CN1527408A - 祼晶式发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种裸晶式发光二极管，是将发光二极管(LED)晶粒直接制作成表面粘着型(SMD)的结构，不须再经封装制程即可使用，利用GaN系(蓝光)LED晶粒的基板为透明氧化铝单晶(俗称蓝宝石单晶)做为天然的最佳封装基材，利用覆晶技术将电极面制作成光反射面，同时镀一层(SiO₂)保护膜层，并制作电极凸块，在基板面上制作微小透镜或纳米点、纳米柱以增强光的输出，即完成SMD型的裸晶式发光二极管，不须再做封装制程，可直接将裸晶式发光二极管与线路板连接。其特点为省成本、优良率高、散热性佳、微小化容易，可作大功率发光元件。

Description

裸晶式发光二极管

技术领域

本发明涉及发光二极管技术。

背景技术

传统发光二极管(SMD LED)通常是指已经过封装完成的LED元件，是将LED晶粒(Chip)置于基板或金属支架上再打线，并用透明树脂封装成型，其中LED分有灯型(Lamp LED)与表面粘着型(SMD LED)两种。

在表面粘着型LED元件中因制程与基板材料的不同，又分为基板型与金属支架型两种，无论基板型或支架型，都须将LED晶粒进行固定并打线及封胶等步骤，SMD LED若小于0402尺寸(1.0mm×0.5mm)时，在封装制作上就比较困难，尤其需打二条线的氮化镓(GaN)系的蓝光LED制程上更不易制作。

LED近年来因技术上的进步亮度越来越亮，尤其是白光LED的出现，甚至被认为是『21世纪的照明光源』，将以半导体的照明元件白光LED取代真空管照明光源，事实上现在白光LED发光效率已达每瓦30流明以上，已经超过白帜灯泡(每瓦15流明)，故将来白光LED成为照明光源已是可行的，只是单价太高而已。

另在白光LED的封装上，现今大都采用蓝光加黄色萤光粉形成，在未来是采用短波长的UV紫外光外加三基色(红、绿、蓝)萤光粉，由于目前所有透明封装树脂(EPOXY)都无法耐紫外光，故在UV LED的封装材料遇到一些瓶颈，到目前为止并无较稳定可靠的透明封胶树脂可用。因此UV LED若采用『裸晶式』结构不外加封装树脂不是很好吗？只要在UV LED表面涂上一层无机萤光粉，即可形成白光LED；，而且还是SMD型白光LED。

因为LED可在照明光源器件上使用，因此大功率型的LED封装技术，在近年来也逐渐被重视，陆续有厂商宣布开发出大功率LED(大电流100mA以上)，传统LED使用电流通常20mA，在蓝光LED其晶粒尺寸通常为350μm×35Uμm左右，而大功率晶粒(power chip)尺寸可能为1mm×0.5mm以上(即0402 SMD尺寸规格)，若再加上封装成型则尺寸要大于原来的一倍以上，即2mm×1mm，又因LED的封装材料因需透明树脂，其散热性较差，不像IC封装，其封装材料黑胶本身已具有传热功能。

小尺寸SMD LED尺寸分有0603(1.6mm×0.8mm)与0402(1.0mm×0.5mm)，相当于大功率LED晶粒尺寸，今若能将LED chip直接制成SMD LED，不须经封装制程，那么不是很好吗？

目前在短波长的蓝光、紫光或紫外光LED晶粒，若有用树脂封装与没有封装比较，其寿命有用树脂封装的会比较短，没有封装的寿命反而比较长，可能原因应为目前的LED封装树脂无法耐短波长，因而产生裂化等现象，故裸晶式发光二极管用于紫光短波长具有其优点。LED晶粒若不封装的优点为体积小、寿命长，缺点为亮度较差，因折射率关系光不易射出。

发明内容

本发明的裸晶式发光二极管，就是直接将LED晶粒制作形成SMD元件，不须经封装制程即可使用，此发明乃是将大功率晶粒(power chip)结合覆晶接点(Flip chip)，利用GaN系LED的基板采用透明的氧化铝单晶(Sapphire)基板作为光发出的透明封装基材，在LED晶粒的另一面则制作光反射电极，使光能全部反射至氧化铝单晶基板面发出光，同时制作SiO₂折射层及做微小透镜，来增加光的输出亮度或纳米点、纳米柱，即覆晶型LED晶粒变成SMD LED元件，不须再经封装制程(传统覆晶型LED须再封装成SMD元件)，即可以裸晶的SMD LED型态直接与其他线路板组合。

在本发明中因发光二极管基板必须采用透光基板，且电极必须制作在同一面，目前电极在同一面的制程方式，只有以氧化铝单晶基板制作出的氮化镓(GaN)系的蓝、绿光LED元件；另有以SiC单晶基板因本身基材就是导体，因此以SiC为基板的蓝光LED通常正负电极在不同面，红光LED正负电极也在不同面，因此本发明发明均必须设计使其电极均在同一面才能实施，这是本发明最大的特点的一。

LED光的输出只有光在临界角(Critical Angle)θ内光可以被完全射出θ＝sin^-1n₂/n₁(n₁为基板材料折射率，n₂为空气折射率，一般为1)，在本发明中采用蓝宝石(Sapphire)为基板，其折射率为2.4，故光输出的临界角θ＝sin^-11/2.4＝sin^-10.416＝26°，所以LED若不封装，采用裸晶发光则会因LED发光基材的折射率(2.4)与空气折射率(1)有很大的差距，会有部分的光因临界角较较大而无法射出来，亮度会减小。

LED晶粒若有封装会有较多的光输出，因封装树脂(EPOXY)的折射率为1.5，光临界角θ＝sin^-11.5/2.4＝35°，因此本发明『裸晶发光二极管』不封装，若直接使用会有部分的光因折射率的关系而无法射出，为了解决以上的缺点，本发明人提出了以下解决方案以增加裸晶LED的光亮度：

1、在本发明蓝宝石基板的发光面上制作许多微小透镜，以改变光输出的折射，同时具有透镜聚焦功能使光往正面发射，微小透镜的制作方法可利用光阻，曝光显影后，再经加温使光阻形成半圆形微小透镜的构造，如此可增加光的输出，其微小透镜的大小可设定小于100μm即可，最理想者为10μm左右。

2、直接在蓝宝石基板的发光面上镀或涂上一层较低折射率材料，其折射率介于1.0-2.4之间，如SiO₂或透明有机材料EPOXY、PMMA、PP等，其折射率约在1.5左右，亦可增加LED裸晶光的输出。

3、直接在蓝宝石基板加工处理使其表面形成微小凹凸点，以改变光输  出的折射率，若微小的凹凸点尺寸小于光的波长的话，则光的输出没有折射现象大部分会从基板射出以增加LED的亮度；例如LED蓝光波长约为460nm，若基板发光面的凹凸点小于400nm的结构，则LED的亮度会提升许多，此种表面凹凸点小于发光波长的结构，本发明称为『次波长纳米结构』。蓝宝石基板是一个很硬的材料，很难加工，无论采用化学或物理方式都不易加工，因此本发明人想出一种方法为先在蓝宝石基板的发光面上镀上一层透明玻璃层(SiO₂或Si₃N₄)，然后再加工玻璃层(SiO₂或Si₃N₄)就容易多了，如用化学蚀刻(湿蚀刻)或电浆蚀刻(乾蚀刻)都可顺利完成。

4、另一种产生微小结构的方法为在蓝宝石基板的发光面上成长透光材料的ZnO或SiO₂或Si₃N₄的纳米点或纳米柱(nano rod)，即可使裸晶LED光输出大大提高。成长纳米柱的方法可用VLS(气相—液相—固相法)，可参考本发明人申请的台湾专利申请第091 104 649号。

附图说明

图1为传统表面粘着型发光二极管(SMD LED)的结构图(电路板型)；

图2为本发明裸晶式发光二极管的基本结构图(一)；

图3为本发明裸晶式发光二极管的基本结构图(二)；

图4为本发明裸晶式发光二极管的基本结构图(三)；

图5为本发明裸晶式发光二极管的基本结构图(四)；

图6为本发明裸晶式发光二极管与线路板接合的结构图；

图7为本发明裸晶式发光二极管加网印萤光层的结构图；

图8为本发明裸晶式发光二极管加上透明罩的结构图。

具体实施方式

敬请参阅图1所示为传统表面粘着型发光二极管(SMD LED)的结构图(电路板型)为先将LED晶粒1固定于电路板3的电极上，并打线连接另一电极，再经模铸(molding)使封胶树脂2成型为SMD LED型态。

图2为本发明裸晶式发光二极管在晶粒的反射电极面，即正电极8上，须再镀上一层绝缘体层6，一般采用SiO₂膜层，或Si₃N₄膜层并在蓝宝石基板4的发光面上镀上一层SiO₂或Si₃N₄层作为较低折射率(约1.5)材料层9以增加光的输出介面层。

图2虽然在蓝宝石基板4上加上一层低折射率材料来加强LED光的输出，但还是不够的，若在二氧化硅(SiO₂)层表面做加工处理，使其表面成微小凹凸结构如图3的11所示，表面成微小凹凸状可改变光的折射可增强光的亮度，若能将表面凹凸结构制作成次波长纳米结构则光的输出将达最高，要制作次波长纳米结构可用电子来曝光显影加上乾蚀刻或湿蚀刻即可。

图4为本发明裸晶式发光二极管的另一种结构，其特征点为在蓝宝石单晶基板4面上制作出许多微小透镜12，该微小透镜12可加强LED晶粒光的射出；微小透镜的制作方式可用光阻曝光显影加上加热处理即可完成。

图5为本发明裸晶式发光二极管另一实施例结构图，其特征点为在蓝宝石单晶基板4面上制作出许多次波长纳米柱13或纳米线，纳米柱是直接成长于基板上其材料可为ZnO或SiO₂等透光材质，表面次波长纳米结构可加强LED光的射出为本发明的特点之一。

图6为本发明裸晶式发光二极管与线路板(PCB)3直接利用迴焊炉加热方式使裸晶式LED14电极(7、8)直接与PCB线路板电极接点15接和在一起。

图7为本发明裸晶式发光二极管14在与PCB电极15接合后再利用网印技术将萤光胶体16直接涂印在裸晶LED晶粒14之上，而形成白光LED或各种混和光。

在本发明中因裸晶式LED没有封装，其光线为向四面八方发射，无法聚焦集中在某一点上，为了使裸晶LED能有效地将其所发射的光聚焦集中射出，可事先利用塑胶制作具有透镜功能的透明罩17，直接将透明罩17盖于裸晶LED14上，即可使裸晶LED14射出的光具有聚焦功能如图8所示。

本发明秉弃了LED晶粒需经封装才能使用的传统观念，因本发明不须封装，故制程缩短、优良率提高、成本也比较低，尤其采用金属凸块接点所以散热性较佳。

本发明的特点为在LED晶粒基板面上制作复数微小透镜、纳米点、纳米粒、纳米柱或在表面镀上一层低折射率材料以增加裸晶光的输出。利用本发明『裸晶式发光极管』只要在其表面(发光面)上网印一层萤光粉层，即可形成白光LED，且光色较传统白光LED均匀，(传统白光LED用点胶方式其萤光粉分布不均匀)。

另外在本发明中若在LED表面加上透镜(射出料如PP、PMMA)，即可使光更集中，可应用于各种场合，因此本发明具有实用化与商品化的价值，在技术创作上更具有前瞻性与改革性的创作。

综上所述，本发明技术手段突破了传统概念LED要封装才能使用，裸晶LED不封装也可使用，其优点为体积小、寿命长、品质佳、省成本，适合应用于手机按键等精密器件上。

Claims (11)

1、一种裸晶式发光二极管，其特征在于，其结构包含：

一透光基板的发光二极管晶粒，其正、负电极需在同一面并具有反射光电极且以透光基板为光射出面；

一低折射率材料其折射率需小于基板，大于空气折射率；

一复数个微小透镜；

一次波长纳米结构层；

其特征在于，在发光二极管的透光基板面上形成复数个微小透镜或一低折射率材料或一次波长纳米结构层以改变光的折射，增强裸晶发光二极管的射出。

2、如权利要求1所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中低折射率材料为SiO₂或Si₃N₄或透光的树脂、塑胶模层。

3、如权利要求1所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中复数个微小透镜其透镜直径需小于100μm。

4、如权利要求1所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中次波长纳米结构层为一种纳米点、纳米柱或纳米线，其材料为ZnO，SiO₂，Si₃N₄，ZnSe，GaN，ITO等。

5、如权利要求1所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，次波长纳米结构层为在低折射率材料上将SiO₂或Si₃N₄以化学蚀刻或电浆蚀刻制作出小于裸晶发光二极管所发光波长的凹凸纳米结构。

6、一种裸晶式发光二极管，其特征在于，是由氮化镓(GaN)的发光材料将其正、负电极制作形成于发光晶粒同一面左右二端点附近，在电极面上除一电极接点外镀有一层绝缘体，再将焊接点材料经由凸块制程使电极具有可焊接的金属凸块电极，并在发光晶粒透光基板的发光面上镀或涂上一层较基板折射率低的材料或在其表面上作微小透镜，或成长纳米点或纳米柱以利光的输出，即形成一种表面粘着形裸晶式发光二极管，可直接与线路板作焊接接合。

7、如权利要求6所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其电极金属凸块焊接材料为锡、银、铜合金或锡铅或金锡合金。

8、如权利要求6所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中在基板发光面上镀或涂一层低折射率材料，其折射率需小于基板材质的折射率，大于空气折射率(1.0)，可为一种透明树脂(EPOXY)或透光材料(SiO₂，Si₃N₄)。

9、如权利要求6所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，在其发光面上制作微小透镜，其透镜的直径需小于100μm。

10、如权利要求6所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中发光晶粒在基板表面镀有一层低折射率材料并在表面上做微小凹凸点结构，以增加光的输出亮度。

11、如权利要求6所述的裸晶式发光二极管，其特征在于，其中在发光晶粒基板表面上成长透光的纳米点或纳米柱，其材料为ZnO，SiO₂，Si₃N₄，ZnSe，GaN，ITO等材料。

Images