TWI645585B - 光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件 - Google Patents
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Abstract
一種光半導體裝置包括一基座、一光電半導體晶片以及一封裝件。光電半導體晶片設置於基座上。封裝件覆蓋光電半導體晶片於基座上，並包含一耐紫外光透光接著劑及多個耐紫外光透光粒子，該些耐紫外光透光粒子混合於耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑。本發明更揭露一種光電半導體裝置的封裝件。
Description
本發明關於一種光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件，特別關於一種可發出紫外光的光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件。
發光二極體(light-emitting diode,LED)是由半導體材料所製成之光電元件，元件具有兩個電極端子，在端子間施加電壓，經由電子電洞之結合，則可將能量以光的形式激發釋出。發光二極體具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命週期時間長、且不含汞、具有環保效益等優點。其中，紫外光發光二極體更可應用於醫學治療、生醫美容、植物燈、殺菌、生物鑑定及工業應用(光固化、曝光)等領域。
在紫外光的發光二極體封裝技術中，由於封裝膠必須使用透明材料，以利光線的射出，因此材料上的選擇有限。目前紫外光發光二極體(UV LED)的封裝材料常用的是高分子膠材，高分子膠材在長期照射短波藍光或UV光(例如波長450nm以下)的情況下會發生質變而劣化，使得穿透率下降，同時還會失去附著力，故在產品中後期的出光效益與品質上都會有疑慮，無法提供UV LED長期的良好封裝效果。
為了改善上述狀況，封裝技術已發展出將UV LED晶片置於載體中，並使用石英玻璃覆蓋在載體上來當作封裝材，內部再抽真空或填入氮氣，透過在短波長下仍可維持高穿透率的特性，可維持產品穩定的出光效率。然而，目前石英玻璃與載體(陶瓷或金屬材質)的接著大多使用共金方式接合(Eutectic)，但是共金製程較為困難而且成本較高。另外，部份業者會在石英玻璃與載體之間仍須使用粘著膠做為接合劑，長期使用後接合處的膠體一樣會有變質的風險。另外，這種做法的製程困難度較高， 使得其成本也相當較高，而且光取出效率也不令人滿意。
本發明之目的為提供一種光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件，相較於習知作法而言，本發明具有製程困難度較低、成本較低，耐紫外光且光取出效率較高的特點。
本發明提出之一種光半導體裝置，包括一基座、一光電半導體晶片以及一封裝件。光電半導體晶片設置於基座上。封裝件覆蓋光電半導體晶片於基座上，並包含一耐紫外光透光接著劑及多個耐紫外光透光粒子，該些耐紫外光透光粒子混合於耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑。
本發明又提出之一種光半導體裝置，包括一基座、一光電半導體晶片以及一封裝件。光電半導體晶片設置於基座上並配置來發出峰值為λ奈米波長之光線。封裝件覆蓋光電半導體晶片於基座上，並包含一耐紫外光透光接著劑及多個耐紫外光透光粒子，該些耐紫外光透光粒子混合於耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，且該些耐紫外光透光粒子的粒徑小於λ/4。
在一實施例中，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑。
在一實施例中，該些耐紫外光透光粒子的粒徑的中位數小於λ/10。
在一實施例中，各耐紫外光透光粒子的粒徑小於40奈米。
在一實施例中，耐紫外光透光接著劑的材料為矽膠或氟素高分子膠體，該矽膠為甲基系膠體、苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體。
在一實施例中，耐紫外光透光粒子為石英玻璃粒子或硼玻璃粒子，或其組合。
在一實施例中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百 分比大於或等於70%。
在一實施例中，耐紫外光透光粒子的光穿透率大於或等於90%。
在一實施例中，該光電半導體晶片為一紫外光發光二極體晶片。
在一實施例中，基座具有一容置槽，光電半導體晶片設置於容置槽內，封裝件填在容置槽內且覆蓋及連接光電半導體晶片。
在一實施例中，封裝件從容置槽突出並形成一透鏡。
本發明更提出之一種光半導體裝置的封裝件，包括一耐紫外光透光接著劑以及多個耐紫外光透光粒子，該些耐紫外光透光粒子混合於耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑。
在一實施例中，耐紫外光透光接著劑的材料為矽膠或氟素高分子膠體，該矽膠為甲基系膠體、苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體。
在一實施例中，耐紫外光透光粒子為石英玻璃粒子或硼玻璃粒子，或其組合。
在一實施例中，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於或等於70%。
在一實施例中，耐紫外光透光粒子的光穿透率大於或等於90%。
在一實施例中，各耐紫外光透光粒子的粒徑小於40奈米。舉例來說，耐紫外光透光接著劑是藉配方的調整，在例如聚二甲基矽氧烷膠體、或苯基型矽膠體、或縮合型矽膠體、或氟素高分子膠體，或其組合為主的接著劑中調整成分，使調整後的耐紫外光透光接著劑整體的黏著力雖然降低但折射率增加。雖然調整後耐紫外光透光接著劑的黏著力降低，但仍足以耐紫外光透光粒子黏著固定，且調整後耐紫外光透光接著劑的折射率提高到接近甚至相等於耐紫外光透光粒子的折射率，因而不會造 成光線折射。
承上所述，在本發明的光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件中，封裝件中的該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑；或者，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，且該些耐紫外光透光粒子的粒徑小於λ/4。藉此，相較於習知技術而言，可使本發明的光半導體裝置具有製程困難度較低、成本較低，耐紫外光且光取出效率較高的優點。
1、1a~1e‧‧‧光半導體裝置
11、11a‧‧‧基座
111‧‧‧容置槽
112‧‧‧側壁
12、12a、12b‧‧‧光電半導體晶片
121、122‧‧‧電極
13‧‧‧封裝件
131‧‧‧耐紫外光透光接著劑
132‧‧‧耐紫外光透光粒子
133‧‧‧透鏡
14‧‧‧粘著件
15、151、152‧‧‧導線
161、162‧‧‧導電層
17‧‧‧膠材
18‧‧‧處理元件
P‧‧‧導電凸塊
圖1為本發明較佳實施例之一種光半導體裝置的示意圖。
圖2至圖5A分別為本發明不同實施態樣之光半導體裝置的示意圖。
圖5B為圖5A之光半導體裝置的電性連接示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。本發明所有實施態樣的圖示只是示意，不代表真實尺寸與比例。此外，以下實施例的內容中所稱的方位「上」及「下」只是用來表示相對的位置關係。再者，一個元件形成在另一個元件「上」、「之上」、「下」或「之下」可包括實施例中的一個元件與另一個元件直接接觸，或也可包括一個元件與另一個元件之間還有其他額外元件使一個元件與另一個元件無直接接觸。
請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種光半導體裝置1的示意圖。
光半導體裝置1包括一基座11、一光電半導體晶片12以及一封裝件13。光電半導體晶片12設置於基座11上。本實施例的光電半導體晶片12是以一個紫外光發光二極體晶片(UV LED chip)，並為垂直式LED晶片設置於基座11上為例，然並不以此為限。在其他的實施例中，也 可多個光電半導體晶片12串聯及/或並聯設置於基座11上。基座11的材料可包含玻璃、藍寶石、石英、陶瓷、玻璃纖維、樹脂性材料、金屬或高分子材料，或其組合。本實施例的基座11是以陶瓷金屬複合平板基座為例。
如圖1所示，光電半導體晶片12的兩電極121、122分別位於上、下兩側，電極121透過一導線15連接設置在基座11上的導電層161，且電極122與設置在基座11上的另一導電層162直接連接。於此，電極122與導電層162可透過例如一導電粘著層(例如導電膠，圖未顯示)而直接連接。當兩個導電層161、162之間施加電壓差，可驅動光電半導體晶片12(紫外光發光二極體晶片)發出紫外光波長之光線(其波長例如介於200奈米至450奈米之間)。
封裝件13為透光材料製成，並覆蓋光電半導體晶片12於基座11上，以直接形成一凸透鏡。其中，封裝件13包含一耐紫外光透光接著劑131及多個耐紫外光透光粒子132，且該些耐紫外光透光粒子132混合於耐紫外光透光接著劑131中。本實施例的封裝件13為一封裝膠，並覆蓋在基座11上且連接光電半導體晶片12。耐紫外光透光接著劑131的材料例如但不限於為矽膠或氟素高分子膠體。其中，矽膠可為甲基系膠體(例如聚二甲基矽氧烷(PDMS)膠體)、或苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體。而耐紫外光透光粒子132的材料可為石英玻璃粒子或硼玻璃粒子，或其組合，皆不限定。此外，耐紫外光透光粒子132的光穿透率大於或等於90%(光穿透率≧90%)。
於此，耐紫外光透光接著劑131是以矽膠或氟素高分子膠體為例。矽膠或氟素高分子膠體材料本身雖具有高透光性、抗UV及抗裂能力，而且高溫時的穩定性佳，但是，若長期照射紫外光時，仍會有劣化的可能。因此，本實施例將耐紫外光透光粒子132均勻混合於耐紫外光透光接著劑131中，不僅加入的耐紫外光透光粒子132的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑131外，而且該些耐紫外光透光粒子132添加的重量百分比在封裝件13的重量百分比更大於50%，但小於90%。較佳者是介於65%至80%之間，在一些實施例中，該些耐紫外光透光粒子132在封裝件13的重量百分比例如可大於或等於70%。另外，本實施例的耐紫外光透光 粒子132與耐紫外光透光接著劑131的折射率差距更小於0.02，這表示兩者的折射率相當接近，使得耐紫外光透光粒子132與耐紫外光透光接著劑131之間幾無折射介面。舉例來說，耐紫外光透光粒子132的材料為玻璃粒子，耐紫外光透光接著劑131的材料為矽膠或氟素高分子膠體，封裝件13整體的特性會偏向玻璃。
由於耐紫外光透光粒子132的添加量相當大，而且耐紫外光透光粒子132與耐紫外光透光接著劑131的折射率相當接近，可使由光電半導體晶片12射出的紫外光線於封裝件13中幾乎不會產生折射，使得光半導體裝置1的光線取出效率較高。另外，由於耐紫外光透光粒子132的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑131，故於耐紫外光透光接著劑131中加入大量的耐紫外光透光粒子132，也可減少長時間照射UV光的情況下，封裝件13劣化的可能性，提高UV耐久性。
在一些實施例中，耐紫外光透光接著劑131因配方調整後其折射率增加，但黏著力降低。舉例來說，耐紫外光透光粒子132的材料若是玻璃，其比重約為2.5，而耐紫外光透光接著劑131的比重約為1，故單位體積下，耐紫外光透光粒子132較耐紫外光透光接著劑131重很多。耐紫外光透光接著劑131對於非有機物質具有較高黏著力，其藉配方的調整，在例如聚二甲基矽氧烷膠體、或苯基型矽膠體、或縮合型矽膠體、或氟素高分子膠體，或其組合為主的接著劑中調整成分，使調整後的耐紫外光透光接著劑131整體的黏著力雖然降低但折射率增加。即使調整後耐紫外光透光接著劑131的黏著力降低例如低於一般的封裝材料例如環氧樹脂膠，但是仍足以將單位體積較重的耐紫外光透光粒子132黏著固定。調整後耐紫外光透光接著劑131的折射率提高到接近甚至相等於耐紫外光透光粒子132的折射率，因而不會造成光線折射。
另外，耐紫外光透光接著劑131的主鏈鍵結能依選用的材料而定。舉例來說，耐紫外光透光接著劑131的主鏈鍵結能為每摩爾452千焦耳，耐紫外光透光接著劑131例如是矽膠，主鏈例如是Si-O鍵，矽膠例如是甲基系膠體、苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體；或者，耐紫外光透光接著劑131的主鏈鍵結能為每摩爾485千焦耳，耐紫外光透光接著劑131 例如是氟素高分子，主鏈例如是C-F鍵。
此外，本實施例的封裝件13包含耐紫外光透光接著劑131與多個耐紫外光透光粒子132，但可以不含有螢光材料；或者，在其他的實施例中，封裝件13內也可以含有螢光材料。
在製程工藝上，可將大量的耐紫外光透光粒子132均勻混合於耐紫外光透光接著劑131後(例如耐紫外光透光粒子132大於50%的重量百分比)，利用現有的點膠製程或壓模製程(Molding)將混合後的膠體覆蓋光電半導體晶片12於基座11上，使封裝件13經固化成形後直接形成二次透鏡來改變光半導體裝置1的光學性能，藉此，相較於習知作法而言，本實施例之光半導體裝置1的製程困難度較低，成本也相對較低。
另外，在瑞利散射(Rayleigh scattering)的理論中，散射光強度與入射光波長的四次方成反比。因此，在一些實施例中，假設光電半導體晶片12配置來發出峰值為λ奈米波長之紫外光線的話，則封裝件13之該些耐紫外光透光粒子132的粒徑可小於λ/4，且該些耐紫外光透光粒子132在封裝件13的重量百分比大於50%時，亦可降低光線的散射效應且提升光半導體裝置1的光取出效率。更進一步來說，除了上述外，該些耐紫外光透光粒子132與耐紫外光透光接著劑131的折射率差距小於0.02，該些耐紫外光透光粒子132的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑131，除了可使光線取出效率再提升之外，更可提高封裝件13的耐用性。
此外，在一些實施例中，該些耐紫外光透光粒子132的粒徑的中位數小於λ/10；各耐紫外光透光粒子132的粒徑小於40奈米，皆可降低光線的散射效應而提升其光取出效率。
請分別參照圖2至圖4B所示，其分別為本發明不同實施態樣之光半導體裝置1a~1d的示意圖。
如圖2所示，與圖1之光半導體裝置1的差別在於，光半導體裝置1a的基座11a不是平板基板，而是具有一容置槽111的承載座，容置槽111的內緣具有一側壁112，且光電半導體晶片12設置容置槽111內而位於基座11a上。在一些實施例中，側壁112上可具有高反射率的反射材料(圖未顯示)，例如為反射層或反射片，其材料可例如為金屬(例如銀)、 合金，或二氧化鈦(TiO2)與樹脂之混合物。利用高反射率的反射材料，使側壁112形成一高反射率的表面，如此，可提高光線利用率。
另外，本實施例的光半導體裝置1a的封裝件13填充在基座11之容置槽111內而覆蓋及連接光電半導體晶片12，並接觸側壁112而與基座11之側壁112等高，藉此形成透鏡。由於封裝膠(封裝件13)固化前為具流動性的膠體，利用容置槽111的側壁112也可作為擋牆，使封裝膠限制於容置槽111內而覆蓋在光電半導體晶片12上而固化成形，以形成高透光率的封裝件13，藉此形成透鏡來改變光半導體裝置1a的光學性能。
另外，如圖3所示，與圖2之光半導體裝置1a的差別在於，光半導體裝置1b的封裝件13除了填充在基座11之容置槽111內而完全接觸側壁112，且覆蓋及連接光電半導體晶片12之外，封裝件13更從容置槽111往遠離光電半導體晶片12的方向突出而形成一凸透鏡133。
另外，如圖4A所示，與圖3之光半導體裝置1b的差別在於，光半導體裝置1c的光電半導體晶片12是以水平式的LED晶片為例，並透過一粘著件14粘著於基座11上。其中，光電半導體晶片12是透過兩導線151、152分別連接設置在基座11上的兩個導電層161、162。
另外，如圖4B所示，與圖3之光半導體裝置1b的差別在於，光半導體裝置1d的光電半導體晶片12是以覆晶技術(Flip-chip)設置於基座11a上為例。其中，光電半導體晶片12的兩電極121、122位於同一側，且兩電極121、122分別透過一導電凸塊P接合於基座11a的兩個導電層161、162。
值得一提的是，在圖4A、圖4B的實施例中，光半導體裝置1c的光電半導體晶片12是以水平式的LED晶片，光半導體裝置1d的光電半導體晶片12是以覆晶技術的LED晶片為例，在另一些實施例中，也可將水平式的LED晶片或覆晶技術的LED晶片(12)設置在圖1的平板狀基座11上，且封裝件13覆蓋在水平式的LED晶片或覆晶技術的LED晶片於基座11上，使封裝件13的上表面直接形成一平面透鏡，或是直接形成一凸透鏡，並不限制。此外，在上述圖1至圖3的實施例中顯示的是垂直式晶片，但在一些實施例中，也可將圖4A的水平式晶片或圖4B的覆晶晶 片應用於圖1至圖3的結構中，以將圖1至圖3中的垂直式晶片改為如圖4A的水平式晶片或圖4B的覆晶晶片，本發明亦不限制。
另外，請參照圖5A及圖5B所示，其中，圖5A為本發明又一實施態樣之光半導體裝置1e的示意圖，而圖5B為圖5A之光半導體裝置的電性連接示意圖。
本實施例之光半導體裝置1e包含二個光電半導體晶片12a、12b間隔設置於基座11上，由封裝件13分別覆蓋在光電半導體晶片12a、12b而分別直接形成一凸透鏡後，再利用膠材17(例如黑色密封膠)進行外部包覆，並且使膠材17對應於光電半導體晶片12a、12b之處分別具有一開口，以讓光線可以通過。其中，光電半導體晶片12a或光電半導體晶片12b可為水平式晶片或垂直式晶片，並不限制。另外，本實施例的封裝件13分別於光電半導體晶片12a、12b上形成一凸透鏡，在不同的實施例中，封裝件13也可分別於光電半導體晶片12a、12b上形成平面透鏡。
本實施例之光電半導體晶片12a為一紫外光發光二極體晶片而可發出紫外光，而光電半導體晶片12b為一紫外光感測晶片而可感測紫外光且輸出一感測訊號。其中，當光電半導體晶片12a發出的UV光照射到待測物之後，反射的UV光可由光電半導體晶片12b接收，光電半導體晶片12b輸出的感測訊號可被一處理元件18(例如處理IC)處理後，可進行後續的控制動作，例如可控制光電半導體晶片12a所發出的UV光的照度或光量。
另外，在一些實施例中，光電半導體晶片12a、12b與處理單元18可整合在單一個封裝體中，或者光電半導體晶片12a、12b與處理單元18可為分開的構件，本發明亦不限制。
此外，光半導體裝置1a~1d的其他技術特徵可參照上述光半導體裝置1的相同元件，不再贅述。
綜上所述，在本發明的光半導體裝置與光半導體裝置的封裝件中，封裝件中的該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於耐紫外光透光接著劑； 或者，該些耐紫外光透光粒子在封裝件的重量百分比大於50%，且該些耐紫外光透光粒子的粒徑小於λ/4。藉此，相較於習知技術而言，可使本發明的光半導體裝置具有製程困難度較低、成本較低，耐紫外光光取出效率較高的優點。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
Claims (12)
- 一種光半導體裝置，包括：一基座；一光電半導體晶片，設置於該基座上；以及一封裝件，覆蓋該光電半導體晶片於該基座上，並包含：一耐紫外光透光接著劑；及多個耐紫外光透光粒子，混合於該耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在該封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與該耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於該耐紫外光透光接著劑。
- 一種光半導體裝置，包括：一基座；一光電半導體晶片，設置於該基座上並配置來發出峰值為λ奈米波長之光線；以及一封裝件，覆蓋該光電半導體晶片於該基座上，並包含：一耐紫外光透光接著劑；及多個耐紫外光透光粒子，混合於該耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在該封裝件的重量百分比大於50%，且該些耐紫外光透光粒子的粒徑小於λ/4。
- 如申請專利範圍第2項所述的光半導體裝置，其中該些耐紫外光透光粒子與該耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於該耐紫外光透光接著劑。
- 如申請專利範圍第2項至第3項其中一項所述的光半導體裝置，其中該些耐紫外光透光粒子的粒徑的中位數小於λ/10。
- 如申請專利範圍第1項至第3項其中一項所述的光半導體裝置，其中各耐紫外光透光粒子的粒徑小於40奈米。
- 如申請專利範圍第1項至第3項其中一項所述的光半導體裝置，其中該 耐紫外光透光接著劑的材料為矽膠或氟素高分子膠體，該矽膠為甲基系膠體、苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體，其中該耐紫外光透光粒子為石英玻璃粒子或硼玻璃粒子，或其組合，其中該些耐紫外光透光粒子在該封裝件的重量百分比大於或等於70%，該耐紫外光透光粒子的光穿透率大於等或於90%。
- 如申請專利範圍第6項所述的光半導體裝置，其中該光電半導體晶片為一紫外光發光二極體晶片。
- 如申請專利範圍第1項至第3項其中一項所述的光半導體裝置，其中該基座具有一容置槽，該光電半導體晶片設置於該容置槽內，該封裝件填在該容置槽內且覆蓋及連接該光電半導體晶片。
- 如申請專利範圍第8項所述的光半導體裝置，其中該封裝件從該容置槽突出並形成一透鏡。
- 一種光半導體裝置的封裝件，包括：一耐紫外光透光接著劑；以及多個耐紫外光透光粒子，混合於該耐紫外光透光接著劑中；其中，該些耐紫外光透光粒子在該封裝件的重量百分比大於50%，該些耐紫外光透光粒子與該耐紫外光透光接著劑的折射率差距小於0.02，且該些耐紫外光透光粒子的紫外光耐久度優於該耐紫外光透光接著劑。
- 如申請專利範圍第10項所述的封裝件，其中該耐紫外光透光接著劑的材料為矽膠或氟素高分子膠體，該矽膠為甲基系膠體、苯基系膠體、或甲基苯基複合膠體，該耐紫外光透光粒子為石英玻璃粒子或硼玻璃粒子，或其組合，該些耐紫外光透光粒子在該封裝件的重量百分比大於或等於70%，該耐紫外光透光粒子的光穿透率大於或等於90%。
- 如申請專利範圍第10項至第11項其中一項所述的封裝件，其中各耐紫外光透光粒子的粒徑小於40奈米。
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