TW201210078A

TW201210078A - Light emitting diode

Info

Publication number: TW201210078A
Application number: TW099128355A
Authority: TW
Inventors: Chih-Ming Lai
Original assignee: Foxsemicon Integrated Tech Inc
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US20120049204A1

Description

201210078 六、發明說明：【發明所屬之技術領威】 [0001] 本發明涉及一種發光二極體。 [先前技術3 _2]發光二極體（Light-emitting Diode ’ LED)的壽命是一般燈泡要的5〇~1〇0倍’而其耗電量僅為—般燈泡的 1/3〜1/5，可望在二十一世紀取代現有的鎢絲燈、水銀燈、冷陰極螢光燈等，成為既節能又環保的新照明光源。〇 [0003]習知的LED結構，是將LED晶片封裝後黏著於印刷電路板 (Printed Circuit Board，PCB)上，然後將pcB與金屬基板結合以散發LED晶片產生的熱量。然而，此種 LED結構中，LED晶片產生的熱量需要經過pcB才能傳遞至基板，熱量傳遞的介面層較多，且PCB的材料一般為 FR-4(由環氧樹脂與玻璃纖維含浸壓覆而成），其熱傳導性能不佳，因此LED晶片產生的熱量難以快速地傳導至基板散發，導致LED晶片溫度的升高，嚴重影響LEJ)的發光〇效率及其使用壽命’因此如何供速有效地散發LED所產生的熱量’已成為影響LED品質與壽命的關鍵因素。【發明内容】 [0004] 有鑒於此，有必要提供一種具有良好的散熱效果的發光一極體。 [0005] —種發光二極體，包括基板、設於基板上的晶片、及密封所述晶片的封裝體，所述基板為不導電陶瓷材料，基板上直接形成電路層’所述晶片直接黏結於基板上，所述晶片設有電極並與電路層電性連接。 099128355 表單編號A0101 第3買/共20頁 0992049801-0 201210078 刚與習知技術減，本發明的發光二極體在基板上直接形成電路，“直接結合於基板上，有效減小晶片與基板之間的介面層，從而晶片產生的熱量能夠直接傳導至基板散發，提升發光二極體的發光效率與使用壽命。【實施方式】 [00〇7] f面參照附圖結合實施例對本發明路燈裝置作進一步說明。闺㈣1所示，本發„ —實❹!發光二極體〗⑽包括基板 10、設置在基板10上的晶片20、密封晶片2〇的封裝體3〇、以及用於連接外界電源（圖未示）的外部電極40。闺·基板’科電、冑解率、健賴係數的陶竟材料，如氮化矽（Si/4)”碳化矽（Sic)、氧化銼（ Zr〇2)、碳化棚（B4C)、二蝴化鈦（TiB^、氧化銘（ AlxOy)、氮化鋁（A1N) '氧化鈹（Be〇)、賽隆（

Sialon)或刚述材料的混令勒^。丨 ' . ：.：!； [0010] 請同時參閱圖2 ,本實施例中，基板1〇呈方形薄板狀結構。基板10的頂面12的中央位置向下凹陷形成容置槽14，基板10於對應容置槽14的底部的位置上直接形成有電路層1 6 〇 [0011] 所述電路層16可以是鎳（Ni )、金（All)、錫（Sn)、鈹（Be)、銘（A1)、銦（in)、敛（Ti)、组（Ta) 、銀（Ag)、銅（Cu)等金屬或其合金，或者是透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxides，TC0 )’如銦錫金屬氧化物（Indium Tin Oxides，ITO) 099128355 表單編號A0101 第4頁/共20頁 0992049801-0 201210078 、鎵摻雜氧化鋅（GZO)、鋁摻雜氧化鋅（ΑΖΟ)等。 [0012] 形成所述電路層16的方法包括物理沉積法如濺射（Sput_ ter)、電子束蒸發沉積（E-beam Evaporation Deposition) ，化學沉積法如化學氣相沉積（Chemical

Vapor Deposition，CVD)、電鍍電化學沉積等。亦可採用網印技術將材料印製於基板1〇上，再經過乾燥、燒結、鐳射等步驟形成所述電路層16。 [0013] Ο 本實施例中，所述晶片20呈陣列狀設置於基板10的容置槽14内。為減小晶片20所產生的光線之間的相互影響，晶片20之間的距離以不小於500um為宜_，__優_選的不小於 900um，更優選的不小於lOOOum。晶片20的尺寸以邊長不大於350um、厚度不大於200um為宜，優選的邊長不大於300um、厚度不大於150um，更優選'的邊長不大於 250um、厚度不大於100um。 [0014] Ο 所述晶片20可以是磷化物（AlkInyGa (卜x_y) P，其中〇 SxSl，OSySl，x+y S 1 ) _.專坤化物（AlxInyGa ( 卜x_y) As，其中OSxSl，ο彡，x+y^l) ’ 也可以採用具有可發射足以激發螢光材料的長波長光的半導體材料，如各種氧化物，如氧化鋅（ZnO) ’或氮化物，如氮化鎵（GaN)等，或者採用可發射足以激發螢光材料的短波長光的氮化物半導體（InxA1yGa u-x-y) N，其中〇 SxSl，OSySl，χ+y^1)。本實施例中，晶片20為氮化物半導禮，可發射激發螢光材料的短波長光的紫外光（UV)至紅光。 099128355 表單編號A0101 第5頁/共20頁 0992049801-0 201210078 [0015] 每一晶片20包括襯底22、PN接面24、以及兩電極26 (即 p型電極與N型電極）。本實施例中’晶片2〇與電路層16 呈交錯設置，晶片2〇的襯底22與基板10沒有電路層16的部分形成直接接觸，晶片2〇的兩電極26均形成於晶片20 的出光面（頂面）上’並通過打線（Wire B〇nding)的方式分別與電路層16相連，從而晶片20的熱量傳遞與電流的路徑相互分離，互不干擾。 [0016] 為彌補晶片20與基板1〇之間的間隙，減小兩者的接觸熱阻，加速晶片2〇的熱量的傳遞，基板1〇與晶片2〇的襯底 2 2之間設有一層銀膠（Ag ep〇xy ) 5 〇。在其他實施例中，也可將錫膏印刷於晶片2 〇與基板1 〇連接的位置再用熱回焊使兩者黏結，或是錫球黏著製程將晶片2〇黏結於基板10上。另外，還可利用共晶結合（Eutectic Bond_ ing)的方式將晶片2〇黏結於基板丨〇上降低兩者之間的接觸熱阻，即先分別在晶片2〇及基板10上鍍上金屬層，然後將這二金屬層在特定溫度下烘烤通過共晶結合（E u _ tectic Bondi^ig)相連，所使用的金屬層的材料可以為 •金（Au)，錫（Sn)，銦（In)，鋁（A1)，銀（Ag )’秘（Βι) ’鈹（Be)或者是前述金屬的合金等。 [0017] 晶片2〇的襯底22為本徵半導體（Intrinsic Semic〇n_ ductor)或者是不刻意摻雜其他雜質的半導體 tentionally Doped Semiconductor),如尖晶石、碳化石夕（SiC)、石夕（Si)、氧化鋅（Zn0)、氮化鎵（ GaN)、珅化鎵（GaAs)、磷化鎵（GaP)、氮化鋁（ AIN)等，或者導熱性能佳且導電性能差的材料，如鑽石 099128355 表單編號A0101 第6頁/共20頁 0992049801-0 201210078 [0018] Ο 〇 [0019] [0020] 等。襯底22的熱膨脹係數與基板丨〇接近，從而基板丨^與晶片20結合後可以抗熱衝擊，容許較大範圍的操作溫度。襯底22的載子濃度（Carrier Concentration)以不大於5xl〇6cm 3為宜，其載子濃度越低，導電率就越低，就越能夠隔絕流經襯底22的電流。優選地，襯底22的載子濃度不大於2xl〇6cm_3。封裝體3〇包覆晶片20及電路層16，用以隔絕晶片2〇和外界的水氣。封裝體30的材料包含：矽樹脂（SiHc〇ne) 、環氧樹脂（Epoxy Resin)、低熔點玻螭（L〇w Tem一 perature Melt Glass)、聚曱基丙烯酸甲醋（p〇ly_ methyl Methacrylate，PMMA)、聚合物（p〇lymer) 、聚碳酸醋（Polycarbonate，PC)寄熱固形透光材料。封裝體30可以通過射出成型的方式，製成各種形狀如半球形、圓頂型或方形等。本實施例中〗，封裝體3〇填充於基板10的容置槽14内，其外表面32為一與基板1〇的頂面12相齊平的平面。此外，為轉換讀晶片如出射光的我長，可以在封裝體3〇内填充螢光材料’如硫化物（Sulfide)、銘酸鹽Alu_ minates)、氧化物（〇xides)、石夕酸鹽（siiicates )、氮化物（Nitrides)等。所述外部電極40形成於基板1〇上且裸露於封裝體3〇之外 ’外部電極40的一端與電路層16電性連接，另一端用於連接外界電源從而為晶片2〇提供電流。外部電極的材料包含：鎳Ui)，金（Au)、錫（Sn)、鍵（Be)、銘（A1)、銦（ln)、鈦（Ti)、鈕（Ta)、銀（Ag) 099128355 表單編號A0101 第7頁/共20頁 0992049801-0 201210078 铜（Cu)等金屬或其合金，或者是透明導電氧化物，如铟錫金屬氧化物、鎵播雜氧化鋅、銘摻雜氧化鋅等。 [0021] [0022] [0023] 099128355 發光moon外部電浦分別與外界電源（圖未示）的正、負極相連對晶片20供電，注入晶片20的操作電流不大於5GmA、操作電流密度不大於5QA/cm2，優選的操作電流不大於3〇„A、操作電流密度不大於 40A/CM ’更優選的操作電流不大於2〇mA、操作電流密度不大於30A/cm2。當發光二極體1GG發先時，熱量亦隨之產生，由於本發明的發光二極體100南晶片20是直接結合於基板1〇上有效減小了晶片20與基板1〇之間的介面層，使晶片2〇產生的熱量能夠快速直接地傳導至基板10並最终經由高導熱效率的基板10散發出去，提高了發光二極體1〇〇的散熱效率，使晶片20維持在低溫的工作狀態，提升發光二極體的性能及使用壽命。如圖3所不’為本發明第二實每例發光二極體3QQ，冬實施例中，基板310上形成有多摘分每的容置槽Μ*，— 容置槽314容置外漸擴狀’從而將晶片20產生的光線反射至外界。本實施例中，容置槽314底部的面積大於晶片2〇的面積，曰 20的襯底22通過黏著材料350黏結於基板3i〇内，曰曰曰片2 0 的侧面與基板31 0之間形成間隙’晶片2 〇的出光面輿^基^ 310的頂面312大致齊平。封裝體330密封所诚曰义日曰月2 0，封裝體3 3 0包括填充於晶片2 0與基板31 〇的間隙内 332以及位於基板的頂面312上的外層334。本實於第8頁/共20頁表單編號A0101 第8頁/共20頁 0992049801-0 201210078 中，外層334内分佈有螢光材料，其外表面336呈平面狀〇 [0024] 如圖4所示，為發光二極體400第三實施例，其與前一實施例的不同之處在於：本實施例中，晶片20的襯底22與 ‘ 基板410之間的間隙内填充有電氣絕緣的導熱膏460，增加晶片20與基板410之間熱傳導效率。封裝體430包括填充於晶片20的PN接面24與基板410之間的間隙内的底層 432以及位於基板410上的外層434。〇 [0025] 如圖5所示，為發光二極體500第四實施例，本實施例中，封裝體530包括填充於晶片20的PN接面與基板410的間隙内的底層532、黏結於基板510上的中間層534、及位於中間層534上的外層536，其中外層536内填充有螢光材料，中間層534内填充有分散劑，外層536的外表面 538為外凸的曲面，外層536與中間層534的介面535為一平面。晶片20的襯底22與基板510之間同樣填充有電氣絕緣的導熱膏560以增加兩者之間的熱傳導效率，加速晶片 Ο 20的熱量的散發。 [0026] 前述實施例中，晶片20完全收容於基板10 (310、410、 510)内，封裝體30 ( 330、430、530 )呈一體結構包覆所有晶片20。圖6所示為本發明第五實施例，與前述實施例不同的是：晶片20的PN接面24突出於基板610之外，晶片20的襯底22與基板610之間形成有間隙，間隙内填充有導熱膏660。封裝體630包括多個分離的封裝單體，每一封裝單體密封其中一晶片20，從而晶片20產生的光線不會相互干擾或吸收，因此晶片20的分佈也不再受到距 099128355 表單編號A0101 第9頁/共20頁 0992049801-0 201210078 離的限制，有效提升發光二極體600的出光率。 [0027] 以上實施例中，晶片20的兩電極26形成於晶片20同一側面上，晶片20與基板10 (310、410、510、610)沒有電路層16的部分直接接觸。在其他實施例中，晶片的P型與N型電極也可分別形成於晶片的相對兩側面，如頂面與底面上，在此種情形下，晶片的襯底可採用高參雜濃度的半導體（Heavily Doped Semiconductor)，其載子濃度（Carrier Concentration)越高，導電率越好，一般以不小於5xl08cm 3為宜，優選的不小於lx 109cm-3，如此能夠讓電流流過襯底，晶片直接置於基板的電路層上，位於晶片的底面上的電極與電路層形成電連接，位於晶片頂面上的電極則可通過打線的方式與電路層連接。 [0028] 綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍内。【圖式簡單說明】 [0029] 圖1為本發明一較佳實施例發光二極體的立體結構示意圖 [0030] 圖2為圖1所示發光二極體的剖視圖。 [0031] 圖3為發光二極體第二實施例的剖視圖。 [0032] 圖4為發光二極體第三實施例的剖視圖。 [0033] 圖5為發光二極體第四實施例的剖視圖。 099128355 表單編號 A0101 第 10 頁/共 20 頁 0992049801-0 201210078 [0034] 圖6為發光二極體第五實施例的剖視圖。【主要元件符號說明】 [0035] 發光二極體：100、300、400、500、600 [0036] 基板：1〇、310、410、510、610 [0037] 頂面：1 2、312 〇〇 [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] [0049] [0050] [0051] [0052] 容置槽：14、314 電路層：16 晶片：20 V 襯底：22 , - ΡΝ接面：24 .....vv ... 電極：26 封裝體：30、330、430、530、630 1；

外表面：32、336、538 底層：332、432、532 外層：334、434、536 黏著材料：350 外部電極：40 銀膠：50 導熱膏：460、560、660 中間層：534

099128355 表單編號A0101 第11頁/共20頁 0992049801-0 535 201210078 [0053] 介面 099128355 表單編號A0101 第12頁/共20頁 0992049801-0

Claims

201210078 七、申請專利範圍： 1.—種發光二極體，包括基板、設於基板上的晶片、及密封所述晶片的封裝體，其改良在於：所述基板為不導電陶瓷材料’基板上直接形成電路層，所述晶片直接黏結於基板上’所述晶片設有電極並與電路層電性連接。 2 ·如申晴專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述恭板的材料為氮化矽、碳化矽、氧化锆、碳化硼、二硼化鉢、氧化紹、氮化紹，氧化皱或賽隆。〇 3 .如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述晶片與電路層呈錯開設置，所述晶片的電極均形成於出光面上 ’並通過打線與電路層連接* 4 .如申4專利範圍第丨項所述的發光二極體，其中所述晶片的電極包括分別形成於晶片的頂面與底面上的兩電極，晶片直接置於基板的電路層上，其中位於晶片的底面上的電極直接與電路層相連，位於晶片的頂面上的電極通過打線與電路層連接。〇 5 · Μ請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述基板上設有收容槽’所述晶片收容於收容槽内，所述封裝體填充於收容㈣’封裝體的外表面與基㈣絲面共面。 6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述基板上設有若干收容槽，每-收容槽收容—晶片，所述收容槽的尺寸大於晶片的尺寸，所述晶片包括概底及形成於襯底上的ΡΝ接面’所述襯底位於收容槽内，概底與基板之間形成間隙’所述間隙内填充有電氣絕緣的導熱膏。 7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體，其中所述抑接 099128355 表單編號Α0101 第13頁/共2〇 0992049801-0 201210078 面突出於基板之外。 8 .如申請專利範圍第6項所述的發光二極體，其中所述PN接面位於容置槽内且與基板形成間隙，所述封裝體包括填充於PN接面與基板之間的底層以及形成於基板外的外層，所述外層内分佈有螢光材料。 9 .如申請專利範圍第7項所述的發光二極體，其中所述封裝體還包括形成於底層與外層之間的中間層，所述中間層内分佈有分散劑。 10 .如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中還包括形成於基板上且裸露於封裝體之外的兩外部電極，所述外部電極的一端與電路層連接，另一端用於連接外界電源。 099128355 表單編號A0101 第14頁/共20頁 0992049801-0