DE10162223A1

DE10162223A1 - Light-Emitting Sevice and Production Thereof

Info

Publication number: DE10162223A1
Application number: DE2001162223
Authority: DE
Inventors: Takaai Jagi; Takeshi Tamura; Fusanori Arakane
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2002-08-01
Also published as: TW508848B

Abstract

Eine gedruckte Schaltungsplatine (PWB = printed wiring board) 101, die als "Chip-LED" bezeichnet wird, wird statt einem Lead-Frame verwendet. Auf dem Substrat ist eine Leitung 203 eingeätzt, die in dem elektrischen Schichtabschnitt vergraben ist. Lötkuppen 204 sind auf der Schaltungsplatine ausgebildet. SnPb, In, Au, Ag oder andere Materialien können als Lötmittel verwendet werden. Das lichtemittierende Galiumnitrid-Halbleiterelement 102 ist auf diesem Substrat angeordnet - welches die elektrische Verdrahtung umfaßt - und ist mit den Leitungen derselben verbunden. Das lichtemittierende Halbleiterelement 102 ist über Kuppen 204 angeordnet; und Leiterverbindungen werden unter Verwendung der Kuppen hergestellt, die Metallmassen sind, die in den Elektrodenabschnitten liegen. Da das Fluoreszenzmaterial auf Temperatur senibel ist, wird das Herstellungsverfahren bei niedriger Temperatur ausgeführt. Die Temperatur ist etwa 80 DEG C bis 150 DEG C. Das Fluoreszenzmaterial wird in die Sol-Gel-Glaslösung zugemischt, die dann aufgebracht und erhitzt wird, um einen Glaskörper zu erzeugen. Das Fluoreszenzmaterial ist eine Kombination aus zwei Materialien, einem blau-angeregten, grünen Fluoreszenzmaterial und einem blauangeregten, roten Fluoreszensmaterial. Der Halbleiterelementchip ist für Flip-Chip-Bonden ausgelegt. In diesem Verfahren der Aufbringung von Glas über der Oberfläche des Halbleiterchips liefert das Flip-Chip-Bonden eine bessere technische Anwendbarkeit, da dieses ...

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Vorrichtung, die als weiße LED bezeichnet wird, und die ein lichtemittierendes Halbleiterelement aufweisende Lichtquelle und ein Fluoreszenzmaterial umfaßt, das das Ausgangslicht davon empfängt und das Fluoreszenz Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge als dieses Ausgangslicht emit tiert, wobei das Licht von dem lichtemittierenden Element und das Licht von dem Fluores zenzmaterial kombiniert werden, um weißes Licht zu erzeugen.

Hinterrund

Eine Anzahl von weißen LED's - lichtemittierende Vorrichtungen, die lichtemittieren de Halbleiterelemente verwenden, um weißes Licht zu erzeugen - sind bis dato vorgeschlagen worden. Die Verwendung von lichtemittierenden Halbleiterelementen erfordert ein verhält nismäßig intensives Licht mit einem niedrigen Verbrauch an elektrischer Leistung. Im Unter schied zu Glühbirnen oder Fluoreszenzleuchten, strahlen solche Vorrichtungen ferner keine Wärme ab und erfahren keine Probleme, beispielsweise eine Verschlechterung mit der Zeit oder ein Ausbrennen. Die Anwendungen für solche Vorrichtungen nehmen daher rapide zu. Das japanische Patent Nr. 2927279 offenbart eine Technik zum Herstellen einer weißen LED unter Verwendung eines lichtemittierenden Halbleiterelements. Dieses Patent lehrt das Kom binieren von blauem Licht (welches von einem Galiumnitrid-Halbleiterelement abgegeben wird) mit einem gelben Licht, das eine Komponente mit breitem Spektrum aufweist (welches von einem YAG Fluoreszenzmaterial abgegeben wird, welches durch das blaue Ausgangslicht erregt wird), um weißes Licht zu erzeugen. In diesem Stand der Technik wird die weiße LED dadurch hergestellt, daß das Halbleiterelement auf einem Substrat angeordnet wird, und daß es in einem transparenten Kunstharz eingekapselt wird, welches YAG Fluoreszenzmaterial enthält.

Lichtquellen, die Galiumnitrid-Halbleiterelemente verwenden, haben eine längere Le bensdauer als Glühbirnen und Fluoreszenzleuchten, die gegenwärtig als Lichtquellen für die Beleuchtung verwendet werden, und sie können bis zu etwa 10 Jahren verwendet werden.

Die lichtemittierenden Vorrichtungen, die bis dato offenbart worden sind, verwenden jedoch eine schützende Harzschicht (Gußteil), um die lichtemittierende Diode zu schützen, und dies verursacht eine Anzahl von Problemen. Wenn die Schutzschicht aus einem Kunst harz zusammengesetzt ist, kann beispielsweise während des Betriebs über mehrere Jahre Was ser eindringen, wodurch die Arbeitsweise der lichtemittierende Diode beeinträchtigt wird; oder, wenn das abgegebene Licht von der lichtemittierende Diode ultraviolett ist, kann das Ultraviolett mit der Zeit eine Entfärbung verursachen, wodurch die Fähigkeit, Ausgangslicht von der lichtemittierenden Diode zu übertragen, reduziert wird und die Arbeitsweise der lich temittierenden Diode erheblich behindert wird.

Gemäß einem anderen Aspekt emittiert das YAG-Fluoreszenzmaterial, das in dem Stand der Technik offenbart ist, Licht mit einem breiten Spektrum, welches um Gelb herum zentriert ist. Die Lichtausbeute ist jedoch schwach, wie bereits erwähnt. Mit dem Ziel, die Lichtausbeute zu verbessern, hat die Anmelderin eine lichtemittierende Vorrichtung vorge schlagen, die zwei Fluoreszenzmaterialien, ein grünes Licht und ein rotes Licht imitierendes Material, kombiniert. Diese Fluoreszenzmaterialien haben jedoch eine schwache Feuchtig keits-Widerstandsfähigkeit, so daß Gegenmaßnahmen gegen Feuchtigkeit entscheidend sind. Bis dato vorgeschlagene, lichtemittierende Vorrichtungen haben jedoch keine adäquate Feuchtigkeitspermeabilität.

Im Hinblick auf die Probleme mit Kunstharzstutzschichten für lichtemittierende Dioden offenbaren die ungeprüfte Patentanmeldung (Kokai) 11-251640 und die ungeprüfte Patentanmeldung (Kokai) 11-204838 Schutzschichten zum Schützen von lichtemittierenden Dioden. Diese Anmeldungen wurden im Hinblick auf die Nachteile der Kunstharzschutz schicht für lichtemittierenden Dioden vorgeschlagen, die in dem obengenannten Patent offen bart ist, nämlich der Fähigkeit, von Feuchtigkeit durchdrungen zu werden - das heißt geringe Widerstandsfähigkeit gegen die Umwelt - und Entfärbung bei massiver Belichtung mit Ultra violett - das heißt geringe Ultraviolett-Widerstandsfähigkeit -, was zu einer verminderten Transparenz und zu einer eingeschränkten Charakteristik als lichtemittierende Diode führt, und sie lehren das Verkapseln der lichtemittierenden Diode mit einem Sol-Gel-Glas statt mit einer Kunstharzschutzschicht.

Die lichtemittierenden Vorrichtungen, die in der ungeprüften Patentanmeldung (Ko kai) 11-251640 und in der ungeprüften Patentanmeldung (Kokai) 11-204838 offenbart sind, haben jedoch die folgenden Probleme.

Wenn das Drahtbonden verwendet wird, um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt der lichtemittierenden Diode zu liefern, führt das Einkapseln der lichtemittierenden Diode mit Sol-Gel-Glas unter Verwendung der Verfahren, die in den oben benannten Veröffentlichun gen offenbart sind, zu den folgenden möglichen Problemen.

Wenn Drahtbonden verwendet wird, um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt der lichtemittierenden Diode mit einer äußeren Stromquelle zu liefern, müssen die Drähte von der lichtemittierenden Diode durch sowohl Glas als auch Epoxyd-Kunststoff hindurchtreten, um die Leitungen außerhalb der lichtemittierenden Diode anzuschließen. Da jedoch das Glas und das Epoxydharz unterschiedliche Kennwerte, beispielsweise Koeffizienten der thermischen Ausdehnung und der Hygroskopizität, haben, können erhebliche Spannungen in den Drähten an der Glas-Epoxyd-Grenzfläche erzeugt werden, die möglicherweise die Drähte durchtren nen. Wenn Sol-Gel-Glas verwendet wird, schrumpft das Volumen um etwa 30% während der Aushärtung, so daß ein Bruch aufgrund von Spannungen, die in dem Draht erzeugt werden, während des Gießens ebenfalls auftreten kann. Wenn Drahtbonden verwendet wird, um zu verlässige elektrische Bahnen zu verwirklichen können, daher Unterschiede in den physikali schen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen der Glasschicht und der Epoxydabdeckung zu dem Problem eines Drahtbruches führen. Bei lichtemittierenden Vorrichtungen, die lichtemit tierende Halbleiterelemente verwenden, besteht, während die Halbleiterelemente als solche eine hohe Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer haben, die Gefahr, daß die Verpac kung, die zum Schutz des lichtemittierenden Halbleiterelementes und zur Sicherstellung des elektrischen Kontaktes mit einer äußeren Stromquelle verwendet wird, Probleme im Zusam menhang mit Zuverlässigkeit erfährt.

Während es möglich wäre, dieses Problem dadurch anzugehen, daß dickere Glas- schichten zur Erzeugung der Grenzfläche verwendet werden, ist es schwierig, dickes Glas frei von Brüchen zu erzeugen.

Zusammenfassung

Im Hinblick auf das vorstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hoch zuverlässige Verpackung für lichtemittierende Halbleiterelemente zu liefern und dadurch eine lichtemittierende Vorrichtung zu liefern, die ein lichtemittierendes Halbleiterelement verwendet und die eine andauernde hohe Betriebsqualität und eine ausgedehnte Lebensdauer bietet.

Diese Aufgabe wird durch eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung erreicht, in der ein lichtemittierendes Halbleiterelement-Flipflop elektrisch mit Anschlüssen auf einem Sub strat verbunden ist, wobei die Vorrichtung umfaßt: ein lichtemittierendes Element, welches aus einem Galiumnitrid-Halbleiterelement besteht; eine Glasschicht, die auf dem Weg des Lichtes angeordnet ist, das von dem lichtemittierenden Element ausgegeben wird, und das ein Fluoreszenzmaterial enthält, um das Ausgangslicht zu empfangen und umgesetztes Licht zu erzeugen, welches in eine Wellenlänge, die sich von dem Ausgangslicht unterscheidet, umge setzt ist; wobei das emittierte Licht und das umgesetzte Licht verwendet werden, um im we sentlichen weißes Licht zu erzeugen.

In einer bevorzugten praktischen Ausführung ist das Substrat eine Leiterplatte.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Fluoreszenz Material aus zwei Schwefel enthaltenden Zusammensetzungen, wobei jedes Fluoreszenz Material umgesetztes Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugt.

Eines der beiden Fluoreszenzmaterialien kann SrS : Eu2+ sein, welches rotes Fluores zenzlicht emittiert, wobei das andere (Sr, Ba, Ca) S : Eu2+ sein kann, welches grünes Fluores zenzlicht emittiert.

Das rot fluoreszierende Material kann aus SrGd2S4 : Eu2 bestehen. In einem bevor zugten Ausführungsbeispiel hat die Glasschicht, die das Fluoreszenz Material enthält, eine Dicke von 100 µm oder weniger.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Glasschicht aus SiO2, das we nigstens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PbO, Ga2O3, Bi2O3, CdO, ZnO, BaO und Al2O3 enthält, oder aus SiO2, das im wesentlichen frei davon ist.

Die Zusammensetzung der Glasschicht kann verändert werden, indem Verbindungen ausgewählt aus PbO, Ga2O3, Bi2O3, CdO, ZnO, BaO und Al2O3 zugegeben werden. Der Grund dafür ist wie folgt. An der Grenzfläche des lichtemittierenden Elementes und der um gebenen Glasschicht oder einem anderen Verpackungsmaterial tritt eine Reflexion auf. Der Prozentsatz der Totalreflexion, die auftritt, ist höher je größer der Unterschied in dem Bre chungindex. Die Totalreflexion führt dazu, daß das Licht innerhalb der Verpackung hin und her läuft, so daß der Wirkungsgrad der Lichtimmission nach außen abnimmt. Folglich ist es erwünscht, die Totalreflexion an den Grenzflächen auf ein Minimum herabzusetzen, durch die das Licht von dem lichtemittierenden Element hindurchtritt, um eine effiziente Transmission von Licht von dem lichtemittierenden Element zur Luft zu erreichen. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, die Brechungsindexdifferenz an jeder Grenzfläche auf ein Minimum herabzu setzen. Wenn die Anordnung mit dem lichtemittierenden Element zwei Schichten umfaßt - ein lichtemittierendes Element und eine Glasschicht - gibt es zwei Grenzflächen, eine zwi schen dem lichtemittierenden Element und der Glasschicht und eine zwischen der Glasschicht und der Luftschicht, und um die Reflexion des Lichtes von dem lichtemittierenden Element auf ein Minimum herabzusetzen, ist es erwünscht, die Brechungsindexdifferenz an jeder der zwei Grenzflächen auf ein Minimum herabzusetzen.

Folglich liegt der Brechungsindex der Glasschicht vorzugsweise zwischen den Bre chungsindizes von Luft und dem des lichtemittierenden Elements.

In dem die Oberfläche des Elements mit dem oben erwähnten Oxid versehen wird, das einen Brechungsindex hat, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungs index des lichtemittierenden Elementes liegt, und durch verwenden desselben mit einer nicht reflektierenden Beschichtung, um den Wirkungsgrad der Lichtimmissionen nach außen zu erhöhen, kann der Lichtausgang in der Größenordnung von mehreren 10% verbessert werden. Die Vorteile der Verwendung von einem Glasüberzug statt der Verkapselung mit Kunstharz bestehen in folgendem:

1. Die Widerstandsfähigkeit gegen die Umgebung wird verbessert; 2) der Betrieb bei hohen Temperaturen wird möglich; und 3) Materialien können ausgewählt werden, die einen höheren Wirkungsgrad der Lichtimmission bieten. Die Brechungsindizes von Epoxydkunstharzen überschreiten in keinem Fall 1,6. Der Brechungsindex von Luft ist 1,0, und die Brechungsindizes der Verbundhalbleiter, die bei lichtemittierenden Dioden verwendet werden, liegen im Bereich von 3, 4 bis I,8. Der Brechungsindex von SiO2 der Glasschicht ist etwa 1,5, wenn das SiO2 jedoch eine transparente Komponente enthält, beispielsweise PbO, Ga2O3, Bi2O3, CdO, ZnO, BaO oder Al2O3, kann der Brechungsindex auf etwa 1,5 bis 2,5 erhöht werden. Durch einbeziehen einer transparenten Komponenten, beispielsweise PbO, Ga2O3, Bi2O3, CdO, ZnO, BaO oder Al2O3 in das SiO2 kann daher der Brechungsindex der Glasschicht auf ein gewünschtes Niveau geregelt werden, um den Wirkungsgrad der Lich timmission von dem lichtimmitierenden Element auf ein Maximum zu bringen.

Wenn eine zusätzliche Epoxyd-Kunstharzschicht auf der Außenseite der Glasschicht vorgesehen ist, wird der Brechungsindex an der Grenzfläche der Glasschicht mit der Epoxyd schicht ebenfalls berücksichtigt. Das heißt, das der Brechungsindex der Glasschicht durch Manipulation der Menge der transparenten Komponenten, die darin enthalten ist, in geeigneter Weise gesteuert wird, um den Brechungsindex an den entsprechenden Grenzflächen, an denen von dem lichtemittierenden Element in die Glasschicht, in die Epoxydeschicht und in Luft übergegangen wird, auf ein Minimum herabzusetzen. Insbesondere bilden die Übergänge in dem Brechungsindex eine geometrische Serie, wenn man von dem lichtemittierenden Element in die Glasschicht, in die Epoxydschicht und in Luft übergeht. Wie erwähnt wurde, liefert die Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung, die eine Kombination von blauem Licht von einer Galiumnitrid-LED und Licht mit einer umgesetzten Farbe von einem Fluoreszenzmate rial verwendet, um im wesentlichen weißes Licht zu imitieren. Die hier angegebene weiße LED, die im Zusammenhang mit einer blauen LED verwendet wird, liefert eine Beleuch tungslichtquelle, die in hohem Maße zuverlässig ist und eine verlängerte Lebensdauer hat. Weiße LEDs, die blaue LEDs mit hohem Ausgang als Anregungsquellen verwenden, kön nen Glühbirnen oder dergleichen ersetzen. Mit Hilfe eines zuverlässigen Verpackungsverfah rens liefert die hier angegebene lichtemittierende Vorrichtung eine lichtemittierende Vorrich tung, die eine hohe Performance bietet trotz der Verwendung einer Kombination aus Fluores zenzmaterialien, die eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen die Umgebung haben jedoch ebenfalls eine verbesserte Farbreproduktion aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittfotografie von einem Glasfilm, der ein Fluoreszenzmaterial ent hält.

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Immissionsspektrum eines Fluoreszenzmaterials.

Fig. 6 ist ein Immissionsspektrum eines Fluoreszenzmaterials.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Be zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine schematische Schnittdarstel lung der lichtemittierenden Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsspiel ist in Figure 1 gezeigt. Diese lichtemittierende Vorrichtung 100 umfaßt ein Substrat 101. Das Substrat 101 ist typischerweise eine Schaltungsplatine aus Epoxydharz oder einem anderen Kunststoff, jedoch nicht darauf beschränkt. Auf dem Substrat ist eine dielektrische Schicht 101a aus Kunststoff oder dergleichen ausgebildet, und über der dielektrischen Schicht 101a ist ein ge eignetes Muster aus Leiterbahnen 101b, das heißt Elektroden und Anschlüsse, ausgebildet; und es liefert elektrischen Strom von außen an ein lichtemittierendes Element 102, welches damit verbunden ist. Das lichtemittierende Element 102 ist in den vorliegenden Ausführungs beispielen ein Galiumnitrid-Halbleiterelement, das noch beschrieben wird und das auf dem Substrat 101 in einer Flip-Chip-Verbindung montiert ist; Anschlußteile sind auf der Unterseite des Typs vorgesehen, und eine elektrische Verbindung wird mit den Elektroden oder An schlüssen 101b auf dem Substrat durch Bonden von Kuppen (Lötkugeln), die aus einem ge eigneten, leitfähigen Lötmittel bestehen, oder mit Leiterabschnitten 103 (beispielsweise Drähten) mit diesen Anschlüssen hergestellt. Eine lichtdurchlässige Sol-Gel-Glasschicht 10 ist über die Außenseite des lichtemittierenden Elementes ausgebildet. Eine transparente Schicht 106 ist über der Außenseite davon ausgebildet.

Lichtemittierende Diode

Das hier beschriebene, lichtemittierende Element 101 ist eine lichtemittierende Diode, und insbesondere ein Galiumnitrid-Halbleiterelement. Das Halbleiterelement kann aus AlIn- GaP, InGaN oder dergleichen bestehen.

Sol-Gel-Glas

Die hier gezeigte Sol-Gel-Glasschicht 101 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 be schrieben.

Die Herstellung des Sol-Gel-Glases wird nun beschrieben. Als erstes wird ein SiO2 Gel in Netzwerkform durch die Alkoholisierung von Alkoxysilan hergestellt. Dieses Gel wird getrocknet, um ein verfestigtes Gel zu ergeben. Das resultierende Material besteht aus SiO2 - die gleiche Zusammensetzung wie die von gewöhnlichem Glas -, Sol-Gel-Gläser haben je doch einen unterschiedlichen Herstellungsprozeß als gewöhnliches Glas, indem die Verwen dung von Metallkatalysatoren bei der Dealkoholisierungsreaktion es ermöglicht, daß SiO2 bei geringen Temperaturen im Bereich von gewöhnlicher Temperatur bis etwa 150°C synthetisiert werden können. Die Dichte unterscheidet sich jedoch von der von gewöhnlichem Glas, das durch Aufheizen auf den SiO2 Schmelzpunkt erzeugt wird. Sol-Gel-Gläser sind viel dichter als Kunststoffe wie Epoxydkunststoffe, und sie haben Feuchtigkeitspermeabilitäten, die um einen Faktor von mehreren zehn bis mehreren hundert geringer sind als die von Epoxydhar zen.

Was die Feuchtigkeitspermeabilität anlangt, wird, wenn eine Sol-Gel-Glasdeckschicht mit einer Dicke von mehreren Mikron auf einer Kupferplatte oder einer Nickelplatte ausgebil det wird und wenn dieses Muster bei 60°C einer Atmosphäre mit 90% relativer Feuchtigkeit während 100 Stunden ausgesetzt wird, keine Korrosion des Metalls beobachtet. Wenn es in einer Schicht von etwa 10 µm Dicke auf eine Aluminiumplatte aufgebracht wird und in 100°C warmem Wasser während 150 Stunden eingetaucht wird, ist der Aluminiumglanz 95% oder darüber. Da die Glasbeschichtung gegen Feuchtigkeit undurchlässig ist, tritt keine Oxidation der Oberfläche der Metallplatte auf, so daß die Glattheit der Metalloberfläche nicht beein trächtigt wird.

Epoxydharze absorbieren andererseits etwa 2 Gew.-% Wasser, wenn sie in einer 80°C warmen und 85% Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung während 24 Stunden gehalten wird.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, hat eine vergleichende Forschung, die von den Erfindern durchgeführt wurde, gezeigt, daß das Sol-Gel-Glasbeschichtungen eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von Feuchtigkeit als Epoxydbeschichtungen bie ten. Bei Sol-Gel-Gläsern dringt speziell das Wasser nicht leicht in das Glas ein und kann nicht mit dem Fluoreszentmaterial reagieren, das darin enthalten ist, so daß die Verschlechterung des Fluoreszentmaterials verhindert wird.

Fluoreszenzmaterial

Das hier beschriebene Fluoreszenzmaterial ist eine Kombination von zwei Fluores zenzmaterialien, einem blau-angeregten, roten Fluoreszenzmaterial und einen blau angeregten, grünen Fluoreszenzmaterial. Das SrS : Eu2+ emittiert rotes Fluoreszenzlicht, und das (Sr, Ba, Ca)S : Eu2+ emittiert grünes Fluoreszenzlicht. Ein Beispiel für rotes Fluoreszenz material ist SrGd2S4 : Eu2.

Eine Sol-Gel-Glasschicht wird über das Äußere des hier gezeigten, lichtemittierenden Elements 102 ausgebildet, und in dieser Sol-Gel-Glasschicht sind zwei Fluoreszenzmateriali en dispergiert, die unterschiedliche Fluoreszenzwellenlängen haben. Die Verwendung von zwei Fluoreszenzmaterialien mit unterschiedlichen Fluoreszenzwellenlängen ist ein charakte risierendes Merkmal der Erfindung: die hier verwendeten Fluoreszenzmaterialien waren nicht zugänglich für die Verwendung im Gebiet der Erfindung aufgrund ihrer chemischen Instabi lität. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung dieser chemischen unstabilen Fluoreszenzmaterialien jedoch möglich durch die Kombination mit der Einkapselung in Glas, um sie zu stabilisieren.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist das Fluoreszenzmaterial 107 in dem vorliegenden Bei spiel in der Glasschicht 105 dispergiert, so daß seine Konzentration zu der Außenfläche der Schicht hin größer ist als sie nah bei der Oberfläche des lichtemittierenden Elements ist. Auf der Unterseite des lichtemittierenden Elements 102 ist eine reflektierende Schicht mit einer reflektierenden Oberfläche ausgebildet, um von dem lichtemittierenden Element 102 emit tiertes Licht zu reflektieren; das von dem lichtemittierenden Element 102 reflektierte Licht wird in der Information in Fig. 1 reflektiert. Die Reflektionsschicht kann auch als Elektrode fdr das lichtemittierende Element 102 dienen, oder es können separate Elektroden vorgesehen sein.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Unterbau 108 mit leitfähigen Ab schnitten (nämlich Elektrodenabschnitte 109) für die elektrische Verbindung mit den Metall gruppen 103 und mit Leiterbahnen 110 vorgesehen, die von den Elektrodenabschnitten 109 wegführen. Diese Leiterbahnen 110 erstrecken sich durch durchgängige Öffnungen 111, die in dem Unterbau vorgesehen sind und elektrisch mit den Anschlußteilen 101b verbunden sind, die auf dem Substrat vorgesehen sind. An der Unterseite von jeder durchgehenden Öffnung 110 ist eine leitfähige Kuppe (Lötkugel) 112 gebildet - identisch zu der, die auf der Unterseite der Anordnung des lichtemittierenden Elementes vorgesehen ist -, um eine Leiterbahn zu dem Substrat 101 zu erzeugen.

In Fig. 3 hat das Substrat 101 den selben Aufbau wie das Substrat 101, das in Fig. 1 beschrieben ist, und auf der Oberfläche davon sind Anschlußabschnitte für die elektrische Verdrahtung ausgebildet, beispielsweise die Leitungen 101b, die elektrisch mit den Kuppen auf der Unterseite des Unterbaus 108 verbunden sind.

Das Substrat 101, das hier verwendet wird, ist typischerweise eine Schaltungsplatine, insbesondere eine bedruckte Schaltungsplatine PWB (PWB = printed wiring board), die als "Chip-LED" bezeichnet wird, statt einem Lead-Frame. Die gedruckte Schaltungsplatine kann durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden. Auf dem Substrat sind eingebettete Lei tungen 101b in eine Dielektikumschicht eingeätzt, die aus Kunststoff, Keramik, Metall oder einem anderen Material aufgebaut ist.

Die Unterbauanordnung, die in Fig. 4 gezeigt ist, unterscheidet sich von der in Fig. 3. In dem Unterbau, der in Fig. 4 gezeigt ist, wird die Verbindung der Anordnung des lichtemit tierenden Elements mit dem Unterbau 108 durch Lötverbindungen erreicht, während die Ver bindung des Unterbaus mit dem Substrat durch Drahtbonden erreicht wird. Die lichtemittie rende Vorrichtung 100 umfaßt ein lichtemittierendes Element 102, eine Fluoreszenzmaterial enthaltende Glasschicht 105, die es einkapselt, und Anschlußabschnitte auf der Unterseite des lichtemittierenden Elements 102, und ferner Metallkuppen 103, die darunter zwecks elektri scher Verbindung angeordnet sind, wodurch sich eine Anordnung des lichtemittierenden Ele ments ergibt. In dem vorliegenden Beispiel ist die Anordnung 104 mit dem lichtemittierenden Element mit leitfähigen Kuppen 103 versehen zwecks elektrischer Verbindung der Elektro denabschnitte auf der Unterseite des lichtemittierenden Elements 102 mit den Elektrodenab schnitten 109 auf der Oberfläche des Unterbaus 108, und zusätzliche leitfähige Kuppen 112 - die auf der äußeren Kante des Elektrodenabschnittes auf der Oberfläche des Unterbaus 108 liegen - zur elektrischen Verbindung mit den Elektrodenflächen, die auf der Außenfläche des Substrats gebildet sind. Diese äußeren, leitfähigen Kuppen 112 des Unterbaus 108 sind über Bonddrähte 113 mit einer Elektrodenplatte 101b auf dem Substrat verbunden. Die das Fluo reszenzmaterial enthaltene Glasschicht 105 erstreckt sich nicht soweit wie die Bonddrahtab schnitte.

Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung

Bei der Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung 100 wird zunächst eine An ordnung der lichtemittierenden Vorrichtung mit einem lichtemittierenden Element 102 und eine das Fluoreszenzmaterial enthaltende Glasschicht 105 erzeugt, die es einkapselt.

Wenn die Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung 100 die in Fig. 1 gezeigte ist, wird als nächstes die Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung elektrisch direkt mit den Elektrodenabschnitten 101b auf dem Substrat über Kuppen ohne Verwendung eines Unter baus 108 verbunden. Im Falle der lichtemittierenden Vorrichtungen, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, muß die Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung elektrisch mit den Elek trodenabschnitten 101b auf dem Substrat über einen Unterbau 108 verbunden werden. Zu die sem Zweck werden Lötkuppen 204 auf der Unterseite der Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung ausgebildet, das heißt auf der Oberfläche des Unterbaus 108, und auf der Unter seite des Unterbaus, das heißt auf der Oberfläche des Substrats PWB. In diesem Fall werden die Kuppen 103 auf der Unterseite der Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung und die Kuppen 112 auf der Unterseite des Unterbaus 108 separat hergestellt, wobei der Unterbau 108 unterhalb der Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung angeordnet ist, leitfähige Bahnen werden zwischen der Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung und dem Unterbau 108 aufgebaut, und dann werden leitfähige Pfade zwischen dem Unterbau 108 und dem Substrat 101 aufgebaut. Auf diese Weise werden die Kuppen der Anordnung der lichtemittierenden Vorrichtung und des Unterbaus 108 mit den jeweiligen Elektrodenplatten verbunden.

Wenn Goldkuppen verwendet werden, wird die Verbindung typischerweise durch Anlegen von Ultraschall oder Wärme ausgeführt. Für die Lötkuppen werden Maskendruck, Planierung oder andere Techniken verwendet.

Die Ausbildung von leitfähigen Abschnitten auf einem Substrat durch Maskendruck von Lötpaste ist im Stand der Technik bekannt. Das typische Verfahren ist wie folgt. Als er stes wird eine Maske über die gedruckte Leiterplatte gelegt, und Lötpaste wird über der Mas ke unter Verwendung eines Spatels ausgebreitet. Auf diese Weise bewegt sich die Lötpaste auf die Schaltungsplatine (Substrat) durch die Öffnungen in der Maske, wobei eine Lötschicht auf der Oberfläche der Schaltungsplatine ausgebildet wird. Als nächstes wird die Maske von der Schaltungsplatine entfernt, so daß eine Schicht aus Lötpaste über vorgegebenen, erforder lichen Abschnitten auf der Schaltungsplatine ausgebildet werden. Wenn ein Verfahren mit Lötkugeln verwendet wird, werden Lötkugeln an der Schaltungsplatine oder an dem Element befestigt. In diesem Fall kann ein Lötmittelfluß oder dergleichen für die Lötmittelkugeln ver wendet werden. Das Element wird dann an der richtigen Stelle auf der Schaltungsplatine montiert. Es wird dann einem erneuten Fließverfahren unterzogen, um das Lötmittel zu schmelzen und die Verbindung herzustellen. Ein Lötmittel-Plattierungsverfahren kann eben falls verwendet werden. In diesem Fall werden Bereiche auf der Oberfläche der Schaltungs platine, wo kein Lötmittel abgeschieden werden soll, in der selben Weise wie bei dem Mas kierungsdruck maskiert. Danach erfolgt eine stromfreie Plattierung von Lötmittel. Ein beispielhaftes Lötverfahren wird nun beschrieben.

Als erstes wird das Element auf dem Lötmittel angeordnet, und es wird dann in einen Flußofen gegeben, um das Lötmittel zu schmelzen und das Element mit der Schaltungsplatine zu verbinden.

Als nächstes wird das Glas, das das Fluoreszentmaterial enthält, über die Oberfläche des lichtemittierenden Halbleiterelements aufgebracht, um eine Glasschicht von etwa 100 µm oder geringerer Dicke zu bilden. Da das Fluoreszenzmaterial auf Temperatur anspricht, wird das Herstellungsverfahren vorzugsweise bei einer niedrigen Temperatur ausgeführt. Wenn ein Sol-Gel-Glasfilm-Herstellungsverfahren verwendet wird, ist das Glas bei niedriger Tempera tur flüssig, so daß der Glasfilm bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur erzeugt wer den kann. Die Temperatur ist etwa 80°C bis 150°C. Das Fluoreszenzmaterial wird dieser Sol- Gel-Glasmischung zugemischt, die dann aufgebracht und aufgeheizt wird, um einen Glaskör per zu erzeugen. Auf diese Weise wird Glas, das Fluoreszenzmaterial enthält, auf der Oberflä che des Halbleiterchips aufgebracht. Das Fluoreszenzmaterial ist eine Kombination von zwei Materialien, einem blau-angeregtem, grünen Fluoreszenzmaterial und einem blau-angeregten, roten Fluoreszenzmaterial. Der Chip ist ein Flip-Chip. Bei dem Verfahren, bei dem das Glas über der Oberfläche des Halbleiterchips aufgebracht wird, liefert das Flip-Chip Bonden eine bessere technische Kompatibilität, da das Verbindungsverfahren nicht die Anwesenheit von Drähten erfordert. SrS : Eu2+ emittiert rotes Licht, und (Sr, Ba, Ca)S : Eu2+ emittiert grünes Licht. Ein spezielles Beispiel für ein rotes Fluoreszenzmaterial ist SrGd2S4 : Eu2.

Wellenlängenspektren der Fluoreszenzmaterialien sind in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt.

Die zwei Arten der Fluoreszenzmaterialien geben rotes und grünes Licht, und die LED gibt blaues Licht. Das Licht aus diesen drei unterschiedlichen Wellenlängen kann kombiniert wer den, so daß sich weißes Licht ergibt. Die hier gezeigten Fluoreszenzmaterialien, die rotes und grünes Licht effizient imitieren und die aus Fluoreszenzmaterialien mit YAG oder einem an deren Oxid bestehen und durch LEDs mit blauem Licht anregbar sind, waren in der Vergan genheit nicht bekannt. Die Erfinder haben entdeckt, daß, während Sulfid-Fluoreszenzmaterial gute Resultate ergeben, Sulfide mit Wasser stark reagieren, so daß die Verfahren zum isolie ren des Fluoreszenzmaterials von Wasser entscheidend sind. Die vorliegende Erfindung be trifft die Verwendung von Sol-Gel-Glas, das im Bezug auf Feuchtigkeit hoch resistent ist, um die wasserempfindlichen Sulfid-Fluoreszenzmaterialien von Wasser zu isolieren.

Die Glasbeschichtung ist undurchlässig für Wasser, so daß Sulfid-Fluoreszenzmaterialien verwendet werden können.

Die hier beschriebene lichtemittierende Vorrichtung unterscheidet sich von dem Stand der Technik dadurch, daß das lichtemittierende Element auf dem Substrat in einer Flipchipan ordnung montiert ist. Die Auswahl eines harten Materials als Verpackungsmaterial ist er wünscht, da die Elementanordnung in der Lage ist, größere Spannungen zu handhaben. Durch Kombination einer Flip-Chip-Anordnung mit einem Verkapselungsverfahren mit feinem Fluoreszenzmaterial enthaltendem Glas kann eine LED-Verpackung mit einer mehr zuverläs sigen Konstruktion für praktische Zwecke erreicht werden.

Claims

1. Eine lichtemittierende Vorrichtung, in der ein lichtemittierendes Halbleiterelement - Flip-Chip elektrisch mit Anschlüssen auf einem Substrat verbunden ist, wobei die Vorrich tung umfaßt:
ein lichtemittierendes Element bestehend aus einem Galiumnitrid-Halbleiterelement; und
einer Glasschicht, die auf dem Weg des Lichtes angeordnet ist, das von dem lichtemit tierenden Element ausgegeben wird, und die Fluoreszenzmaterial enthält, um das Ausgangs licht aufzunehmen und ein umgesetztes Licht zu erzeugen, welches in eine Wellenlänge um gesetzt ist, die sich von der des Ausgangslichtes unterscheidet;
wobei das emittierte Licht und das umgesetzte Licht verwendet werden, um ein im wesentlichen weißes Licht zu erzeugen.

2. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Substrat eine ge druckte Leiterplatte ist.

3. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Fluoreszenzmaterial aus zwei Schwefel enthaltenden Zusammensetzungen besteht, wobei jedes Fluoreszenzmate rial umgesetztes Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugt.

4. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 3, worin eine der zwei Zusam mensetzungen SrS : Eu2+ ist, die rotes Fluoreszenzlicht emittiert, und die andere (Sr, Ba, Ca)S : Eu2+ ist, die grünes Fluoreszenzlicht emittiert.

5. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Fluoreszenzmaterial, welches rotes Fluoreszenzlicht abgibt, SrGd2S4 : Eu2 ist.

6. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Glasschicht, die das Fluoreszenzmaterial enthält, eine Dicke von 100 µm oder weniger hat.

7. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das lichtemittierende Halbleiterelement elektrisch mit Anschlüssen auf dem Substrat über einen Unterbau verbun den ist.

8. Die lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Glasschicht aus SiO2 besteht, die wenigstens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PbO, Ga2O3, Bi2O3, CdO, ZnO, BaO und Al2O3 enthält; oder aus SiO2 besteht, welches im we sentlichen frei davon ist.