CN102005443A - 发光二极管封装结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管封装结构，其包括封装体和位于该封装体内的发光单元，其中，该发光单元包括一个第一碳纳米管薄膜电极层、位于该第一碳纳米管薄膜电极层上的至少两个发光二极管芯片以及一个位于该至少两个发光二极管芯片上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层。该发光二极管封装结构通过以碳纳米管薄膜作为电极层，因碳纳米管薄膜具有导电性及透光性，使该发光二极管封装结构提升了出光效率。本发明还涉及一种发光二极管封装结构的制造方法。

Description

发光二极管封装结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管封装结构及其制造方法。
背景技术
现有的发光二极管封装结构一般包括一个发光二极管芯片，及位于该发光光二极管芯片两外表面的二个电极及用以封装保护该发光二极管芯片及电极的压克力或环氧树脂等胶体材料。
但是，该封装结构的两个电极一般利用金或铜等不透明的金属材料制成，这降低了发光二极管封装结构的出光效率。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可提升出光效率的发光二极管封装结构及其制造方法。
一种发光二极管封装结构，其包括封装体和位于该封装体内的发光单元，其中，该发光单元包括一个第一碳纳米管薄膜电极层、位于该第一碳纳米管薄膜电极层上的至少两个发光二极管芯片以及一个位于该至少两个发光二极管芯片上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层。
一种发光二极管封装结构的制造方法，其包括：
提供一个发光二极管芯片结构，其包括一个基板及一个位于该基板上的发光二极管芯片层；
蚀刻该发光二极管芯片层以形成至少两个发光二极管芯片；
在该至少两个发光二极管芯片的表面形成一个透明的第二碳纳米管薄膜电极层；
去除该基板；
在该至少两个发光二极管芯片的另一个表面形成第一碳纳米管薄膜电极层；及
封装该发光二极管芯片结构。
一种发光二极管封装结构，其包括封装体和位于该封装体内的发光单元。其中，该发光单元包括一个第一碳纳米管薄膜电极层、位于该第一碳纳米管薄膜电极层上的一个发光二极管芯片以及一个位于该发光二极管芯片上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层。
所述的发光二极管封装结构及其制造方法，通过以碳纳米管薄膜作为电极层，因碳纳米管薄膜具有导电性及透光性，使该发光二极管封装结构提升了出光效率。
附图说明
图1为本发明第一实施方式提供的一种发光二极管封装结构的截面示意图。
图2为图1的发光二极管封装结构的部分平面示意图。
图3为本发明第一实施方式中碳纳米管薄膜制备方法的装置示意图。
图4为本发明第二实施方式提供的一种发光二极管封装结构的制造方法流程图。
图5a至图5h为图4中的发光二极管封装结构的制造方法的流程示意图。
图6为本发明第三实施方式提供的一种发光二极管封装结构的截面示意图。
图7为本发明其它实施方式提供的一种发光二极管封装结构的部分平面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，本发明第一实施方式提供的一种发光二极管封装结构20包括一个封装体22，位于封装体22内的发光单元24。
该封装体22可选用压克力或环氧树脂等材料制成以封装保护该发光单元24不受外部环境侵蚀。
本实施方式中，该发光单元24为发出白光的发光单元，其包括一个光反射层200，一个位于该光射层200上的第一碳纳米管薄膜电极层202，多个呈矩阵排列在该第一碳纳米管薄膜电极层202上的发光二极管芯片204(见图2)，一个位于该多个发光二极管芯片204上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层206及一个位于该第二碳纳米管薄膜电极层206上的荧光层208。
该光反射层200为银反射层，其厚度为20～25微米，其用于将发光二极管芯片204的出射光反射至该发光单元24的出光面24a，以充分利用发光二极管芯片204的出射光，提高光线利用率。
该发光二极管芯片204为蓝光发光二极管芯片，对应地，该荧光层208为混有钇铝石榴石晶体(YAG)荧光粉的光学胶层，如混有YAG荧光粉的环氧树脂等。蓝光发光二极管芯片204所发出蓝光之波长约为400～530纳米，利用蓝光发光二极管芯片204所发出的光线激发YAG荧光粉产生黄色光。然后，蓝色光配合上荧光粉所发出的黄色光，即形成白光。可以理解，在其它实施方式中，该荧光层208可以去除或为混合有其它材料的荧光粉，因此，该发光单元24发出的光为发光二极管芯片204本身的光或与相应的荧光粉激发的光的混合光。
发光二极管芯片204包括一个具有微结构204b的出光面204a及与出光面204a相背的底面204c。该第二碳纳米管薄膜电极层206位于该多个发光二极管芯片204的出光面204a上，该第一碳纳米管薄膜电极层202位于该多个发光二极管芯片204的底面204c上。该出光面204a的面积约为1平方毫米(长与宽均约为1毫米)，发光二极管芯片204的厚度约为200微米以上。该微结构204b为形成在该出光面204a的多个圆锥形凹槽204b，该凹槽204b可有效地将出射光导向出光面204a上方，从而使该发光单元24的光集中，增强照明亮度。该凹槽204b的深度为3～10微米。因在发光二极管芯片的出光面204a开设凹槽204b，当第二碳纳米管薄膜电极层206放置于该多个发光二极管芯片204的出光面204a上时，第二碳纳米管薄膜电极层206靠近该发光二极管芯片204的出光面204a的碳纳米管薄膜层会铺设在凹槽204b的内壁，增加了发光二极管芯片204与第二碳纳米管薄膜电极层206的接触面积，从而增加了发光二极管芯片204与第二碳纳米管薄膜电极层206间的导电率。
该第一碳纳米管薄膜电极层202及该第二碳纳米管薄膜电极层206的碳纳米管薄膜的制备方法包括直接生长法、絮化法、碾压法或拉膜法等其它方法。所述直接生长法为用化学气相沉积法于一基板上生长获得碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为无序或有序碳纳米管薄膜，所述无序碳纳米管薄膜中包括多个无序排列的碳纳米管，所述有序碳纳米管薄膜中包括多个相互平行的碳纳米管。所述絮化法制备碳纳米管薄膜包括以下步骤：将直接生长得到的碳纳米管加入到溶剂中并进行絮化处理获得碳纳米管絮状结构；以及将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理以获得碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为无序碳纳米管薄膜，且包括多个相互缠绕且各向同性的碳纳米管。所述碾压法制备碳纳米管薄膜包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列形成于一基底；以及提供一施压装置挤压上述碳纳米管阵列，从而得到碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为有序碳纳米管薄膜，且包括多个沿一个或多个方向择优取向排列的碳纳米管。
请参阅图3，以拉膜法制备一碳纳米管薄膜的方法作为例子加以说明，该方法具体包括以下步骤：
(一)制备一碳纳米管阵列116于一基底114上。
本实施方式中，所述碳纳米管阵列116为一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列116的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底114，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施方式优选为采用4英寸的硅基底114；(b)在基底114表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底114在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底114置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列116，其高度为200微米～400微米。该超顺排碳纳米管阵列116为多个彼此平行且垂直于基底114生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列116。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列116中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列116中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。本实施方式中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
上述形成有碳纳米管阵列116的基底114可固定于样品台110上。具体地可以选用胶带、粘结剂或机械方式固定基底114于样品台110上。
(二)采用一拉伸工具100从碳纳米管阵列116中拉取获得一碳纳米管薄膜118。
所述拉取获得碳纳米管薄膜118的方法具体包括以下步骤：从上述碳纳米管阵列116中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，将该多个碳纳米管片段固定于拉伸工具100上，本实施方式优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列116以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列116生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的碳纳米管薄膜118。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底114的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜118。碳纳米管薄膜118为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜118。该碳纳米管薄膜118中碳纳米管的排列方向基本平行于该碳纳米管薄膜118的拉伸方向。在上述选定多个碳纳米管片段并拉伸的步骤中，由于该多个碳纳米管片段的厚度很难控制，拉伸获得的碳纳米管薄膜118厚度均匀性不佳，该碳纳米管薄膜118中具有较多大直径的碳纳米管束，该大直径的碳纳米管束的透光性差，从而使得拉伸获得的该碳纳米管薄膜118具有较差的透光性，该碳纳米管薄膜118的透光率最大为75％。
该碳纳米管薄膜118的宽度与碳纳米管阵列116所生长的基底114的尺寸有关，该碳纳米管薄膜118的长度不限，可根据实际需求制得，厚度为0.001微米～100微米。本实施方式中，采用4英寸的基底114生长超顺排碳纳米管阵列，该碳纳米管薄膜118的宽度可为1厘米～10厘米，厚度为0.01微米～100微米。
由于发光二极管芯片204的出射光要经过该第二碳纳米管薄膜电极层206向外出射，因此对第二碳纳米管薄膜电极层206的透光率要求较第一碳纳米管薄膜电极层202的透光率要高。在形成上述碳纳米管薄膜后，制作该第二碳纳米管薄膜电极层206时，还进一步要对该碳纳米管薄膜进行加热处理，使该碳纳米管薄膜118中的部分碳纳米管被氧化，使该碳纳米管薄膜118变薄，从而提高透光率。
具体地，为避免碳纳米管薄膜118加热时被破坏，所述加热碳纳米管薄膜118的方法采用局部加热法。其具体包括以下步骤：局部加热碳纳米管薄膜，使碳纳米管薄膜在局部位置的部分碳纳米管被氧化；移动碳纳米管被局部加热的位置，从局部到整体实现整个碳纳米管薄膜的加热。具体地，可将该碳纳米管薄膜118分成多个小的区域，采用由局部到整体的方式，逐区域地加热该碳纳米管薄膜118。所述局部加热碳纳米管薄膜118的方法可以有多种，如激光加热法、微波加热法等等，如通过功率密度大于0.1×104瓦特/平方米的激光扫描照射该碳纳米管薄膜118，由局部到整体的加热该碳纳米管薄膜118，由于碳纳米管对激光具有较好吸收特性，该碳纳米管薄膜118中具有较大直径的碳纳米管束将会吸收较多的热量，从而被氧化，使得该碳纳米管薄膜118的透光性大幅度上升，本例子中的激光照射后的碳纳米管薄膜118的透光性可以大于75％。
为了增加碳纳米管薄膜电极层的导电率，本实施方式中，该第一碳纳米管薄膜电极层202及第二碳纳米管薄膜电极层206均由两层碳纳米管薄膜118相互垂直叠交，并且在叠交之处选择性地点上银胶而形成。此处“两层碳纳米管薄膜相互垂直”是指在一个碳纳米管薄膜层118中的碳纳米管的排列方向与另一个碳纳米管薄膜层118中的碳纳米管的排列方向大致垂直。
由于对第一碳纳米管薄膜电极层202的透光率要求较低，同时对第一碳纳米管薄膜电极层202对于发光二极管芯片204的散热要求比对第二碳纳米管薄膜电极层206的散热要求高，因此，在制造第一碳纳米管薄膜电极层202时，可不对该第一碳纳米管薄膜电极层202进行加热处理，其目的是，相对于第二碳纳米管薄膜电极层206，增加了该第一碳纳米管薄膜电极层202中的碳纳米管的密度使第一碳纳米管薄膜电极层202的厚度增加，以增加导热系数。因此，本实施方式中，第一碳纳米管薄膜电极层202的厚度大于第二碳纳米管薄膜电极层206的厚度。
为了进一步增加发光二极管芯片204分别与第一碳纳米管薄膜电极层202及第二碳纳米管薄膜电极层206的连接强度(包括电性连接强度与机构连接强度)，可以分别在发光二极管芯片204与第一碳纳米管薄膜电极层202之间，及发光二极管芯片204与第二碳纳米管薄膜电极层206之间使用锡球焊接的方式进行连接。较佳地，为较少影响发光单元24的出光效率，可使用粒径为20～50微米的锡球在所需固接的位置进行连接。在其它实施方式中，可以使用透明的导电胶连接方式替换上述的锡球焊接方式，在发光二极管芯片的出光面204a及底面204c上选择性地点上导电胶，以固牢电极层202、206。
请参阅图4、图5a至图5h，本发明第二实施方式提供的一种上述发光二极管封装结构20的制造方法，其包括：
步骤S100：提供一个发光二极管芯片结构30，其包括一个基板32及一个位于该基板32上的发光二极管芯片层34。
步骤S102：蚀刻该发光二极管芯片层34以将该发光二极管芯片层34的表面34a形成微结构204b及形成多个相互间隔的发光二极管芯片204，该多个发光二极管芯片204的表面204a具有该微结构204b。
步骤S104：在该多个发光二极管芯片204的该表面204a依次形成透明的第二碳纳米管薄膜电极层206及一个荧光层208。
步骤S106：去除该基板32。
步骤S108：在该多个发光二极管芯片204的底面204c形成第一碳纳米管薄膜电极层202。
步骤S110：在该第一碳纳米管薄膜电极层202的外表面202a形成一个光反射层200。
步骤S112：封装该发光二极管芯片结构30以形成该发光二极管封装结构20。
在步骤S100中，该发光二极管芯片结构30为蓝光发光二极管芯片结构。在步骤S102中，参图5b至图5d，可采用等离子体蚀刻法对该发光二极管芯片层34进行蚀刻以在该发光二极管芯片层34的表面34a形成微结构204b，及形成多个相互间隔的发光二极管芯片204。该微结构204b为形成在该表面34a的多个圆锥形凹槽204b。较佳地，可采用电感耦合等离子体法(Inductively Coupled Plasma，ICP)进行上述的蚀刻，控制蚀刻参数及选择合适的光阻层图案对凹槽204b的深度及形状进行蚀刻。在形成多个相互间隔的发光二极管芯片204时，可在发光二极管芯片层34的表面34a设置光阻层400，该光阻层400开设多个通孔402以构成对该发光二极管芯片层34蚀刻的图案。
在步骤S104中，该荧光层208为混有YAG荧光粉的光学胶层铺设于该第二碳纳米管薄膜电极层206之上而形成荧光层208。可以理解，该荧光层208还可选用其它结构的荧光层。在步骤S106中，可采用激光加热法作用于该发光二极管芯片204与该基板32之间的连接面以去除基板32。
在完成步骤106后，可将该发光二极管芯片204翻转后再铺上该第一碳纳米管薄膜电极层202。在步骤S110中，该光反射层为银反射层200，并可通过溅镀方式将该银反射层200形成在该第一碳纳米管薄膜电极层202的外表面202a上。
在步骤S112中，采用压克力或环氧树脂等封装体22对该发光二极管芯片结构30进行封装。另外，在该步骤中，可对该封装体22进行光学设计，对该发光二极管芯片结构30进行散热设计，引脚引线设计等以满足实际需要。在步骤S104及步骤S108中，还可以分别在发光二极管芯片204与第一碳纳米管薄膜电极层202之间，及发光二极管芯片204与第二碳纳米管薄膜电极层206之间使用锡球焊接的方式进行连接。
综上所述，本发明实施方式提供的发光二极管封装结构及其制造方法，通过以碳纳米管薄膜作为电极层，因碳纳米管薄膜具有透光性及导电性，使该发光二极管封装结构提升了出光效率。同时，因多个发光二极管芯片形成在该第一碳纳米管薄膜电极层上，使得整个发光单元在制作完成后封装前，具有较佳的可挠性，适用于其它非平面的结构，如弧形柱壁等。另外，碳纳米管薄膜也具有导热性，因此，该发光二极管封装结构具有较好的散热性能。
请参阅图6，为本发明第三实施方式提供的一种发光二极管封装结构50。该发光二极管封装结构50包括封装体52和位于该封装体52内的发光单元54。该发光单元54包括一个光反射层500，一个位于该光射层500上的第一碳纳米管薄膜电极层502，一个位于该第一碳纳米管薄膜电极层502上的发光二极管芯片504，一个位于该发光二极管芯片504上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层506及一个位于该第二碳纳米管薄膜电极层506上的荧光层508。
本实施方式的发光二极管封装结构50，可由本发明的第二实施方式中的制造方法中所形成的多个发光二极管芯片204切割成单个发光二极管芯片504，然后进行封装所得到/或封装后再进行切割所得到。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，如在其它实施方式中，如图7所示，该多个发光二极管芯片204也为条状，并沿一个方向顺序排列在该第一碳纳米管薄膜电极层202上。这取决于在制造该多个发光二极管芯片204时，所选择的光阻层400的图案；及视实际所需，第一碳纳米管薄膜电极层202及/或第二碳纳米管薄膜电极层206只包括一个碳纳米管薄膜层等。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种发光二极管封装结构，其包括封装体和位于该封装体内的发光单元，其特征在于，该发光单元包括一个第一碳纳米管薄膜电极层、位于该第一碳纳米管薄膜电极层上的至少两个发光二极管芯片以及一个位于该至少两个发光二极管芯片上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层。
2.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该第一碳纳米管薄膜电极层的厚度大于该第二碳纳米管薄膜电极层的厚度。
3.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，每个该发光二极管芯片包括一个具有微结构的出光面，该第二碳纳米管薄膜电极层位于该出光面上。
4.如权利要求3所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该微结构为形成在该出光面的多个凹槽，该多个凹槽的内壁分布有该第二碳纳米管薄膜电极层。
5.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该发光二极管封装结构还包括一个形成在该第二碳纳米管薄膜电极层上的荧光层。
6.如权利要求5所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该至少两个发光二极管芯片均为蓝光发光二极管芯片。
7.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该发光二极管封装结构还包括一个形成在该第一碳纳米管薄膜电极层外表面的光反射层。
8.如权利要求3所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该第一碳纳米管薄膜电极层及该第二碳纳米管薄膜电极层均包括两个碳纳米管薄膜层，该两个碳纳米管薄膜层的碳纳米管的排列方向大致相互垂直。
9.一种发光二极管封装结构的制造方法，其包括：
提供一个发光二极管芯片结构，其包括一个基板及一个位于该基板上的发光二极管芯片层；
蚀刻该发光二极管芯片层以形成至少两个发光二极管芯片；
在该至少两个发光二极管芯片的表面形成一个透明的第二碳纳米管薄膜电极层；
去除该基板；
在该至少两个发光二极管芯片的另一个表面形成第一碳纳米管薄膜电极层；及
封装该发光二极管芯片结构。
10.如权利要求9所述的发光二极管封装结构的制造方法，其特征在于，在蚀刻以形成该至少两个发光二极管芯片前还包括：在该发光二极管芯片层的表面形成微结构。
11.如权利要求9所述的发光二极管封装结构的制造方法，其特征在于，在封装该发光二极管芯片结构前还包括：在该第一碳纳米管薄膜电极层的外表面形成一个光反射层。
12.如权利要求9所述的发光二极管封装结构的制造方法，其特征在于，该第一碳纳米管薄膜电极层及该第二碳纳米管薄膜电极层均包括两个碳纳米管薄膜层，该两个碳纳米管薄膜层的碳纳米管的排列方向大致相互垂直。
13.一种发光二极管封装结构，其包括封装体和位于该封装体内的发光单元，其特征在于，该发光单元包括一个第一碳纳米管薄膜电极层、位于该第一碳纳米管薄膜电极层上的一个发光二极管芯片以及一个位于该发光二极管芯片上且透明的第二碳纳米管薄膜电极层。
14.如权利要求13所述的发光二极管封装结构，其特征在于，该第一碳纳米管薄膜电极层的厚度大于该第二碳纳米管薄膜电极层的厚度。
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