专利名称：半导体双晶白色led封装结构的制作方法
技术领域：
本发明是有关于半导体双晶白色LED封装结构，特别是利用二种具有互补波长的LED串级制成，混波成为白光的半导体双晶LED封装结构。
发光二极管(Light Emitting Diode；LED)是半导体材料制成的元件，也是一种极细微的固态光源，可将电能转化为光，不但体积小，且寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性特佳，能够配合各种应用设备的轻、薄及小型化的需求，早已成为日常生活中十分普及的产品。
发光二极管是利用各种化合物半导体材料及元件结构的变化，设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种颜色，以及红外、紫外等不可见光LED。适合制作1000 mcd以上高亮度LED的材料，其波长由长至短分别为AlGaAS、InGaAlP和InGaN。
AlGaAs适合于制作高亮度红光及红外光LED，商业上以LPE磊晶法进行生产，元件使用双异质接面构造(DH)为主。
InGaAlP适合于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED，商业上以MOVPE磊晶法进行生产，元件使用双异质接面及量子井(Quantum Well)。公知黄光LED晶粒10的结构如
图1A所示，图中正极接线垫11是接正极，其通常为金(Au)，并以金属蒸镀法形成。基板13为n型GaAs或GaP，基板13上再利用气相磊晶或液相磊晶技术，磊晶上一层InGaAlP磊晶层14，再利用金属蒸镀法蒸镀Al或Au形成接负极的负极接线垫12。
InGaN适合于高亮度深绿、蓝、紫外光LED，以高温MOVPE磊晶法批量生产，元件也使用双异质接面及量子井构造，可达效率比前两者高。公知蓝光LED晶粒20的结构如图1B所示，图中n型InGaN磊晶层24及p型InGaN磊晶层25是以气相磊晶或液相磊晶技术磊晶于可透光的蓝宝石(sapphire)基板23上。正极接线垫21为p型InGaN接正极，n型InGaN则形成负极接线垫22接负极。但也可先磊晶p型InGaN磊晶层25，再磊晶n型InGaN磊晶层24。与图1A不同之处在于加上蓝宝石基板23后，负极接线垫22的位置也不同，但蓝宝石基板23并非必要。
白光LED与一般照明设备比较，除了省电外还有寿命长、不发热等优点，对于废弃物的回收问题，也比现行目光灯少，可说是既安全又环保。虽然目前白光LED的价格仍很高，但白光LED是LED产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受全球瞩目。因此，欧、美及日本等先进国家已投注许多人力，并成立专门的机构推动白光LED研发工作。
目前白光LED制作过程是以混合二波长光如蓝光及黄光，或三波长光如蓝光、绿光及红光的技术为主。为了要得到高亮度白光光源，通常运用下列二种方法。
第一种为在同一个封装体中同时平置入红、蓝、绿三晶粒，利用三晶粒的混波来产生出白光源，此方法为封装时较为常用的方法。然而，若在同一个封装体中同时放入红、蓝、绿三晶粒，利用三晶粒的混波来产生出白光源，此种方式引脚相当多，至少四支引脚以上，而且封装过后体积很大，甚至近场(near field)仍为三色，远场(far field)始见白光。
第二种为蓝光晶粒配合萤光物质产生白光，例如日亚化学(Nichia)于U.S.Patent No.5,998,936中公开一种白光LED制品，是以InGaN蓝光晶粒涂上一层萤光物质yttrium-aluminum-garnet(YAG)，利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光及蓝光予以混合，便可得出白光。然而，此种方法所产生的白光源会有光度减弱的缺点，且使用1,000小时后光度约衰减20％，其寿命很短，只能用在小型光源，对于一般或紧急照明则无法适用。
本发明的目的是提供一种白光的半导体双晶LED封装结构，其制作过程简单，且封装后引脚数少，体积小。
本发明的另一目的是提供一种白光的半导体双晶LED封装结构，其产生的白光光度不会减弱，且近场及远场皆为白光。
为实现上述目的及改善公知白光LED结构的缺点，本发明利用黄光透过蓝光或蓝光透过黄光可混波成为白光的原理，发展一种半导体LED白光双晶封装结构。本发明的半导体LED白光双晶封装结构主要包括(a)一封装基座，具有至少一正极接脚及一负极接脚，该负极接脚具有一凹室；(b)一第一LED晶粒，具有一正极及一负极，并放置于该封装基座的凹室内；(c)一第二LED晶粒，其发射光波长与第一LED晶粒的发射光波长为互补，具有一正极及一负极，封装于凹室上方，使凹室形成一封闭空间；(d)复数条金属导线，将第一LED晶粒及第二LED晶粒的正极连接至封装底座的正极接脚上。
上述的第一LED晶粒的负极可直接粘接于负极接脚的凹室，而第二LED晶粒的负极则以金属导线连接至封装基座的负极接脚。此外，第二LED晶粒下方可视需要设有一可透光的支撑板。
上述的封装基座可具有一正极接脚，使第一LED晶粒及第二LED晶粒的正极皆连接至同一正极接脚，形成单正单负封装结构；也可具有二正极接脚，使第一LED晶粒及第二LED晶粒的正极分别连接至二正极接脚，形成双正单负封装结构。
本发明第一LED晶粒及第二LED晶粒的位置可互换，上方LED晶粒的面积大于下方的面积。通常上方面积约为400～900mil2，下方面积约为36～400mil2。至于厚度则视所用LED材质而定。
本发明的凹室也可设于正极接脚，则各元件的连接可同理推之。
本发明结构不会有亮度减弱的问题，以常见照明灯的开发历程来看，白光双晶LED将来可取代传统灯泡的照明，对于照明产业的应用极具潜力。
附图简单说明图1A及1B为公知黄光及蓝光LED晶粒的剖面图。
图2A及2B显示二种本发明双晶白光LED单正单负封装构造的剖面图。
图3是本发明双晶白光LED单正单负封装构造的等效电路图。
图4A及4B显示二种本发明双晶白光LED双正单负封装构造的剖面图。
图5是本发明双晶白光LED双正单负封装构造的等效电路图。
附图标记说明10黄光LED晶粒11、21正极接线垫12、22负极接线垫13GaAs或GaP基板14InGaAlP磊晶层20蓝光LED晶粒23蓝宝石基板24n型InGaN磊晶层
25p型InGaN磊晶层30透明支撑板41、41’正极接脚42负极接脚421凹室422、423线沟50电阻611、612、621、622金属导线本发明使用的二种LED并无特别限制，只要其发射光波长为互补者皆可。本发明实施例提出的是一种以利用黄光穿透透明或半透明的蓝光晶粒；或蓝光穿透透明或半透明的黄光晶粒，混波成为半导体双晶白光LED封装结构。本发明所提出的封装结构，主要是在黄光LED晶粒上再封装一层蓝光LED晶粒；或是在蓝光LED晶粒上再封装一层黄光LED晶粒，成为半导体双晶封装结构。
图2A显示本发明双晶白光LED封装构造的第一实施例。本实施例是单正单负构造，黄光LED晶粒10在下，以黄光穿越在上的蓝光LED晶粒20。本实施例中，封装基座具有一正极接脚41及一负极接脚42，负极接脚42具有一凹室421。蓝宝石基板23封装于凹室421上方，使凹室421形成一封闭空间。
黄光LED晶粒10包括一GaAs或GaP材料的基板13及一形成于基板上的InGaAlP磊晶层14，黄光LED晶粒10具有一正极接线垫(bond pad)11及一负极接线垫12。正极接线垫11以金属导线611经线沟422连接至串联电阻50，再连接至正极接脚41，线沟422则以不透明胶密封，负极接线垫12粘接(die bond)于封装基座的负极接脚42的凹室421。
蓝光LED晶粒20包括一粘接在蓝宝石基板23上的n型InGaN磊晶层24及p型InGaN磊晶层25，蓝光LED晶粒20具有一正极接线垫21及一负极接线垫22。正极接线垫21以金属导线621连接至封装基座的正极接脚41上，负极接线垫22则以金属导线622连接至负极接脚42上。
本实施例中，黄光LED晶粒10的晶粒面积约为36～400mil2，最好为100mil2，其磊晶层厚度约为6～8mil，由生产的方便而定。蓝光LED晶粒20较大，以遮盖黄光LED晶粒10，其晶粒面积约为400～900mil2，其磊晶层厚度约为2～3mil。
因黄光LED晶粒10的驱动电压约为2.0V，而蓝光LED晶粒20的驱动电压约为3.5V，故黄光LED晶粒10需串联电阻50降压。由调整电阻50的阻值可改变黄光LED晶粒的亮度。
图2B显示本发明双晶白光LED封装构造的第二实施例。本实施例也为单正单负构造，蓝光LED晶粒20在下，以蓝光穿透在上的黄光LED晶粒10。图2B与图2A不同之处在于(1)电阻50随黄光LED晶粒10移至正极接脚41的较上方，以便连接黄光LED晶粒10的正极接线垫11；(2)黄光LED晶粒10粘接或磊晶在透明支撑板30上，本实施例的透明支撑板30使用蓝宝石，因此黄光LED晶粒10的负极接线垫12以金属导线612连接至封装基座的负极接脚42上；(3)蓝光LED晶粒20的负极接线垫22以金属导线622经由线沟423连接于封装基座的负极接脚42的凹室421；(4)本实施例中，蓝光LED晶粒20的晶粒面积约为36～400mil2，最好为100mil2，其磊晶层厚度约为2～7mil，由生产的方便而定。黄光LED晶粒10较大，以遮盖蓝光LED晶粒20，其晶粒面积约为400～900mil2，其磊晶层厚度约为4～13mil。其余与图2A的构造相同，不再赘述。
图3是第一及第二实施例的等效电路图，黄光LED晶粒10与蓝光LED晶粒20使用同一电源，驱动电压约为3.5V，驱动电流通常都约为20mA。因此黄光LED晶粒10的正极接线垫11需串联电阻50，以降低电压至黄光LED10的驱动电压2V，但由调整电阻50的阻值，可视需要提高至40mA。
图4A显示本发明双晶白光LED封装构造的第三实施例，本实施例是双正单负构造，黄光LED晶粒10在下，以黄光穿透在上的蓝光LED晶粒20。本实施例与第一实施例不同之处在于黄光LED晶粒10的正极接线垫11与蓝光LED晶粒20的正极接线垫21分别连接至正极接脚41，41’，而使用两个不同的电源。
图4B是本发明双晶白光LED封装构造的第四实施例，本实施例也为双正单负构造，蓝光LED晶粒20在下，以蓝光穿透在上的黄光LED晶粒10。本实施例与第二实施例的差异与第一、三实施例的差异类似，故不再赘述。
图5是第三及第四实施例的等效电路图，黄光LED晶粒10与蓝光LED晶粒20使用两个不同的电源。黄光LED晶粒10供应2.0V电压，而蓝光LED晶粒20供应3.5V电压，驱动电流皆为20mA，则黄光的LED晶粒10不必再串联电阻，有节省电源的效果。
本发明并不限于使用黄光LED晶粒10及蓝光LED晶粒20，只要其发射光波长为互补的皆可，实施例中使用的黄光LED晶粒10及蓝光LED晶粒20也不限于上述材料，即以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求，凡其它不脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围内。
权利要求
1.一种半导体双晶白色LED封装结构，利用二种对白光为互补的光混波产生白光；其特征为主要包括(a)一封装基座，具有至少一正极接脚，及一负极接脚，该负极接脚具有一凹室；(b)一第一LED晶粒，具有一正极及一负极，并放置于该封装基座的凹室内；(c)一第二LED晶粒，其发射光波长与第一LED晶粒的发射光波长对白光为互补，具有一正极及一负极，封装于该凹室上方，使该凹室形成一封闭空间；及(d)复数条金属导线，将该第一LED晶粒及该第二LED晶粒的正极连接至该封装底座的正极接脚上。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第一LED晶粒的负极粘接于该负极接脚的凹室。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒的负极以金属导线连接至该封装基座的负极接脚。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒下方设有一支撑板。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该封装基座具有一正极接脚，使该第一LED晶粒及该第二LED晶粒的正极皆连接至该正极接脚，形成单正单负封装结构。
6.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该封装基座具有二正极接脚，使该第一LED晶粒及该第二LED晶粒的正极分别连接至该二正极接脚，形成双正单负封装结构。
7.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒的面积大于该第一LED晶粒的面积。
8.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第一LED晶粒的面积约为36～400mil2。
9.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒的面积约为400～900mil2。
10.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第一LED晶粒为黄光LED晶粒。
11.如权利要求10所述的封装结构，其特征为该黄光LED晶粒为InGaAlP磊晶于GaAs或GaP基板上形成的黄光LED晶粒。
12.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒为蓝光LED晶粒。
13.如权利要求12所述的封装结构，其特征为该蓝光LED晶粒为InGaN磊晶在蓝宝石基板上形成的蓝光LED晶粒。
14.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第一LED晶粒为蓝光LED晶粒。
15.如权利要求14所述的封装结构，其特征为该蓝光LED晶粒为InGaN磊晶在蓝宝石基板上形成的蓝光LED晶粒。
16.如权利要求1所述的封装结构，其特征为该第二LED晶粒为黄光LED晶粒。
17.如权利要求16所述的封装结构，其特征为该黄光LED晶粒为InGaAlP磊晶于GaAs或GaP基板上形成的黄光LED晶粒。
全文摘要
本发明公开了一种半导体双晶白色LED封装结构，是以二种具有互补波长的LED串级制成，例如将蓝光晶粒封装于黄光晶粒上，或是将黄光晶粒封装于蓝光晶粒上形成的封装结构。当黄光穿透蓝光或蓝光穿透黄光，即可混波成为白光。本发明可为单正单负或双正单负的封装结构。
文档编号H01L33/00GK1391291SQ0112930
公开日2003年1月15日 申请日期2001年6月11日 优先权日2001年6月11日
发明者张修恒 申请人:张修恒