TW201312805A - 半導體發光裝置的光學元件、封裝結構與封裝方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供具有垂懸液滴輪廓的光學元件與其製造方法及應用。在一實施例，利用所述光學元件包覆一或多個發光二極體晶片，以增加其光萃取效率。

Description

半導體發光裝置的光學元件、封裝結構與封裝方法

    本發明係關於半導體發光裝置的光學元件，特別是具有垂懸液滴狀的光學元件，與其製作方法及應用。

    現今各種型式的發光二極體晶片已經被開發出來，且逐漸應用於各領域中。在半導體晶片製作完成後，會經過一道封裝程序。封裝結構提供半導體晶片於機構、電、熱與光等方面的必要支援。

    封裝結構通常利用一由環氧樹脂、矽基類或其他材質製成的光學元件(lens)或外殼包覆一或多個半導體晶片。光學元件可避免晶片受到水氣或化學藥劑侵蝕而損壞。摻雜有磷光劑(phosphor)的光學元件還可改變發光顏色。當具有良好的封裝結構設計，光學元件甚至可提升發光效率。

    圖1A至圖1C例示一種習知的封裝方法。圖1A顯示一種發光二極體晶片10裝設在一導線架12上。圖1B顯示一種模具14，其具有注入孔14a與通氣孔14b。模具14將被放置於導線架12上，接著，經由注入孔14a，注入環氧樹脂或矽膠於模具14內直到填滿為止。填入的膠被固化(cured)後，固化的膠與模具14結合成一整體，或者，固化後將模具14移除，如此即製作完成具有半圓形光學元件16的封裝結構，如圖1C所示。

    模具14的成本昂貴。某些製造商開發出點膠封裝法以降低成本。圖2顯示一種以點膠法製作的發光二極體封裝結構。點膠封裝法不使用模具，而是利用點膠器具直接將環氧樹脂或矽膠形成在發光二極體晶片上。點膠經固化程序後，形成光學元件20包覆發光二極體晶片。

    點膠封裝法形成的光學元件20與模具封裝法形成的光學元件16相較，前者的外型較為不圓，且實驗結果顯示，於封裝相同的發光二極體晶片條件下，後者可提升較多晶片的發光功率。雖然點膠法的成本低，但是犧牲了發光效率。

    鑒於上述，有需要以低成本方式提出新的封裝結構與方法，並增加發光功率。

    本發明的目的在於提供新的封裝結構與方法，以提升發光裝置的發光功率並節省成本。

    本發明一實施例提供半導體發光裝置的封裝方法，包含下列步驟：分佈一密封材料以包覆一或多個設置於一支撐機構上的半導體發光裝置；翻轉該支撐機構；以及固化該密封材料。
本發明另一實施例提供一種封裝結構，其係以前述封裝方法形成。

    本發明另一實施例提供一種具有垂懸液滴狀的光學元件，用於包覆一或多個半導體發光裝置，以提升其輸出功率。

    本發明另一實施例提供一種發光裝封裝結構，其包含：一支撐機構，用於支撐一或多個半導體發光裝置；以及一具有垂懸液滴狀外觀的光學元件，用於覆蓋該一或多個半導體發光裝置。

　 以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。除非特別限定或說明，元件數量不限於圖中所示。

    圖4A至圖4F顯示根據本發明一實施例的封裝方法。參見圖4A，首先提供一支撐機構40。支撐機構40可包含，但不限於，一導線架(leadframe)、一次基座(sub-mount)、一板材(board)、一基板(substrate)，例如，一印刷電路板，一金屬基板、一複合基板，或一半導體基板。作為例示而非限制，本實施例的支撐機構40是導線架40。在某些實施例，發光裝置34可以是發光二極體晶片、晶粒(die)或發射體(emitter)。發光裝置34與支撐機構40可透過熱音波(thermosonic)、熱壓縮(thermocompressive)、超音波(ultrasonic)、黏膠(glue)，以及具有充滿或未充滿(underfill)的共熔(eutectic)等等方式相接合。

    參見圖4B，接著，一或多個半導體發光裝置42被裝設在支撐機構40上。作為例示而非限制，本實施例的一或多個半導體發光裝置42是一發光二極體晶片42。例如，可利用銀膠(silver paste)固定發光二極體晶片42於支撐機構40上。此外，在半導體發光裝置42與支撐機構40之間，可透過各種結構與方法建立電性連接；此步驟可使用習知技術手段，例如打線接合(wire bonding)。

    參見圖4C，接著，分佈(dispensing)一密封材料44以包覆或覆蓋發光二極體晶片42。密封材料44可包含，但不限於，環氧樹脂膠、矽膠、UV(紫外光)固化膠，或其他具有適當折射率(refractive index)的材料，以提升光萃取效率。密封材料44通常是一種聚合物，且可包含一或種磷光劑(phosphor)、散光粒子(dispersing particle)，及/或散熱粒子(heat-dissipating particle)。此外，密封材料44的分配量是透過實驗精確地計算得到。此外，在支撐機構40上表面的外圍，可包含一封閉的凸緣40a或一封閉的溝槽(groove，未圖示)，用於精確控制密封材料44的分配量。密封材料44覆蓋支撐機構40的區域，將受限於至少一凸緣40a或溝槽。

    參見圖4D，接著，翻轉支撐機構40，使密封材料44朝地面方向。此步驟可利用一治具協助完成。翻轉後，重力牽引密封材料44往下，使其輪廓變成垂懸液滴，或類似倒置鐘狀或倒置的高斯(Gaussian)曲線。此類高斯、軸對稱的垂懸液滴輪廓的影響因子有：密封材料44的表面張力與黏度、發光二極體晶片42與支撐機構40之間的親合性、重力值。

    參見圖4E，接著，以一第一溫度加熱密封材料44，加熱作業持續一第一期間。加熱後，密封材料44變成一半固化狀態46、一無黏性(tack-free)狀態46，或似橡膠狀態46，此狀態46下不會再因重力產生形變(deform)。

    參見圖4F，以一第二溫度加熱半固化(或部分固化)狀態或無黏性狀態的密封材料46，持續一第二期間，使密封材料46完全固化或交聯(cross-linked)，形成一光學元件48。

    前述第一溫度、第二溫度與其加熱時間決定於密封材料的種類與組成。較佳地，這些參數是由所選用密封材料44的溫度–儲存模數(storage modulus)曲線所決定。通常這類曲線具有一儲存模數最小值，其對應至一第三溫度，而略低於第三溫度的一溫度值可選用作為前述的第一溫度。圖6顯示三種不同密封材料，包括樣品D、F、H的溫度–儲存模數曲線。每一曲線皆具有三個區段：硬區段、軟區段，以及介於前述兩區段之間的中間區段。當溫度上升，密封材料會變軟。通常，前述第一溫度位於中間區段，第二溫度位於軟區段。以樣品D為例，其第一溫度可介於大約25oC至70oC，加熱週期可介於大約10 min至30 min，較佳者可為70oC、20 min；其第二溫度與加熱週期可以是大約150oC、1 hr 至2 hr。

    請注意雖然本實施例使用兩階段方式固化垂懸的密封材料，本發明其他實施例可使用多階段方式固化。或者，如果所選用密封材料可在短時間內固化，單階段的固化方式也是有可能的。此外，可利用其他非加熱的物理或化學方式，例如照射輻射波(例如紫外光)、照射電磁波等方式使固化密封材料。

    圖5A至圖5G顯示根據本發明另一實施例的封裝方法。本實施例屬於圖4A至4F實施例的變化實施例，其差別在於圖5F所示步驟。參見圖5F，經加熱密封材料44使其成半固化46、無黏性46，或似橡膠狀態46後，再次翻轉支撐機構40，使密封材料46再次朝上，亦即朝向與地心引力相反的方向。參見圖5G，接著以第二溫度加熱半固化或無黏性狀態的密封材料46，加熱作業持續一第二期間，使密封材料46完全固化或交聯，形成所需光學元件48。

    此外，發明人規劃一系列實驗，以檢驗本發明實施例封裝方法的發光功率。表一列出實驗所使用某些密封材料的規格。這些示範的密封材料都是兩劑型，於使用前必須相混合。

    表二列出如何找出某特定密封材料的最佳分配量的實驗結果。九種樣品中標示有「下」者為利用圖4A至圖4F實施例的封裝方法，標示有「上」者為利用圖2所示傳統點膠方法。在本範例，利用朝下封裝方法的密封材料最佳分配量大約為0.08±0.002g。

    表三列出發光二極體晶片經過本發明實施例封裝方法封裝前後的特性比較，同時亦列出比較樣品的資料。經本發明實施例方法封裝後的結構，亦即樣品標示「下」者，其發光二極體晶片的輸出功率可增加33%至37%(30%以上)。經傳統點膠法封裝後的結構，亦即樣品標示「上」者，其發光二極體晶片的輸出功率僅增加15%至21%。

    表三的結果亦呈現於圖7的直方圖。此外，表四列出以傳統模具封裝法形成結構的特性。以模具法封裝後發光二極體晶片的平均光通量(radiant flux)為554.5 mW，以本發明方法封裝後發光二極體晶片的平均光通量為555.4 mW，以傳統點膠法封裝後發光二極體晶片的平均光通量為476.8 mW。實驗結果顯示，在無需模具條件下，本發明實施例封裝方法相較於習知點膠法可提升更多發光功率，並可比擬以模具法形成封裝結構的特性。

    以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

10．．．發光二極體晶片

12．．．導線架

14．．．模具

14a．．．注入孔

14b．．．通氣孔

16．．．光學元件

20．．．光學元件

30．．．封裝結構

32．．．光學元件

34．．．半導體發光裝置

40．．．支撐機構

40a．．．凸緣

42．．．半導體發光裝置/發光二極體晶片

44．．．密封材料

46．．．半固化/無黏性/似橡膠狀態

48．．．光學元件

P．．．反曲點

圖1A至圖1C顯示一種習知的封裝方法。
圖2顯示由習知點膠方法形成的封裝結構。
圖3顯示根據本發明一較佳實施例的光學元件與封裝結構。
圖4A至4F顯示根據本發明一實施例的封裝方法。
圖5A至5G顯示根據本發明一實施例的封裝方法。
圖6顯示本發明實施例某些密封材料的溫度–儲存模數曲線。
圖7顯示本發明封裝方法與習知點膠方法所封裝發光二極體的發光功率比較直方圖。

40．．．支撐機構

40a．．．凸緣

42．．．半導體發光裝置/發光二極體晶片

48．．．光學元件

Claims (17)

1. 一種半導體發光裝置的封裝方法，包含下列步驟：　  分佈一密封材料以包覆一或多個半導體發光裝置，該些半導體發光裝置設置於一支撐機構上；           執行一第一翻轉步驟使翻轉該支撐機構；以及
   固化該密封材料。
2. 如申請專利範圍第1項的封裝方法，其中該第一翻轉步驟藉由重力使該密封材料形成一垂懸液滴輪廓。
3. 如申請專利範圍第1或2項的封裝方法，其中上述固化該密封材料的步驟包含階段式固化步驟。
4. 如申請專利範圍第3項的封裝方法，其中該階段式固化步驟至少包含下列兩步驟：
   執行一第一固化步驟，使該密封材料成為一無黏性狀態，此時該密封材料於重力下不會產生形變；以及
   執行一第二固化步驟，使該無黏性狀態的密封材料完全固化或成為交聯狀態。
5. 如申請專利範圍第4項的封裝方法，其中該第一固化步驟與該第二固化步驟的固化方法係分別選自下列群組的其中之一：加熱、照輻射波、照電磁波。
6. 如申請專利範圍第4項的封裝方法，其中該第一固化步驟包含以一第一溫度加熱該密封材料，該第二固化步驟包含以一第二溫度加熱該密封材料。
7. 如申請專利範圍第6項的封裝方法，其中在該第二固化步驟之前，更包含下列步驟：第二翻轉步驟，使該支撐機構再次朝上。
8. 如申請專利範圍第6項的封裝方法，其中該密封材料具有一溫度–儲存模數曲線，其具有一儲存模數最小值對應至一第三溫度，該第一溫度小於該第三溫度。
9. 如申請專利範圍第6項的封裝方法，其中在該第二固化步驟之前，更包含下列步驟：電性連接該一或多個發光二極體與該支撐機構。
10. 如申請專利範圍第1項的封裝方法，其中在分佈該密封材料的步驟中，在支撐機構上由密封材料所覆蓋的區域是被至少一封閉的凸緣或封閉的溝槽所限制。
11. 一種具有一垂懸液滴輪廓的光學元件，用於包覆一或多個半導體發光裝置，以提升該一或多個半導體發光裝置的輸出功率。
12. 如申請專利範圍第11項的光學元件，其中該垂懸液滴輪廓包含至少兩反曲點。
13. 如申請專利範圍第11項的光學元件，其中該一或多個半導體發光裝置被該光學元件覆蓋後，其輸出功率增加30%以上。
14. 如申請專利範圍第11或12項的光學元件，更包含摻雜一或多個磷光劑、散光粒子，及/或散熱粒子。
15. 一種發光二極體封裝結構，包含：
    一支撐機構，支撐一或多個半導體發光裝置；以及
    一光學元件，具有一垂懸液滴輪廓，覆蓋該一或多個半導體發光裝置。
16. 如申請專利範圍第15項的發光二極體封裝結構，其中該垂懸液滴輪廓包含至少兩反曲點。
17. 如申請專利範圍第15或16項的發光二極體封裝結構，其中該支撐結構包含至少一封閉的凸緣或一封閉的溝槽，在該支撐結構上，該封閉的凸緣或該封閉的溝槽限制該密封材料所覆蓋的區域。