专利名称：结合整流电路于次载具的发光二极管发光装置与制造方法
技术领域：
本发明涉及关于以发光二极管为光源的发光装置，尤其是有关于一种在次载具中设置整流电路的发光二极管发光装置与相关的制造方法。
背景技术：
发光二极管基本的使用方式是对发光二极管施加一适当的顺向直流电压，驱使发光二极管的电子、电洞结合而释放出光子。随着发光二极管的使用逐渐扩及家用与户外的照明，有愈来愈多的应用需要直接以交流电驱动发光二极管。但是将交流电压施加在发光二极管时，过大的逆向电压很容易就会损坏发光二极管。因此，一般常见的解决方式是采用变压器或降压电路，将交流电压降至发光二极管所能承受的适当范围内。但是在这样降压的过程中，有大量的能量被转换为热能。
以交流电直接驱动发光二极管的另一个问题是，发光二极管只有在交流电对发光二极管施予顺向偏压(forward bias)的半个周期才会发亮，另外半个周期因为是对发光二极管施予逆向偏压(reverse bias)，发光二极管不会发亮。因此一般应用也常结合一个整流电路，先将交流电转换为直流电，然后再施加在发光二极管上。最常见的整流电路就是桥式(bridge)整流电路。
综合以上所述，图1a所示是公知的以交流电驱动发光二极管的电路示意图。如图所示，交流电源10(例如110V或220V的市电)的交流电压先经过压降装置20(通常是一电阻)降压，再经过桥式整流电路四臂的二极管30的整流，然后施加到桥式整流电路的负载—发光二极管40上使之发光。图1b、1c所示是交流电压分别在其正半周期与负半周期的电流流经路径(以虚线表示)。如图所示，由于桥式整流电路的作用，不论在交流电压的正半周期或负半周期，发光二极管40都是处于顺向偏压下而发亮。
基于同样的原理，中国台湾专利证号265,741号新型专利揭示了一种类似的架构。如图1d所示，265,741号新型专利除了将发光二极管40作为桥式整流电路的负载外，进一步将多颗发光二极管40分别串联安装于桥式整流电路四臂的电流路径上，使得这些发光二极管40可以分别在适当降压后的交流电的正半周期与负半周期各自发亮。
如图1e所示的剖视示意图所示，前述的公知技术在实际生产时，通常是先在一印刷电路板或基板50上先制作好电路(未标出)，再将每颗构成桥式整流电路的二极管晶粒(die)60、以及每颗发光二极管晶粒70一个个反转，使二极管晶粒60、发光二极管晶粒70位于同一面的正负电极(未标出)向下面对基板50，再以焊球或金属凸块(bump)80适当连接到基板50已经预先制作好的电路。另外一种常见的作法则是将桥式整流电路的二极管以及发光二极管制作在同一基板上，再以导线(bonding wire)或金线(gold wire)打线方式将二极管以及发光二极管连接成所要的电路架构。不论是采用前述哪一种作法，制程都过于复杂，无法节省制造的时间与成本。
发明内容
有鉴于前述结合桥式整流电路的发光二极管发光装置的制作过程困难，因此，本发明提出一种新颖的发光二极管发光装置的结构，不需将每个二极管与发光二极管分别反转构装到已制作好电路的基板上、也不需要将各个二极管与发光二极管先制作在基板上，再以打线连接。
本发明提出的发光二极管发光装置主要包含一下基板、以及一上基板。下基板通常是以硅或其它的适当材料所构成。下基板事先已经采用一般集成电路的制造方法将一整流电路(包含桥式整流电路、其它的全波整流电路、除半波整流电路)实施于其中，并将适当的电气接点设置于其上表面。上基板则是以一般集成电路的制造方法，将多个发光二极管以N×M矩阵的排列方式实施于其中，并使每个发光二极管均彼此绝缘独立。发光二极管之间事先以金属镀层的方式蒸镀或溅镀上连接导线以构成与下基板的桥式整流电路相匹配的电路。
最后再将上、下基板相对，以凸块作为接点完成下基板的整流电路和上基板的发光二极管电路之间的电气连结。下基板同时也是作为未来发光装置封装时的次载具。如此的设计可以大幅的的节省制程时间、节省生产成本。本发明提出的发光二极管发光装置还具有下列优点(1)发光二极管以及桥式整流电路所产生的热可以经由下基板发散出去；(2)藉由在上基板使用够多个发光二极管，其加总的操作电压可以约等于输入的交流电压，因此可以省略压降装置的使用以及降低成本，以及；(3)将整流电路和发光二极管电路分开制作，可节省产品应用时的电路设计。
兹配合所附图标、实施例的详细说明及申请专利范围，将上述及本发明之其它目的与优点详述于后。然而，当可了解所附图标纯系为解说本发明之精神而设，不当视为本发明范畴之定义。有关本发明范畴之定义，请参照所附之申请专利范围。
图1a所示系习知的以交流电驱动发光二极管的电路示意图。
图1b所示系图1a的电路在交流电的正半周期下的电流路径示意图。
图1c所示系图1a的电路在交流电的负半周期下的电流路径示意图。
图1d所示系中国台湾专利证号265,741号新型专利的电路示意图。
图1e所示系习知的发光二极管发光装置的剖面图。
图2a所示系依据本发明一实施例的发光二极管发光装置的电路示意图。
图2b所示系实施图2a的发光二极管发光装置的结构剖面图。
图2c所示系图2b的上基板的透视图。
图2d所示系图2b的上基板的剖面图主要组件符号说明10 交流电源20压降装置30 极管40发光二极管50 基板60二极管晶粒70 发光二极管晶粒 80金属凸块100下基板 110 二极管120电气接点130 桥式整流电路140金属薄层200上基板 210 发光二极管211n型半导体层 212 n型电极
213p型半导体层214p型电极215绝缘层 220导线230负载电路 240金属凸块具体实施方式
本发明提出一种以交流电直接驱动、整合整流电路与发光二极管的发光装置以及其相关的制作方法。请注意到，本发明所整合的整流电路包含桥式整流电路、其它的全波整流电路、以及半波整流电路。换言之，本发明不特别设限整流电路的种类，但以下为便于说明，主要是以桥式整流电路为例说明。另外，本发明的重点不在整流电路与发光二极管负载电路所整合而成如1a图所示的电路，这样的电路架构多已是习知的技术，本发明的重点是在于实现此电路的集成电路架构。
对于构成桥式整流电路的二极管的材料、种类、以及运作方式基本上没有特别的限制。至于作为光源的发光二极管，本发明亦无特别限制，例如可以是由元素周期表III族元素(Al、Ga或In等)及第V族元素(N、P或As)所组成的III-V族半导体化合物所构成。惟需叙明的是(1)本发明所采用的发光二极管的正负电极原则上是位于发光二极管的同一面，以便导线的蒸镀或溅镀连接；(2)本发明所采用的发光二极管因为系采反转方式与桥式整流电路结合，所以可以具有一反射层，于反转后位于其主动层(active layer)下方，以将主动层发出的光线反射向上射出，惟此一反射机制也可以设置在发光二极管外部，其它至于发光二极管是否需要透明的基板以便光线向上射出等细节，虽或影响最终产品的亮度与发光效率，惟采用与否并不与本发明的精神有所扞格，因此也不作特别的限定。
图2a所示系依据本发明一实施例的发光二极管发光装置的电路示意图。如图所示，本实施例的电路包含构成桥式整流电路四臂的四条电路130(亦即包含二极管110的电路)以及负载电路230(亦即包含发光二极管210的电路)。请注意到，在其它实施例里，桥式整流电路的四臂130可以包含一个以上、并以适当方式(串联或并联或两者都有)顺向连接的二极管110。在其它实施例里，负载电路230也可以包含不同数目、并以适当方式(串联或并联或两者都有)顺向连接的发光二极管210。本发明的主要精神即在于将桥式整流电路130以及负载电路230以集成电路方式分别实施，再将二者结合而构成可以交流电直接驱动的二极管发光装置。
如图2b所示，本实施例主要包含一下基板100、以及一上基板200。下基板100通常是以硅或其它的适当材料所构成像是AlN、BeO等。下基板100是事先以一般集成电路的制造方法将前述的桥式整流电路130(包含二极管110)实施于下基板100内。二极管110的细节在图2b中并未表示出来，其中包含了适当的p型与n型材料以构成p-n接口。这里所谓一般集成电路的制造方法系包括任何适合的、习知的集成电路制造方法像是蚀刻、沉积、离子值布等等，在此不多赘述。
下基板100并将适当的电气接点120设置于其上表面，以便后续与上基板200的负载电路230连接、以及未来应用时与交流电源连接与接地。请注意到，下基板100也可以包含其它电路组件，例如设置于交流电源与桥式整流电路的输入端之间、构成压降装置20的电阻。换言之，本发明的主要特征就是将完整的发光二极管发光装置的电路拆解开来分别实施于上、下基板100、200中，后续再将二者结合而完成完整的电路。下基板100同时也是作为未来发光装置封装时的次载具。由于下基板100同时也负责桥式整流电路以及各发光二极管的散热，所以其也可于上表面、底部布设一高热传导材料(例如蒸镀或溅镀一金属薄层140)，以提升散热的效率。电气接点120与金属薄层140可采用金属材料Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni、W、Ag、Cu等或其组合所构成。
如前所述，上基板200主要系实包含发光二极管210的负载电路230。因此，视所采用的发光二极管发光技术，上基板200是以一适合该发光二极管磊晶成长的材料所构成，比如说，如果发光二极管是氮化镓系的发光二极管，则上基板200则采用蓝宝石(Sapphire)为材料。上基板200以有机金属化学气相沉积法(MOVCD)成长LED磊晶结构后，以一般集成电路的制造方法，将N×M(N，M≥1)个发光二极管210以矩阵的排列方式实施于其中，并使每个发光二极管210均彼此绝缘独立。
图2c、2d所示系包含3×3个发光二极管210的上基板200的透视图与剖面图。如图所示，每一发光二极管210由n型半导体层211、n型电极212、p型半导体层213及p型电极214所构成。请注意，此一结构仅属例示，而非限定本发明仅能采取此一架构。连接每丨LED形成LED矩阵前，需先经一道绝缘程序，令各个发光二极管210之间具有绝缘层215使彼此绝缘独立。该绝缘层215可为SiOx、SiNx、Al2O3或TiN等材料所构成。之后再以金属镀层方式蒸镀或溅镀上连接导线220，将各个独立的发光二极管210串联、并联或串、并联合并的方式顺向连接成负载电路230。导线220可以采用金属材料Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni、W、Ag、Cu等或这些材料的组合。
最后再将上基板200反转，使发光二极管210的矩阵向下面对下基板110，然后以金属凸块240、与超音波或热共晶方式接合方式连接负载电路230的适当电气接点(未图标)以及下基板110的适当电气接点120，如此即完成了如图2a所示的完整的发光装置电路。金属凸块240的材质可为Au、AuSn、Sn或Al或其组合。一般而言，上、下基板200、100在实施时，必须考虑到彼此的电气接点的位置，如此方能适当的匹配。如图2a所示的发光装置完成后，通常还需要再经过一个封装程序，而下基板100在此即可直接作为次载具之用。藉由以上的设计可以大幅的的节省制程时间、节省生产成本。
此外，发光二极管210以及桥式整流电路所产生的热可以经由下基板100发散出去。另外，以AlInGaN发光二极管为例，其在直流电20mA下操作电压为2~4V，若以够大的矩阵将25颗发光二极管串联后其总操作电压可达100V左右，因此可以直接接纳110V的交流市电而省略了压降装置。
藉由以上较佳具体实施例之详述，系希望能更加清楚描述本创作之特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本创作之范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本创作所欲申请之专利范围的范畴内。
权利要求
1.一种发光二极管发光装置，用于整合一整流电路与多数个发光二极管，并以一交流电直接驱动发光，该发光二极管发光装置至少包含一下基板，该下基板至少包含该整流电路，该整流电路适当位置的多数个第一电气接点设置于该下基板上表面；以及一上基板，至少包含该多数个彼此绝缘独立的发光二极管，该多数个发光二极管系排列成一N×M(N，M≥1)的矩阵，该多数个发光二极管以多数条导线以及一适当连接方式顺向连接成与该下基板的该整流电路相匹配的一负载电路，该负载电路具有与该第一电气接点相对应的多数个第二电气接点；其中，该上基板的该发光二极管矩阵面向该下基板的上表面，相对应的该第一、第二电气接点以一适当电气连结方式连接，致使该整流电路与该负载电路结合完成可以一交流电直接驱动发光的完整电路架构。
2.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该整流电路为下列三者之一桥式整流电路、全波整流整流电路、以及半波整流电路。
3.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该多数个发光二极管的该适当连接方式系下列三者之一串联、并联、以及串并联共享。
4.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该下基板是作为该发光二极管发光装置封装时的次载具。
5.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该下基板进一步包含一压降装置，设置于该该整流电路的一输入端。
6.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该下基板进一步包含一金属薄层，设置于该下基板的底部。
7.如权利要求1所述的发光二极管发光装置，其中该第一、第二电气接点的该电气连结方式为采金属凸块。
8.一种发光二极管发光装置的制造方法，该发光二极管发光装置用于整合一整流电路与多数个发光二极管，并以一交流电直接驱动发光，该制造方法至少包含下列步骤(1)准备一下基板与一上基板，该下基板以一般集成电路方法实施至少该整流电路，该整流电路适当位置的多数个第一电气接点系设置于该下基板上表面，该上基板以一般集成电路方法实施至少该多数个发光二极管，该多数个发光二极管彼此绝缘独立、并排列成一NxM(N，M≥1)的矩阵，该多数个发光二极管以多数条导线以及一适当连接方式顺向连接成与该下基板的该整流电路相匹配的一负载电路，该负载电路具有与该第一电气接点相对应的多数个第二电气接点；以及(2)将该上基板反转使该发光二极管矩阵向下面对该下基板的上表面，以一适当电气连结方式连接相对应的该第一、第二电气接点，致使该第一、第二电路结合完成致使该整流电路与该负载电路结合完成可以一交流电直接驱动发光的完整电路架构。
9.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该整流电路系下列三者之一桥式整流电路、全波整流整流电路、以及半波整流电路。
10.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该多数个发光二极管的该适当连接方式系下列三者之一串联、并联、以及串并联共享。
11.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该下基板系作为该发光二极管发光装置封装时的次载具。
12.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该步骤(1)进一步包含于该下基板底部布设一高热传导材料。
13.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该第一、第二电气接点的该电气连结方式系采金属凸块。
14.如权利要求8所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中连接该多数个发光二极管的该多数条导线系采金属蒸镀方式与金属溅镀方式二者之一形成。
15.如权利要求12所述的发光二极管发光装置的制造方法，其中该金属凸块系以超音波方式与热共晶方式二者之一接合。
16.如权利要求13所述发光二极管发光装置的制造方法，其中该高热传导材料之布设是以金属蒸镀方式与金属溅镀方式二者之一形成一金属薄层。
全文摘要
本发明提出一种以交流电直接驱动、整合整流电路与发光二极管的发光装置，以及其相关的制作方法。此发光二极管发光装置主要包含一下基板、以及一上基板。下基板采用一般集成电路的制造方法将一整流电路实施于其中，并将适当的电气接点设置于其上表面。上基板则以一般集成电路的制造方法，将多个发光二极管以彼此绝缘独立的N×M矩阵的排列方式实施于其中。N×M个发光二极管之间以导线连接构成一适当的电路。最后再将上、下基板相对，以金属凸块完成整流电路和发光二极管电路之间的电气连结。
文档编号H01L23/488GK1983594SQ20051013192
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者黄国瑞, 周文隆, 宋嘉斌 申请人:鼎元光电科技股份有限公司