TWI427834B - 發光二極體封裝結構 - Google Patents

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發光二極體封裝結構
本發明涉及一種二極體封裝結構，特別是指一種發光二極體封裝結構。
發光二極體憑藉其高光效、低能耗、無污染等優點，已被應用於越來越多的場合之中，大有取代傳統光源的趨勢。
業界常採用發光二極體通過混光方式產生光學特性適當的光線以實現照明或者調節氣氛目的，例如，為產生出日常照明所需之白光，目前業界通常採用兩種混光方法：一種是藍光晶片與黃色螢光粉搭配的方式；另一種是紅色晶片+藍光晶片+綠光晶片搭配的方式。然而，前一種混光方式由於僅有兩種顏色的光參與混合，導致最終合成的白光演色性(color rendering index)不足，特別是紅光的頻譜範圍尤其缺乏。後一種混光方式中由於三種晶片的發光效率各有不同，特別是綠光晶片的發光效率遠低於其他兩種晶片的發光效率(綠光晶片的發光效率為紅光晶片發光效率的1/3，為藍光晶片發光效率的1/6)。然而，為合成理想的白光，綠光所佔的比重又必須達到最大。因此在設計發光二極體時必須通過電流的調配來調節各晶片的出光強度，使最終混光不致出現偏色現象。顯然，為各晶片調配相應的電流將使發光二極體的電路結構較為複雜，導致整體成本較高。
提供一種低成本的多波段混光的發光二極體封裝結構。
一種發光二極體封裝結構，其包括基板、形成於基板上的三發光晶片及位於該三個發光晶片中的至少兩個的光路上的至少二螢光粉層，該至少二發光晶片發出的光通過該至少二螢光粉層後產生不同波段的光，每一發光晶片包括第一N型半導體層、P型半導體層及位於P型半導體層及N型半導體層之間的發光層，任一發光晶片的發光層面積與其最終出射光在三發光晶片出射光的混光中所佔的強度比重成正比。
發光二極體封裝結構將發光晶片的發光層面積設計為與其最終出射光在混光中所佔的比重成正比，即是說，最終出射光在混光中所佔比重越大，發光層面積相對來說也就越大。由於發光強度與發光面積成比例關係，因此發光層面積越大的發光晶片所具有的光強也就越大，從而使最終出射光在混光中的比值越高，以混合出理想的光線。由於僅需改變各發光晶片的發光層面積就可達到所需的混光，而無需借助特殊的電路結構來調節各發光晶片的電流，因此發光二極體封裝結構的電路相對簡單，成本低，有利於產業的推廣應用。
請參閱圖1-2，示出了第一實施例的發光二極體封裝結構。該發光二極體封裝結構包括一層基板10及生長於基板10上的三發光晶片20、30、40。該基板10可由藍寶石、矽、碳化矽等合適的生長材料所製成。該三發光晶片20、30、40包括一第一發光晶片20、一第二發光晶片30及一第三發光晶片40。該三發光晶片20、30、40是由連續生長於基板10上的一N型半導體層22、32、42、一P型半導體層24、34、44及一位於P型半導體層24、34、44及N型半導體層22、32、42之間的發光層26、36、46通過蝕刻等方法橫向截斷而成，由此，每一發光晶片20、30、40均包括一N型半導體層22、32、42、一P型半導體層24、34、44及一位於P型半導體層24、34、44及N型半導體層22、32、42之間的發光層26、36、46。該P型半導體層24、34、44、N型半導體層22、32、42及發光層26、36、46的製造材料優選為GaN，以發出紫外波段範圍的光線。該第二發光晶片30的發光層36面積大於第三發光晶片40的發光層46面積，並小於第一發光晶片20的發光層26面積，優選地，該第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層26、36、46面積比值為6:3:1。該第一發光晶片20上塗有一第一螢光粉層50，第二發光晶片30上塗有一第二螢光粉層60，第三發光晶片40上塗有一第三螢光粉層70。該第一螢光粉層50為一摻雜有綠色螢光粉顆粒的封膠層，第二螢光粉層60為一摻雜有紅色螢光粉顆粒的封膠層，第三螢光粉層70為一摻雜有藍色螢光粉顆粒的封膠層。該綠色螢光粉可由SrAl2 O4 、SrGa2 S4 、(Zn,Cd)S及YBO3 ,Y2SiO3 等材料所製成；紅色螢光粉可由SrS、Sr2 Si5 N8 及Gd2 O2 S等材料所製成；藍色螢光粉可由ZnS、Sr5 (PO4 )Cl及BaMgAl10 O17 等材料所製成。通常而言，採用三基色合成的白光中所需綠光比重最大，紅光次之，藍光最少。另一方面，由於發光晶片20、30、40的發光強度與其發光層26、36、46面積成正比關係，即發光層26、36、46面積越大，其發光強度越大，因此第一發光晶片20的發光層26面積最大，以使經過綠色的第一螢光粉層50轉換成的綠光的強度達到最大，第三發光晶片40的發光層46面積最小，以使經過藍色第三螢光粉層70轉換成的藍光的強度最小，面積居中的第二發光晶片30發出的紫外光經紅色的第二螢光粉層60轉換之後所產生的紅光強度介於二者之間。由此，各發光晶片30、30、40的最終出射光中綠光所佔的比重最大，紅光次之，藍光最少，從而合成較為理想的白光。特別地，由於白光中綠光、紅光及藍光的強度比重在6:3:1時能達到良好的混光效果，因此第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層26、36、46面積也優選為6:3:1。經由此種發光層26、36、46面積差異化設計，各發光晶片20、30、40發出的光經各自的螢光粉層50、60、70轉換後得到的最終出射光可以預定的比重混合，從而使合成的白光接近日光的效果。
如圖3所示，可以理解地，該三發光晶片20、30、40由於是由連續生長的P型半導體層24、34、44、N型半導體層22、32、42及發光層26、36、46截斷而成，在確保發光層26、36、46面積滿足上述條件的情況下，三發光晶片20、30、40還可共用一N型半導體層80，即僅截斷P型半導體層24、34、44及發光層26、36、46而保留N型半導體層80，同樣能起到上述較佳的混光作用。
圖4示出了本發明另一實施例的發光二極體封裝結構，與前一實施例不同的是，其各發光晶片20、30、40的發光層26、36、46所發出的光線位於藍光波長範圍內。由於本身即可發出藍光，因此第三發光晶片30未配備藍色的第三螢光粉層70。第一發光晶片20發出的最終出射光為經過第一綠色螢光粉層50轉換之後的綠光，第二發光晶片30發出的最終出射光為經過第二紅色螢光粉層60轉換之後的紅光，第三發光晶片40發出的最終出射光則為未經過螢光粉轉換的初始藍光。由於第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層26、36、46面積呈遞減變化，因此各發光晶片20、30、40的最終出射光中綠光的比重最大而藍光的比重最小。特別地，第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層26、36、46面積比也優選為6:3:1。
由於是通過各發光晶片20、30、40的發光層26、36、46面積的分配來對各發光晶片20、30、40的輸出光強進行調節，從而最終混合出較為理想的白光。相比於傳統技術中通過複雜的電路結構來調節各發光晶片的電流的方法，發光二極體封裝結構的電路結構極為簡單，無需為每個發光晶片20、30、40單獨調配特定的電流，可有效降低生產成本，有利於業界的推廣應用。
此外，由於發光二極體封裝結構的各發光晶片20、30、40是直接生長在同一基板10上的，相比於傳統技術中的採用不同的多晶片封裝的發光二極體而言，可有效防止各發光晶片20、30、40之間間距不易控制而導致佔用體積過大的問題，更有利於縮減發光二極體的尺寸。
可以理解地，由於不同材料的螢光粉對於不同波長的發光晶片20、30、40的光的轉換效率也不盡相同，因此各發光晶片20、30、40的發光層26、36、46面積還可進一步根據各自的螢光粉層50、60、70的光轉換效率進行調整，以使最終混合出的白光更接近實際需求。設定第一螢光粉層50對於第一發光晶片20的光轉換效率為E1 ，第二螢光粉層60對於第二發光晶片30的光轉換效率為E2 ，第三螢光粉層70對於第三發光晶片40的光轉換效率為E3 ，混合白光中綠光、紅光及藍光的比重為I1 :I2 :I3 ，那麼在綜合考量螢光粉光轉換效率及白光中各顏色所佔的比重，第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層面積比值應優選為I1 E2 E3 :I2 E1 E3 :I3 E1 E2 。舉例而言，假定E1 =70%；E2 =60%；E3 =75%，且I1 :I2 :I3 =6:3:1，那麼第一發光晶片20、第二發光晶片30及第三發光晶片40的發光層26、36、46面積比值大致應為6.4:3.8:1。此外，對於未使用螢光粉的發光晶片40而言，其光轉換效率應為100%，對應到後一實施例中的第三發光晶片40，其E3 應當為1。
上述實施例以產生理想白光為例，可以理解地，本發明的發光二極體封裝結構也可以根據照明、調節氣氛或演色性需要通過調節上述發光晶片的面積而產生其他色溫的光線。
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。
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一發光晶片
22、32、42、80‧‧‧N型半導體層
24、34、44‧‧‧P型半導體層
26、36、46‧‧‧發光層
30‧‧‧第二發光晶片
40‧‧‧第三發光晶片
50‧‧‧第一螢光粉層
60‧‧‧第二螢光粉層
70‧‧‧第三螢光粉層
圖1為本發明第一實施例的發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖2為圖1的發光二極體封裝結構的俯視圖。
圖3為本發明第二實施例的發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖4為本發明第三實施例的發光二極體封裝結構的剖面圖。
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一發光晶片
22、32、42‧‧‧N型半導體層
24、34、44‧‧‧P型半導體層
26、36、46‧‧‧發光層
30‧‧‧第二發光晶片
40‧‧‧第三發光晶片
50‧‧‧第一螢光粉層
60‧‧‧第二螢光粉層
70‧‧‧第三螢光粉層

Claims (12)

  1. 一種發光二極體封裝結構，其包括基板、形成於基板上的三發光晶片及位於該三個發光晶片中的至少兩個的光路上的至少二螢光粉層，該至少二發光晶片發出的光通過該至少二螢光粉層後產生不同波段的光，每一發光晶片包括第一N型半導體層、P型半導體層及位於P型半導體層及N型半導體層之間的發光層，其改良在於：任一發光晶片的發光層面積與其最終出射光在三發光晶片出射光的混光中所佔的強度比重成正比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該三發光晶片為第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片，該三發光晶片均生長於該基板上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體封裝結構，其中至少二螢光粉層包括對應於第一發光晶片的第一螢光封層及對應於第二發光晶片的第二螢光粉層，第一螢光粉層包含綠色的螢光粉，第二螢光粉層包括紅色的螢光粉。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體封裝結構，其中該三發光晶片為藍光發光晶片。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體封裝結構，其中至少二螢光粉層還包括對應第三發光晶片的第三螢光粉層，該第三螢光粉層包括藍色的螢光粉。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體封裝結構，其中該三發光晶片為紫外發光晶片。
  7. 如申請專利範圍第1至6任一項所述之發光二極體封裝結構，其中第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片的發光層面積逐漸減小。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體封裝結構，其中第一發光晶片、第二發光層晶片及第三發光層晶片的發光層面積比為6:3:1。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體封裝結構，其中第一螢光粉層的光轉換效率為E1 ，第二螢光粉層的光轉換效率為E2 ，混光中綠光、紅光及藍光所佔比重為I1 :I2 :I3 ，第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片的發光層面積比為I1 E2 :I2 E1 :I3 E1 E2 。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體封裝結構，其中第一螢光粉層的光轉換效率為E1 ，第二螢光粉層的光轉換效率為E2 ，第三螢光粉層的光轉換效率為E3 ，混光中綠光、紅光及藍光所佔比重為I1 :I2 :I3 ，第一發光晶片、第二發光晶片及第三發光晶片的發光層面積比值為I1 E2 E3 :I2 E1 E3 :I3 E1 E2 。
  11. 如申請專利範圍第1至6任一項所述之發光二極體封裝結構，其中該三發光晶片的P型半導體層、N型半導體層及發光層彼此斷開。
  12. 如申請專利範圍第1至6任一項所述之發光二極體封裝結構，其中該三發光晶片的P型半導體層及發光層彼此斷開，N型半導體層連接為一整體。
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