CN205319184U - 发光二极管封装结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示一种发光二极管封装结构，该发光二极管结构包括：透明基板；多个外延单元，位于该基板的一表面第一金属层，位于该外延单元的部分表面；n对布拉格反射镜对，是包覆所述外延单元以及该第一金属层的部分表面；第二金属层，是设于该布拉格反射镜对的表面，并经图案化而具有一间隙；多个第三金属层，是连接该第二金属层，且至少两个第三金属层之间具有一间隙；荧光粉层，是位于该透明基板上非n对布拉格反射镜对的表面；以及封装保护层，是包覆该基板、所述外延单元、以及部分的该第三金属层。
Description
技术领域
本实用新型关于一种发光二极管封装结构，特别是一种具有改善光效及强化整体结构减少后续加工过程断裂效果的发光二极管封装结构。
背景技术
近年来发光二极管装置的应用越来越广泛，近年来搭配透明基板可以两面发光的LED灯的LED灯丝灯，因为外型仿古美观，很受消费者的青睐，是以许多厂商都投入了LED灯丝灯的生产。
但尽管LED灯丝灯的数量持续成长，但与传统的钨丝灯出货数量来相比，仍有一段相当大的差距。LED灯丝灯无法普遍的主要的原因在于LED灯丝灯对于封装有较高的要求，在制程工艺方面较为复杂、生产良率低，价格也因此较高。现在LED灯丝灯的作法多是先于大基板上长成LED单元，再将LED单元减薄切割成个别独立的LED晶粒，再将多个个别独立的LED晶粒黏附或焊接于一载板，最后再将载板上的个别独立的LED晶粒拉线串接而成。如此的多工艺步骤，因为在每一个步骤皆会造成良率的损失，导致最后成品的良率并不高。更具体地，例如在后续加工切割成LED晶粒的步骤，因为应力问题使得LED晶粒碎裂。再加上其他步骤施作时的良率损失，制作良率的改善变成是LED灯丝灯产品制造的重要课题。
现有技术中，为了达到双面出光效果，LED灯丝灯不得不采取全方位荧光胶涂敷法，但此方法不仅用料成本大增，还使得封装结构温度增加，导致散热困难、光衰严重。但如果仅涂单面，成为单面出光芯片，虽然兼顾了成本和效率，却无法达成全方位出光，丧失灯丝灯原本要求全方位发光的目的。
再者，LED灯丝灯也有散热的技术问题亟需克服，特别是大瓦数的LED灯丝灯运作时，会产生大量热，因此如何有效地散热，提高电光效率，也成为LED灯丝灯需要改善的重要课题。另外尚有消费者认为LED灯丝灯的照度不足、光效低的问题须要改善，因此导致LED灯丝灯价格与效能，离市场期待仍有一段差距，成为LED灯丝灯扩大应用的障碍。
然而，LED灯的耗电量少，灯泡寿命长，是效率很高的光源。为了达到省电节能的目标，目前已有许多厂商及研究团队投入，企图从工艺或结构方面着手改良，期待能够提高LED灯丝灯照度、加强散热、降低成本，进而可以开发出一种能够解决现有LED灯丝灯发展困境的新型灯具。
实用新型内容
本实用新型的主要目的旨在提供一种能够改善光效的发光二极管封装结构。
本实用新型的主要目的旨在提供一种改良良率、步骤简单，可进行大规模的自动化制造的发光二极管封装结构。
为达成上述目的，本实用新型在外延单元形成多对布拉格反射镜对，使所述布拉格反射镜对包覆所述外延单元，通过反射光线改善光利用效率，进而提升出光强度。
再者，本实用新型中设置的金属层，可将发光二极管运作时产生的热能以有效率传导的方式快速散去，避免热积蓄在装置中导致发光二极管损坏。
并且，本实用新型在将芯片焊接于金属支架后，利用高分子材料进一步在芯片与支架外形成封装保护层，该封装保护层不仅具有保护发光二极管的效果，亦可使光线在该封装保护层内部绕射与背面透射，在封装保护层中充分混光后，达成全方位出光的效果。并且，以本实用新型的制造方法制成的发光二极管封装结构与现行标准支架型LED封装类似，可以进行大规模的自动化制造，产品的出光效果一致性高，有助于建立量产的标准化作业。
具体而言，本实用新型的发光二极管封装结构包括：一基板；多个外延单元，位于该基板的一表面，每一外延单元包括：一n型半导体单元，是位于该基板的表面、至少一发光层，位于该n型半导体单元上、一p型半导体单元，位于该n型半导体单元上，且该发光层是夹设于该p型半导体单元与该n型半导体单元之间，部分的n型半导体单元露出且不被该p型半导体单元覆盖、以及一透明电极层，是位于该p型半导体单元的表面；一第一金属层，该第一金属层是位于该外延单元的部分表面以连结该外延单元与另一相邻的外延单元；n对布拉格反射镜对，是包覆所述外延单元以及该第一金属层的部分表面，其中n是为一大于6的整数；一第二金属层，是设于该布拉格反射镜对的表面，并经图案化而具有一间隙，使该第二金属层分隔成至少两独立的电极，且该第二金属层连接未经该布拉格反射镜对所覆盖的该第一金属层；多个第三金属层，是连接该第二金属层，且至少两个第三金属层之间具有一间隙以将该第三金属层分隔成至少两独立的电极；一荧光粉层，是位于该基板上非n对布拉格反射镜对的表面；以及一封装保护层，是包覆该基板、所述外延单元、该第二金属层、该荧光粉层、以及部分的该第三金属层。
于本实用新型的发光二极管装置中，该p型半导体单元的侧壁及该发光层的侧壁更可选择性地包括一绝缘层；此外，在第三金属层的该间隙亦可还包括一非导电绝缘层。可使用作为绝缘层的材料并无特别限制，任何一种用在发光二极管装置的绝缘层材料都可以被使用。比如说，氮化物，如氮化硅；氧化物，如二氧化硅或氧化铝；或者也可以使用氮氧化物等。本领域具有通常知识者可依情况选用适当的材料形成绝缘层，并不特别限制在上述的材料中。
于本实用新型的一示例性实施例中，上述的基板可为任何具有透光性的半导体材料，也可以是蓝宝石基板、氮化镓基板、氮化铝基板，较佳可为蓝宝石基板，然本实用新型不限于此，本领域具有通常知识者可依需求加以选择。本发中使用的基板的形状及大小并无限制，可为任何现有的形状。较佳可为矩形、圆形、多边形、椭圆形、半圆形、或不规则形。
于本实用新型一示例性实施例中，可以使用已知领域中任何用来形成外延单元的材料来形成外延单元，比如说，该n型半导体单元可为一n型氮化镓、该p型半导体单元是一p型氮化镓、该发光层为多层硅掺杂的氮化镓铟外延(InxGayN/GaN多重量子井)、且该透明电极层可为ITO(氧化铟锡，IndiumTinOxide)。除此之外，为了提升层和层之间接口黏着力、或者为了使外延单元有其他辅助或附加功能，亦可加入其他已知的辅助功能层。举例来说，可在基板与该外延单元之间还包括一氮化镓或氮化铝缓冲层，使后续形成的外延单元和基板之间有更好的结合，然而，本实用新型对此并无特别限制。
第一金属层、第二金属层以及第三金属层可由任何适合的金属材料形成，举例来说，可为金、银、铜、钛、铝、铬、铂、镍、铍、镁、钙、锶或上述任意多种金属材料的组合，所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层的材料可彼此相同或不同。本实用新型中第一金属层连接两相邻外延单元，是通过连接外延单元的阳极(或透明电极)及另一外延单元的阴极而达成。
于本实用新型一示例性实施例中，该第二金属层可经图案化而具有一间隙，使该第二金属层分隔成至少两独立的电极。本实用新型第二金属层所覆盖的区域无限制，较佳为覆盖大部分基板或的n对布拉格反射镜对区域以改善漏光、增加光回收效率、以及改善散热效率。
此外，该第三金属层亦可经图案化而具有一个间隙，以将该第三金属层分隔成至少两独立的电极。该第三金属层的间隙可与该第二金属层的间隙对应。该第三金属层的厚度大于或等于150μm、较佳为大于或等于300μm，然本实用新型并不限于此。通过上述的金属层更能将发光二极管运作时所产生的热快速地传导出去，避免因温度过高导致发光二极管劣裂化损坏。
上述的第三金属层可通过焊接的方式焊接于第二金属层表面，从而在第三金属层与第二金属层之间形成一焊接层，该焊接层的厚度可在1μm至3μm之间、更佳为1μm至2μm之间。本领域具有通常知识者可利用各种焊接方式使第二金属层与第三金属层结合而没有其他限制。
至于本实用新型所使用的布拉格反射镜对，其中该布拉格反射镜对是由两种不同折射率的材料重复交错堆栈而形成，且该两种不同折射率的材料的厚度可相同或不同。于本实用新型中，该布拉格反射镜对的光学膜层折射率可介于1.3至2.8之间，较佳为1.45至2.3之间，更佳为1.3至2.8之间。两种不同折射率的材料，可为可为五氧化二钽/三氧化二铝的组合、五氧化二钽/氮化硅的组合、五氧化二钽/氧化硅的组合、二氧化钛/二氧化硅、二氧化钛/三氧化二铝的组合、氧化钛/二氧化硅的组合、以及二氧化钛/氮化硅的组合，于本实用新型一示例性实施例中使用二氧化钛/二氧化硅组合的布拉格反射镜对。至于布拉格反射镜对中两种不同折射率的材料的厚度分别可之间、更佳为之间。举例来说，可为由的二氧化钛与的二氧化硅所组成的布拉格反射镜对、的二氧化钛与的二氧化硅所组成的布拉格反射镜对、或是的二氧化钛与的二氧化硅所组成的布拉格反射镜对，然本实用新型并不限于此。
布拉格反射镜对的反射率随材料的层数和材料之间的折射率差而改变，于本实用新型中，布拉格反射镜对的对数(n)较佳为6对以上(n＞6)，更佳为20对以上；至于材料之间的折射率差，较佳可在1.3至2.8的范围之内，然本实用新型并不限于此。
荧光粉层的形成方法并无特别限制，任何已知技术中教示的方法都可使用。举例来说，可以通过涂敷、喷涂、贴附、自组装、蒸镀等方式将荧光粉胶混合物成型于发光二极管上。本实用新型对此并无特别限制。
本实用新型的封装保护层可由高分子化合物形成，该封装保护层是包覆该基板、所述外延单元、该第二金属层、该荧光粉层、以及部分的该第三金属层，不只可强化发光二极管结构，避免该发光二极管结构在后续的加工过程中碎裂，更可使得光在封装保护层内部绕射与背面透射，达成全方位出光的效果。上述的封装保护层的制造方法及材料并无特别限制，在方法上可利用模铸成型、贴附胶片、覆盖透明外壳等方法形成该封装保护层，而材料上可为透明高分子材料(比如硅胶、环氧树脂)或透明无机物(比如氧化硅、氧化钛、氧化锆、单多晶氧化铝等)，考虑透明无机物易碎影响良率，较佳使用透明高分子材料。于本实用新型一示例性实施例中，是利用射出成型的方式将透明环氧成型模料(EpoxyMoldingCompound；EMC)包裹于芯片及第三金属层。
本实用新型更进一步提供一种发光二极管封装结构的制造方法，一种发光二极管封装结构的制造方法，是包括下列步骤：
(a)于一基板上形成多个独立的外延单元，且每一外延单元包括：一n型半导体单元，是位于该基板的一表面；至少一发光层，位于该n型半导体单元上；一p型半导体单元，位于该n型半导体单元上，且该发光层是夹设于该p型半导体单元与该n型半导体单元之间，部分的n型半导体单元露出且不被该p型半导体单元覆盖；以及一透明电极层，是位于该p型半导体单元的表面；
(b)于所述外延单元的表面形成第一金属层，使该第一金属层覆盖部分的外延单元表面，以连结该外延单元与另一相邻的外延单元；
(c)形成n对布拉格反射镜对，使所述布拉格反射镜对包覆所述该外延单元以及部分的第一金属层，其中n是为一大于6的整数；
(d)于该布拉格反射镜对的一表面形成一图案化的第二金属层，使该第二金属层具有一间隙而分隔成至少两独立的电极，且该第二金属层连接未经该布拉格反射镜对所覆盖的该第一金属层；
(e)于该基板上非n对布拉格反射镜对的表面形成一荧光粉层；
(f)将相反于该基板的该第二金属层表面形成一第三金属层，其中该第三金属层具有一间隙以将该第三金属层分隔成至少两独立的电极；以及
(g)形成一封装保护层以包覆该基板、所述外延单元、该第二金属层、该荧光粉层、以及部分的该第三金属层。
本实用新型的有益效果是，可以改进产品的良率、步骤简单，可进行大规模的自动化制造。
附图说明
为进一步说明本实用新型的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本实用新型一实施例的发光二极管封装结构示意图。
图2是本实用新型另一实施例的发光二极管封装结构示意图。
具体实施方式
以下是利用特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟习此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的优点与其他功效。本实用新型亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，且本说明书中的各项细节亦可针对不同的观点与应用，在不背离本实用新型精神下进行各种修饰与变更。
实施例1
图1是本实用新型一示例性实施例的发光二极管封装结构10示意图。该发光二极管封装结构10包括：基板110、外延单元120、第一金属层130、布拉格反射镜对140、第二金属层150、荧光粉层160、焊接层170、第三金属层180、以及封装保护层190。
下文中将更具体地描述本实用新型的发光二极管封装结构的制备方法，于实施例1中，是在蓝宝石基板110的一表面上，于750-1200℃、1大气压的操作条件下，利用有机金属气相沉积方法依序形成氮化镓本质外延、n型氮化镓、发光层、p型氮化镓；之后以半导体工艺如黄光、光刻、蚀刻工序将前述外延材料制作成带有PN极性的元件。然后在p型氮化镓的侧壁及发光层的侧壁上，利用化学气相沉积形成氮化硅绝缘层(图未示)，以避免电流经由侧壁连通n型层或金属电极而短路。
接下来，在真空的条件下，利用电子束蒸镀方式，在所述外延单元120的表面以金/镍形成第一金属层130，其中，第一金属层130覆盖部分的外延单元120表面而使所述外延单元120与相邻的外延单元120能够彼此串接相连。
形成外延单元之后，接下来在真空条件下，以电子束蒸镀方式，在所述外延单元120及第一金属层130的表面形成布拉格反射镜对140。该布拉格反射镜对140是以的TiO2与的SiO2所组成，总共有20层(对)，并且包覆所述外延单元120以及部分的第一金属层130，且部分的第一金属层130不被该布拉格反射镜140包覆。
随后，在真空条件下，利用电子束蒸镀方式，在该布拉格反射镜对140的一表面形成一第二金属层150，且该第二金属层150与未经该布拉格反射镜140对所覆盖的该第一金属层130连接。并进一步图案化该第二金属层150使该第二金属150层具有一间隙而分隔成至少两独立的电极。
在该基板上非布拉格反射镜对140的表面涂敷荧光粉层160。其是在水油相界面下，利用粉体自组装方式进行荧光粉薄膜成型，且荧光粉层的厚度约在60μm。
随后，将第二金属层150与第三金属层180在以大于250℃温度进行焊接，其中，该第三金属层180是为一铜金属层，厚度约为300μm。以此方式进行时，该第二金属层150与第三金属层180交界的表面形成厚度约2μm的Sn焊接层170。并且，将该第三金属层180图案化，使第三金属层180形成一个间隙而分隔成至少两独立的电极，如图1所示，该第三金属层180图案化所形成的间隙相对应于该第二金属层150图案化后所形成的该间隙。
最后，以射出成形的方式将透明环氧成型模料(EpoxyMoldingCompound；EMC)形成一封装保护层190包覆该基板110、所述外延单元120、该第二金属层150、该荧光粉层160、以及部分的该第三金属层180。
完成之后，将上述的发光二极管封装单元结构从第三金属层总集切取使用。因为该结构具有封装保护层190的关系，可轻易地切割而不会损害到内部芯片的结构。除此之外，在此结构中，第三金属层(铜金属层)大幅度地提升了散热的效果，且相较于已知技术，此结构省略透明蓝宝石封装基板，故能大幅度地减少用料成本。除此之外，利用透明环氧成型模料所形成的封装保护层，可使光线在封胶内部绕射与背面透射，达到全方位出光的效果。
以积分球实际测量，在色温3000K、显色指数大于80的光色要求下，以80V、15mA的操作条件，可测得162lm/W的出光效率，证实本实用新型的发光二极管封装结构具有优异的效能。
实施例2
图2是本实用新型一示例性实施例的发光二极管封装结构10示意图。该发光二极管封装结构10在结构及制造方法上大致与图1的发光二极管封装结构相似，不同的地方在于，为了达到更好的保护效果，图2的发光二极管封装结构10在形成第三金属层后，以模铸成型方法利用EMC材料来形成加强板181，且该加强板181是跨接该第三金属层180之间的该间隙的两侧。
Claims (9)
1.一种发光二极管封装结构，其特征在于，包括：
一基板；
多个外延单元，位于该基板的一表面，每一外延单元包括：
一n型半导体单元，位于该基板的表面；
至少一发光层，位于该n型半导体单元上；
一p型半导体单元，位于该n型半导体单元上，且该发光层夹设于该p型半导体单元与该n型半导体单元之间，部分的n型半导体单元露出且不被该p型半导体单元覆盖；以及
一透明电极层，位于该p型半导体单元的表面；
一第一金属层，该第一金属层位于该外延单元的部分表面；
n对布拉格反射镜对，包覆所述外延单元以及该第一金属层的部分表面，其中n为一大于6的整数；
一第二金属层，设于该布拉格反射镜对的表面，并经图案化而具有一间隙，使该第二金属层分隔成至少两独立的电极，且该第二金属层连接未经该布拉格反射镜对所覆盖的该第一金属层；
多个第三金属层，连接该第二金属层，且至少两个第三金属层之间具有一间隙以将该第三金属层分隔成至少两独立的电极；
一荧光粉层，位于该基板上非n对布拉格反射镜对的表面；以及
一封装保护层，包覆该基板、所述外延单元、该第二金属层、该荧光粉层、以及部分的该第三金属层。
2.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，还包括一连结于该第三金属层表面的加强板，其中该加强板跨接该第三金属层之间的该间隙的两侧。
3.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，还包括一位于该第三金属层的该间隙的非导电绝缘层。
4.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，还包含一位于该基板与该外延单元之间的缓冲层。
5.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，其中该第三金属层的厚度大于或等于150μm。
6.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，其中该第二金属层和与的相邻的该第三金属层之间还具有一焊接层，且该焊接层的厚度为1μm至3μm之间。
7.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，其中该封装保护层由一透明高分子或透明无机材料所形成。
8.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，其中n为一大于20的整数。
9.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，其中该布拉格反射镜对的光学膜层折射率介于1.3至2.8之间。
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