TWI587543B - 發光二極體封裝結構及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種發光二極體封裝結構及其製造方法，特別是一種具有改善光效及強化整體結構減少後續加工過程斷裂效果之發光二極體封裝結構。
近年來發光二極體裝置的應用越來越廣泛，近年來搭配透明基板可以兩面發光的 LED 燈的LED燈絲燈，因為外型仿古美觀，很受消費者的青睞，是以許多廠商都投入了LED燈絲燈之生產。
但儘管LED燈絲燈的數量持續成長，但與傳統的鎢絲燈出貨數量來相比，仍有一段相當大的差距。LED燈絲燈無法普遍的主要的原因在於LED燈絲燈對於封裝有較高的要求，在製程工藝方面較為複雜、生產良率低，價格也因此較高。現在LED燈絲燈的作法多是先於大基板上長成LED單元，再將LED單元減薄切割成個別獨立的LED晶粒，再將多個個別獨立的LED晶粒黏附或焊接於一載板，最後再將載板上的個別獨立的LED晶粒拉線串接而成。如此的多步驟製程，因為在每一個步驟皆會造成良率的損失，導致最後成品的良率並不高。更具體地，例如在後續加工切割成LED晶粒的步驟，因為應力問題使得LED晶粒碎裂。再加上其他步驟施作時的良率損失，製作良率的改善變成是LED燈絲燈產品製造的重要課題。
現有技術中，為了達到雙面出光效果，LED燈絲燈不得不採取全方位螢光膠塗敷法，但此方法不僅用料成本大增，還使得封裝結構溫度增加，導致散熱困難、光衰嚴重。但如果僅塗單面，成為單面出光晶片，雖然兼顧了成本和效率，卻無法達成全方位出光，喪失燈絲燈原本要求全方位發光的目的。
再者，LED燈絲燈也有散熱的技術問題亟需克服，特別是大瓦數的LED燈絲燈運作時，會產生大量熱， 因此如何有效地散熱，提高電光效率，也成為LED燈絲燈需要改善的重要課題。另外尚有消費者認為LED燈絲燈的照度不足、光效低之問題須要改善，因此導致LED燈絲燈價格與效能，離市場期待仍有一段差距，成為LED燈絲燈擴大應用的障礙。
然而，LED燈的耗電量少，燈泡壽命長，是效率很高的光源。為了達到省電節能的目標，目前已有許多廠商及研究團隊投入，企圖從製程或結構方面著手改良，期待能夠提高LED燈絲燈照度、加強散熱、降低成本，進而可以開發出一種能夠解決現有LED燈絲燈發展困境的新型燈具。
本發明之主要目的旨在提供一種能夠改善光效之發光二極體封裝結構。
本發明之主要目的旨在提供一種改良良率、步驟簡單，可進行大規模的自動化製造之發光二極體封裝結構。
為達成上述目的，本發明在磊晶單元形成多對布拉格反射鏡對，使該些布拉格反射鏡對包覆該些磊晶單元，透過反射光線改善光利用效率，進而提升出光強度。
再者，本發明中設置的金屬層，可將發光二極體運作時產生的熱能以有效率傳導的方式快速散去，避免熱積蓄在裝置中導致發光二極體損壞。
並且，本發明在將晶片焊接於金屬支架後，利用高分子材料進一步在晶片與支架外形成封裝保護層，該封裝保護層不僅具有保護發光二極體的效果，亦可使光線在該封裝保護層內部繞射與背面透射，在封裝保護層中充分混光後，達成全方位出光之效果。並且，以本發明之製造方法製成的發光二極體封裝結構與現行標準支架型LED封裝類似，可以進行大規模的自動化製造，產品的出光效果一致性高，有助於建立量產的標準化作業。
具體而言，本發明之發光二極體封裝結構包括：一基板；複數個磊晶單元，位於該基板之一表面，每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之表面、至少一發光層，位於該n型半導體單元上、一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋、以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，其中n係為一大於6之整數；一第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，並經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；複數個第三金屬層，係連接該第二金屬層，且至少兩個第三金屬層之間具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極；一螢光粉層，係位於該基板上非n對布拉格反射鏡對之表面；以及一封裝保護層，係包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層。
於本發明之發光二極體裝置中，該p型半導體單元之側壁及該發光層之側壁更可選擇性地包括一絕緣層；此外，在第三金屬層之該間隙亦可更包括一非導電絕緣層。可使用作為絕緣層之材料並無特別限制，任何一種用在發光二極體裝置的絕緣層材料都可以被使用。譬如說，氮化物，如氮化矽；氧化物，如二氧化矽或氧化鋁；或者也可以使用氮氧化物等。本領域具有通常知識者可依情況選用適當之材料形成絕緣層，並不特別限制在上述之材料中。
於本發明之一示例性實施例中，上述之基板可為任何具有透光性之半導體材料，也可以是藍寶石基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板，較佳可為藍寶石基板，然本發明不限於此，本領域具有通常知識者可依需求加以選擇。本發中使用之基板之形狀及大小並無限制，可為任何習用之形狀。較佳可為矩形、圓形、多邊形、橢圓形、半圓形、或不規則形。
於本發明一示例性實施例中，可以使用習知領域中任何用來形成磊晶單元的材料來形成磊晶單元，譬如說，該n型半導體單元可為一n型氮化鎵、該p型半導體單元係一p型氮化鎵、該發光層為複數層矽摻雜的氮化鎵銦磊晶( In
xGa
yN/GaN 多重量子井)、且該透明電極層可為ITO(氧化銦錫，Indium Tin Oxide)。除此之外，為了提升層和層之間介面黏著力、或者為了使磊晶單元有其他輔助或附加功能，亦可加入其他習知的輔助功能層。舉例來說，可在基板與該磊晶單元之間更包括一氮化鎵或氮化鋁緩衝層，使後續形成之磊晶單元和基板之間有更好的結合，然而，本發明對此並無特別限制。
第一金屬層、第二金屬層以及第三金屬層可由任何適合的金屬材料形成，舉例來說，可為金、銀、銅、鈦、鋁、鉻、鉑、鎳、鈹、鎂、鈣、鍶或上述任意複數種金屬材料之組合，該些第一金屬層、第二金屬層以及第三金屬層的材料可彼此相同或不同。本發明中第一金屬層連接兩相鄰磊晶單元，係透過連接磊晶單元之陽極(或透明電極)及另一磊晶單元之陰極而達成。
於本發明一示例性實施例中，該第二金屬層可經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極。本發明第二金屬層所覆蓋之區域無限制，較佳為覆蓋大部分基板或之n對布拉格反射鏡對區域以改善漏光、增加光回收效率、以及改善散熱效率。
此外，該第三金屬層亦可經圖案化而具有一個間隙，以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極。該第三金屬層之間隙可與該第二金屬層之間隙對應。該第三金屬層之厚度大於或等於150mm、較佳為大於或等於300mm，然本發明並不限於此。藉由上述之金屬層更能將發光二極體運作時所產生的熱快速地傳導出去，避免因溫度過高導致發光二極體劣
裂化損壞。
上述之第三金屬層可透過焊接的方式焊接於第二金屬層表面，從而在第三金屬層與第二金屬層之間形成一焊接層，該焊接層之厚度可在1 mm至3 mm之間、更佳為1 mm至2 mm之間。本領域具有通常知識者可利用各種焊接方式使第二金屬層與第三金屬層結合而沒有其他限制。
至於本發明所使用之布拉格反射鏡對，其中該布拉格反射鏡對係由兩種不同折射率的材料重覆交錯堆疊而形成，且該兩種不同折射率的材料的厚度可相同或不同。於本發明中，該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率可介於1.3至2.8之間，較佳為1.45至2.3之間，更佳為1.3至2.8之間。兩種不同折射率的材料，可為可為五氧化二鉭/三氧化二鋁之組合、五氧化二鉭/氮化矽之組合、五氧化二鉭/氧化矽之組合、二氧化鈦/二氧化矽、二氧化鈦/三氧化二鋁之組合、氧化鈦/二氧化矽之組合、以及二氧化鈦/氮化矽之組合，於本發明一示例性實施例中使用二氧化鈦/二氧化矽組合之布拉格反射鏡對。至於布拉格反射鏡對中兩種不同折射率的材料的厚度分別可450 Å~675 Å之間、更佳為460 Å~690 Å之間。舉例來說，可為由460 Å的二氧化鈦與690 Å 的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對、450 Å的二氧化鈦與675 Å的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對、或是400 Å的二氧化鈦與770 Å的二氧化矽所組成之布拉格反射鏡對，然本發明並不限於此。
布拉格反射鏡對的反射率隨材料的層數和材料之間的折射率差而改變，於本發明中，布拉格反射鏡對的對數(n)較佳為6對以上(n＞6)，更佳為20對以上；至於材料之間的折射率差，較佳可在1.3至2.8的範圍之內，然本發明並不限於此。
螢光粉層的形成方法並無特別限制，任何習知技術中教示的方法都可使用。舉例來說，可以透過塗敷、噴塗、貼附、自組裝、蒸鍍等方式將螢光粉膠混合物成型於發光二極體上。本發明對此並無特別限制。
本發明之封裝保護層可由高分子化合物形成，該封裝保護層係包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層，不只可強化發光二極體結構，避免該發光二極體結構在後續的加工過程中碎裂，更可使得光在封裝保護層內部繞射與背面透射，達成全方位出光的效果。上述之封裝保護層之製造方法及材料並無特別限制，在方法上可利用模鑄成型、貼附膠片、覆蓋透明外殼等方法形成該封裝保護層，而材料上可為透明高分子材料(譬如矽膠、環氧樹脂)或透明無機物 (譬如氧化矽、氧化鈦、氧化鋯、單多晶氧化鋁等)，考量透明無機物易碎影響良率，較佳使用透明高分子材料。於本發明一示例性實施例中，係利用射出成型的方式將透明環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)包裹於晶片及第三金屬層。
本發明更進一步提供一種發光二極體封裝結構之製造方法，一種發光二極體封裝結構之製造方法，係包括下列步驟：
(a) 於一基板上形成複數個獨立之磊晶單元，且每一磊晶單元包括：一n型半導體單元，係位於該基板之一表面；至少一發光層，位於該n型半導體單元上；一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面；
(b) 於該些磊晶單元之表面形成第一金屬層，使該第一金屬層覆蓋部分之磊晶單元表面，以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元；
(c) 形成n對布拉格反射鏡對，使該些布拉格反射鏡對包覆該些該磊晶單元以及部分之第一金屬層，其中n係為一大於6之整數；
(d) 於該布拉格反射鏡對之一表面形成一圖案化之第二金屬層，使該第二金屬層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層；
(e) 於該基板上非n對布拉格反射鏡對之表面形成一螢光粉層；
(f) 將相反於該基板之該第二金屬層表面形成一第三金屬層，其中該第三金屬層具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極；以及
(g) 形成一封裝保護層以包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層。
以下係利用特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點與其他功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，且本說明書中的各項細節亦可針對不同的觀點與應用，在不背離本發明精神下進行各種修飾與變更。
實施例1
圖1係本發明一示例性實施例之發光二極體封裝結構10示意圖。該發光二極體封裝結構10包括：基板110、磊晶單元120、第一金屬層130、布拉格反射鏡對140、第二金屬層150、螢光粉層160、焊接層170、第三金屬層180、以及封裝保護層190。
下文中將更具體地描述本發明之發光二極體封裝結構之製備方法，於實施例1中，係在藍寶石基板110之一表面上，於750~1200℃、1大氣壓的操作條件下，利用有機金屬氣相沉積方法依序形成氮化鎵本質磊晶、n型氮化鎵、發光層、p型氮化鎵；之後以半導體製程如黃光、微影、蝕刻工序將前述磊晶材料製作成帶有PN極性的元件。然後在p型氮化鎵之側壁及發光層之側壁上，利用化學氣相沉積形成氮化矽絕緣層(圖未示)，以避免電流經由側壁連通n型層或金屬電極而短路。
接下來，在真空的條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120的表面以金/鎳形成第一金屬層130，其中，第一金屬層130覆蓋部分的磊晶單元120表面而使該些磊晶單元120與相鄰之磊晶單元120能夠彼此串接相連。
形成磊晶單元之後，接下來在真空條件下，以電子束蒸鍍方式，在該些磊晶單元120及第一金屬層130之表面形成布拉格反射鏡對140。該布拉格反射鏡對140係以460 Å的TiO
2與690 Å 的SiO
2所組成，總共有20層(對)，並且包覆該些磊晶單元120以及部分之第一金屬層130，且部分之第一金屬層130不被該布拉格反射鏡140包覆。
隨後，在真空條件下，利用電子束蒸鍍方式，在該布拉格反射鏡對140之一表面形成一第二金屬層150，且該第二金屬層150與未經該布拉格反射鏡140對所覆蓋之該第一金屬層130連接。並進一步圖案化該第二金屬層150使該第二金屬150層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極。
在該基板上非布拉格反射鏡對140之表面塗敷螢光粉層160。其係在水油相界面下，利用粉體自組裝方式進行螢光粉薄膜成型，且螢光粉層之厚度約在60
。
隨後，將第二金屬層150與第三金屬層180在以大於250℃溫度進行焊接，其中，該第三金屬層180係為一銅金屬層，厚度約為300 mm。以此方式進行時，該第二金屬層150與第三金屬層180交界之表面形成厚度約2 mm之Sn焊接層170。並且，將該第三金屬層180圖案化，使第三金屬層180形成一個間隙而分隔成至少兩獨立之電極，如圖1所示，該第三金屬層180圖案化所形成之間隙相對應於該第二金屬層150圖案化後所形成之該間隙。
最後，以射出成形的方式將透明環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)形成一封裝保護層190包覆該基板110、該些磊晶單元120、該第二金屬層150、該螢光粉層160、以及部分之該第三金屬層180。
完成之後，將上述之發光二極體封裝單元結構從第三金屬層總集切取使用。因為該結構具有封裝保護層190的關係，可輕易地切割而不會損害到內部晶片的結構。除此之外，在此結構中，第三金屬層(銅金屬層)大幅度地提升了散熱的效果，且相較於習知技術，此結構省略透明藍寶石封裝基板，故能大幅度地減少用料成本。除此之外，利用透明環氧成型模料所形成的封裝保護層，可使光線在封膠內部繞射與背面透射，達到全方位出光的效果。
以積分球實際測量，在色溫3000K、顯色指數大於80的光色要求下，以80V、15 mA之操作條件，可測得162 lm/W的出光效率，證實本發明之發光二極體封裝結構具有優異的效能。
實施例2
圖2係本發明一示例性實施例之發光二極體封裝結構10示意圖。該發光二極體封裝結構10在結構及製造方法上大致與圖1之發光二極體封裝結構相似，不同的地方在於，為了達到更好的保護效果，圖2之發光二極體封裝結構10在形成第三金屬層後，以模鑄成型方法利用EMC材料來形成加強板181，且該加強板181係跨接該第三金屬層180之間之該間隙之兩側。
10‧‧‧發光二極體封裝結構
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶單元
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧布拉格反射鏡對
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧螢光粉層
170‧‧‧焊接層
180‧‧‧第三金屬層
181‧‧‧加強板
190‧‧‧封裝保護層
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶單元
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧布拉格反射鏡對
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧螢光粉層
170‧‧‧焊接層
180‧‧‧第三金屬層
181‧‧‧加強板
190‧‧‧封裝保護層
圖1係本發明一實施例之發光二極體封裝結構示意圖。 圖2係本發明另一實施例之發光二極體封裝結構示意圖。
10‧‧‧發光二極體封裝結構
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶單元
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧布拉格反射鏡對
150‧‧‧第二金屬層
160‧‧‧螢光粉層
170‧‧‧焊接層
180‧‧‧第三金屬層
190‧‧‧封裝保護層
Claims (18)
- 一種發光二極體封裝結構，包括： 一基板； 複數個磊晶單元，位於該基板之一表面，每一磊晶單元包括： 一n型半導體單元，係位於該基板之表面； 至少一發光層，位於該n型半導體單元上； 一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及 一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面； 一第一金屬層，該第一金屬層係位於該磊晶單元之部分表面以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元； n對布拉格反射鏡對，係包覆該些磊晶單元以及該第一金屬層之部份表面，其中n係為一大於6之整數； 一第二金屬層，係設於該布拉格反射鏡對之表面，並經圖案化而具有一間隙，使該第二金屬層分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層； 複數個第三金屬層，係連接該第二金屬層，且至少兩個第三金屬層之間具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極； 一螢光粉層，係位於該基板上非n對布拉格反射鏡對之表面；以及 一封裝保護層，係包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一連結於該第三金屬層表面之加強板，其中該加強板係跨接該第三金屬層之間之該間隙之兩側。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一位於該第三金屬層之該間隙之非導電絕緣層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包含一位於該基板與該磊晶單元之間之緩衝層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該第三金屬層之厚度大於或等於150mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該第二金屬層和與之相鄰之該第三金屬層之間更具有一焊接層，且該焊接層之厚度係為1 mm至3 mm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該封裝保護層係由一透明高分子或透明無機材料所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中 n係為一大於或等於6之整數。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率係介於1.3至2.8之間。
- 一種發光二極體封裝結構之製造方法，係包括下列步驟： (a) 於一基板上形成複數個獨立之磊晶單元，且每一磊晶單元包括： 一n型半導體單元，係位於該基板之一表面； 至少一發光層，位於該n型半導體單元上； 一p型半導體單元，位於該n型半導體單元上，且該發光層係夾設於該p型半導體單元與該n型半導體單元之間，部份之n型半導體單元露出且不被該p型半導體單元覆蓋；以及 一透明電極層，係位於該p型半導體單元之表面； (b) 於該些磊晶單元之表面形成第一金屬層，使該第一金屬層覆蓋部分之磊晶單元表面，以連結該磊晶單元與另一相鄰之磊晶單元； (c) 形成n對布拉格反射鏡對，使該些布拉格反射鏡對包覆該些該磊晶單元以及部分之第一金屬層，其中n係為一大於6之整數； (d) 於該布拉格反射鏡對之一表面形成一圖案化之第二金屬層，使該第二金屬層具有一間隙而分隔成至少兩獨立之電極，且該第二金屬層連接未經該布拉格反射鏡對所覆蓋之該第一金屬層； (e) 於該基板上非n對布拉格反射鏡對之表面形成一螢光粉層； (f) 將相反於該基板之該第二金屬層表面形成一第三金屬層，其中該第三金屬層具有一間隙以將該第三金屬層分隔成至少兩獨立之電極；以及 (g) 形成一封裝保護層以包覆該基板、該些磊晶單元、該第二金屬層、該螢光粉層、以及部分之該第三金屬層。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構，在步驟(g)前更包括一步驟(f1)，係於該第三金屬層之該間隙形成一非導電絕緣層。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構，在步驟(a)之前更包括先在該基板上形成一緩衝層。
- 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，步驟(f)中，該第三金屬層之厚度大於或等於150mm。
- 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，步驟(f)中，係透過焊接的方式將該第三金屬層焊接於相反於該基板之該第二金屬層表面而形成一焊接層，該焊接層之厚度係為1 mm至3 mm之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構，步驟(g)中，該封裝保護層係由一高分子材料所形成。
- 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中該封裝保護層係環氧成型模料(Epoxy Molding Compound; EMC)。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構，其中 n係為一大於或等於6之整數。
- 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中該布拉格反射鏡對之光學膜層折射率係介於1.3至2.8之間。
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