CN1179422C - 封装光电元件及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

一种封装光电元件及其封装方法。为提供一种提高光电元件发光效率及输出功率的封装光电元件及其封装方法，提出本发明，封装光电元件包括光电元件芯片、透明材料层、光反射层及芯片承载座；光电元件芯片设有与芯片承载座及另一极性导电极电性连接的第一、二电极；封装方法包括成型芯片承载座、设置光反射层、成形透明材料层、固定光电元件芯片及将光电元件芯片的第一、二极分别与芯片承载座及另一极性导电电极电性连接，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构。

Description

封装光电元件及其封装方法
技术领域
本发明属于光电元件及其处理方法，特别是一种封装光电元件及其封装方法。
背景技术
发光二极管的种类繁多，用途广泛。根据不同的封装方式，分为插件式发光二极管(Through-Hold LED)、表面黏著型发光二极管(Surface-MountedDevice LED)及轻拍晶片型发光二极管(Flip-Chip LED)。
如图1所示，习知的包括芯片及芯片承载座30的封装发光二极管，其芯片主要为将外延结构10形成于基板20上，而外延结构10所在的区域至少包括N型半导体区、主动层及P型半导体层。由于制程技术的进步，所以在外延结构10完成之后，为了增加发光二极管的发光亮度，通常会以采用为透明基板的基板20，如此，发光二极管所发射出的光线便不会被不透明的基板吸收，而发光二极管芯片则可成为正反面发光的芯片，因此可增加发光二极管的发光效率。
如图1所示，发光二极管芯片的芯片承载座30通常以导线架(LeadFrame)、印刷电路板(PC Board)或金属座(Header)作为封装时的载具并且与发光二极管芯片的基板20连接形成发光二极管芯片的第一电极，而发光二极管芯片与芯片承载座30之间的固晶面40系以银胶、导电胶或共晶结合的方式固定在芯片承载座30上。而发光二极管芯片上的第二电极50则另外连线至导线架的另一端35。最后发光二极管芯片可以将芯片承载座30与导线架35分别连接至电源，使得发光二极管芯片的外延结构10发光。
如图2所示，当发光二极管芯片的基板70为绝缘材料时，与上述作法相同，发光二极管芯片与芯片承载座100之间的固晶面95系以银胶固定在芯片承载座100上。而发光二极管芯片上的第一电极80与第二电极90则分别连线至芯片承载座100与导线架105。最后，发光二极管芯片可以藉由芯片承载座100与导线架105分别连接至电源，以使得发光二极管芯片的外延结构60发光。
然而，由于发光二极管芯片系直接黏接于芯片承载座上。由于习知芯片与芯片承载座之间的固晶面会吸收由发光二极管芯片所产生的光线。因此，虽然发光二极管芯片上的基板已由透明基板所取代，但是经由透明基板所发射出的光线大部分会被固晶面所吸收，因此，降低了发光二极管的发光效率，并且无法完全发挥出运用透明基板使发光二极管芯片产生正、反面发光的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种确保光电元件正、反面发光、提高光电元件发光效率及输出功率的封装光电元件及其封装方法。
本发明封装光电元件包括光电元件芯片、固定光电元件芯片的透明材料层、将入射光改变为反射光的光反射层及芯片承载座；光电元件芯片设有与芯片承载座及导线架电性连接的第一电极及第二电极，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构。
本发明封装光电元件封装方法，包括下列步骤：
成型芯片承载座
设置光反射层
    于芯片承载座设置将入射光改变为反射光的光反射层，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构；
成形透明材料层
    形成覆盖于光反射层的透明材料层；
固定光电元件芯片
    将光电元件芯片固定于透明材料层上；
电性连接
    将光电元件芯片的第一极及第二极分别与芯片承载座及另一极性的导电电极电性连接。
其中：
芯片承载座为插件式导线架。
芯片承载座为印刷电路板。
芯片承载座为金属座。
光电元件芯片至少包括导电透明基板及形成于导电透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于导电透明基板及外延结构内的数个不同的外延层上。
透明材料层为以铟锡氧化物层(ITO)、氧化锌层(ZnO)、镉锡氧化物层(CTO)、铟锌氧化物层IZO或氧化镍层(NiO)形成的导电透明材料层。
光电元件芯片至少包括绝缘透明基板及形成于绝缘透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于外延结构内的数个不同的外延层上。
一种封装光电元件封装方法，其包括下列步骤：
    成型芯片承载座
    成形第一层透明材料层
        于芯片承载座凹穴表面形成第一层透明材料层；
    设置光反射层
        于第一层透明材料层上设置将入射光改变为反射光的光反射层，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构；
    成形第二层透明材料层
        形成覆盖于光反射层上的第二层透明材料层；
    固定光电元件芯片
        将光电元件芯片固定于第二层透明材料层上；
    电性连接
        将光电元件芯片的第一极及第二极分别与芯片承载座及另一极性的导电电极电性连接。
成型的芯片承载座为插件式导线架。
成型的芯片承载座为印刷电路板。
成型的芯片承载座为金属座。
固定于透明材料层上光电元件芯片至少包括导电透明基板及形成于导电透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于导电透明基板及外延结构内的数个不同的外延层上。
覆盖于光反射层的透明材料层为以铟锡氧化物层(ITO)、氧化锌层(ZnO)、镉锡氧化物层(CTO)、铟锌氧化物层IZO或氧化镍层(NiO)形成的导电透明材料层。
光电元件芯片至少包括绝缘透明基板及形成于绝缘透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于外延结构内的数个不同的外延层上。
由于本发明封装光电元件包括光电元件芯片、固定光电元件芯片的透明材料层、将入射光改变为反射光的光反射层及芯片承载座；光电元件芯片设有与芯片承载座及另一极性导电极电性连接的第一、二电极；封装方法包括成型芯片承载座、设置光反射层、成形透明材料层、固定光电元件芯片及将光电元件芯片的第一、二极分别与芯片承载座及另一极性的导电电极电性连接，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构。以本发明封装光电元件连接电源，光电元件芯片产出的光经透明材料层入射至光反射层，以将光线全部反射出去，使得光电元件产生的光不会被固晶面直接吸收，可确保光电元件的发光效率及大幅改善光电元件的输出效率；确保光电元件正、反面发光、提高光电元件发光效率及输出功率，从而达到本发明的目的。
附图说明
图1、为习知的封装发光二极管结构示意剖视图。
图2、为习知的封装发光二极管结构示意剖视图(基板为绝缘材料)。
图3、为本发明封装光电元件结构示意剖视图。
图4、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(将光反射层置于导电透明材料层中)。
图5、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(光反射层为光栅结构)。
图6、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(光反射层为光栅结构、将光反射层置于导电透明材料层中)。
图7、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(基板为绝缘材料)。
图8、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(基板为绝缘材料、将光反射层置于导电透明材料层中)。
图9、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(光反射层为光栅结构、基板为绝缘材料)。
图10、为本发明封装光电元件结构示意剖视图(光反射层为光栅结构、基板为绝缘材料、将光反射层置于导电透明材料层中)。
具体实施方式
如图3所示，本发明封装光电元件为包括发光二极管芯片及芯片承载座130的封装发光二极管。
芯片主要为将外延结构110形成于导电透明基板120上。外延结构110所在的区域至少包括N型半导体区、主动层及P型半导体层，其上设有第一电极及位于外延结构110内的数个不同的外延层上第二电极150。基板120为导电透明基板。
芯片承载座130设有呈下凹状凹穴131，并于表面镀设凸设呈半球面凸起132的具有高反射系数的光反射层145，藉以将入射光改变为反射光。
芯片承载座130凹穴131内形成为铟锡氧化物层(ITO)、氧化锌层(ZnO)、镉锡氧化物层(CTO)、铟锌氧化物层IZO或氧化镍层(NiO)导电透明材料层140。
如图4所示，亦可将凸设呈半球面凸起133的光反射层146设置于的导电透明材料层140中。
芯片以其导电透明基板120固定于芯片承载座130凹穴131内的导电透明材料层140上，其上第一电极与导电透明基板120、导电透明材料层140及芯片承载座130电性连接，其第二电极150以导线与导线架135电性连接。
以本发明封装光电元件连接电源，外延结构110产出的光经导电透明基板120发射出来后，经导电透明材料层140到达具有高反射系数的光反射层145(或146)，以将光线全部反射出去，而不会因封装被吸收；并当光线反射至凸设于光反射层145(或146)呈半球面凸起132(或133)时，将光线反射至不同的方向，防止光反射层145(或146)将外延结构110所产生的光再度反射到外延结构110的主动层，避免光线再被吸收(Re-absorption Grating)，确保本发明封装光电元件的发光效率。
光反射层145(或146)上的呈半球凸起132(或133)为可使光线漫反射的结构。其亦可为凹设于光反射层145(或146)上凹穴；亦可为光栅结构等其他可使光线漫反射的结构。
如图5、图6所示，亦可将光反射层147或148设计成光栅(Grating)的结构，并分别位于芯片承载座130的表面或位于导电透明材料层140中，同样可得与上述相同的效果。如此，光线亦不会被反射至外延结构110的主动层。
如图7所示，本发明封装光电元件为包括发光二极管芯片及芯片承载座200的封装发光二极管。
芯片主要为将外延结构160形成于绝透明缘基板170上，而外延结构160所在的区域至少包括N型半导体区、主动层及P型半导体层，其上设有分别位于外延结构160内的数个不同的外延层上的第一电极180及第二电极190。
芯片承载座200设有呈下凹状凹穴201，并于表面镀设凸设呈半球面凸起202的具有高反射系数的光反射层215。如图8所示，亦可将凸设呈半球面凸起203的光反射层216设置于的导电透明材料层210中。藉以将入射光改变为反射光。
光反射层215上凸设有的呈半球凸起202为可使光线漫反射的结构。其亦可为凹设于光反射层215(或216)上凹穴；亦可为光栅结构等其他可使光线漫反射的结构。
芯片承载座200凹穴201内形成透明材料层210。
芯片以其绝缘透明基板170固定于芯片承载座200凹穴201内的透明材料层210上，其上第一电极180及第二电极190分别经导线与芯片承载座200及导线架205电性连接。
以本发明封装光电元件连接电源，外延结构160产出的光经透明基板170发射出来后，经透明材料层210到达具有高反射系数的光反射层215(或216)，以将光线全部反射出去，而不会因封装被吸收；并当光线反射至凸设于光反射层215(或216)呈半球面凸起202(或203)时，将光线反射至不同的方向，防止光反射层215(或216)将外延结构160所产生的光再度反射到外延结构160的主动层，避免光线再被吸收(Re-absorption Grating)，确保本发明封装光电元件的发光效率。
如图9、图10所示，亦可将光反射层217(或218)设计成光栅(Grating)的结构，并分别位于芯片承载座200的表面或位于透明材料层210中，同样可得与上述相同的效果。如此，光线亦不会被反射至外延结构160的主动层。
芯片承载座可为插件式导线架；亦可为印刷电路板；亦可为金属座。
由于本发明封装光电元件的主动元件为发光二极管芯片，亦适用于所有其他主动发光元件及被动检光元件，例如，激光二极管、检光二极管。本发明封装光电元件可大幅度增加检光元件的光接收效率。故本发明封装光电元件芯片承载座为插件式导线架，以构成插件式封装光电元件、表面黏接型光电元件及倒装晶片型光电元件。
本发明封装光电元件的封装方法包括如下步骤：
成型芯片承载座
    以压模技术成型设有呈下凹状凹穴的芯片承载座；
设置光反射层
    于芯片承载座表面设置凸设呈半球面凸起的具有高反射系数的光反射层；
成形透明材料层
    于芯片承载座凹穴内形成为铟锡氧化物层(ITO)、氧化锌层(ZnO)、镉锡氧化物层(CTO)、铟锌氧化物层IZO或氧化镍层(NiO)覆盖于光反射层上的导电透明材料层；
    亦可于芯片承载座凹穴内形成覆盖于光反射层上的透明材料层；
    亦可先于芯片承载座凹穴表面形成第一层导电透明或透明材料层；再于第一层导电透明或透明材料层上设置光反射层；再形成覆盖于光反射层上的第二层导电透明或透明材料层，使凸设呈半球面凸起的具有高反射系数的光反射层设置于导电透明材料层中；
固定基板
    于导电透明材料层上固定导电透明基板；亦可于透明材料层上固定绝缘透明基板；
设置电极
    于外延结构上设置第一电板及第二电极；
电性连接
    当透明基板为导电透明基板时，外延结构上第一极与导电透明基板、导电透明材料层及芯片承载座形成电性连接；当透明基板为绝缘透明基板时，外延结构上第一电极以导线与芯片承载座电性连接；外延结构上的第二电极以导线与导线架电性连接，完成本发明为封装发光二极管的封装光电元件的封装。
本发明具有如下优点：
1、本发明系在芯片承载座与光电元件之间加入一层透明材料，使得光电元件产生的光不会被固晶面直接吸收，而达到大幅改善元件输出效率的目的。同时，当应用于被动元件时，特别是检光元件时，本发明封装光电元件及其封装方法可以增加检光元件的有效受光面积，达到提高元件效能的目的。
2、本发明于芯片承载座表面镀上光反射层，并藉由特别设计的光反射层的形状，使光电元件的产生的光不会再次被反射回主动层，有效地避免光电元件发光效率偏低的缺点。当应用于被动元件时，特别是检光元件时，可以提高检光元件有受光效率，有效地增加检光元件的灵敏度及精确度。
3、本发明可大幅度提高光电元件中光的光程、行径及出光或感光的立体角，达到大幅度提高光电元件的输出效率。

Claims (21)

1、一种封装光电元件，它包括光电元件芯片及芯片承载座；光电元件芯片设有与芯片承载座及导线架电性连接的第一电极及第二电极；其特征在于所述的芯片承载座与光电元件芯片之间设有固定光电元件芯片的透明材料层及将入射光改变为反射光的光反射层，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构。
2、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的芯片承载座为插件式导线架。
3、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的芯片承载座为印刷电路板。
4、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的芯片承载座为金属座。
5、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的光电元件芯片至少包括导电透明基板及形成于导电透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于导电透明基板及外延结构内的数个不同的外延层上。
6、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的透明材料层为以铟锡氧化物层、氧化锌层、镉锡氧化物层、铟锌氧化物层或氧化镍层形成的导电透明材料层。
7、根据权利要求1所述的封装光电元件，其特征在于所述的光电元件芯片至少包括绝缘透明基板及形成于绝缘透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于外延结构内的数个不同的外延层上。
8、一种封装光电元件封装方法，其特征在于它包括下列步骤：
步骤一
成型芯片承载座；
步骤二
设置光反射层；
于芯片承载座设置将入射光改变为反射光的光反射层，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构；
步骤三
成形透明材料层；
    形成覆盖于光反射层的透明材料层；
步骤四
固定光电元件芯片；
    将光电元件芯片固定于透明材料层上；
步骤五
电性连接；
    将光电元件芯片的第一极及第二极分别与芯片承载座及另一极性的导电电极电性连接。
9、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤一中成型的芯片承载座为插件式导线架。
10、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤一中成型的芯片承载座为印刷电路板。
11、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤一中成型的芯片承载座为金属座。
12、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤四中固定于透明材料层上光电元件芯片至少包括导电透明基板及形成于导电透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于导电透明基板及外延结构内的数个不同的外延层上。
13、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤三中覆盖于光反射层的透明材料层为以铟锡氧化物层、氧化锌层、镉锡氧化物层、铟锌氧化物层或氧化镍层形成的导电透明材料层。
14、根据权利要求8所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤四中光电元件芯片至少包括绝缘透明基板及形成于绝缘透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于外延结构内的数个不同的外延层上。
15、一种封装光电元件封装方法，其特征在于它包括下列步骤：
步骤一
成型芯片承载座；
步骤二
成形第一层透明材料层；
    于芯片承载座凹穴表面形成第一层透明材料层；
步骤三
设置光反射层；
    于第一层透明材料层上设置将入射光改变为反射光的光反射层，并于反射层设有用于发散入射光为半球面凸起、半球面凹穴或光栅结构；
步骤四
成形第二层透明材料层；
    形成覆盖于光反射层上的第二层透明材料层；
步骤五
固定光电元件芯片；
    将光电元件芯片固定于第二层透明材料层上；
步骤六
电性连接；
    将光电元件芯片的第一极及第二极分别与芯片承载座及另一极性的导电电极电性连接。
16、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤一中成型的芯片承载座为插件式导线架。
17、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的成型的芯片承载座为印刷电路板。
18、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤一中成型的芯片承载座为金属座。
19、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤五中固定于透明材料层上光电元件芯片至少包括导电透明基板及形成于导电透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于导电透明基板及外延结构内的数个不同的外延层上。
20、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤四中覆盖于光反射层的透明材料层为以铟锡氧化物层、氧化锌层、镉锡氧化物层、铟锌氧化物层或氧化镍层形成的导电透明材料层。
21、根据权利要求15所述的封装光电元件封装方法，其特征在于所述的步骤五中光电元件芯片至少包括绝缘透明基板及形成于绝缘透明基板上的外延结构；其上第一电极及第二电极分别位于外延结构内的数个不同的外延层上。
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