CN111146323A - 发光装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光装置及其制作方法，其中该发光装置包含发光元件，覆盖层，量子点材料(QD)以及粘着层。覆盖层具有一凹陷部且包含透光无机材料。量子点材料填入覆盖层的凹陷部内且设置在发光元件上，发光元件与覆盖层以及该量子点材料通过粘着层结合。由此，利用覆盖层与发光元件包覆量子点材料，避免外部水汽及氧气侵蚀到量子点材料，进而改善量子点材料的发光效率下降的速度。

Description

发光装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及发光装置，特别是涉及一种量子点材料的封装结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode；LED)具有低耗电量、低发热量、操作寿命长、耐撞击、体积小以及反应速度快等特性，因此广泛应用于各种需要使用发光元件的领域，例如，车辆、家电、及照明灯具等。波长转换材料，例如：荧光粉，是一种光致发光的物质，它可以吸收LED所发出的第一光线后发出不同频谱的第二光线。波长转换材料覆盖发光二极管可作为发光装置的一种结构。
近年来，随着大众对于显示器影像品质的要求不断提高，使得广色域(wide colorgamut)的技术开发已成为显示器目前最重要的技术发展之一，其中美国国家电视系统委员会(National Television System Committee，缩写为NTSC)提供广色域的判断标准。一般而言，显示器中，若使用荧光粉其NTSC约为70～80％，使用量子点(QD)材料的NTSC可至100％，更能符合广色域的需求。
如图1所示，为发光装置的一种，芯片级封装(Chip Scale Package；CSP)的结构。发光装置包含发光元件1，例如：LED，发光元件1的底面设有电极2，以及在发光元件1的表面覆盖一层封装胶3。封装胶3一般则是混有荧光粉的硅树脂。若为了达到更高的NTSC，将传统的荧光粉用量子点材料取代。因为量子点材料的特性容易被水汽及氧气所影响，而硅树脂又容易被水汽及氧气所渗透，因此，将产生芯片级封装的发光效率下降的问题。为此，如何改善量子点材料的封装以有效阻隔水汽及氧气已成为业界迫切急待追求的目标。
发明内容
本发明主要目的是提供一种发光装置及其制作方法，将量子点材料(QDmaterial)密封在由发光元件以及具有凹陷部的覆盖层所构成封装结构之中装。通过覆盖层与发光元件将水氧与量子点材料阻隔，避免量子点材料受到水汽及氧气的侵蚀而影响发光效率。
为达前述目的，本发明的实施例提出一种发光装置。发光装置包含发光元件，覆盖层，量子点材料以及粘着层。覆盖层具有一凹陷部且包含透光无机材料。将量子点材料填入覆盖层的凹陷部内且设置在发光元件上，发光元件与覆盖层以及该量子点材料通过粘着层结合。
为达前述目的，本发明的另一实施例为一种发光装置的制造方法。制造步骤包括：提供一透光无机块材，具有一平面，在透光无机块材的平面上形成一凹陷部以形成覆盖层，覆盖层具有环绕凹陷部的上表面；提供一量子点材料，填入覆盖层的凹陷部内；提供一发光元件，具有一发光表面、一底面及一两侧表面；提供一粘着层，黏合凹陷部的上表面，量子点材料以及发光表面；提供一反射层，环绕覆盖层及发光元件的两侧表面。
附图说明
图1是说明现有芯片级封装结构示意图；
图2A至图2G是说明本发明一实施例所揭露的发光装置的制造方法示意图；
图3为本发明一实施例所揭露的发光装置的剖视图；
图4为本发明一实施例所揭露的发光装置的局部放大示意图；
图5为本发明一比较例所揭露的发光装置的示意图；
图6为本发明一实施例的发光装置及比较例的发光装置在不同测试时间下的发光效率的示意图；
图7A为本发明另一实施例所揭露的发光装置的示意图；
图7B为本发明另一实施例所揭露的发光装置的示意图；
图8为本发明另一实施例所揭露的发光装置的示意图；
图9为本发明另一实施例所揭露的发光装置的示意图。
符号说明
300、500、700A、700B、800、900：发光装置
110、510、810、910：覆盖层
110’：透明无机块材
111：上表面
112、912：凹陷部
113：下表面
114：外侧面
120、520、920：量子点材料
130、730：粘着层
130’：粘着剂
131’：顶表面
132’：底表面
1、140：发光元件
141：发光表面
142：底面
144：第一电极及第二电极
150、550：光反射层
150’：光反射胶
151’：部分光反射胶
2：电极
3：封装胶
731：不透光粘着层
732：透光粘着层
812a：第一凹陷部
812b：第二凹陷部
S：空隙
W1：凹陷部的宽度
W2：发光元件的宽度
D、D1：间隙
具体实施方式
以下针对本发明量子点芯片封装及其制作方法详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同样态。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单描述本发明并非用以限定本发明。
请参阅图2A至图2G，是本发明一实施例的发光装置的制造方法示意图，如图所示，本实施例的制造步骤包括：
步骤一、参阅图2A，提供一透光无机块材110’，具有一平面111’。在一实施例中，透明无机块材110的材料可选自玻璃。
步骤二、参阅图2B，从透明无机块材110’的平面111’的适当位置，移除部分的透明无机块材110’以形成一凹陷部112并形成覆盖层110。覆盖层110包含上表面111、下表面113以及位于上表面111及下表面113之间的外侧面114。根据一实施例，形成凹陷部112的方式包含湿式蚀刻或干式蚀刻，干式蚀刻例如是激光。在另一实施例中，覆盖层110的形成方式可将透明无机材料通过模具成型。
步骤三、参阅图2C，提供一量子点材料(QD material；Quantum Dot material)120，填入覆盖层110的凹陷部112内，在本实施例中，凹陷部112的深度必需大于或约等于量子点材料120的厚度。在一实施例中，量子点材料120包含接合剂(图未示)以及分散于接合剂中的量子点粒子(图未示)，并通过喷涂(Spraying)或滴入(Dispensing)等方式并选择性地使用掩模(Mask)填入凹陷部112内。
步骤四、参阅图2D，提供一粘着剂130’并形成在覆盖层110以及量子点材料120上。在一实施例中，粘着剂130’以点胶方式形成在覆盖层110以及量子点材料120上。在一实施例中，粘着剂130’具有一顶表面131’及一底表面132’，粘着剂130’的底表面132’黏合于覆盖层110的上表面111以及量子点材料120。粘着剂130’具有耐热及高的光穿透度的性质为佳，在一实施例中，粘着剂130’的材料可以是热固性树脂或光固化树脂，例如：硅树脂(silicone resin)。
步骤五、参阅图2E，提供一发光元件140，具有一发光表面141、一底面142及一两侧表面143。并将发光元件140的发光表面141贴合于粘着剂130’的顶表面131’，使发光元件140与覆盖层110以及量子点材料120结合(bonding)在一起。之后，固化粘着剂130’以形成粘着层130。发光元件140之底面142设有第一电极及第二电极144与基板(图未式)电连接。
步骤六、参阅图2F，提供一光反射胶150’，并将光反射胶150’覆盖覆盖层110、粘着层130以及发光元件140。在一实施例中，光反射胶150’覆盖覆盖层110的外侧面114及发光元件的两侧表面143。之后，固化光反射胶150’并将部分光反射胶151’移除后形成光反射层。在一实施例中，移除部分的光反射胶151’的方式可以通过研磨或去胶法(deflash)。光反射层环绕覆盖层110、粘着层130、发光元件140以及发光元件140的第一电极及第二电极144的侧面并露出电极144的上表面。
在另一实施例，参阅图2G，光反射胶被精确地覆盖在覆盖层110、粘着层130以及发光元件140的侧壁并固化光反射胶以形成光反射层150及形成发光装置。在本实施例中，发光元件140的底面142并未被光反射层150所覆盖。
图3是显示根据本发明图2A至图2G所揭露的发光装置300的剖视图。
图4是显示发光装置300的局部放大示意图。发光装置300包含覆盖层110、量子点材料120、粘着层130、发光元件140以及光反射层150。在一实施例中，覆盖层110具有一凹陷部112、以及位于上表面111以及下表面之间的外侧面114，且量子点材料120填入凹陷部112内。在一实施例中，覆盖层110的凹陷部112具有一宽度W1，发光元件140具有一宽度W2，且发光元件140的宽度W2大于凹陷部112的宽度W1。如此，可增加外部水汽及氧气接触到量子点材料120的路径或减少外部水汽及氧气接触量子点的机会，以提高量子点材料120的可靠度。粘着层130的一面(第一面)接合至覆盖层110的表面以及量子点材料120的表面，粘着层130的另一面(第二面)则接合至发光元件140。换言之，粘着层130直接接触覆盖层110、量子点材料120以及发光元件140。在一实施例中，粘着层130的另一面还粘合光反射层150的表面。由于本发明的量子点材料120及覆盖层110是通过粘着层130设置发光元件140上，因此，量子点材料120与发光元件140之间以及覆盖层110与发光元件140之间会产生间隙。在一实施例中，量子点材料120与发光元件140之间的间隙D，以及覆盖层110与发光元件140之间的间隙D1都必需愈小愈好，避免外部水汽及氧气通过间隙D、D1渗透而造成量子点材料120的发光效率下降，在一实施例中，间隙D、D1小于20微米，换言之，粘着层130的厚度小于20微米。
在一实施例中，覆盖层110的材料为透光无机材料所组成，例如：玻璃、陶瓷。量子点材料120包含接合剂(图未示)以及分散于接合剂中的量子点粒子(图未示)。接合剂的材料可以是热固性树脂或光固化树脂，例如：环氧树脂或硅树脂。量子点粒子的材料可由半导体材料所构成，且其粒径小于100纳米(nm)。半导体材料包含II-VI族半导体化合物、III-V族半导体化合物、IV-VI族半导体化合物、或上述材料的组合。量子点粒子的结构可包含主要发光的核心区(core)以及包复核心区的壳(shell)。核心区的材料可选自于由硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、氧化锌(ZnO)、氯化铯铅(CsPbCl3)、溴化铯铅(CsPbBr3)、碘化铯铅(CsPbI3)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、硒化镓(GaSe)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、砷化铝(AlAs)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、碲(Te)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、碲化铅(PbTe)、硒化铅(PbSe)、碲化锑(SbTe)、硒化锌镉(ZnCdSe)、硫化锌镉硒(ZnCdSeS)、及硫化铜铟(CuInS)所组成的群组。壳的材料与核心区的材料必须相互搭配(例如核心区与壳的材料的晶格常数需要匹配)。具体而言，壳的材料组成的选择，除了与核心区的材料的晶格常数需匹配外，尚能在核心区的外围形成一个高势垒区域，以提升量子产率(quantumyield)。壳的结构可以是单层、多层或者材料组成渐变的结构。在一实施例中，核心区为硒化镉，壳为单层的硫化锌。在另一实施例中，核心区为硒化镉，壳包含内层的(镉,锌)(硫,硒)及外层的硫化锌。在另一实施例中，核心区为硒化镉，壳包含内层的硫化镉，中间渐变层的Zn0.25Cd0.75S/Zn0.5Cd0.5S/Zn0.75Cd0.25S，外层的硫化锌。
参阅图3，发光装置300中，发光元件140具有一发光表面141、一底面142及一侧表面143。发光元件140的底面142设有第一电极144及第二电极144。光反射层150覆盖覆盖层110的外侧表面114以及发光元件140的侧表面143。在一实施例中，光反射层150环绕覆盖层110以及发光元件140。
在一实施例中，发光元件140包括承载基板(图未示)、发光叠层(图未示)、第一电极及第二电极144。在一实施例中，承载基板为成长基板(growth substrate)，例如可以是蓝宝石(sapphire)基板，作为发光叠层外延成长时的基板。在另一实施例中，承载基板并非成长基板，在制造第一发光元件的制作工艺中成长基板被移除并置换为其他基板(例如，不同材料、不同结构、或不同形状的基板)。在一实施例中，为了减少发光元件140的热传到量子点材料120，因此承载基板为较低的热导系数的材料所组成，例如：玻璃或较低热导系数的陶瓷。较低热导系数的陶瓷材料可以是氧化锆。在另一实施例中，为了将量子点材料120的热更有效地通过发光元件140将热导出，因此承载基板为较高的热导系数的材料所组成，例如：较高热导系数的陶瓷。较高热导系数的陶瓷材料可以是氧化铝或氮化铝。虽然图未绘示，然发光叠层包括数层半导体层。例如，发光叠层依序包含第一型半导体层、发光层及第二型半导体层，其中发光层设于第一型半导体层与第二型半导体层之间。第一型半导体层例如是N型半导体层，而第二型半导体层则为P型半导体层。或是，第一型半导体层是P型半导体层，而第二型半导体层则为N型半导体层。在一实施例中，第一电极及第二电极144位在发光元件140的同一侧，作为发光元件140与外界电连接的介面。光反射层150的组成中包含树脂以及分散于树脂内的反射粒子，例如：氧化钛(titanium oxide)、氧化锌、氧化铝、硫酸钡或碳酸钙。在一实施例中，树脂为硅树脂且反射粒子为氧化钛。
本发明的发光装置300，其主要技术手段是将量子点材料120填入至覆盖层110的凹陷部112，通过凹陷部112包覆量子点材料120，并且覆盖层110直接和发光元件140结合(bonding)在一起，其中覆盖层110以及量子点材料120与发光元件140的发光表面141间不存在有覆盖层110的材料，而量子点材料120则被覆盖层110与发光元件140包围。据此，通过覆盖层110与发光元件140将水汽及氧气进行阻隔。当外部水汽及氧气欲接触到量子点材料120前，必需先通过覆盖层110与发光元件140，而由于发光元件140的宽度大于覆盖层110的凹陷部112的宽度而将凹陷部112完全挡住，因此可避免外部水汽及氧气未经过发光元件140的阻隔直接侵蚀到量子点材料120。换言之，本发明的发光装置具有高阻水汽及阻氧气特性，可改善量子点材料120发光效率下降。
图5是显示根据比较例所揭露的发光装置500的剖视图。发光装置500包含覆盖层510、量子点材料520、粘着层130、发光元件140以及光反射层550。与图2A至图2G所揭露的发光装置300最大不同之处在于发光元件140的宽度小于凹陷部112的宽度。
图6显示本发明图2A至图2G(以下简称为实验例)的发光装置300(曲线1)及比较例的发光装置500(曲线2)在不同测试时间下的相对发光效率。发光装置一开始发光时(0小时)的效率定为相对发光效率100％。实验例与比较例中，量子点材料与发光元件之间的间隙D，以及覆盖层与发光元件之间的间隙D1都小于20微米。操作条件为室温(25℃)下，操作电流是20毫安培(mA)。
由图6显示出实验例中的发光装置300，经过480小时(HRS)的时间测试后其相对发光效率仍可达125％，由此数据显示出本发明的发光装置300，通过将量子点材料120填入覆盖层110的凹陷部112内并直接与发光元件140结合(bonding)在一起，通过覆盖层110与发光元件140将水汽及氧气阻隔的结构，具有延缓量子点材料120发光效率下降的功效。
再参阅图6，反观比较例的发光装置500的数据，其发光效率在经400小时后下降的幅度极大，发光表现由相对发光效率100％下降至相对发光效率50％左右。证实本发明的发光装置300在发光元件140的宽度大于凹陷部112的宽度的结构下，对于延缓量子点材料120的发光效率下降具有明显的功效。
图7A是显示根据本发明另一实施例所揭露的发光装置700A的示意图。如图所示，发光装置700包括覆盖层110、量子点材料120、粘着层730、发光元件140以及光反射层150。相较于发光装置300不同之处，黏着层730包含一不透光粘着层731以及一透光粘着层732。不透光粘着层731黏合于覆盖层110与发光元件140的接合面，但未黏合到量子点材料120。不透光粘着层731将覆盖层110的表面与发光元件140的表面进行结合，另量子点材料120被覆盖层110与发光元件140包覆其中。于本实施例中，不透光粘着层731的材料可以是金属或合金，金属例如是金(Au)，合金例如是锡银铜合金(SAC alloy)或金锡合金(Au-Sn alloy)。本实施例是将至少一不透光粘着层731设于覆盖层110与发光元件140的接合面。在一实施例中，发光元件140为蓝光发光二极管，发光元件140发出的蓝光因为被不透光粘着层731阻挡而不会侧向穿透覆盖层110，进而导致发光装置700的上方与侧向光色不均现象。除此之外，由于不透光粘着层731属于金属材料，因此将覆盖层110结合于发光元件140上时可以产生更高的气密性，可提升覆盖层110与发光元件140对外部水汽及氧气阻隔的效果。粘着层透明粘着层732被不透明粘着层731所环绕。透明粘着层732可黏合量子点材料120以及发光元件140且可被发光元件140发出的光所穿透。透明粘着层732的材料可相同或相似于粘着层130的材料。图7B是显示根据本发明另一实施例所揭露的发光装置700B的示意图。与发光装置700A不同之处在于，量子点材料120与发光元件140不存在透光粘着层732。换言之，量子点材料120与发光元件140可直接接触。因为少了粘着层732材料140所造成的吸光，因此可提高发光装置700B的亮度。
图8是显示根据本发明另一实施例所揭露的发光装置800的示意图。如图所示，发光装置800包括覆盖层810、量子点材料120、粘着层130、发光元件140以及光反射层150。相较于发光装置300不同之处，覆盖层810具有第一凹陷部812a及第二凹陷部812b，且第一凹陷部812a的宽度小于第二凹陷部812b的宽度。在一实施例中，第一凹陷部812a与第二凹陷部相互连通且呈阶梯状。在一实施例中，将量子点材料120与发光元件140分别填入第一凹陷部812a与第二凹陷部812b内，再将覆盖层810与发光元件140进行结合，令量子点材料120被密封在覆盖层810与发光元件140之间。由图8中显示，量子点材料120与发光元件140完全填设于覆盖层810的第一凹陷部812a及第二凹陷部812b内，且发光元件140的底面142与覆盖层810的下表面813大致切齐，因此当发光元件140与覆盖层810进行结合时，量子点材料120与发光元件140贴合。此外，在此实施例中，覆盖层810的最下表面并非在发光元件140的上方，因此量子点材料120与发光元件140之间以及覆盖层810与发光元件140之间不会产生间隙的问题。由此，在本实施例中，当外部的水汽及氧气欲接触到量子点材料120前，必需先通过覆盖层810与发光元件140，并且因为发光元件140的宽度大于覆盖层810的第一凹陷部812a的宽度而将第一凹陷部812a完全挡住，再加上量子点材料120与发光元件140之间不存在间隙，可达到更好的阻隔外部水汽及氧气渗透，因此可延缓量子点材料120发光效率下降的效果。覆盖层810的材料及制造方式与覆盖层110相同或相似，可参阅描述覆盖层110的相关段落。
图9是显示根据本发明另一实施例所揭露的发光装置900的示意图。如图所示，发光装置900包括覆盖层910、量子点材料920、发光元件140以及光反射层150。覆盖层910具有凹陷部912，凹陷部912的内表面具有斜度且深度必需大于或约等于量子点材料120的厚度加上发光元件140的全部或部分高度，使量子点材料120与发光元件140可同时安置于凹陷部912内。当覆盖层910与发光元件140进行结合时，量子点材料920可被覆盖层910与发光元件140包覆。由图9中显示，当量子点材料920与发光元件140装设于覆盖层910的凹陷部912内时，发光元件140的底面142凸出于覆盖层910的下表面911，且凹陷部912因为两侧形成斜度的关系而与发光元件140侧边产生空隙S。光反射层150覆盖覆盖层910以及发光元件140的两侧时同时填塞于空隙S内可以更进一步阻挡水气与氧气渗入发光装置900中导致量子点材料920劣化。在本实施例中，当发光元件140与覆盖层910进行结合时，量子点材料920与发光元件140形成紧密贴合，并且因为覆盖层910的最下表面并非位于发光元件140的上方，因此可避免量子点材料120与发光元件140之间产生间隙，导致外部水汽及氧气渗入的问题。发光装置900于覆盖层910的凹陷部912的宽度与发光元件140的宽度的关系可较有弹性的调整。两者可以相等或不相等。
综合上述，本发明发光装置是使用量子点在芯片上(QD on chip)的技术。将量子点材料填入覆盖层的凹陷部内并设置在发光元件上，发光元件与覆盖层直接结合，并且发光元件的宽度大于封装玻璃的凹陷部孔径而将凹陷部完全挡住，避免外部水氧或氧气未经过发光元件的阻隔而直接侵蚀到量子点材料。换言之，本发明发光装置利用具有高阻水及阻氧特性的覆盖层与发光元件阻隔量子点材料遭受水汽及氧气的伤害，达到延缓量子点材料发光效率下降的功效。
虽然结合以上各种实施例公开了本发明，然而仅其为范例参考而非用以限定本发明的范围，任何熟悉此项技术者，在不脱离以本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于，该发光装置包含：
发光元件，包含发光表面及相对于该发光表面的底面；
覆盖层，包含凹陷部以及透光无机材料；
量子点材料，填入该凹陷部内且设置在该发光表面上；以及
粘着层，直接接触该发光元件、该覆盖层以及该量子点材料。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中该发光元件具有第一宽度，该凹陷部具有第二宽度，该第一宽度大于该第二宽度。
3.如权利要求1所述的发光装置，其中该发光元件，该覆盖层与该发光元件之间具有一间隙，且该间隙小于20微米。
4.如权利要求1所述的发光装置，还包括光反射层，该光反射层环绕该覆盖层及该发光元件。
5.如权利要求1所述的发光装置，其中，该发光元件还包括第一电极及第二电极形成在该底面上。
6.如权利要求1所述的发光装置，其中，该粘着层包括不透明粘着层，且该不透明粘着层未粘合到该量子点材料。
7.如权利要求1所述的发光装置，其中，该覆盖层具有第一凹陷部及第二凹陷部，且该第一凹陷部的宽度小于该第二凹陷部的宽度。
8.如权利要求7所述的发光装置，其中，该第一凹陷部与该第二凹陷部相互连通且呈阶梯状。
9.如权利要求1所述的发光装置，其中，该凹陷部具有一深度，该量子点材料具有一厚度，且该深度大于或等于该厚度。
10.如权利要求1所述的发光装置，其中，该透光明无机材料包含玻璃或陶瓷。
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