TW201813134A - 彩色發光二極體封裝結構 - Google Patents

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Abstract

本案揭示一種發光二極體封裝結構，包含: 多數個發光單元，多數個第三金屬層，以及一封裝保護層。每一發光單元包含: 一基板；單一或多數個磊晶單元，位於該基板之一表面；一第二金屬層；n對布拉格反射鏡對；以及一螢光粉層；其中至少兩相鄰發光單元之該螢光粉層發光顏色不同。

Description

彩色發光二極體封裝結構
本發明關於一種發光二極體封裝結構，特別是顯示用之發光二極體封裝結構。
近年來，因發光二極體(LED)具有發光效率高、耗電量少、使用壽命長、及元件體積小等優點，已廣泛應用於各種發光裝置中，例如顯示裝置。
然而，目前用於顯示器之發光二極體(LED)使用時會產生高熱，散熱問題一直無法有效改善。特別是大瓦數的LED燈運時，會產作生大量熱。 因此如何有效地散熱，提高電光效率，也成為LED燈絲燈需要改善的重要課題。再者，目前使用於顯示圖像或影像之LED因為技術及成本考量，多為單面發光。若需要做到顯示圖像或影像用之LED雙面發光，大部分多採用全方位螢光膠塗敷法。但此方法不僅用料成本大增，還使得封裝結構溫度增加，導致散熱困難、光衰嚴重。
因此，目前業界亟需要一種能夠改善光效，改善散熱效應，且可以雙面發光，應用於照明或影像顯示之發光二極體封裝結構。
本發明之主要目的旨在提供一種能夠改善光效，改善散熱效應，且可以雙面發光，應用於照明或影像顯示之發光二極體封裝結構。
本發明之另一目的旨在提供一種應用於彩色影像顯示之發光二極體封裝結構。
本發明發光二極體封裝結構，包含: 多數個發光單元，多數個第三金屬層，以及一封裝保護層。每一發光單元包含: 一基板；單一或多數個磊晶單元，位於該基板之一表面；一第二金屬層；n對布拉格反射鏡對；以及一螢光粉層；其中至少兩相鄰發光單元之該螢光粉層發光顏色不同。
其中，每一磊晶單元包括：一 n型半導體單元，係位於該基板之表面；至少一發光層，位於該n型半導體單元上；一 p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；以及一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面。
本發明發光二極體封裝結構之n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，且其中n係為一大於6之整數。本發明發光二極體封裝結構之第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，並經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；本發明發光二極體封裝結構之螢光粉層，係位於該基板表面, 第一金屬層表面及選擇性地部分n對布拉格反射鏡對之表面。本發明發光二極體封裝結構之多數個第三金屬層，係連接每一發光單元之該第二金屬層，且至少兩個第三金屬層之間具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極；本發明發光二極體封裝結構之封裝保護層，係包覆多數個發光單元之該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層。其中至少兩相鄰發光單元之該螢光粉層發光顏色不同。
本發明發光二極體封裝結構，於發光單元包含多數個磊晶單元時，第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面用以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元。
於本發明之發光二極體封裝結構中，該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁更可選擇性地包括一絕緣層；此外，在第三金屬層之該間隙亦可更包括一非導電絕緣層。可使用作為絕緣層之材料並無特別限制，任何一種用在發光二極體裝置的絕緣層材料都可以被使用。譬如說，氮化物，如氮化矽；氧化物，如二氧化矽或氧化鋁；或者也可以使用氮氧化物等。本領域具有通常知識者可依情況選用適當之材料形成絕緣層，並不特別限制在上述之材料中。
於本發明之發光二極體封裝結構中之基板材料無限制，較佳為藍寶石基板、氮化鎵基板、或氮化鋁基板，更佳為藍寶石基板。本發明之發光二極體封裝結構中之半導體單元可以使用習知領域中任何用來形成磊晶單元的材料來形成。較佳為n型半導體單元可為一n型氮化鎵、該p型半導體單元係一p型氮化鎵。於本發明之發光二極體封裝結構中之透明電極層材料可為任何透明導電材料，較佳為透明電極層可為ITO(氧化銦錫，Indium Tin Oxide)。本發明發光二極體封裝結構可加入其他習知的輔助功能層，以加強層和層之間介面黏著力，或增加磊晶單元有其他輔助或附加功能。例如可在基板與該磊晶單元之間更包括一氮化鎵或氮化鋁緩衝層，使後續形成之磊晶單元和基板之間有更好的結合。
本發明之發光二極體封裝結構之第一金屬層、第二金屬層以及第三金屬層可由任何適合的金屬材料形成，舉例來說，可為金、銀、銅、鈦、鋁、鉻、鉑、鎳、鈹、鎂、鈣、鍶或上述任意複數種金屬材料之組合，該些第一金屬層、第二金屬層以及第三金屬層的材料可彼此相同或不同。本發明第二金屬層所覆蓋之區域無限制，較佳為覆蓋大部分基板或之n對布拉格反射鏡對區域以改善漏光、增加光回收效率、以及改善散熱效率。該第三金屬層之間隙可與該第二金屬層之間隙對應。該第三金屬層之厚度大於或等於150mm、較佳為大於或等於300mm。第三金屬層可透過焊接的方式焊接於第二金屬層表面，從而在第三金屬層與第二金屬層之間形成一焊接層，該焊接層之厚度可在1 mm至3 mm之間、更佳為1 mm至2 mm之間。
本發明之發光二極體封裝結構中所使用之布拉格反射鏡對，係由兩種不同折射率的材料重覆交錯堆疊而形成，且該兩種不同折射率的材料的厚度可相同或不同。於本發明之發光二極體裝置中，該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率可介於1.3至2.8之間，較佳為1.45至2.3之間，更佳為1.3至2.8之間。兩種不同折射率的材料，可為可為五氧化二鉭/三氧化二鋁之組合、五氧化二鉭/氮化矽之組合、五氧化二鉭/氧化矽之組合、二氧化鈦/二氧化矽、二氧化鈦/三氧化二鋁之組合、氧化鈦/二氧化矽之組合、以及二氧化鈦/氮化矽之組合，於本發明一示例性實施例中使用二氧化鈦/二氧化矽組合之布拉格反射鏡對。至於布拉格反射鏡對中兩種不同折射率的材料的厚度分別可450 Å~675 Å之間、更佳為460 Å~690 Å之間。布拉格反射鏡對的反射率隨材料的層數和材料之間的折射率差而改變，於本發明中，布拉格反射鏡對的對數(n)較佳為6對以上(n＞6)，更佳為20對以上；至於材料之間的折射率差，較佳可在1.3至2.8的範圍之內。
本發明之發光二極體封裝結構螢光粉層的形成方法並無特別限制，較佳為透過塗敷、噴塗、貼附、自組裝、蒸鍍等方式將螢光粉膠混合物成型於發光二極體上。
本發明之發光二極體封裝結構之封裝保護層可由高分子化合物形成，該封裝保護層係包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層，不只可強化發光二極體結構，避免該發光二極體結構在後續的加工過程中碎裂，更可使得光在封裝保護層內部繞射與背面透射，達成全方位出光的效果。
本發明之發光二極體封裝結構之封裝保護層之製造方法及材料並無特別限制，在方法上可利用模鑄成型、貼附膠片、覆蓋透明外殼等方法形成該封裝保護層，而材料上可為透明高分子材料(譬如矽膠、環氧樹脂)或透明無機物 (譬如氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、單多晶氧化鋁等)，考量透明無機物易碎影響良率，較佳使用透明高分子材料。於本發明一示例性實施例中，係利用射出成型的方式將透明環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)包裹於晶片及第三金屬層。
本發明之發光二極體封裝結構可更包括一連結於該第三金屬層表面之加強板。其中該加強板係跨接該第三金屬層之間之該間隙之兩側，用以加強結構之保護效果。
本發明之發光二極體封裝結構相鄰發光單元之該螢光粉層發光顏色不同，可為任何顏色之組合，較佳為三相鄰發光單元發出之光為紅光，綠光，藍光。
本發明之發光二極體封裝結構發光單元之配置排列無限制，較佳為該發光單元形成N x M 陣列，且N，M 個別為大於等於1 之整數。
以下係利用特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點與其他功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，且本說明書中的各項細節亦可針對不同的觀點與應用，在不背離本發明精神下進行各種修飾與變更。
實施例1
本實施例發光二極體封裝結構包含有多數個發光單元。每一獨立發光單元均具有類似或相同之結構，但至少兩相鄰之發光單元之發光顏色不同。 於本實施例中，相鄰之發光單元依序為發紅光，綠光，藍光之發光單元。其獨立之發光單元結構相同，僅為各發光單元之螢光粉顏色不同。
圖1為本實施例發光二極體封裝結構之示意圖。本實施例之發光二極體封裝結構包含有三個發光單元，相鄰發光單元依序為紅光發光單元101，綠光發光單元102，以及藍光發光單元103。每一發光單元之結構相同，僅為發光之螢光粉相異，因而發出之可見光顏色不同。
圖2係本實施例之獨立發光單元封裝結構10示意圖。該發光二單元封裝結構10包括：基板110、磊晶單元120、第一金屬層130、布拉格反射鏡對140、第二金屬層150、螢光粉層160、焊接層170、第三金屬層180、以及封裝保護層190。
本發明之發光二極體封裝結構之製備方法，於實施例1中，係在藍寶石基板110之一表面上，於750~1200℃、1大氣壓的操作條件下，利用有機金屬氣相沉積方法依序形成氮化鎵本質磊晶、n型氮化鎵、發光層、p型氮化鎵；之後以半導體製程如黃光、微影、蝕刻工序將前述磊晶材料製作成帶有PN極性的元件。然後在p型氮化鎵之側壁及發光層之側壁上，利用化學氣相沉積形成氮化矽絕緣層(圖未示)，以避免電流經由側壁連通n型層或金屬電極而短路。
接下來，在真空的條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120的表面以金/鎳形成第一金屬層130，其中，第一金屬層130覆蓋部分的磊晶單元120表面而使該些磊晶單元120與相鄰之磊晶單元120能夠彼此串接相連。
形成磊晶單元之後，接下來在真空條件下，以電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120及第一金屬層130之表面形成布拉格反射鏡對140。該布拉格反射鏡對140係以460 Å的TiO2 與690 Å 的SiO2 所組成，總共有20層(對)，並且包覆該些磊晶單元120以及部分之第一金屬層130，且部分之第一金屬層130不被該布拉格反射鏡140包覆。
隨後，在真空條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該布拉格反射鏡對140之一表面形成一第二金屬層150，且該第二金屬層150與未經該布拉格反射鏡140對所覆蓋之該第一金屬層130連接。並進一步圖案化該第二金屬層150使該第二金屬150層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極。
在該基板上非布拉格反射鏡對140之表面塗敷螢光粉層160。其係在水油相界面下，利用粉體自組裝方式進行螢光粉薄膜成型，且螢光粉層之厚度約在60。在此使用同樣方法, 但使用三組不同之螢光粉, 使單元101、102、103於封裝後分別形成紅色、綠色、以及藍色之光。
隨後，將第二金屬層150與第三金屬層180在以大於250℃溫度進行焊接，其中，該第三金屬層180係為一銅金屬層，厚度約為300。以此方式進行時，該第二金屬層150與第三金屬層180交界之表面形成厚度約2之Sn焊接層170。並且，將該第三金屬層180圖案化，使第三金屬層180形成一個間隙而分隔成至少兩獨立之電極，如圖2所示，該第三金屬層180圖案化所形成之間隙相對應於該第二金屬層150圖案化後所形成之該間隙。於此焊接步驟, 同時將三種具有不同螢光粉之發光單元之第二金屬層藉由所焊接之第三金屬層連接形成一可發三種不同顏色可見光之模組結構。
最後，以射出成形的方式將透明環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)形成一封裝保護層190包覆三種具有不同螢光粉之發光單元。此發光單元之該基板110、該些磊晶單元120、該第二金屬層150、該螢光粉層160、以及部分之該第三金屬層180為封裝保護層190所包覆。
完成之後，將上述之發光二極體封裝單元結構從第三金屬層總集切取使用。因為該結構具有封裝保護層190的關係，可輕易地切割而不會損害到內部晶片的結構。除此之外，在此結構中，第三金屬層(銅金屬層)大幅度地提升了散熱的效果，且相較於習知技術，此結構省略透明藍寶石封裝基板，故能大幅度地減少用料成本。另外, 本發明可同時發出三種顏色之可見光，並可依照實際需要形成陣列 ，可實際應用於混光形成白光。再者，因為本發明之發光二極體封裝結構可以兩面發光，並且可發出不同顏色之可見光，所以可以應用於顯示器顯示影像或圖片。而透明環氧成型模料所形成的封裝保護層，可使光線在封膠內部繞射與背面透射，也可達到全方位出光的效果。
實施例2
本實施例發光二極體封裝結構之製造方法及結構與實施例1之發光二極體封裝結構相同，除了每一獨立發光單元僅包含單一個磊晶單元。
實施例3
圖3係本發明一示例性實施例之發光二極體封裝結構10示意圖。該發光二極體封裝結構10在結構及製造方法上大致與圖2之發光二極體封裝結構相似，不同的地方在於，為了達到更好的保護效果，圖3之發光二極體封裝結構10在形成第三金屬層後，以模鑄成型方法利用EMC材料來形成加強板181，且該加強板181係跨接該第三金屬層180之間之該間隙之兩側。
10‧‧‧發光二極體發光單元封裝結構
101‧‧‧紅光發光單元
102‧‧‧綠光發光單元
103‧‧‧藍光發光單元
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶單元
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧布拉格反射鏡對
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧螢光粉層
170‧‧‧焊接層
180‧‧‧第三金屬層
181‧‧‧加強板
190‧‧‧封裝保護層
圖1為本發明實施例1發光二極體封裝結構之示意圖。
圖2係本發明實施例1發光二極體封裝結構之單一發光單元示意圖。
圖3係本發明實施例3發光二極體封裝結構之單一發光單元示意圖。

Claims (10)

  1. 一種發光二極體封裝結構，包含: 多數個發光單元，每一發光單元包含: 一基板； 單一或多數個磊晶單元，位於該基板之一表面，每一磊晶單元包括： 一n型半導體單元，係位於該基板之表面； 至少一發光層，位於該n型半導體單元上； 一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋； 一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；以及 一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面； n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，其中n係為一大於6之整數； 一第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，並經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；以及 一螢光粉層，係位於該基板表面, 第一金屬層表面及選擇性地部分n對布拉格反射鏡對之表面； 多數個第三金屬層，係連接每一發光單元之該第二金屬層，且至少兩個第三金屬層之間具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極；以及 一封裝保護層，係包覆多數個發光單元之該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層； 其中至少兩相鄰發光單元之該螢光粉層發光顏色不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一連結於該第三金屬層表面之加強板，其中該加強板係跨接該第三金屬層之間之該間隙之兩側。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一位於該第三金屬層之該間隙之非導電絕緣層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包含一位於該基板與該磊晶單元之間之緩衝層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該第三金屬層之厚度大於或等於150。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該第二金屬層和與之相鄰之該第三金屬層之間更具有一焊接層，且該焊接層之厚度係為1至3之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該封裝保護層係由一透明高分子或透明無機材料所形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率係介於1.3至2.8之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中至少三相鄰發光單元發出之光為紅光，綠光，及藍光。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該發光單元形成N x M 陣列，且N，M 個別為大於等於1 之整數。
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