TW508848B - Light-emitting device and production thereof - Google Patents

Description

508848 A7 — —______ B7 五、發明説明（〗 ） 爱領域 本發明係關於一種稱為”白〇光LED，，之發光裝置，其包含 一個半導體發光元件光源及一種可接受從其所輸出的光及 發出異於此輸出光波長之螢光的螢光物質，由此發光元件 所發出的光及螢光物質所發出的光係結合以製造白光。 迄今已提出許多白光LED —使用半導體發光元件以製造 白光之發光裝置。半導體發光元件之使用可以低電力消 耗提供相當強的光。此外，不像白熱燈泡或螢光燈，此 類裝置不放熱，而且不會經歷如隨時間品質變差或燒掉 的問題。因此，此類裝置之應用快速地擴展。日本專利 案弟2927279 $虎揭示一種利用半導體發光元件製造白光 led之技術。此專利案教導結合藍光（氮化鎵半導體元件 所輸出）與具有寬光譜成份之黃光（YAG螢光物質受藍光輸 出所激發放出的）以製造白光。在此先前技術中，白光 LED係藉排列半導體元件於基板上並將其裝入含有yag 螢光物質透明樹脂中而製得。 使用氮化鎵半導體元件之光源具有比目前用作照明光源 之白熱燈泡及螢光更長的壽命，而且可使用高至約1 〇年。 但是，迄今所揭示的發光裝置係使用一種樹脂保護層（塑 模）以保護發光二極體，而且此造成許多問題。例如，保護 層係由樹脂構成時，在超過數年之服務期間，水可涂人， 危害發光一極體的操作，或發光二極體之輸出光為紫外線 時，降低傳遞源自發光二極體之輸出光的能力並因此損堂 -4 - 五、發明説明（2 發光二極體的性能。 另方面，先則技術中所揭示的yAg螢光物質發出圍繞 黃光之寬光譜帶的光。但是，如所注意到的，顏色轉換不 佳。以改善顏色轉換為目的，申請者曾提出結合兩種螢光 物質，綠色及紅色發光物質之發光裝置。但是，這些螢光 物質的防潮能力不佳，因此防潮對策是重要的。但是，迄 今所提出的發光裝置設計無法提供適當的滲潮性。 鑑於樹脂發光二極體保護層相關問題，未審查專利申請 案（Kokai)l 1_251640及未審查專利申請案（K〇kai)1 i -204838 揭示保護發光二極體之保護層。這些申請案係鑑於上述專 利中所揭示之樹脂發光二極體保護層的缺點所提出的，即 易遭濕氣滲透一即環境抵抗力不佳—及隨大量暴露於紫外線 中而褪色一即防紫外線能力差—，造成透明度降低及作為發 光一極體之特徵受損，並教導以溶膠玻璃而不以樹脂保護 層包膠發光二極體。 但是，未審查專利申請案（Kokai)l 1-25 1640及未審查專 利申凊案（Kokai)ll-204838中所揭示的發光裝置具有下列 問題。 使用電線接合以提供發光二極體可靠的電接觸之處，利 用上述公告案中所揭示的方法以溶膠玻璃包膠發光二極體 可能引起下列問題。 使用電線接合以提供發光二極體與外部電源可靠的電接 觸之處，源自發光二極體之電線必須通過玻璃及環氧樹脂 以接合發光二極體外的引線。但是，當玻璃與環氧樹脂的 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X 297公釐) " ~ A7

品質如熱膨脹係數及收濕性不同時，在玻璃_環氧樹脂界面 電線内產生極大應力，可能切斷電線。使用溶膠玻璃處， 體積在硬化過程中縮小約30%，因此因電線内所產生的應力 所造成的斷裂也可能發生在塑模過程中。所以，使用電線 接合以提供可靠的導電路線之處，玻璃層/環氧樹脂外套界 面處物理性質上的差異可能造成電線斷裂的問題。 簡a之，藉使用半導體發光元件之發光裝置，半導體元 件本貝上具有鬲可信賴度及較長壽命，用以保護半導體發 光元件並確保可與外部電源進行電接觸之構裝易遭受可信 賴度方面的問題。 然而，利用較厚玻璃層以製造界面可解決此問題，但製 造無裂痕的厚玻璃是困難的。 概述 藉由上述觀點，本發明目的係提供半導體發光元件一 種可#賴度咼的構裝，並因此可提供一種使用半導體發 光7C件 < 發光裝置，其可提供經認可的高性能及較長使 用筹命。 此目的在此可經由一種半導體發光裝置達到，其中半導 體發光兀件覆晶係以電力方式與基板上的接頭互接，該裝 置包含··一個由氮化鎵半導體元件所組成的發光元件；及 一個玻璃板’其係安置在藉該發光元件所輸出光的路徑上 ’而且其包含一種螢光物質以接收該輸出光並製造已變成 不同於該輸出光之波長的轉化光；其中該放射光及該轉化 光可用於製造本質上白色的光。 -6 - 本紙張幻t❹1中關家鮮(CNS) X 297公楚） 五、發明説明（4 在較佳實施例中，基板將為印刷板。 在一個較佳具體實例中，螢光物質將由兩種含硫組合物 所構成的，各螢光物質可產生不同波長之變化光。 兩種螢光物質之-可為放出紅色勞光之Srs : ，另一 種材料是放出綠色螢光之（Sr、Ba、Ca)Ga2S4 ·· Euh。 綠色勞光物質係由SrGa2S4 : Eu2+所構成的。在一個較佳 具體實例中’含有螢光物質之玻璃層的厚度將為⑽微米 更薄。 在-個較佳具體實財，玻㈣係由含有至少_種選自 由PbO、Ga2〇3、Bl2〇3、Cd〇、Zn〇、㈣及人叫組成之化 合物的S1〇2，或者實質上不含其之抓所構成的。 玻璃層組合物可藉包含選自PbO、Ga2〇3、Bi2〇3、Cd〇、 Zn〇、Ba0&A12〇3之化合物運用之。如此進行的原因如下 。反射係#生在發光元件與周圍玻璃層或其他構裝材料間 的界面上。折射率的差異愈大，全反射發生的比例愈高。 全反射造成光在構裝内往返跳躍，因此光放射至外界的效 率降低®此，希望減少源自發光元件的光穿過界面所造 成的，反應至最低，以便達到有效傳送源自發光元件的光 至空氣中。為達到此目ό々，必須降低各界面處的折射率差 異至最低。發光元件構造物包含兩層—個發光元件及一個 玻璃層處存在兩個界面個是發光元件與玻璃層，另 個疋玻璃層與芝氣層，因此為減少源自發光元件的光反 射，希望降低兩界面處各界面折射率的I異至i低。 因此，玻璃層的折射率最好落在空氣與發光元件的折射 本紙張尺度適财_冬料(⑶S)A4規格 -7- 五、發明説明（5 率之間。 藉提供元件表面上述折射率落在空氣之折射率與發光元 件 < 折射率間的氧化物並利用此作為非反射塗覆層以增加 光放射至外界的效率，光輸出量可獲得數十％的改善。利用 破璃塗覆層而不以環氧樹脂包膠的優點為： 1)環境抵抗力獲得改善；2)高溫操作變得可行；及3)選 擇可提供尚放光效率的#肖。無任何,清況環氧樹脂的折射 率會超過約L6。空氣的折射率為1〇，發光二極體中所用半 導體化合物之折射率係在約3 4至18範圍内。破璃層之叫 的折射率係約丨.5，但Si〇2包含一種透明化合物如觸、 Ga2〇3、Bi2〇3、Cd0、Zn〇、㈣或八叫時折射率可增加 至、'力1.5至2.5。因此，藉Sl〇2中包含一種透明化合物如削 、Ga2〇3、Bl2〇3、Cd0、Zn〇、Ba〇 或 Al2〇3，可將玻璃層的 折射率控制至所需程度，以便最大化發光元件之放光效率 破璃層外側具有附加環氧樹脂層之纟，同_也考慮玻 璃層與環氧樹脂層之界面的折射率。換言之，玻璃層的折 射率可藉操作其中所含之透明化合物的量適當地控制之， 以便最小化從發光元件至玻璃層、環氧樹脂層及空氣之各 界面的折射率。特別地，從發光元件至玻璃層、環氧樹脂 層及空氣之折射率的變化將構成幾何系列。 如知名的，本發明提供一種發光裝置，其係使用一種源 自氮化鎵LED之藍光與源自勞光物質之改變顏色光的組合 以實質上放出白光。與藍色LED結合所用的白光咖在此係

本紙張尺度適财關家料(CMS) A4祕(21GX 297公楚) 508848 A7 ——-----52____ 五、發明説明（6 ) 作為可信賴高、壽命長之照明光源。使用高輸出藍色LED 作為激發源的白光led可取代螢光燈、白熱燈泡或類似物 藉由可k賴的構裝程序，在此發光裝置提供_種可提供 高性能之發光裝置，儘管使用環境抵抗力較差的勞光物質 組合物，但也可提供較高的顏色複製力。 圖式簡诫 圖1為關於本發明第一個具體實例之發光裝置的截面圖。 圖2為含有螢光物質之玻璃膜的截面照面。 圖3為關於本發明另一個具體實例之發光裝置的截面圖。 圖4為關於本發明另一個具體實例之發光裝置的截面圖。 圖5為螢光物質的放射光譜。 圖6為螢光物質的放射光譜。 I體實例之細節揣诫 藉參考所附圖式將本發明較佳具體實例描述於下。有關 本發明第一個具體實例之發光裝置的概要截面圖係表示於 圖1。此發光裝置100包含一個基板101。基板1〇1 一般是環 氧樹脂或其他塑膠的線路板，但不限於此。該基板具有塑 膠或其他.材料之介電層1013形成於其上，且覆蓋該介電層 10U的是適合導電線路圖案10^，即電極或接點；及自外 界供應電力給與其接合之發光元件102。本發明實例中的發 光元件102是一種描述於後之氮化鎵半導體元件，其被安置 在基板1G1上覆晶接合中；該晶片底面具有接線接頭，而且 電接合係以基板上的電極或接頭101b藉接合凸塊（錦錫球）或 導體部分1〇3(如線路）至這些接頭所完成的，其中凸塊係由 * 9 - 本紙伕尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X297公臺7 508848 A7 B7 ___ 五、發明説明（7 ) 適合的導電銲錫所構成的。可傳送光的溶膠玻璃層105係形 成於發光元件外側。透明層1 06係形成於其外侧。 發光二極體 在此發光元件101是一種發光二極體，更特別地，一種氮 化鎵半導體元件。該半導體元件係由A1InGaP、InGaN或類 似物所組成的。 溶膠玻璁 現在參考圖1將溶膠玻璃層105描述於此。 現在描述溶膠玻璃之製法。首先，網狀形式之502凝膠 係藉烷氧基矽烷的脫醇作用所製得。乾燥此凝膠以獲得 一種固化凝膠。所得物質係由Si02—與一般玻璃相同的組 成物一所構成的，但溶膠玻璃具有不同於一般玻璃之製造 方法，其中脫醇反應中金屬觸媒的使用容許Si02可在範 圍從一般溫度至約150。(：之低溫下合成得到。但是，藉加 熱至Si〇2熔點可產生不同於其或一般玻璃之密度。溶膠 玻璃遠比樹脂如環氧化物緊密且其滲潮性比環氧化物低 數十至數百倍。 關於滲潮性，當數微米厚之溶膠玻璃塗覆層形成於銅板 或鐵板上’而且此樣品係暴露在6(rc，9〇%RH大氣壓下100 小時時，無見到金屬腐蝕。將約丨〇微米厚的塗層塗覆在鋁 板上並浸在100°C水中150小時時，鋁的光澤度為95%或更高 。因為禮氣無法滲透玻璃塗層，金屬板表面無氧化發生， 結果無損金屬表面光滑度。 另一方面，當氧化物保持在存8〇〇c，85%溼度環境中約 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格—(210X297公iT-'~ - 裝 訂

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508848 A7 _______B7__ 五、發明説明（9~~ ^ 化鎵半導體元件所產生的。螢光物質包含接收藍光時可放 出綠色勞光之SrGa2S4 ·· Eu2 +榮光部分及接收藍光時可放出 紅色螢光之SrS : Eu2+螢光部分；此螢光物質被包含在透明 模製層内以製造一種螢光物質，其中該透明模製層係覆蓋 在發光二極體上。在此使用此藍色光源並結合綠色螢光及 紅色螢光之白光LED預期以極佳的顏色表現為特色。 凸塊 參考圖1 ’發光裝置100包含一個發光元件；位於發光元 件102底部之電極或接頭；及位於其下方供電接合用之金屬 凸塊103 ’其中該發光元件係由包含、in、Au、Ag或 類似物之發光元件所構成並藉含有螢光物質之玻璃層l〇5包 膠之。此提供一種發光元件構造物1〇4。凸塊1〇3 一般是直 徑為約100至3 00微米之銲錫球。或者，可使用金球或銅球 。氮化鎵半導體發光元件102被安置在基板1〇丨上—其包含電 線一並與其引線接合。半導體發光元件1〇2被安置在凸塊1〇3 上’而且利用此凸塊完成引線接合，即銲錫接合點連接， 其中凸塊係位於半導體元件之電極部分的金屬塊。 下底板（Submount) 如圖1中所示般’發光裝置構造物之特殊具體實例是一種 基板位於此發光元件構造物下方的構造物；如圖3及4中所 不，下底板108可插入發光元件構造物與基板之間。在本發 明實例中，下底板1〇8係約100至2〇〇微米厚，而且尺寸大於 發光元件構造物。下底板1〇8可由如咬、陶瓷、金屬等材料 製成。在本發明實例中，下底板1〇8具有導電部分（即電極 -12- I紙張幻t闕家標if(CNS) Α4規格(㈣χ 297公發) ---

部刀109)以與金屬凸塊1〇3及與引自電極部分⑽之導電路 線no電接合。這些導電路線11()延仲過位於下底板的通孔 1Π並以電力方式與位於基板上的接頭部分1〇lb互接。在各 通孔111底部形成|電凸塊（銲錫球）112—完全等於發光元件 構造物底部上所具有的—為基板101製造導電路線。 j圖3中，基板101具有與圖1中所描述基板1〇1相同的 構k並且在其頂面形成電線接頭部分，即引線1 〇 1 b， 其中孩接頭部分係以電力方式與下底板108底部上的凸塊 互接。 在此所用的基板101 一般是一種印刷板，特別是稱為，， 晶片LED”之PWB(印刷電路板），而非引線架。印刷電路 板可以一般方法製得。在埋藏引線1〇11)的基板上進行蝕 刻並深入由塑膠、陶瓷、金屬或其他材料所構成的介電 層部分。 圖4所表示的下底板排列方式係不同於圖3。在圖4所示構 造物中，發光元件構造物與下底板1〇8之接合可藉銲錫接合 點達到，同時下底板與基板之接合可藉電線接合完成。發 光裝置100包含一個發光元件1〇2、一個含有螢光物質之玻 璃層105以包膠之及發光元件1〇2底部的接頭部分，以及位 於其下供電接合用之金屬凸塊103，獲得一種發光元件構造 物。在本發明實例中，發光元件構造物104具有導電凸塊 103以電接合發光元件1〇2底部的電極部分及下底板ι〇8頂面 的電極部分109，而且額外的導電凸塊U2“位於下底板ι〇8 頂面上電極部分外緣—以電接合基板外側表面上所形成的電 -13- Β7 五、發明説明（Ή 極面。這些下底板⑽之外面導電凸塊112係經由電線接合 ⑴連接至基板上的電極板101b。含有螢光物質之玻璃層 105不延伸如電線接合部分般遠。 登_光元件之劍浩 製造發光裝置1〇〇時，首先，形成一種發光元件1〇2及包 膠其之含有螢光物質之玻璃層1〇5的發光裝置構造物。 接下來，發光裝置100之構造如圖i中所描繪般時，發光 裝置構造物係經由凸塊，而無利用下底板108直接以電力方 式與基板上的電極部分10113接合。在圖3及圖4所描繪的發 光裝置例中，發光裝置構造物必須經由下底板丨〇8以電力方 式與基板上的電極部分10 lb接合。對於此點，銲錫凸塊1〇3 係形成於發光裝置構造物底部，即下底板108頂面及下底板 底部，即基板PWB頂面。在此例中，發光裝置構造物底部 上的凸塊103及下底板1〇8頂面上的凸塊Η]係分別形成，下 底板108係安置在發光裝置構造物下方，導電路線係設立在 發光裝置構造物與下底板108之間，然後導電路線被設立在 下底板108與基板101之間。依此方式，發光裝置構造物及 下底板108凸塊係接合成各個電極板。 使用金凸塊之處，接合一般係藉超音波及熱的應用所完 成。對於鮮錫凸塊’可使用鋼版光罩印刷、電鍵或其他技 術。 利用銲錫糊之鋼版光罩印刷在基板上形成導電部分是已 知技術。典型方法如下。首先，將光罩置於PWB上並利用 抹刀將銲錫糊塗佈在光罩上。依此方式，銲錫糊透過光罩 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐)

裝 玎

A7 一... Βγ 五、發明説明（1 ~~ ---— 中的孔移至PWB(基板）上，在pWB表面形成鮮錫層。接下 來將光罩自PWB移@ ,因此銲錫糊層形成於上預定 而部刀上。使用銲錫球方法之處，銲錫球被牢固在pwb 或兀件上。在此例中，銲錫助溶劑或類似物可用於舞錫球 。然後將元件裝在PWB上適當位置處。然後，逆流之以溶 化銲錫並進行接合。也可使用銲錫電鏡方法。在此例中， 以與鋼版光罩印刷相同的方式遮蔽pWB表面上鮮錫不欲塗 覆之區域。接著進行銲錫之無電極電鍍。 現在描述一種示範性的銲錫方法。 i先έ有螢光物質的玻璃被覆蓋在半導體發光元件表 面上以形成約100微米厚或更薄的玻璃層。因為螢光物質係 對溫度敏感，此製造方法最好是在低溫下進行。使用玻璃 落膠膜製造方法之處，該玻璃在低溫下為液體，容許在相 當低的溫度下製得玻璃膜。該溫度係約8〇〇c至15(rc。螢光 物質係摻混入此玻璃溶膠溶液中，然後塗覆及加熱之以製 得一個玻璃實體。依此方式，含有螢光物質之玻璃被塗蓋 在半導體晶片表面上。該螢光物質是兩種物質之組合物， 藍光激發綠色螢光物質及藍光激發紅色螢光物質。該晶片 是覆晶。在塗覆玻璃於半導體晶片表面上之程序中，覆晶 接合提供較佳的技術適合性，因為此互接程序不需要電線 存在。SrS : Eu2+放出綠光，（Sr、Ba、Ca)Ga2S4 : Ειι2 +放出 綠光。紅色螢光物質之特定實例為SrGa2S4 : EU2+。 勞光物質的光波長光譜係表示於圖5及圖6中，這兩種螢^ 光物質獲得紅色及綠色光，而且LED獲得藍光。這三種不 -15- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 508848 A7 B7 13 五、發明説明（ 同波長的光可結合獲得白光。在此螢光物質可有效地放出 紅色及綠色光’並非過去所熟知的。本發明者發現當硫化 物勞光物質提供極佳結果，硫化物對水具高度反應性，使 隔離榮光物質與水的技術變得困難。本發明以使用溶膠玻 璃以隔離對水敏感的硫化物螢光物質及水為特色，其中溶 膠破璃對溼氣有高度抵抗性。 水無法透過玻璃塗層，因此容許使用硫化物螢光物質。 在此發光裝置不同於先前技術，其中發光元件係以覆晶 排列方式裝在基板上。希望選擇一種硬材料作為構裝材料 ，因為元件構造物將可操作較大應力。藉結合覆晶排列方 式及螢光材料玻璃包膠技術，獲得實際高可信賴度構造之 LED構裝物。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 508848 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 I 一種發光裝置，其包含： 一個基板； 位於該基板頂侧之電接頭； 一個位於該基板上之發光半導體裝置，該發光半導體 裝置具有一面對該基板之該頂側之底側； 位於該發光半導體裝置底側並以電力方式連接至該基 板上接頭之電極；及 一個玻璃層，其位於該發光半導體裝置所放出的光徑 上’該玻璃層包含螢光物質可轉化至少一部分之該成具 有不同於該輸出光之波長之轉化光。 2·根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該基板是一種 印刷板。 3·根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該螢光物質包 括至少一種含硫組合物，每種組合物可產生不同波長之 轉化光。 4. 根據申請專利範圍第3項之發光裝置，其中該組合物之一 種包括SrS : Eu2+並放出紅色螢光，該組合物之另一種係 包括（Sr、Ba、Ca)Ga2S4 : Eu2 +並放出綠色榮光。 5. 根據申請專利範圍第4項之發光裝置，其中該輸出綠色螢 光之組合物包括SrG2S4 : Eu2、 6. 根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中含有該螢光物 質之該玻璃層的厚度為100微米或更薄。 7. 根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其進一步包括一個 位於該發光半導體裝置及該基板間之下底板（submount)， -17- 紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

   裝 訂 •線 ^08848 A8 B8 C8 申請專利範圍 其中電極係經由該下底板以電力方式連接至該接頭。 8. 根據申請專利範圍第丨項之發光裝置，其中該坡璃 Si02。 9. 根據申請專利範圍第8項之發光裝置，其中該破璃層進一 步包括至少一種選自由Pb〇、Ga203、Bi203、CdO、ZnO 、BaO及Al2〇3所構成群組之化合物。 10. 根據申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該輸出光及該 轉化光係用於產生白光。 11·根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該發光半導體 裝置包括GaN。 12. 根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該破璃層具有 折射率大於約1.5 〇 13. 根據申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該玻璃層之螢 光物質之濃度隨該發光半導體裝置之距離而增加。 14·根據申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該玻璃層位於 至少部分該發光半導體裝置上。 15. —種發光裝置，其包含： 一個發光半導體裝置；及 一個玻璃層，其位於該發光半導體裝置所放出的光徑 上，該玻璃層包含螢光物質可轉化至少一部分之該成具 有不同於該輸出光之波長之轉化光； 其中該勞光物質包括至少逼種含硫組合物’每種組合 物可產生不同波長的轉化光。 16. 根據申請專利範圍第15項之發光裝置，其中該組合物之 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐）

   裝 508848 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 一包括（Sr、Ba、Ca)Ga2S4 : Eu2+。 其中該輸出光及 其中該發光半導 其中該玻璃層進 、Bi203、CdO、 其中該玻璃層位 17. 根據申請專利範圍第15項之發光裝置， 轉化光係用於產生白光。 18. 根據申請專利範圍第15項之發光裝置， 體裝置包括GaN。 19. 根據申請專利範圍第15項之發光裝置， 一步包括至少一種選自由PbO、Ga2〇3 ZnO、BaO及Al2〇3所構成群組之化合物 20. 根據申請專利範圍第15項之發光裝置， 於至少部分該發光半導體裝置上。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）