CN103000793A

CN103000793A - 发光二极管封装结构与封装方法

Info

Publication number: CN103000793A
Application number: CN2011102855528A
Authority: CN
Inventors: 洪志欣
Original assignee: Huaxia Optical Co ltd
Current assignee: Huaxia Optical Co ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明一实施例提供一种发光二极管封装结构与封装方法，封装结构包含一具有一个或多个孔洞的基板、一个或多个柱体、一个或多个发光二极管芯片以及至少一个封胶材料，其中基板的一个孔洞装配一柱体。此外，一个或多个发光二极管芯片固晶于柱体的顶面上、至少一个封胶材料位于发光二极管芯片上方。

Description

发光二极管封装结构与封装方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管封装结构与方法。

背景技术

发光二极管(light-emitting diode，LED)是一种半导体二极管光源。当二极管被施加正偏压而导通，其内的电子与电洞重新结合，并以光子的形式释放能量。这种效应被称为电致发光，而所发出光的颜色，是对应于光子的能量，并取决于半导体的能隙。相较于白炽光源，以发光二极管作为光源，具有较低能耗、较长寿命、较坚固、更快切换，以及更好耐用性与可靠性等优点。

发光二极管芯片的结构可分为水平式、垂直式、P型朝上(p-sideup)、N型朝上(n-side up)等数种。在芯片制造完成后，必须经过一道重要的程序-封装。封装可提供发光二极管芯片在电、光、热上的支持。例如，发光二极管芯片长时间暴露于空气中，会受到水气与环境中化学物质侵蚀而老化，造成特性衰退；封装结构可有效隔绝大气与发光二极管芯片。另外，封装结构可导出芯片所产生的热，从而维持芯片的特性、提高可靠度。另外，良好的封装结构可提高光萃取效率。

鉴于上述，需要提出一种封装结构或方法，使提高芯片可靠度、散热效率，以及光萃取效率。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可提高芯片可靠度、散热效率、光萃取效率的封装结构或方法。

本发明一实施例提供一种发光二极管封装结构，包含一基板、一个或多个柱体、一个或多个发光二极管芯片以及至少一个封胶材料。基板包含一个或多个孔洞，其中一个孔洞装配一个柱体。一个或多个发光二极管芯片固晶于柱体的顶面上。至少一个封胶材料位于一个或多个发光二极管芯片上方。

本发明另一实施例提供一种发光二极管封装方法，包含下列步骤：提供一具有一个或多个孔洞的基板；进行一装配步骤，以便在一个孔洞内装配一柱体；将一个或多个发光二极管芯片固定在柱体的一顶面上；以及放置至少一个封胶材料，以便于覆盖一个或多个发光二极管芯片。

附图说明

图1至图10显示本发明一优选实施例的发光二极管封装结构与程序，具体为：

图1显示本实施例的基板、孔洞、柱体；

图2A至2C显示本实施例的第一种形式柱体；

图3A至3C显示本实施例的第二种形式柱体；

图4A与4B显示本实施例的第一形式柱体或第二形式柱体被装配于孔洞内；

图5A与5B显示本实施例的一个或多个发光二极管芯片被固晶于第一形式柱体或第二形式柱体的顶面上；

图6A与6B显示本实施例利用导线连结发光二极管芯片与基板的电路；

图7A与7B显示本实施例放置封胶材料于顶面上；

图8与图9显示本实施例利用另外两种型式的柱体完成封装结构；

图10A与10B显示本实施例两种封装完成的发光二极管封装结构；

图11显示本实施例另一种封装完成的发光二极管封装结构。

主要组件符号说明

10 基板

12 孔洞

12a 孔洞上部

12b 孔洞下部

14 电路

20 柱体

20a 顶面

20b 沟槽/凸缘

20c 配合面

20d 停止面

30 发光二极管芯片

40 导线

50 封胶材料

52 荧光材料

α 夹角

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地实施在其它的实施例中，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，并以权利要求的范围为准。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描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。图式中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意之用，并非代表组件实际的尺寸或数量，除非有特别说明。本文所述的方向是以图式作为参考基准。

本发明是关于一种发光二极管(light-emitting diode，LED)封装结构。封装结构可包含一具有一个或多个孔洞的基板、一个或多个柱体、一个或多个发光二极管芯片以及至少一个封胶材料，其中基板的一个孔洞装配一柱体。另外，一个或多个发光二极管芯片固晶于所述柱体的表面；并且至少一个封胶材料位于发光二极管芯片上方。

优选地，在柱体与基板之间，以及柱体与柱体之间，不存在焊接结构。

以下提出一实施例来说明本发明的发光二极管封装结构与制造过程。

图1至图12显示一种发光二极管封装结构与过程。参见图1，首先提供一基板10，其具有数个孔洞12，且在每个孔洞10周围的表面可布设(layout)电路14，用于稍后电性连接发光二极管芯片。另外，提供与孔洞12数量相应的柱体20，用于稍后与孔洞12装配。

在一范例中，基板的材料包含硅、陶瓷、金属、合金、碳/金属复合材料，或前述材料的任意组合。在另一范例中，基板10可以是，但不限于，印刷电路板(printed circuit board，PCB)、金属基印刷电路板(metal core PCB，MCPCB)、陶瓷基板(ceramic substrate)、铝基覆铜板，或覆铜陶瓷基板(direct bonding copper，DBC)等。

在本实施例，柱体20可有两种主要形式。图2A至2C显示第一种形式的柱体20，其中图2A为立体图，图2B为上视图，图2C为图2B在A-A方向的剖面图。如图2A，柱体20由柱体上部22与柱体下部24一体成型或以分别形成后再组装的方式构成。柱体上部22具有顶面20a，用于稍后固定一个或多个发光二极管芯片；另外，柱体上部22可包含一个或多个封闭沟槽(未显示于图中)或一个或多个封闭凸缘20b(flange)环绕顶面20a的边缘。

封闭沟槽或封闭凸缘20b可限制封胶材料的形成范围，避免溢胶情形发生，且封胶材料受限于沟槽/凸缘的表面张力作用，而定位于沟槽/凸缘所围绕的一预定范围内。

当沟槽/凸缘的环绕范围较大时，封胶材料的形成曲率会较小；而当沟槽/凸缘的环绕范围较小时，封胶材料的形成曲率会较大。因此，在进行放置封胶材料步骤时，可藉由调整(adjust)沟槽/凸缘的环绕范围，来控制封胶材料的形成曲率。

请参考图2C，凸缘20b与顶面20a具有一夹角α；在本实施例，夹角可为钝角(例如：135°)，但不限于此。夹角α亦会影响其封胶材料的形成曲率。因此，藉由控制沟槽/凸缘的环绕范围或是选用具有不同夹角α的凸缘，便可有效地控制封胶材料的形成曲率。

此外，柱体上部22的侧面作为一配合面20c(fitting surface)，柱体下部24露出的上表面作为一停止面20d，用于稍后与孔洞12装配。在本实施例，柱体上部22与柱体下部24形状为圆柱体，但也可以是椭圆柱体或多边形柱体。

图3A至图3C显示第二种形式的柱体20，其中图3A为立体图，图3B为上视图，图3C为图3B在A-A方向的剖面图。如图3A，柱体20具有顶面20a，用于稍后固定一个或多个发光二极管芯片。另外，柱体20可包含一个或多个封闭沟槽(未显示于图中)或一个或多个封闭凸缘20b(flange)环绕顶面20a的边缘。

参考图3C，凸缘20b与顶面20a具有一夹角α；在本实施例，夹角可为135°，但不限于此。另外，柱体20侧面与底面分别作为配合面20c与停止面20d，用于稍后与孔洞12装配。在本实施例，柱体20为圆柱体，但也可以是椭圆柱体或多边形柱体。

柱体20的材料可以是金属、合金、或其任意组合，例如铜、钻/铜、铜/钨合金等等；在又一范例中，柱体20的材料为铜基材料(copper-based material)，基板10的材料为铝基材料(aluminum-basedmaterial)。此外，柱体的顶面20a的法向量(normal vector)可平行于柱体20的中心轴。

如图4A与4B所示，接着，将第一形式的柱体20或第二形式的柱体20装配于孔洞12内。在本文中，“装配”是以一种非焊接的方式使柱体20与孔洞12固定。

在本实施例，“装配”的形式可以是余隙配合(clearance fits)(又称松配合)、干涉配合(interference fits)(又称紧配合)、过渡配合(transition fits)，优选为干涉配合，其中柱体的侧面作为干涉配合的一干涉配合面。若以机械名词定义，柱体20作为两配合件的轴(shaft)，孔洞12作为孔(hole)。

请参考图4A，孔洞12为一贯穿孔(through hole)，具有孔洞上部12a与孔洞下部12b，装配方向为由下至上，其中孔洞上部12a的侧面可作为配合面。请参考图4B，孔洞12的侧面可作为配合面，孔洞12为非贯穿孔，孔洞12的底面可作为装配的停止面，且装配方向可由上而下。此外，孔洞12也可以是贯穿孔，装配方向为由下至上。

如果柱体20与孔洞12两者为紧配合，则柱体上部22的尺寸大于孔洞上部12a的尺寸(图4A)、柱体20的尺寸大于孔洞12的尺寸(图4B)；如果是松配合，则柱体上部22的尺寸小于孔洞上部12a的尺寸(图4A)、柱体20的尺寸小于孔洞12的尺寸(图4B)；如果是过渡配合，则柱体上部22与孔洞上部12a的尺寸公差区域有部分重叠(图4A)、柱体20与孔洞12的尺寸公差区域有部分重叠(图4B)，如此两者的配合程度介于紧配合与松配合之间。在一范例中，柱体上部22、柱体20、孔洞上部12a、孔洞12可以是圆形，而前述“尺寸”指的是直径。

如图5A与5B所示，接着，将一个或多个发光二极管芯片30固晶于第一形式柱体20或第二形式柱体20的顶面20a上。固晶所使用的材料可以是银胶、锡膏、金锡焊料等，但不限于此。图标中仅显示一个发光二极管芯片30，但不限于此，也可以是多个发光二极管芯片30。发光二极管芯片30的形式可以是，但不限于，水平式、垂直式、P型朝上、N型朝上等等。

如图6A与6B所示，接着，可利用打线键合(wire bonding)技术，将导线40，例如金线或铝线的两端，分别连结发光二极管芯片30与基板10的电路14。

如图7A与7B所示，接着，可利用前述沟槽/凸缘的设计或模造(molding)技术，将封胶材料50放置在顶面20a上。封胶材料50可以是聚合物，例如硅胶、环氧树脂、辐射固化胶等。

接者，固化封胶材料50，完成封装结构。其中固化可利用高温或是照光方式，使封胶材料50产生交联反应而达成。

在本发明的一实施例中，柱体20的型式可不限上述两种。图8与图9显示另外两种型式的柱体20(请参考图8与图9)，主要不同处在于柱体20的形状，其余柱体20与基板10的装配、材料、封装过程，可沿用先前说明，不再赘述。如图8所示，柱体20的形状为梯形柱体20，装配方向由下而上，柱体20的侧面为配合面(梯形柱体20也可以是倒置，而装配方向由上而下)。请参考图9，柱体20具有柱体上部22与柱体下部24，柱体上部22的侧面作为配合面，柱体下部24的上表面作为停止面。

图10A显示一种封装完成的发光二极管封装结构，其中封胶材料50内部包含单一发光二极管芯片30，其可发出一单色光，例如红、蓝，或绿光，优选为蓝光。为了改变发光颜色，封胶材料50可具有荧光材料52，如图10B所示。荧光材料52可以是钇铝石榴石荧光粉(yttriumaluminum garnet，YAG)、铽铝石榴石荧光粉(terbium aluminum garnet，TAG)等等。

图11显示另一种发光二极管封装结构，其中在封胶材料50内部，包含多个可分别发出单一色光，或发出不同色光，例如红光、蓝光、绿光，或蓝光、黄光的发光二极管芯片30；经由调整各芯片的电流值，改变各芯片的光通量，使封装结构发出一混光，例如白光。请注意为了图式简洁，导线40并未绘出。另外，发光二极管封装结构也可以设计为封胶材料不包含荧光材料，将荧光材料设置于相距封胶材料的一特定距离处。

本发明的一实施例揭露一种发光二极管封装方法，首先提供一具有一个或多个孔洞的基板。其次，进行一装配步骤，以使得一个孔洞内装配一柱体。然后，将一个或多个发光二极管芯片固定于柱体的一顶面上。最后，放置(disposing)至少一各封胶材料，以便于覆盖一个或多个发光二极管芯片。

在一范例中，上述装配步骤不包含焊接步骤。在另一范例中，装配步骤为干涉配合步骤，且柱体的侧面作为一干涉配合面。在又一范例中，在放置该封胶材料之前，还包含电性连接基板的一电路与发光二极管芯片。

本发明的封装结构与方法，可藉由控制柱体20的高度与尺寸，和/或封胶材料50的形状与尺寸，得到不同的光形，和/或不同发光角度。图12A至图15C显示一些范例。参见图12A，封装结构包含一个发光二极管芯片30，而柱体20的顶面20a的高度大约等于基板10的高度。参见图12B，其结构与图12A相似，不同处在于封装材料50的尺寸较大，使包覆整个导线40以及至少部分电路14。参见图13A，封装结构包含多个发光二极管芯片30，而柱体20的顶面20a的高度大约等于基板10的高度。参见图13B，其结构与图13A相似，不同处在于封装材料50的尺寸较大，使包覆整个导线40以及至少部分电路14。参见图14A至图14C，柱体20的顶面20a的高度大于基板10的高度，柱体20高度可以调整。

因此本发明可藉由控制柱体20的高度与尺寸，和/或封胶材料50的形状与尺寸，得到不同的光形，和/或不同发光角度。

本发明实施例的封装结构，柱体20将发光二极管芯片30产生的热迅速导出，可提高散热效率；柱体20与基板10不存在焊接程序，可简化工艺。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明；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，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种发光二极管封装结构，包含：

一基板，包含一个或多个孔洞；

一个或多个柱体，其中所述基板的一个孔洞装配一个该柱体；

一个或多个发光二极管芯片，固晶于所述柱体的一顶面上；以及

至少一个封胶材料，位于所述发光二极管芯片上方。

2.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，在所述柱体与所述基板之间或是多个所述柱体彼此之间，不存在焊接结构。

3.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述顶面的法向量平行于所述柱体的中心轴。

4.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述顶面的边缘具有一封闭凸缘，该凸缘作为所述封胶材料的一停止面。

5.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述孔洞与所述柱体的装配形式为干涉配合，所述柱体的侧面作为干涉配合的一干涉配合面。

6.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述孔洞为贯穿孔。

7.如权利要求6的发光二极管封装结构，其特征在于，所述孔洞具有一孔洞上部与一孔洞下部，该孔洞上部的孔径小于该孔洞下部的孔径。

8.如权利要求6的发光二极管封装结构，其特征在于，所述柱体具有一柱体上部与一柱体下部，该柱体上部的直径小于该柱体下部的直径。

9.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述孔洞是一非贯穿孔，并且装配的方向由上而下，且所述柱体的底面作为装配的一停止面。

10.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述柱体的材料为铜基材料，所述基板的材料为铝基材料。

11.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，还包含利用多个金属导线连接所述发光二极管芯片与所述基板的一电路。

12.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，还包含一荧光材料，设置于距离所述封胶材料一特定距离处。

13.如权利要求1的发光二极管封装结构，其特征在于，所述顶面的高度等于或大于所述基板的高度。

14.一种发光二极管封装方法，包含下列步骤：

提供一具有一个或多个孔洞的基板；

进行一装配步骤，以使得一个孔洞内装配一柱体；

将一个或多个发光二极管芯片固定于所述柱体的一顶面上；以及

放置至少一个封胶材料，以便于覆盖所述一或多个发光二极管芯片。

15.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述装配步骤不包含焊接步骤。

16.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述装配步骤为干涉配合步骤，且所述柱体的侧面作为一干涉配合面。

17.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述柱体的所述顶面法向量平行于所述柱体的中心轴。

18.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述柱体的所述顶面的边缘具有一封闭凸缘，该凸缘作为所述封胶材料的一停止面。

19.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述孔洞是贯穿孔，所述柱体的侧面为一配合面，装配方向是由下而上。

20.如权利要求14的发光二极管封装方法，其特征在于，所述孔洞是非贯穿孔，所述柱体的侧面为一配合面，所述柱体的底面为一停止面，装配方向是由上而下。

21.如权利要求14的发光二极管封装方法，在放置所述封胶材料之前，还包含电性连接所述基板的一电路与所述发光二极管芯片。