CN101572284B - 半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及“半导体发光装置”，属于半导体光电器件领域。半导体发光装置，包括集光反射杯和覆盖有荧光粉层的半导体发光芯片，其特征在于：集光反射杯与荧光粉层在光出射方向上不接触或接触部分不超过半导体发光芯片的高度，抑制了金属杯表面与荧光粉之间的多重反射，光在金属杯上反射产生的损耗降低，从而使本发明半导体发光装置的光取出效率得到提高。与常规的半导体发光装置的对比实验，证明本发明的光取出效率提高了20％左右。

Description

半导体发光装置
技术领域
本发明涉及一种采用发光二极管芯片和荧光粉层结构的半导体发光装置，特别是涉及一种发光效率较高的半导体发光装置。
背景技术
目前，氮化物半导体可用于制作基于高亮度蓝色LED的显示屏，信号灯等实用化产品。然而，半导体发光芯片与荧光粉配合使用的发光器件开发，主要是满足白光的合成、液晶显示屏背光源，以及一般照明的需要。这种半导体发光芯片和荧光粉组合的发光器件，由透光性的氧化物衬底或半导体衬底上生长的氮化物半导体多层薄膜结构的半导体发光芯片上面覆盖荧光粉层构成，通过半导体发光芯片发出的光与荧光粉被激发出的光混合形成白光。这种结构中，半导体发光芯片被放置在呈凹面结构的反射杯中，芯片向四周发出的光由反射杯反射后向杯外发射出去。
在传统的半导体发光装置(如图1b)制作时，金属反射镜的反射率通常低于100％，半导体发光芯片被荧光粉层覆盖并且荧光粉层把反射镜充满。荧光粉层包括荧光粉颗粒(如图1b中的4a所示)和胶(如图1b中的4b所示)由于荧光粉层中的荧光粉颗粒在微米量级，远大于光波长。光在荧光粉层中传播过程中会被反射与散射。这样，被反射镜反射的光在进入荧光粉层传播时又有很大部分被反射回反射镜，导致光在反射镜与荧光粉层间发生多次反射(如图1b中的30a，30b所示)，使光在被外部取出前的反射过程中就有很大部分被损耗，因此发光装置的出光效率受到影响。如图1b所示。
发明内容
针对上述领域中的缺陷，本发明提供一种半导体发光装置，减少了半导体发光器件在反射杯界面的光损失，提高了半导体发光器件的效率。
半导体发光装置，包括集光反射杯和覆盖有荧光粉层的半导体发光芯片，其特征在于：集光反射杯与荧光粉层在光出射方向上不接触或接触部分不超过半导体发光芯片的高度。
所述集光反射杯为凹面形式。
所述凹面的内壁倾斜角为40-50度。
所述集光反射杯内壁的反射率大于85％。
所述集光反射杯由硅基板加工而成。
所述集光反射杯内壁为金属反射面或由多层介质膜形成的高反射率膜。
所述金属反射面是采用电镀或蒸镀的方法形成的。
所述金属反射镜面由银或铝金属材料制成。
所述荧光粉层是由荧光粉和环氧树脂胶或硅胶混合而成。
所述荧光粉是由480nm以下波长的辐射光所能激励的黄色荧光粉或者红，绿，蓝色荧光粉混合所组成。
所述荧光粉是由480nm以下波长的辐射光所能激励的氮氧化合物
所述半导体发光芯片是氮化物半导体系列。
所述半导体发光芯片为含有铟镓氮发光层的LED芯片。
本发明描述了一种半导体发光装置，即封装结构中的集光反射杯与荧光粉层在光出射方向上没有接触，或者少部分接触，其接触面的高度不超过芯片的高度。通过这种设计，抑制了金属杯表面与荧光粉之间的多重反射，光在金属杯上反射产生的损耗降低，从而整个封装结构的光取出效率得到提高。
在半导体发光装置中不管其封装结构如何，集光反射杯的形状优选凹面形式，集光效果好，能明显提高出光效率。凹面内壁倾斜角优选40-50度，通过反射杯反射的光基本以竖直方向出去，不容易产生往复反射，导致出光效率降低。集光反射杯的内壁的反射率优选大于85％，越高越好，其出光效率也会有所提高。集光反射杯可以由硅基板加工而成凹面形状，小型的半导体发光装置一般采用金属支架式，其集光反射杯用金属材料制成，其杯内壁一般采用银、铝等金属镀层或是采用多层介质膜形成的高反射率膜。
荧光粉层一般采用荧光粉与胶混合后覆盖于发光芯片上，胶可选用硅胶或环氧树脂胶。激发荧光粉的辐射光波长选用480nm以下的辐射光，其波长越低，辐射光的能量越高，更容易激发荧光粉发光。一般情况下，制成白色光源，采用蓝色的发光芯片，与其相配的荧光粉则应该为黄色荧光粉或红、绿、蓝混合荧光粉。荧光粉优选氮氧化合物类荧光粉，激发波长适应范围宽，发光效率高，且符合环保要求。另外用于与荧光粉混合的胶通常采用环氧类树脂胶或者硅胶。
现在市场上的半导体发光芯片有各种型号，系列，而对应于480nm以下辐射光的蓝色发光芯片，本发明优选氮化物半导体系列的，其中更优选含有铟镓氮(InGaN)发光层的LED芯片。该系列芯片性质稳定，发光效率好。
本发明的封装结构中的集光反射杯与荧光粉层在光出射方向上没有接触，或者少部分接触，其接触面的高度不超过芯片的高度，抑制了金属杯表面与荧光粉之间的多重反射，光在金属杯上反射产生的损耗降低，从而使本发明半导体发光装置的光取出效率得到提高。与常规的半导体发光装置的对比实验，证明本发明的光取出效率提高了20％左右。
附图说明
图1a传统发光装置的封装方式截面图
图1b传统发光装置中，芯片侧面射出的光在荧光粉胶层内的传播示意图。
图2本发明的实施例1封装截面图
图3本发明的实施例2封装截面图
图4传统、实施例1、实施例2封装方式的光输出结果对比。
图中各部件列示如下：
1-半导体发光芯片，2a-半导体发光芯片的正电极，2b-芯片固定装置7的正电极，3a-半导体发光芯片的负电极，3b-芯片固定装置7的负电极，4-荧光粉胶层，5-连接固定装置7正电极与管壳外部正电极的金属导线，6-连接固定装置7负电极与管壳外部负电极的金属导线，7-芯片固定装置(通常由蒸镀绝缘层的Si片制成)，8-反射杯，9-管壳正电极，10-管壳负电极，11-反射杯镜面，12-芯片顶部的水平高度线，20-透光性树脂或者硅胶，30-射到外部的折射光，30a-从芯片侧面射出的光，30b-经过多次反射的光，4a-荧光粉层中的粉颗粒，4b-荧光粉层中的胶。
具体实施方式
实施例1
半导体发光芯片1采用透光性衬底(蓝宝石衬底，半导体氮化物衬底或SiC衬底)。2a，3a分别为芯片的正负电极，半导体发光芯片1的正负电极2a、3a与芯片固定装置7的正负电极2b、3b采用反转芯片的方式对接(倒装焊)。而芯片固定装置7与反射杯8之间通过银胶连接。为保证良好的导热性也可以采用共晶焊的方式固定。金属导线6、7分别把芯片固定装置7的两个电极2b、3b与反射杯8上的管壳正负电极9、10连接起来，这样芯片正负电极2a和3a也分别与9、10连通。半导体发光芯片被荧光粉层4覆盖。荧光粉层4是把树脂胶4b与荧光粉4a混合均匀后涂布在芯片上并固化形成。最后，封装树脂20封闭整个结构。在图2中，荧光粉层4在半导体发光芯片1的中心涂布。反射杯表面11和底部没有荧光粉层4覆盖。半导体发光芯片1发出的光和荧光粉层4发出的光经反射杯8反射后通过透明树脂20，射到外部的折射光为30。集光反射杯8与荧光粉层4在光出射方向上不接触。
半导体发光装置工作时，半导体发光芯片1发出的光一部分被荧光粉层4吸收，剩余的光通过透光性树脂20射出到外部。而被荧光粉层吸收的那部分光被转换成另一波长的光通过透光性树脂20也射出到外部。通过透光性树脂射出到外部的两种波长的光相互混合得到的混合光被观测到。集光反射杯8把从发光芯片1侧面和底面出射的光，向出光方向反射，减少光损失。
实施例2
在图3中，荧光粉层4覆盖半导体发光芯片1和部分封装结构反射杯表面11。但是荧光粉与反射杯表面11的接触位置高度不超过半导体发光芯片1的芯片顶部的水平高度线12。半导体发光芯片1发出的光和荧光粉层4发出的光经反射杯8反射后通过透明树脂20，射到外部的折射光为30。集光反射杯8与荧光粉层4在光出射方向上接触，接触部分不超过半导体发光芯片的高度。。
对比实验
我们采用bridgelux MKO3131CMBC的芯片，芯片尺寸为31mil，功率1瓦，芯片的发射波长在457.5～460nm，芯片输出功率为175～200mW。荧光粉层采用中村宇极ZYP550-8001黄色荧光粉和GE东芝TSE4542硅胶相互混合成荧光粉胶涂布而成。荧光粉的比例为12％(与硅胶的质量比)。荧光粉胶的涂布采用日本武藏精密点胶机ML808FX，该设备可以精确控制点胶量与点胶时间。我们分别进行了传统方式封装(如图1a)，实施例1封装(如图2)，实施例3封装(如图3)。封装结构反射杯和支架采用台湾一铨公司产品TTI5050M。
在实施例1中，精确控制荧光粉胶的量，使荧光粉胶覆盖于芯片上并包敷芯片，但荧光粉胶不与反射杯镜面接触。荧光粉层的厚度约为600um。
在实施例2中，精确控制荧光粉胶的量，使荧光粉胶覆盖于芯片上并与反射杯镜面部分接触。但接触点位置为芯片顶面水平线下方。芯片表面的荧光粉层厚度也控制在600um左右。
在传统封装方式实施中，精确控制荧光粉胶量，使荧光粉胶掩埋芯片(如图1a所示)，荧光粉胶与反射杯镜面部分接触，使荧光粉层在芯片表面以上的厚度为600um。
图4为三种封装方式的光输出结果对比。结果显示，如果采用传统封装方式封装时，白光输出值为1，则采用实施例1封装时，白光输出值为1.21；采用实施例2的封装方式时，白光输出值为1.15。即采用实施例1和实施例2封装，白光输出相对于传统方法分别提高了21％和15％。

Claims (11)

1.半导体发光装置，包括集光反射杯和覆盖有荧光粉层的半导体发光芯片，其特征在于：集光反射杯与荧光粉层在光出射方向上接触部分不超过半导体发光芯片的高度。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于：所述集光反射杯为凹面形式。
3.根据权利要求2所述的半导体发光装置，其特征在于：所述凹面的内壁倾斜角为40-50度。
4.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于：所述集光反射杯内壁的反射率大于85％。
5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于：所述集光反射杯由硅基板加工而成。
6.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于：所述集光反射杯的内壁为金属反射面或由多层介质膜形成的高反射率膜。
7.根据权利要求6所述的半导体发光装置，其特征在于：所述金属反射面是银或铝金属材料采用电镀或蒸镀的方法形成的。
8.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其特征在于：所述荧光粉层是由荧光粉和环氧树脂胶或硅胶混合而成。
9.根据权利要求8所述的半导体发光装置，其特征在于：所述荧光粉是由480nm以下波长的辐射光所能激励的黄色荧光粉或者红，绿，蓝色荧光粉混合所组成。
10.根据权利要求8所述的半导体发光装置，其特征在于：所述荧光粉是由480nm以下波长的辐射光所能激励的氮氧化合物。
11.根据权利要求9或10所述的半导体发光装置，其特征在于：所述半导体发光芯片是氮化物半导体系列，所述半导体发光芯片为含有铟镓氮发光层的LED芯片。
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