专利名称：固态照明系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种固态照明系统，特别是有关一种发光二极管封装结构。
背景技术：
自从爱迪生发明了灯泡之后，对于人类的生活产生巨大的影响与变化。照明灯具的改善，从爱迪生发明的白炽灯泡到现在，一直有持续性的研发当中。目前，发光二极管是所有的固态照明当中投入最多的研发资源的，因为具有许多的优点，例如固态发光源可以有较佳的耐受性，可以防撞。相较于传统的灯源，由于都使用玻璃作为灯罩，在运送与使用上，必须要防撞避免破碎。固态光源当中，最为广泛使用的就是发光二极管。由于发光二极管的光源的波长都在一范围内，如不进行混光，都只能提供单一色光。为了可以提供白光的照明，发光二极管与荧光粉进行混光，是固态照明中很重要的一环。目前，主流的白光发光二极管是使用蓝光的发光二极管与黄色荧光粉进行混光。其他的方式还有使用蓝色荧光粉加上绿光与红光的荧光粉，或是使用紫外光发光二极管加上三原色的荧光粉进行混光。荧光粉，在工艺当中都是先与透明胶材混合。之后，才固定到发光二极管上，其中固定的方式有使用与发光二极管共形(conformal)结构，或是用注射的方式，将胶材注入到封装的壳体内部。这会产生一些问题。首先，荧光粉的混光会有均匀性的问题。这是因为荧光粉在与胶材混光之后，荧光粉会在胶材内部沉淀，然后沉淀后的胶材在注射到不同的发光二极管的封装壳体内部时，工艺初期的发光二极管会有较多的荧光粉参与混光，而工艺快要结束的时候会被分配到较少剂量的荧光粉。这会造成同一批制造出来的发光二极管，颜色会从黄色越来越偏向蓝。在完成发光二极管的封装后，只有一部份的产品是在规格以内，可以供作商业用途。制造的良率，是依赖荧光粉在胶材内的沉淀速率来决定，而荧光粉的沉淀速率是不可预期的。另外，将胶材注入发光二极管的封装壳体之后，就直接进行固化。然而，封装壳体的材质是聚对苯二酰对苯二胺(PPA)，而胶材的材料可为环氧树脂或是硅胶，这些材料虽然都是有机材料，但是材料相互之间在封装完成之后的接口会有一定的空隙，尤其是两种材料的热涨冷缩性质不相同，在固化完成之后会增加这个空隙的尺寸。这样，封装之后的发光二极管很难达到气密性的封装，在应用上会受到许多的限制。再者，完成封装之后，想要在发光二极管的封装体上形成第二次的光学结构，需要付出较大的代价，例如再增加一个光学透镜，以提供应用端所需要的光形。这样会增加制造的成本以及降低生产的良率。因此，本发明提供一种 发光二极管的封装结构与方式，以改善传统封装的诸多缺点或疑虑。
发明内容
鉴于上述的发明背景中，为了符合产业利益的需求以及达到上述的目的，本发明提出一种固态照明系统，其包含一其内部具有一反射杯壳体，一固态发光源位于该壳体内部，一透明胶材将该固态发光源封闭于该壳体内，以及一多层发光结构位于该透明胶材上，并吸收该固态光源的光束后发射波长更长的光源，该多层发光结构为荧光体或是磷光体，并与一第一层透明胶材贴附。上述的多层发光结构还包含一第二层透明胶材，而该发光结构位于该第一层透明胶材与该第二层透明胶材之间，形成一三明治结构。上述的固态发光源为发光二极管，其发射波长为蓝光或是紫外光。上述的透明胶材的折射系数位于该固态发光源的折射系数与该三明治发光结构的折射系数之间。上述的三明治发光结构系可以将该固态发光元件以气密式封装。上述的三明治发光体中间的荧光体或是磷光体可为多层，在吸收该固态发光源的光束之后可以发射不同波长的光束。上述的三明治发光结构可以热固法或是紫外光固化法固定在该透明胶材上。上述的三明治发光体的出光表面可具有微结构可将光束散射。上述的三明治发光体的出光表面可为菲斯涅(Fresnel)透镜，具有聚光或是散光的效果。
为达成上述目的及功效，以下结合较佳实施例及附图详加说明如后，其中:图1为本发明的发光二极管封装截面结构示意图。图2为本发明的发光二极管气密式封装截面结构示意图。图3为本发明另一实施例的发光二极管气密式封装截面结构示意图。图4为本发明的荧光粉贴片表面微结构的示意图。图5为菲斯涅透镜的结构示意图。图6为菲斯涅透镜的原理示意图。图7为本发明的封装工艺各步骤的流程图。
具体实施例方式本发明在此所探讨的方向为一种固态照明系统。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于固态照明系统的技术者所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以本发明的权利要求范围为准。请参阅图1，显示本发明的发光二极管封装结构的截面示意图，其中发光二极管封装体I包含一封装壳体14，其中具有一发光二极管芯片12。在图1中的封装体结构，一种类型是塑料支架晶粒承载(Plastic Leadframe Chip Carrier ;PLCC),然而本发明亦可以应用到其他的封装体结构，例如 印刷电路板封装体，陶瓷封装体，或是硅封装体等。在图1中，封装体是有反射体的，然而本发明也可以应用在没有反射体的封装壳体中。壳体14的材质，如是应用在塑料支架晶粒承载，主要是聚对苯二酰对苯二胺(PPA);如是陶瓷封装体，可以是氧化铝或是氮化铝陶瓷；如是硅封装体结构，就是单晶硅。在本发明中，使用的固态发光源为发光二极管。在本实施例中，发光二极管芯片12的材质，在本发明中主要是氮化镓为主的三五族化合物半导体，然而亦可以使用二六族化合物半导体。在本发明中，发光二极管主要是可以激发蓝光或是紫外光的氮化镓发光二极管，发光波长可以在370-480nm之间。发光二极管的波长，由主动层的能阶所决定。在壳体14的反射体内部，具有透明胶材16，其材质主要有环氧树脂(epoxy)或是娃胶(silicone),或是两着的混合(hybrid)。环氧树脂的硬度虽然较佳,然而因为材质有苯环，较容易黄化而降低发光二极管的亮度。硅胶的硬度较差，然而材质不易有黄化的问题。目前商业上有提供两种材料的混合物可以同时具有较佳的硬度与较低的黄化问题。另外，透明胶材16需要考虑的是折射系数，最好是在发光二极管晶粒12与一多层发光结构20之间。在一实施例中，透明胶材16甚至可以不需要，因为在本发明中，整个封装体最后还会被一胶材与突光粉给密封。在图1的实施例中，在封装壳体14与透明胶材16的上面，有一多层发光结构20，为三明治的夹层结构，主要有两层透明的胶材22、26，中间夹住荧光粉层24。荧光粉层24，在本发明中可以是磷光体(phosphor)或是突光体(fluorescence),主要可以是乾招石槽石(YAG),钽招石槽石(TAG),娃酸盐(Silicate),有机石槽石(organic garnet),硫化物，硒化物，氮化物等。选用不同荧光粉，由应用端做决定。例如，当发光二极管的发射波长是在蓝光的时候，荧光粉通常会选择可以激发黄光的荧光粉，例如钇铝石榴石(YAG)荧光粉，钽铝石榴石(TAG)荧光粉，硅酸盐(Silicate)荧光粉，或是有机石榴石(organic garnet)荧光粉，或是绿光与红光的荧光粉，例如发射绿光的硅酸盐(Silicate)荧光粉，发射红光的硫化物，或是氮化物荧光粉。由于荧光粉层24是在两层透明胶材22、26之间，荧光粉层24的厚度比较容易控制。例如，一种实施例中采用可以激发蓝光的发光二极管与黄光的荧光粉，较厚的荧光粉层24，会产生较多的黄光，在发光二极管的封装之后，可以产生较为暖色系，色温较低的白光。另一方面，如果荧光粉层24的厚度较低，会有较少的黄光产生，最后混光成冷色系，色温较高的白色光。相较于传统的技术，由于是先将荧光粉与透明胶材混合，然后再随着胶材一起注入封装壳体16。这种方式，在工艺过程中，荧光粉的颗粒会逐渐的沉淀，每一个发光二极管在工艺中所注入的荧光粉的剂量都会不同，因此制造出来的发光二极管，其白色光会在CIE图产生分布。在某些应用上，尤其是显示器的背光源的要求，CIE图上不同的发光二极管之间的色光分布过大，会让显示器的画面颜色失真。另外，制造完成的白光发光二极管，就必须要针对不同的CIE的颜色进行分类，然后依照客户的规格需求进行商业买卖。但是，在市场并不需要的规格上，这些已经制造出来的白光发光二极管，已经无法重工，除了当作库存之外，大部分都会以贱价卖出去。在工艺上，荧光粉的沉淀，是很难控制的，因此采用传统方式制造出来的白光发光二极管，必定会有相当比例的库存。采用本发明就不会有荧光粉沉淀的问题发生。因此，制造出来的白光发光二极管，在CIE的图示上，就会相当的集中。尤其是可以依照客户对于CIE上指定的色坐标，调整适当的荧光粉厚度，就可以满足客户的需求。在该多层发光结构20的上下两层透明胶材22与26其材质可为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),压克力(aeryI),聚碳酸脂(PC),聚乙烯(PE),或是聚氯乙烯(PVC)。在下层透明胶材26的底部,可以涂布热固性(thermal curing)树脂,或是紫外光固定(UV curing)胶材，让该多层发光结构20可以轻易的贴附在壳体14以及透明胶材16上。在另一实施例中,可以只有一层胶材26与一层突光粉层24,或是一层胶材22与一层突光粉层24,只要有一层胶材做为突光粉的载体即可。另外,在其中一个胶材22或是26的中，掺入扩散剂(diffuser)。请参阅图2，显示气密性封装的结构示意图。在该多层发光结构20贴附上去之后，可以在封装壳体14表面的周围形成气密性封装的固定物体18，让发光二极管2可以应用在室外。固定物体18的材质可以是聚对苯二酰对苯二胺或是陶瓷材料，主要是用高压与封装壳体14之间进行密合，其方式可以采用热固性的方式。请参阅图3，可以在壳体14的墙壁上形成沟槽19，并且在沟槽19内填入胶材。之后，让该多层发光结构20可以贴附在整个封装体I上。在一实施例中，当该多层发光结构20够薄，是可以沿着沟槽19进行贴附。这样更可以增加封装体的气密性。在沟槽19中所使用的胶材，可以使用与胶材16相同，也可不同。例如两者皆可使用环氧树脂，也可以都使用硅胶。由于这里的胶材，对于光学并无任何的影响，所以可以使用不透明的胶材。另外，该多层发光结构20的表面，也就是上层透明胶材22的表面，或是出光面，可以形成一些微结构28，如图4所示。在最近的研究当中，在发光二极管的出光面设计粗糙的微结构，所谓的表面粗化等，可以增加发光二极管的出光效益。另外，由于微结构28与荧光粉层24的距离较近，还可以提供较佳的混光的效果。除了在上层透明胶材22的表面形成微结构之外，还可以设计光学结构，或者称为二次光学结构。请参阅图5，如果想要提供聚光的效果，可以在上层透明胶材22形成菲斯涅(Fresnel)透镜30。原理如图6所示，是将一个透镜32切割成数等分，然后只要将不同部分的透镜的曲面移动到底部，这样可以大幅降低透镜的厚度。在图5与图6都是以凸透镜，也就是产生具焦效果的透镜作为说明。然而，所有熟知该项技术者均可理解，任何的光学透镜皆可以通过这种方式降低厚度。本发明的发光二极管封装结构，其工艺可参阅图7。首先，进行固晶(步骤S7-1)与打线(步骤S7-2)的步骤。如果是采用覆晶封装的技术，只有一个固晶的步骤即可。接着，进行注入胶材(步骤S7-3)的步骤。由于在这个步骤是进行透明胶材的注入，没有荧光粉的沉淀的问题。另外，这个步骤是选择性的，也可以不进行胶材的注入。之后，贴附荧光粉贴片(步骤S7-4)，将荧光粉贴片固定在封装壳体与透明胶材上。这个步骤，可以采用热固性或是紫外光固化的方式将荧光粉贴片固定的。然后，是一个选择性的步骤，如果需要提供可以应用在室外的发光二极管封装体，需要进行气密性封装(步骤S7-5)。本发明的实施例，皆以发光二极管的封装结构说明的，然而亦可以应用在固态照明的系统。例如，在主板上安装晶粒的系统(Chip-on-Board)，就可以将图1中的12视为许多个发光二极管的芯片，而I可以视为整个固态照明系统。14可以是电路基板加上可以提供刚性的壳体。例如，使用电路印刷基板(PCB)或是陶瓷基板与金属壳体等。这样，可以省去发光二极管的封装工艺。这 种设计，只需要在发光二极管晶粒制作完成后，先进行检测与分类(sorting)，然后挑选适合的发光二极管晶粒，例如发光波长的范围，操作电位的分布，亮度等等，进行打件(bonding)与系统的组装。整个固态照明系统可以提供为液晶显示器的背光源，或是作为室内或是户外的照明。本发明的优点，首先解决了荧光粉在胶材中的沉淀问题，可以避免制造出来的白光发光二极管在CIE的色坐标上会有大范围的分布。由于本发明的突光粉贴片的突光粉浓度容易控制，不会有荧光粉沉淀的问题，因此，可以提供CIE色坐标相当集中的白光发光二极管。并且，这种工艺的稳定性也较佳。再者，本发明可以容易的提供较佳的气密性封装与二次光学结构，同时不需要而外增加其他的元件或是材料，工艺相对的简便许多。显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在本发明的权利要求的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发 明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.一种固态发光系统，包括: 一壳体，该壳体内具有一反射杯； 一固态发光源位于该壳体内部；以及 一多层发光结构位于该壳体上，并吸收该固态光源的光束后发射波长更长的光源，该多层发光结构包含一荧光体或是磷光体，并与一第一层透明胶材贴附。
2.如权利要求1所述的固态发光系统，还包含一透明胶材将该固态发光源封闭于该壳体内。
3.如权利要求2所述的固态发光系统，其中该多层发光结构还包含一第二层透明胶材，而该荧光体或是磷光体位于该第一层透明胶材与该第二层透明胶材之间，形成一三明治结构。
4.如权利要求1或3所述的固态发光系统,其中该多层发光结构的出光表面具有微结构将光束散射。
5.如权利要求1或3所述的固态发光系统，其中该多层发光结构的出光表面为菲斯涅透镜，具有聚光或是散光的效果。
6.如权利要求1或3所述的固态发光系统，其中该多层发光结构中间的荧光体或是磷光体为多层，在吸收该固态发光源的光束之后发射不同波长的光束。
7.如权利要求1或3所述的固态发光系统，其中该多层发光结构以热固法固定在该透明胶材上。
8.如权利要求1或3所述的固态发光系统，其中该多层发光结构将该固态发光元件以气密式封装。
9.如权利要求2所述的固态发光系统，其中该透明胶材的折射系数位于该固态发光源的折射系数与该多层发光结构的折射系数之间。
10.如权利要求1或3所述的固态发光系统，其中该固态发光源为发光二极管。
全文摘要
一种固态照明系统，包括一具有一反射杯的壳体，一于该壳体内部的固态发光源位，一将该固态发光源封闭于该壳体内的胶材，以及一多层发光结构位于该透明胶材上，并吸收该固态光源的光束后发射波长更长的光源，该多层发光结构中间为荧光体或是磷光体，位于两层透明胶材中间。
文档编号H01L33/50GK103219450SQ201210016070
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者吴伯仁 申请人:南亚光电股份有限公司