TWI447965B - 發光二極體晶片封裝方法 - Google Patents

Description

發光二極體晶片封裝方法

本發明與一種LED晶片封裝方法有關。具體而言，本發明係關於一種利用靜電粉體塗裝技術來封裝LED晶片之方法。

發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)是半導體元件的一種，其以佈植或摻雜技術產生半導體p-n接面。當施加正向偏壓時，發光二極體會因其內部電子與電洞之複合而以光子形式釋出能量，此屬電致發光效應(electroluminescent)的一種。對所採用的半導體材料化學組成進行調配，LED晶片可發出位於近紫外線、可見光或紅外線等光波段的單色、不連續的光。現今業界已開發出各種顏色的LED晶片，其多被用來作為指示燈、顯示板，具有效率高、壽命長、不易損壞等傳統光源無法與之相較的優點。然，供以照明大宗用途的純白光LED現今仍未被開發出來，大幅限制了LED的用途。為此，目前業界開發出以藍光LED晶片搭配黃色螢光粉之方式來營造白光LED之效果。其原理在於黃色螢光粉會受藍光LED晶片所發出之藍光激發而發出黃光，該黃光與藍光兩互補光混光後即可形成為肉眼所觀測到的白光。

就上述此種LED晶片搭配螢光粉之作法而言，目前業界已開發有多種相關的製作方式。請參照第一圖，其為先前技術中一LED裝置之示意圖。在第一圖的裝置100中，LED晶片102會被設置在一具有杯體結構的導線架104上，該導線架104透過導線106來與LED晶片102的P極、N極導通。在此作法中，定量的螢光粉會先與透明矽膠混合攪拌形成含有螢光粉之膠液108。之後再利用注射器將該螢光粉膠液108點膠在已銲上導線106的LED晶片102上並完全覆蓋之。之後整個LED裝置100會被送入烘烤箱中烘烤使該螢光粉膠液108固化，以在LED晶片102周遭形成一層硬化後的螢光層。

目前的先前技術多採用上述將螢光粉混合在矽膠中的作法來將螢光粉均勻散佈在LED晶片周遭。如上述作法係以具有杯體結構的導線架讓螢光粉膠液在LED周遭固化成形。而美國公開發明第2009/0278156號中亦揭露了一種LED裝置的模塑方法，其利用模具來將螢光粉膠液模塑成其所想要的各式形狀。

這類使用螢光粉與透明矽膠混合之作法有不少缺點。其一，螢光粉與矽膠混合後，隨著放置時間越長，螢光粉與矽膠分離的情形亦就越明顯，使得每次的點膠製程中螢光粉在矽膠中的含量都有所不同。再者，矽膠中的螢光粉於後續的烘烤步驟中會有沈澱現象，使得晶片周圍形成的螢光粉膠膜厚薄不均，最終導致同批生產的LED裝置所發出的白光色溫不一致。

而在美國公開發明第2009/0321769號中亦揭露了一種以電泳沉積技術(electrophoresis)在LED晶片表面形成螢光層之技術。該發明中係將螢光粉懸浮於電解質溶液中，欲進行上膜的LED晶片會被設置在一導電基板上並將之幾乎完全浸沒在該含有螢光粉的電解質溶液中。一電源的兩電極會分別耦接在該導電基板及該電解質溶液中。此時在該電極上施以偏壓將可使電解質溶液中的螢光粉泳動至LED晶片表面達到成膜效果。上述作法雖然可在LED晶片的表面形成均勻的螢光層，但其步驟中須將LED晶片浸沒在電解質溶液中，此舉容易損害到脆弱的LED晶片本體。

是以，現今業界仍欠缺有效將LED晶片與螢光粉結合之方法，如何減少製作成本，同時能產出具有預定色溫、兼具品質一致性之LED裝置，誠為相關業者亟待突破之難題。

鑑於上述先前技術之缺失，本發明揭露了一種新穎的LED晶片封裝方法。本發明之LED晶片封裝方法係採用靜電粉體塗裝技術。方法中螢光粉粒會經由靜電噴槍帶電並均勻吸附在LED晶片表面上，形成一層緻密、厚度一致的螢光層。解決了習知技術中因螢光粉在膠體中沈澱及點膠厚度不均而導致LED所發出之可見光色溫不一的問題。同時，由於本發明採用靜電吸附原理來形成螢光層，故製作中LED晶片不會接觸任何製程液體，較不易損傷脆弱的LED晶片本體。

本發明之目的為提供一種新穎的LED晶片封裝方法，該方法中利用靜電粉體塗裝技術在LED晶片表面形成厚度均勻的純螢光層使LED裝置得以發出色溫一致的可見光；本發明之另一目的為提供一種新穎的LED晶片封裝方法，方法中所使用的螢光粉料可以透過一回收裝置加以回收再利用，節省LED裝置的製作成本。

在參閱下述詳細的實施方式及相關的圖示與申請專利範圍後，閱者將更能了解本發明其他的目的、特徵、及優點。

本發明摒除了傳統LED封裝中的螢光粉點膠(dispensing)之方式，改採靜電粉體塗裝(electrostatic power coating)技術將螢光粉粉體直接以靜電力吸附在欲進行封裝的LED晶片表面上，形成均質、厚度一致的螢光粉層，克服傳統螢光粉點膠技術中螢光粉在膠體內沈澱及所形成之螢光層厚薄不一的問題，讓同道製程下的多個LED成品能發出色溫更為一致的可見光。

以下要進行本發明具體實施例之說明。須注意，所揭示的實施例僅在於舉例說明。本發明之範疇並未限制在其所揭露包含特定特徵、結構、或性質的具體實施例中，而係由文後所附的申請專利範圍所界定。此外，說明書中所參照之圖示並未具體描繪出所有本發明不必要之特徵，且所描繪出之元件可能以簡化、示意之方式來表達，圖示中各類元件的尺寸可能為說明之便而加以誇大或不符合實際比例。不論上述之簡略為何，或是相關特徵是否有被詳盡描述，其皆意表所描述者係位於相關領域中熟習該項技藝之人士可據以連同其他與該等特徵、結構或性質相關的其他具體實施例來實施之知識範疇內。

請參照第二圖，其說明了本發明實施例中利用靜電粉體塗裝技術來將螢光粉吸附在LED晶片表面之示意圖。如圖所示，本發明係使用一靜電粉體塗裝設備200來將螢光粉塗附在LED晶片202上。粉體塗裝設備200的主體為一靜電噴槍204，欲進行塗附之螢光粉206會藉由該靜電噴槍204噴佈在LED晶片202的表面上。在第一圖所示的實施例中，靜電噴槍202是為一電暈放電式靜電噴槍(corona gun)，其末端設置有一用以將粉粒噴出的高壓電噴嘴208。噴嘴208中的電極會受一高電壓產生器(HV generator，未圖示)施以高電壓而使週遭的空氣分子產生離子雲210，進行電暈放電現象(corona discharging)。如此，行經噴嘴204的粉粒可從離子雲210中拾取電荷而帶負電。

在發明中，螢光粉206係從一塗料供給槽或粉筒(未圖示)供至靜電噴槍204。該螢光粉可為任何特定種類的螢光粉，如YAG(Y₃ Al₅ O₁₂ :Ce，釔鋁石榴石)螢光粉、TAG(Tb₃ Al₅ O₁₂ :Ce，鋱鋁石榴石)螢光粉、或任何其他種類的螢光粉，端視使用者的需求而定。舉例言之，在本發明一實施例中，YAG黃色螢光粉可被選來塗佈在藍光LED晶片(InGaN)上。藍光LED晶片所發出的藍光可激發其表面所附之YAG黃色螢光粉而發出黃光，LED晶片所發出之藍光與其表面螢光粉所發出之黃光會混光形成吾人所欲之白色照明光源。

發明中整個塗裝製程是在一密閉的塗裝室或噴房212中進行。舉例言之，欲進行塗裝的多個LED晶片可能先與導線架完成導通，之後連同架座排列設置在一抗靜電的萃盤214上一起送入噴房212中。發明中可額外使用一定位裝置(未圖示)來移動萃盤214使萃盤上某特定的LED晶片之噴塗面對準噴房中的噴嘴208。

在塗裝期間，傳輸到靜電噴槍204中的螢光粉206會受槍管內的壓縮空氣驅使而噴出，受噴出的粉體會行經高壓電噴嘴208而從其周遭產生之離子雲210中拾取電荷而帶負電。發明中欲進行粉體塗裝的LED晶片202會被接地(ground)使其保持電中性。槍管端帶電的離子雲與晶片端的電中性會使噴嘴與晶片間形成一電場。該些被噴出、帶負電的螢光粉粒216會在電場中因靜電力吸附在呈電中性的LED晶片202表面上。由於螢光粉體與LED晶片間的靜電吸引力會隨粉體粒子的吸附而下降，故可在LED晶片表面上形成一層緻密、厚度均勻一致的螢光粉層。又發明中螢光粉係以靜電力吸附而非傳統直接方向性噴塗方式附著在LED晶片的表面上，故晶片的角落或非噴塗面等一般不易塗佈到的位置亦可有效、均勻地附著螢光粉。

除了上述透過電暈放電讓粉體粒子帶電之方式，在本發明其他實施例中，靜電噴槍204亦可能為摩擦生電式噴槍(tribo gun)。在此實施例中，噴槍中的螢光粉於噴出時會高速行經特殊材質(如聚四氟乙烯，PTFE)的噴嘴管路並與其管壁摩擦，此摩擦動作會使螢光粉和管壁作電子交換而讓螢光粉帶電，如帶上正電。之後帶電的粉體粒子會透過一梳狀噴頭噴出而同前述實施例般因靜電力吸附在LED晶片上。

在上述螢光粉體吸附的步驟中，並非所有被噴出的粉體都能帶電，且亦非所有帶電的粉體都能夠吸附在LED晶片的表面上(特別是當其表面已吸附形成了一定厚度的螢光粉層時)。故此，於粉體塗裝設備後端最好設置一回收裝置來進行未塗附粉體之回收，以避免浪費昂貴的螢光粉。舉例言之，塗裝室或噴房212的底部可以裝設一漏斗狀的回收口218，回收口中可設置有排氣風扇等設備(未圖示)來抽引未附著的螢光粉料，並經由過濾器(如袋濾式及/或旋風式集塵器)分離空氣與螢光粉體來達成粉料之回收。此舉可有效節省LED封裝的材料成本。

上述噴粉步驟後，表面附有均勻螢光層的LED晶片會以透明固化膠將LED晶片完整包覆後，送進固化爐中固化，以形成一層硬化的透明絕緣層，提供保護LED晶片之效果。舉例言之，吾人可採用點膠方式在LED晶片表面包覆一層固化膠。該固化膠可為一般的矽膠(silicon)、環氧膠(epoxy)、聚氨脂膠(PU膠)、壓克力膠(acrylic)、及紫外線固化膠(UV膠)等，而該固化爐可能為熱風循環爐或紅外線爐等烘烤爐，或是紫外線固化爐等光固化爐。LED晶片表面上的固化膠會因高溫或照光而硬化，形成一層透明保護層。

在固化步驟後，整個LED裝置上可以再選擇性裝上透鏡或反射罩等，以將LED裝置所產生的光朝所欲之方向角發出。

現在參照第三圖，其說明了本發明實施例中LED晶片封裝的流程。首先在步驟301，將欲進行封裝的多個LED晶片排列設置在一托盤上(如一訂製的抗靜電萃盤)並接地。該些LED晶片可能已先與導線架完成導通並連同架座一起排列設置在托盤上。LED晶片在底盤上有規律的排設將能夠於後續的噴粉步驟中利用一自動定位系統(auto alignment)來使托盤上某特定的LED晶片之噴塗面對準噴嘴口。

在接下來的步驟302中，已排設好的多個LED晶片會隨托盤送入一密閉的噴房中，噴房中配置有粉體塗裝所需的各類裝置，如靜電噴槍、傳輸帶、集塵裝置、及/或自動定位系統等，該些LED晶片會在噴房中依序或同時進行噴佈製程。

LED晶片就定位後，在步驟303中，選定的螢光粉末會透過一靜電噴槍(如電暈放電噴槍或摩擦生電噴槍)噴佈在該些LED晶片表面，所噴出的螢光粉體會因如前述高壓電暈或與管壁摩擦之方式帶電，並因靜電力作用均勻吸附在接地後呈電中性之LED晶片表面。整個步驟會持續直到LED晶片表面附上的螢光粉層達到吾人所欲之厚度，其中單道噴塗步驟可以達到40~150μm之螢光粉厚度。

粉體噴附完成後，接下來的步驟304中以點膠方式在表面附有螢光粉層的LED晶片上完整包覆一層固化膠。該固化膠可為一般的矽膠(silicon)、環氧膠(epoxy)、聚氨脂膠(PU膠)、壓克力膠(acrylic)、及紫外線固化膠(UV膠)等。

之後於步驟305，包覆有固化膠的LED晶片會整批送入固化爐中固化，其固化作法可能為在200℃的溫度下烘烤15~20分鐘，或是用紫外光(UV光)照射LED晶片。固化後LED晶片表面會形成一層透明的保護層，本發明整個LED晶片封裝製程於焉結束。

以上述封裝流程，LED晶片上可形成一層緻密、厚度一致的單質螢光層來作為LED裝置的發光層，此層有別於先前技術中以一定量螢光粉混和透明矽膠所製成之發光層。而LED晶片外部會包覆有一層堅固的透明保護膜，避免內中的LED晶片因外力而損傷。

文中所述之實施例與圖說係供予閱者，俾其對於本發明各不同實施例結構有通盤性的瞭解。在不悖離本發明範疇的情況下，發明中可以進行結構與邏輯的置換與改變。據此，本發明之揭露與圖式理視為描述而非限制性質，並將由下文中的申請專利範圍來限制。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧LED晶片

104‧‧‧導線架

106‧‧‧導線

108‧‧‧膠液

200‧‧‧靜電粉體塗裝設備

202‧‧‧LED晶片

204‧‧‧噴槍

206‧‧‧螢光粉

208‧‧‧噴嘴

210‧‧‧離子雲

212‧‧‧噴房

214‧‧‧萃盤

216‧‧‧螢光粉粒

218‧‧‧回收口

301~305‧‧‧步驟

參閱後續的圖式與描述將可更了解本發明的系統及方法。文中未詳列暨非限制性之實施例則請參考該後續圖式之描述。圖式中的組成元件並不一定符合比例，而係以強調的方式描繪出本發明的原理。在圖式中，相同的元件係於不同圖示中標出相同對應之部分。

第一圖描繪出習知技術中一LED晶片封裝之示意圖；第二圖描繪出根據本發明實施例利用靜電粉體塗裝技術來將螢光粉吸附在LED晶片表面之示意圖；及第三圖描繪出根據本發明實施例LED晶片封裝之流程。

301~305‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種發光二極體(LED)晶片封裝方法，包含：將LED晶片接地保持電中性；將螢光粉透過一靜電噴槍帶電後噴附在該LED晶片的表面上；在表面附有螢光粉的該LED晶片上包覆一層透明的固化膠；將該LED晶片上包覆的固化膠固化。
2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，其中該靜電噴槍包含電暈噴槍(corona gun)與摩擦噴槍(tribo gun)。
3. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，更包含利用一回收設備回收未吸附在該LED晶片上的螢光粉。
4. 如申請專利範圍第3項之發光二極體晶片封裝方法，其中該回收設備包含袋濾式回收設備或旋風式回收設備。
5. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，其中該固化膠包含矽膠(silicon)、環氧膠(epoxy)、聚氨脂膠(PU膠)、壓克力膠(acrylic)、及紫外線固化膠(UV膠)。
6. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法， 其中將該LED晶片上包覆的固化膠固化之步驟更包含將包覆有該固化膠的LED晶片送入固化爐中固化。
7. 如申請專利範圍第6項之發光二極體晶片封裝方法，其中該固化爐包含紫外線固化爐、紅外線烘烤爐、及熱風循環爐。
8. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，其中該LED晶片為藍光晶片(InGaN)。
9. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，該螢光粉為黃色螢光粉。
10. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片封裝方法，其中該螢光粉帶正電或負電。