CN102044618A - 发光器件封装和照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供发光器件封装和照明系统。发光器件封装包括发光器件芯片、至少一个导线以及包封材料。发光器件芯片包括：第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层、和在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；导线在发光器件芯片上。包封材料在导线之外的发光器件芯片上并且包括磷光体。导线垂直于发光器件芯片的上表面，至少直至包封材料的高度。

Description

发光器件封装和照明系统
技术领域
实施方案涉及发光器件封装和照明系统。
背景技术
在发光器件中，通过将周期表上III族和V族元素组合，可形成具有将电能转化为光能的性能的P-N结二极管。发光器件可通过控制化合物半导体的组成比例来实现各种颜色。
在发光器件中，当施加正向电压时，n-层的电子与p-层的空穴复合，发射出对应于导带和价带之间能隙的能量。该能量通常以热或者光的形式发射。在发光器件中，能量以光的形式发射。
例如氮化物半导体由于其高热稳定性和宽能带隙而在光学器件和高功率电子器件领域中受到许多关注。特别地，使用氮化物半导体的蓝色发光器件、绿色发光器件和UV发光器件已经商业化并且广泛使用。
为形成白色发光器件封装，作为光的三原色的红色、绿色和蓝色的发光器件可组合，或者可将黄色磷光体例如钇铝石榴石(YAG)和铽铝石榴石(TAG)作为磷光体添加到蓝色发光器件，或者可将(红色/绿色/蓝色)三色磷光体作为磷光体添加到UV发光器件。
当白色发光器件封装包括具有磷光体的包封材料时，磷光体在模制之后随着时间流逝下降至发光器件封装的底部，由此磷光体在发光器件芯片周围可不均匀分布，并且色温可能宽分布。
此外，因为磷光体的分布区域大于发光器件的区域，所以磷光体在发光器件周围可不均匀分布，并且色温可能宽分布。
发明内容
实施方案提供具有均匀磷光体分布的发光器件封装和照明系统。
在一个实施方案中，一种发光器件封装包括：发光器件芯片，包括：第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层、和在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；在所述发光器件芯片上的至少一个导线；以及在所述导线之外的所述发光器件芯片上的包封材料，所述包封材料包括磷光体，其中所述导线垂直于所述发光器件芯片的上表面，至少直至所述包封材料的高度。
在另一实施方案中，发光器件封装包括：在所述发光器件芯片上的多个导线；和在所述导线之间的所述发光器件芯片上的包封材料，所述包封材料包括磷光体，其中所述导线包括至少一个虚拟导线(dummy wire)。
在另一实施方案中，一种发光器件封装包括：发光器件芯片，其包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层、和在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；在所述发光器件芯片上的至少一个导线；以及在所述导线之外的所述发光器件芯片上的包封材料，所述包封材料包括磷光体，其中所述导线与所述发光器件芯片的最外部接触。
在另一实施方案中，照明系统包括发光模块，所述发光模块包括衬底和在所述衬底上的发光器件封装。
在附图和以下描述中对一个或更多个实施方案的细节进行阐述。其他特征由说明书和附图以及权利要求而明显。
附图说明
图1是根据第一实施方案的发光器件封装的横截面图。
图2是说明根据第一实施方案的发光器件封装的局部平面图。
图3～5是说明根据第二至第四实施方案的发光器件封装的局部平面图。
图6～8是说明根据第一实施方案的发光器件封装的制造方法的横截面图。
图9是根据一个实施方案的照明单元的立体图。
图10是根据一个实施方案的背光单元的分解立体图。
具体实施方式
以下，将参考附图描述根据实施方案的发光器件封装和照明系统。
在实施方案的描述中，应理解当层(或膜)称为在另一层或衬底“上”时，其可直接在另一层或者衬底上，或者也可存在中间层。此外，应理解当层被称为在另一层“下”时，其可以直接在另一层下，也可存在一个或更多个中间层。另外，也应理解当层被称为在两层“之间”时，其可以是在所述两层之间仅有的层，或也可存在一个或更多个中间层。
[实施方案]
图1是根据第一实施方案的发光器件封装500的横截面图。
发光器件封装500可包括：发光器件芯片200，设置于发光器件芯片200上的一个或者更多个导线300，以及包括磷光体(未显示)的并设置于导线300之间的发光器件芯片200上的包封材料400。发光器件芯片200可设置在子基座110上。
在该实施方案中，包封材料400的上表面可为平坦的并因此可发射表面光，由此有利于光学设计。或者，包封材料400可具有凹凸上表面(未显示)，由此改善光提取效率。
包封材料400的高度等于或者低于导线300的高度，其中导线300可设置在发光器件芯片200的最外部的周围并且定向为垂直于发光器件芯片200的上表面。导线300相比于包封材料400高度的相对高度、导线300的垂直定向、发光器件芯片200的最外部周围的导线300的定位、以及包封材料400的内在表面张力有助于在发光器件芯片200表面上包含包封材料并促进包封材料400的均匀性。这进而改善发光效率。
因此，根据该实施方案，包括磷光体的包封材料设置于导线300之间的发光器件芯片200上，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀设置，并且实现窄的色温分布。
图2是说明根据第一实施方案发光器件封装的发光器件芯片的上端的局部平面图。
根据第一实施方案，导线300可包括第一导线310和第二导线320，其可与实际的垫(pad)连接。图2中说明的芯片是水平发光器件芯片，但是本公开不限于此。
图3～5是说明根据第二至第四实施方案的发光器件封装的的局部平面图。
根据第二至第四实施方案，导线可包括一个或更多个虚拟导线340。例如，导线可包括：设置于实际的垫(未显示)上的真实导线330、以及包括第一至第三虚拟导线341、342和343的虚拟导线340。第二实施方案可应用于垂直发光器件芯片，但是本公开不限于此。
图3是说明根据第二实施方案的发光器件封装500b的局部平面图。导线设置于发光器件芯片的上部角落处，但是本公开不限于此。图4是说明根据第三实施方案的发光器件封装500c的局部平面图。真实导线330以及包括第一至第三虚拟导线351、352和353的虚拟导线350可设置在发光器件芯片的角落之外。图5是说明根据第四实施方案的发光器件封装500d的局部平面图。提供虚拟导线360，但是本公开不限于此。在各图3～图5中，每一个导线均定位为使得与其它导线中的对应一个导线相对。
根据该实施方案，包括磷光体的包封材料设置于导线300之间的发光器件芯片200上，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀设置，并且实现窄的色温分布。
以下，将参考图6～8描述根据一个实施方案的发光器件封装的制造方法。
首先，参考图6，准备子基座110。
子基座110可具有类似于发光器件芯片材料的热膨胀系数和高热导率。例如，在该实施方案中，子基座110可由硅(Si)形成，但是本公开不限于此。
子基座110可包括反射杯(未显示)，并且在子基座110中可设置齐纳二极管型防静电放电(ESD)器件。
在子基座110上可形成第一引线框120和第二引线框130，但是本公开对于其类型和数目没有限制。第一引线框120和和第二引线框130中的至少之一可为虚拟引线框。引线框可与子基座110电绝缘。
然后，将发光器件芯片200附着于子基座110上。
发光器件芯片200可由诸如GaN、GaAs、GaAsP或者GaP的材料形成。例如，绿色～蓝色LED可由GaN(InGaN)形成，黄色～红色LED可由InGaAlP或者AlGaAs形成，但是本公开不限于此。
发光器件芯片200可包括：第一导电型半导体层(未显示)、有源层(未显示)和第二导电型半导体层(未显示)，但是本公开不限于此。
发光结构可使用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)的方法形成，但是本公开不限于此。
第一导电半型导体层可由掺杂有第一导电型掺杂剂的III-V族化合物半导体形成。当第一导电型半导体层是N型半导体层时，第一导电型掺杂剂可包括Si、Ge、Sn、Se或者Te作为N型掺杂剂，但是本公开不限于此。
第一导电型半导体层可包括组成式为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料。第一导电型半导体层可包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaP、InGaP、AlInGaP和InP中的至少之一。
有源层可具有单量子阱结构、多量子阱(MQW)结构、量子线结构和量子点结构中的至少之一。例如，有源层可具有多量子阱(MQW)结构，其通过注入三甲基镓(TMGa)气体、氨气(NH3)、氮气(N2)和三甲基铟(TMIn)气体形成，但是本公开不限于此。
第二导电型半导体层可包括掺杂有第二导电型掺杂剂的III-V族化合物半导体，例如可包括组成式为InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料。例如，第二导电型半导体层可包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP或者AlGaInP。当第二导电型半导体层是P型半导体层时，第二导电型掺杂剂可包括Mg、Zn、Ca、Sr或者Ba作为P型掺杂剂。
在该实施方案中，第一导电型半导体层是N型半导体层，第二导电型半导体层是P型半导体层，但是本公开不限于此。在第二导电型半导体层上可形成与第二导电型半导体相反导电型半导体层，例如N型半导体层(未显示)。因此，发光结构可具有N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构和P-N-P结结构中的一种。图6中说明的发光器件芯片200可为垂直或者水平的发光器件芯片，但是本公开不限于此。
例如，当发光器件芯片200是垂直芯片时，发光器件芯片200可包括设置于第二电极(未显示)上的发光结构。第二电极可包括欧姆层、反射层、耦合层和导电衬底中的至少之一。发光结构可包括：第二导电型半导体层、有源层和第一导电型半导体层。
然后，可通过使用聚合物粘合剂或者用于镀覆发光器件芯片的共晶金属的方法，将发光器件芯片200附着于子基座110。
例如，在其中需要高热导率的情况下，发光器件芯片可通过使用具有改善工艺的Ag导电环氧树脂的焊接工艺或者共晶接合工艺来进行附着。
然后，参考图7，可实施引线接合工艺以对发光器件芯片200施加电流。例如，对于垂直型发光器件芯片，可实施单引线接合工艺，对于水平型发光器件芯片，可实施双引线接合工艺。导线可包括金线、铜线和铝线中的至少之一，引线接合可包括球引线接合或者边缘引线接合。
根据第一实施方案，导线300可包括第一导线310和第二导线320，其可与实际的垫连接。
参考图3～5，在根据第二实施方案的发光器件封装中，导线可包括一个或者更多个虚拟导线340、350和360。例如，导线可包括：设置于实际的垫(未显示)上的真实导线330以及包括第一至第三虚拟导线341、342和343的虚拟导线340。
根据该实施方案，包括磷光体的包封材料设置于导线300之间的发光器件芯片200上，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀设置，并且实现窄的色温分布。
然后，参考图8，在导线300之间的发光器件芯片200上形成包括磷光体的包封材料400。
例如，在发光器件芯片200上形成包括磷光体(未显示)的包封材料400以保护发光器件芯片200和提高光提取效率。
包封材料400的高度等于或者低于导线300的高度，导线300可设置在发光器件芯片200的周围。
因此，根据该实施方案，包括磷光体的包封材料设置于导线300之间的发光器件芯片200上，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀设置，并且实现窄的色温分布。
包封材料400可为环氧包封材料或者硅包封材料，但是本公开不限于此。
在该实施方案中，发光器件芯片可包括：绿色～蓝色LED、黄色～红色LED或者UV LED，并且可通过添加磷光体至包封材料来形成白色光。
例如，在该实施方案中，可将黄色磷光体例如钇铝石榴石(YAG)和铽铝石榴石(TAG)作为磷光体添加到蓝色发光器件，或者可将(红色/绿色/蓝色)三色磷光体作为磷光体添加到UV LED，但是本公开不限于此。
磷光体可包括基质材料和活性材料。例如，可使用钇铝石榴石(YAG)作为基质材料和铈(Ce)作为活性材料，或者可使用基于硅酸盐的基质材料和铕(Eu)活性材料，但是本公开不限于此。
封装工艺可以以组合、混合、排出和固化的次序实施。使用包封材料的包封方法包括诸如分散、铸模、传递模塑、真空印刷、丝网印刷的方法。
包封材料400的上表面可为平坦的，但是本公开不限于此。包封材料400在发光器件芯片200上均匀地平面设置，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀地设置。可发射表面光以有利于光学设计。
在该实施方案中，包封材料可具有凹凸上表面(未显示)，由此改善光提取效率。例如，在包封工艺之后可部分实施湿蚀刻工艺以在包封材料400的上表面上形成凹凸表面。或者，实施使用具有凹凸表面的模具的传递模塑，以在包封材料的上表面上形成凹凸表面。
然后，在包封材料400上可形成半球形外透镜以提高光提取效应和保护导线(未显示)。
因此，根据该实施方案，包括磷光体的包封材料设置于导线之间的发光器件芯片上，因此磷光体在发光器件芯片周围均匀设置，并且实现窄的色温分布。
在衬底上可布置多个根据实施方案的发光器件封装，并且可设置导光板、棱镜板、扩展板和荧光板作为在由发光器件封装发射的光的路径上的光学元件。发光器件封装、衬底和光学元件用作背光单元或者照明单元。例如，照明系统可包括背光单元、照明单元、指示器、灯和路灯。
图9是根据一个实施方案的照明单元1100的立体图。照明单元1100是照明系统的一个实例，但是本公开不限于此。
参考图9，照明单元1100可包括：壳体1110、设置于壳体1110中的发光模块1130、以及设置于壳体1110中以接收来自外部电源的电力的接线端子1120。
壳体1110可由具有改善的散热特性的材料形成。例如，壳体1110可由金属材料或者树脂材料形成。
发光模块1130可包括衬底1132和在衬底1132上安装的至少一个发光器件封装500。
可在绝缘材料上印刷电路图案以形成衬底1132。例如，衬底1132可包括印刷电路板(PCB)、金属芯PCB、柔性PCB或者陶瓷PCB。
而且，衬底1132可由可有效反射光的材料形成。衬底1132的表面可涂有色材料，例如通过其有效反射光的白色或者银色材料。
发光器件封装500可安装在衬底1132上。发光器件封装500可包括至少一个发光器件芯片200。
发光器件封装500不限于第一实施方案，因此可包括根据第二至第四实施方案的发光器件封装500b、500c或者500d。
发光模块1130可包括多个发光器件封装500以获得各种颜色和亮度。例如，白色发光器件、红色发光器件和绿色发光器件可彼此结合设置以确保高显色指数(CRI)。
接线端子1120可与发光模块1130电连接以供电。如图9所示，虽然接线端子1120以插座方式旋入外部电源中，但是本公开不限于此。例如，接线端子1120可为插销型。因此，接线端子1120可插入外部电源中或者使用互连与外部电源连接。
图10是根据一个实施方案的背光单元1200的分解立体图。照明单元1200是照明系统的一个实例，但是本公开不限于此。
根据一个实施方案的背光单元1200可包括：导光板1210、发光模块1240、反射元件1220和底盖1230，但是不限于此。发光模块1240可为导光板1210提供光。可在导光板1210下设置反射元件1220。底盖1230可容纳导光板1210、发光模块1240和反射元件1220。
导光板1210将光散射以产生平面光。导光板1210可由透明材料形成。例如，导光板1210可由基于丙烯酸树脂的材料例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚碳酸酯(PC)树脂、环烯烃共聚物(COC)树脂和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂中的一种形成。
发光模块1240为导光板1210的至少一个表面提供光。因此，发光模块1240可用作包括背光单元的显示器的光源。
发光模块1240可接触导光板1210，但是不限于此。特别地，发光模块1240可包括衬底1242和安装在衬底1242上的多个发光器件封装500。衬底1242可接触导光板1210，但是不限于此。
衬底1242可为包括电路图案(未显示)的PCB。然而，衬底1242可包括金属芯PCB或者柔性PCB以及PCB，但是不限于此。
所述多个发光器件封装500可设置在衬底1242上，并且其各个发光表面可与导光板1210间隔开预定距离。
可在导光板1210下设置反射元件1220。反射元件1220将入射到导光板1210的下表面上的光反射以沿着向上的方向行进，由此改善背光单元的亮度。例如，反射元件可由PET、PC和PVC中的一种形成，但是不限于此。
底盖1230可容纳导光板1210、发光模块1240和反射元件1220。为此，底盖1230可为具有开口上侧的盒形，但是不限于此。
底盖1230可由金属材料或者树脂材料形成。而且，底盖1230可使用压制成形工艺或者挤出模制工艺制造。
如上所述，根据实施方案的照明系统包括根据实施方案的发光器件封装，由此改善可靠性。
在本说明书中对″一个实施方案″、″实施方案″、″示例性实施方案″等的任何引用，表示与实施方案相关描述的具体的特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施方案中。在说明书不同地方出现的这些措词不必都涉及相同的实施方案。此外，当结合任何实施方案描述具体的特征、结构或特性时，认为将这种特征、结构或特性与实施方案的其它特征、结构或特性关联均在本领域技术人员的范围之内。
虽然已经参考若干说明性实施方案描述了实施方案，但是应理解本领域技术人员可设计很多的其它改变和实施方案，这些也将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附的权利要求的范围内，在本发明的组合排列的构件和/或结构中可能具有各种的变化和改变。除构件和/或结构的变化和改变之外，对本领域技术人员而言，可替代的用途也会是显而易见的。

Claims (18)

1.一种发光器件封装，包括：
发光器件芯片，所述发光器件芯片包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层以及在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；
附着于所述发光器件芯片的上表面并从所述发光器件芯片的上表面垂直突出的至少一个导线；和
在所述发光器件芯片上的包封材料，其中所述包封材料包括磷光体，并且其中所述包封材料的上表面的高度等于或者低于所述至少一个导线的高度。
2.根据权利要求1所述的发光器件封装，其中所述包封材料的上表面是基本平坦的。
3.根据权利要求1所述的发光器件封装，其中所述包封材料具有凹凸上表面。
4.根据权利要求1所述的发光器件封装，还包括：
附着于所述发光器件芯片的上表面并且从所述发光器件芯片的上表面垂直突出的多个导线，并且其中一个或者更多个所述导线是虚拟导线。
5.根据权利要求4所述的发光器件封装，其中所述多个导线设置在所述发光器件芯片周围。
6.根据权利要求5所述的发光器件封装，其中所述多个导线接触所述发光器件芯片的周边部分。
7.一种发光器件封装，包括：
发光器件芯片，所述发光器件芯片包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层以及在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；
在所述发光器件芯片上的多个导线；和
在包含于所述多个导线之间的所述发光器件芯片上的包封材料，其中所述包封材料包括磷光体，并且其中所述多个导线中的至少之一是虚拟导线。
8.根据权利要求7所述的发光器件封装，其中所述多个导线设置在所述发光器件芯片周围，并且其中所述多个导线中的每一个定位为与其它导线中的对应一个导线相对。
9.根据权利要求7所述的发光器件封装，其中所述多个导线包括两个真实导线以及一个或者更多个虚拟导线。
10.根据权利要求7所述的发光器件封装，其中所述多个导线中的每一个均接触所述发光器件芯片的最外部。
11.根据权利要求7所述的发光器件封装，其中所述多个导线中的每一个均与所述发光器件芯片的上表面基本垂直，并且其中所述包封材料的高度等于或者低于所述多个导线中的每一个的高度。
12.根据权利要求7所述的发光器件封装，其中所述包封材料具有基本平坦的上表面。
13.一种发光器件封装，包括：
发光器件芯片，所述发光器件芯片包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层以及在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；
在所述发光器件芯片上的至少一个导线；和
在所述发光器件芯片上的包封材料，所述包封材料包括磷光体，
其中所述导线接触所述发光器件芯片的最外部。
14.根据权利要求13所述的发光器件封装，还包括：
在所述发光器件芯片上的多个导线，其中所述多个导线包括至少一个虚拟导线。
15.根据权利要求13所述的发光器件封装，其中所述至少一个导线垂直于所述发光器件芯片的上表面，并且其中所述包封材料的高度等于或者低于所述至少一个导线的高度。
16.根据权利要求13所述的发光器件封装，其中所述包封材料具有平坦的上表面。
17.一种发光模块，包括：
衬底；和
在所述衬底上的发光器件封装，其中所述发光器件封装包括：
发光器件芯片，所述发光器件芯片包括第一导电型半导体层、在所述第一导电型半导体层上的第二导电型半导体层以及在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间的有源层；
附着于所述发光器件芯片的上表面并从所述发光器件芯片的上表面垂直突出的至少一个导线；和
在所述发光器件芯片上的包封材料，其中所述包封材料包括磷光体，并且其中所述包封材料的上表面的高度等于或者低于所述至少一个导线的高度。
18.根据权利要求17所述的发光模块，其中所述发光器件封装还包括：附着于所述发光器件芯片的上表面并且从所述发光器件芯片的上表面垂直突出的多个导线，并且其中所述多个导线中的每一个设置在所述发光器件芯片的最外部的周围。
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