发光二极管装置的制作方法

本发明是关于一种发光元件的封装结构。

背景技术

一般具有透明基板的发光二极管(light-emittingdiode；led)可以区分为直立式(face-uptype)与倒装式(flip-chiptype)。其中直立式发光二极管以胶材或金属固着于载体上，倒装式发光二极管则以金属或焊锡做接合，其主要固着面为发光二极管的正向出光面。由于发光二极管发光层出光为360度，所以往下的出光一般通过反射面再反射回正向出光面或经由透明基板出光。但透明基板的厚度不可太厚，以避免出光强度减弱。此外，当发光二极管尺寸愈大时，将有愈多反射光经过发光层中的多层量子阱结构(multiquantumwell,mqw)，因吸光效应而使出光效率降低。

图1为传统发光元件封装结构。如图所示，固着面1为发光二极管管芯100固着于载体3的平面，此平面与发光二极管管芯100的正向出光面4平行。往下的光通过一反射面2再反射回正向出光面4或侧向出光面5。此封装方式缺点为当发光二极管管芯尺寸愈大时，有愈多反射光经过发光层中的多层量子阱结构，因吸光效应而使出光效率降低。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种发光元件的封装结构。此封装结构包含一具有一平台的载体；一具有透明基板的发光元件，透明基板包含一第一平面及一第二平面；一发光二极管管芯设置于透明基板的第一平面上，以及一第一透明胶材形成于第一平面上并包覆发光二极管管芯。其中透明基板的第一平面与载体的平台间的夹角不等于零度，且第一透明胶材在第一平面上的投影为圆形，发光二极管管芯实质上位于此圆形投影的几何中心。

附图说明

图1是显示发光元件传统封装方式；

图2是显示本发明使用的发光二极管管芯的结构侧视图；

图3是显示本发明另一使用的发光二极管管芯的结构侧视图；

图4是显示本发明使用的发光元件的结构侧视图；

图5是显示本发明另一使用的发光元件的结构侧视图；

图6是显示本发明实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图7是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图8是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图9是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图10a是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图10b是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构上视图；

图11是显示本发明另一实施例的发光元件的封装结构侧视图；

图12是显示本发明实施例应用于液晶显示器背光源的设计结构侧视图；

图13是显示本发明实施例另一种应用于液晶显示器背光源的设计结构侧视图。

符号说明

1：固着面

2：反射面

3：载体

4：正向出光面

5：侧向出光面

10、20、30、40、50、60：发光元件封装结构

70、80：液晶显示器背光源的发光元件封装结构

100、200、300：发光二极管二极管管芯

400、500：发光元件

800、900：多重发光元件

201、301：成长基板

202、302：外延结构

202a、302a：第一电性半导体

202b、302b：活性层

202c、302c：第二电性半导体

203、303、403、606、607：电极

404、504：透明基板

404a、504a：透明基板第一平面

404b、504b：透明基板第二平面

503、603：平台

504：内含荧光粉体的透光基板

505：荧光粉体层

510、511：固定胶材

501、601、701、801、902：载体

602、703、805、901：反射层

604：透镜

605、704、804：连接材料

702：扩散物质

801：中间基板

802、803：圆顶封装体

806、903：薄膜材料

901：导电连接层

902：偏光板

具体实施方式

本发明揭露一种发光元件的封装结构及其制造方法。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图2至图13的图式。

图2-3为本发明实施例所使用的发光二极管管芯。如图2所示，其结构为：于成长基板201上利用例如有机金属化学气相沉积法(mocvd)成长外延结构202，或以接合方法将外延结构置于支持基板上。其中外延结构至少包含一第一电性半导体层202a，一活性层202b及一第二电性半导体层202c，然后于外延结构202上形成第一电极203及第二电极204，以形成一水平结构的发光二极管管芯200。

成长基板201可为透明材料，例如蓝宝石基板、氧化锌或氮化铝。成长基板也可以是高散热材料，例如类钻碳薄膜(dlc)、石墨、硅、碳化硅(sic)、磷化镓(gap)、砷化镓(gaas)或铝酸锂(lialo2)。成长基板也可以是单晶材料，例如硅、氮化铝(aln)或氮化镓(gan)；或者是包含单晶材料(如硅、氮化铝或氮化镓)及非单晶材料(如多晶材料、非晶材料)的复合材料基板，例如陶瓷。

如图3所示，其结构为于成长基板301上，利用例如有机金属化学气相沉积法(mocvd)成长外延结构302，或以接合方法将外延结构置于支持基板上。其中外延结构至少包含一第一电性半导体层302a，一活性层302b及一第二电性半导体层302c。第一电极303位于外延结构302的第一侧，第二电极304位于相对于外延结构302第一侧的第二侧，以形成一垂直结构的发光二极管管芯300。

支持基板301可为高散热材料或是反射性材料，例如铜(cu)、铝(al)、钼(mo)、铜-锡(cu-sn)、铜-锌(cu-zn)、铜-镉(cu-cd)、镍-锡(ni-sn)、镍-钴(ni-co)、金合金(aualloy)、类钻碳薄膜(dlc)、石墨、碳纤维、金属基复合材料(metalmatrixcomposite,mmc)、陶瓷复合材料(ceramicmatrixcomposite,cmc)、高分子复合材料(polymermatrixcomposite,pmc)、硅(si)、磷化碘(ip)、硒化锌(znse)、砷化镓(gaas)、碳化硅(sic)、磷化镓(gap)、磷砷化镓(gaasp)、磷化铟(inp)、镓酸锂(ligao2)或铝酸锂(lialo2)。

图4为本发明实施例的一发光元件400的示意图。将发光二极管管芯结构如200或300置于一透明基板404的第一平面404a的上，以形成一发光元件400。以发光二极管管芯200结构为例，其结构包含一成长基板201；一外延结构202形成于成长基板201上，其中外延结构至少包含一第一电性半导体层202a，一活性层202b及一第二电性半导体层202c；及一第一电极203及一第二电极204，形成于外延结构202上。透明基板的材料可为蓝宝石基板、钻石、玻璃、环氧树脂(epoxy)、石英、聚丙烯酸酯(acrylate)、氧化锌(zno)、氮化铝(aln)或碳化硅(sic)。

图5所示为本发明实施例之一发光元件500的示意图。将发光二极管管芯例如200或300置于一内含荧光材料的透明基板504上，形成一发光元件500。以发光二极管管芯200结构为例，其结构包含一成长基板201；一外延结构202形成于成长基板201上，其中外延结构至少包含一第一电性半导体层202a，一活性层202b及一第二电性半导体层202c；及一第一电极203与一第二电极204形成于外延结构202上。接着，于发光二极管管芯200上方及周围覆盖一层荧光粉体层505，以形成一发光元件500。

如图4及图5所示，发光二极管管芯200或300可利用一连接层(图未示)固定于透明基板404或504上，连接层的材料可为绝缘材料，例如：聚亚酰胺(polyimide)、苯丙环丁烯(bcb)、全氟环丁基芳基醚(pfcb)、氧化镁(mgo)、(su8)、环氧树脂(epoxy)、丙烯酸树脂(acrylicresin)、环烯烃聚合物(coc)、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、氟碳聚合物(fluorocarbonpolymer)、硅、玻璃、氧化铝(al2o3)、氧化硅(siox)、氧化钛(tio2)、氮化硅(sinx)、旋涂玻璃(sog)或其他有机粘着材料。连接层的材料也可为导电材料，例如：铟锡氧化物(ito)、氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化镉锡(cto)、氧化锡锑(ato)、氧化铝锌(azo)、氧化锌锡(zto)、氧化铟锌(izo)、(ta2o5)、类钻碳薄膜(dlc)、铜(cu)、铝(al)、锡(sn)、金(au)、铂(pt)、锌(zn)、银(ag)、钛(ti)、镍(ni)、铅(pb)、钯(pd)、锗(ge)、铬(cr)、镉(cd)、钴(co)、锰(mn)、锑(sb)、铋(bi)、镓(ga)、钨(w)、银-钛(ag-ti)、铜-锡(cu-sn)、铜-锌(cu-zn)、铜-镉(cu-cd)、锡-铅-锑(sn-pb-sb)、锡-铅-锌(sn-pb-zn)、镍-锡(ni-sn)、镍-钴(ni-co)或金合金(aualloy)等。连接层的材料也可为半导体材料，例如：氧化锌(zno)、砷化铝镓(algaas)、氮化镓(gan)、磷化镓(gap)、砷化镓(gaas)、磷砷化镓(gaasp)等。

图6为本发明一实施例的封装结构的结构侧视图。前述的发光元件400或500结构皆可使用于本发明封装结构的各实施例中，为避免重复仅以发光元件400作为代表。如图6所示，载体601具有反射面内壁602，且载体601可为印刷电路板(pcb)、陶瓷基板或硅基板。利用一连接材料605将发光元件400的透明基板404连接于载体601的平台603上，其中透明基板第一平面404a及其平行面(第二平面404b)均立于平台上，较佳地，透明基板与载体的平台大致上垂直。另外，发光二极管二极管的p、n电极分别与载体的p电极606、n电极607电性连接，形成一发光二极管的封装结构10。发光二极管管芯的活性层所产生的光散出方向为全向性(omnidirectional)，其中射向透明基板第一平面404a的光会穿过透明基板，并由透明基板的第二平面404b射出，经由载体的反射面内壁602反射后，再离开封装结构10。另外，可于整个封装结构10上方加上透镜(lens)604，以增加整个封装结构的出光效率。

图7为本发明另一实施例的封装结构的结构侧视图。载体701具有一反射面703，以连接材料704将发光元件400的透明基板404立于载体701上，载体701可为印刷电路板(pcb)、陶瓷基板或硅基板。较佳地，透明基板404与载体701大致上垂直。发光二极管的p、n电极分别与载体的p、n电极电性连接，并将封装结构内部充填扩散物质(diffuser)702，使发光元件所产生的光线因扩散物质而产生散射(scattering)。最后，所有光线(如图中箭号所示)穿透透明基板404并由其第二平面404b射出，成为一侧向发光式发光元件的封装结构20。

图8为本发明另一实施例的封装结构的结构侧视图。利用连接层(图未示)将两个水平结构发光二极管管芯200及200’背对背地粘接，以形成多重发光元件800。发光二极管管芯200可包含发蓝光的氮化镓(gan)系列材料，而发光二极管管芯200’可包含发红光的磷化铝镓铟(algainp)系列材料。另外，发光二极管管芯结构200及200’之间可包含一中间基板801，中间基板801可以是蓝光发光二极管管芯200的透明成长基板。此外，镜面(图未示)可置于中间基板801的一侧，以增加整体封装结构30的出光效率。

连接层的材料可为绝缘材料，例如：聚亚酰胺(polyimide)、苯丙环丁烯(bcb)、全氟环丁基芳基醚(pfcb)、氧化镁(mgo)、(su8)、环氧树脂(epoxy)、丙烯酸树脂(acrylicresin)、环烯烃聚合物(coc)、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、氟碳聚合物(fluorocarbonpolymer)、硅、玻璃、氧化铝(al2o3)、氧化硅(siox)、氧化钛(tio2)、氮化硅(sinx)、旋涂玻璃(sog)或其他有机粘着材料。连接层的材料也可为导电材料，例如：铟锡氧化物(ito)、氧化铟(ino)、氧化锡(sno)、氧化镉锡(cto)、氧化锡锑(ato)、氧化铝锌(azo)、氧化锌锡(zto)、氧化铟锌(izo)、(ta2o5)、类钻碳薄膜(dlc)、铜(cu)、铝(al)、锡(sn)、金(au)、铂(pt)、锌(zn)、银(ag)、钛(ti)、镍(ni)、铅(pb)、钯(pd)、锗(ge)、铬(cr)、镉(cd)、钴(co)、锰(mn)、锑(sb)、铋(bi)、镓(ga)、钨(w)、银-钛(ag-ti)、铜-锡(cu-sn)、铜-锌(cu-zn)、铜-镉(cu-cd)、锡-铅-锑(sn-pb-sb)、锡-铅-锌(sn-pb-zn)、镍-锡(ni-sn)、镍-钴(ni-co)或金合金(aualloy)等。连接层的材料也可为半导体材料，例如：氧化锌(zno)、砷化铝镓(algaas)、氮化镓(gan)、磷化镓(gap)、砷化镓(gaas)、磷砷化镓(gaasp)等。

多重发光元件800粘着在透明基板404上，且通过直接接合、焊接或/及焊线的方式与透明基板上的电路(图未示)电性连接。载体701具有一反射面703，以连接材料704将多重发光元件800的透明基板404立于载体701上，载体701可为印刷电路板(pcb)、陶瓷基板或硅基板。较佳地，透明基板404与载体701大致上垂直。透明基板404的电路(图未示)与载体701的第一电极701a(例如p电极)及第二电极701b(例如n电极)分别电性连接，并将封装结构内部充填扩散物质(diffuser)702，使发光元件所产生的光线因扩散物质而产生散射(scattering)。最后，所有光线(如图中箭号所示)穿透透明基板404并由其第二平面404b射出。在本实施例中，发光二极管二极管管芯结构200及200’为电性并联。

图9为本发明封装结构另一实施例的结构侧视图。利用导电连接层901将水平结构发光二极管管芯200及垂直结构发光二极管管芯300背对背地粘接，以形成多重发光元件900。发光二极管管芯200可包含发蓝光的氮化镓(gan)系列材料，而发光二极管管芯300可包含发红光的磷化铝镓铟(algainp)系列材料。另外，发光二极管管芯结构200及300之间可包含一中间基板(图未示)，中间基板可以是蓝光发光二极管管芯202的透明成长基板。此外，镜面(图未示)可置于中间基板的一侧，以增加整个封装结构40的出光效率。

多重发光元件900粘着在透明基板404上，通过直接接合、焊接或/及焊线的方式与透明基板上的电路(图未示)电性连接。载体701具有一反射面703，以连接材料704将多重发光元件800的透明基板404立于载体701上，载体701可为印刷电路板(pcb)、陶瓷基板或硅基板。较佳地，透明基板404与载体701大致上垂直。透明基板404的电路(图未示)与载体701的第一电极701a(例如p电极)及第二电极701b(例如n电极)分别电性连接，并将封装结构内部充填扩散物质(diffuser)702，使发光元件900所产生的光线因扩散物质而产生散射(scattering)。最后，所有光线(如图中箭号所示)穿透透明基板404并由其第二平面404b射出。在本实施例中，通过导电连接层901将水平结构发光二极管管芯200与垂直结构发光二极管管芯300电性连接，因此发光二极管管芯结构200及300为电性串联。

图10a为本发明封装结构另一实施例的结构侧视图。利用连接层(图未示)将前述的发光二极管管芯200或300固定于一透明基板504的第一平面504a。为了使发光二极管封装结构50有较大的出光量，圆顶封装体802包覆发光二极管管芯200并固定在透明基板504的第一平面504a上；由上视来看，圆顶封装体在第一平面上为圆形，如图10b所示。于较佳实施例，为了达到光萃取的目的，圆顶封装体802可为半球体。圆顶封装体802的材料可选自透明胶材，例如：聚亚酰胺(polyimide)、苯丙环丁烯(bcb)、全氟环丁基芳基醚(pfcb)、su8、环氧树脂(epoxy)、丙烯酸树脂(acrylicresin)、环烯烃聚合物(coc)、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、氟碳聚合物(fluorocarbonpolymer)、旋涂玻璃(sog)或其他透明有机材料。较佳地，发光二极管管芯200位于圆顶封装体802在第一平面504a上的投影面的几合中心位置。

如图10a所示，电路载体501具有电路置于其上，且电路载体501可以是印刷电路板(pcb)、软性电路板(fcb)、陶瓷基板、复合材料基板或硅基板。利用一连接材料605将发光二极管封装结构50的透明基板504连接于载体501的平台503上，其中透明基板第一平面504a及其平行面(第二平面504b)均立于平台上。较佳地，透明基板的第一平面504a是大致上垂直于体的平台503，但第一平面504a及平台503的夹角并不限于90度，亦即夹角α可以大于0度。为了达到光萃取的目的，夹角较佳介于45度到135度。另外，可利用直接接合、焊接或/及焊线的方式，使发光二极管封装结构50的n电极及p电极与电路载体501上的电路(图未示)电性连接。

发光二极管管芯200的活性层所产生的光散出方向为全向性(omnidirectional)，其中射向透明基板第一平面5404a的光会穿过透明基板，并由透明基板的第二平面504b射出。再者，由于圆顶封装体802为圆弧状，光穿透圆顶封装体802后，并从圆顶封装体射出的光散出方向为全向性；如此一来，增加了发光二极管封装结构50的出光效率。此外，根据图1，由于大量的光由发光二极管管芯的正向出光面射出，在本实施例中，调整光的散布可通过调整夹角α来达成，亦即调整正向出光面与载体间的夹角。在本实施例中，正向出光面与载体501的平台503大致上垂直。

参考图10b，从透明基板504的上视来看，固定胶材510以环状方式涂布于透明基板504的第一平面504a上。接着，在第一平面504a涂布圆顶封装体802材料时，利用环状的固定胶材510作为框胶将圆顶封装体802固定在第一平面504a上，并使圆顶封装体大致上形成一半球体，且此半球体在第一平面的投影为圆形。此外，在圆顶封装体502涂布前，发光二极管管芯200位于此环状固定胶材的几何中心。

参考图10b，从透明基板504的上视来看，固定胶材510以一中空圆型环绕圆顶封装体802的周围，且发光二极管管芯200位于固定胶材510的几何中心。利用固定胶材510，可将圆顶封装体802内的封装胶材在第一平面504a上定形并防止其溢出，使圆顶封装体802在第一平面上具有一圆形投影，且发光二极管管芯200大致上位于此圆形投影的中心。圆顶封装体的封装胶材在第一平面504a上形成圆顶结构时，与第一平面504a的接触角可取决于不同胶材的内聚力。在较佳实施例中，选择具有适当粘性的胶材，可以其形成近乎为半球体的圆顶封装体802。较佳地，固定胶材510的材料可选用白色反射性胶材，例如：聚乙烯醇(pva)、聚亚酰胺(polyimide)、苯丙环丁烯(bcb)、全氟环丁基芳基醚(pfcb)、su8、环氧树脂(epoxy)、丙烯酸树脂(acrylicresin)、环烯烃聚合物(coc)、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)、聚乙烯对苯二甲酸酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、氟碳聚合物(fluorocarbonpolymer)、旋涂玻璃(sog)或其他透明有机材料，来增进出光效果。

图11为本发明封装结构另一实施例的结构侧视图。在本实施例的发光二极管封装结构60与前述的发光二极管封装结构50大致上相同，但其差别在于，为了使光强分布更均匀，将形状与第一圆顶封装体802相对称的第二圆顶封装体803设置于透明基板504的第二平面504b上。利用类似的制程，将第二固定胶材511设置于第二平面504b上，预先将封装胶材固定成第二圆顶封装体。利用结合两个圆顶封装体802及803，可将发光二极管管芯200嵌在球体或类似球体的透明封装体中。在本实施例中，发光二极管管芯200实质上位于球体或类似球体的封装体(802及803)在第一平面504a上的圆型投影的中心，因此，发光二极管封装结构60近乎是全向性的光源。

此外，为了混光目的，可将荧光粉体层以层状、片状或混在圆顶封装体802和/或803中的形式，直接形成于发光二极管管芯上。荧光粉体可散布在圆顶封装体802和/或803的胶材中，或是均匀地布在圆顶封装体802和/或803的外表面，或是此两种方式的结合。例如将蓝色发光二极管所发出的蓝光，与覆盖在蓝色发光二极管的黄色荧光粉所激发出的黄光混合，可得到白色的光源。

图12为本发明实施例应用于液晶显示器背光源的设计结构70的侧视图。载体801的底部具有反射层805，将多个发光元件的封装结构10利用连接材料804连接于载体801内，且发光二极管的p、n电极分别与载体的p、n电极电性连接，其中每一个发光元件封装结构及方法与上述图6相同，不再赘述。当多个发光元件封装结构所发出的光通过具有不同功能的薄膜材料806(如：棱镜片，prismsheet)设计而均匀发出所需的混合光，即可作为液晶显示器背光源的结构30。

图13为本发明实施例应用于液晶显示器背光源的设计另一结构80搭配一偏光板的示意图。一底部具有反射层901的偏光板(polarizer)902，其最上层覆盖薄膜材料903。搭配多个侧发光式发光元件的封装体20所组成的液晶显示器背光源40后，背光源40所发出的侧向光被导入偏光板902内(如图中箭号所示)，其中往下的光经由其反射层901再反射回偏光板内，最后所有光经混合及偏极化后由薄膜材料903射出，再进入液晶显示器其他结构内(如：液晶层)。其中光行进方向如箭号所示。

虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。