专利名称：半导体发光装置的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种带有荧光粉树脂(硅胶)涂层的发光二极管芯片的半导体发光装置的封装方法。荧光粉层的作用是吸收部分发光二极管芯片发出的光进行转换，并与其余芯片发出的光共同作用改变该装置的发光颜色。本发明的作用是减少芯片表面荧光物质分布不均勻引起的发光颜色的不均勻性，尤其可用来提高发光二极管白光光源的成品率。
背景技术：
发光二极管(LED，Light Emitting Diode，是一种半导体固体发光器件，它具有寿命长、节能、安全、绿色环保、光色纯、体积小等显著优点。发光二极管芯片发光光谱宽度很窄，只发射单色光。因此在制作白光光源用于照明时，通常需要分别发红、绿、蓝的三种芯片配合混光。另外一种比较简单的方法是采用二极管芯片结合表面涂布的荧光物质来合成白光。近年来为上述目的开发出很多种类的荧光物质，比如YAG系列，硅酸盐系列，氮化物系列的荧光粉来满足LED白光化的需求。通常，上述荧光粉是掺杂在树脂类(或硅胶)透明胶里使用的。自日本日亚化学工业公司发明采用氮化物半导体的蓝光LED以来，白光LED 飞速发展，已到完全能够替代白炽灯的水平，并在发光效率上远远超过日光灯。为了替代现今使用的日光灯照明，对白光LED的要求也越来越高。但从器件性能来说，不仅对其发光效率的要求高，而且对功耗，散热结构的要求也越来越高。主要原因是为了降低器件成本来满足一般照明的需求。关于氮化物半导体的蓝光LED，现今其器件结构有很多种类。其中有一适合于大功率驱动的器件种类，通常称ThinFilm-LED，该器件是上下电极配置，是将氮化物半导体外延层从蓝宝石衬底上分离出来的特殊结构。其特点(参照器件结构图la)首先是，将包括发光层的外延超薄膜用共晶焊的手法粘贴到导热性能优良的硅基板或金属基板(通常为Cu或 Cu合金)上，所以在高功率工作时具备有优良的散热特性。其次，因粘贴外延超薄片时，将 GaN晶体的C+面面向散热基板，器件的上的GaN晶体变为C-，可用简单的化学Wet-Etching 方法将发光面粗化处理，大大提高了光取出效率，从而提高了器件的外量子效率。本发明主要是关于上述ThinFilm-LED的封装方法。图Ib给出采用背景技术所试制的大功率白光LED的封装模式图。图中各个部分的名称及所起的作用可参照左上角的部件名称表。通常采用ThinFilm-LED进行白光封装时，因发光部的晶体厚度非常小，所以使用荧光胶的点胶法，就很容易使荧光胶覆盖整个发光区。利用发光二极管芯片发光和荧光胶发光可以混合出白光光谱。通过适量的控制荧光胶的点胶量就可以较好的控制平均的白光色温。但是当覆盖在发光芯片表面的荧光胶厚度不均勻时，则发光二极管芯片发出的光强与荧光光强的比例发生变化，就会出现光斑，即所谓的色温分布。具体地说，荧光胶厚的部分荧光强度相对高，发光色会接近荧光光色。相反，荧光胶薄的部分荧光光强减弱，显示出接近二极管的发光色。最终，导致器件表面不同位置具有不同的色温分布，即形成光斑，影响应用效果，如图Ic所示。本发明的主要目的是减少由于荧光胶厚度不均勻造成的芯片表面不同位置的色温差异，改善光斑。
发明内容
为了得到厚度均勻的荧光胶涂布效果，我们提供一种半导体发光装置能够很简单地实现均勻的荧光胶薄膜，从而大大减弱了器件表面的色温分布。半导体发光装置，包括半导体发光器件和荧光胶，所述荧光胶为含有荧光物质的透光性树脂，而且该荧光物质至少部分吸收发光器件发出的光并发出相应的荧光，所述荧光胶在固化前其上表面固定有一透明固体平板。所述荧光胶与半导体发光器件的光出射面之间附有透光性树脂层，所述透光性树脂层使发光器件上表面平整后与透明固体平板平行。所述荧光胶与半导体发光器件的光出射面是直接接触的，所述透明固体平板与荧光胶接触的一面与发光器件的上表面相平行。所述透明固体平板与发光器件的上表面之间有三个以上的透明支撑物。所述透明支撑物为透明的球体。所述透明支撑物为固定于透明固体平板上的突起。所述突起支撑于发光器件表面端为光滑曲面。所述透明支撑物所占的体积少于荧光物质和透光性树脂总体积的5%。所述透明支撑物所围起来的最大面积要大于发光器件表面面积的5%。所述透明支撑物的支撑高度大于5微米，小于500微米所述透明固体板和透明支撑物的材料主成分至少含有Si02，Τ 02, A1203在可见光谱区内透明的氧化物中的至少一种。所述荧光物质至少包含有YAG系，硅酸盐系及氮化物系荧光物质中的一种以上。所述半导体发光器件的光出射面上具备有负电极。所述荧光胶在发光器件的光出射面垂直方向的厚度误差小于膜厚的5%。现有的半导体发光装置的封装法均采用点胶法，将荧光胶覆盖于发光器件的表面时，荧光胶的表面张力致使器件边缘的荧光胶膜厚变小，导致该区域白光色温升高。我们采用透明的玻璃片放置在点胶后的荧光胶的上部，致使荧光胶膜在器件表面的厚度保持均勻。玻璃片的形状与器件保持一致。此时，器件表面和玻璃片表面的表面张力促使玻璃片自动地与器件保持一致的位置关系，从而用手动操作都能够满足较为优良的再现性和一致性。当含有荧光物质的透光性树脂与半导体发光器件的光出射面是直接接触的，则透明固体板与荧光胶接触的一面与发光器件的上表面相平行，使得透光性树脂的膜厚能保持一致。上述发明亦可应用在含有荧光物质的透光性树脂与器件表面不直接接触的样品上。 我们可以先用很薄的透明树脂对器件的发光表面实施平整化处理之后，再用上述方法将荧光物质均勻的涂在平整化处理之后的发光面上。另外一种可能出现的问题是点胶法点滴荧光胶的量总会有些误差，并且玻璃片的厚度亦会使荧光胶的厚度发生变化，从而不同封装器件之间会产生较大的色温差。为了解决上述问题，我们试制了带有微小突起部的玻璃薄片。其目的是为了改善上述玻璃重量及荧光胶点滴量涨落所引起的不同器件间的色温变化。采用上述带有微小突起部的玻璃片， 我们可以将荧光胶的点胶量相对需求量增加一些，放置上一玻璃片之后，给予玻璃片一个压力，以保证每一器件都有同样的荧光胶膜，从而能够得到同样的色温。过剩的荧光胶会扩散到器件底部封装体的侧壁上，并不影响色温分布。在上述操作中，透明支撑物的形状对封装的再现性起着非常重要的作用。因为， ThinFilm器件的表面是粗化表面，其形状是大小l-5um左右的，较为均勻的六角锥形(通常称为Micro-Cone)。所以如果玻璃片的微小突起部的先端是不光滑的，如类似长方体形状时，荧光胶上部的玻璃片就很难自动地与器件保持精确一致的位置关系。所以，上述微小突起部的形状应该加工成光滑的曲面型。我们采用微小玻璃球同样能实现上述效果。我们所采用的玻璃薄片上的透明支撑物的长度范围是50-200微米。考虑到成本， 其加工精度我们只能要求到5%。如果加工精度要求到以下，则其价格要提高2倍至5 倍左右。但是透明支撑物的精度提高到1 %以下或更低，色温分布亦会受到荧光物质溶在树脂中的浓度分布的影响。胶状物的浓度分布一般至少有5%以上的涨落幅度，因此将透光性树脂在发光器件的光出射面垂直方向的厚度误差小于膜厚的5%，其色温偏差较小，能满足要求。本发明能够以最简单的方式实现单一封装装置色温均勻性，改善器件光斑，以及不同装置间色温的一致性，提高生产效率。
图la Thinfilm器件结构简中各标号列示如下3a ThinFilm-LED3a_ 1 n_GaN表面粗化部3a-2 n_GaN3a-3 InGaN/GaN 发光层3a-4 p-GaN3b ThinFilm-LED Submount 基板3c ThinFilm-LED 表面负电极3d ThinFilm-LED 底面正电极4芯片与封装基板的共晶焊层图lb Thinfilm器件采用普通点胶法时的封装示意中各标号列示如下2荧光胶3a ThinFilm-LED3b ThinFilm-LED Submount 基板3c ThinFilm-LED 表面负电极3d ThinFilm-LED 底面正电极4芯片与封装基板的共晶焊层5绝缘性封装基板
6a Wire-Boding 一次辉点6b Wire-Boding 二次辉点7a封装基板负电极7b封装基板正点极图Ic采用普通点胶法的thinfilm器件表面色温分布图加玻璃薄片示意图1.表面光滑玻璃薄片图2b封装结构示意图1表面光滑的玻璃薄片2荧光胶3a ThinFilm-LED3b ThinFilm-LED Submount 基板3c ThinFilm-LED 表面负电极3d ThinFilm-LED 底面正电极4芯片与封装基板的共晶焊层5绝缘性封装基板6a Wire-Boding 一次辉点6b Wire-Boding 二次辉点7a封装基板负电极7b封装基板正点极图2c不同器件的表面色温分布图3a带有凸起的透明玻璃薄片，其中1.玻璃薄片表面2.前端有光滑表面的凸起部位图北封装结构示意图1玻璃薄片Ia荧光胶2有光滑表面的凸起部位3a ThinFilm-LED3b ThinFilm-LED Submount 基板3c ThinFilm-LED 表面负电极3d ThinFilm-LED 底面正电极4芯片与封装基板的共晶焊层5绝缘性封装基板6a Wire-Boding 一次辉点6b Wire-Boding 二次辉点7a封装基板负电极7b封装基板正点极图3c不同器件表面区域的色温分布
图如一侧具有凸起部分为平面的玻璃片，其中1.玻璃薄片表面2.前端为平面的凸起部位图4b玻璃薄片上的突起部分不光滑时发生的不良封装图fe荧光胶中掺杂Si02的封装效果1玻璃薄片Ia微小玻璃球2荧光胶3a ThinFilm-LED3b ThinFilm-LED Submount 基板3c ThinFilm-LED 表面负电极3d ThinFilm-LED 底面正电极4芯片与封装基板的共晶焊层5绝缘性封装基板6a Wire-Boding—次辉点6b Wire-Boding 二次辉点7a封装基板负电极7b封装基板正点极
具体实施例方式本发明结合实施例与对比例对本发明作进一步的详细说明。对比例一普通thinf i Im器件表面涂布荧光胶体的白光封装结构的制作准备带有电极结构的AlN封装基板，在乙醇溶液中超声波清洗3分钟进行表面洁净处理。将thinfilm芯片(lmm2，如图la)用AuO. 8SnO. 2的合金胶粘贴到AlN封装基板上。将封装基板连同芯片一起放置在设定温度为340°C的加热板上30秒后取下。合金胶在高温下熔化后又冷却凝固，使芯片粘结固定到AlN基板上。芯片连同AlN基板在丙酮有机溶液中浸泡和超声波清洗3分钟，用于除净合金表面的蜡状粘结剂。用金丝球焊机进行电极焊接，金丝连接芯片表面的电极与封装基板上的电极，使芯片电极与外部电路连接。配制荧光胶，采用ZYP550H黄色荧光粉与硅胶0E6550混合，粉胶比为1 10，进行充分搅拌脱泡注入针筒。采用日本Musashi精密点胶机将荧光胶点到封装装置的thinfilm芯片表面。 控制参数使荧光胶液面近似平面分布。将封装装置送入烤箱，在150度下固化1小时后取出，荧光胶固化后的封装装置如图Ib所示。将此封装装置固定到铝散热板上，放到显微镜下进行测试。显微镜与光纤连接，光纤与光色谱分析仪连接，用于测试封装装置的thinfilm芯片表面不同位置下的发光性能。 测试的结果如图Ic所示，横坐标轴代表芯片表面中心到边缘的距离，纵坐标轴代表测量色温值。在芯片的中心部位比较色温分布比较均勻约7000k，而在靠近边缘处，色温明显增加， 最高时达到6000 7000k。这是由于荧光胶的张力作用，使芯片边缘处的荧光胶厚度降低， 该处白光色温升高。封装装置的整体发光不均勻，有明显的光斑。实施例1—表面光滑玻璃片置于荧光胶上的封装
准备带有电极结构的AlN封装基板和表面光滑的透明玻璃薄片各2个(尺寸 lmm2,与thinfilm芯片相同，如图加)，在乙醇溶液中超声波清洗3分钟进行表面洁净处理。将处理过的玻璃薄片置于洁净处保存，以备后续使用。将thinfilm芯片(lmm2，)用 AuO. SSnO. 2的合金胶粘贴到AlN封装基板上。将封装基板连同芯片一起放置在设定温度为340°C的加热板上30秒后取下。合金胶在高温下熔化后又冷却凝固，使芯片粘结固定到 AlN基板上。芯片连同AlN基板在丙酮有机溶液中浸泡和超声波清洗3分钟，用于除净合金表面的蜡状粘结剂。用金丝球焊机进行电极焊接，金丝连接芯片表面的电极与封装基板上的电极，使芯片电极与外部电路连接。配制荧光胶，采用ZYP550H黄色荧光粉与硅胶0E6550 混合，粉胶比为1 10，进行充分搅拌脱泡注入针筒。采用日本Musashi精密点胶机将荧光胶点到封装装置的thinfilm芯片表面。控制参数使荧光胶液面近似平面分布。用镊子取出玻璃薄片，将薄片置于荧光胶液面之上。荧光胶由于张力作用会在玻璃片和芯片表面之间形成一个均勻薄层。将此封装装置送入烤箱，在150度下固化1小时后取出，荧光胶固化后的封装装置如图2b所示。重复以上步骤进行第二个发光装置的封装过程。保证所有参数都一致。将封装好的装置固定到铝散热板上，分别放到显微镜下进行测试。测试的结果如图2c所示，横坐标轴代表芯片表面中心到边缘的距离，纵坐标轴代表测量色温值。表面的玻璃片对于器件的色温分布有一定的改善作用。原因在于表面张力的作用使荧光胶附着在玻璃片和芯片表面之间形成薄层，改善了厚度分布的不均勻性。但是，如果荧光胶的厚度分布差别比较大，厚度不均勻性仍然存在，对色温分布造成影响。这种情况通常出现在芯片的边缘处。图2c中显示中心周围区域色温分布比较平坦，而在近边缘处，色温仍然增加了约 IOOOk0这是由于荧光胶的张力作用大于玻璃片的压力，边缘处的荧光胶液面仍然较低，使该处白光色温升高。封装装置的整体发光仍然有一定的光斑。另外，不同的装置之间的色温差异比较大，有2000k之多，主要原因是点胶装置的精度影响，以及玻璃片重量的误差， 造成液面高度有所差异，最终影响装置之间的色温一致性。从生产的角度来说是不利因素。 因此实施例1从结果来看，对于光斑的改善有一定帮助，但是还不能完全消除光斑，同时对于生产的一致性方面不利。实施例2——一侧带有微小突起的玻璃薄片准备带有电极结构的AlN封装基板和一侧带有微小突起的透明玻璃薄片各2个 (尺寸lmm2，与thinfilm芯片相同)，在乙醇溶液中超声波清洗3分钟进行表面洁净处理。透明玻璃薄片侧面的微小凸起表面经过处理后，呈现光滑的曲面形状，凸起的高度约 400 μ m，大于金丝弧度的高度，如图3a。将处理过的玻璃薄片置于洁净处保存，以备后续使用。将thinfilm芯片(lmm2，)用Au0.8Sn0. 2的合金胶粘贴到AlN封装基板上。将封装基板连同芯片一起放置在设定温度为340°C的加热板上30秒后取下。合金胶在高温下熔化后又冷却凝固，使芯片粘结固定到AlN基板上。芯片连同AlN基板在丙酮有机溶液中各浸泡和超声波清洗3分钟，用于除净合金表面的蜡状粘结剂。用金丝球焊机进行电极焊接，金丝连接芯片表面的电极与封装基板上的电极，使芯片电极与外部电路连接。配制荧光胶，采用 ZYP550H黄色荧光粉与硅胶0E6550混合，粉胶比为1 12，进行充分搅拌脱泡注入针筒。采用日本Musashi精密点胶机将荧光胶点到封装装置的thinfilm芯片表面。控制参数使荧光胶胶量略多。用镊子取出玻璃薄片，将薄片置于荧光胶液面之上，凸起表面向着荧光胶的方向。荧光胶由于张力作用会在玻璃片和芯片表面之间形成一个均勻薄层。在玻璃片中心施加一个向下的压力，使玻璃片底端凸起部位接触到芯片表面，同时将多余的荧光胶挤出， 流出的荧光胶堆积到芯片底部附近的固定位置，不会对出光效果产生影响。将此装置送入烤箱，在150度下固化1小时后取出，荧光胶固化后的封装装置如图北所示。重复以上步骤进行第二个发光装置的封装过程，保证所有参数都一致。将封装好的装置固定到铝散热板上，分别放到显微镜下进行测试。测试的结果如图2c所示，横坐标轴代表芯片表面中心到边缘的距离，纵坐标轴代表测量的色温值。由于对玻璃片施加了压力，并且玻璃片上的凸起部分与芯片接触控制了荧光粉薄层厚度均勻度，因此芯片表面的色温分布一致性非常好。色温的最大偏差控制在200k以内，如图3c所示。同时2个不同的装置的色温一致性也非常好，基本在IOOk到200k之间，这是由于荧光胶内荧光粉浓度分布的差异造成的。为了对比不同的玻璃薄片上凸起部分表面形态对于实施效果的影响，我们加工了凸起部分为平面的玻璃片，如图如所示，重做上述实验。由于thinfilm-LED表面有粗化结构，具体表现为微小的光栅凹凸结构。当对玻璃片施加向下的压力时，芯片表面的形貌对玻璃片的凸起部分起不到固定的作用，玻璃片容易在侧向发生位移，如图4b，影响实施效果，色温偏差比较大，但不加玻璃板的对比例相比， 色温的偏差相对较小些。实施例3——荧光胶内混合透明小球与光滑玻璃片结合准备带有电极结构的AlN封装基板和表面光滑的透明玻璃薄片各2个(尺寸 lmm2,与thinfilm芯片相同)，在乙醇溶液中超声波清洗3分钟进行表面洁净处理。将处理过的玻璃薄片置于洁净处保存，以备后续使用。将thinfilm芯片(lmm2，)用AuO. SSnO. 2 的合金胶粘贴到AlN封装基板上。将封装基板连同芯片一起放置在设定温度为340°C的加热板上30秒后取下。合金胶在高温下熔化后又冷却凝固，使芯片粘结固定到AlN基板上。 芯片连同AlN基板在丙酮有机溶液中浸泡和超声波清洗3分钟，用于除净合金表面的蜡状粘结剂。用金丝球焊机进行电极焊接，金丝连接芯片表面的电极与封装基板上的电极，使芯片电极与外部电路连接。配制荧光胶，采用ZYP550H黄色荧光粉与硅胶0E6550混合，粉胶比为4 10，进行充分搅拌脱泡注入针筒。采用日本Musashi精密点胶机将荧光胶点到封装装置的thinfilm芯片表面。控制参数使荧光胶胶量略多。在芯片表面的荧光胶中加入 3-10颗直径为10(^!11左右的3丨02球。用镊子取出玻璃薄片，将薄片置于荧光胶液面之上。 荧光胶由于张力作用会在玻璃片和芯片表面之间形成一个均勻薄层。在玻璃片中心施加一个向下的压力，当玻璃片高度下降到Si02球直径即100 μ m的大小时，由于Si02的阻挡作用，玻璃片会停留在这个位置。同时，Si02球具有光滑的曲面结构，可以稳定在芯片表面的粗化结构上。玻璃薄片和芯片之间荧光胶层的厚度被限制在100 μ m,多余的荧光胶被挤出， 流出的荧光胶堆积到芯片底部附近的固定位置，不会对出光效果产生影响。将此装置送入烤箱，在150度下固化1小时后取出，荧光胶固化后的封装装置如图fe所示。重复以上步骤进行第二个发光装置的封装过程，保证所有参数都一致。将封装好的装置固定到铝散热板上，分别放到显微镜下进行测试。由于荧光胶中的Si02球很好的限制了荧光胶层的厚度，使发光装置表面的色温分布一致性非常好，并且 2个发光装置的色温可以保证比较高的重复性。证明实施例有效。
权利要求
1.半导体发光装置，包括半导体发光器件和荧光胶，所述荧光胶为含有荧光物质的透光性树脂，而且该荧光物质至少部分吸收发光器件发出的光并发出相应的荧光，所述荧光胶在固化前其上表面固定有一透明固体平板。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述荧光胶与半导体发光器件的光出射面之间附有透光性树脂层，所述透光性树脂层使发光器件上表面平整后与透明固体平板平行。
3.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述荧光胶与半导体发光器件的光出射面是直接接触的，所述透明固体平板与荧光胶接触的一面与发光器件的上表面相平行。
4.根据权利要求2或3所述的半导体发光装置，所述透明固体平板与发光器件的上表面之间有三个以上的透明支撑物。
5.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明支撑物为透明的球体。
6.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明支撑物为固定于透明固体平板上的突起。
7.根据权利要求6所述的半导体发光装置，所述突起支撑于发光器件表面端为光滑曲
8.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明支撑物所占的体积少于荧光物质和透光性树脂总体积的5%。
9.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明支撑物所围起来的最大面积要大于发光器件表面面积的5%。
10.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明支撑物的支撑高度大于5微米， 小于500微米
11.根据权利要求4所述的半导体发光装置，所述透明固体板和透明支撑物的材料主成分至少含有Si02，Τ 02, A1203在可见光谱区内透明的氧化物中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述荧光物质至少包含有YAG系，硅酸盐系及氮化物系荧光物质中的一种以上。
13.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述半导体发光器件的光出射面上具备有负电极。
14.根据权利要求1所述的半导体发光装置，所述荧光胶在发光器件的光出射面垂直方向的厚度误差小于膜厚的5%。
全文摘要
本发明涉及半导体发光装置，属于发光二极管领域。采用透明的玻璃片放置在点胶后的荧光胶的上部，致使荧光胶膜在器件表面的厚度保持均匀。采用透明支撑物于玻璃片于发光器件之间，解决了不同封装器件之间会产生较大的色温差的问题。本发明能够以最简单的方式实现单一封装装置色温均匀性，改善器件光斑，以及不同装置间色温的一致性，提高生产效率。
文档编号H01L33/36GK102244177SQ20101016808
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者王海嵩, 鲍鹏 申请人:北京宇极科技发展有限公司