TW201502103A - 波長轉換結構、具有波長轉換結構的裝置以及其相關製造方法 - Google Patents

波長轉換結構、具有波長轉換結構的裝置以及其相關製造方法 Download PDF

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Abstract

一種波長轉換結構具有燒結主體，燒結主體具有波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中波長轉換材料具有磷光體，且玻璃成分具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3。

Description

波長轉換結構、具有波長轉換結構的裝置以及其相關製造方法 【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張2013年7月4日申請的韓國專利申請案第10-2013-0078447號的優先權，此申請案的主題是特此以引用方式併入。
本發明概念大體上是關於照明技術(lighting technology)。更特定言之，本發明概念的某些實施例是關於用於照明器件(lighting device)的波長轉換結構、具有波長轉換結構的裝置，以及用於製造波長轉換結構的方法。
波長轉換結構常與發光器件(light emitting device，LED)結合使用以將第一組波長的發射光(例如，紅光)轉換成不同組波長的光(例如，白光)。基於成本及/或效能的考量而普遍使用波 長轉換結構。舉例而言，紅色發光器件相比於白色發光器件可更便宜、更亮且更節能，且因此，使用紅色發光器件以及波長轉換結構較直接產生白光更為有效益。
典型的波長轉換結構包括與模製樹脂(molding resin)混合的波長轉換材料(wavelength conversion material)。波長轉換材料由於吸收主要光(primary light)而受到激發，且接著由於激發而放出次要光(secondary light)。此吸收與激發程序通常被稱作發光(luminescence)或螢光(fluorescence)。在最慣用的器件中，波長轉換材料採取磷光體(phosphor)或磷光體混合物的形式。
在典型使用期間，將波長轉換結構置放於發光器件周圍或直接地置放於晶片表面(chip surface)上。在此設置中，波長轉換材料可歸因於來自發光器件的熱以及光而劣化。此劣化又可引起次要光變色且引起波長轉換結構的可靠性減小。
在本發明概念的一個實施例中，一種波長轉換結構包括燒結主體(sintered body)，燒結主體包括波長轉換材料與玻璃成分(glass composition)的混合物，其中波長轉換材料包括紅色磷光體，且玻璃成分具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3。
在本發明概念的另一實施例中，一種製造波長轉換結構的方法包括：混合波長轉換材料與玻璃成分以形成化合物生坯(compound green body)，其中波長轉換材料具有紅色磷光體；以及在小於或等於大約600℃的溫度下使化合物生坯燒結。
在本發明概念的又一實施例中，一種製造波長轉換結構 的方法包括：混合波長轉換材料與玻璃成分以形成化合物生坯，其中波長轉換材料具有紅色磷光體，且玻璃成分具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3；以及使化合物生坯燒結。
在本發明概念的又一實施例中，一種裝置具有：第一電極結構(electrode structure)以及第二電極結構；半導體發光器件(semiconductor LED)，連接至第一電極結構以及第二電極結構；以及波長轉換結構，定位於半導體發光器件的光發射路徑(light emission path)中且具有燒結主體，燒結主體具有波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中波長轉換材料具有紅色磷光體，且玻璃成分具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3。
在本發明概念的又一實施例中，一種波長轉換結構具有燒結主體，燒結主體包括波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中波長轉換材料包括磷光體，且玻璃成分具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3與Na2O、CaO、K2O、Li2O以及P2O5中的至少一者。
本發明概念的此等實施例以及其他實施例可允許在相對低溫度下形成波長轉換結構，此情形可防止諸如磷光體的波長轉換材料的劣化，且亦可防止歸因於結晶(crystallization)的透明度縮減。
10‧‧‧半導體發光裝置
11‧‧‧封裝主體
12‧‧‧第一導線架
12a‧‧‧底部部分
13‧‧‧第二導線架
15‧‧‧半導體發光器件
16‧‧‧透明樹脂部分
19‧‧‧波長轉換結構
30‧‧‧裝置
31‧‧‧封裝主體
32‧‧‧導線架
35‧‧‧半導體發光器件
36‧‧‧透明樹脂部分
38‧‧‧樹脂部分
39‧‧‧波長轉換結構
40‧‧‧裝置
41‧‧‧封裝主體
42‧‧‧第一電極結構
43‧‧‧第二電極結構
45‧‧‧半導體發光器件晶片
46‧‧‧透明樹脂部分
48‧‧‧反射性樹脂部分
49‧‧‧波長轉換結構
49a‧‧‧第一電極
49b‧‧‧第二電極
50‧‧‧裝置/發光器件晶片
51‧‧‧基板
54‧‧‧第一導電型半導體層
55‧‧‧主動層
56‧‧‧第二導電型半導體層
57‧‧‧高度反射性歐姆電極層/高度反射性歐姆接觸層
59‧‧‧波長轉換結構
59a‧‧‧第一電極
59b‧‧‧第二電極
60‧‧‧裝置
61‧‧‧導電基板
62‧‧‧絕緣層
63‧‧‧電極墊
64‧‧‧第一導電型半導體層
65‧‧‧主動層
66‧‧‧第二導電型半導體層
67‧‧‧第二電極層
68‧‧‧第一電極層/第一電極
69‧‧‧波長轉換結構
79‧‧‧波長轉換結構
99‧‧‧波長轉換薄片
99'‧‧‧化合物薄片
99a‧‧‧波長轉換結構
100‧‧‧裝置
101‧‧‧封裝主體
102‧‧‧第一電極結構
103‧‧‧第二電極結構
105‧‧‧半導體發光器件
106‧‧‧透明樹脂部分
109a‧‧‧第一電極
109b‧‧‧第二電極
5000‧‧‧電燈泡
5001‧‧‧半導體發光裝置
5002‧‧‧電路板
5003‧‧‧發光模組
5004‧‧‧熱耗散板
5006‧‧‧外部殼體
5007‧‧‧外罩單元
5008‧‧‧驅動單元
5009‧‧‧內部殼體
5010‧‧‧外部連接單元
6000‧‧‧頭燈
6001‧‧‧光源
6002‧‧‧透鏡
6003‧‧‧中空導引器
6004‧‧‧透鏡外罩單元
6005‧‧‧反射性單元
6007‧‧‧前孔
6008‧‧‧中心孔
6009‧‧‧殼體
6010‧‧‧散熱片
6011‧‧‧冷卻風扇
6012‧‧‧熱耗散單元
Ca‧‧‧四邊形塊體
Cb‧‧‧凸罩蓋結構
CL‧‧‧切割線
E‧‧‧曝露區
G‧‧‧玻璃成分
M‧‧‧模具結構
P‧‧‧波長轉換材料
Pa‧‧‧第一波長轉換材料
Pb‧‧‧第二波長轉換材料
PL‧‧‧保護層
R‧‧‧凹部部分
S‧‧‧容納部分/容納空間
S81‧‧‧步驟
S83‧‧‧步驟
S85‧‧‧步驟
S87‧‧‧步驟
TG1‧‧‧目標色溫區
TG2‧‧‧目標色溫區
V‧‧‧堵塞突起物
圖式說明本發明概念的選定實施例。在圖式中，類似參考號碼指示類似特徵。
圖1為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的透視圖。
圖2為根據本發明概念的實施例的圖1的裝置的橫截面圖。
圖3為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
圖4為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
圖5為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
圖6為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
圖7為根據本發明概念的實施例的波長轉換結構的透視圖。
圖8為根據本發明概念的實施例的說明製造波長轉換結構的方法的流程圖。
圖9為根據本發明概念的實施例的說明製造波長轉換結構的方法中的步驟的透視圖。
圖10為根據本發明概念的實施例的說明圖9的方法中的另一步驟的透視圖。
圖11為根據本發明概念的實施例的說明圖9的方法中的另一步驟的透視圖。
圖12為根據本發明概念的實施例的說明圖9的方法中的另一步驟的透視圖。
圖13A為根據本發明概念的實施例的藉由圖9至圖12的方法而產生的波長轉換結構的透視圖。
圖13B為根據本發明概念的實施例的藉由圖9至圖12的方法而產生的波長轉換結構的橫截面圖。
圖14為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及圖13A與圖13B的波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
圖15為根據本發明概念的實施例的說明玻璃成分的燃燒溫度(firing temperature)、光吸收率(light absorption rate)與玻璃成分的SiO2的重量百分比的關係圖。
圖16為根據本發明概念的實施例的說明玻璃成分的燃燒溫度、光吸收率隨玻璃成分的K2CO3與Na2CO3的混合物的重量百分比的關係圖。
圖17為根據本發明概念的實施例的展示具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的色彩分佈(color distribution)的CIE 1931色度圖(chromaticity diagram)。
圖18為根據本發明概念的實施例的展示具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的色彩分佈的CIE 1931色度圖。
圖19為根據本發明概念的實施例的具有諸如圖14所說明的裝置的電燈泡(light bulb)的分解透視圖。
圖20為根據本發明概念的實施例說明具有諸如圖14所說明的裝置的頭燈(head lamp)的橫截面圖。
下文參看隨附圖式來描述本發明概念的選定實施例。此等實施例被呈現為教示實例，且不應被認作限制本發明概念的範疇。
所描述實施例是關於用於固態照明器件的波長轉換結構、具有波長轉換結構的裝置，以及用於製造波長轉換結構的方 法。在某些實施例中，波長轉換結構包括燒結主體，燒結主體包括波長轉換材料與玻璃成分的混合物。波長轉換材料通常具有磷光體或磷光體混合物，且玻璃成分通常具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3。玻璃成分可更具有Na2O、CaO、K2O、Li2O以及P2O5中的至少一者。
波長轉換結構通常使用ZnO-BaO-SiO2-B2O3作為基本成分(base composition)，且使用額外材料以調整基本成分的某些屬性，諸如，透明度及/或燃燒溫度。可(例如)藉由增加或減低基本成分中的SiO2及/或B2O3的濃度來調整波長轉換結構的透明度。可藉由向玻璃成分添加P2O5抑或諸如Na2O、CaO、K2O或Li2O的鹼或鹼土材料來調整(亦即，降低)波長轉換結構的燃燒溫度。
在以下描述中，記法X-Y(例如，如在ZnO-BaO-SiO2-B2O3中)指示化合物X與化合物Y的混合物。X與Y之間的短劃線不指示化學鍵結(chemical bonding)。記法N %wt X(例如，如在15 %wt SiO2中)指示出化合物X占指定結構、物質或成分的總重量的大約N個百分比。
圖1以及圖2分別為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的透視圖以及橫截面圖。
參看圖1以及圖2，半導體發光裝置(semiconductor light emitting apparatus)10具有封裝主體(package body)11、半導體發光器件15，以及波長轉換結構19。
封裝主體11具有第一導線架(lead frame)12以及第二導線架13作為電極結構。封裝主體11具有用於支撐波長轉換結 構19的堵塞突起物(stoppage protrusion)V，以及向上敞開且曝露第一導線架12以及第二導線架13的部分的凹部部分(recess portion)R。半導體發光器件15設置於封裝主體11中，且電連接至第一導線架12以及第二導線架13。
半導體發光器件15安置於藉由使第一導線架12彎曲而形成的底部部分(bottom portion)12a上，且藉由導線而連接至第二導線架13。必要時，透明樹脂部分(transparent resin portion)16可安置於凹部部分R中以包圍半導體發光器件15。可在各種替代實施例中修改封裝主體11與導線架12以及13，且可將用於將半導體發光器件15連接至電極結構的方案改變至不同形式，諸如，導線接合(wire bonding)。
波長轉換結構19定位於沿著自半導體發光器件15所發射的光的路徑上，路徑被稱作半導體發光器件15的「光發射路徑」。在圖1的實施例中，波長轉換結構19安置於封裝主體11的凹部部分R上方，但可位於如藉由其他實施例所指示的別處。
波長轉換結構19包括燒結主體，燒結主體包括波長轉換材料P與玻璃成分G的混合物。波長轉換材料P可為(例如)無機磷光體或量子點(quantum dot)。此外，波長材料P可包括經設置以發射不同波長的光的多種波長轉換材料的組合或混合物。舉例而言，波長轉換材料P可具有綠色磷光體、黃色磷光體、橙色磷光體以及紅色磷光體中的一或多者。
玻璃成分G經設計成在低溫下燃燒且在燒結化合物狀態中達成高光透射度。此設計是藉由如下方式而實現：使玻璃成分G形成有具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3的基本化合物，以及選自由P2O5 與諸如Na2O、CaO、K2O以及Li2O的鹼或鹼土材料組成的群組的至少一添加劑。
玻璃成分G亦經設計成相對透明。此設計是藉由如下方式而實現：調整基本成分中的SiO2及/或B2O3的相對濃度，此情形促成相穩定化(phase stabilization)。在此上下文中，術語「相穩定化」通常是指使處於相對非晶相(relatively amorphous phase)的玻璃成分G穩定化，玻璃成分G相對透明。在不存在適當相穩定化的情況下，玻璃成分G可在燒結程序(sintering process)期間採取晶相(crystalline phase)，從而使玻璃成分G不透明，此情形是不理想的。然而，在具有適當透明度的情況下，波長轉換結構19可在電磁頻譜的可見頻帶中達成90%至95%或更大的總透射率。
玻璃成分G通常具有基於玻璃成分的毛重的30wt%至60wt%的ZnO-BaO、5wt%至25wt%的SiO2、10wt%至30wt%的B2O3、5wt%至20wt%的P2O5。玻璃成分G可更具有20wt%或更小的Na2O、CaO、K2O以及Li2O中的至少一者。然而，玻璃成分G不限於以上比例。
為了形成玻璃成分G，可在燃燒或熔融之前以諸如碳酸鹽或氧化物的形式來提供原料。舉例而言，可分別以BaCO3、Na2CO3、K2CO3、Li2CO3的形式來提供用於BaO、Na2O、K2O以及Li2O的原料。另外，可使用單一原料以形成混合物的多種組成。舉例而言，可使用Zn3PO4以形成ZnO以及P2O5兩者。
玻璃成分G通常是在小於或等於約600℃的溫度下燒結，有時是在小於或等於約550℃的更低溫度下燒結。使用此相對 低溫度會防止諸如磷光體的波長轉換材料P劣化，此情形可改良波長轉換結構19的可靠性。因此，此相對低溫度允許將熱穩定性相對低的紅色磷光體(例如，氮化物類磷光體(nitride-based phosphor))用作波長轉換材料P。此改良處理如下問題：玻璃成分G中的矽成分及/或波長轉換材料P當中的氮化物類紅色磷光體相比於綠色磷光體(例如，石榴石類磷光體(garnet-based phosphor))或黃色磷光體(例如，石榴石類磷光體)可在較高溫度下劣化。在某些實施例中，紅色氮化物磷光體可為MAlSiNx：Eu(1x5)以及M2Si5N8：Eu中的至少一者。此處，M為鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca)以及鎂(Mg)中的至少一者。
圖3為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
參看圖3，裝置30具有封裝主體31、半導體發光器件35，以及波長轉換結構39。相似於圖1的封裝主體11，封裝主體31包括凹部部分R以及導線架32(或若干框架)，導線架32耦接至封裝主體31且部分地曝露於凹部部分R內。半導體發光器件35安置於導線架32上，且透明樹脂部分36設置於凹部部分R中以包圍半導體發光器件35。
波長轉換結構39直接地安置於半導體發光器件35的表面上，以便定位於沿著自半導體發光器件35所發射的光的路徑上。波長轉換結構39可被製作為單一薄片且隨後附接至半導體發光器件35的表面，或可被製作為單一薄片且接著經切割以具有適於半導體發光器件35的表面的形狀。波長轉換結構39亦可附接至晶圓級(wafer level)而非以個別發光器件晶片為單位的半導體 發光器件35上。
波長轉換結構39的成分可相似於波長轉換結構19的成分，且可藉由相似於參考波長轉換結構19所描述的程序而製造。
波長轉換結構39可具有相對高折射率，此情形可顯著地增強自半導體發光器件35汲取光的效率。一般而言，半導體發光器件通常具有相對高的折射率，且可歸因於半導體發光器件與外部環境的各別折射率之間的差而降低光汲取效率。藉由實施其折射率介於半導體發光器件35的折射率與外部環境的折射率之間的波長轉換結構39，可增強光汲取效率。舉例而言，在GaN半導體發光器件的折射率為大約2.1的情況下，波長轉換結構39的折射率大於諸如矽樹脂的透明樹脂部分36的折射率，因此增強光汲取效率。以此方式，為了改良光汲取效率，波長轉換結構39可具有通常大於或等於1.5或1.52的折射率。可藉由使用上文所描述的玻璃成分G來達成此折射率。
包含光反射性粉末(light-reflective powder)的樹脂部分38安置於半導體發光器件35的側向表面(lateral surface)上以防止未轉換光被發射通過側向表面。樹脂部分38亦將光導引發射通過半導體發光器件35的上側(upper side)，從而增強由波長轉換結構39產生的轉換效應。光反射性粉末可具有(例如)諸如TiO2或Al2O3的陶瓷粉末(ceramic powder)。
圖4為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
參看圖4，裝置40具有封裝主體41、半導體發光器件45，以及波長轉換結構49。裝置40更具有形成於共同表面上的第一電 極49a以及第二電極49b。
封裝主體41包括為樹脂黏合結構(resin binding structure)的第一電極結構42以及第二電極結構43。半導體發光器件45安裝於第一電極結構42以及第二電極結構43上，且在此狀態中，第一電極49a以及第二電極49b分別連接至第一電極結構42以及第二電極結構43。波長轉換結構49定位於半導體發光器件45的表面上，且可被形成有相似於波長轉換結構39的成分。波長轉換結構49通常被形成為薄片且經切割以具有適於附接至半導體發光器件45的表面的設計。
在所說明實施例中，波長轉換結構49僅施加至半導體發光器件45的上部表面，因此，含有光反射性粉末的反射性樹脂部分(reflective resin portion)48安置於半導體發光器件45的側向表面上以防止未轉換光發射通過半導體發光器件45的側向表面。替代地，反射性樹脂部分48是可由含有波長轉換材料的樹脂部分替換以允許光自半導體發光器件45的側向透射。
裝置40更具有包圍半導體發光器件45的透明樹脂部分46。透明樹脂部分46是可由矽、環氧樹脂或其組合製成，且通常具有小於或等於約1.5的折射率。在波長轉換結構49具有大於或等於約1.5的高折射率的情況下，可改良光汲取效率。
在某些實施例中，可藉由將波長轉換材料置放於半導體發光器件晶片(semiconductor LED chip)45上且接著將壓力施加至波長轉換材料以調整其形狀及/或厚度來形成波長轉換結構49。藉由將此壓力施加至波長轉換材料，可使波長轉換結構49以類薄板形狀形成於半導體發光器件晶片45的頂部上。
圖5為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
參看圖5，裝置50具有倒裝晶片結構(flip-chip structure)，倒裝晶片結構具有第一導電型半導體層(conductivity-type semiconductor layer)54、主動層(active layer)55，以及第二導電型半導體層56。此等特徵順序地形成於基板(substrate)51上。在倒裝晶片結構中，高度反射性歐姆電極層(highly reflective ohmic-electrode layer)57形成於第二導電型半導體層56上。第一電極59a以及第二電極59b分別形成於第一導電型半導體層54以及高度反射性歐姆接觸層57的上部表面上。
基板51的上部表面(亦即，與生長有磊晶層(epitaxial layer)的表面相對的表面)構成主發光表面(primary light emitting surface)，且波長轉換結構59形成於基板51的上部表面上。波長轉換結構59可經切割以適配於基板51的上部表面上。必要時，波長轉換結構59可附接至呈晶圓形式(亦即，在晶圓被切割成個別晶片之前)的基板51的上部表面。
波長轉換結構59的成分相似於上文所描述的波長轉換結構19的成分，惟波長轉換結構59具有至少兩種類型的波長轉換材料Pa以及Pb除外。波長轉換材料Pa以及Pb可為發射不同波長的光的磷光體。舉例而言，在發光器件晶片50為波長範圍為430奈米至460奈米的藍色發光器件晶片的情況下，波長轉換材料Pa以及Pb可包括集體地將藍光轉換成白光的不同磷光體的組合。
在一些實施例中，波長轉換材料Pa具有紅色磷光體，且波長轉換材料Pb具有黃色或綠色磷光體。
紅色磷光體可為MAlSiNx：Eu(1x5)以及M2Si5N8：Eu中的至少一者，且此處，M可為鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca)以及鎂(Mg)中的至少一者。綠色磷光體可為藉由經驗公式M3Al5O12而表達的氧化物磷光體、藉由經驗公式MxAyOxN(4/3)y而表達的氮氧化物磷光體、藉由經驗公式MaAbOcN((2/3)a+(4/3)b-(2/3)c)而表達的氮氧化物磷光體、藉由經驗公式Si6-zAlzOzN8-z而表達的β-矽鋁氮氧化物(β-sialon)以及La3Si6N11：Ce磷光體中的至少一者。此處，M為選自由釔(Y)、鑥(Lu)、釓(Gd)、鎵(Ga)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鋅(Zn)、銪(Eu)以及鈰(Ce)組成的群組的至少一種類型的第II族或第III族元素，且A為選自由碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋯(Zr)以及鉿(Hf)組成的群組的至少一種類型的第IV族元素。黃色磷光體可為矽酸鹽類磷光體(silicate-based phosphor)、石榴石類磷光體以及氮化物類磷光體中的至少一者。
波長轉換結構59可施加至除了圖5所說明的倒裝晶片發光器件晶片以外的結構。裝置50具有晶片結構(chip structure)，其中兩個電極形成於與其主發光表面相對的表面上，但波長轉換結構亦可適用於至少一電極形成於主發光表面中的結構，如圖6所說明。
圖6為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的橫截面圖。
參看圖6，裝置60具有導電基板(conductive substrate)61、第一電極層(electrode layer)68、絕緣層(insulating layer)62、第二電極層67、第二導電型半導體層66、主動層65、第一導 電型半導體層64，以及波長轉換結構69，波長轉換結構69具有的成分相似於上文所描述的波長轉換結構59的成分。
第一電極層68層合於導電基板61上。第一電極68的部分區域(partial region)通過穿透通過絕緣層62、第二電極層67、第二導電型半導體層66以及主動層65的接觸孔(contact hole)而延伸至第一導電型半導體層64。因此，導電基板61電連接至第一導電型半導體層64。
絕緣層62形成於第一電極層68上以使第一電極層68與除了導電基板61以及第一導電型半導體層64以外的層電絕緣。絕緣層62位於通過接觸孔而暴露的第二電極層67、第二導電型半導體層66以及主動層65的側向表面與第一電極層68之間，以及位於第一電極層68與第二電極層67之間。第二電極層67安置於絕緣層62上。如所說明，第二電極層67具有被形成為與第二導電型半導體層66接觸的界面的部分的暴露區E，且用於將外部電源(external power source)連接至第二電極層67的電極墊(electrode pad)63可設置於暴露區E中。保護層(passivation layer)PL可形成於磊晶層的側向表面上。
在所說明實施例中，第一導電型半導體層64的上部表面構成主發光表面，且電極墊63形成於面對與上部表面相同的方向的表面上。因此，波長轉換結構69經切割成使得波長轉換結構69覆蓋第一導電型半導體層64的上部表面，但不覆蓋暴露區E。
參看圖6所描述的概念可應用於不同類型的發光器件晶片或發光器件晶片結構。在此等各種替代方案中，波長轉換結構69可根據用於外部連接的電極墊的位置以及電極墊的形成區域而 被適當地設計，以便施加至主發光表面。
圖7為根據本發明概念的實施例的波長轉換結構的透視圖。
參看圖7，波長轉換結構79具有燒結主體，燒結主體具有至少兩種類型的波長轉換材料Pa以及Pb與玻璃成分G。波長轉換結構79以相似於圖5的波長轉換結構59的成分形成。波長轉換結構79被說明為具有厚度「t」的類薄片形狀，但可根據諸如激發光源(excitation light source)、發光方向(light emitting direction)以及其類似者的設計因素而以各種不同型式修飾。
圖8為根據本發明概念的實施例的說明製造波長轉換結構的方法的流程圖。
參看圖8，方法包括：製備能夠在低溫下燃燒的玻璃料(glass frit)，如步驟S81；混合玻璃料、波長轉換材料與黏合劑混合來形成化合物，如步驟S83；形成具有所要形狀的化合物生坯，如步驟S85；以及在低溫下使化合物生坯燃燒，如步驟S87。
通常，藉由將各種原料供應至坩堝、使坩堝在相對高溫度(例如，1300℃)下加熱以使原料熔融成液體玻璃、使液體玻璃冷卻(例如，在水浴中)以形成固體玻璃且接著將固體玻璃研磨成粉末來製備玻璃料。原料具有用以形成如上文所描述的玻璃成分G的組成。舉例而言，原料可具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3與BaCO3、Na2CO3、K2CO3以及Li2CO3中的至少一者。此等組成的混合物可被稱作玻璃成分G的前驅體(precursor)。含碳材料BaCO3、Na2CO3、K2CO3以及Li2CO3的加熱產生如上文所論述的化合物Na2O、CaO、K2O以及Li2O。
玻璃料可具有較佳地大於或等於90%或更佳地大於或等於95%的光反射度，且在燒結之後可變為具有高透射度(例如，90%或更大)的燒結主體。在特定實例中，玻璃料可含有30wt%至60wt%的ZnO-BaO、5wt%至25wt%的SiO2、10wt%至30wt%的B2O3、5wt%至20wt%的P2O5，且可另外含有20wt%或更少的Na2O、CaO、K2O以及Li2O。
玻璃料在溶劑中與波長轉換材料以及黏合劑混合。此混合物構成如步驟S83的化合物。波長轉換材料通常具有磷光體、磷光體混合物或量子點，如上文結合其他實施例所論述。此或此等磷光體可具有(例如)綠色磷光體、黃色磷光體、橙黃色磷光體，或紅色磷光體。黏合劑用來使玻璃成分與波長轉換材料組合，且可為選自由纖維素樹脂(cellulose resin)、丙烯酸系樹脂(acrylic resin)、丁基卡必醇(butylcarbitol)以及萜品醇(terpineol)組成的群組的至少一有機黏合劑，但本發明概念不限於此情形。通常經由除氣操作(degassing operation)而自在燃燒之前的成分移除黏合劑。
所要形狀的化合物生坯的形成通常具有將化合物模製成薄片。波長轉換路徑(wavelength conversion path)的長度作為判定所要波長的轉換度的因素而重要，且因此，可藉由適當地設定波長轉換結構的厚度來實施所要波長的轉換度。必要時，可藉由使用適當模具結構(mold structure)而將化合物生坯形成為具有各種形狀。將參看圖9至圖12來描述此程序的實例。
化合物生坯通常是在低溫下燒結以製作具有所要形狀的波長轉換結構。化合物生坯是得自低溫燃燒玻璃料，因此，可在 不使波長轉換材料劣化的溫度(例如，大約600℃或更低)下執行燒結程序。歸因於玻璃料的成分，可在大約550℃或更低的溫度下執行燒結程序。在低溫下的燒結允許使用具有低熱穩定度的磷光體。因此，舉例而言，在燒結溫度條件下，可穩定地使用紅色磷光體，尤其是紅色氮化物磷光體，且其結果，可有效地實施白光發射。
圖9至圖12為根據本發明概念的實施例的說明製造波長轉換結構的方法中的各種步驟的透視圖。在圖9至圖12的方法中，將化合物生坯形成為除了薄片以外的形狀。
參看圖9，將化合物薄片(compound sheet)99'施加至模具結構M。化合物薄片99'是由玻璃料、第一波長轉換材料Pa以及第二波長轉換材料Pb與黏合劑的混合物形成。化合物薄片99'是可藉由(例如)圖8的步驟S81以及S83而形成。模具結構M具有塊體(block)Ca，塊體Ca具有四邊形形狀且是以規則間隔(regular interval)而配置。塊體Ca通常具有對應於晶片的大小。
參看圖10，施加預定量的壓力或熱以形成具有對應於模具結構M的形狀的薄片結構(sheet structure)。在施加壓力之後，化合物薄片99'可具有對應於四邊形塊體Ca的凸罩蓋結構(convex cap structure)Cb。
參看圖11，執行低溫燒結程序以製作具有凸罩蓋結構Cb的波長轉換薄片(wavelength conversion sheet)99。
參看圖12，基於切割線(cutting line)CL來切割波長轉換薄片99以產生個別波長轉換結構99a。波長轉換結構99a各自具有對應於罩蓋結構Cb的形狀。
圖13A以及圖13B分別為根據本發明概念的實施例的藉由圖9至圖12的方法而產生的波長轉換結構的透視圖以及橫截面圖。
參看圖13A以及圖13B，波長轉換結構99a的罩蓋結構Cb具有在向下方向上敞開的容納部分(accommodation portion)S。容納部分S的大小對應於晶片大小，且容納部分S經設計成提供發光器件晶片可被定位的空間。
圖14為根據本發明概念的實施例的具有半導體發光器件以及圖13A與圖13B的波長轉換結構99a的裝置的橫截面圖。
參看圖14，裝置100具有波長轉換結構99a、封裝主體101，以及半導體發光器件105。半導體發光器件105具有形成於其同一表面上的第一電極109a以及第二電極109b。封裝主體101包括為樹脂黏合結構的第一電極結構102以及第二電極結構103。半導體發光器件105安裝於第一電極結構102以及第二電極結構103上，且第一電極109a以及第二電極109b分別連接至第一電極結構102以及第二電極結構103。
波長轉換結構99a安置於半導體發光器件105上方，其中半導體發光器件105定位於容納空間S內。在此設置中，波長轉換結構99a包圍半導體發光器件105的整個光汲取表面。本實施例可有利地用於大量光是自側向表面汲取的一種類型的器件中。
裝置100具有包圍半導體發光器件105的透明樹脂部分106。透明樹脂部分106通常是由矽、環氧樹脂或其組合製成，且通常具有小於或等於約1.5的折射率。在波長轉換結構99a具有大 於或等於約1.5的折射率的情況下，波長轉換結構99a可提供改良型光汲取效率。
圖15為根據本發明概念的實施例的說明玻璃成分的燃燒溫度、光吸收率(亦即，「1-光透射率」)與玻璃成分中的SiO2的重量百分比的關係圖。在圖15中，在左側的y軸上展示燃燒溫度，且在右側的y軸上展示光吸收率。圖15的曲線圖是關於模擬玻璃成分(simulated glass composition)而產生，模擬玻璃成分具有(20-x)wt%的Na2CO3與K2CO3的混合物、22wt%的B2O3、25wt%的ZnO、25wt%的Zn3PO4、8wt%的BaCO3以及(x)wt%的SiO2，其中「x」表示可變化的SiO2的重量百分比，如圖15中在x軸上所展示。
參看圖15以及表1，針對8wt%、10wt%、12wt%、15wt%以及20wt%的SiO2濃度展示燃燒溫度以及光吸收的特定值。
如由圖15以及表1所指示，光吸收以及燃燒溫度隨著SiO2濃度改變而相反地變化。更具體言之，隨著SiO2濃度增加，光吸收率傾向於減低，而燃燒溫度傾向於增加。
在諸如600℃或更高的相對高溫度下，紅色氮化物磷光體與SiO2反應，導致穩定性降低。因此，有益的是使燃燒溫度維持低於大約600℃。可藉由使玻璃成分形成有約15wt%或更少的SiO2濃度來實現此維持。
圖16為根據本發明概念的實施例的說明玻璃成分的燃燒 溫度、光吸收率與玻璃成分的K2CO3與Na2CO3的混合物的重量百分比的關係圖。圖16中的曲線相似於圖15中的曲線，除了圖16中的曲線是關於模擬玻璃成分而產生，模擬玻璃成分具有(x)wt%的Na2CO3與K2CO3的混合物、22wt%的B2O3、25wt%的ZnO、25wt%的Zn3PO4、8wt%的BaCO3以及12wt%的SiO2，其中「x」表示可變的Na2CO3與K2CO3的混合物的重量百分比，如圖16中在x軸上所展示。
參看圖16以及表2，針對處於12wt%、14wt%、17wt%、20wt%以及23wt%的濃度的K2CO3與Na2CO3的混合物的展示燃燒溫度以及光吸收的特定值。
參看圖16，光吸收率以及燃燒溫度隨著K2CO3與Na2CO3的混合物的濃度改變而相反地變化。詳言之，隨著K2CO3與Na2CO3的混合物的濃度增加，燃燒溫度傾向於減低，且光吸收率傾向於增加。為了使用諸如紅色氮化物磷光體的具有低熱穩定性的磷光體，需要600℃或更低的燃燒溫度，因此，基於圖16所展示的資料，K2CO3與Na2CO3的混合物的濃度可有益地為14wt%或更大。然而，若K2CO3與Na2CO3的混合物的濃度超過20wt%，則光吸收率急劇地增加至7%或更大(亦即，光透射率降低)，且可歸因於玻璃成分的結晶而發生變黑現象(blackening phenomenon)。因此，為了避免過度的光吸收率，可使K2CO3與Na2CO3的混合物的濃度有益地維持為小於或等於20wt%。儘管圖16說明使用K2CO3 與Na2CO3的混合物的實例，但亦可使用K2CO3以及Na2CO3中的僅一者以降低燃燒溫度。
以下表3說明可用以產生根據本發明概念的某些實施例的玻璃成分的原料的濃度，且以下表4說明可包含於具有玻璃成分的波長轉換結構中的波長轉換材料的濃度。
在表4中，針對由圖4的裝置40輸出的光提供色溫量測(color temperature measurement)，其中藍色發光器件晶片(Samsung Electronics CR35H)具有波長450奈米(±2.5奈米)且經塗佈有矽類樹脂，且不同波長轉換結構具有所指示濃度的材料。表4的黃色磷光體、綠色磷光體、橙色磷光體、短波長紅色磷光體以及長波長紅色磷光體具有545奈米、530奈米、595奈米、610奈米以及620奈米的各別峰值發射波長(peak emission wavelength)。
基於表4中的資訊，可藉由維持相對高紅色磷光體含量來穩定地實施所要低色溫(分類1至分類3)。
圖17以及圖18為根據本發明概念的實施例的展示具有半導體發光器件以及波長轉換結構的裝置的色彩分佈的CIE 1931色度圖。圖17對應於表4的分類2(3000K)，且圖18對應於表4的分類5(5000K)。
參看圖17，在包含具有18.5wt%的濃度以實施低色溫的長波長紅色磷光體的情況下，獲得對應於目標色溫區(target color temperature region)TG1的理想分佈。紅色磷光體可為氮化物磷光體。舉例而言，紅色磷光體可為MAlSiNx：Eu(1x5)以及M2Si5N8：Eu中的至少一者，其中M可為鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca)以及鎂(Mg)中的至少一者。紅色磷光體的含有量可為波長轉換材料的大約5wt%至20wt%。
參看圖18，在相對小量的短波長紅色磷光體包含於波長轉換材料中的情況下，對應於目標色溫區TG2的結果分佈相似於圖17的結果分佈。此情形指示出，相比於其他類型的磷光體，具有相對低熱穩定性的紅色磷光體可用以改良色溫，同時避免劣化。
圖19為根據本發明概念的實施例的具有諸如圖14所說明的裝置的電燈泡的分解透視圖。
參看圖19，電燈泡5000具有發光模組(light emitting module)5003、驅動單元(driving unit)5008，以及外部連接單元(external connection unit)5010。電燈泡5000更具有外部殼體(external housing)5006與內部殼體(internal housing)5009，以及諸如外罩單元(cover unit)5007的外部結構(external structure)。發光模組5003包括安裝於電路板(circuit board)5002上的半導體發光裝置5001。半導體發光裝置5001可以相似於上文所描述的裝置(諸如，裝置10、20、30、40、50、60或100)中的一者來實施。
儘管圖19說明安裝於電路板5002上的單一半導體發光裝置5001，但本發明概念不限於此情形，且必要時，多個半導體發光器件可安裝於電路板5002上。又，在電燈泡5000中，發光模組5003包括充當熱耗散單元(heat dissipation unit)的外部殼體5006，且外部殼體5006具有熱耗散板(heat dissipation plate)5004，熱耗散板5004經安置而與發光模組5003進行直接接觸以增強熱耗散。又，電燈泡5000具有外罩單元5007，外罩單元5007裝配於發光模組5003的頂部上且具有類凸透鏡形狀。驅動單元5008裝配於內部殼體5009中，且連接至諸如插座結構(socket structure)的外部連接單元5010以自外部電源接收電力。
驅動單元5008用來將電力轉換成用於驅動發光模組5003的半導體發光裝置5001的適當電流源(current source)，且提供電流源。舉例而言，驅動單元5008可被設置為交流-直流轉換器(AC-DC converter)、整流電路組件(rectifying circuit component)，或其類似者。
圖20為根據本發明概念的實施例說明具有諸如圖14所說明的裝置的頭燈的橫截面圖。此頭燈可用作(例如)車輛頭燈(vehicle headlamp)。
參看圖20，頭燈6000包括光源(light source)6001、反射性單元(reflective unit)6005，以及透鏡外罩單元(lens cover unit) 6004。透鏡外罩單元6004具有中空導引器(hollow guide)6003以及透鏡6002。又，頭燈6000可更包含使由光源6001產生的熱向外耗散的熱耗散單元6012。
光源6001可為供使用如上文所描述的至少一半導體發光器件的模組。為了使熱有效地耗散，熱耗散單元6012可具有散熱片(heat sink)6010以及冷卻風扇(cooling fan)6011。頭燈6000可更具有固定地支撐熱耗散單元6012以及反射性單元6005的殼體6009，且殼體6009可具有形成於其一個表面中的中心孔(central hole)6008，熱耗散單元6012耦接於中心孔6008中。又，殼體6009可具有形成於另一表面中的前孔(front hole)6007，前孔6007一體式地連接至此一個表面且在垂直方向上彎曲。前孔6007允許反射性單元6005固定地定位於光源6001上方。因此，前側是由反射性單元6005敞開，且反射性單元6005固定至殼體6009，使得敞開式前側對應於前孔6007，且由反射性單元6005反射的光可傳遞通過前孔6007以便向外輸出。
前述內容說明實施例不應被認作限制實施例。儘管已描述少許實施例，但於本領域具有知識者應易於瞭解，在不脫離如申請專利範圍中界定的本發明概念的範疇的情況下，實施例之許多修改是可能的。
10‧‧‧半導體發光裝置
11‧‧‧封裝主體
12‧‧‧第一導線架
12a‧‧‧底部部分
13‧‧‧第二導線架
15‧‧‧半導體發光器件
19‧‧‧波長轉換結構
G‧‧‧玻璃成分
P‧‧‧波長轉換材料
R‧‧‧凹部部分
V‧‧‧堵塞突起物

Claims (25)

  1. 一種波長轉換結構，包括：燒結主體，具有波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中所述波長轉換材料包括紅色磷光體，且所述玻璃成分包括ZnO-BaO-SiO2-B2O3。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述玻璃成分更包括Na2O、CaO、K2O、Li2O以及P2O5中的至少一者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的波長轉換結構，其中所述波長轉換材料更包括綠色磷光體或黃色磷光體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述玻璃成分具有5wt%至15wt%的SiO2。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述紅色磷光體包括MAlSiNx：Eu(1x5)以及M2Si5N8：Eu中的至少一者，且其中M表示Ba、Sr、Ca以及Mg中的至少一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述紅色磷光體佔所構成的所述混合物的5wt%至20wt%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述玻璃成分具有30wt%至60wt%的ZnO-BaO、5wt%至20wt%的SiO2、10wt%至30wt%的Ba2O3、5wt%至20wt%的P2O5，以及小於或等於20wt%的Na2O、CaO、K2O以及Li2O中的所述至少一者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述玻璃成分具有14wt%至20wt%的Na2O與K2O的混合物。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述燒結主體具有大於或等於1.5的折射率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述燒結主體具有至少90%的可見光總透射率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述燒結主體形成板結構。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的波長轉換結構，其中所述玻璃成分具有14wt%至20wt%的Na2O與K2O的混合物以及5wt%至15wt%的SiO2。
  13. 一種製造波長轉換結構的方法，具有：混合波長轉換材料與玻璃成分以形成化合物生坯，其中所述波長轉換材料包括紅色磷光體；以及在小於或等於600℃的溫度下使所述化合物生坯燒結。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，其中所述玻璃成分在所述燒結化合物生坯中包括ZnO-BaO-SiO2-B2O3與Na2O、CaO、K2O、Li2O以及P2O5中的至少一者的組合。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，更包括在使所述波長轉換材料與所述玻璃成分混合之前：使包括ZnO-BaO-SiO2-B2O3的基本成分與BaCO3、Na2CO3、K2CO3以及Li2CO3中的至少一者組合以產生所述玻璃成分的前驅體；加熱所述前驅體以產生具有ZnO-BaO-SiO2-B2O3與Na2O、CaO、K2O以及Li2O中的至少一者的熔融玻璃；冷卻所述熔融玻璃以產生固體材料；以及研磨所述固體材料以產生呈粉末的形式的所述玻璃成分。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，其中所述紅色磷光體具有MAlSiNx：Eu(1x5)以及M2Si5N8：Eu中的至少一者，其中M表示Ba、Sr、Ca以及Mg中的至少一者。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，更包括將所述玻璃成分形成為低溫可燃燒玻璃料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的製造波長轉換結構的方法，其中使所述波長轉換材料與所述玻璃成分混合以形成所述化合物生坯包括使所述玻璃料、所述波長轉換材料與黏合劑混合。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，更包括：在所述燒結之前將壓力以及熱施加至所述化合物生坯以將其厚度縮減至所要程度；以及對具有所述縮減厚度的所述化合物生坯執行所述燒結。
  20. 如申請專利範圍第13項所述的製造波長轉換結構的方法，更包括：將所述化合物生坯置放成與模具接觸，所述模具具有對應於待由所述波長轉換結構覆蓋的半導體器件的形狀的擠壓形狀；在所述化合物生坯與所述模具接觸的同時將壓力以及熱施加至所述化合物生坯，以在所述化合物生坯中形成具有由所述擠壓形狀判定的尺寸的空腔；以及對具有所述空腔的所述化合物生坯執行所述燒結。
  21. 一種裝置，包括：第一電極結構以及第二電極結構； 半導體發光器件，連接至所述第一電極結構以及所述第二電極結構；以及波長轉換結構，定位於所述半導體發光器件的光發射路徑中且包括燒結主體，所述燒結主體包括波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中所述波長轉換材料包括紅色磷光體，且所述玻璃成分包括ZnO-BaO-SiO2-B2O3。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的裝置，更包括形成於所述半導體發光器件周圍的封裝主體，其中所述第一電極結構以及所述第二電極結構安置於所述封裝主體中，且所述波長轉換結構連接至所述封裝主體。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的裝置，其中所述波長轉換結構經安置成與所述半導體發光器件的表面接觸。
  24. 如申請專利範圍第21項所述的裝置，更包括透明樹脂部分，所述透明樹脂部分是沿著所述半導體發光器件的所述光發射路徑而安置於所述半導體發光器件以及所述波長轉換結構上方，其中所述波長轉換結構具有的折射率大於所述樹脂的折射率且小於所述半導體發光器件的折射率。
  25. 一種波長轉換結構，具有：燒結主體，具有波長轉換材料與玻璃成分的混合物，其中所述波長轉換材料包括磷光體，且所述玻璃成分包括ZnO-BaO-SiO2-B2O3與Na2O、CaO、K2O、Li2O以及P2O5中的至少一者。
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