TWI393274B - 發光二極體封裝結構及其製造方法 - Google Patents

發光二極體封裝結構及其製造方法 Download PDF

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Description

發光二極體封裝結構及其製造方法
本發明係有關一種發光二極體封裝結構及其製造方法。
光電元件中的發光二極體(light emitting diode，LED)由於具有低耗電、高亮度、體積小及使用壽命長等優點，因此被認為是次世代綠色節能照明的最佳光源。
傳統應用在手機或是PDA的發光二極體封裝結構如第一A圖及第一B圖所示。發光二極體封裝結構100包含一基板106、第一電極108A、第二電極108B、一發光二極體晶粒102、第一金屬導線110A、第二金屬導線110B以及一透明膠104。前述第一電極108A以及前述第二電極108B包覆著前述基板106。前述基板106為印刷電路板(PCB；Printed Circuit Board)。前述發光二極體晶粒102固定於前述第二電極108B上，並以前述第一金屬導線110A及前述第二金屬導線110B電性連接於前述第一電極108A與前述第二電極108B，最後以前述透明膠104覆蓋於前述發光二極體晶粒102上。
由於印刷電路板的材料包含塑料，從第一B圖可以了解前述發光二極體晶粒102所產生之熱能主要是經由第二電極108B排除。前述第二電極108B為一片薄層金屬片，對於整個發光二極體封裝結構100的散熱有限。由於元件散熱不易，影響發光二極體晶粒發光效益以及降低了發光二極體封裝結構之壽命。
因此，本發明提供一種可增加出光效率及散熱的發光二極體封裝結構，將改善上述之缺失。
本發明之一目的係為使得發光二極體封裝結構可均勻散熱提高元件之壽命。
本發明之另一目的係為增加發光二極體封裝結構之出光效率。
鑒於上述之發明背景中，為了符合產業利益之需求，本發明提供一種發光二極體封裝結構，包含：一基板，具有第一表面及相對於第一表面之第二表面。複數個金屬柱，導通該基板之前述第一表面及相對於前述第一表面之前述第二表面。一玻璃反射層，覆蓋於前述基板之第一表面上，並且露出部分之第一電極區以及部分之第二電極區，該玻璃反射層之材料為二氧化矽(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氧化鎂(MgO)之混合物。至少一個發光二極體晶粒，固定於前述玻璃反射層上，以及一透明膠層，覆蓋於前述至少一個以上之發光二極體晶粒。
相對於先前技術，前述發光二極體封裝結構增加一玻璃反射層可均勻傳導發光二極體晶粒產生之熱能，減少部分區域過熱現象。另外，前述玻璃反射層亦可反射光線，提高發光二極體封裝結構之出光率。
100‧‧‧發光二極體封裝結構
102‧‧‧發光二極體晶粒
104‧‧‧透明膠
106‧‧‧基板
108A‧‧‧第一電極
108B‧‧‧第二電極
302‧‧‧片狀陶瓷板
304‧‧‧孔洞
306‧‧‧陶瓷基板
308‧‧‧導通孔
310‧‧‧第一表面
312‧‧‧第二表面
314‧‧‧金屬柱
316‧‧‧第一導電區域
318‧‧‧第二導電區域
320‧‧‧第一金屬墊片
322‧‧‧第二金屬墊片
324‧‧‧反射層
326A‧‧‧第一電極區域
326B‧‧‧第二電極區域
328‧‧‧發光二極體晶粒
330A‧‧‧金屬導線
330B‧‧‧金屬導線
332‧‧‧透明膠層
334‧‧‧螢光材料
400‧‧‧發光二極體封裝結構
426A‧‧‧第一電極區域
426B‧‧‧第二電極區域
428A‧‧‧發光二極體晶粒
428B‧‧‧發光二極體晶粒
430A‧‧‧金屬導線
430B‧‧‧金屬導線
430C‧‧‧金屬導線
430D‧‧‧金屬導線
436‧‧‧散熱箭頭
438‧‧‧散熱箭頭
440‧‧‧散熱箭頭
442‧‧‧散熱箭頭
第一A圖為本發明之先前技術。
第一B圖為本發明之先前技術之熱傳導途徑。
第二圖為本發明發光二極體封裝之流程圖。
第三A圖至第三H圖為本發明發光二極體封裝製程及各步驟結構圖。
第三F’圖為第三F圖之俯視圖。
第四A圖為本發明發具多晶粒之發光二極體封裝的俯視圖。
第四B圖為本發明第四A圖的發光二極體封裝由B-B’剖線剖所得之剖面圖。
第五圖為本發明發光二極體封裝之另一實施例。
本發明在此所探討的方向為一種發光二極體封裝結構及其製造方法。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的施行並未限定於發光二極體封裝結構及其製造方法之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而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，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
本發明揭露一發光二極體封裝結構，請參考第三H圖所示。該封裝結構包含：一基板306，具有第一表面及相對於第一表面之第二表面。前述基板可為塊狀結構或是片狀層疊結構，其可使用氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽或是碳化矽等陶瓷材料。複數個金屬柱314，導通該基板306之前述第一表面及相對於前述第一表面之前述第二表面。前述金屬材料可為銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)或前述金屬之合金。一玻璃反射層324，覆蓋於前述基板之第一表面上，並且露出部分之第一電極區326A以及部分之第二電極區326B。前述玻璃反射層可為二氧化矽(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氧化鎂(MgO)之混合物。至少一個發光二極體晶粒328，固定於前述玻璃反射層上，以及一透明膠層332，覆蓋於前述至少一個以上之發光二極體晶粒。前述該透明膠層可使用環氧樹脂(epoxy)或是矽膠(silicone)。另外 ，若要形成白光則可在前述透明層裏混合螢光轉換材料334。前述螢光轉換材料為釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、硫化物(sulfide)、磷化物(phosphate)、氮氧化物(oxynitride)或是矽酸鹽類(silicate)。
進一步提供本發明發光二極體封裝製作方法之流程圖，請參考第二圖。第一步驟202，提供一陶瓷基板。前述陶瓷基板可為塊狀結構或是片狀層疊結構，其材料可使用氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽或是碳化矽等。陶瓷材料之一特性為可均勻吸收熱能，因此可降低熱源溫度之功能。前述片狀層疊結構使用低溫陶瓷粉末混合有機或是無機添加劑，再加上漿料攪拌均勻，以刮刀成形後並沖片形成一厚度之層疊結構。
第二步驟204，形成複數個導通孔於前述陶瓷基板。陶瓷基板屬於絕緣基板，在陶瓷基板上形成複數個導通孔使得陶瓷基板之第一表面及相對於第一表面的第二表面可以互相導通。目前可利用雷射或是機械鑽孔加工處理。
第三步驟206，填充金屬材料於前述複數個導通孔。為使陶瓷基板之第一表面及相對於第一表面的第二表面達到電性連接，填充金屬材料於前述複數個導通孔形成金屬柱，同時也具有導熱之功能。前述金屬材料可為銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)或前述金屬之合金。
第四步驟208，形成一反射層於前述陶瓷基板之第一表面。由於陶瓷經過燒結的表面較為粗糙，當發光二極體晶粒所產生之光經由陶瓷表面反射容易產生散射或漫射的現象，反而降低了元件的亮度。另外陶瓷基板雖然有導熱佳的特性，但是發光二極體晶粒產生的熱源集中在前述晶粒下方，會產生有導熱不均勻的現象。本發明形成一玻璃反射層於前述陶瓷基板上方，並且露出部分之第一電極區域與部分之第二電極區域以提供發光二極體晶粒之電性連接。
另外，可在陶瓷基板相對於第一表面之第二表面形成第一金屬墊片以及第二金屬墊片做為元件與模組之電性連接。最後再以低溫陶瓷共燒(Low Temperature Cofired Ceramics；LTCC)的技術約在900度左右燒結為具有玻璃反射層之陶瓷基板。前述玻璃反射層可為二氧化矽(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氧化鎂(MgO)之混合物。此種成分之玻璃有較好的光澤和透明性，機械性能較強，耐熱性、絕緣性和化學穩定性好，可用來製造高級化學儀器和絕緣材料。玻璃有均溫的特性，故將發光二極體晶粒固定於玻璃反射層上可將溫度均勻分散於玻璃反射層表面，再經由陶瓷基板與金屬柱將熱傳導出元件，達到散熱的效果。
第五步驟210，固定至少一個以上之發光二極體晶粒於該反射層上。本實施例使用一個發光二極體晶粒並利用固晶膠例如環氧樹脂(epoxy)固定於前述玻璃反射層上，亦可依需求使用一個以上之發光二極體晶粒。由於本發明之封裝結構散熱性佳，對於多顆發光二極體晶粒產生之熱能可以很均勻的傳導於整個玻璃反射層表面，減少部分區域過熱的現象，再從陶瓷基板與金屬柱將熱能傳遞至元件外。接著以金屬導線電性連接前述發光二極體晶粒與第一電極區域及第二電極區域。
最後，第六步驟212，覆蓋透明層於該至少一個以上之發光二極體晶粒上。前述該透明層可使用環氧樹脂(epoxy)或是矽膠(silicone)。另外若要形成白光則可在前述透明層裏混合螢光轉換材料。前述螢光轉換材料為釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、硫化物(sulfide)、磷化物(phosphate)、氮氧化物(oxynitride)或是矽酸鹽類(silicate)。
接著提供本發明發光二極體封裝結構製程及各步驟之示意圖，如第三A圖至第三H圖所示。第三A圖提供複數片具有複數個孔洞304之片狀陶瓷板302，並且整齊的堆疊成具一厚度之陶瓷基板306，使得複數個孔洞形成複數個導 通孔308，如第三B圖所示。另一實施例則使用低溫陶瓷粉末混合有機或是無機添加劑，再加上漿料攪拌均勻，以刮刀成形後並沖片形成一厚度之層疊結構。再以雷射或是機械鑽孔加工處理形成複數個孔洞以導通前述層疊結構之第一表面及相對於第一表面之第二表面。
經由第三B圖之A至A’剖面線，清楚了解前述陶瓷基板306之側視剖面圖包含複數個導通孔308貫穿陶瓷基板306的第一表面310及相對於第一表面310之第二表面312，如第三C圖所示。以下第三D、E、F、G、H圖皆以剖面圖表示之。接著由第三D圖，填充金屬材料於前述複數個導通孔308裡形成金屬柱314，使得陶瓷基板306的第一表面310及相對於第一表面310之第二表面312可以電性連接以及具傳導熱能的功能。
為了增加元件之電性連接與傳導熱能的功能，第三E圖在前述陶瓷基板之第一表面310形成一金屬層，前述金屬層包含第一導電區域316以及第二導電區域318。該金屬層材料可為銀(Ag)。在前述陶瓷基板相對於第一表面310的第二表面312形成第一金屬墊片320以及第二金屬墊片322。
第三F圖形成一玻璃反射層324於第一導電區域316以及第二導電區域318上方，暴露出部分之第一電極區326A以及部分之第二電極區326B以提供發光二極體晶粒328之電性連接。如俯視角度的第三F’圖所示，陶瓷基板表面僅暴露出部分之第一電極區域326A與部分之第二電極區域326B，其餘表面積皆由玻璃反射層324覆蓋。
第三G圖可將一個以上之發光二極體晶粒328以環氧樹脂(epoxy)固定於玻璃反射層324上，並且利用金屬導線330A及330B例如金線(Au)將前述之發光二極體晶粒328與部分之第一電極區域326A及部分之第二電極區域326B電性連接。
最後，由第三H圖所示，利用透明膠材如環氧樹脂(epoxy)或是矽膠(silicone)以轉注成型(transfer molding)或是注入成型(injection molding)的製程形成一透明膠層332包覆前述發光二極體晶粒328，前述透明膠層之外形並不限定，主要用以保護該發光二極體晶粒328不受外界污染及防止濕氣滲入來導致該發光二極體晶粒328受損而減短使用壽命。另外，前述透明膠材332可以摻雜螢光轉換材料334使得元件產生白光或是其他所需之顏色。前述之螢光材料可為釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、硫化物(sulfide)、磷化物(phosphate)、氮氧化物(oxynitride)、矽酸鹽類(silicate)。另外，為配合光學亦可使用凹透鏡或凸透鏡(lens)的方式達到所需之光型，如第五圖所示，係為本發明之另一發光二極體封裝之實施例。
再者，從第四A圖及第四B圖可更進一步了解本發明之熱能傳遞路徑。第四A圖係為本發明具多晶粒的發光二極體封裝結構400之俯視圖。該封裝結構400包含相鄰的發光二極體晶粒428A及428B固定於玻璃反射層424上，並且介於部分之第一電及區域426A及部分之第二電及區域426B之間。前述發光二極體晶粒428A及428B個別以金屬導線430A、430B、430C及430D與前述部分之第一電極區域426A與前述部分之第二電極區域426B電性連接。由第四B圖所示，箭頭436表示發光二極體晶粒產生之熱能傳遞路徑，藉以了解發光二極體晶粒428A與428B產生的熱能可以均勻的在玻璃反射層424表面擴散，因此緩解晶粒本身產生的高溫以及減少部分區域過熱現象。另外從B至B’剖面線所得的剖面圖可以清楚示意熱能的傳遞方向。當發光二極體晶粒428A及428B產生熱能後藉由玻璃反射層424均勻的向晶粒外圍均勻的擴散如箭頭436，接著往箭頭438及440的方向經由具有金屬材質之第一導電區域及第二導電區域以及金屬柱將熱能傳導至元件外而達到散熱之功能。熱能除了從金屬柱傳導之外，由於陶瓷基板有很好之均勻吸收熱能的特性 ，與金屬層與金屬柱鄰近之陶瓷材料同時吸收金屬所含之熱能，使得元件整體的熱傳導更加均勻，提高元件之壽命。
從本發明手段與具有的功效中，可以得到本發明具有諸多的優點。首先，導通孔填充金屬材料形成金屬柱，除了做為元件的導電路徑外亦可做為導熱的路徑，增加元件之散熱功能。另外，玻璃有很好的均溫效果，可以將發光二極體晶粒產生的熱源均勻的擴散於玻璃反射層表面後再由陶瓷基板排出，增加元件之使用壽命。再者，利用玻璃的反射功能可使得元件的發光效率增加。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上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；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
306‧‧‧陶瓷基板
314‧‧‧金屬柱
316‧‧‧第一導電區域
318‧‧‧第二導電區域
320‧‧‧第一金屬墊片
322‧‧‧第二金屬墊片
324‧‧‧玻璃反射層
326A‧‧‧第一電極區域
326B‧‧‧第二電極區域
328‧‧‧發光二極體晶粒
332‧‧‧透明膠層
334‧‧‧螢光材料

Claims (9)

  1. 一種發光二極體封裝結構，包含：一基板，具有第一表面及相對於第一表面之第二表面；複數個金屬柱，導通該基板之該第一表面及相對於該第一表面之該第二表面；一玻璃反射層，覆蓋於該基板之第一表面上，並且露出部分之第一電極區及部分之第二電極區，該玻璃反射層之材料為二氧化矽(SiO2)、氧化硼(B2O3)及氧化鎂(MgO)之混合物；至少一個以上之發光二極體晶粒，固定於該玻璃反射層上；以及一透明膠，覆蓋於該至少一個以上之發光二極體晶粒。
  2. 根據請求項1之發光二極體封裝結構，更包含一金屬層位於該基板與該反射層之間。
  3. 根據請求項1之發光二極體封裝結構，其中該金屬層包含第一導電區域及第二導電區域。
  4. 根據請求項1之發光二極體封裝結構，其中該基板之材料為氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽或是碳化矽。
  5. 根據請求項2之發光二極體封裝結構，其中該金屬柱之材料可為銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)或前述金屬之合金。
  6. 根據請求項1之發光二極體封裝結構，其中該透明膠可為環氧樹脂(epoxy)或是矽膠(silicone)。
  7. 根據請求項6之發光二極體封裝結構，其中該透明膠更包含螢光轉換材料。
  8. 根據請求項7之發光二極體封裝結構，其中該螢光轉換材料為釔鋁石榴石 (YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、硫化物(sulfide)、磷化物(phosphate)、氮氧化物(oxynitride)或是矽酸鹽類(silicate)。
  9. 根據請求項2之發光二極體封裝結構，其中該金屬層之材料為銀(Ag)。
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