TWI407603B - 發光元件封裝結構及其製程 - Google Patents

Description

發光元件封裝結構及其製程

本發明涉及一種半導體發光元件，特別是關於一種半導體發光元件的封裝結構及其製程。

固態發光元件(solid state light emitting device)之技術日益進步，越來越多產品的發光源均採用發光二極體(light emitting diode,LED)或雷射二極體(laser diode,LD)，例如照明(lighting)或背光模組(backlight unit)。固態發光元件相較於傳統燈泡其特點包含較長的壽命、較低的能量消耗、較低的熱能產生、較少的紅外光光譜產生、以及元件尺寸較小(compact)。

隨著應用產品的需求增加，更多應用產品對於元件的發光效率(efficiency)以及壽命(life)的要求也逐漸增加。例如美國專利號US6531328之先前技術，利用金屬的材料形成該封裝結構之反射層。但金屬材料仍然具有吸光的特性，會降低元件的發光效率，並且以金屬鍍層作為反射層需多道的加工製程方能完成，會增加製程時間而減少製程效率。

因此，鑿於上述發明背景，現今仍需要一種新的技術或結構 應用於該項領域以解決上述先前技術之缺失。

鑿於上述發明背景，本發明之目的為提供一具有高發光效率的固態發光元件封裝結構。

本發明揭露一固態發光元件之封裝結構，包含一支架，具有一第一面以及一第二面，其中第一面以及第二面分別位於支架之相對兩側，並且所述之第一面包含一多層膜結構，係兩種以上不同之光折射系數的物質交疊而成；一導線架，於支架之第一面上，其中導線架包含至少一第一電極以及至少一第二電極，並且第一電極與第二電極彼此電性不相同；一發光元件，位於導線架上且分別電性連結於第一電極以及第二電極，其中發光元件係用以發出至少一第一波長之光線；一封裝層，覆蓋於支架之第一面上，其中封裝層係包覆發光元件以及部份導線架。

藉由上述固態發光元件之封裝結構，可以增加固態發光元件的發光效率。

1、2、3‧‧‧固態發光元件之封裝結構

10、10’、60、100‧‧‧支架

11、61、310‧‧‧第一面

12、62、320‧‧‧第二面

13‧‧‧凹杯

20、20’、70、90‧‧‧導線架

21、21’、71、71’、210、910‧‧‧第一電極

22、22’、72、72’、220、920‧‧‧第二電極

23、73‧‧‧第一延伸電極

24、74‧‧‧第二延伸電極

30、30’、31、32‧‧‧發光元件

40、80、800‧‧‧封裝層

41、81、810‧‧‧螢光轉換物質

50‧‧‧絕緣部

101、601‧‧‧第一孔洞

102、602‧‧‧第二孔洞

110、610、710‧‧‧多層膜結構

111、611、711‧‧‧第一膜結構

112、612、712‧‧‧第二膜結構

200‧‧‧熱傳導部

1001‧‧‧第一部

1002‧‧‧第二部

S1~S6‧‧‧步驟

圖1A為本發明第一實施例的固態發光元件之封裝結構之俯視示意圖；圖1B為本發明第一實施例的固態發光元件之封裝結構之剖面示意圖；圖2為本發明一固態發光元件之導線架之剖面示意圖； 圖3A為本發明第二實施例的固態發光元件之封裝結構之俯視示意圖；圖3B為本發明第二實施例的固態發光元件之封裝結構之剖面示意圖；圖4A為本發明第三實施例的固態發光元件之封裝結構之俯視示意圖；圖4B為本發明第三實施例的固態發光元件之封裝結構之剖面示意圖；圖5A為本發明一固態發光元件之第一延伸電極之剖面示意圖；圖5B為本發明一固態發光元件之第二延伸電極之剖面示意圖；以及圖6為本發明提供之一固態發光元件封裝結構之製程的流程示意圖。

本發明在此所探討的方向為一種固態發光元件。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固態發光元件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。

下文將配合圖示與範例，詳細說明本發明提供之各個較佳實施例及技術內容。

請參照圖1A以及圖1B，本發明揭露一第一實施例的固態發光元件之封裝結構1，包含一支架10、一導線架20、一發光元件30以及一封裝層40，其中支架10包含一第一面11以及一第二面12，並且第一面11以及第二面12分別位於支架10之相對兩側。

發光元件30係設置於導線架20上，且電性連結導線架20，其中發光元件30可以利用打線(wire bonding)、共晶(eutectic)或覆晶(flip chip)的技術電性連結導線架20。值得說明的是，本發明實施例的發光元件30是利用導線架20同時作為熱能與電能傳導的路徑。然而，請參照圖2，於本發明的另一實施例中，發光元件30’是透過導線架20’作為熱電分離的傳導路徑，其中導線架20’設置於支架10’上且包含一第一電極210、一第二電極220以及一熱傳導部200。第一電極210以及第二電極220係用以將發光元件30’之金屬電極導通至外部電路的電極，而熱傳導部200用以將發光元件30’產生的熱能傳導至外部。熱傳導部200與第一電極210以及第二電極220彼此電性分離，並形成熱電分離之結構。藉此，不僅可以增加發光元件30’之熱能消散速率，同時可以避免電能與熱能彼此干擾而影響元件的功能。另外，所述發光元件30係用以發出至少一第一波長之光線，於本發明 所提供之較佳實施例中，發光元件30包含III-V族化合物半導體晶片或II-VI族化合物半導體晶片，並且至少一第一波長之光線包含可見或不可見的波長，例如：紫外(UV)光、藍光、綠光或多波長混光的波長。

封裝層40係形成於支架10之第一面11且覆蓋發光元件30以及導線架20，藉由覆蓋發光元件30以及部份導線架20以保護發光元件30之功能免受外力破壞。然而，封裝層40的材質包含矽膠(silicone)、環氧樹脂(epoxy)或其它任一可透光之材料，其中封裝層40可摻雜螢光轉換物質41於其中。當螢光轉換物質41受到第一波長之光線激發後，會發出不同於第一波長的第二波長之光線，並且第二波長之光線與第一波長的光線混光後形成多波段的混光，使得固態發光元件之封裝結構1可同時發出具有多波長的光線。於本發明提供的較佳實施例中，螢光轉換物質41包含為釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、矽酸鹽、氮化物、氮氧化物、磷化物、硫化物或其組合。

導線架20係設置於支架10之第一面11上，其中導線架20包含至少一第一電極21以及至少一第二電極22，並且第一電極21與第二電極22彼此電性不相同。為了使固態發光元件之封裝結構1形成一表面黏著的元件(surface mounted device,SMD)，第一電極21以及第二電極22則分別透過一第一延伸電極23以及一第二延伸電極24延伸至支架10之第二面12上；即第一電極21’以及第二電極22’，同時發光元件30之電性可 以分別藉由第一電極21、21’與第二電極22、22’延伸至第二面12上，使得固態發光元件之封裝結構1形成表面黏著的元件。於本發明所揭露的固態發光元件之封裝結構1中，支架10更包含一第一孔洞101以及一第二孔洞102，其中第一孔洞101以及第二洞102係從支架10之第一面11貫穿至第二面12。所述之第一延伸電極23係設置於第一孔洞101內，而第二延伸電極24係設置於第二孔洞102內。值得說明的是，本發明所揭露之第一延伸電極23以及第二延伸電極24並不侷限設置於第一孔洞101以及第二洞102內，亦可以設置於支架10之其它的位置。

於本發明的固態發光元件之封裝結構1中，支架10自第一面11設置一凹杯13，並且發光元件30係設置於凹杯13中。然而，凹杯13係作為發光元件30之反射杯，用以增加發光元件30的發光效率同時可以固定固態發光元件之封裝結構1的光場以及集中出光的方向。再者，為增加凹杯13之反射功能，凹杯13的內表面設置一多層膜結構110，其中多層膜結構110包圍發光元件30。進一步說明之，所述之多層膜結構110係利用兩種以上不同之物質交疊而成，並且兩種不同物質的光折射係數(refractive index)亦不相同。於本發明的固態發光元件之封裝結構1中，多層膜結構110係包含複數層第一膜結構111以及複數層第二膜結構112彼此交疊而成。於本發明較佳的實施例中，第一膜結構111以及第二膜結構112的厚度約為發光元件30發出之第一波長的四分之一等效光層的倍數 ，即第一膜結構111或第二膜結構112的厚度為λ/4n的倍數，其中λ為第一波長的長度，n為第一膜結構111或第二膜結構112的折射率。然而，熟知本項技藝者皆知，第一膜結構111與第二膜結構112彼此交疊的次數並不侷限。所述之多層膜結構110可套用下列公式(1)達到布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)的功效。

上述之n0為周遭環境之折射率，ns為支架10之折射率，n1為與n2為交疊層之折射率，即第一膜結構111以及第二膜結構112的折射率，而N為交疊層之交疊數。當R值接近1時(R≒1)，可以使多層膜結構110之反射效果較佳。由於頻率落在能隙範圍內的電磁波無法穿透，布拉格反射鏡在任何入射角的反射率可以高達99%以上。並且，可以透過選擇不同折射率的材料或改變多層膜的厚度以調整能隙位置，設計出操作頻率範圍不同的反射鏡。

請參照圖3A與圖3B，本發明提供一第二實施例的固態發光元件之封裝結構2，包含一支架60、一導線架70、一發光元件31以及一封裝層80，其中支架60包含一第一面61以及一第二面62，並且第一面61以及第二面62分別位於支架60之相對兩 側。值得說明的是，第一實施例與第二實施例中相同的元件不再贅述，且第二實施例之第一面61為一平坦面，使得固態發光元件之封裝結構2具有較寬之出光光場。此外，固態發光元件之封裝結構2更包含一多層膜結構610形成於第一面61之上，其中多層膜結構610可以增加第一面61之反射功能。多層膜結構610為複數層第一膜結構611以及複數層第二膜結構612彼此交疊而成，並且第一膜結構611與第二膜結構612彼此具有不同的光折射係數。於本發明較佳的實施例中，第一膜結構611以及第二膜結構612的厚度約為發光元件31發出光波長的四分之一等效光層的倍數，即第一膜結構611或第二膜結構612的厚度為λ/4n的倍數，其中λ為第一波長的長度，n為第一膜結構611或第二膜結構612的折射率。然而，熟知本項技藝者皆知，第一膜結構611與第二膜結構612彼此交疊的次數並不侷限。再者，多層膜結構610亦可套用公式(1)達到布拉格反射鏡的功效。

請參照圖4A與圖4B，本發明提供一第三實施例的固態發光元件之封裝結構3，包含一支架100、一導線架90、一發光元件32以及一封裝層800，其中封裝層800可以包含螢光轉換物質810。值得說明的是，第三實施例與前述實施例相同的元件以及功能不再贅述。支架100包含一第一部1001以及一第二部1002，且第一部1001以及第二部1002彼此分離。導線架90包含一第一導線架910設置於第一部1001以及一第二導線架920設置於第二部1002，第一導線架910以及第二導線架 920彼此電性不同。於本發明較佳實施例中，支架100為金屬材質，且第一部1001以及第二部1002之間可以包含一絕緣部50用以隔離第一部1001以及第二部1002的電性。進一步說明之，發光元件32的電性可以透過導線架90以及支架100，將電氣訊號傳導至封裝結構3的底部。再者，支架100具有一第一面310以及一第二面320，並且第一面310以及第二面320分別位於支架100之相對兩側。固態發光元件之封裝結構3更包含一多層膜結構710位於第一面310上，且分別形成於支架100以及絕緣部50上。多層膜結構710為複數層第一膜結構711以及複數層第二膜結構712彼此交疊而成，並且第一膜結構711與第二膜結構712彼此具有不同的光折射係數。於本發明較佳的實施例中，第一膜結構711以及第二膜結構712的厚度約為發光元件32發出光波長的四分之一等效光層的倍數，即第一膜結構711或第二膜結構712的厚度為λ/4n的倍數，其中λ為第一波長的長度，n為第一膜結構711或第二膜結構712的折射率。然而，熟知本項技藝者皆知，第一膜結構711與第二膜結構712彼此交疊的次數並不侷限。再者，多層膜結構710亦可套用公式(1)達到布拉格反射鏡的功效。

於本發明不同的實施例中，支架10、60可以為矽(silicon)、金屬(metal)、陶瓷(ceramic)或聚合物(polymer)的材料，其中第一實施例的固態發光元件之封裝結構1中，凹杯13可以利用濕式蝕刻(wet-etching)、乾式蝕刻(dry-etching)、機械(mechanic)或雷射(laser)的技術形 成。再者，所述之第一孔洞101、601以及第二孔洞102、602可以利用濕式蝕刻、乾式蝕刻、機械或雷射等技術形成。然而，熟知本項技藝者皆知，第一孔洞101、601以及第二孔洞102、602之形狀並不侷限於此，亦可以為其它之規則或不規則的形狀，例如：梯形、倒梯形、三角形或其組合(未顯示圖示)。

於本發明不同的實施例中，導線架20、70可以為氧化銦錫(ITO)、銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)或其合金(alloy)的材料，並且利用電鍍法(plating process)、濺鍍(sputtering)、蒸鍍(evaporation deposition)或電子束(electronic beam)的技術形成。當支架10、60為可導電性的材料所組成時；如低電阻的矽或金屬，可設置一絕緣層(未顯示圖示)於支架10、60以及導線架20、70之間，以避免電性問題而影響發光元件30、31之功能。所述的實施例中，第一延伸電極23、73以及第二延伸電極24、74分別設置於第一孔洞101、601以及第二孔洞102、602內，並且填滿第一孔洞101、601以及第二孔洞102、602。然而於本發明不同的實施例中，請參照圖5A以及圖5B，第一延伸電極23以及第二延伸電極24分別設置於第一孔洞101以及第二孔洞102之側壁並且從支架10之第一面11延伸至第二面12，其中第一延伸電極23以及第二延伸電極24未填滿第一孔洞101以及第二孔洞102。同樣地，第二實施例的固態發光元件之封裝結構2中，第一延伸電極73以及第二延伸電極 74分別設置於第一孔洞601以及第二孔洞602之側壁並且從支架60之第一面61延伸至第二面62，其中第一延伸電極73以及第二延伸電極74未填滿第一孔洞601以及第二孔洞602(未顯示圖)。

於本發明實施例中，多層膜結構110、610、710可以為不同折射率之材料層彼此交疊而成，其中多層膜結構110、610、710的材料包含氧化矽、氧化鈦、氧化銦錫、摻鋁之氧化鋅、氧化鋁或其組合。而多層膜結構110、610、710可以是利用電子束蒸鍍(E-Gun)、濺鍍技術(sputtering deposition)、脈衝雷射蒸鍍(pulsed laser deposition,PLD)或高能離子電漿法(plasma technology)的技術形成。

請參照圖6之步驟S1至S6，本發明提供一較佳的實施例，其中固態發光元件封裝結構的反射層不需額外的加工製程以製作金屬鍍層，而僅需要利用簡單的製程即可完成，且可以簡化製程與減少製作的生產週期時間(cycle time)，其步驟包含：提供一矽晶圓(silicon wafer)包含一第一面以及一相對於第一面之第二面，其材質可以為低電阻或高電阻的特性。進一步說明之，高電阻的矽晶圓其電阻率(resistivity)約為1至30000歐姆-公分(ohm-centimeter)且可摻雜硼(B)或磷(P)，而低電阻的矽晶圓其電阻率約為0.001至0.02歐姆-公分且可摻雜硼(B)、砷(As)、銻(Sb)或磷(P)； 設置一多層膜結構於矽晶圓之第一面上，其中多層膜結構包含複數層第一膜結構以及複數層第二膜結構，利用電子束蒸鍍、濺鍍技術、脈衝雷射蒸鍍或高能離子電漿法的技術彼此交疊於第一面上。值得說明的是，當矽晶圓使用低電阻的材料且第一膜結構為可導電性的材料(例如氧化銦錫或摻鋁之氧化鋅)時，需設置一絕緣層於矽晶圓以及第一膜結構之間避免電性受干擾，其中絕緣層可以為氧化矽或氮化矽。本發明提供一較佳的實施例，第一膜結構為氧化矽而第二膜結構為氧化鈦，其中氧化矽與矽晶圓同質性高並且可以利用氧化法直接形成於矽晶圓表面，其製程簡單且不需額外的加工製程；設置導線架於矽晶圓之第一面以及第二面，其中導線架是從第一面延伸至第二面。導線架可以為氧化銦錫(ITO)、銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)或其合金(alloy)的材料，並且利用電鍍法、濺鍍、蒸鍍或電子束的技術形成；設置複數個發光元件於矽晶圓上且電連結導線架，其中複數個發光元件可以利用打線、共晶或覆晶的技術電連結導線架；形成複數個封裝層覆蓋發光元件，其中封裝層可以包含螢光轉換物質，並且利用注射成型(injection molding)或轉注成型(transfer molding)的技術形成；以及 切割矽晶圓並形成複數個封裝結構，其中每一個封裝結構包含至少一發光元件，並且切割的手段可以利用機械切割或雷射切割的技術實施。

從本發明之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，本發明利用多層膜結構作為固態發光元件封裝結構之反射面，可增加固態發光元件的發光效率。另外，本發明所提供之多層膜結構的製程簡單，不需額外的加工製程以製作金屬鍍層，僅需要利用簡單的製程即可完成。

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。

1‧‧‧固態發光元件之封裝結構

10‧‧‧支架

11‧‧‧第一面

12‧‧‧第二面

13‧‧‧凹杯

20‧‧‧導線架

21,21’‧‧‧第一電極

22,22’‧‧‧第二電極

23‧‧‧第一延伸電極

24‧‧‧第二延伸電極

30‧‧‧發光元件

40‧‧‧封裝層

41‧‧‧螢光轉換物質

101‧‧‧第一孔洞

102‧‧‧第二孔洞

110‧‧‧多層膜結構

111‧‧‧第一膜結構

112‧‧‧第二膜結構

Claims (11)

1. 一發光元件之封裝結構，包含：一支架，具有一第一面以及一第二面，其中該第一面以及該第二面分別位於該支架之相對兩側，並且該第一面設有一多層膜結構，係兩種以上不同之光折射係數的物質交疊而成，該多層膜結構係包含複數層第一膜結構以及複數層第二膜結構彼此交替堆疊而成，第一膜結構與第二膜結構彼此光折射係數不相同；一導線架，於該支架之該第一面上，其中該導線架包含至少一第一電極以及至少一第二電極，並且該第一電極與該第二電極彼此電性不相同；一發光元件，位於該導線架上並且該發光元件分別電性連結於該第一電極以及該第二電極，其中該發光元件係用以發出至少一第一波長之光線；以及一封裝層，覆蓋於該支架之該第一面上，而該封裝層係包覆該發光元件以及部份該導線架。
2. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該導線架更包含一熱傳導部，分別與該第一電極以及該第二電極彼此電性分離並且該發光元件係設置於該熱傳導部上。
3. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該第一電極以及該第二電極係由該支架之該第一面延伸至該第二面。
4. 根據請求項3所述之發光元件之封裝結構，其中該支架包含 複數個孔洞，並且該複數個孔洞係由該第一面貫穿至該第二面，而該第一電極以及該第二電極係藉由該複數個孔洞從該支架之該第一面延伸至該第二面。
5. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該第一面設有一凹杯，並且該發光元件係位於該凹杯中。
6. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該多層膜結構為一布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)。
7. 根據請求項6所述之發光元件之封裝結構，其中該多層膜結構之每一層厚度為該第一波長的四分之一等效光層的倍數。
8. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該多層膜結構係藉由氧化矽、氮化矽、氧化鈦、氧化銦錫、鋁氧化鋅或氧化鋁之其中至少兩種材料彼此交疊而成。
9. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，其中該支架之材質包含矽(silicon)、金屬(metal)、陶瓷(ceramic)或聚合物(polymer)。
10. 根據請求項1所述之發光元件之封裝結構，更包含至少一種螢光轉換物質於該封裝層中，其中該螢光轉換物質選自釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、矽酸鹽、氮化物、氮氧化物、磷化物或硫化物。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體燈具，其中該發光二極體燈具還包括一定位柱，該定位柱穿過框體之蓋板並藉由螺母與蓋板相固定。