TW201618340A - 發光二極體及其照明裝置 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體，包含一導熱性的電路板及一發光單元。發光單元包括一磊晶基板與至少二彼此相鄰且間隔排列的發光晶粒。各發光晶粒包括一設置於磊晶基板之上並具有一平台與一鄰設於平台的凸柱之第一型半導體層、一設置於平台上的主動層，及一設置於主動層上且不與第一型半導體層之凸柱接觸的第二型半導體層。第二型半導體層之一頂面與第一型半導體層之凸柱的一頂面是實質等高。該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的平台與凸柱皆位於同側，各發光晶粒之凸柱頂面與第二半導體層頂面分別貼合於導熱性的電路板，以藉由導熱性的電路板形成一並聯電路。

Description

發光二極體及其照明裝置

本發明是有關於一種發光元件，特別是指一種發光二極體(LED)及其照明裝置。

近幾年來，基於技術的演進，LED的應用越來越廣。因應著LED的升級，照明市場對於LED的需求量不僅與日俱增；此外，高功率LED的開發也因此孕育而生。就高功率LED的設計而言，目前常見的技術多半是以大尺寸單顆低壓值流LED為主，其主要做法可分成傳統的水平導通結構與垂直導通結構。然而，前述高功率LED的操作模式通常是被操作在大電流之下。因此，一旦些微不平衡的P、N電極設計，則容易導致此技術領域所不欲見的電流叢聚效應(current crowding)，其不只達不到設計所需的亮度，也會損壞LED的可靠度。基於前述問題，業界更進一步地發展出了高壓發光二極體(HV LED)。

參閱圖1，一種傳統的高壓發光二極體1，其主要是被拿來做為一照明裝置使用。該傳統的高壓發光二極體1包含：一藍寶石基板11、複數彼此相間隔地設置於該藍寶石基板11上的微晶粒12、一絕緣保護層13，及複數連接於兩相鄰微晶粒12的金屬導電層14。每一微晶粒12 包括一形成有一平台的N型氮化鎵(n-GaN)層121、一蓋設於該N型氮化鎵層121且未覆蓋該平台的多重量子井層(MQW)122、一蓋設於該多重量子井層122的P型氮化鎵層123、一蓋設於該P型氮化鎵層123的透明導電層124、一設置於該N型氮化鎵層121之平台上以電連接該N型氮化鎵層121的N型電極層125，與一設置於該透明導電層124上以電連接該P型氮化鎵層123的P型電極層126。該絕緣保護層13覆蓋該等微晶粒12以使各微晶粒12之N型電極層125與P型電極層126顯露於外。該等金屬導電層14是分別連接每兩相鄰之微晶粒12上的P型電極層126與N型電極層125，以使該等微晶粒12以電串聯方式導通。

此處須特別說明的是，當該傳統的高壓發光二極體1被拿來做為照明裝置使用時，其通常會操作在順向電流的極限最大值，約35-40毫安培，此等彼此串聯後的微晶粒12將因此累積大量的熱能。因此，當該傳統的高壓發光二極體1被拿來做為照明裝置使用時，自此等微晶粒12所累積的熱能則成為了待解決的關鍵性問題。

然而，由於該藍寶石基板11的熱傳係數(thermal conductivity)低，導致散熱效果差，降低了該傳統的高壓發光二極體1的發光效率。另一方面，由於該等微晶粒12皆以電串聯方式導通，若有任一微晶粒12故障，該傳統的高壓發光二極體1則呈一斷路狀態因而無法發光。也就是說，隨著串聯之微晶粒12的數量增加，該傳統的高壓發光二極體1的故障率也會跟著增加。

經上述說明可知，解決發光二極體在做為照明裝置時所衍生的散熱問題，以提高其應用於照明裝置時的發光效率，且同時降低發光二極體的故障率，是此技術領域的相關技術人員所待突破的難題。

因此，本發明之目的，即在提供一種發光二極體。

本發明之另一目的，即在提供一種發光二極體照明裝置。

於是，本發明發光二極體，包含：一導熱性的電路板，及一發光單元。該發光單元包括一磊晶基板與至少二發光晶粒。該等發光晶粒彼此相鄰且間隔排列，且各發光晶粒包括一設置於該磊晶基板之上且具有一平台與一鄰設於該平台的凸柱的第一型半導體層、一設置於該平台上的主動層，及一設置於該主動層上且不與該第一型半導體層之凸柱接觸的第二型半導體層。各發光晶粒之該第二型半導體層之一頂面與該第一型半導體層之凸柱的一頂面是實質等高。在本發明中，該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的平台位於同側，且該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的凸柱位於同側；各發光晶粒之第一型半導體層的凸柱頂面與第二型半導體層頂面是分別貼合於該導熱性的電路板，以與該導熱性的電路板形成電連接，並藉由該導熱性的電路板形成一並聯電路。

此外，本發明發光二極體照明裝置，包含：一 導熱性的電路板，及複數發光單元。各發光單元包括一磊晶基板與至少二發光晶粒。各發光單元的該等發光晶粒彼此間隔排列，且各發光晶粒包括一設置於該磊晶基板之上並具有一平台與一鄰設於該平台的凸柱之第一型半導體層、一設置於該平台上的主動層，及一設置於該主動層上且不與該第一型半導體層之凸柱接觸的第二型半導體層。各發光單元之各發光晶粒之該第二型半導體層之一頂面與該第一型半導體層之凸柱的一頂面是實質等高。在本發明中，各發光單元之該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的平台位於同側，且該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的凸柱位於同側；各發光晶粒之該第一型半導體層的凸柱頂面與第二型半導體層頂面是分別貼合於該導熱性的電路板，以與該導熱性的電路板形成電連接，且藉由該導熱性的電路板令每兩相鄰的發光晶粒相互串聯以形成一串聯電路，並令各發光單元的該等發光晶粒藉由該導熱性的電路板形成一並聯電路。

本發明之功效在於，藉由各發光晶粒之第二型半導體層之頂面實質等高於第一型半導體層之凸柱頂面的設計，有利於發光二極體透過覆晶程序(flip chip process)以解決散熱問題；另外，藉由各發光單元的該等發光晶粒透過該導熱性的電路板形成的並聯電路，能降低發光二極體照明裝置的故障率。

2‧‧‧導熱性的電路板

20‧‧‧表面

21‧‧‧接點

22‧‧‧導線

23‧‧‧第一外部節點

24‧‧‧第二外部節點

3‧‧‧發光單元

31‧‧‧磊晶基板

32‧‧‧發光晶粒

321‧‧‧第一型半導體層

322‧‧‧平台

323‧‧‧凸柱

324‧‧‧主動層

325‧‧‧第二型半導體層

33‧‧‧絕緣物

4‧‧‧直流電源供應器

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的 實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部剖視圖，說明一種傳統的高壓發光二極體；圖2是一俯視示意圖，說明本發明發光二極體之一實施例；圖3是一正視示意圖，說明本發明之發光二極體該實施例之一導熱性的電路板與一發光單元間的細部連接關係；圖4是一等效電路圖，說明本發明之發光二極體該實施例於連接一直流電源後，該發光單元的二發光晶粒形成一並聯電路；圖5是一俯視圖，說明本發明發光二極體照明裝置之一實施例；圖6是一沿圖5的直線VI-VI所取得的正視剖視圖，說明本發明之發光二極體照明裝置該實施例的複數發光單元與一導熱性的電路板間的細部連接關係；及圖7是一等效電路圖，說明本發明之發光二極體照明裝置該實施例之各發光單元的複數發光晶粒並聯，且每兩相鄰發光單元串聯。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3與圖4，本發明發光二極體的一實施例，是電連接於一直流電源供應器4的兩極。本發明發光二極體之該實施例包含：一導熱性的電路板2，及一發 光單元3。

如圖2與圖3所示，該導熱性的電路板2具有兩個接點21。該等接點21是沿著一第一方向X彼此間隔設置於該導熱性的電路板2的一表面20上，且該等接點21是用電連接於如圖4所示之該直流電源供應器4的兩極。

該發光單元3包括一磊晶基板31、至少二沿著一實質垂直於該第一方向X的第二方向Y彼此相鄰且間隔排列的發光晶粒32，及至少一填入該兩相鄰發光晶粒32間的絕緣物33。在本發明之發光二極體的該實施例中，該等發光晶粒32的數量是以兩個為例做說明，該絕緣物33的數量是以一個為例做說明。

如圖3所示，各發光晶粒32包括一設置於該磊晶基板31之上且具有一平台322與一鄰設於該平台322的凸柱323的第一型半導體層321、一設置於該平台322上的主動層324，及一設置於該主動層324上且不與該第一型半導體層321之凸柱323接觸的第二型半導體層325。該第二型半導體層325之一頂面與該第一型半導體層321之凸柱323的一頂面是實質等高。較佳地，各發光晶粒32的該第一型半導體層321之凸柱323的高度是介於100μm至120μm間，且該第一型半導體層321之平台322的高度是介於55μm至65μm間。

此外，各發光晶粒32之該第一型半導體層321之平台322的粗糙化表面目的在於提升發光效率。然而，當本發明之發光二極體之該實施例是被運用於普通亮度的 照明裝置時，則可以省略該粗糙化表面。

再參圖2與圖3，該等相鄰發光晶粒32之第一型半導體層321的平台322位於同側，且該等相鄰發光晶粒32之第一型半導體層321的凸柱323位於同側。此外，本發明之發光二極體之該實施例的發光單元3是在翻轉180°後以呈圖3所示的態樣，使各發光晶粒32之第一型半導體層321的凸柱323頂面與第二型半導體層325頂面分別貼合於該導熱性的電路板2表面的該等接點21，以與該導熱性的電路板2形成電連接，並藉由該導熱性的電路板2的該等接點21以令該等發光晶粒32形成一如圖4所示之並聯電路。

參閱圖5、圖6與圖7，本發明發光二極體照明裝置之一實施例大致上是相同於本發明發光二極體的該實施例，其不同處在於，該導熱性的電路板2還具有一個導線22、一個第一外部節點23，及一個第二外部節點24，而該導熱性的電路板2表面20上之接點21數量有別於該發光二極體之該實施例，且該發光單元3的數量為複數個在本發明之發光二極體照明裝置之該實施例中，該等發光單元3的數量是以四個為例做說明，該等接點21的數量是以五個為例做說明。

如圖5與圖6所示，該導熱性的電路板2的該等接點21是沿該第一方向X依序間隔設置於該表面20，且該導線22是連接於最右側的接點21並先反向於該表面20延伸至該導熱性的電路板2內部後，且反向於該第一方 向X延伸至鄰近最左側的接點21後，以朝該表面20延伸從而連接該第二外部節點24，且該第一外部節點23則是連接於最左側的接點21。該直流電源供應器4的兩極則是分別電連接於該第一外部節點23與該第二外部節點24。此外，該等發光單元2則是沿該第一方向X設置於該導電性的電路板2上。

同樣地，如圖5所示，各發光單元3之該等相鄰發光晶粒32之第一型半導體層321的平台322位於同側(位在各發光晶粒32的左側)，且該等相鄰之發光晶粒32之第一型半導體層321之凸柱323頂面位於同側(為在各發光晶粒32的右側)。各發光晶粒32之第一型半導體321的凸柱323頂面與第二型半導體層325頂面是分別貼合於每兩相鄰接點21，以與該導熱性的電路板2形成電連接。此外，每兩相鄰發光單元3共用一個接點21，以藉由該導熱性的電路板2令每兩相鄰發光單元3相互串連以形成一如圖7所示之串聯電路。又，各發光單元3的該等發光晶粒32藉由該導熱性電路板2的各接點21形成一如圖7所示之並聯電路。

根據上兩段說明可知，當本發明發光二極體照明裝置之單個發光單元3中的其中一個發光晶粒32發生故障時，則該直流電源供應器4所提供的直流電可自動選擇該兩發光晶粒32中的其中另一發光晶粒32做為旁路(by-pass)，以透過該等接點21依序傳遞直流電給各發光單元3的該等發光晶粒32。

此外，此處值得進一步補充說明的是，當各發光單元3上的發光晶粒32數量自兩個提升至三個甚或是四個時，則可降低整體電路因任一發光單元3之發光晶粒32故障而呈現斷路狀態的機率。更具體地來說，若單一發光晶粒32的故障率為0.5；那麼，具有兩個發光晶粒32的發光單元3的故障率則為0.25，具有三個發光晶粒32的發光單元3的故障率則降低為0.125。因此，本發明之發光二極體照明裝置的各發光單元3上的發光晶粒32數量並非只侷限於兩個。為進一步地降低發光二極體照明裝置之故障率，則各發光單元3之發光晶粒32的數量可依照設計而增加。

本發明之發光二極體之該實施例，其發光單元3不只透過各發光晶粒32之第一型半導體層321之凸柱323頂面實質等高於其第二型半導體層325頂面的設計，而有利於實施覆晶程序以解決散熱問題。更重要的是，本發明之發光二極體照明裝置之該實施例同時配合各發光單元3之該等發光晶粒32的結構配置(也就是，如圖5所示，該等相鄰發光晶粒32之第一型半導體層321的平台322位於同側，該等相鄰發光晶粒32之第一型半導體層321的凸柱323位於同側)，以致於各發光單元3之該等發光晶粒32皆可直接使其第一型半導體層321的凸柱323頂面與第二型半導體層325頂面是分別貼合於該導熱性的電路板2的各接點21，以使各發光晶粒32透過該導熱性的電路板2相互電性並聯，即可降低整體電路的故障率。

綜上所述，本發明發光二極體及其照明裝置一方面藉由各實施例之第二型半導體層325之頂面實質等高於各第一型半導體層321之凸柱323的頂面的設計，有利於發光二極體透過覆晶程序以解決散熱問題；另一方面，藉由各發光單元3的該等發光晶粒32之第一型半導體層321平台322與凸柱323皆位於同側的結構配置，可令各發光單元3之相鄰發光晶粒32直接透過該導熱性的電路板2的該等接點21相互並聯，以降低照明裝置的故障率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧導熱性的電路板

20‧‧‧表面

21‧‧‧接點

3‧‧‧發光單元

31‧‧‧磊晶基板

32‧‧‧發光晶粒

323‧‧‧凸柱

325‧‧‧第二型半導體層

33‧‧‧絕緣物

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

Claims (8)

1. 一種發光二極體，包含：一導熱性的電路板；及一發光單元，包括一磊晶基板與至少二發光晶粒，該等發光晶粒彼此相鄰且間隔排列，且各發光晶粒包括：一第一型半導體層，設置於該磊晶基板之上，且具有一平台與一鄰設於該平台的凸柱，一主動層，設置於該平台上，及一第二型半導體層，設置於該主動層上且不與該第一型半導體層之凸柱接觸，該第二型半導體層之一頂面與該第一型半導體層之凸柱的一頂面是實質等高；其中，該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的平台位於同側，且該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的凸柱位於同側；及其中，各發光晶粒之第一型半導體層的凸柱頂面與第二型半導體層頂面是分別貼合於該導熱性的電路板，以與該導熱性的電路板形成電連接，並藉由該導熱性的電路板形成一並聯電路。
2. 如請求項1所述的發光二極體，其中，該發光單元還包括至少一絕緣物，該絕緣物是填入於該兩相鄰發光晶粒間。
3. 如請求項1所述的發光二極體，其中，各發光晶粒的該 平台具有一粗糙化的表面。
4. 如請求項1所述的發光二極體，其中，各發光晶粒的該第一型半導體層之凸柱的高度是介於100μm至120μm間，且該第一型半導體層之平台的高度是介於55μm至65μm間。
5. 一種發光二極體照明裝置，包含：一導熱性的電路板；及複數發光單元，各發光單元包括一磊晶基板與至少二發光晶粒，各發光單元的該等發光晶粒彼此間隔排列，且各發光晶粒包括：一第一型半導體層，設置於該磊晶基板之上，且具有一平台與一鄰設於該平台的凸柱，一主動層，設置於該平台上，及一第二型半導體層，設置於該主動層上且不與該第一型半導體層之凸柱接觸，該第二型半導體層之一頂面與該第一型半導體層之凸柱的一頂面是實質等高；其中，各發光單元之該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的平台位於同側，且該等相鄰發光晶粒之第一型半導體層的凸柱位於同側；其中，各發光晶粒之第一型半導體層的凸柱頂面與第二型半導體層頂面是分別貼合於該導熱性的電路板，以與該導熱性的電路板形成電連接，且藉由該導熱性的電路板令每兩相鄰的發光單元相互串聯以形成一串聯電 路，並令各發光單元的該等發光晶粒藉由該導熱性的電路板形成一並聯電路。
6. 如請求項5所述的發光二極體照明裝置，其中，各發光單元還包括至少一絕緣物，該絕緣物是填入於該兩相鄰發光晶粒間。
7. 如請求項5所述的發光二極體照明裝置，其中，各第一型半導體層之平台具有一粗糙化的表面。
8. 如請求項5所述的發光二極體照明裝置，其中，各第一型半導體層之凸柱的高度是介於100μm至120μm間，且各第一型半導體層之平台的高度是介於55μm至65μm間。