TWI452736B - 發光二極體模組生成色轉換層之方法 - Google Patents

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Description

發光二極體模組生成色轉換層之方法
本發明係關於一種發光二極體模組生成色轉換層之方法，特別是一種例用雷射誘發色轉換層之生成，以應用於發光二極體模組之方法。
一般而言，未經處理之發光二極體晶片多是由氮化銦鎵基[InGaN-based]材料製成，使得發光二極體晶片僅適用於發散藍光。因此，市面上多數欲發散白光之發光二極體模組勢必需要另配設一螢光膠體，以透過由YAG:Ce或TAG:Ce等材料製成而可發散黃色螢光之螢光膠體，與該發光二極體晶片所發散之藍光充分混合，方能使該發光二極體模組發散所需之白光。
如美國第5998925號專利案所示，其便是採用如上所述之概念，以透過由Y3 Al5 O12 :Ce3+ [簡稱YAG:Ce3+ ]材料製成之黃色螢光粉，與發光二極體晶片所發散之藍光充分混合，以獲得可具白光發散之發光二極體模組。
然而，傳統利用該螢光膠體作為該發光二極體模組之色轉換層時，大多必須先將螢光膠體[即所謂釔鋁石榴石粉]分散於樹脂、矽膠等高分子材料內，且透過高於100℃之高溫對該螢光膠體進行熱處理，以加以模製並燒結成該色轉換層；另一方面，倘若是應用玻璃材料封裝技術時，依文獻而言，大多需要將該螢光膠體加熱至1200℃，方能形成完整的釔鋁石榴石晶相。透過上述，係能使已模製完成之色轉換層於300~500nm波段具有較強的寬頻吸收，而能夠經色轉換層激發出黃光；之後，方可再將已模製完成之色轉換層固定黏著於任一發光二極體模組之基板上，以藉由該色轉換層確保該發光二極體模組可發散白光。
如此一來，傳統在發光二極體模組生成色轉換層之方法，不僅需先行製作含螢光膠體之色轉換層，並於高溫下誘發螢光膠體可發出黃光，方能於後續用於發光二極體模組之封裝，以致相對衍生有製作步驟繁瑣、製程時間延長及製程成本提高等問題；甚至，若為了縮短製作時間而簡化製程，以將含螢光膠體之色轉換層與發光二極體模組同步進行燒結時，因發光二極體模組可承受之燒結溫度僅約200℃，係遠低於誘發螢光膠體發出黃光所需之1200℃高溫，故往往容易造成連接發光二極體晶片之導線及電極的損毀，而使發光二極體模組經燒結後不堪使用。
除此之外，傳統高溫燒結成形的熱處理過程，亦可能存有含螢光膠體之色轉換層無法成形或軟化等問題，也會因過高溫燒結而造成色轉換層之形變，以致於後續封裝時無法完整貼合於該發光二極體模組之基板；甚至，高溫燒結過程不僅須額外花費成本添購高溫處理機台，且於高溫燒結過程所釋出之高溫廢氣更會污染環境，而必須因此再添購廢氣處理設備，以致製程成本始終居高不下。
有鑑於此，確實有必要發展一種可以在簡易製程下生成色轉換層之方法，以適用於發光二極體模組，進而解決如上所述之各種問題。
本發明主要目的乃改善上述缺點，以提供一種發光二極體模組生成色轉換層之方法，其係能夠省去以螢光膠體製作色轉換層之步驟，以簡化製程時間而提升色轉換層之生成效率者。
本發明次一目的係提供一種發光二極體模組生成色轉換層之方法，係能夠與發光二極體模組之封裝產線同步進行，避免連接發光二極體晶片之導線及電極因高溫而損毀，以省去購置高溫機台所需耗費之成本，且確保發光二極體模組之發光效果者。
本發明再一目的係提供一種發光二極體模組生成色轉換層之方法，係能夠降低高溫熱處理所造成之色轉換層形變，以提升該發光二極體模組的產製品質者。
為達到前述發明目的，本發明發光二極體模組生成色轉換層之方法，包含：一前處理步驟，以一燒結成形之非晶系玻璃材設置於一發光二極體模組，並將該發光二極體模組內之發光二極體晶片予以封裝；及一改質步驟，利用一雷射光誘發該玻璃材，使該玻璃材內部粒子重新再結晶，以致生成結晶體，而使得該發光二極體模組形成有一可產生螢光之色轉換層。
本發明發光二極體模組生成色轉換層之方法，還可以選擇於該前處理步驟中，將燒結成形之玻璃材再進行拋光研磨，以形成一玻璃塊材，該玻璃塊材蓋合於該發光二極體模組的一基座之上，並將該發光二極體模組內所設之發光二極體晶片封裝於該基座與玻璃塊材之間。
或者，亦可以選擇於該前處理步驟中，將燒結成形之玻璃塊材進行碎化研磨，以形成玻璃粉末，該玻璃粉末填充於該發光二極體模組的一基座之內，並由該玻璃粉末包覆該發光二極體模組內所設之發光二極體晶片。
於該改質步驟中，本實施例之雷射光係可透過二相對位之反射鏡反射，並依序通過具有適當間距的二凸透鏡，進行聚焦，聚焦後的雷射光束對該玻璃材進行熱處理。其中，該雷射光係由CO2 -laser聚焦之光束。
除此之外，該玻璃材可以是由氧化鋁及氧化釔成份混摻特定組成之玻璃，且該玻璃材經改質步驟之雷射誘發後，係重新再結晶成釔鋁石榴石晶體。特別地，該玻璃材可以選擇是為矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃係由SiO2 -Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 所組成；或者，該玻璃材亦可以選擇是為鈉玻璃，該鈉玻璃係由Na2 O-Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 所組成。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖所示，其係為本發明一較佳實施例，該發光二極體模組生成色轉換層之方法係包含一前處理步驟S1及一改質步驟S2。
其中，本發明於下說明所述之發光二極體模組係泛指一般常見者。如第2及3圖所示，該發光二極體模組1包含一基座11及數發光二極體晶片12。該基座11具有一承載空間111，該數發光二極體晶片12容置於該承載空間111，並以銀膠13貼合於一承載板14的其一表面，且該承載板14的另一表面再由一金/錫導電膠15貼合於基座11，該金/錫導電膠15與發光二極體晶片12之間係透過導線W電連接。承上所言，該發光二極體模組1的配置態樣僅作為實施例說明，為熟習該技藝之人士所能理解，並不需以本發明圖式為限，亦不再詳加贅述。
請再參照第1圖所示，該前處理步驟S1係以一燒結成形非晶系玻璃材設置於一發光二極體模組，並將該發光二極體模組內之發光二極體晶片予以封裝。其中，該玻璃材可以是任何由氧化鋁及氧化釔成份混摻特定組成之玻璃，通常稱之為〝玻璃螢光體〞，泛指所有經熱處理後能夠生成釔鋁石榴石晶體[簡稱Y3 Al5 O12 ,YAG]之玻璃材，例如：矽酸鹽玻璃、鈉玻璃、…等，特別係選擇由SiO2 -Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 所組成之矽酸鹽玻璃；或者，選擇由Na2 O-Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 所組成之鈉玻璃。承上所述，該玻璃材可以直接選用市面上已燒結成形之矽酸鹽玻璃或鈉玻璃；或者，也可以如本實施例所述，經由1000~1650℃之高溫將玻璃粉末燒結成形。然而，取得該玻璃材之手段並非本發明技術特徵之重點所在，故不於此加以限制亦不再贅述。
於本實施例中，該玻璃材較佳係於燒結成形後再進行拋光研磨，以形成一玻璃塊材[如第2圖所示之圖面標號S]。該玻璃塊材S係設置於該發光二極體模組1，特別係蓋合於該發光二極體模組1的基座11之上，並將該發光二極體模組1內的發光二極體晶片12封裝於該基座11與玻璃塊材S之間，再接續進行該改質步驟S2。
請續參閱第1圖所示，該改質步驟S2係利用一雷射光誘發該玻璃材，使該玻璃材內部粒子重新再結晶，以致生成結晶體，使得該發光二極體模組形成有一可產生螢光之色轉換層。其中，本實施例係採用雷射加熱基座成長法[Laser Heated Pedestal Growth method,LHPG]，以選擇性控制該玻璃材欲形成再結晶之區域，透過調整該雷射光的參數，而可有效控制該玻璃材再結晶之結晶粒大小。
更詳言之，由於該玻璃材之內部粒子透過雷射光加熱後，係可使該玻璃材的內部分子重新排列組合，以達到該玻璃材之結晶點後便能形成再結晶。例如：本實施例之玻璃材係摻雜有氧化鋁及氧化釔，故該玻璃材內的氧化鋁及氧化釔便能重新排列，以形成可發黃色螢光之釔鋁石榴石晶體[簡稱Y3 Al5 O12 ,YAG]。如此，該玻璃材受熱處理後便會再結晶成黃色結晶體，而能夠於該發光二極體模組形成有可產生黃磷光之色轉換層。甚至，本發明以雷射光可產生局部點加熱之特性，更可以選擇性地控制該玻璃材欲結晶的區域，如第2圖所示，透過一雷射光L的水平位移，係可對該玻璃塊材S充分的局部加熱，使得該玻璃塊材S的內部粒子受熱作用而形成黃色再結晶體，且隨該雷射光L於同點照射之時間越長，該玻璃塊材S的內部粒子於再結晶後之晶粒也越大。如此一來，利用該雷射光完整誘發該玻璃材，使得該玻璃材皆轉變為黃色再結晶體時，即可將該玻璃材作為該發光二極體模組之色轉換層。其中，該色轉換層於後續受該發光二極體晶片發出之藍光激發後，便可發出黃磷光，並藉由黃磷光與藍光的充分混合，而使該發光二極體模組最終可發散出所需之白光。
於本實施例中，該雷射光L較佳是選擇為CO2 -Laser，以透過二相對位之反射鏡[例如：硒化鋅反射鏡、…等]反射後，即可依序通過具有適當間距的二凸透鏡，進行雷射光束聚焦，之後進行該玻璃材的雷射熱處理。其中，本實施例係可透過一雷射熱處理裝置完成上述過程，惟該雷射熱處理裝置的細部配置為熟習該技藝之人士可輕易理解，且非本發明之主要技術特徵所在，不加以限制亦不再贅述。
除上述之外，本發明還可以選擇於該前處理步驟S1中，採用不同型態之玻璃材設置於該發光二極體模組，並將該發光二極體模組內之發光二極體晶片予以封裝。請參閱第3圖所示，於本實施例中，該玻璃材較佳係於燒結成形後再進行碎化研磨，以形成玻璃粉末[如第3圖所示之圖面標號S’]。該玻璃粉末S’係填充於該發光二極體模組1，特別係佈滿於該發光二極體模組1的基座11之內，以由該玻璃粉末S’包覆該發光二極體模組1內之發光二極體晶片12，再接續進行如上所述之改質步驟S2。
如此，該玻璃粉末S’經雷射熱處理產生再結晶後，便可徹底填滿該發光二極體模組1，藉以適用於各種不同形狀架構之發光二極體模組，不僅可省去開發特殊規格玻璃塊材之繁瑣，更能以填滿後之玻璃結晶塊，達到避免該發光二極體晶片產生氧化、碰撞等功效。
經上所述，為了證明本發明由雷射光誘發該玻璃材內部粒子產生再結晶之方式，確實可以因雷射光的熱作用，而使該玻璃材再結晶成結晶體，並透過光激發該玻璃材後發散螢光。如下述，係選擇以含氧化鋁及氧化釔之玻璃材為例，簡單說明並輔以實驗數據證明之。
請閱第4圖所示，其係為該玻璃材經雷射熱處理後，再受光激發所量測之螢光光譜圖。由結果顯示，不論是採用矽酸鹽玻璃[如圖面標示之a曲線]或鈉玻璃[如圖面標示之b曲線]，在經本發明之前處理步驟S1及改質步驟S2處理後，皆可產生波段為500~600nm之黃磷光[如圖面標示之W1區段]。其中，本實施例所使用之激發光波段係為470nm[如圖面標示之W2區段]。再者，如第5a及5b圖所示，分別為不同實施態樣之玻璃材經雷射熱處理後的成品圖。結果顯示，不論是玻璃塊材或玻璃粉末，在經雷射光熱處理後皆明顯再結晶成黃色結晶體，證實該玻璃材所生成之黃色結晶體可經光激發而放出黃磷光。
另一方面，為了檢測本發明由雷射光誘發該玻璃材內部粒子產生再結晶之方式，是否會因雷射光的熱作用，而影響連接該發光二極體晶片之導線[如本實施例第2及3圖所示之導線W]及電極。本實施例係以可使玻璃材產生再結晶之雷射光[功率約為14.4瓦]對導線進行熱處理。結果係如第6a~6f圖所示，當該導線及電極分別經雷射光聚焦熱處理30~180分鐘[第6a圖之處理時間為30分鐘；第6b圖之處理時間為60分鐘；第6c圖之處理時間為90分鐘；第6d圖之處理時間為120分鐘；第6e圖之處理時間為150分鐘；第6f圖之處理時間為180分鐘]後，連接該發光二極體晶片之導線與電極接合處，皆未有表面損傷或斷裂等情形，證實雷射光的熱作用並不足以影響該發光二極體晶片的導線及電極連接與否，故該發光二極體模組仍可具有較佳之使用及發光效果。
承上，更進一步提高雷射光之功率為12~27瓦，以分別觀測不同功率之雷射光熱作用，是否會影響連接該發光二極體晶片之導線及電極。結果如附件7a~7f所示，於處理時間皆為30分鐘之下，儘管隨著雷射光的功率自12瓦提升至27瓦[第7a圖之雷射功率為12瓦；第7b圖之雷射功率為15瓦；第7c圖之雷射功率為18瓦；第7d圖之雷射功率為21瓦；第7e圖之雷射功率為24瓦；第7f圖之雷射功率為27瓦]，連接該發光二極體晶片之導線與電極接合處，也未有表面損傷或斷裂等情形。因此，透過雷射光誘發該玻璃材內部粒子產生再結晶之方式，不僅可以輕易使該玻璃材轉變為可發散黃磷光之色轉換層，亦能確保該發光二極體模組可具有較佳之使用及發光情形。
綜上所述，本發明發光二極體模組生成色轉換層之方法的主要特徵在於：藉由雷射光的點加熱模式係可直接使該玻璃材內部粒子產生再結晶現象，以轉變成黃色結晶體，直接作為該發光二極體模組之色轉換層。如此，本發明不僅能夠省去傳統以螢光膠體製作色轉換層之步驟，而有效簡化色轉換層的製程時間，以達到提升色轉換層生成效率之功效；甚至，由於雷射光並不被金屬所吸收，故本發明還能夠在形成色轉換層的同時，與該發光二極體模組之封裝產線同步進行，而不會如傳統的高溫製程而損毀連接發光二極體晶片之導線及電極。藉此，不僅可省去購置高溫機台所需耗費之成本，更可因而確保發光二極體模組之發光效果，以透過該色轉換層受光激發所發散之黃磷光，與該發光極體晶片本身所發散之藍光充分混合，達到發光二極體模組可發散白光之功效。
除此之外，由於本發明發光二極體模組生成色轉換層之方法，係能夠於常溫下透過雷射光對該玻璃材進行熱處理，故可有效降低傳統經高溫熱處理可能造成之色轉換層形變，或是經高溫處理所引起之空污等問題，以能夠於降低環境污染的同時，更藉此達到提升該發光二極體模組產製品質之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 [本發明]
1．．．發光二極體模組
11．．．基座
111．．．承載空間
12．．．發光二極體晶片
13．．．銀膠
14．．．承載板
15．．．金/錫導電膠
W．．．導線
S．．．玻璃塊材
S’．．．玻璃粉末
L．．．雷射光
S1．．．前處理步驟
S2．．．改質步驟
第1圖：本發明較佳實施例之流程示意圖。
第2圖：本發明較佳實施例之作動示意圖。
第3圖：本發明另一較佳實施例之作動示意圖。
第4圖：本發明之玻璃材受光激發之螢光光譜圖。
第5a圖：本發明玻璃塊材經雷射熱處理後的成品圖。
第5b圖：本發明玻璃粉末經雷射熱處理後的成品圖。
第6a~6f圖：本發明不同雷射熱處理時間下之發光二極體晶片表面微觀圖。
第7a~7f圖：本發明不同雷射熱處理功率下之發光二極體晶片表面微觀圖。
S1．．．前處理步驟
S2．．．改質步驟

Claims (8)

  1. 一種發光二極體模組生成色轉換層之方法，係包含：一前處理步驟，以一燒結成形之非晶系玻璃材設置於一發光二極體模組，並將該發光二極體模組內之發光二極體晶片予以封裝；及一改質步驟，利用一雷射光誘發該玻璃材，使該玻璃材內部粒子重新再結晶，以致生成結晶體，而使得該發光二極體模組形成有一可產生螢光之色轉換層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，於該前處理步驟中，係將燒結成形之玻璃材再進行拋光研磨，以形成一玻璃塊材，該玻璃塊材蓋合於該發光二極體模組的一基座之上，並將該發光二極體模組內所設之發光二極體晶片封裝於該基座與玻璃塊材之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，於該前處理步驟中，係將燒結成形之玻璃材再進行碎化研磨，以形成玻璃粉末，該玻璃粉末填充於該發光二極體模組的一基座之內，並由該玻璃粉末包覆該發光二極體模組內所設之發光二極體晶片。
  4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，於該改質步驟中，該雷射光透過二相對位之反射鏡反射，並依序通過具有適當間距的二凸透鏡，而形成聚焦的雷射光，以再由聚焦後之雷射光對該玻璃材進行熱處理。
  5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，其中該雷射光係由CO2 -layser發散之光束。
  6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，其中，該玻璃材是由氧化鋁及氧化釔成份混摻特定組成之玻璃，且該玻璃材經改質步驟之雷射誘發後，係重新再結晶成釔鋁石榴石晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，其中，該玻璃材是為矽酸鹽玻璃，該矽酸鹽玻璃係由SiO2 -Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 組成。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體模組生成色轉換層之方法，其中，該玻璃材是為鈉玻璃，該鈉玻璃係由Na2 O-Y2 O3 -Al2 O3 -Li2 O-CeO2 組成。
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