CN102983247A - 半导体发光装置的光学组件、封装结构与封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有垂悬液滴轮廓的光学组件与其制造方法及应用。在一实施例中，利用所述光学组件包覆一或多个发光二极管芯片，以增加其光萃取效率。

Description

半导体发光装置的光学组件、封装结构与封装方法

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置的光学组件，特别是具有垂悬液滴状的光学组件，与其制作方法及应用。

背景技术

现今已经开发出来各种形式的发光二极管芯片，且逐渐应用于各领域中。在半导体芯片制作完成后，会经过一道封装程序。封装结构提供半导体芯片在机构、电、热与光等方面的必要支持。

封装结构通常利用一由环氧树脂、硅基类或其它材质制成的光学组件(lens)或外壳包覆一或多个半导体芯片。光学组件可避免芯片受到水气或化学药剂侵蚀而损坏。掺杂有磷光剂(phosphor)的光学组件还可改变发光颜色。当具有良好的封装结构设计时，光学组件甚至可提升发光效率。

图1A至图1C例示一种现有的封装方法。图1A显示一种发光二极管芯片10装设在一导线架12上。图1B显示一种模具14，其具有注入孔14a与通气孔14b。模具14将被放置于导线架12上，接着，经由注入孔14a，注入环氧树脂或硅胶于模具14内直到填满为止。填入的胶被固化(cured)后，固化的胶与模具14结合成一整体，或者，固化后将模具14移除，如此即制作完成具有半圆形光学组件16的封装结构，如图1C所示。

模具14的成本昂贵。某些制造商开发出点胶封装法以降低成本。图2显示一种以点胶法制作的发光二极管封装结构。点胶封装法不使用模具，而是利用点胶器具直接将环氧树脂或硅胶形成在发光二极管芯片上。点胶经固化程序后，形成光学组件20来包覆发光二极管芯片。

点胶封装法形成的光学组件20与模具封装法形成的光学组件16相比，前者的外型较为不圆，且实验结果显示，在封装相同的发光二极管芯片条件下，后者可提升较多芯片的发光功率。虽然点胶法的成本低，但是牺牲了发光效率。

鉴于上述，需要提出新的以低成本方式的封装结构和方法，并增加发光功率。

发明内容

本发明的目的在于提供新的封装结构与方法，以提升发光装置的发光功率并节省成本。

本发明一实施例提供半导体发光装置的封装方法，包含下列步骤：分布一密封材料以包覆一或多个设置于一支撑机构上的半导体发光装置；翻转该支撑机构；以及固化该密封材料。

本发明另一实施例提供一种封装结构，其是以前述封装方法形成的。

本发明另一实施例提供一种具有垂悬液滴状的光学组件，用于包覆一或多个半导体发光装置，以提升其输出功率。

本发明另一实施例提供一种发光装封装结构，其包含：一支撑机构，用于支撑一或多个半导体发光装置；以及一具有垂悬液滴状外观的光学组件，用于覆盖该一或多个半导体发光装置。

附图说明

图1A至图1C显示一种现有的封装方法。

图2显示由现有点胶方法形成的封装结构。

图3显示根据本发明一优选实施例的光学组件与封装结构。

图4A至4F显示根据本发明一实施例的封装方法。

图5A至5G显示根据本发明一实施例的封装方法。

图6显示本发明实施例某些密封材料的温度-储存模量曲线。

图7显示本发明封装方法与现有点胶方法所封装发光二极管的发光功率比较直方图。

组件符号说明

10发光二极管芯片

12导线架

14模具

14a注入孔

14b通气孔

16光学组件

20光学组件

30封装结构

32光学组件

34半导体发光装置

40支撑机构

40a凸缘

42半导体发光装置/发光二极管芯片

44密封材料

46半固化/无黏性/似橡胶状态

48光学组件

P反曲点

具体实施方式

以下将详述本申请的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本申请的范围内，并以的权利要求书为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部这些特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未详细描述，以避免造成本发明不必要的限制。除非特别限定或说明，组件数量不限于图中所示。

图3显示根据本发明一优选实施例的光学组件32与封装结构30。光学组件32的特征在于具有一垂悬液滴状的轮廓，其可类似一钟状，具有至少两个反曲点P(inflection point)。此外，该垂悬液滴轮廓是由重力(gravity)造成的，利用重力自然地形成。封装结构30利用光学组件32包覆或覆盖一或多个半导体发光装置34，其可包含，但不限于，发光二极管。在本文中，「垂悬液滴轮廓」可包含一液滴悬挂且贴在一物体表面的外形。

图4至图4F显示根据本发明一实施例的封装方法。参见图4A，首先提供一支撑机构40。支撑机构40可包含，但不限于，一导线架(leadframe)、一次基座(sub-mount)、一板材(board)、一基板(substrate)，例如，一印刷电路板，一金属基板、一复合基板，或一半导体基板。作为例示而非限制，本实施例的支撑机构40是导线架40。在某些实施例中，发光装置34可以是发光二极管芯片、晶粒(die)或发射体(emitter)。发光装置34与支撑机构40可通过热声波(thermosonic)、热压缩(thermocompressive)、超声波(ultrasonic)、黏胶(glue)，以及具有充满或未充满(underfill)的共熔(eutectic)等等方式相接合。

参见图4B，接着，一或多个半导体发光装置42被装设在支撑机构40上。作为例示而非限制，本实施例的一或多个半导体发光装置42是一发光二极管芯片42。例如，可利用银胶(silver paste)将发光二极管芯片42固定在支撑机构40上。此外，在半导体发光装置42与支撑机构40之间，可通过各种结构与方法建立电性连接；此步骤可使用现有技术手段，例如打线接合(wire bonding)。

参见图4C，接着，分布(dispensing)一密封材料44以包覆或覆盖发光二极管芯片42。密封材料44可包含，但不限于，环氧树脂胶、硅胶、UV(紫外线)固化胶，或其它具有适当折射率(refractive index)的材料，以提升光萃取效率。密封材料44通常是一种聚合物，并可包含一或种磷光剂(phosphor)、散光粒子(dispersing particle)，和/或散热粒子(heat-dissipating particle)。此外，密封材料44的分配量是通过实验精确地计算得到。此外，在支撑机构40上表面的外围，可包含一封闭的凸缘40a或一封闭的沟槽(groove，未图示)，用于精确控制密封材料44的分配量。密封材料44覆盖支撑机构40的区域，将受限于至少一凸缘40a或沟槽。

参见图4D，接着，翻转支撑机构40，使密封材料44朝地面方向。此步骤可利用一治具协助完成。翻转后，重力牵引密封材料44往下，使其轮廓变成垂悬液滴，或类似倒置钟状或倒置的高斯(Gaussian)曲线。此类高斯、轴对称的垂悬液滴轮廓的影响因素有：密封材料44的表面张力与黏度、发光二极管芯片42与支撑机构40之间的亲合性、重力值。

参见图4E，接着，以一第一温度加热密封材料44，加热作业持续一第一期间。加热后，密封材料44变成一半固化状态46、一无黏性(tack-free)状态46，或似橡胶状态46，此状态46下不会再因重力产生形变(deform)。

参见图4F，以一第二温度加热半固化(或部分固化)状态或无黏性状态的密封材料46，持续一第二期间，使密封材料46完全固化或交联(cross-linked)，形成一光学组件48。

前述第一温度、第二温度及其加热时间决定于密封材料的种类与组成。优选地，这些参数是由所选用密封材料44的温度-储存模量(storage modulus)曲线所决定。通常这类曲线具有一储存模量最小值，其对应至一第三温度，而略低于第三温度的一温度值可选用作为前述的第一温度。图6显示三种不同密封材料，包括样品D、F、H的温度-储存模量曲线。每一曲线都具有三个区段：硬区段、软区段，以及介于前述两区段之间的中间区段。当温度上升，密封材料会变软。通常，前述第一温度位于中间区段，第二温度位于软区段。以样品D为例，其第一温度可介于大约25℃至70℃，加热周期可介于大约10min至30min，优选可为70℃、20min；其第二温度与加热周期可以是大约150℃、1hr至2hr。

请注意，虽然本实施例使用两阶段方式固化垂悬的密封材料，本发明其它实施例可使用多阶段方式固化。或者，如果所选用密封材料可在短时间内固化，单阶段的固化方式也是有可能的。此外，可利用其它非加热的物理或化学方式，例如照射辐射波(例如紫外线)、照射电磁波等方式使密封材料固化。

图5A至图5G显示根据本发明另一实施例的封装方法。本实施例属于图4A至4F实施例的变化实施例，其差别在于图5F所示步骤。参见图5F，经加热密封材料44使其成半固化46、无黏性46，或似橡胶状态46后，再次翻转支撑机构40，使密封材料46再次朝上，即朝向与地心引力相反的方向。参见图5G，接着以第二温度加热半固化或无黏性状态的密封材料46，加热作业持续一第二期间，使密封材料46完全固化或交联，形成所需光学组件48。

此外，发明人规划一系列实验，以检验本发明实施例封装方法的发光功率。表一列出实验所使用某些密封材料的规格。这些示范的密封材料都是两剂型，在使用前必须相混合。

表二列出如何找出某特定密封材料的最佳分配量的实验结果。九种样品中标示有「下」者为利用图4A至图4F实施例的封装方法，标示有「上」者为利用图2所示传统点胶方法。在本范例中，利用朝下封装方法的密封材料最佳分配量大约为0.08±0.002g。

表三列出发光二极管芯片经过本发明实施例封装方法封装前后的特性比较，同时也列出比较样品的数据。经本发明实施例方法封装后的结构，即样品标示「下」者，其发光二极管芯片的输出功率可增加33％至37％(30％以上)。经传统点胶法封装后的结构，即样品标示「上」者，其发光二极管芯片的输出功率仅增加15％至21％。

表三的结果也呈现于图7的直方图。此外，表四列出以传统模具封装法形成结构的特性。以模具法封装后发光二极管芯片的平均光通量(radiant flux)为554.5mW，以本发明方法封装后发光二极管芯片的平均光通量为555.4mW，以传统点胶法封装后发光二极管芯片的平均光通量为476.8mW。实验结果显示，在无需模具条件下，本发明实施例封装方法相比于现有点胶法可提升更多发光功率，并可比拟以模具法形成封装结构的特性。

表一

表二

表三

a：封装前测量

b：封装后测量

WPE：插座效率

表四

a：封装前测量

b：封装后测量

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求所限定的范围内。

Claims (17)

1.一种半导体发光装置的封装方法，包含下列步骤：分布一密封材料以包覆一个或多个半导体发光装置，所述半导体发光装置设置于一支撑机构上；

执行一第一翻转步骤使所述支撑机构翻转；以及

固化所述密封材料。

2.如权利要求1的封装方法，其中所述第一翻转步骤通过重力使所述密封材料形成一垂悬液滴轮廓。

3.如权利要求1或2的封装方法，其中所述固化所述密封材料的步骤包含阶段式固化步骤。

4.如权利要求3的封装方法，其中所述阶段式固化步骤至少包含下列两个步骤：

执行一第一固化步骤，使所述密封材料成为一无黏性状态，此时所述密封材料在重力下不会产生形变；以及

执行一第二固化步骤，使所述无黏性状态的密封材料完全固化或成为交联状态。

5.如权利要求4的封装方法，其中所述第一固化步骤与所述第二固化步骤的固化方法是分别选自下列群组其中之一：加热、照辐射波、照电磁波。

6.如权利要求4的封装方法，其中所述第一固化步骤包含以一第一温度加热所述密封材料，所述第二固化步骤包含以一第二温度加热所述密封材料。

7.如权利要求6的封装方法，其中在所述第二固化步骤之前，还包含下列步骤：第二翻转步骤，使所述支撑机构再次朝上。

8.如权利要求6的封装方法，其中所述密封材料具有一温度-储存模量曲线，其具有对应于一第三温度的一储存模量最小值，所述第一温度小于所述第三温度。

9.如权利要求6的封装方法，其中在所述第二固化步骤之前，还包含下列步骤：电性连接所述一个或多个发光二极管和所述支撑机构。

10.如权利要求1的封装方法，其中在分布所述密封材料的步骤中，在支撑机构上由密封材料所覆盖的区域被至少一个封闭的凸缘或封闭的沟槽所限制。

11.一种具有一垂悬液滴轮廓的光学组件，用于包覆一个或多个半导体发光装置，以提升所述一个或多个半导体发光装置的输出功率。

12.如权利要求11的光学组件，其中所述垂悬液滴轮廓包含至少两个反曲点。

13.如权利要求11的光学组件，其中所述一个或多个半导体发光装置被所述光学组件覆盖后，其输出功率增加30％以上。

14.如权利要求11或12的光学组件，还包含掺杂一个或多个磷光剂、散光粒子，和/或散热粒子。

15.一种发光二极管封装结构，包含：

一支撑机构，支撑一个或多个半导体发光装置；以及

一光学组件，具有一垂悬液滴轮廓，覆盖所述一个或多个半导体发光装置。

16.如权利要求15的发光二极管封装结构，其中所述垂悬液滴轮廓包含至少两个反曲点。

17.如权利要求15或16的发光二极管封装结构，其中所述支撑结构包含至少一个封闭的凸缘或一封闭的沟槽，在所述支撑结构上，所述封闭的凸缘或所述封闭的沟槽限制所述密封材料所覆盖的区域。

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