CN101047221A - 发光二极管的封装结构与其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管的封装结构，至少包含基板、发光二极管、等离子体化学气相沉积层以及透光材料层，其中基板具有多个接点；发光二极管设置于基板上且电性连接至这些接点；等离子体化学气相沉积层设置于发光二极管上，且等离子体化学气相沉积层的折射率是小于发光二极管的折射率；透光材料层设置于等离子体化学气相沉积层上，且透光材料层的折射率是小于等离子体化学气相沉积层的折射率。
Description
技术领域
发明有关一种发光二极管的封装结构，特别是有关一种能提高光萃取效率的发光二极管的封装结构。
背景技术
发光二极管(LED)为一种固态半导体装置，其基材的折射率约为2.3或接近2.3的数值，一般发光二极管的封装结构为使用具有大约2.5的折射率的发光二极管芯片(LED Chip)，以引线压焊(Wire bond)或倒装片(Flip chip)方式将P极、N极与基材连结，再覆以折射率约为1.58的透明材质的封装树脂。此种发光二极管芯片的封装结构因基材的折射率(约2.5)与封装的透明树脂(约1.58)的折射率差异太大，而使光萃取效率约为5％，大部分的光线停留在芯片内部造成损耗以及产生的热量将会降低发光二极管的性能。
一些现有技术为改善上述问题，是将发光二极管芯片的表面进行各种规则或不规则的微结构形式的粗化，以破坏全反射的损耗，然而此种方法由于不易控制其表面粗化的形式，故各个发光二极管芯片的效率及品质差异甚大。
发明内容
因此，需要发展一种改良的发光二极管的封装结构与方法，以实质消除发光二极管的光萃取效率过低的问题。
本发明一方面提供一种发光二极管的封装结构，通过使用具有单层或多层结构的等离子体化学气相沉积层，以实质减少光线在发光二极管芯片内的全反射，因而解决发光二极管的光萃取效率过低的问题。
本发明另一方面提供一种发光二极管的封装结构的制造方法，通过利用等离子体化学气相沉积法，制做出具有单层或多层等离子体化学气相沉积层的发光二极管封装结构，以增加发光二极管的光萃取效率，这样可大幅提高发光二极管的性能。
根据本发明的一个技术方案，本发明的发光二极管的封装结构至少包含基板，基板具有多个接点；发光二极管，其设置于基板上，发光二极管电性连接至这些接点；等离子体化学气相沉积层，设置于发光二极管上，等离子体化学气相沉积层的折射率是小于发光二极管的折射率；以及透光材料层，设置于等离子体化学气相沉积层上，透光材料层的折射率是小于等离子体化学气相沉积层的折射率。
根据本发明的另一个技术方案，本发明的发光二极管的封装结构至少包含基板，基板具有多个接点；多个发光二极管芯片，其设置于基板上，这些发光二极管芯片电性连接至接点；等离子体化学气相沉积层，其设置于发光二极管芯片上，等离子体化学气相沉积层的折射率是小于这些发光二极管芯片的折射率；以及透光材料层，其设置于等离子体化学气相沉积层上，其中透光材料层的折射率是小于等离子体化学气相沉积层的折射率。
依照本发明，上述的等离子体化学气相沉积层的材质例如是具有大约1.7至2.6的折射率的过渡金属元素氧化物。
依照本发明，上述的等离子体化学气相沉积层的材质例如是二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)或五氧化二铌(Nb2O5)。
应用上述的发光二极管的封装结构与其制造方法，由于是利用等离子体化学气相沉积法，在发光二极管的芯片上披覆折射率渐减的单层或多层等离子体化学气相沉积层，使其全反射损失降低，以提高发光二极管的光萃取效率。所以本发明与其它现有结构与制造方法相比，本发明所用的封装结构与制造方法不仅相对简单有效，且等离子体化学气相沉积法还可准确控制披覆在发光二极管芯片上的折射率渐减的单层或多层等离子体化学气相沉积层。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下面特举一较佳实施例，并配合所附图进行详细说明。
图1A至图1C是本发明的一较佳实施例的发光二极管封装结构制作的流程剖面示意图；以及
图2A至图2E是本发明的另一较佳实施例的发光二极管封装结构制作的流程剖面示意图。
具体实施方式
请参照图1A至图1C，其是本发明的一较佳实施例的发光二极管封装结构制作的流程剖面示意图。首先，如图1A所示，提供发光二极管芯片120，其折射率是介于2.3与4之间。在本实施例中，是采用氮化镓(GaN)发光元件，其折射率为2.5。将发光二极管芯片120上的阳极电极与阴极电极(未图示)利用倒装片的方式，是通过金属凸块110电性连接至具有多个接点的基板，例如电路板100；另一种选择是，也可利用引线压焊的方式将发光二极管芯片120电性连接至电路板100上。接着，如图1B所示，共形地(conformally)形成等离子体化学气相沉积层130于发光二极管芯片120上，其中等离子体化学气相沉积层130的折射率是小于发光二极管芯片120的折射率。此等离子体化学气相沉积层130为单层结构，其厚度是大于20nm，且等离子体化学气相沉积层130的折射率是介于1.7与2.6之间。在本实施例中，此等离子体化学气相沉积层130的折射率为2.1。此外，等离子体化学气相沉积层130是以等离子体化学气相沉积法制成，且其材质为过渡金属元素氧化物，至少包含二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)以及五氧化二铌(Nd2O5)等。此等离子体化学气相沉积法是一种准确的表面沉积工艺，其能沉积几埃()至几微米(μm)厚度的等离子体化学气相沉积层130至发光二极管芯片120上。在等离子体化学气相沉积法中，是使具有高折射率的先驱物质的单体聚合于发光二极管芯片120的表面上，此单体是通过等离子体活化成气体的复合物，其是由电子、离子、气体原子、自由原子团与激态的分子所组成，在这种状态下称之为等离子体态。等离子体态产生高反应性的自由原子团，其能均匀地扩散与沉积于发光二极管芯片120的表面上，当发光二极管芯片120暴露于等离子体时，高折射率的前驱物质与混合的反应性气体反应且形成自由原子团，这些自由原子团会结合并形成高折射率薄膜于发光二极管芯片120的表面上。此薄膜本质上为均匀、可承受高温的高度交链与非结晶形态，且此薄膜的每一层的厚度与折射率能加以计算与控制。最后，如图1C所示，形成透光材料层140于等离子体化学气相沉积层130之上，以形成发光二极管的封装结构，其中透光材料层140的折射率是小于等离子体化学气相沉积层130的折射率。此透光材料层140的折射率是介于1.4与1.7之间，且此材质可为紫外光硬化型树脂(UV curable heat-resistant resin)、硅树脂(Silicone)或环氧树脂(Epoxy)。在本实施例中，此透光材料层140的折射率是为1.58。根据本发明的发光二极管的封装结构，发光二极管芯片120与等离子体化学气相沉积层130的折射率的差值为0.4，等离子体化学气相沉积层130与透光材料层140的折射率的差值为0.5。因为发光二极管芯片120与透光材料层140的折射率的差异是能通过加入等离子体化学气相沉积层130来降低，所以本发明的发光二极管封装结构的光萃取效率可达到约为11％，此光萃取效率是大于现有的不具有等离子体化学气相沉积层130的发光二极管封装结构的光萃取效率(约为5％)的两倍以上。本发明的发光二极管的封装结构是通过加入等离子体化学气相沉积层130于发光二极管芯片120与透光材料层140之间，由于等离子体化学气相沉积层130的折射率是介于发光二极管芯片120与透光材料层140的折射率之间，这样可避免发光二极管芯片120的折射率与封装的透光材料层140的折射率差异太大所造成的光萃取效率过低的问题。
请参照图2A至图2E，其是本发明的另一较佳实施例的发光二极管封装结构制作的流程剖面示意图。首先，如图2A所示，提供发光二极管芯片220，其折射率是介于2.3与4之间。在本实施例中，是采用砷化镓发光元件，其折射率是为3.6。将发光二极管芯片220上的阳极电极与阴极电极(未图示)利用倒装片的方式，通过金属凸块210电性连接至电路板200上，另一种选择是，也可利用引线压焊的方式将发光二极管芯片220电性连接至电路板200上。接着，形成具多层结构的等离子体化学气相沉积层，首先如图2B所示，共形地形成第一折射率层230于发光二极管芯片220上，其中第一折射率层230的折射率是小于发光二极管芯片220的折射率。在本实施例中，此第一折射率层230的折射率是介于2.1与2.6之间，且厚度是大于20nm。此外，第一折射率层230是以等离子体化学气相沉积法制成，且其材质为过渡金属元素氧化物，至少包含二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锆以及五氧化二铌等。之后，如图2C所示，共形地形成第二折射率层232于第一折射率层230上，其中第二折射率层232的折射率是小于第一折射率层230的折射率。在本实施例中，此第二折射率层232的折射率是介于1.7与2.1之间，且厚度是大于20nm。此外，第二折射率层232是以等离子体化学气相沉积法制成，且其材质为过渡金属元素氧化物，至少包含二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锆以及五氧化二铌等。接着，如图2D所示，共形地形成第三折射率层234于第二折射率层232上，其中第三折射率层234的折射率是小于第二折射率层232的折射率。在本实施例中，此第三折射率层234的折射率是为1.8或1.7，且厚度是大于20nm。此外，第三折射率层234是以等离子体化学气相沉积法制成，且其材质为过渡金属元素氧化物，至少包含二氧化钛、五氧化二钽、二氧化锆以及五氧化二铌等。最后，如图2E所示，形成透光材料层240于第三折射率层234之上，以形成发光二极管的封装结构，其中透光材料层240的折射率是小于第三折射率层234的折射率。在本实施例中，此透光材料层240的折射率是介于1.4与1.7之间，且其材质为紫外光硬化型树脂、硅树脂或环氧树脂。值得一提的是，第二折射率层232与第一折射率层230的折射率的差值是介于0.2与0.6之间；第三折射率层234与第二折射率层232的折射率的差值是介于0.1与0.4之间。此外，由于此第一折射率层230、第二折射率层232与第三折射率层234是皆通过等离子体化学气相沉积法制成且其材质与厚度是类似相近，因此在本实施例中，将第一折射率层230、第二折射率层232与第三折射率层234共同视为一具有渐变折射率(gradient-index)的等离子体化学气相沉积层，且其折射率是自发光二极管芯片220至透光材料层240的方向渐减。本发明的发光二极管的封装结构是通过加入具有渐变折射率的等离子体化学气相沉积层于发光二极管芯片220与透光材料层240之间，这样可避免发光二极管芯片220的折射率与封装的透光材料层240的折射率差异太大所造成的光萃取效率过低的问题。另外，具有渐变折射率的等离子体化学气相沉积层由于是利用等离子体化学气相沉积法制成，所以可直接在同一工作环境下进行不同折射率的等离子体化学气相沉积层的沉积，而且化学气相沉积法还可准确控制等离子体化学气相沉积层的成分与厚度。故本发明的制造方法不但可简化等离子体化学气相沉积层的沉积工艺的复杂度，还可达到较佳的等离子体化学气相沉积层的制作效果。
值得一提的是，发光二极管的封装结构制作的流程除了可以是将具有多个发光二极管芯片的晶片先切割成个别分离的芯片后，接着进行引线压焊或倒装片等方式的电性连接至基板，之后再利用等离子体化学气相法来沉积等离子体化学气相沉积层于发光二极管芯片上以及披覆透明材料层于等离子体化学气相沉积层上，也可以是直接将整个具有多个发光二极管芯片的晶片先进行引线压焊或倒装片的电性连接后，再进行等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积层于晶片上以及披覆透明材料层于发光二极管芯片上，之后才将晶片切割成个别分离的芯片或是不对晶片进行切割。同样地，也可以将不同颜色的发光二极管芯片，例如红色、绿色与蓝色三种原色的发光二极管芯片，先进行组合以形成发光二极管芯片组，之后才进行引线压焊或倒装片等方式的电性连接至基板，再进行等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积层于发光二极管芯片组上以及披覆透明材料层于等离子体化学气相沉积层上。
简言之，本发明的发光二极管的封装结构，其特征是在于先在发光二极管上披覆折射率渐减的单层或多层的等离子体化学气相沉积层，之后再披覆透明材料层于等离子体化学气相沉积层上，以使其全反射损失降低，以提高发光二极管的光萃取效率。所以本发明与其它现有结构与制造方法相比，本发明所用的封装结构与制造方法不仅简单有效，且等离子体化学气相沉积法还可准确控制披覆在发光二极管芯片上的单层或多层等离子体化学气相沉积层的厚度与组成。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。
Claims (18)
1.一种发光二极管的封装结构，至少包含：
一基板，该基板具有多个接点；
至少一发光二极管，设置于该基板上，该至少一发光二极管电性连接至这些接点；
一等离子体化学气相沉积层，设置于该至少一发光二极管上，该等离子体化学气相沉积层的折射率是小于该至少一发光二极管的折射率；以及
一透光材料层，其设置于该等离子体化学气相沉积层上，该透光材料层的折射率是小于该等离子体化学气相沉积层的折射率。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该至少一发光二极管为单一发光二极管芯片或具有多个发光二极管芯片的单一晶片。
3.根据权利要求2所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该多个发光二极管芯片至少包含红色、绿色与蓝色三种原色的发光二极管芯片。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该等离子体化学气相沉积层的材质为过渡金属元素氧化物。
5.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该等离子体化学气相沉积层为单层结构，其折射率是介于1.7与2.6之间。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该等离子体化学气相沉积层的厚度是大于20nm。
7.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该等离子体化学气相沉积层具有渐变折射率，且该渐变折射率是自该至少一发光二极管至该透光材料层的方向渐减。
8.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该具有渐变折射率的等离子体化学气相沉积层为多层结构，该多层结构至少包含：
一第一折射率层，其设置于该至少一发光二极管上，该第一折射率层的折射率是小于该至少一发光二极管的折射率；以及
一第二折射率层，其设置于该第一折射率层上，该第二折射率层的折射率是小于该第一折射率层的折射率。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该第一折射率层的折射率是介于2.1与2.6之间，该第二折射率层与该第一折射率层的折射率的差值是介于0.2与0.6之间。
10.根据权利要求8所述的发光二极管的封装结构，其特征在于还至少包含：
一第三折射率层，其设置于该第二折射率层上，该第三折射率层的折射率是小于该第二折射率层的折射率。
11.根据权利要求10所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该第三折射率层与该第二折射率层的折射率的差值是介于0.1与0.4之间。
12.根据权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于该透光材料层的折射率是介于1.4与1.7之间。
13.一种发光二极管的封装结构的制造方法，至少包含：
提供一基板，该基板具有多个接点；
安装一至少一发光二极管于该基板上，该至少一发光二极管电性连接至这些接点；
以等离子体化学气相沉积法共形地形成一等离子体化学气相沉积层于该至少一发光二极管上，该等离子体化学气相沉积层的折射率是小于该至少一发光二极管的折射率；以及
形成一透光材料层于该等离子体化学气相沉积层上，该透光材料层的折射率是小于该等离子体化学气相沉积层的折射率。
14.根据权利要求13所述的发光二极管的封装结构的制造方法，其特征在于该至少一发光二极管为单一发光二极管芯片或具有多个发光二极管芯片的单一晶片。
15.根据权利要求13所述的发光二极管的封装结构的制造方法，其特征在于该等离子体化学气相沉积层为单层结构，其折射率是介于1.7与2.6之间。
16.根据权利要求13所述的发光二极管的封装结构的制造方法，其特征在于该等离子体化学气相沉积层具有渐变折射率，且该渐变折射率是自该至少一发光二极管至该透光材料层的方向渐减。
17.根据权利要求13所述的发光二极管的封装结构的制造方法，其特征在于该等离子体化学气相沉积层为多层结构，该形成该等离子体化学气相沉积层的步骤至少包含：
形成一第一折射率层于至少一该发光二极管之上，该第一折射率层的折射率是小于该至少一发光二极管的折射率；以及
形成一第二折射率层该第一折射率层之上，该第二折射率层的折射率是小于该第一折射率层的折射率。
18.根据权利要求17所述的发光二极管的封装结构的制造方法，其特征在于还至少包含：
形成一第三折射率层于该第二折射率渐变层之上，该第三折射率层的折射率是小于该第二折射率层的折射率。
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