CN100543985C - 具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管 - Google Patents

具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发光二极管，目的在于解决对抗静电冲击能力差的Al2O3基片结构的光源——InGaN、GaN系发光二极管芯片所具有的抗静电放电冲击能力弱的问题。在引线框部分通过焊剂粘贴防静电放电冲击保护单元压敏电阻或稳压二极管后，用白色的热硬化树脂TiO2通过传递模塑法制成表面具有反射面的凹面反射镜，在表面具有反射面的凹面反射镜内部的发光二极管焊盘上通过管心焊接法或引线接合法固定InGaN、GaN系发光二极管芯片，并在表面具有反射面的反射凹面镜内部填充透明环氧树脂后，通过切割、清理焊缝及成型工序形成单个发光二极管器件，制成对静电放电具有较强抵抗能力的高亮度发光二极管。

Description

具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管
技术领域
本发明涉及对静电放电(ESD)冲击具有很强承受能力的具有防静电放电(ESD)冲击保护功能的高亮度发光二极管，能够在发生静电放电(ESD)冲击时保护InGaN、GaN系发光二极管芯片不会受损，具体地说，在一系列镀银的引线框的防静电放电(ESD)保护单元用焊盘(Die pad)底面，通过焊剂(cream solder)粘接防静电放电(ESD)冲击保护单元{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}，然后用白色的热硬化树脂(TiO2)通过传递模塑(Transfer Mold)法制成发射面(Reflector)，并在反射面内部的发光二极管焊盘(Die Pad)上通过管心焊接法(die bonding)或引线接合法(wirebonding)固定InGaN、GaN系发光二极管芯片，接着在反射面内部填充透明环氧树脂后，通过切割(Sawing)、清理焊缝(Trimming)及成型(Forming)工序形成单个发光二极管器件。
背景技术
以往的防静电放电(ESD)冲击保护发光二极管的结构如图1a、1b所示。
图1a所示结构的组成包括：在塑料(热塑性)注塑材料92制成的表面形成了具有反射面的凹面反射镜91的引线框、加电压即可发光的InGaN、GaN系芯片10、将电压引入到InGaN、GaN系芯片10上的导电性金属制成的负极引线4及正极引线5。上述芯片10用导电性银(Ag)胶粘在负极引线4末端的焊盘(Die Pad)上，稳压二极管芯片(Zener Diode Chip)Z用导电性银(Ag)胶粘在正极引线末端的焊盘(Pad)上，同时与负极引线4和正极引线5的末端用导线11焊接，在负极引线4和正极引线5之间形成电路。
图1b所示结构的组成包括：在塑料(热塑性)注塑材料92制成的表面具有反射面的凹面反射镜91的引线框(Lead Frame)、加电压即可发光的InGaN、GaN系芯片10、将电压引到InGaN、GaN系芯片10上的导电性金属制成的负极引线4及正极引线5。将稳压二极管芯片(Zener Diode Chip)Z用导电性银(Ag)胶粘接在负极引线4末端的焊盘(Die Pad)上，InGaN、GaN系芯片10用金焊点(Au Bump)或焊料凸点(Solder Bump)方式焊在稳压二极管芯片(Zener Diode Chip)Z上方，然后与负极引线4和正极引线5末端用导线11焊接，在负极引线4和正极引线5之间形成电路。
通过上述两种方式(Model)进行加工后，为了保护芯片10、Z不受外部损害，用绝缘的透明环氧树脂15进行封装，同时保证负极引线4和正极引线5的另一末端有一部分露置在外面，从而能够从外部给芯片10引入电压。
只要将露置在外部的负极引线4和正极引线5与需要使用的电路连接形成电路，就会通过负极引线4和正极引线5使芯片10与电源连接，使光半导体元件——芯片10发光。封装材料15，一般使用透明环氧树脂(Epoxy)，根据发光二极管芯片10的种类，可以选择绿色、蓝色或白色。
但是，对于将稳压二极管(Zener Diode Chip)Z粘接在塑料注塑材料92制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部的结构，由于稳压二极管(Zener Diode)会吸收或散射InGaN、GaN系发光二极管10发射的光，所以阻碍了光的放射，使亮度至少降低15％。
另外，用热塑性塑料注塑材料92制成表面具有反射面的凹面反射镜91，在高温发光二极管制作工序中会出现褪色及可靠性下降等问题，而且由于不耐热的特性，发光二极管芯片(Chip)10或稳压二极管芯片(Zener Diode Chip)Z只能用在低温下能粘接的银(Ag)胶进行粘贴，不仅降低了生产效率，而且存在使正向瞬态电压(VF-Forward Voltage)增加的问题。
另外，由于对热塑性注塑材料表面具有反射面的凹面反射镜91部分填充透明环氧树脂15，容易对发光二极管的金导线(Gold Wire)造成短路。
发明内容
本发明为解决以往InGaN、GaN系发光二极管存在的抗静电放电(ESD)冲击能力差的问题而提出，目的在于提供具有防静电放电(ESD)冲击保护功能的高亮度发光二极管，在发生数千伏特静电放电(ESD)冲击时，使冲击不会直接加在InGaN、GaN系发光二极管芯片(Chip)上，从而显著降低静电放电(ESD)冲击引起的废品率，同时InGaN、GaN系发光二极管芯片(Chip)并不是通过银(Ag)胶(Epoxy)进行粘贴，而是通过共晶接合(EutecticBonding)法进行作业，不仅能够提高生产能力、降低正向瞬态电压(ForwardVoltage-Vf)，而且不会干扰发光二极管芯片(Chip)发射的光，从而提高发光二极管的亮度。
本发明另一个目的是不对发光二极管芯片(Chip)施加热应力(Stress)，从而提供不具有高温问题的具有防静电放电(ESD)冲击保护功能的高亮度发光二极管。
为实现上述目的，本发明涉及的LED光半导体器件，在一系列镀银的引线框的焊盘底面，通过焊剂(cream solder)粘接防静电放电(ESD)冲击保护器件{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}后，用TiO2系白色热硬化树脂通过传递模塑(Transfer Mold)法制成表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91，在其表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部的发光二极管焊盘(Die Pad)上通过管心焊接法或引线接合法固定InGaN、GaN系发光二极管芯片，并在表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部填充透明环氧树脂后，通过切割(Sawing)、清理焊缝(Trimming)及成型(Forming)工序形成单件产品。
附图说明
图1a是以往将稳压二极管(Zener Diode Chip)沿水平方向安装于光源——LED芯片内的发光二极管主要部分的剖面结构示意图。
图1b是以往将稳压二极管(Zener Diode Chip)沿垂直方向安装于光源——LED芯片内的发光二极管主要部分的剖面结构示意图。
图2是本发明涉及的将静电放电(ESD)冲击保护器件{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}插入到引线框上方(与发光二极管芯片处于同一平面)的发光二极管的结构示意图，其中图2a是局部剖面的平面示意图；图2b是局部剖面的正面示意图；图2c是局部剖面的侧面示意图；图2d是电路图。
图3是本发明另一个实施方式涉及的将防静电放电(ESD)冲击保护器件{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}插入到引线框下方(与发光二极管芯片相反方向)的发光二极管的结构示意图，其中图3a是局部剖面的平面示意图；图3b是局部剖面的正面示意图；图3c电路图。
图4是本发明又一个实施方式涉及的发光二极管的结构示意图，其中图4a是局部剖面的平面示意图；图4b是局部剖面的正面示意图；图4c是局部剖面的侧面示意图；图4d是电路图。
图5是本发明另一个实施方式涉及的发光二极管的结构示意图，其中图5a是局部剖面的平面示意图；图5b是局部剖面的正面示意图；图5c是局部剖面的侧面示意图；图5d是电路图。
图6、7、8是实施本发明所需的部分工序的平面示意图及主要部分剖面的正面示意图。
具体实施方式
参照附图，对本发明涉及的光半导体器件进行说明如下。图2a、2b、2c、2d是说明本发明一种实施方式涉及的设置了防静电放电(ESD)冲击保护器件{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}，从而降低了由静电放电(ESD)冲击引起的废品率的发光二极管的内部结构及其相应极性的示意图及电路图。
如图所示，本发明涉及的安装了防静电放电冲击保护器件的InGaN、GaN系发光二极管的结构包括：一对正极引线(Anode Lead)5和负极引线(CathodeLead)4组成的引线框1；在负极引线4、正极引线5的上方由TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)91的凹面反射镜91；安装在TiO2系白色热硬化树脂9内部的起防静电放电(ESD)冲击保护作用的防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}；粘接在负极引线的焊盘(Die Pad)3上的GaN、InGaN系发光二极管芯片(Chip)10；给正极引线5、负极引线4及发光二极管芯片10通电的通电导线11；在TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)91的凹面反射镜内部填充的透明环氧树脂15。
图3a、3b、3c是说明本发明另一种实施方式涉及的发光二极管的内部结构及其相应极性的示意图及电路图。
如图所示，本发明涉及的InGaN、GaN系发光二极管的结构包括：一对正极引线(Anode Lead)5和负极引线(Cathode Lead)4组成的引线框1；在负极引线4、正极引线5的上方由TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91；安装在TiO2系白色热硬化树脂9内部背面的起防静电放电(ESD)冲击保护作用的防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}；附着在负极引线的焊盘3上的两个GaN、InGaN系发光二极管芯片(Chip)10；给正极引线5、负极引线4及发光二极管芯片10通电的通电导线11；在TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)91的凹面反射镜内部填充的透明环氧树脂15。
图4a、4b、4c、4d是说明本发明又一种实施方式涉及的发光二极管的内部结构及其相应极性的示意图及电路图。
如图所示，本发明涉及的InGaN、GaN系发光二极管的结构包括：一对正极引线(Anode Lead)5和负极引线(Cathode Lead)4组成的引线框1；在负极引线4、正极引线5的上方由TiO2系白色热硬化树脂9制成的反射面(Reflector)91；安装在由TiO2系白色热硬化树脂9制成的具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部的起防静电放电(ESD)冲击保护作用的防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}；粘接在负极引线框(Lead Frame)4的焊盘(Die Pad)3上的GaN、InGaN系发光二极管芯片(Chip)10；给正极引线5、负极引线4及发光二极管芯片10通电的通电导线11；涂在TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部安装的GaN、InGaN系芯片(Chip)10上的波长变换荧光粉12；存在于上述波长变换荧光粉12上面的空气层14；位于TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91上方的SiO2玻璃(Glass)13。
图5a、5b、5c、5d是说明本发明又一种实施方式涉及的发光二极管的内部结构及其相应极性的示意图及电路图。
如图所示，总体结构与图4所示相同，只不过多列(1～4列组成)设置了GaN、InGaN系发光二极管芯片10和防静电放电冲击保护器件7。
图6、7、8是实现本发明涉及的上述各种实施方式所需的重要工序中使用的原材料和辅助材料的示意图。
由多列排列的焊盘部分3和贯通孔2及用于粘接防静电放电(ESD)冲击保护器件7的焊盘(Pad)71组成。
图7是实施本发明所需的第1道工序的示意图，由多列排列的焊盘部分3、贯通孔2、用于粘接防静电放电(ESD)冲击保护器件7的焊盘(Pad)71、涂在焊盘(Pad)71部位的焊剂(Cream Solder)8、粘在焊剂8上的防静电放电冲击保护器件7组成。
图8是实施本发明所需的第2道工序的示意图，由多列排列的焊盘部分3、贯通孔2、用于粘接防静电放电冲击保护器件7的焊盘(Pad)71、涂在焊盘(Pad)71部位的焊剂8、粘在焊剂8上的防静电放电冲击保护器件7以及填充在半导体引线框内的TiO2系白色热硬化树脂9组成。
由上述结构组成的本发明涉及的具有防静电放电(ESD)冲击保护功能的高亮度发光二极管，防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}形成了与InGaN、GaN系发光二极管芯片10极性相反的电极，在发生数千伏特静电放电时，通过防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}导通静电，使冲击不会直接加在InGaN、GaN系发光二极管芯片10上，因此静电不会通过装置(set)及发光二极管器件，从而能够显著降低静电放电冲击引起的废品率。
将防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}与白色非热塑性注塑材料的TiO2系白色热硬化树脂9一起使用，可以不用银(Ag)胶(Epoxy)粘接InGaN、GaN系发光二极管芯片(Chip)10，而用高温共晶接合(Eutectic Bonding)法进行作业，不仅提高了生产能力，而且能够降低正向瞬态电压(Forward Voltage-Vf)。
另外，通过在白色的TiO2系白色热硬化树脂9内部粘接防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}，不会干扰发光二极管芯片(Chip)发射的光，从而能够提高亮度。
此外，由TiO2系白色热硬化树脂9制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜91内部，不用透明环氧树脂进行填充，而是在TiO2系白色热硬化树脂9上方用粘合剂粘贴SiO2玻璃(Glass)，不会对发光二极管芯片(Chip)产生热应力(Stress)，所以能够制造出不具有高温问题的发光二极管器件。
【发明效果】
本发明能够使放电冲击不直接加在InGaN、GaN系发光二极管芯片(Chip)上，从而显著降低静电放电冲击引起的废品率，同时将防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}与白色非热塑性材料TiO2系白色热硬化树脂9一起使用，以高温共晶接合(Eutectic Bonding)法进行作业，不仅提高了生产能力，而且能够降低正向瞬态电压(ForwardVoltage-Vf)。不仅如此，通过在白色的TiO2系白色热硬化树脂9内部粘接防静电放电(ESD)冲击保护器件7{压敏电阻(Varistor)或稳压二极管(Zener—Diode)}，不会干扰发光二极管芯片(Chip)发射的光，从而能够提高亮度。此外，在具有反射面(Reflelctor)的凹面反射镜内安装了稳压二极管，解决了安装InGaN、GaN系发光二极管芯片(Chip)所要进行的管心焊接或引线接合等工序上的难题，从而能够显著提高生产效率。
此外，对由TiO2系白色热硬化树脂制成的表面具有反射面(Reflector)的凹面反射镜内部，用粘合剂将SiO2玻璃(Glass)粘在TiO2系白色热硬化树脂上方，不会对发光二极管芯片(Chip)产生热应力(Stress)，所以能够制造出不具有高温问题的发光二极管器件。

Claims (8)

1、一种具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其组成包括：由一对正、负极引线(5，4)组成的引线框(1)；位于上述负极引线(4)和正极引线(5)上方、并使发光二极管发射的光向一个方向发射的表面具有反射面的凹面反射镜(91)；在表面具有反射面的凹面反射镜(91)内侧插入的与正、负极引线位于同一平面的防静电放电冲击保护器件；在负极引线部分的焊盘(3)上粘接的GaN、InGaN系发光二极管芯片(10)；给上述正极引线(5)和负极引线(4)以及发光二极管芯片(10)通电的导线(11)；填充到表面具有反射面的凹面反射镜(91)内的透明环氧树脂(15)；
其特征是，上述表面具有反射面的凹面反射镜(91)由TiO2系白色热硬化树脂(9)通过传递模塑法制成，在模塑之前，沿光发射方向在表面具有反射面的凹面反射镜(91)的镜壁位置上通过焊剂(8)粘接设置一个以上的防静电放电冲击保护器件，在其上方填充TiO2系白色热硬化树脂(9)，最后通过清理焊缝、成型工序制成单个发光二极管器件。
2、如权利要求1所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，以多列排列发光二极管芯片(10)和防静电放电冲击保护器件，同时表面具有反射面的凹面反射镜(91)也由多列构成。
3、如权利要求1所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，在由白色TiO2系热硬化树脂(9)制成的表面具有反射面的凹面反射镜(91)的内侧背面设置了一个以上的防静电放电冲击保护器件。
4、如权利要求1至3中任意一项所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，将压敏电阻作为防静电放电冲击保护器件使用。
5、如权利要求1至3中任意一项所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，将稳压二极管作为防静电放电冲击保护器件使用。
6、如权利要求1至3中任意一项所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，包括：在设置于所述TiO2热硬化树脂(9)内部的GaN、InGaN系发光二极管芯片(10)上形成的波长变换荧光粉(12)；上述波长变换荧光粉(12)上形成的空气层(14)；及附着在由上述TiO2热硬化树脂(9)制成的表面具有反射面的凹面反射镜(91)上方的SiO2玻璃(13)。
7、如权利要求1至3中任意一项所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，将上述发光二极管芯片(10)和防静电放电冲击保护器件(7)多列排列在具有反射面的凹面反射镜(91)上。
8、如权利要求1至3中任意一项所述的具有防静电放电冲击保护功能的高亮度发光二极管，其特征是，使用塑料注塑材料制成表面具有反射面的凹面反射镜(91)，将多个发光二极管芯片(10)分别排列在一个塑料反射面上的不同焊盘上。
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