CN102437256A - 一种管芯的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管芯的制造方法，包含：形成一发光叠层于一晶片上；直接涂布一波长转换层于所述发光叠层上方；以及切割所述晶片以形成多个管芯；其中这些管芯间的色温差异小于300K。
Description
本申请是申请日为2008年6月5日、申请号为No.200810109878.3、发明名称为“发光元件”专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是关于一种管芯的制造方法。
背景技术
发光二极管与传统的白炽灯泡与冷阴极灯管相较，具有省电以及使用寿命更长的优越特性，所以被广泛应用于各种领域之中，例如交通标志、背光模块、路灯照明、医疗设备与通讯储存装置等产业。
随着蓝光与紫外光等短波长的发光二极管的发光效率不断提升，使得利用波长转换机制来产生白光的设计，已成为重要的技术领域。例如，利用发光二极管所发出来的第一波长光，一部份被荧光粉吸收，并转换成波长较第一波长光长的第二波长光，另一部份未进行波长转换的第一波长光与第二波长光会进行混光而生成白光。上述将第一波长光转换成波长较长的第二波长光的现象，即所谓的「频谱下转换(down-conversion)」。
上述已知技术衍生出许多利用蓝光或紫外光发光二极管来产生白光的运用。例如，使用波长为390nm的紫外光发光二极管，来激发红、蓝、绿三种颜色的荧光粉，可以产生红、蓝、绿三种颜色的光，再经过混光后便可以产生白光。上述利用紫外光与荧光粉搭配产生白光的作法，其主要的缺点是元件寿命不长。另一作法为利用波长为450～470nm的蓝色发光二极管搭配铈激活的钇铝石榴石(YAG:Ce)系列的荧光粉产生白光。该作法所产生的白光，其色温分布在6000～8000K，且其演色性系数(color rendering index)大约介于70～75之间。然而，此做法仍然有色温变异范围过大，以及在高电流密度驱动下，会导致发光二极管的量子效率不稳定的现象。由于在同一晶片所产生多个发光二极管元件，其色温的变异范围太大，所以通常需要在晶片完成切割后，增加一筛检的步骤，才可以得到色温变异相对稳定的白光二极管元件，但如此一来便增加了制造成本。还有另一作法，将红、蓝、绿三种颜色的发光二极管管芯利用环氧树脂封装成一个灯泡，其最少需要四条导线来传输电流；这种多管芯封装的作法，结构相对复杂，且成本也高于其他作法。综上所述，如何改善目前一般白光发光元件的发光效率与色彩品质，便成为一个重要的课题。
发明内容
本发明的一实施例提供一种发光元件，尤其是具有波长转换机制的发光元件，其包含可发出第一波长光的发光结构，以及位于发光结构的上方的波长转换层，用以吸收第一波长光而发出第二波长光，其中第一波长光的波长小于430nm，且驱动发光结构的驱动电流密度大于200mA/cm2。优选是第一波长光的波长介于410～425nm之间，且驱动电流密度大于350mA/cm2。
本发明的另一实施例提供一种晶片，包含一发光叠层，可发出第一波长光，以及一波长转换层，位于发光叠层之上方，用以吸收第一波长光而发出第二波长光，其中第一波长光的波长小于430nm。优选是第一波长光的波长介于410～425nm之间。
本发明的再一实施例是提供一种晶片，包含发光叠层，以及位于发光叠层之上方的波长转换层，且晶片可被切割成许多管芯，其中这些管芯的色温的差异小于300K。
本发明更提出一种荧光粉直接涂布工艺的方法，包含于晶片上形成波长为410～425nm的发光叠层；沉积波长转换层(如荧光粉)于上述发光叠层的上方，以形成荧光粉涂布晶片；将上述荧光粉涂布晶片，切割成多个管芯；以树脂将上述的管芯封装成发光元件。
附图说明
图1是不同波长的发光二极管在不同驱动电流密度下的相对发光效率关系图。
图2是发光二极管元件于驱动电流密度350mA/cm2下其相对发光效率与波长的关系图。
图3是荧光粉Ba2SiO4:Eu相对激发强度与发光二极管元件的发光波长的关系图。
图4是荧光粉直接涂布工艺(phosphor-on-chip process)的流程图。
图5是白光发光二极管元件于不同波长下的色温分布关系图。
图6是利用本发明的背光模块结构图。
图7是利用本发明的照明装置结构图。
【主要元件符号说明】
600背光模块装置 610光源装置
611发光元件 620光学装置
630电源供应系统 700照明装置
710光源装置 711发光元件
720电源供应系统 730控制元件
具体实施方式
图1显示具不同波长的发光二极管在不同驱动电流密度下的相对发光效率关系图。横轴代表发光二极管的驱动电流密度，纵轴代表发光二极管外部量子效率(EQE)的相对发光效率。如图所示，曲线Wd1是代表波长为460nm的发光二极管，由Wd1的曲线变化，可以发现当横轴的驱动流密度增加时，其纵轴的相对发光效率会迅速下降；另一曲线Wd2则代表波长为425nm的发光二极管。比较Wd1(460nm)与Wd2(425nm)的曲线变化，可以发现当电流密度大于200mA/cm2时，曲线Wd2(425nm)随着驱动电流密度增加，其相对发光效率的下降速度较Wd1(460nm)缓慢；而且Wd2(425nm)的相对发光效率皆高于Wd1(460nm)。换言之，发光二极管于高驱动电流密度(大于200mA/cm2)下，短波长之外部量子效率(EQE)高于长波长，尤其当波长小于430nm则更明显。由于发光二极管是由两电性相反的半导体层，中间夹着一有源层所形成的发光叠层所组成。因此可以通过控制有源层的组成，来调整发光二极管的发光波长，将其波长从460nm改变成425nm；而且当有源层的组成变为425nm时，其外延品质也会更好，更适合于高驱动电流密度下的操作。
图2显示发光二极管元件于驱动电流密度为350mA/cm2下，其相对发光效率与波长的关系图。横轴代表发光二极管的波长，纵轴代表发光二极管的相对发光效率。如图所示，当发光二极管元件的波长介于400nm～440nm时，其发光功率(WPE)较大，且优选为介于410nm～425nm。图3显示发光二极管的波长与硅酸钡系列的荧光粉(Ba2SiO4:Eu)的相对激发强度的关系图。如图所示，当发光二极管的波长愈短，硅酸钡系列的荧光粉(Ba2SiO4:Eu)的相对激发强度愈强。但是图2也显示当发光二极管的波长小于410nm时，其发光功率(WPE)却随着波长变短而大幅滑落。
所以根据上述实验的结果，本实施例提出一白光发光二极管，采用一波长介于410nm～425nm的氮化铟镓(InGaN)系列发光二极管，并使用混合硅酸钡系列的荧光粉(Ba2SiO4:Eu)的环氧树脂进行封装。一般荧光粉是以粉末状与环氧树脂先进行混合后，填入具有发光二极管的反射杯中，此时荧光粉会散布在发光二极管的上方，然后进行树脂硬化反应，即可完成白光发光二极管的制作。当驱动电流密度为350mA/cm2时，本实施例所采用波长为410～425nm的发光二极管，较一般传统采用波长为450～465nm所制成的白光发光二极管的发光效率更高。如图1～3所示，当于高驱动电流密度时，本实施例的外部量子效率(EQE)、发光功率(WPE)与激发强度(excitationintensity)都比传统采用长波长(450～465nm)的激发光源来得高。
本发明的另一实施例是关于利用荧光粉直接涂布工艺(phosphor-on-chipprocess)来制作具有波长转换机制的发光二极管，如图4所示。其详细流程包含：于晶片上形成波长为410～425nm的发光叠层；并沉积波长转换层(如荧光粉层)于上述发光叠层的上方，以形成荧光粉涂布晶片。其中沉积荧光粉层包含以下几种方法，如电子束蒸镀法(electron beam evaporation)、热蒸镀法(thermal evaporation)、射频溅镀法(RF-sputtering)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition)或原子层外延法(atomic layer epitaxy)。至于应该选择何种沉积方式，是取决于发光叠层所产生的光，是否会被荧光粉层全部吸收与否。然后将上述荧光粉涂布晶片，切割成多个管芯后，使用树脂将上述的管芯封装成发光元件。
于上述工艺中，同一晶片上所形成的发光叠层，其波长有特定的分布，并不会完全相同，大约有5～10nm的差异。图5是白光发光二极管元件于不同波长下的色温分布关系图。如图所示，本实施例所发出的白光，其色温几乎一致，大约6500K。而一般以相同工艺步骤，但选用发光叠层的波长为450～465nm所制成的发光元件，其色温是介于5800～7300K之间。由于其色温的差异太大，所以通常需要多一道筛检步骤，才可以解决其色温差异过大的问题。但是本实施例采用波长为410～425nm搭配硅酸钡系列的荧光粉(Ba2SiO4:Eu)，在同一晶片所得到的管芯，其色温变异可控制在300K以内，所以可以省去筛检步骤，以节省成本，并提高生产效率。
由于荧光粉的组成，可以决定被激发光的波长，所以本发明的其他实施例，还包含选择可以产生白光、绿光、红光、橘光或黄光的荧光粉，且上述的荧光粉可以是选自硅酸钡(锶)系列的荧光粉、氮氧化物系列的荧光粉、氮化物系列的荧光粉或上述的组合。
图6显示本发明的背光模块结构。其中背光模块装置600包含：由本发明上述任意实施例的发光元件611所构成的光源装置610；光学装置620置于光源装置610的出光路径上，将光做适当处理后出光；以及一电源供应系统630，提供上述光源装置610所需的电源。
图7显示本发明的照明装置结构。上述照明装置700可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置700包含：光源装置710，由本发明上述的任意实施例的发光元件711所构成；电源供应系统720，提供光源装置710所需的电源；以及一控制元件730控制电源输入光源装置710。
虽然发明已通过各个实施例说明如上，然而其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。
Claims (8)
1.一种管芯的制造方法，包含：
形成一发光叠层于一晶片上；
直接涂布一波长转换层于所述发光叠层上方；以及
切割所述晶片以形成多个管芯；
其中这些管芯间的色温差异小于300K。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中直接涂布所述波长转换层的方法包含沉积所述波长转换层于所述发光叠层上方。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中沉积所述波长转换层的方法包含电子束蒸镀法、热蒸镀法、射频溅镀法、化学气相沉积法或原子层外延法。
4.如权利要求1所述的制造方法，其中所述波长转换层的材料包含硅酸钡系列的萤光粉(Ba2SiO4:Eu)。
5.如权利要求1所述的制造方法，其中所述发光叠层的波长小于430nm。
6.如权利要求5所述的制造方法，其中所述发光叠层的波长介于410～425nm。
7.如权利要求1所述的制造方法，还包含封装所述管芯以形成一发光元件。
8.如权利要求7所述的制造方法，其中封装所述管芯所用的材料包含树脂。
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