plurality of diffuser particles comprise a second surface morphology that is different than the first surface morphology; and the third plurality of diffuser particles comprise a third surface morphology that is different than both the first surface morphology and the second surface morphology. In certain embodiments, the third surface morphology is spherical  and nonporous. In certain embodiments, the first surface morphology is nonporous, and the second surface morphology is porous. In certain embodiments: the first plurality of diffuser particles comprise a first median particle size distribution in a range from 7 μm to 13 μm; the second plurality of diffuser particles comprise a second median particle size distribution of in a range from 4 μm to 5 μm; and the third plurality of diffuser particles comprise a comprise a third median particle size distribution of in a range from 4 μm to 6 μm.

[0012] In another aspect, an LED display comprises: a display panel; and at least one LED package comprising: a support structure forming a recess with a recess floor; one or more LED chips positioned at the recess floor; and an encapsulant within the recess and over the one or more LED chips, the encapsulant comprising: a host material; a first plurality of diffuser particles within the host material; a second plurality of diffuser particles within the host material; and a third plurality of diffuser particles within the host material, the third plurality of diffuser particles being arranged in a higher concentration at the recess floor than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments, the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the recess floor than a total concentration of both the first plurality of diffuser particles and the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments: the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess floor and the recess sidewalls; and the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the one or more recess corners than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments: the encapsulant forms a first subregion along the recess floor and the one or more recess corners and a second subregion such that the first subregion is between the second subregion and the recess floor; the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration within the first subregion than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles; and the third plurality of diffuser particles are arranged in a lower concentration within the second subregion than one or more of the first  plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles. In certain embodiments, the support structure comprises a lead frame structure with a housing, and the recess is formed within the housing. In certain embodiments: the first plurality of diffuser particles comprise a first surface morphology; the second plurality of diffuser particles comprise a second surface morphology that is different than the first surface morphology; and the third plurality of diffuser particles comprise a third surface morphology that is different than both the first surface morphology and the second surface morphology. In certain embodiments: the first plurality of diffuser particles comprise a first median particle size distribution of in a range from 7 μm to 13 μm; the second plurality of diffuser particles comprise a second median particle size distribution of in a range from 4 μm to 5 μm; and the third plurality of diffuser particles comprise a comprise a third median particle size distribution of in a range from 4 μm to 6 μm.

[0013] In another aspect, any of the foregoing aspects individually or together, and / or various separate aspects and features as described herein, may be combined for additional advantage. Any of the various features and elements as disclosed herein may be combined with one or more other disclosed features and elements unless indicated to the contrary herein.

[0014] Those skilled in the art will appreciate the scope of the present disclosure and realize additional aspects thereof after reading the following detailed description of the preferred embodiments in association with the accompanying drawing figures.

[0015] Brief Description of the Drawing Figures

[0016] The accompanying drawing figures incorporated in and forming a part of this specification illustrate several aspects of the disclosure, and together with the description serve to explain the principles of the disclosure.

[0017] FIG. 1A is a top view of a light-emitting diode (LED) package that includes a lead frame structure collectively formed by a plurality of leads, a body or housing that encases a portion of the lead frame structure, and an encapsulant that is arranged within a recess formed by the housing.

[0018] FIG. 1 B is a cross-sectional view of the LED package of FIG. 1A taken along the sectional line 1 B-1 B of FIG. 1A.

[0019] FIG. 2 is a diagram of the encapsulant with first diffuser particles having angular and nonporous surface morphologies according to aspects of the present disclosure.

[0020] FIG. 3 is a diagram of the encapsulant with second diffuser particles having agglomerated and porous surface morphologies according to aspects of the present disclosure.

[0021] FIG. 4 is a diagram of the encapsulant with third diffuser particles having spherical surface morphologies according to aspects of the present disclosure.

[0022] FIG. 5A is a cross-sectional view of an LED package that is similar to the LED package of FIGS. 1A and 1 B for embodiments where different concentrations of diffuser particles are arranged in multiple subregions of the encapsulant.

[0023] FIG. 5B is a magnified view of a portion of the LED package as defined by the dashed line box labeled 5B in FIG. 5A.

[0024] FIG. 6A is a cross-sectional view of an LED package that is similar to the LED package of FIG. 5A for embodiments where first and second subregions of the encapsulant may not be as well defined.

[0025] FIG. 6B is a magnified view of a portion of the LED package as defined by the dashed line box labeled 6B in FIG. 6A.

[0026] FIG. 7 is a schematic diagram of a portion of an LED display with one or more LED packages according to principles of the present disclosure.Detailed Description

[0027] The embodiments set forth below represent the necessary information to enable those skilled in the art to practice the embodiments and illustrate the best mode of practicing the embodiments. Upon reading the following description in light of the accompanying drawing figures, those skilled in the art will understand the concepts of the disclosure and will recognize applications of  these concepts not particularly addressed herein. It should be understood that these concepts and applications fall within the scope of the disclosure and the accompanying claims.

[0028] It will be understood that, although the terms first, second, etc. may be used herein to describe various elements, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. For example, a first element could be termed a second element, and, similarly, a second element could be termed a first element, without departing from the scope of the present disclosure. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

[0029] It will be understood that when an element such as a layer, region, or substrate is referred to as being "on" or extending "onto" another element, it can be directly on or extend directly onto the other element or intervening elements may also be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly on" or extending "directly onto" another element, there are no intervening elements present. Likewise, it will be understood that when an element such as a layer, region, or substrate is referred to as being "over" or extending "over" another element, it can be directly over or extend directly over the other element or intervening elements may also be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly over" or extending "directly over" another element, there are no intervening elements present. It will also be understood that when an element is referred to as being "connected" or "coupled" to another element, it can be directly connected or coupled to the other element or intervening elements may be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there are no intervening elements present.

[0030] Relative terms such as "below" or "above" or "upper" or "lower" or "horizontal" or "vertical" may be used herein to describe a relationship of one element, layer, or region to another element, layer, or region as illustrated in the Figures. It will be understood that these terms and those discussed above are  intended to encompass different orientations of the device in addition to the orientation depicted in the Figures.

[0031] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the disclosure. As used herein, the singular forms "a, " "an, " and "the" are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms "comprises, " "comprising, " "includes, " and / or "including" when used herein specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0032] Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. It will be further understood that terms used herein should be interpreted as having a meaning that is consistent with their meaning in the context of this specification and the relevant art and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly so defined herein.

[0033] Embodiments are described herein with reference to schematic illustrations of embodiments of the disclosure. As such, the actual dimensions of the layers and elements can be different, and variations from the shapes of the illustrations as a result, for example, of manufacturing techniques and / or tolerances, are expected. For example, a region illustrated or described as square or rectangular can have rounded or curved features, and regions shown as straight lines may have some irregularity. Thus, the regions illustrated in the figures are schematic and their shapes are not intended to illustrate the precise shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the disclosure. Additionally, sizes of structures or regions may be exaggerated relative to other structures or regions for illustrative purposes and, thus, are provided to illustrate the general structures of the present subject matter and may or may not be drawn to scale. Common elements between figures may be  shown herein with common element numbers and may not be subsequently re-described.

[0034] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices and more particularly to encapsulation structures in LED packages. Encapsulation structures include encapsulants with a host material and arrangements of diffuser particles within the host material. Different diffuser particles may be configured to provide different optical characteristics, including increased reflection, increased refraction, and / or altering mechanical integrity of the host material. Certain diffuser particles are configured to preferentially form along weak spots in encapsulant materials, such as along corners between recess floors and recess sidewalls of LED packages, to provide localized regions with increased thermal absorption during thermal cycling. LED displays with LED packages that include such encapsulation structures are also disclosed.

[0035] Before delving into specific details of various aspects of the present disclosure, an overview of various elements that may be included in exemplary LED packages of the present disclosure is provided for context. An LED chip typically comprises an active LED structure or region that can have many different semiconductor layers arranged in different ways. The fabrication and operation of LEDs and their active structures are generally known in the art and are only briefly discussed herein. The layers of the active LED structure can be fabricated using known processes with a suitable process being fabrication using metal organic chemical vapor deposition. The layers of the active LED structure may comprise many different layers and generally comprise an active layer sandwiched between n-type and p-type oppositely doped epitaxial layers, all of which are formed successively on a growth substrate. It is understood that additional layers and elements can also be included in the active LED structure, including, but not limited to, buffer layers, nucleation layers, super lattice structures, undoped layers, cladding layers, contact layers, and current-spreading layers and light extraction layers and elements. The active layer can comprise a single quantum well, a multiple quantum well, a double heterostructure, or super lattice structures.

[0036] The active LED structure can be fabricated from different material systems, with some material systems being Group III nitride-based material systems. Group III nitrides refer to those semiconductor compounds formed between nitrogen (N) and the elements in Group III of the periodic table, usually aluminum (Al) , gallium (Ga) , and indium (In) . Gallium nitride (GaN) is a common binary compound. Group III nitrides also refer to ternary and quaternary compounds such as aluminum gallium nitride (AlGaN) , indium gallium nitride (InGaN) , and aluminum indium gallium nitride (AlInGaN) . For Group III nitrides, silicon (Si) is a common n-type dopant and magnesium (Mg) is a common p-type dopant. Accordingly, the active layer, n-type layer, and p-type layer may include one or more layers of GaN, AlGaN, InGaN, and AlInGaN that are either undoped or doped with Si or Mg for a material system based on Group III nitrides. Other material systems include organic semiconductor materials, and other Group III-V systems such as gallium phosphide (GaP) , gallium arsenide (GaAs) , and related compounds. The active LED structure may be grown on a growth substrate that can include many materials, such as sapphire, silicon carbide (SiC) , silicon, aluminum nitride (AlN) , and GaN.

[0037] Different embodiments of the active LED structure can emit different wavelengths of light depending on the composition of the active layer. In some embodiments, the active LED structure emits blue light with a peak wavelength range of approximately 430 nanometers (nm) to 480 nm. In other embodiments, the active LED structure emits green light with a peak wavelength range of 500 nm to 570 nm. In other embodiments, the active LED structure emits red light with a peak wavelength range of 600 nm to 700 nm. In certain embodiments, the active LED structure may be configured to emit light that is outside the visible spectrum, including one or more portions of the ultraviolet (UV) spectrum, or one or more portions of the near infrared spectrum, and / or the infrared spectrum (e.g., 700 nm to 1000 nm) . The UV spectrum is typically divided into three wavelength range categories denotated with letters A, B, and C. In this manner, UV-A light is typically defined as a peak wavelength range from 315 nm to 400 nm, UV-B is typically defined as a peak wavelength range from 280 nm to 315 nm, and UV-C  is typically defined as a peak wavelength range from 100 nm to 280 nm. UV LEDs are of particular interest for use in applications related to the disinfection of microorganisms in air, water, and surfaces, among others. In other applications, UV LEDs may also be provided with one or more lumiphoric materials to provide LED packages with aggregated emissions having a broad spectrum and improved color quality for visible light applications.

[0038] Aspects of the present disclosure are applicable to multiple-chip LED packages where multiple LED chips are arranged within a common recess and sometimes beneath a common lens of an LED package. In certain embodiments, LED packages may include red, green, and blue LED chips such that the LED package may be positioned as a pixel in an LED display. In other embodiments, aspects of the present disclosure may be applicable to other LED packages, such as those that include one or more LED chips with a recipient lumiphoric material that converts at least a portion of light generated from the one or more LED chips to a different wavelength.

[0039] An LED chip can also be covered with one or more lumiphoric materials (also referred to herein as lumiphors) , such as phosphors, such that at least some of the light from the LED chip is absorbed by the one or more lumiphors and is converted to one or more different wavelength spectra according to the characteristic emission from the one or more lumiphors. In this regard, at least one lumiphor receiving at least a portion of the light generated by the LED source may re-emit light having different peak wavelength than the LED source. An LED source and one or more lumiphoric materials may be selected such that their combined output results in light with one or more desired characteristics such as color, color point, intensity, etc. In certain embodiments, aggregate emissions of LED chips, optionally in combination with one or more lumiphoric materials, may be arranged to provide cool white, neutral white, or warm white light, such as within a color temperature range of 2, 500 Kelvin (K) to 10,000 K. In certain embodiments, lumiphoric materials having cyan, green, amber, yellow, orange, and / or red peak emission wavelengths may be used. In some embodiments, the combination of the LED chip and the one or more  lumiphors (e.g., phosphors) emits a generally white combination of light. The one or more phosphors may include yellow (e.g., YAG: Ce) , green (e.g., LuAg: Ce) , and red (e.g., Cai-x-ySrxEuyAlSiN3) emitting phosphors, and combinations thereof.

[0040] Lumiphoric materials as described herein may be or include one or more of a phosphor, a scintillator, a lumiphoric ink, a quantum dot material, a day glow tape, and the like. Lumiphoric materials may be provided by any suitable means, for example, direct coating on one or more surfaces of an LED, dispersal in an encapsulant material configured to cover one or more LEDs, and / or coating on one or more optical or support elements (e.g., by powder coating, inkjet printing, or the like) . In certain embodiments, lumiphoric materials may be downconverting or upconverting, and combinations of both downconverting and upconverting materials may be provided. In certain embodiments, multiple different (e.g., compositionally different) lumiphoric materials arranged to produce different peak wavelengths may be arranged to receive emissions from one or more LED chips. One or more lumiphoric materials may be provided on one or more portions of an LED chip in various configurations. In certain embodiments, lumiphoric materials may be provided over one or more surfaces of LED chips, while other surfaces of such LED chips may be devoid of lumiphoric material.

[0041] As used herein, a layer or region of a light-emitting device may be considered to be "transparent" when at least 80%of emitted radiation that impinges on the layer or region emerges through the layer or region. Moreover, as used herein, a layer or region of an LED is considered to be "reflective" or embody a “mirror” or a "reflector" when at least 80%of the emitted radiation that impinges on the layer or region is reflected. In some embodiments, the emitted radiation comprises visible light such as blue and / or green LEDs with or without lumiphoric materials. In other embodiments, the emitted radiation may comprise nonvisible light. For example, in the context of GaN-based blue and / or green LEDs, silver (Ag) may be considered a reflective material (e.g., at least 80%reflective) .

[0042] The present disclosure can be useful for LED chips having a variety of geometries, such as vertical geometry or lateral geometry. A vertical geometry LED chip typically includes anode and cathode connections on opposing sides or faces of the LED chip. A lateral geometry LED chip typically includes both anode and cathode connections on the same side of the LED chip that is opposite a substrate, such as a growth substrate. In certain embodiments, a lateral geometry LED chip may be mounted on a submount of an LED package such that the anode and cathode connections are on a face of the LED chip that is opposite the submount. In this configuration, wire bonds may be used to provide electrical connections with the anode and cathode connections. In other embodiments, a lateral geometry LED chip may be flip-chip mounted on a surface of a submount of an LED package such that the anode and cathode connections are on a face of the active LED structure that is adjacent to the submount. In this configuration, electrical traces or patterns may be provided on the submount for providing electrical connections to the anode and cathode connections of the LED chip. In a flip-chip configuration, the active LED structure is configured between the substrate of the LED chip and the submount for the LED package. Accordingly, light emitted from the active LED structure may pass through the substrate in a desired emission direction. In other embodiments, an active LED structure may be bonded to a carrier submount, and the growth substrate may be removed such that light may exit the active LED structure without passing through the growth substrate.

[0043] According to aspects of the present disclosure, LED packages may include one or more elements, such as lumiphoric materials, encapsulants, light-altering materials, lenses, and electrical contacts, among others that are provided with one or more LED chips. In certain aspects, an LED package may include a support member, such as a submount or a lead frame. Suitable materials for the submount include, but are not limited to, ceramic materials such as aluminum oxide or alumina, AlN, or organic insulators like polyimide (PI) and polyphthalamide (PPA) . In other embodiments, a submount may comprise a printed circuit board (PCB) , sapphire, Si or any other suitable material. For PCB  embodiments, different PCB types can be used such as standard FR-4 PCB, metal core PCB, or any other type of PCB. In still further embodiments, the support structure may embody a lead frame structure. Light-altering materials may be arranged within LED packages to reflect or otherwise redirect light from the one or more LED chips in a desired emission direction or pattern.

[0044] In certain embodiments, aspects of the present disclosure relate to LED packages with lead frame structures that are at least partially encased by a body or housing. A lead frame structure may typically be formed of a metal, such as copper, copper alloys, or other conductive metals. The lead frame structure may initially be part of a larger metal structure that is singulated during manufacturing of individual LED packages. Within an individual LED package, isolated portions of the lead frame structure may form anode and cathode connections for an LED chip. The body or housing may be formed of an insulating material that is arranged to surround or encase portions of the lead frame structure. For example, the body or housing may comprise one or more of PPA, PCT, EMC, FR4, BT, impregnated fiber, and / or plastics, etc. The housing may be formed on the lead frame structure before singulation so that the individual lead frame portions may be electrically isolated from one another and mechanically supported by the housing within an individual LED package. The housing may form a cup or a recess in which one or more LED chips may be mounted to the lead frame at a floor of the recess. Portions of the lead frame structure may extend from the recess and through the housing to protrude or be accessible outside of the housing to provide external electrical connections. An encapsulant material, such as silicone, epoxy, or polymethyl methacrylate (PMMA) , among others, may fill the recess to encapsulate the one or more LED chips. In certain embodiments, one or more lumiphoric materials, such as phosphor particles, may be integrated or otherwise embedded within the encapsulant material.

[0045] In conventional LED packages, adhesion between the encapsulant material and sidewalls of the recess may be compromised by thermal and / or physical stresses during operation, particularly in LED packages for outdoor  environments. In some instances, delamination of the encapsulant along the sidewalls of the recess may occur, thereby allowing moisture ingress pathways into the LED package. In LED packages with lead frame structures, interfaces between the lead frame and housing may form other moisture ingress pathways. Conventional encapsulants for LED packages may suffer from trade-offs between moisture ingress protection and package integrity. For example, conventional encapsulant materials with high degrees of moisture ingress resistance often come with trade-offs in increased rigidity that may contribute to LED chip and / or bonding damage. LED packages are subject to thermal cycling during use and associated thermal stress may comprise rigid encapsulant materials, particularly at any weak points. Other conventional encapsulant materials with less rigidity may be more susceptible to moisture ingress and long-term reliability concerns.

[0046] According to aspects of the present disclosure, encapsulation structures are described that provide improved robustness to moisture ingress with increased stability during thermal cycling. Encapsulation structures include encapsulants with a host material and arrangements of diffuser particles within the host material. Exemplary host materials include various epoxies with or without additives, such as aliphatic epoxies, aliphatic amines, polyesters, phenolic based aliphatics, and anhydride derivatives. Various diffuser particles may provide increased opacity and provide a matte finish for LED packages, which is beneficial for providing increased contrast in LED display applications. Different diffuser particles may be configured to provide different optical characteristics, including increased reflection, increased refraction, and / or altering mechanical integrity of the host material. In certain embodiments, various diffuser particles may be configured to cooperate with other different diffuser particles to alter and / or enhance the optical characteristics and / or integrity of the total encapsulant system. As used herein, diffuser particles do not refer to lumiphoric particles, such as phosphors, that convert received wavelengths of light to other wavelengths.

[0047] Exemplary diffuser particles may include silica and / or fused silica including silicon dioxide (SiO2) , titania including titanium dioxide (TiO2) , alumina such as aluminum oxide (Al2O3) , and combinations thereof. In certain embodiments, encapsulants may include three different types of diffuser particles, each of which having different surface morphologies. Different surface morphologies may include angular and nonporous particles that may provide increased reflective properties, porous particles that may provide increased refractive properties, and spherical particles that may promote increased settling along package floors to reduce rigidity at conventional package weak spots. In certain embodiments, such encapsulation structures may be well suited for use in LED packages with housings that comprise polyamides (e.g., nylons) such as polypthalamides (PPA) , polyesters such as polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT) , epoxy-molding compounds (EMC) , and silicones. The housing materials may further include pigments such as TiO2, composite fiber, or fill materials such as SiO2 or talc, as well as other additives for various property modifications.

[0048] FIG. 1A is a top view of an LED package 10 that includes a lead frame structure collectively formed by a plurality of leads 12-1 to 12-6, a body or housing 14 that encases a portion of the lead frame structure, and an encapsulant 16 that is arranged within a recess 14R formed by the housing 14. FIG. 1 B is a cross-sectional view of the LED package 10 of FIG. 1A taken along the sectional line 1 B-1 B of FIG. 1A. The LED package 10 includes LED chips 18-1 to 18-3 that are mounted on and electrically coupled respectively to the leads 12-1 to 12-3 and electrically coupled to corresponding leads 12-4 to 12-6 by way of wire bonds 20. While a single wire bond 20 is illustrated for each LED chip 18-1 to 18-3, it is understood that various ones of the LED chips 18-1 to 18-3 may embody a lateral structure where a second wire bond may be employed to provide electrical coupling.

[0049] In certain aspects, each of the LED chips 18-1 to 18-3 may be configured to emit a different wavelength from the other LED chips. For example, the LED chip 18-1 may be configured to emit red light, the LED chip 18-2 may be  configured to emit green light, and the LED chip 18-3 may be configured to emit blue light. While three LED chips 18-1 to 18-3 are illustrated, the principles disclosed herein are applicable to any number of LED chips within the LED package 10. The recess 14R may include a recess floor 14F and one or more recess sidewalls 14S. The leads 12-1 to 12-6 may be arranged to extend through the housing 14 and a portion of the leads 12-1 to 12-6 may be arranged along or otherwise exposed at the recess floor 14F.

[0050] As best illustrated in FIG. 1 B, the leads 12-2, 12-5 form several bends within the housing 14, thereby providing increased distance for any harmful moisture ingress. While only the leads 12-2, 12-5 are visible in the cross-section of FIG. 1 B, it is understood all of the leads 12-1 to 12-6 may be formed with the same or similar shape. The leads 12-2, 12-5 are accessible along the recess floor 14F for electrically connecting with the LED chips 18-1 to 18-3. In this regard, portions of the leads 12-1 to 12-6 are positioned at intersections or recess corners 14C between the recess sidewalls 14S and the recess floor 14F. The recess corners 14C may also correspond with weak spots in the encapsulant 16, particularly for rigid encapsulant materials that are typically employed to be resistant to moisture ingress. As described above, thermal stress during operation may weaken the encapsulant 16 at the recess corners 14C, contributing to decreased sealing. Accordingly, harsh environmental conditions may lead to moisture ingress that follows the leads 12-1 to 12-6 into the recess 14R.

[0051] As described above, embodiments of the present disclosure include encapsulants with a host material and arrangements of diffuser particles within the host material. The arrangement of the host material and the diffuser particles is configured to provide increased resistance to moisture ingress while also providing localized absorption of thermal expansion caused by thermal cycling. FIGS. 2 to 4 provide exemplary diagrams of various diffuser particles with different surface morphologies according to principles of the present disclosure.

[0052] FIG. 2 is a diagram of the encapsulant 16 with first diffuser particles 22 having angular and nonporous surface morphologies according to aspects of the  present disclosure. The first diffuser particles 22 may embody ground materials such as silica or glass, titania, alumina, and combinations thereof. In certain embodiments, the first diffuser particles 22 may have a particle size distribution in a range from 7 μm to 13 μm. In certain embodiments, the first diffuser particles 22 may have a median particle size distribution (D50) in a range from 5 μm to 15 μm, or about 10 μm, with 10%particle size distribution (D10) values of about 2 μm, 90%particle size distribution (D90) values of about 30 μm, and 99%particle size distribution (D99) values of about 45 μm as measured by laser diffraction. With scanning electron microscopy (SEM) , a full measured range may include as low as 1 μm to as high as 80 μm. In certain embodiments, the overall particle size distribution of the first diffuser particles 22 may have a broad, asymmetric, and favors larger size particles. With relatively larger particle sizes, the first diffuser particles 22 may have larger surfaces that promote increased reflectivity, thereby providing increased opacity and a matte finish for improved surface reflection and contrast of encapsulants in LED packages. As illustrated, the first diffuser particles 22 may be mixed and / or suspended within a host material 24, such one or more various epoxy materials as described above. After mixing, the first diffuser particles 22 may be suspended in place during curing of the host material 24.

[0053] FIG. 3 is a diagram of the encapsulant 16 with second diffuser particles 26 having agglomerated and porous surface morphologies according to aspects of the present disclosure. The second diffuser particles 26 may comprise similar materials as the first diffuser particles 22, such as silica or glass, titania, alumina, and combinations thereof. However, the second diffuser particles 26 are configured to have porous surfaces that promote increased refraction of light. The increased refractive properties provide increased opacity and an enhanced matte finish for improved surface reflection and contrast in a complimentary manner with the increased reflective properties of the first diffuser particles 22 of FIG. 2. In certain embodiments, the second diffuser particles 26 may have a particle size distribution in a range from 4 μm to 5 μm. In certain embodiments, the second diffuser particles 26 may have a median particle size distribution (D50)  in a range from 4 μm to 5 μm, or about 4.5 μm, with a D10 value of about 2.5 μm, a D90 value of about 7 μm, and a D99 value of about 10 μm as measured by laser diffraction. As characterized by SEM, a full measured range may include as low as 1 μm to as high as 6 μm. In certain embodiments, a particle size distribution for the second diffuser particles 26 has a normal or gaussian shape that is symmetric with a generally tight distribution. As with FIG. 2, the second diffuser particles 26 may be mixed and / or suspended within the host material 24 and suspended in place during subsequent curing.

[0054] FIG. 4 is a diagram of the encapsulant 16 with third diffuser particles 28 having spherical surface morphologies according to aspects of the present disclosure. The third diffuser particles 28 may comprise similar materials as the first and second diffuser particles 22, 26, such as silica or glass, titania, alumina, and combinations thereof. However, the third diffuser particles 28 are configured to have spherical and generally nonporous shapes. In certain embodiments, the third diffuser particles 28 may have further surface treatment (s) affecting the interaction with host materials. In this regard, the third diffuser particles 28 may be configured to settle faster within the host material 24 before curing than the first and second diffuser particles 22, 26 in host materials of encapsulants. This faster settling may provide increased concentrations of the third diffuser particles 28 in targeted areas, such as along recess floors and corresponding recess corners. The third diffuser particles 28 may also alter thermal expansion characteristics of encapsulants, particularly in localized areas with increased concentrations, thereby promoting increased absorption of thermal stress during thermal cycling. In certain embodiments, the third diffuser particles 28 may have a particle size distribution in a range from 4 μm to 6 μm. In certain embodiments, the third diffuser particles 28 may have a median particle size distribution (D50) in a range from 4 μm to 6 μm, or about 5 μm, with a D10 value of about 1.8 μm, a D90 value of about 12 μm, and a D99 value of about 25 μm as measured by laser diffraction. The D99 numbers may include some agglomerates. As characterized by SEM, a full measured range may include as low as 1 μm to as high as 12 μm. In certain embodiments, a particle size distribution for the third  diffuser particles 28 may have a biomodal shape with a dip in percentage at 50%while also having a symmetric and generally narrow distribution.

[0055] FIG. 5A is a cross-sectional view of an LED package 30 that is similar to the LED package 10 of FIGS. 1A and 1 B for embodiments where different concentrations of diffuser particles are arranged in multiple subregions 16-1, 16-2 of the encapsulant 16. FIG. 5B is a magnified view of a portion of the LED package 30 as defined by the dashed line box labeled 5B in FIG. 5A. As illustrated, a first subregion 16-1 of the encapsulant 16 is arranged along the recess floor 14F and at the recess corners 14C. The first subregion 16-1 may include an increased concentration of the third diffuser particles 28 relative to the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26. As described above, the surface morphology of the third diffuser particles 28 is configured with spherical and nonporous surfaces that settle within the host material 24 of the encapsulant 16 faster than the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26. In this regard, the third diffuser particles 28 preferentially form along the recess floor 14F and at the recess corners 14C to form the first subregion 16-1. While some of the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26 may form in the first subregion 16-1, the concentration of the third diffuser particles 28 is higher than either the concentration of the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26. In certain embodiments, the concentration of the third diffuser particles 28 is higher than a total concentration of both the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26. In still further embodiments, some of the third diffuser particles 28 may be present in the second subregion 16-2, but with a lower concentration than the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26.

[0056] In still further embodiments, various portions or even all of the second subregion 16-2 may be devoid of the third diffuser particles 28. For example, the first subregion 16-1 and the second subregion 16-2 may embody separately formed and distinct layers of the encapsulant 16. In certain embodiments, the first subregion 16-1 may embody a first encapsulant layer that is dispensed within the recess 14R and cured. Accordingly, the second subregion 16-2 may  embody a second encapsulant layer that is then dispensed and cured on the first encapsulant layer.

[0057] As illustrated in FIGS. 5A and 5B, the first subregion 16-1 may further form along a top surface 18-2T of the LED chip 18-2 and / or along surfaces of the wire bond 20. In further embodiments, the first subregion 16-1 may form along one or more sidewalls 18-2S of the LED chip 18-2. As described above, the third diffuser particles 28 may alter thermal expansion characteristics of encapsulant 16 in a manner that promotes increased absorption of thermal stress during thermal cycling. Such an arrangement may accordingly increase the integrity of the encapsulant 16 along one or more of the recess floor 14F, the recess corners 14C, the top surface 18-2T and / or sidewalls 18-2S of the LED chip 18-2, and / or along surfaces of the wire bond 20.

[0058] FIG. 6A is a cross-sectional view of an LED package 32 that is similar to the LED package 30 of FIG. 5A for embodiments where the first and second subregions 16-1, 16-2 of the encapsulant 16 may not be as well defined. FIG. 6B is a magnified view of a portion of the LED package 32 as defined by the dashed line box labeled 6B in FIG. 6A. Instead of the more defined first and second subregions 16-1, 16-2 of FIGS. 5A and 5B, the third diffuser particles 28 are formed with concentrations that are generally graded from higher to lower in a direction as illustrated by the arrow 34 of FIG. 6A. In certain embodiments, the first diffuser particles 22 and the second diffuser particles 26 may be more evenly mixed throughout portions of the encapsulant 16. As with FIGS. 5A and 5B, the concentration of the third diffuser particles 28 for the LED package 32 may still be higher than either the concentration of the first diffuser particles 22 and / or the second diffuser particles 26 along the recess floor 14F and the recess corners 14C.

[0059] As described above, the encapsulant 16 may be formed by mixing the first, second, and third diffuser particles 22, 26, 28 within the host material 24, dispensing the encapsulant 16 into the recess 14R, followed by curing. In certain embodiments an elapsed time between the mixing and curing may be shortened such that the first, second, and third diffuser particles 22, 26, 28 are generally  more mixed than the LED package 30 of FIGS. 5A and 5B. However, the preferential settling of the third diffuser particles 28 still provides an increased concentration of the third diffuser particles 28 along the recess floor 14F and the recess corners 14C relative to the first and second diffuser particles 22, 26. In certain embodiments, the concentration of the third diffuser particles 28 is also higher along the top surface 18-2T and / or sidewalls 18-2S of the LED chip 18-2 and / or along surfaces of the wire bond 20. The shortened elapsed time between mixing and curing may be intentional to provide control over distributions of the first, second, and third diffuser particles 22, 26, 28 within the encapsulant 16. In other embodiments, the shortened elapse time may be provided during normal manufacturing processes. For example, the host material 24 and the first, second, and third diffuser particles 22, 26, 28 may be mixed in bulk format before sequential dispensing into an array of LED packages, followed by curing of the entire array of LED packages. In this manner, the LED package 32 of FIGS. 6A and 6B may embody an LED package that received dispensing from the bulk mixture later than the LED package 30 of FIGS. 5A and 5B. Accordingly, with a longer time between mixing and curing, the settling of the third diffuser particles 28 may be more pronounced in the LED package 30 of FIGS. 5A and 5B. In either case, the higher settled concentration of the third diffuser particles 28 may provide increased absorption of thermal stress during thermal cycling along traditional weak spots of the encapsulant 16, such as at or near the recess corners 14C.

[0060] FIG. 7 is a schematic diagram of a portion of an LED display screen 36, that is, for example, an indoor and / or outdoor screen comprising, in general terms, a display panel including a driver PCB 38 carrying a large number of surface-mount devices (SMDs) 40 arranged in rows and columns, each SMD 40 defining a pixel. The SMDs 40 may comprise LED packages with LED chips 18 as described above for the LED package 30 of FIGS. 5A and 5B and / or the LED package 32 FIGS. 6A and 6B. The SMDs 40 are electrically connected to traces or pads on the PCB 38 to respond to appropriate electrical signal processing and driver circuitry (not shown) . As disclosed above, it is to be appreciated that while  FIG. 7 depicts the LED chips 18 in a linear arrangement, in other embodiments, the LED chips 18 may be arranged in different configurations. By forming encapsulation structures with distributions of diffuser particles as described above, integrity of encapsulants within the SMDs 40 may provide increased resistance to moisture ingress while also providing localized absorption of thermal stress during thermal cycling. Accordingly, the LED display screen 36 may exhibit improved reliability, reduced sensitivity to moisture ingress, and increased operating lifetime.

[0061] It is contemplated that any of the foregoing aspects, and / or various separate aspects and features as described herein, may be combined for additional advantage. Any of the various embodiments as disclosed herein may be combined with one or more other disclosed embodiments unless indicated to the contrary herein.

[0062] Those skilled in the art will recognize improvements and modifications to the preferred embodiments of the present disclosure. All such improvements and modifications are considered within the scope of the concepts disclosed herein and the claims that follow.

Claims

1.A light-emitting diode (LED) package comprising:a support structure forming a recess with a recess floor;one or more LED chips positioned at the recess floor; andan encapsulant within the recess and over the one or more LED chips, the encapsulant comprising:a host material;a first plurality of diffuser particles within the host material;a second plurality of diffuser particles within the host material; anda third plurality of diffuser particles within the host material, the third plurality of diffuser particles being arranged in a higher concentration at the recess floor than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.2.The LED package of claim 1, wherein the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the recess floor than a total concentration of both the first plurality of diffuser particles and the second plurality of diffuser particles.3.The LED package of claim 1, wherein:the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess floor and the recess sidewalls; andthe third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the one or more recess corners than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.4.The LED package of claim 3, wherein:the encapsulant forms a first subregion along the recess floor and the one or more recess corners and a second subregion such that the first subregion is between the second subregion and the recess floor;the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration within the first subregion than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles; andthe third plurality of diffuser particles are arranged in a lower concentration within the second subregion than one or more of the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.5.The LED package of claim 4, wherein the first subregion is a first encapsulation layer and the second subregion is a second encapsulation layer.6.The LED package of claim 4, wherein the first subregion is further arranged along a top surface of the one or more LED chips.7.The LED package of claim 6, further comprising a wire bond connected to the top surface of the one or more LED chips, wherein the first subregion is further arranged along the wire bond.8.The LED package of claim 1, wherein the support structure comprises a lead frame structure with a housing, and the recess is formed within the housing.9.The LED package of claim 8, wherein:the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess floor and the recess sidewalls; andportions of one or more leads of the lead frame structure extend from within the housing and through portions of the one or more recess corners.10.The LED package of claim 1, wherein the host material comprises an epoxy.11.The LED package of claim 1, wherein the third plurality of diffuser particles comprises fused silica.12.The LED package of claim 1, wherein:the first plurality of diffuser particles comprise a first surface morphology;the second plurality of diffuser particles comprise a second surface morphology that is different than the first surface morphology; andthe third plurality of diffuser particles comprise a third surface morphology that is different than both the first surface morphology and the second surface morphology.13.The LED package of claim 12, wherein, the third surface morphology is spherical and nonporous.14.The LED package of claim 13, wherein the first surface morphology is nonporous, and the second surface morphology is porous.15.The LED package of claim 1, wherein:the first plurality of diffuser particles comprise a first median particle size distribution in a range from 7 μm to 13 μm;the second plurality of diffuser particles comprise a second median particle size distribution of in a range from 4 μm to 5 μm; andthe third plurality of diffuser particles comprise a comprise a third median particle size distribution of in a range from 4 μm to 6 μm.16.A light-emitting diode (LED) display comprising:a display panel; andat least one LED package comprising:a support structure forming a recess with a recess floor;one or more LED chips positioned at the recess floor; andan encapsulant within the recess and over the one or more LED chips, the encapsulant comprising:a host material;a first plurality of diffuser particles within the host material;a second plurality of diffuser particles within the host material; anda third plurality of diffuser particles within the host material, the third plurality of diffuser particles being arranged in a higher concentration at the recess floor than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.17.The LED display of claim 16, wherein the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the recess floor than a total concentration of both the first plurality of diffuser particles and the second plurality of diffuser particles.18.The LED display of claim 16, wherein:the recess further forms one or more recess sidewalls and one or more recess corners at intersections between the recess floor and the recess sidewalls; andthe third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration at the one or more recess corners than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.19.The LED display of claim 18, wherein:the encapsulant forms a first subregion along the recess floor and the one or more recess corners and a second subregion such that the first subregion is between the second subregion and the recess floor;the third plurality of diffuser particles are arranged in a higher concentration within the first subregion than either the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles; andthe third plurality of diffuser particles are arranged in a lower concentration within the second subregion than one or more of the first plurality of diffuser particles or the second plurality of diffuser particles.20.The LED display of claim 16, wherein the support structure comprises a lead frame structure with a housing, and the recess is formed within the housing.21.The LED display of claim 16, wherein:the first plurality of diffuser particles comprise a first surface morphology;the second plurality of diffuser particles comprise a second surface morphology that is different than the first surface morphology; andthe third plurality of diffuser particles comprise a third surface morphology that is different than both the first surface morphology and the second surface morphology.22.The LED display of claim 21, wherein:the first plurality of diffuser particles comprise a first median particle size distribution of in a range from 7 μm to 13 μm;the second plurality of diffuser particles comprise a second median particle size distribution of in a range from 4 μm to 5 μm; andthe third plurality of diffuser particles comprise a comprise a third median particle size distribution of in a range from 4 μm to 6 μm.

Images