TWI435483B - 發光二極體封裝及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種發光二極體(LED)封裝，特別是關於一種能夠防止在接合過程中產生問題的LED封裝及製造該LED封裝的方法。
近來，LED因為具有小尺寸、低功耗和高可靠性的特點被廣泛地使用。例如，LED用於顯示裝置中的電照明和光源。特別地，為了替代螢光燈，可以使用發白色光的LED。發白色光的LED也用在液晶顯示(LCD)裝置中的背光單元。
第1圖為先前技術中LED封裝的剖面圖。如第1圖所示，LED封裝10包括用於發光的LED晶片20、作為外殼的殼體30、螢光粒子40、第一電極導線50a和第二電極導線50b、導熱體60、對線路70、以及透鏡80。透鏡80蓋住LED晶片20和螢光粒子40。
所述LED晶片20位於導熱體60上。該導熱體60具有一空間。導熱體60的該空間利用殼體30覆蓋並封裝有螢光粒子40。第一電極導線50a和第二電極導線50b穿設通過導熱體60，並且各個第一電極導線50a和第二電極導線50b的一端從殼體30突出電性連接至一外部電流供應單元(圖中未示)從而接收用於LED晶片20的驅動電流。各個第一電極導線50a和第二電極導線50b的另一端分別通過線路70電性連接至LED晶片20。透鏡80覆蓋LED晶片20、螢光粒子40、導熱體60和線路70，並控制來自LED晶片20的光的角度。
當驅動電流施加於LED晶片20時，該LED晶片20發光。來自LED晶片20的光與來自螢光粒子40的光混合從而產生白色光。從而，白色光通過透鏡80發射。
所述LED封裝10需要線路70從外界電流供應單元提供驅動電流至LED晶片20。不幸地是，在線路70上可能存在一開口缺陷。此外，由於線路70位於發射自LED晶片20的光的路徑上，LED封裝10的照明效率會因此降低。進而，需要一接合過程，例如，利用一焊接過程來連接線路70至LED晶片20。所述接合過程非常複雜，所以也會降低產量。
因此，本發明旨在一種LED封裝及製造該LED封裝的方法，基本避免了由於先前技術的侷限和不足導致的一個或多個問題。
本發明的一個目的是提高LED封裝的照明效率。
本發明的另一個目的是在LED封裝的接合過程中防止問題。
為了達到這些活其他優點並依據本發明的目的，如具體而廣泛描述地，一發光二極體(LED)封裝包括：一殼體，具有第一導線框和第二導線框，通過該殼體而設置；一LED晶片，設置在該殼體上，該LED晶片具有第一電極和第二電極，該第一電極和第二電極通過一共晶接合分別直接連接至該第一導線框和第二導線框；以及一透鏡，設置在覆蓋該LED晶片的殼體之上。
在另一個方面，一種製造一發光二極體(LED)封裝的方法，包括：形成一殼體，在該殼體的表面上具有第一導線框和第二導線框；形成一LED晶片，其具有一透明基板、一LED結構、一第一電極和一第二電極；在該殼體上安裝該LED晶片以使該第一電極和該第二電極直接接觸該第一導線框和該第二導線框；在該第一電極和該第一導線框以及該第二電極和該第二導線框間的接觸部分上照射電磁輻射以便產生共晶接合。
本發明的額外的特點和優點將在下面描述中闡述，並將從描述中瞭解，或者可從實踐本發明中認識到。本發明的目的和其他優點將從在文字描述中特別指出地結構及權利要求書以及所附圖式中認識並獲得。
可以理解地是本發明前面概述和後面詳述均為示例性和解釋性的並意在為本發明的保護範圍提供進一步地解釋說明。
下文中將詳細描述本發明的實施例，並同時參閱相關圖式。
第2圖為本發明實施例中LED晶片的示意性剖面圖。如第2圖所示，一LED晶片100包括：一基板101、一n型半導體層120、一活性層130、一p型半導體層140、第一反射板170a和第二反射板170b、一第一電極150和一第二電極160。p型半導體層140和n型半導體層120形成一順向偏壓接面。基板101可由透明材料形成，如藍寶石。可選地，氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)或氮化鋁(AlN)可用作基板101。
n型半導體層120形成在基板101上。為了改善晶格接面結構，一緩衝層(圖中未示)可形成在基板101和n型半導體層120之間。緩衝層可由GaN或AlN/GaN形成。所述n型半導體層120可由GaN或GaN/AlGaN形成，其摻雜有n型導電雜質。例如，所述n型導電雜質可以為矽(Si)、鎵(Ga)或錫(Sn)。在此，通常使用Sn。
活性層130形成在n型半導體層120上。活性層130由基於GaN的材料形成，從而活性層130具有一單一量子井結構、一多量子井結構、或者超晶格結構。例如，AlGaN、AlNGaN、InGaN其中至少一個可用作活性層130。
p型半導體層140形成在活性層130上。該p型半導體層140可由GaN或GaN/AlGaN形成，其摻雜有p型導電雜質。例如，p型導電雜質可以為鎂(Mg)、鋅(Zn)或鈹(Be)。在此，通常使用Mg。
所述p型半導體層140和活性層130通過臺面蝕刻暴露出n型半導體層120的一部分。意味著，各個p型半導體層140和活性層130都交疊n型半導體層120的另一個部分。
所述第一電極150形成於n型半導體層120的一部分之上，而第二電極160形成於p型半導體層140之上。所述第一電極150和第二電極160具有自基板101起算實質相同的高度。這可稱作一頂-頂型結構。所述LED晶片100可稱作一水平型。
當電壓施加於第二電極160和第一電極150時，電洞和電子分別注入p型半導體層140和n型半導體層120。電洞和電子在活性層130中再結合，從而使光線射出並通過基板101。
根據本發明實施例中的LED晶片100，第一反射板170a設置在n型半導體層120上而在第一電極150下面，並且第二反射板170b設置在p型半導體層140上而在第二電極160下面。通過使用第一反射板170a和第二反射板170b，LED晶片100的光效得以提高。
各個第一反射板170a和第二反射板170b都由具有可見光波長、紅外線波長和紫外線波長中大約70%以上反射率的高反射屬性材料形成。又，當第一電極150和第二電極160通過第一反射板170a和第二反射板170b連接時，各個第一反射板170a和第二反射板170b應為電性導通。例如，銀(Ag)、鋁(Al)、鉬(No)或鉻(Cr)可用作第一反射板170a和第二反射板170b。在此，用於第一反射板170a和第二反射板170b的材料可沉積為一膜。
第3圖為本發明實施例中LED封裝的示意性剖面圖，並且第4圖為顯示本發明實施例中LED晶片與LED封裝的接合特性的示意性剖面圖。
如第3圖和第4圖所示，LED封裝200包括：一導線框250，其包括第一導線框250a和第二導線框250b、一導熱體260、LED晶片100、一作為外殼的殼體230和覆蓋LED晶片100的一透鏡280。
LED晶片100為一水平型並包括第一電極150(第2圖)和第二電極160(第2圖)。LED晶片100設置在導線框250之上，與第3圖的方向相比處於相反方向。第一電極150和第二電極160電連接至第一導線框250a和第二導線框250b，從而使電力提供至LED晶片100。結果，LED晶片100發光。
來自LED晶片100的熱量通過導熱體260傳遞至外界。導熱體260由熱導材料形成，如金屬材料。導熱體260具有一空間。導熱體260的空間由殼體230覆蓋並封裝有螢光粒子240。然而，導熱體260可以忽略。在此情況中，螢光粒子240設置在殼體230中。
第一導線框250a和第二導線框250b可通過殼體230或導熱體260設置，並且各個第一導線框250a和第二導線框250b的一端從殼體230突出。如果使用導熱體，第一導線框250a和第二導線框250b可接觸導熱體260。各個第一導線框250a和第二導線框250b的另一端電連接至一外部電流提供單元，以便接收用於LED晶片100的驅動電流。
透鏡280覆蓋LED晶片100，螢光粒子240和導熱體260控制來自LED晶片100的光的角度。透鏡控制來自每個LED晶片100的光的輻射角。透鏡280可基於形狀分為高圓頂發光型、低圓頂發光型或側發光型。高圓頂發光型透鏡具有大約140°的輻射角。低圓頂發光型透鏡具有大約110°的輻射角並具有比高圓頂發光型更低的圓頂形狀。所述側發光型透鏡具有冠形且具有大約200°的輻射角。
當LED晶片100發藍色光時，螢光粒子240為黃色型。例如，黃色型螢光粒子可為鈰摻雜之以釔鋁榴石T3
Al5
O12
:Ce(YAG:Ce)為基礎的材料。
當LED晶片100發出UV光時，螢光粒子240包括紅色、綠色和藍色螢光粒子。通過控制紅色，綠色和藍色螢光粒子的相對比，可以控制來自LED封裝200的光的顏色。
例如，紅色螢光粒子可以為以Y2
O3
:Eu(YOX)為基礎的材料作為氧化釔(Y2
O3
)和銪(Eu)的化合物。氧化釔(Y2
O3
)具有611nm的主波長。綠色螢光粒子可以為以LaPO4
:Ce,Tb(LAP)為基礎的材料作為磷酸(PO4
)、鑭(La)、鋱(Tb)的化合物。磷酸具有544nm的主波長。藍色螢光粒子可以為BaMgAl10
O17
:EU(BAM)為基礎的材料作為鋇(Ba)、鎂(Mg)、以氧化鋁為基礎的材料、以及銪(EU)的化合物。鋇具有450nm的主波長。主波長定義為產生最高亮度的波長。
當電力通過導線框250提供至LED晶片100時，LED晶片100發光。螢光粒子240受到自LED晶片100的光激發從而來自LED晶片100的光和來自螢光粒子240的光混合。結果，發出白色光並通過透鏡280。
在第3圖的實施例中的LED封裝200中，LED晶片100通過共晶接合電連接至導線框250。意味著，LED晶片100電連接至導線框250，其係透過在大約200至700℃的高溫下熱按壓從而獲得接合中的強度和可靠性。
對於共晶接合，導線框250可以由Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Sn和Ni其中之一形成。較佳地，導線框250可以由具有上述材料其中之一的電鍍形成。另外，各個第一電極150和第二電極160，與導線框250共晶接合，可以由Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Si和Ni其中之一形成。較佳地，各個第一電極150和第二電極160可由上述材料的其中之一的電鍍形成。例如，各個第一電極150和第二電極160可以由Au/Sn形成，並且導線框250可以由Au形成。在此情況中，Au與Si的重量比可以為8：2。可選地，各個第一電極150和第二電極160都可由Au形成，並且導線框250可由Au/Sn形成。
當通過各個第一電極150和第二電極160都與導線框250接觸而進行熱按壓時，第一電極150和導線框250的接觸部分以及第二電極160和導線框250的接觸部分熔融，從而一共晶合金形成在第一電極150和導線框250之間的介面處以及第二電極160和導線框250之間的介面處。結果，第一電極150和第二電極160電連接至導線框250的第一導線框250a和第二導線框250b。
共晶合金具有預定組合比的Au和Sn並用作第一導電黏接膜310a和第二導電黏接膜310b。意味著，LED晶片100通過作為共晶合金的第一導電黏接膜310a和第二導電黏接膜310b電連接至第一導線框250a和第二導線框250b。
共晶接合具有傑出的接合強度並且不需要塗覆一黏結劑的步驟。如上所述，LED晶片100的第一電極150和第二電極160通過共晶接合電連接至第一導線框250a和第二導線框250b。意味著，LED晶片100在導線框250上具有一倒裝晶片接合結構。
由於LED晶片100從外部電流提供單元通過導線框250而不是通過線路70(第1圖)接收電力，所以線路上的開口缺陷得以避免。此外，線路引發的亮度效率降低也得以避免。再者，由於不需要接合過程，例如，用於連接線路至LED晶片的焊接工藝，所以提高了產量。而且，由於所述具有高導熱屬性的材料，如Au/Sn，用於第一電極和第二電極，則可進一步降低LED封裝上的熱損害。
LED封裝200進一步包括第一導線框250a和第二導線框250b之間的一絕緣圖形320。絕緣圖形320具有大於第一導線框250a和第二導線框250b的厚度，從而防止了第一電極150和第二電極160之間的電短路。意味著，絕緣圖形320的一端設置在第一電極150和第二電極160之間用作一牆壁。例如，絕緣圖形320可由SiO2
、Si3
N4
、Al2
O3
、TiO2
、HfO2
、T2
O3
、MgO和AlN的至少其中之一形成。
第5A圖至第5E圖為說明本發明實施例中LED晶片的接合過程的剖面圖。
如第5A圖所示，第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b和絕緣圖形320形成在導熱體260上。除了導熱體260之外，第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b和絕緣圖形320可形成在殼體230上。各個第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b都可以由Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Sn和Ni的其中之一形成。第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b彼此分開從而暴露出導熱體260的一部分。絕緣圖形320設置在第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b之間的空間272內。例如，在導熱體260上形成第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b之後，絕緣圖形230形成在該空間內。可選地，在導熱體260上形成絕緣圖形320之後，第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b分別形成在絕緣圖形320的兩側。該絕緣圖形320具有與各個第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b自基板起算相同的厚度，從而形成一平頂表面。
然後，如第5B圖所示，LED晶片100設置於導熱體260之上，從而第一電極150和第二電極160分別接觸第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b，並且絕緣圖形320位於第一電極150和第二電極160之間。LED晶片100可使用真空吸盤，如一夾頭移動。如上所述，各個第一電極150和第二電極160都可由Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Sn和Ni的其中之一形成。絕緣圖形320的寬度等於或小於第一電極150和第二電極160之間的距離。
然後，如第5C圖所示，為了將LED晶片100固定在第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b上，LED晶片100使用一按壓設備按壓，如毛細管。
然後，如第5D圖所示，通過在LED晶片的前側和後側照射雷射光束，第一導線框圖形270a和第一電極150之間的接觸部分以及第二導線框270b和第二電極160之間的接觸部分受熱。可選地，一個雷射光束LB可用於LED晶片的前側和後側其中之一上。
結果，第一導線框圖形270a和第一電極150之間以及第二導線框270b和第二電極160之間產生共晶接合。各個第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b的厚度由於共晶接合反應減少，以便形成第一導線框250a和第二導線框250b，如第5E圖所示。此外，由於各個第一導線框圖形270a和第二導線框圖形270b的厚度由於共晶接合反應減少，從而絕緣圖形320具有大於各個第一導線框250a和第二導線框250b的厚度並位於第一電極150和第二電極160之間以用作一牆壁。通過所述共晶接合反應，第一導電黏接膜310a和第二導電黏接膜310b分別形成在第一導線框圖形270a和第一電極150之間以及形成在第二導線框270b和第二電極160之間。藉由第一導電黏接膜310a和第二導電黏接膜310b，LED晶片100的第一電極150和第二電極160分別電連接至第一導線框250a和第二導線框250b。
可以同時執行按壓步驟和雷射光束照射步驟。
雷射光束LB可以為紅外線雷射光束。例如，可使用具有1064nm波長的一YAG型雷射源。該雷射光束在大約0.01秒至大約1秒之間照射。第一導線框圖形270a和第一電極150之間的接觸部分以及第二導線框270b和第二電極160之間的接觸部分的溫度在加熱過程中大約可為200℃至700℃。
依據本發明的實施例，由於第一導線框圖形270a和第一電極150之間的接觸部分以及第二導線框圖形270b和第二電極160之間的接觸部分為瞬間並局部地受到雷射光束LB的加熱，所以LED晶片上的熱量損害得以減少。由於LED晶片100通過導線框250在不使用線路70(第1圖)的情況下從外部電流提供單元(圖中未示)接收電力，則避免了線路上的開口缺陷。此外，由於線路引發地亮度效率降低也得以避免。再者，由於不需要接合過程，例如，用於連接線路至LED晶片的焊接技術，所以提高了產量。而且，由於所述具有高導熱屬性的材料，如Au/Sn，用於第一電極和第二電極，則可進一步降低LED封裝上的熱損害。
對於熟悉本領域的技術人員而言，可以理解地是本發明在不脫離發明精神和範圍的前提下可作出各種變化。因此，本發明意在覆蓋容納在權利要求書及其等效中的本發明的變化。
10．．．LED封裝
20．．．LED晶片
30．．．殼體
40．．．螢光粒子
50a．．．第一電極導線
50b．．．第二電極導線
60．．．導熱體
70．．．線路
80．．．透鏡
100．．．LED晶片
101．．．基板
120．．．n型半導體層
130．．．活性層
140．．．p型半導體層
150．．．第一電極
160．．．第二電極
170a．．．第一反射板
170b．．．第二反射板
200．．．LED封裝
230．．．殼體
240．．．螢光粒子
250．．．導線框
250a．．．第一導線框
250b．．．第二導線框
260．．．導熱體
270a．．．第一導線框圖形
270b．．．第二導線框圖形
272．．．空間
280．．．透鏡
310a．．．第一導電黏接膜
310b．．．第二導電黏接膜
320．．．絕緣圖形
LB．．．雷射光束
所附圖式其中提供關於本發明實施例的進一步理解並且結合與構成本說明書的一部份，說明本發明的實施例並且描述一同提供對於本發明實施例之原則的解釋。
圖式中：
第1圖為習知技術中LED封裝的剖面圖；
第2圖為本發明實施例中LED晶片的示意性剖面圖；
第3圖為本發明實施例中LED封裝的示意性剖面圖；
第4圖為顯示本發明實施例中LED晶片與LED封裝的接合特性的示意性剖面圖；
第5A圖至第5E圖為說明本發明實施例中LED晶片的接合過程的剖面圖。
100．．．LED晶片
200．．．LED封裝
230．．．殼體
240．．．螢光粒子
250．．．導線框
250a．．．第一導線框
250b．．．第二導線框
260．．．導熱體
280．．．透鏡
310a．．．第一導電黏接膜
310b．．．第二導電黏接膜
320．．．絕緣圖形
Claims (23)
- 一種發光二極體(LED)封裝，包括：一殼體，具有第一導線框和第二導線框，通過該殼體而設置；一LED晶片，設置在該殼體上，該LED晶片具有第一電極和第二電極，該第一電極和該第二電極通過一共晶接合分別直接連接至該第一導線框和該第二導線框；一絕緣體，設置在該第一導線框和該第二導線框之間的該殼體上，以便電絕緣該第一導線框和該第二導線框；以及一透鏡，設置在覆蓋該LED晶片的該殼體之上，其中該絕緣體具有自該殼體起算的一第一高度，以及該第一電極與該第二電極分別具有一第二高度與一第三高度，以及其中各該第二高度與該第三高度均大於該第一高度。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該LED晶片包括：一基板，由一透明材料形成；一第一導電型的第一半導體層，設置在該基板上；一活性層，形成在該第一半導體層上；一第二導電型的第二半導體層；其中，該活性層和該第二半導體層具有小於該第一半導體層的寬度，而不存在於該第一半導體層的一部分；一第一電極，設置在該第一半導體層上，且位於無該活性層和該第二半導體層之部分；一第二電極，設置在該第二半導體層上。
- 依據申請專利範圍第2項所述的LED封裝，其中，該第一半導體層包括一n型半導體材料，並且該第二半導體層包括一p型半導體材料。
- 依據申請專利範圍第2項所述的LED封裝，其中，該LED晶片進一步包括位在該基板和該第一半導體層之間的一緩衝層。
- 依據申請專利範圍第2項所述的LED封裝，其中，該第一電極和該第二電極具有自該基板起算實質相同的高度。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該LED晶片設置在該殼體上，從而該基板設置在遠離該殼體的該LED晶片的一側上。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該第一電極和該第二電極分別包括第一反射板和第二反射板。
- 依據申請專利範圍第7項所述的LED封裝，其中，該第一反射板和該第二反射板包括一金屬薄膜。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，進一步包括一設置在該殼體內的螢光材料。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該殼體包括一導熱體。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該第一導線框和該第二導線框包括Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Sn和Ni的其中之一。
- 依據申請專利範圍第1項所述的LED封裝，其中，該第一電極和該第二電極包括Au/Sn、Au/Ni、Au/Ge、Au、Sn和Ni的其中之一。
- 一種製造發光二極體(LED)封裝的方法，包括：形成一殼體，在該殼體的表面上具有第一導線框和第二導線框；形成一LED晶片，其具有一透明基板、一LED結構、一第一電極和一第二電極；在該殼體上安裝該LED晶片以使該第一電極和該第二電極直接接觸該第一導線框和該第二導線框；以及在該第一電極和該第一導線框以及該第二電極和該第二導線框間的接 觸部分上照射電磁輻射以便產生共晶接合。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該第一電極和該第二電極具有與該基板起算實質相同的高度。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該照射電磁輻射的步驟包括在該接觸部分上照射至少一個雷射光束。
- 依據申請專利範圍第15項所述的方法，其中，該雷射光束從該LED晶片的前側和後側照射。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該照射電磁輻射的步驟在該接觸部分上產生熱量從而產生共晶接合。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該LED晶片的該第一電極和該第二電極以及該殼體的該第一導線框和該第二導線框按壓在一起，並在該接觸部分上利用電磁輻射照射。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該殼體進一步具有一絕緣體，設置在該第一導線框和該第二導線框之間的該殼體上，以便電絕緣該第一導線框和該第二導線框。
- 依據申請專利範圍第13項所述的方法，其中，該LED結構包括：一基板，由一透明材料形成；一第一導電型的第一半導體層，設置在該基板上；一活性層，形成在該第一半導體層上；一第二導電型的第二半導體層；其中，該活性層和該第二半導體層具有小於該第一半導體層的寬度，而不存在於該第一半導體層的一部分。
- 依據申請專利範圍第20項所述的方法，其中，該第一電極設置在 該第一半導體層上，且位於無該活性層和該第二半導體層之部分，並且該第二電極設置在該第二半導體層上。
- 依據申請專利範圍第21項所述的方法，其中，該LED晶片進一步包括一第一反射板，位於該第一電極和該第一半導體層之間，以及一第二反射板，位於該第二電極和該第二半導體層之間。
- 依據申請專利範圍第22項所述的方法，其中，該第一反射板和該第二反射板包括一金屬薄膜。
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