CN106505134A - 一种量子点白光led器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子点白光LED器件，包括有倒装芯片、量子点层、透明封装层、反射层和电极层；倒装芯片的上表面设有凹槽，凹槽的内表面设有第一纹路，量子点层设于凹槽内；电极层设于倒装芯片的底部；反射层包覆倒装芯片的侧壁、倒装芯片的上表面的非凹槽区、以及电极层的侧壁，反射层还填充于电极层的电极之间；反射层的上表面和内壁设有第二纹路；透明封装层包覆量子点层的裸露区域、以及反射层的上表面。本发明还对应公开了一种量子点白光LED器件的制备方法。对于本发明，产品的气密性好、散热性佳且可靠性高，具有高显色性；而对于其制备方法，免去了封装环节，制备工艺简单易行、成熟，制备效率高。

Description

一种量子点白光LED器件及其制备方法
技术领域
本发明属于发光二极管(LED)技术领域，具体涉及一种量子点白光LED器件及其制备方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，是把电能转换成光能的半导体光电器件，属光电半导体的一种。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
传统的LED免封装技术是通过蓝光激发YAG粉，其存在光色不纯、色域低以及发光效率低等诸多问题，而量子点材料通过调控粒径尺寸大小，可以制作成产生不同发光颜色的荧光材料，具有发光效率高、发光色纯度高、透光率好等优点。因此，将量子点材料引入LED免封装技术当中势在必行，当前普遍的做法如下：
(1)将量子点荧光粉混入硅胶材料体系，涂覆在芯片上方，但这种方法存在固化不良、以及气密性差等诸多问题。
(2)将量子点封装在玻璃管中或者制作成量子点膜，比如：①申请号为201510226918.2的中国专利公开了一种量子点封装管夹持装置、背光模组，其公开了量子点位于中空封装管中；②授权公告号为CN203521468U的中国专利公开了一种发光二极管，该发光二极管包括有一设置于封装材料之上的量子点薄膜，所述量子点薄膜包含两个透明片材、以及设置在两个透明片材之间的第一型量子点、第二型量子点和第三型量子点中的一种或多种的组合；③申请号为201510315996.X的中国专利公开一种量子点发光器件及背光模组，其包括有包含多个量子点的量子点膜；④申请号为201510311890.2的中国专利公开了一种量子点背光源结构及显示装置，所述量子点背光源结构包括有LED光源，所述LED光源的光路上设有量子点膜和导光板，所述量子点膜中分散有红光量子点。但是，将量子点封装在管内或制成量子点膜均存在散热性不好、可靠性差等问题。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，一方面提供了一种量子点白光LED器件，其将量子点材料与芯片直接结合，真正实现了晶圆级封装，具有高显色性，且气密性好、散热性佳，大幅度地提高了LED的可靠性及使用寿命。
本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：
一种量子点白光LED器件，其特征在于：
包括有倒装芯片、量子点层、透明封装层、反射层和电极层；
所述倒装芯片的上表面设有凹槽，所述凹槽的内表面设有第一纹路，所述量子点层设于所述凹槽内；
所述电极层设于所述倒装芯片的底部；
所述反射层包覆所述倒装芯片的侧壁、所述倒装芯片的上表面的非凹槽区、以及所述电极层的侧壁，所述反射层还填充于所述电极层的电极之间；所述反射层的上表面和内壁设有第二纹路；
所述透明封装层包覆所述量子点层的裸露区域、以及所述反射层的上表面。
进一步的，所述凹槽的侧壁为阶梯状；所述量子点层设于处在最中心的所述凹槽内，所述透明封装层包覆所述量子点层的裸露区域、所述倒装芯片的上表面、以及所述反射层的上表面。
进一步的，所述凹槽的最底部设有硅胶层，所述量子点层通过所述硅胶层粘附于所述凹槽内。
进一步的，所述透明封装层由硅胶制成。
进一步的，所述反射层由兼具高导热率和高反射率的材料制备而成。
进一步的，所述倒装芯片包括有外延衬底、N型外延层、发光层以及P型外延层；所述外延衬底、所述N型外延层、所述发光层和所述P型外延层从上外下依次层叠设置，所述凹槽设于所述外延衬底的上表面。
进一步的，所述外延衬底为蓝宝石片。
本发明另一个方面对应地提供了一种量子点白光LED器件的制备方法，其免去封装环节，且直接使用现有相对成熟的半导体制造工艺，即制备工艺简单易行、成熟，制备效率高，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制作倒装发光单元，在所述倒装发光单元的上表面制作阵列型凹槽，在所述凹槽的内表面刻蚀出第一纹路；
S2：将所述倒装发光单元切割成多颗倒装芯片，每一所述倒装芯片上具有一所述凹槽，在每一所述倒装芯片的底部制作电极层；
S3：将多颗所述倒装芯片以阵列式邦定于临时基板上，相邻的所述倒装芯片之间均设有间隙，所述倒装芯片的上表面朝上，在所述倒装芯片之间、所述倒装芯片上表面的非凹槽区、以及所述电极层的电极之间填充反射层；
S4：在所述反射层的上表面和内壁刻蚀出第二纹路；
S5：在所述凹槽内设置量子点层；
S6：在所述量子点层的上表面、所述反射层的上表面涂覆透明封装层并固化；
S7：切割、去除临时基板，分离得到多颗量子点白光LED器件。
进一步的，在所述步骤S5中，在所述凹槽的最底部先喷涂硅胶层并固化，然后所述量子点层通过所述硅胶层粘附于所述凹槽内。
进一步的，在所述步骤S1中，所述阵列型凹槽采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成，所述第一纹路采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在所述步骤S4中，所述第二纹路采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在所述步骤S6中，所述透明封装层采用Molding工艺涂覆而成。
相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
(1)对于本发明提供的一种量子点白光LED器件：①利用芯片制造工艺，即芯片级制作量子点光转换层，将量子点材料与芯片直接结合，免去了封装环节，真正实现了晶圆级封装，且节省制备成本；②在倒装芯片的表面(具体为凹槽的内表面)设有第一纹路，增大了量子点层与倒装芯片(具体为凹槽)的接触面积，使得量子点层的连接更为牢固，有效地提高了量子点LED的可靠性以及使用寿命；③反射层的上表面和内壁设有第二纹路，增大了透明封装层与反射层的接触面积，二者的连接更为牢固，使得量子点层的封装结构具有较高的密封性，且延长了水汽和氧气的流通路径，从而避免了水汽和氧气对量子点材料的侵蚀，化学稳定性好，进而大幅度地提高了量子点LED的可靠性以及使用寿命；④量子点层更薄，具有高显色性，且发光面小，易配透镜，不易产生黄圈，光色更纯正；⑤仅包括有倒装芯片、量子点层、透明封装层、反射层和电极层，结构散热性佳，有利于提高LED的可靠性及使用寿命。
(2)本发明提供的一种量子点白光LED器件制备方法，免去封装环节，节省了制作成本，且使用的是现有相对成熟的半导体制造工艺，已完全具有制备出样品的能力，并未增加任何高难度的新技术。换言之，其制备工艺简单易行、成熟，在提高量子点白光LED器件的可靠性和高显色性的同时可以显著地提高制备效率，有利于降低制备成本。
综上所述，本发明提供的一种量子点白光LED器件可以广泛地应用于LED照明、背光等技术领域，具有很高的市场价值。
附图说明
图1为实施例1所述的单颗量子点白光LED器件的一种结构示意图(剖切图)；
图2为实施例1所述的单颗量子点白光LED器件的俯视图(设置量子点层、涂覆透明封装层前)；
图3为实施例1所述的单颗量子点白光LED器件的一种制备流程的示意图；
图4为实施例2所述的单颗量子点白光LED器件的一种结构示意图(剖切图)；
图5为实施例2所述的单颗量子点白光LED器件的俯视图(设置量子点层、涂覆透明封装层前)。
附图标记：
1(或2)、量子点白光LED器件；11、倒装芯片；111、凹槽；1111、第一纹路；1112、处在最中心的凹槽；112、外延衬底；113、N型外延层；114、发光层；115、P型外延层；12、量子点层；13、透明封装层；14、反射层；141、第二纹路；15、电极层；16、硅胶层。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例公开了一种量子点白光LED器件1，如图1、2所示，包括有倒装芯片11、具有很好的光转换作用的量子点层12、透明封装层13、反射层14和电极层15。
倒装芯片11的上表面设有凹槽111，凹槽111的内表面设有第一纹路1111(其中侧壁上的第一纹路1111各图均未体现)，量子点层12设于凹槽111内。其中，凹槽111的结构设计，使得量子点层12更易于设置，且不易窜动，即凹槽111对量子点层12起到限位作用，从而使得量子点层12可以做得很薄，进而使得LED产品具有高显色性，光色也更为纯正；第一纹路1111的设计是为了增大量子点层12与凹槽111的接触面积，使得量子点层12与凹槽111的结合更为牢固，有利于提高LED产品的可靠性。
电极层15设于倒装芯片11的底部，作为输入电极，其与现有技术相同，不再赘述。
反射层14包覆倒装芯片11的侧壁、倒装芯片11的上表面的非凹槽区、以及电极层15的侧壁，反射层14还填充于电极层15的电极之间，则反射层14起到光反射效果，而且如此的结构设计相对于传统的封装支架而言，散热性更好，从而极大地提高了产品的可靠性以及使用寿命；反射层14的上表面和内壁设有第二纹路141(其中内壁上的第二纹路141各图均未体现)，有效地增大了反射层14的表面积，使得透明封装层13与反射层14的结合更为牢固，有效地保证产品的封装结构具有较高的密封性，并且还延长了水汽和氧气的流通路径，有效地避免了水汽和氧气对量子点材料的侵蚀。
透明封装层13包覆量子点层12的裸露区域、以及反射层14的上表面，使得透明封装层13既起到有效透光作用，又能很好地对量子点层12进行密封，避免水汽和氧气渗入而造成量子点层12的材料腐蚀。
在本实施例中，如图2所示，第一纹路1111、第二纹路141呈同心矩形状。但是，需要说明的是，在本发明中，第一纹路1111、第二纹路141的形状和数量并不限于图2所示，其还可以设为其它结构形式，因此，只要第一纹路1111、第二纹路141设成的结构形式能够增大凹槽111、反射层14的表面积，则均属于本发明的等效保护范围。
在本实施例中，凹槽111的最底部设有硅胶层16，量子点层12通过硅胶层16粘附于凹槽111内。硅胶层16的设置既能够保证有效透光，又能保证量子点层12牢固地粘附于凹槽111上，有效地提高产品的可靠性。
在本实施例中，透明封装层13由硅胶制成，透光性好，密封性极佳。但是，需要说明的是，在本发明中，透明封装层13的材料并不限于硅胶，其还可以为其它具有强粘附性的高分子透明树脂材料的一种或多种组合，诸如此类变化均属于本发明的等效保护范围。
在本实施例中，反射层14由兼具高导热率和高反射率的材料制备而成，既保证光反射效果，又有效地提高产品的散热效果，有利于提高产品的可靠性和使用寿命。
在本实施例中，倒装芯片11包括有外延衬底112、N型外延层113、发光层114以及P型外延层115；外延衬底112、N型外延层113、发光层114和P型外延层115从上外下依次层叠设置，凹槽111设于外延衬底112的上表面，以作为量子点层12的支撑和固定平台，使得量子点层12起到良好的光转换效果，极大地提高了LED产品的高显色性，而且保证发光面小，使得光色更为纯正。
在本实施例中，外延衬底112为蓝宝石片。蓝宝石片作为衬底具有如下优点：(1)生产技术成熟、器件质量较好；(2)稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；(3)机械强度高，易于处理和清洗。当然，外延衬底112的制备材料并不限于此。
对应的，本实施例公开了量子点白光LED器件1的一种制备方法，该制备方法的工艺流程如图3所示，其包括以下步骤：
S1：制作倒装发光单元，在倒装发光单元的上表面制作阵列型凹槽111，在凹槽111的内表面刻蚀出第一纹路1111(其中侧壁上的第一纹路1111各图均未体现)，其中，凹槽111的宽度和深度根据量子点层12的结构大小而确定；
S2：将倒装发光单元切割成多颗倒装芯片11，每一倒装芯片11上具有一凹槽111，在每一倒装芯片11的底部制作电极层15；
S3：将多颗倒装芯片11以阵列式邦定于临时基板上，相邻的倒装芯片11之间均设有间隙，倒装芯片11的上表面朝上，在倒装芯片11之间、倒装芯片11上表面的非凹槽区、以及电极层15的电极之间填充反射层14；
S4：在反射层14的上表面和内壁刻蚀出第二纹路141(其中内壁上的第二纹路141各图均未体现)；
S5：在凹槽111内设置量子点层12；
S6：在量子点层12的上表面、反射层14的上表面涂覆透明封装层13并固化；
S7：切割、去除临时基板，分离得到多颗量子点白光LED器件1。
其中，在步骤S5中，在凹槽111的最底部先喷涂硅胶层16并固化，然后量子点层12通过硅胶层16粘附于凹槽111内，既能够保证有效透光，又能保证量子点层12与倒装芯片11结合牢固。
其中，在步骤S1中，阵列型凹槽111采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成，第一纹路1111采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在步骤S4中，第二纹路141采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在步骤S6中，透明封装层13采用Molding工艺涂覆而成。这些制作工艺极为成熟，制备效率高。
实施例2
本实施例公开了另一种量子点白光LED器件2，如图4、5所示，在结构上，其与实施例1所述的量子点白光LED器件1的差异在于：
在本实施例中，更具体的，凹槽111的侧壁为阶梯状；量子点层12设于处在最中心的凹槽1112内，透明封装层13包覆量子点层12的裸露区域、倒装芯片11的上表面、以及反射层14的上表面。
在本实施例中，如图4、5所示，凹槽111的侧壁设为两级阶梯状，即设为双凹槽结构。但是，在本发明中，凹槽111的侧壁并不仅限于图4、5所示的两级阶梯状，根据产品结构布局，其还可以设为更多级阶梯状，而且凹槽111的侧壁也并不限于设为阶梯状，其还可以设为锯齿状等其它形状。因此，诸如此类变化均属于本发明的等效保护范围。
基于上述结构的设计，有效地增加了透明封装层13与倒装芯片11的接触面积，使得透明封装层13与倒装芯片11的结合更为牢固，从而使得产品的封装结构具有更高的密封性，并且极大地延长了水汽和氧气的流通路径，有利于避免了水汽和氧气对量子点材料的侵蚀。
本实施例公开的量子点白光LED器件2的制备方法与实施例1基本相同，只是其在部分工艺步骤上描述得更为具体，如下：
在步骤S1中，阵列型凹槽111明确制作为阶梯状；在步骤S5中，仅在处于最中心的凹槽1112内设置量子层12；在步骤S6中，在量子点层12的裸露区域、倒装芯片11的上表面(具体为凹槽111的阶梯面和侧壁)、以及反射层14的上表面均包覆有透明封装层13。
本实施例所述的量子点白光LED器件2的其它结构、其它制备方法与实施例1完全相同，在此不再赘述。
本发明所述一种量子点白光LED器件及其制备方法的其它内容参见现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种量子点白光LED器件，其特征在于：
包括有倒装芯片、量子点层、透明封装层、反射层和电极层；
所述倒装芯片的上表面设有凹槽，所述凹槽的内表面设有第一纹路，所述量子点层设于所述凹槽内；
所述电极层设于所述倒装芯片的底部；
所述反射层包覆所述倒装芯片的侧壁、所述倒装芯片的上表面的非凹槽区、以及所述电极层的侧壁，所述反射层还填充于所述电极层的电极之间；所述反射层的上表面和内壁设有第二纹路；
所述透明封装层包覆所述量子点层的裸露区域、以及所述反射层的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述凹槽的侧壁为阶梯状；所述量子点层设于处在最中心的所述凹槽内，所述透明封装层包覆所述量子点层的裸露区域、所述倒装芯片的上表面、以及所述反射层的上表面。
3.根据权利要求1或2所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述凹槽的最底部设有硅胶层，所述量子点层通过所述硅胶层粘附于所述凹槽内。
4.根据权利要求1或2所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述透明封装层由硅胶制成。
5.根据权利要求1或2所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述反射层由兼具高导热率和高反射率的材料制备而成。
6.根据权利要求1或2所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述倒装芯片包括有外延衬底、N型外延层、发光层以及P型外延层；所述外延衬底、所述N型外延层、所述发光层和所述P型外延层从上外下依次层叠设置，所述凹槽设于所述外延衬底的上表面。
7.根据权利要求6所述的一种量子点白光LED器件，其特征在于：所述外延衬底为蓝宝石片。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的量子点白光LED器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制作倒装发光单元，在所述倒装发光单元的上表面制作阵列型凹槽，在所述凹槽的内表面刻蚀出第一纹路；
S2：将所述倒装发光单元切割成多颗倒装芯片，每一所述倒装芯片上具有一所述凹槽，在每一所述倒装芯片的底部制作电极层；
S3：将多颗所述倒装芯片以阵列式邦定于临时基板上，相邻的所述倒装芯片之间均设有间隙，所述倒装芯片的上表面朝上，在所述倒装芯片之间、所述倒装芯片上表面的非凹槽区、以及所述电极层的电极之间填充反射层；
S4：在所述反射层的上表面和内壁刻蚀出第二纹路；
S5：在所述凹槽内设置量子点层；
S6：在所述量子点层的上表面、所述反射层的上表面涂覆透明封装层并固化；
S7：切割、去除临时基板，分离得到多颗量子点白光LED器件。
9.根据权利要求8所述的量子点白光LED器件的制备方法，其特征在于：在所述步骤S5中，在所述凹槽的最底部先喷涂硅胶层并固化，然后所述量子点层通过所述硅胶层粘附于所述凹槽内。
10.根据权利要求8或9所述的量子点白光LED器件的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述阵列型凹槽采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成，所述第一纹路采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在所述步骤S4中，所述第二纹路采用3D蚀刻、3D打印成型、或者冲压工艺刻蚀而成；在所述步骤S6中，所述透明封装层采用Molding工艺涂覆而成。
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