半導體雙晶白色led封裝結構的製作方法

2023-10-11 01:40:29

專利名稱：半導體雙晶白色led封裝結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體雙晶白色LED封裝結構，特別是利用二種具有互補波長的LED串級製成，混波成為白光的半導體雙晶LED封裝結構。
發光二極體(Light Emitting Diode；LED)是半導體材料製成的元件，也是一種極細微的固態光源，可將電能轉化為光，不但體積小，且壽命長、驅動電壓低、反應速率快、耐震性特佳，能夠配合各種應用設備的輕、薄及小型化的需求，早已成為日常生活中十分普及的產品。
發光二極體是利用各種化合物半導體材料及元件結構的變化，設計出紅、橙、黃、綠、藍、紫等各種顏色，以及紅外、紫外等不可見光LED。適合製作1000mcd以上高亮度LED的材料，其波長由長至短分別為AlGaAS、InGaAlP和InGaN。
AlGaAs適合於製作高亮度紅光及紅外光LED，商業上以LPE磊晶法進行生產，元件使用雙異質接面構造(DH)為主。
InGaAlP適合於高亮度紅、橘、黃及黃綠光LED，商業上以MOVPE磊晶法進行生產，元件使用雙異質接面及量子井(Quantum Well)。公知黃光LED晶粒10的結構如

圖1A所示，圖中正極接線墊11是接正極，其通常為金(Au)，並以金屬蒸鍍法形成。基板13為n型GaAs或GaP，基板13上再利用氣相磊晶或液相磊晶技術，磊晶上一層InGaAlP磊晶層14，再利用金屬蒸鍍法蒸鍍Al或Au形成接負極的負極接線墊12。
InGaN適合於高亮度深綠、藍、紫外光LED，以高溫MOVPE磊晶法批量生產，元件也使用雙異質接面及量子井構造，可達效率比前兩者高。公知藍光LED晶粒20的結構如圖1B所示，圖中n型InGaN磊晶層24及p型InGaN磊晶層25是以氣相磊晶或液相磊晶技術磊晶於可透光的藍寶石(sapphire)基板23上。正極接線墊21為p型InGaN接正極，n型InGaN則形成負極接線墊22接負極。但也可先磊晶p型InGaN磊晶層25，再磊晶n型InGaN磊晶層24。與圖1A不同之處在於加上藍寶石基板23後，負極接線墊22的位置也不同，但藍寶石基板23並非必要。
白光LED與一般照明設備比較，除了省電外還有壽命長、不發熱等優點，對於廢棄物的回收問題，也比現行日光燈少，可說是既安全又環保。雖然目前白光LED的價格仍很高，但白光LED是LED產業中最被看好的新興產品，在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，白光LED在照明市場的前景備受全球矚目。因此，歐、美及日本等先進國家已投注許多人力，並成立專門的機構推動白光LED研發工作。
目前白光LED製作過程是以混合二波長光如藍光及黃光，或三波長光如藍光、綠光及紅光的技術為主。為了要得到高亮度白光光源，通常運用下列二種方法。
第一種為在同一個封裝體中同時平置入紅、藍、綠三晶粒，利用三晶粒的混波來產生出白光源，此方法為封裝時較為常用的方法。然而，若在同一個封裝體中同時放入紅、藍、綠三晶粒，利用三晶粒的混波來產生出白光源，此種方式引腳相當多，至少四支引腳以上，而且封裝過後體積很大，甚至近場(near rield)仍為三色，遠場(far field)始見白光。
第二種為藍光晶粒配合螢光物質產生白光，例如日亞化學(Nichia)於U.S.Patent No.5,998,936中公開一種白光LED製品，是以InGaN藍光晶粒塗上一層螢光物質yttrium-aluminum-garnet(YAG)，利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光及藍光予以混合，便可得出白光。然而，此種方法所產生的白光源會有光度減弱的缺點，且使用1,000小時後光度約衰減20％，其壽命很短，只能用在小型光源，對於一般或緊急照明則無法適用。
本實用新型的目的是提供一種白光的半導體雙晶LED封裝結構，其製作過程簡單，且封裝後引腳數少，體積小。
本實用新型的另一目的是提供一種白光的半導體雙晶LED封裝結構，其產生的白光光度不會減弱，且近場及遠場皆為白光。
為實現上述目的及改善公知白光LED結構的缺點，本實用新型利用黃光透過藍光或藍光透過黃光可混波成為白光的原理，發展一種半導體LED白光雙晶封裝結構。本實用新型的半導體LED白光雙晶封裝結構主要包括(a)一封裝基座，具有至少一正極接腳及一負極接腳，該負極接腳具有一凹室；(b)一第一LED晶粒，具有一正極及一負極，並放置於該封裝基座的凹室內；(c)一第二LED晶粒，其發射光波長與第一LED晶粒的發射光波長為互補，具有一正極及一負極，封裝於凹室上方，使凹室形成一封閉空間；(d)複數條金屬導線，將第一LED晶粒及第二LED晶粒的正極連接至封裝底座的正極接腳上。
上述的第一LED晶粒的負極可直接粘接於負極接腳的凹室，而第二LED晶粒的負極則以金屬導線連接至封裝基座的負極接腳。此外，第二LED晶粒下方可視需要設有一可透光的支撐板。
上述的封裝基座可具有一正極接腳，使第一LED晶粒及第二LED晶粒的正極皆連接至同一正極接腳，形成單正單負封裝結構；也可具有二正極接腳，使第一LED晶粒及第二LED晶粒的正極分別連接至二正極接腳，形成雙正單負封裝結構。
本實用新型第一LED晶粒及第二LED晶粒的位置可互換，上方LED晶粒的面積大於下方的面積。通常上方面積約為400～900mil2，下方面積約為36～400mil2。至於厚度則視所用LED材質而定。
本實用新型的凹室也可設於正極接腳，各元件的連接可同理推之。
本實用新型結構不會有亮度減弱的問題，以常見照明燈的開發歷程來看，白光雙晶LED將來可取代傳統燈泡的照明，對於照明產業的應用極具潛力。
附圖簡單說明圖1A及1B為公知黃光及藍光LED晶粒的剖面圖。
圖2A及2B顯示二種本實用新型雙晶白光LED單正單負封裝構造的剖面圖。
圖3是本實用新型雙晶白光LED單正單負封裝構造的等效電路圖。
圖4A及4B顯示二種本實用新型雙晶白光LED雙正單負封裝構造的剖面圖。
圖5是本實用新型雙晶白光LED雙正單負封裝構造的等效電路圖。
附圖標記說明10黃光LED晶粒11、21正極接線墊12、22負極接線墊13GaAs或GaP基板14InGaAlP磊晶層20藍光LED晶粒23藍寶石基板24n型InGaN磊晶層
25p型InGaN磊晶層30透明支撐板41、41』正極接腳42.負極接腳421凹室422、423線溝50電阻611、612、621、622金屬導線本實用新型使用的二種LED並無特別限制，只要其發射光波長為互補者皆可。本實用新型實施例提出的是一種以利用黃光穿透透明或半透明的藍光晶粒；或藍光穿透透明或半透明的黃光晶粒，混波成為半導體雙晶白光LED封裝結構。本實用新型所提出的封裝結構，主要是在黃光LED晶粒上再封裝一層藍光LED晶粒；或是在藍光LED晶粒上再封裝一層黃光LED晶粒，成為半導體雙晶封裝結構。
圖2A顯示本實用新型雙晶白光LED封裝構造的第一實施例。本實施例是單正單負構造，黃光LED晶粒10在下，以黃光穿越在上的藍光LED晶粒20。本實施例中，封裝基座具有一正極接腳41及一負極接腳42，負極接腳42具有一凹室421。藍寶石基板23封裝於凹室421上方，使凹室421形成一封閉空間。
黃光LED晶粒10包括一GaAs或GaP材料的基板13及一形成於基板上的InGaAlP磊晶層14，黃光LED晶粒10具有一正極接線墊(bond pad)11及一負極接線墊12。正極接線墊11以金屬導線611經線溝422連接至串聯電阻50，再連接至正極接腳41，線溝422則以不透明膠密封，負極接線墊12粘接(die bond)於封裝基座的負極接腳42的凹室421。
藍光LED晶粒20包括一粘接在藍寶石基板23上的n型InGaN磊晶層24及p型InGaN磊晶層25，藍光LED晶粒20具有一正極接線墊21及一負極接線墊22。正極接線墊21以金屬導線621連接至封裝基座的正極接腳41上，負極接線墊22則以金屬導線622連接至負極接腳42上。
本實施例中，黃光LED晶粒10的晶粒面積約為36～400mil2，最好為100mil2，其磊晶層厚度約為6～8mil，由生產的方便而定。藍光LED晶粒20較大，以遮蓋黃光LED晶粒10，其晶粒面積約為400～900mil2，其磊晶層厚度約為2～3mil。
因黃光LED晶粒10的驅動電壓約為2.0V，而藍光LED晶粒20的驅動電壓約為3.5V，故黃光LED晶粒10需串聯電阻50降壓。由調整電阻50的阻值可改變黃光LED晶粒的亮度。
圖2B顯示本實用新型雙晶白光LED封裝構造的第二實施例。本實施例也為單正單負構造，藍光LED晶粒20在下，以藍光穿透在上的黃光LED晶粒10。圖2B與圖2A不同之處在於(1)電阻50隨黃光LED晶粒10移至正極接腳41的較上方，以便連接黃光LED晶粒10的正極接線墊11；(2)黃光LED晶粒10粘接或磊晶在透明支撐板30上，本實施例的透明支撐板30使用藍寶石，因此黃光LED晶粒10的負極接線墊12以金屬導線612連接至封裝基座的負極接腳42上；(3)藍光LED晶粒20的負極接線墊22以金屬導線622經由線溝423連接於封裝基座的負極接腳42的凹室421；(4)本實施例中，藍光LED晶粒20的晶粒面積約為36～400mil2，最好為100mil2，其磊晶層厚度約為2～7mil，由生產的方便而定。黃光LED晶粒10較大，以遮蓋藍光LED晶粒20，其晶粒面積約為400～900mil2，其磊晶層厚度約為4～13mil。其餘與圖2A的構造相同，不再贅述。
圖3是第一及第二實施例的等效電路圖，黃光LED晶粒10與藍光LED晶粒20使用同一電源，驅動電壓約為3.5V，驅動電流通常都約為20mA。因此黃光LED晶粒10的正極接線墊11需串聯電阻50，以降低電壓至黃光LED10的驅動電壓2V，但由調整電阻50的阻值，可由需要提高至40mA。
圖4A顯示本實用新型雙晶白光LED封裝構造的第三實施例，本實施例是雙正單負構造，黃光LED晶粒10在下，以黃光穿透在上的藍光LED晶粒20。本實施例與第一實施例不同之處在於黃光LED晶粒10的正極接線墊11與藍光LED晶粒20的正極接線墊21分別連接至正極接腳41，41』，而使用兩個不同的電源。
圖4B是本實用新型雙晶白光LED封裝構造的第四實施例，本實施例也為雙正單負構造，藍光LED晶粒20在下，以藍光穿透在上的黃光LED晶粒10。本實施例與第二實施例的差異與第一、三實施例的差異類似，故不再贅述。
圖5是第三及第四實施例的等效電路圖，黃光LED晶粒10與藍光LED晶粒20使用兩個不同的電源。黃光LED晶粒10供應2.0V電壓，而藍光LED晶粒20供應3.5V電壓，驅動電流皆為20mA，則黃光的LED晶粒10不必再串聯電阻，有節省電源的效果。
本實用新型並不限於使用黃光LED晶粒10及藍光LED晶粒20，只要其發射光波長為互補的皆可，實施例中使用的黃光LED晶粒10及藍光LED晶粒20也不限於上述材料，即以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用以限定本實用新型的權利要求，凡其它不脫離本實用新型所公開的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在權利要求範圍內。
權利要求1.一種半導體雙晶白色LED封裝結構，利用二種對白光為互補的光混波產生白光；其特徵為主要包括(a)一封裝基座，具有至少一正極接腳，及一負極接腳，該負極接腳具有一凹室；(b)一第一LED晶粒，具有一正極及一負極，並放置於該封裝基座的凹室內；(c)一第二LED晶粒，其發射光波長與第一LED晶粒的發射光波長對白光為互補，具有一正極及一負極，封裝於該凹室上方，使該凹室形成一封閉空間；及(d)複數條金屬導線，將該第一LED晶粒及該第二LED晶粒的正極連接至該封裝底座的正極接腳上。
2.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第一LED晶粒的負極粘接於該負極接腳的凹室。
3.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒的負極以金屬導線連接至該封裝基座的負極接腳。
4.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒下方設有一支撐板。
5.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該封裝基座具有一正極接腳，使該第一LED晶粒及該第二LED晶粒的正極皆連接至該正極接腳，形成單正單負封裝結構。
6.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該封裝基座具有二正極接腳，使該第一LED晶粒及該第二LED晶粒的正極分別連接至該二正極接腳，形成雙正單負封裝結構。
7.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒的面積大於該第一LED晶粒的面積。
8.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第一LED晶粒的面積約為36～400mil2。
9.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒的面積約為400～900mil2。
10.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第一LED晶粒為黃光LED晶粒。
11.如權利要求10所述的封裝結構，其特徵為該黃光LED晶粒為InGaAlP磊晶於GaAs或GaP基板上形成的黃光LED晶粒。
12.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒為藍光LED晶粒。
13.如權利要求12所述的封裝結構，其特徵為該藍光LED晶粒為InGaN磊晶在藍寶石基板上形成的藍光LED晶粒。
14.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第一LED晶粒為藍光LED晶粒。
15.如權利要求14所述的封裝結構，其特徵為該藍光LED晶粒為InGaN磊晶在藍寶石基板上形成的藍光LED晶粒。
16.如權利要求1所述的封裝結構，其特徵為該第二LED晶粒為黃光LED晶粒。
17.如權利要求16所述的封裝結構，其特徵為該黃光LED晶粒為InGaAlP磊晶於GaAs或GaP基板上形成的黃光LED晶粒。
專利摘要本實用新型涉及一種半導體雙晶白色LED封裝結構,是以二種具有互補波長的LED串級製成,例如:將藍光晶粒封裝於黃光晶粒上,或是將黃光晶粒封裝於藍光晶粒上形成的封裝結構。當黃光穿透藍光或藍光穿透黃光,即可混波成為白光。本實用新型可為單正單負或雙正單負的封裝結構。
文檔編號H01L33/00GK2483837SQ0122686
公開日2002年3月27日 申請日期2001年6月11日 優先權日2001年6月11日
發明者張修恆 申請人:張修恆