TWI407599B - 發光二極體之封裝結構 - Google Patents

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發光二極體之封裝結構
本發明涉及一種發光二極體，特別是指一種發光二極體之封裝結構。
發光二極體(Light Emitting Diode,LED)為一種半導體光源，其電、光特性及壽命對溫度敏感，在此，一種在溫度變化過程中還能保持穩定光強之新型發光二極體可參見Yukio Tanaka等人在文獻IEEE Transactions On Electron Devices,Vol.41,No.7,July 1994中之A Novel Temperature-Stable Light-Emitting Diode一文。
目前，提高LED之亮度是研究LED之一大課題。作為提高亮度之手段，考慮或提高LED內部之量子之效率，或提高LED晶片在封裝結構中發出之光之出光效率。如圖1所示，一種習知之發光二極體之封裝結構10包括：一基板11、一反光杯18圍繞於該基板11周圍、一對電極12及13設置在基板11上、一晶粒15貼設在該電極12上且分別通過導線17連接該對電極12及13、一封裝膠16填充於該反光杯18內並覆蓋該晶粒15。該晶粒15發出之光線經過反光杯18內表面反射從頂部射出。然而，由於反光杯18之出光口限制了出光面，使得發光二極體之封裝結構10之出光面積S較小，若為了增 加出光面積，必須增加基板之面積，導致整個封裝結構之體積變大，並不符合現在工業上之需求。
有鑒於此，有提供一種出光面積大、出光效率高之發光二極體之封裝結構。
一種發光二極體封裝之結構，包括一透明基板、一設置於透明基板上之凹槽、及一位於該凹槽底部之晶粒，透明基板具有一第一表面、一第二表面以及連接所述第一表面及第二表面之側面，該凹槽位於該透明基板之第一表面，該發光二極體之封裝結構還包括覆蓋於所述透明基板之第二表面及側面之一金屬層，一對金屬電極位於凹槽底部並延伸穿過所述透明基板之第二表面及金屬層，一絕緣材料隔絕該金屬電極與該金屬層；金屬層將晶粒發出之並穿過透明基板之光線反射出去。
相對於習知技術，本發明透明基板之光透性更提高發光二極體之封裝結構之出光面積及出光效率。
18‧‧‧反光杯
10、20、30‧‧‧發光二極體之封裝結構
11‧‧‧基板
23‧‧‧導熱基板
15、24、34‧‧‧晶粒
25、12、35‧‧‧電極
17、253‧‧‧導線
16、26、36‧‧‧封裝膠
265‧‧‧螢光粉
27、37‧‧‧金屬層
275‧‧‧底板
271‧‧‧穿孔
276‧‧‧側壁
295‧‧‧絕緣材料
28‧‧‧導熱柱
38‧‧‧熱電致冷器
29、39‧‧‧透明基板
291‧‧‧第一表面
292‧‧‧第二表面
293‧‧‧側面
296‧‧‧凹槽
381‧‧‧第一基板
382‧‧‧第二基板
384‧‧‧熱電致冷單元
385‧‧‧導電片
386‧‧‧導電基底
387‧‧‧P型半導體塊
388‧‧‧N型半導體塊
40‧‧‧直流電源
A、S‧‧‧出光面積
θ‧‧‧角度
圖1為習知技術之發光二極體之封裝結構之剖面示意圖。
圖2為本發明第一實施例之發光二極體之封裝結構之剖面示意圖。
圖3為圖2之發光二極體之封裝結構之俯視圖。
圖4為圖2之發光二極體之封裝結構之仰視圖。
圖5為本發明第二實施例之發光二極體之封裝結構之剖面示意圖 。
下面將結合附圖對本發明實施例作進一步的詳細說明。
請參閱圖2至圖3，本發明第一實施例發光二極體之封裝結構20包括一透明基板29、一晶粒24、及二金屬電極25。該透明基板29具有一第一表面291、一與第一表面291相對之第二表面292及連接第一、第二表面291、292之側面293。該透明基板29在第一表面291上設有一凹槽296。所述晶粒24通過一導熱基板23設置在凹槽296之底部。該發光二極體之封裝結構20還包括一金屬層27覆蓋於所述透明基板29之第二表面292及側面293。所述二電極25位於凹槽296底部並延伸至所述透明基板29之第二表面292及穿過金屬層27，並利用一絕緣材料295與所述金屬層27隔絕。一導熱系統設置在透明基板29內連接導熱基板23與金屬層27，以將該晶粒24產生之熱量由導熱系統傳遞至金屬層27。本實施例中之導熱系統為一導熱柱28。該導熱柱28設置於所述導熱基板23下方並延伸至所述透明基板29之第二表面292連接所述金屬層27。
該晶粒24可以為III-V族化合物半導體晶片或II-VI族化合物半導體晶片，並且該晶粒24發出之光包含可見光或不可見光或可見光與不可見光之混光，例如：紫外(UV)光、藍光、綠光或多種波長光之混光。
所述二電極25分別置於凹槽296兩側，且每一電極25之頂端並分別通過導線253與晶粒24連接。每一電極25之底端均穿置於所述透明基板29及所述金屬層27。一絕緣材料隔絕所述金屬層27及所 述二電極25以防止結構短路之問題，所述絕緣材料可使用矽膠、環氧樹脂等。
該透明基板29可選用石英、氮化矽、玻璃或透明膠材等可透光性材質。一封裝膠26填充於所述凹槽296內以保護晶粒24。該封裝膠26可選用矽膠、環氧樹脂等透明膠材。封裝膠26內可添加合適之螢光粉265，以增加不同之出光顏色。所述螢光粉265可以為石榴石(garnet)結構之化合物、硫化物(sulfide)、磷化物(phosphate)、氮化物(nitride)、氮氧化物(oxynitride)、矽鋁氧氮聚合物(SiAlON)或矽酸鹽類(silicate)。
請一併參閱圖4，所述金屬層27覆蓋於所述透明基板29之第二表面292及側面293，將整個發光二極體之封裝結構20之側部及底部圍設。該金屬層27由具有發射功能及導熱性能良好之金屬材料支撐，可依據晶粒發出之波長選擇適當之金屬材料，如銅、鋁或銀等等。該金屬層27包括一覆蓋於透明基板29之第二表面292之底板275及覆蓋於透明基板29之側面293之側壁276。金屬層27之底板275設有二間隔之穿孔271，該穿孔之形狀不限，主要依據電極25形狀而定，以供電極25之底端穿設。其中每一穿孔271之尺寸均大於對應之電極25之尺寸，並且使金屬層27之底板275與每一電極25之底端均勻間隔以填充所述絕緣材料295，以防止電極25與金屬層27電連接而發生漏電。該側壁276與底板275呈一角度θ傾斜設置，以將晶粒24發出之光線透過封裝膠26後反射出。在本實施例中，該角度θ之值可以是大於90度且小於150度中選擇一個合適值以改變側壁276之傾斜角以提高光之反射率，此時，發 光二極體之封裝結構20之出光面積A相對習知技術之出光面積S較大。
該導熱柱28連接金屬層27之底板275與導熱基板23，以將晶粒24產生之熱量迅速傳遞至金屬層27上。可以理解地，該發光二極體之封裝結構20之晶粒24數量可以是多個，每一晶粒24可對應設置一導熱柱28連接所述金屬層27，或者設置一單個之導熱柱28一端同時連接所有晶粒24，另一端連接金屬層27。
本發明之發光二極體之封裝結構工作時，由於透明基板29之透光作用，使晶粒24發出之光線穿過透明基板29之側面293且經由金屬層27之側壁276朝出光面反射出去，增大了發光二極體之封裝結構20之出光面積A及出光率。同時，金屬層27之側壁276與底板275之間之角度θ亦可以根據設計需要選擇一個合適值以提高光之反射率。另外，晶粒24產生之熱量直接通過導熱柱28迅速傳遞至金屬層27之底板275及側壁276，使得發光二極體之封裝結構20具有良好之散熱性能，有別於傳統封裝結構只利用導線傳導電熱更能夠增加發光二極體之使用壽命。
請參閱圖5，為本發明第二實施例之發光二極體之封裝結構30，包括一透明基板39、一晶粒34、二電極35、一覆蓋於所述透明基板39之金屬層37、及一導熱系統。與第一實施例中之發光二極體之封裝結構20之不同之處在於，該發光二極體之封裝結構30之透明基板39之第一表面391為粗糙面，即其上設置凹凸之刻紋，以降低光線在透明基板39內出現全反射之概率，增加發光二極體之封裝結構30之出光率。
另外，與第一實施例中之發光二極體之封裝結構20之不同之處還在於，本實施例中之導熱系統為一熱電致冷器，該熱電致冷器(圖未標)包括一與晶粒34接觸之第一基板381、與金屬層37接觸之第二基板382、置於第一基板381與第二基板382之間之熱電致冷單元組。
該第一基板381及第二基板382均可為絕緣性及導熱性較好之材料製成。該熱電致冷單元組包括複數串聯在一起之熱電致冷單元384。在本實施例中，相鄰兩個熱電致冷單元384通過一導電片385形成電連接。每個熱電致冷單元384包括一導電基底386、及設置在該導電基底386一側並分別與該導電基底386電連接之P型半導體塊387與N型半導體塊388。該熱電致冷單元組之兩端分別與一直流電源40相連，其中圖5中直流電源40與發光二極體之封裝結構30之位置關係僅為簡單示意，並非具體之實物連接。
該P型半導體塊387與該N型半導體塊388分別為摻雜有Bi-Te系、Sb-Te系、Bi-Se系、Pb-Te系、Ag-Sb-Te系、Si-Ge系、Fe-Si系、Mn-Si系或者Cr-Si系化合物半導體之固態塊體(Solid-State Cube)。在本實施例中，該P型半導體塊387與該N型半導體塊388分別為P型Bi2Te3、N型Bi2Te3。
當直流電源40給熱電致冷單元組提供電能時，熱電致冷單元組所包括之多個熱電致冷單元384均會產生帕貼爾效應(Peltier Effect)，該熱電致冷單元組之靠近第一基板381一端之熱量可以通過P型半導體塊387及N型半導體塊388之傳輸作用被傳送到靠近第二基板382一端。在此，該晶粒24發出之熱量經由導熱性佳之 第一基板381傳導至該多個熱電致冷單元384，再通過P型半導體塊387及N型半導體塊388之傳輸作用將熱量傳送到該第二基板382，接著經由金屬層37快速傳導出去。
另外，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，例如適當變更透明基板、金屬層之材質及形狀、凹槽之深度，以及將熱管、平板熱管作為導熱系統等，當然，這些依據本發明精神所做之變化，都應包含在本發明所要求保護之範圍之內。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
20‧‧‧發光二極體之封裝結構
23‧‧‧導熱基板
24‧‧‧晶粒
25‧‧‧電極
253‧‧‧導線
26‧‧‧封裝膠
265‧‧‧螢光粉
27‧‧‧金屬層
275‧‧‧底板
271‧‧‧穿孔
276‧‧‧側壁
28‧‧‧導熱柱
29‧‧‧透明基板
291‧‧‧第一表面
292‧‧‧第二表面
293‧‧‧側面
295‧‧‧絕緣材料
296‧‧‧凹槽
A‧‧‧出光面積
θ‧‧‧角度

Claims (10)

  1. 一種發光二極體之封裝結構，包括一透明基板、一設置於透明基板上之凹槽、及一位於該凹槽底部之晶粒，透明基板具有一第一表面、一第二表面以及連接所述第一表面及第二表面之側面，該凹槽位於該透明基板之第一表面，該發光二極體之封裝結構還包括覆蓋於所述透明基板之第二表面及側面之一金屬層，一對金屬電極位於凹槽底部並延伸穿過所述透明基板之第二表面及金屬層，一絕緣材料隔絕該金屬電極與該金屬層；金屬層將晶粒發出之並穿過透明基板之光線反射出去，其中，所述凹槽自所述基板的第一表面的中部朝向第二表面凹陷，從而使所述晶粒發出之一部分光線自所述透明基板的第一表面的中部發散的朝向各個方向出射、另一部分光線射向金屬層、經金屬層反射後自所述透明基板的第一表面的邊緣朝向各個方向出射。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中該透明基板之第一表面為粗糙表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包括一設置於透明基板內之熱電致冷器，該熱電致冷器連接所述晶粒與金屬層以將該晶粒產生之熱量由熱電致冷器傳遞至金屬層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包括一設置於透明基板內之導熱柱，該導熱柱連接所述晶粒與金屬層以將該晶粒產生之熱量由導熱柱傳遞至金屬層。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包 括一導熱基板位於所述晶粒與所述導熱柱之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包括一對金屬導線電性連接所述晶粒與所述金屬電極。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包括一封裝膠填充於所述凹槽內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體之封裝結構，其中還包括螢光粉摻雜於所述封裝膠。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中該透明基板為石英、氮化矽、玻璃或是透明膠材。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體之封裝結構，其中該第二表面及所述側面之角度介於90度至150度之間。
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