專利名稱：結(jié)合整流電路于次載具的發(fā)光二極管發(fā)光裝置與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及關(guān)于以發(fā)光二極管為光源的發(fā)光裝置，尤其是有關(guān)于一種在次載具中設(shè)置整流電路的發(fā)光二極管發(fā)光裝置與相關(guān)的制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管基本的使用方式是對發(fā)光二極管施加一適當?shù)捻樝蛑绷麟妷海?qū)使發(fā)光二極管的電子、電洞結(jié)合而釋放出光子。隨著發(fā)光二極管的使用逐漸擴及家用與戶外的照明，有愈來愈多的應(yīng)用需要直接以交流電驅(qū)動發(fā)光二極管。但是將交流電壓施加在發(fā)光二極管時，過大的逆向電壓很容易就會損壞發(fā)光二極管。因此，一般常見的解決方式是采用變壓器或降壓電路，將交流電壓降至發(fā)光二極管所能承受的適當范圍內(nèi)。但是在這樣降壓的過程中，有大量的能量被轉(zhuǎn)換為熱能。
以交流電直接驅(qū)動發(fā)光二極管的另一個問題是，發(fā)光二極管只有在交流電對發(fā)光二極管施予順向偏壓(forward bias)的半個周期才會發(fā)亮，另外半個周期因為是對發(fā)光二極管施予逆向偏壓(reverse bias)，發(fā)光二極管不會發(fā)亮。因此一般應(yīng)用也常結(jié)合一個整流電路，先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再施加在發(fā)光二極管上。最常見的整流電路就是橋式(bridge)整流電路。
綜合以上所述，圖1a所示是公知的以交流電驅(qū)動發(fā)光二極管的電路示意圖。如圖所示，交流電源10(例如110V或220V的市電)的交流電壓先經(jīng)過壓降裝置20(通常是一電阻)降壓，再經(jīng)過橋式整流電路四臂的二極管30的整流，然后施加到橋式整流電路的負載—發(fā)光二極管40上使之發(fā)光。圖1b、1c所示是交流電壓分別在其正半周期與負半周期的電流流經(jīng)路徑(以虛線表示)。如圖所示，由于橋式整流電路的作用，不論在交流電壓的正半周期或負半周期，發(fā)光二極管40都是處于順向偏壓下而發(fā)亮。
基于同樣的原理，中國臺灣專利證號265,741號新型專利揭示了一種類似的架構(gòu)。如圖1d所示，265,741號新型專利除了將發(fā)光二極管40作為橋式整流電路的負載外，進一步將多顆發(fā)光二極管40分別串聯(lián)安裝于橋式整流電路四臂的電流路徑上，使得這些發(fā)光二極管40可以分別在適當降壓后的交流電的正半周期與負半周期各自發(fā)亮。
如圖1e所示的剖視示意圖所示，前述的公知技術(shù)在實際生產(chǎn)時，通常是先在一印刷電路板或基板50上先制作好電路(未標出)，再將每顆構(gòu)成橋式整流電路的二極管晶粒(die)60、以及每顆發(fā)光二極管晶粒70一個個反轉(zhuǎn)，使二極管晶粒60、發(fā)光二極管晶粒70位于同一面的正負電極(未標出)向下面對基板50，再以焊球或金屬凸塊(bump)80適當連接到基板50已經(jīng)預先制作好的電路。另外一種常見的作法則是將橋式整流電路的二極管以及發(fā)光二極管制作在同一基板上，再以導線(bonding wire)或金線(gold wire)打線方式將二極管以及發(fā)光二極管連接成所要的電路架構(gòu)。不論是采用前述哪一種作法，制程都過于復雜，無法節(jié)省制造的時間與成本。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于前述結(jié)合橋式整流電路的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制作過程困難，因此，本發(fā)明提出一種新穎的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)，不需將每個二極管與發(fā)光二極管分別反轉(zhuǎn)構(gòu)裝到已制作好電路的基板上、也不需要將各個二極管與發(fā)光二極管先制作在基板上，再以打線連接。
本發(fā)明提出的發(fā)光二極管發(fā)光裝置主要包含一下基板、以及一上基板。下基板通常是以硅或其它的適當材料所構(gòu)成。下基板事先已經(jīng)采用一般集成電路的制造方法將一整流電路(包含橋式整流電路、其它的全波整流電路、除半波整流電路)實施于其中，并將適當?shù)碾姎饨狱c設(shè)置于其上表面。上基板則是以一般集成電路的制造方法，將多個發(fā)光二極管以N×M矩陣的排列方式實施于其中，并使每個發(fā)光二極管均彼此絕緣獨立。發(fā)光二極管之間事先以金屬鍍層的方式蒸鍍或濺鍍上連接導線以構(gòu)成與下基板的橋式整流電路相匹配的電路。
最后再將上、下基板相對，以凸塊作為接點完成下基板的整流電路和上基板的發(fā)光二極管電路之間的電氣連結(jié)。下基板同時也是作為未來發(fā)光裝置封裝時的次載具。如此的設(shè)計可以大幅的的節(jié)省制程時間、節(jié)省生產(chǎn)成本。本發(fā)明提出的發(fā)光二極管發(fā)光裝置還具有下列優(yōu)點(1)發(fā)光二極管以及橋式整流電路所產(chǎn)生的熱可以經(jīng)由下基板發(fā)散出去；(2)藉由在上基板使用夠多個發(fā)光二極管，其加總的操作電壓可以約等于輸入的交流電壓，因此可以省略壓降裝置的使用以及降低成本，以及；(3)將整流電路和發(fā)光二極管電路分開制作，可節(jié)省產(chǎn)品應(yīng)用時的電路設(shè)計。
茲配合所附圖標、實施例的詳細說明及申請專利范圍，將上述及本發(fā)明之其它目的與優(yōu)點詳述于后。然而，當可了解所附圖標純系為解說本發(fā)明之精神而設(shè)，不當視為本發(fā)明范疇之定義。有關(guān)本發(fā)明范疇之定義，請參照所附之申請專利范圍。


圖1a所示系習知的以交流電驅(qū)動發(fā)光二極管的電路示意圖。
圖1b所示系圖1a的電路在交流電的正半周期下的電流路徑示意圖。
圖1c所示系圖1a的電路在交流電的負半周期下的電流路徑示意圖。
圖1d所示系中國臺灣專利證號265,741號新型專利的電路示意圖。
圖1e所示系習知的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的剖面圖。
圖2a所示系依據(jù)本發(fā)明一實施例的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的電路示意圖。
圖2b所示系實施圖2a的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2c所示系圖2b的上基板的透視圖。
圖2d所示系圖2b的上基板的剖面圖主要組件符號說明10 交流電源20壓降裝置30 極管40發(fā)光二極管50 基板60二極管晶粒70 發(fā)光二極管晶粒 80金屬凸塊100下基板 110 二極管120電氣接點130 橋式整流電路140金屬薄層200上基板 210 發(fā)光二極管211n型半導體層 212 n型電極
213p型半導體層214p型電極215絕緣層 220導線230負載電路 240金屬凸塊具體實施方式
本發(fā)明提出一種以交流電直接驅(qū)動、整合整流電路與發(fā)光二極管的發(fā)光裝置以及其相關(guān)的制作方法。請注意到，本發(fā)明所整合的整流電路包含橋式整流電路、其它的全波整流電路、以及半波整流電路。換言之，本發(fā)明不特別設(shè)限整流電路的種類，但以下為便于說明，主要是以橋式整流電路為例說明。另外，本發(fā)明的重點不在整流電路與發(fā)光二極管負載電路所整合而成如1a圖所示的電路，這樣的電路架構(gòu)多已是習知的技術(shù)，本發(fā)明的重點是在于實現(xiàn)此電路的集成電路架構(gòu)。
對于構(gòu)成橋式整流電路的二極管的材料、種類、以及運作方式基本上沒有特別的限制。至于作為光源的發(fā)光二極管，本發(fā)明亦無特別限制，例如可以是由元素周期表III族元素(Al、Ga或In等)及第V族元素(N、P或As)所組成的III-V族半導體化合物所構(gòu)成。惟需敘明的是(1)本發(fā)明所采用的發(fā)光二極管的正負電極原則上是位于發(fā)光二極管的同一面，以便導線的蒸鍍或濺鍍連接；(2)本發(fā)明所采用的發(fā)光二極管因為系采反轉(zhuǎn)方式與橋式整流電路結(jié)合，所以可以具有一反射層，于反轉(zhuǎn)后位于其主動層(active layer)下方，以將主動層發(fā)出的光線反射向上射出，惟此一反射機制也可以設(shè)置在發(fā)光二極管外部，其它至于發(fā)光二極管是否需要透明的基板以便光線向上射出等細節(jié)，雖或影響最終產(chǎn)品的亮度與發(fā)光效率，惟采用與否并不與本發(fā)明的精神有所捍格，因此也不作特別的限定。
圖2a所示系依據(jù)本發(fā)明一實施例的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的電路示意圖。如圖所示，本實施例的電路包含構(gòu)成橋式整流電路四臂的四條電路130(亦即包含二極管110的電路)以及負載電路230(亦即包含發(fā)光二極管210的電路)。請注意到，在其它實施例里，橋式整流電路的四臂130可以包含一個以上、并以適當方式(串聯(lián)或并聯(lián)或兩者都有)順向連接的二極管110。在其它實施例里，負載電路230也可以包含不同數(shù)目、并以適當方式(串聯(lián)或并聯(lián)或兩者都有)順向連接的發(fā)光二極管210。本發(fā)明的主要精神即在于將橋式整流電路130以及負載電路230以集成電路方式分別實施，再將二者結(jié)合而構(gòu)成可以交流電直接驅(qū)動的二極管發(fā)光裝置。
如圖2b所示，本實施例主要包含一下基板100、以及一上基板200。下基板100通常是以硅或其它的適當材料所構(gòu)成像是AlN、BeO等。下基板100是事先以一般集成電路的制造方法將前述的橋式整流電路130(包含二極管110)實施于下基板100內(nèi)。二極管110的細節(jié)在圖2b中并未表示出來，其中包含了適當?shù)膒型與n型材料以構(gòu)成p-n接口。這里所謂一般集成電路的制造方法系包括任何適合的、習知的集成電路制造方法像是蝕刻、沉積、離子值布等等，在此不多贅述。
下基板100并將適當?shù)碾姎饨狱c120設(shè)置于其上表面，以便后續(xù)與上基板200的負載電路230連接、以及未來應(yīng)用時與交流電源連接與接地。請注意到，下基板100也可以包含其它電路組件，例如設(shè)置于交流電源與橋式整流電路的輸入端之間、構(gòu)成壓降裝置20的電阻。換言之，本發(fā)明的主要特征就是將完整的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的電路拆解開來分別實施于上、下基板100、200中，后續(xù)再將二者結(jié)合而完成完整的電路。下基板100同時也是作為未來發(fā)光裝置封裝時的次載具。由于下基板100同時也負責橋式整流電路以及各發(fā)光二極管的散熱，所以其也可于上表面、底部布設(shè)一高熱傳導材料(例如蒸鍍或濺鍍一金屬薄層140)，以提升散熱的效率。電氣接點120與金屬薄層140可采用金屬材料Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni、W、Ag、Cu等或其組合所構(gòu)成。
如前所述，上基板200主要系實包含發(fā)光二極管210的負載電路230。因此，視所采用的發(fā)光二極管發(fā)光技術(shù)，上基板200是以一適合該發(fā)光二極管磊晶成長的材料所構(gòu)成，比如說，如果發(fā)光二極管是氮化鎵系的發(fā)光二極管，則上基板200則采用藍寶石(Sapphire)為材料。上基板200以有機金屬化學氣相沉積法(MOVCD)成長LED磊晶結(jié)構(gòu)后，以一般集成電路的制造方法，將N×M(N，M≥1)個發(fā)光二極管210以矩陣的排列方式實施于其中，并使每個發(fā)光二極管210均彼此絕緣獨立。
圖2c、2d所示系包含3×3個發(fā)光二極管210的上基板200的透視圖與剖面圖。如圖所示，每一發(fā)光二極管210由n型半導體層211、n型電極212、p型半導體層213及p型電極214所構(gòu)成。請注意，此一結(jié)構(gòu)僅屬例示，而非限定本發(fā)明僅能采取此一架構(gòu)。連接每丨LED形成LED矩陣前，需先經(jīng)一道絕緣程序，令各個發(fā)光二極管210之間具有絕緣層215使彼此絕緣獨立。該絕緣層215可為SiOx、SiNx、Al2O3或TiN等材料所構(gòu)成。之后再以金屬鍍層方式蒸鍍或濺鍍上連接導線220，將各個獨立的發(fā)光二極管210串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)合并的方式順向連接成負載電路230。導線220可以采用金屬材料Au、Al、Ti、Pt、Cr、Ni、W、Ag、Cu等或這些材料的組合。
最后再將上基板200反轉(zhuǎn)，使發(fā)光二極管210的矩陣向下面對下基板110，然后以金屬凸塊240、與超音波或熱共晶方式接合方式連接負載電路230的適當電氣接點(未圖標)以及下基板110的適當電氣接點120，如此即完成了如圖2a所示的完整的發(fā)光裝置電路。金屬凸塊240的材質(zhì)可為Au、AuSn、Sn或Al或其組合。一般而言，上、下基板200、100在實施時，必須考慮到彼此的電氣接點的位置，如此方能適當?shù)钠ヅ?。如圖2a所示的發(fā)光裝置完成后，通常還需要再經(jīng)過一個封裝程序，而下基板100在此即可直接作為次載具之用。藉由以上的設(shè)計可以大幅的的節(jié)省制程時間、節(jié)省生產(chǎn)成本。
此外，發(fā)光二極管210以及橋式整流電路所產(chǎn)生的熱可以經(jīng)由下基板100發(fā)散出去。另外，以AlInGaN發(fā)光二極管為例，其在直流電20mA下操作電壓為2~4V，若以夠大的矩陣將25顆發(fā)光二極管串聯(lián)后其總操作電壓可達100V左右，因此可以直接接納110V的交流市電而省略了壓降裝置。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，系希望能更加清楚描述本創(chuàng)作之特征與精神，而并非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創(chuàng)作之范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本創(chuàng)作所欲申請之專利范圍的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管發(fā)光裝置，用于整合一整流電路與多數(shù)個發(fā)光二極管，并以一交流電直接驅(qū)動發(fā)光，該發(fā)光二極管發(fā)光裝置至少包含一下基板，該下基板至少包含該整流電路，該整流電路適當位置的多數(shù)個第一電氣接點設(shè)置于該下基板上表面；以及一上基板，至少包含該多數(shù)個彼此絕緣獨立的發(fā)光二極管，該多數(shù)個發(fā)光二極管系排列成一N×M(N，M≥1)的矩陣，該多數(shù)個發(fā)光二極管以多數(shù)條導線以及一適當連接方式順向連接成與該下基板的該整流電路相匹配的一負載電路，該負載電路具有與該第一電氣接點相對應(yīng)的多數(shù)個第二電氣接點；其中，該上基板的該發(fā)光二極管矩陣面向該下基板的上表面，相對應(yīng)的該第一、第二電氣接點以一適當電氣連結(jié)方式連接，致使該整流電路與該負載電路結(jié)合完成可以一交流電直接驅(qū)動發(fā)光的完整電路架構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該整流電路為下列三者之一橋式整流電路、全波整流整流電路、以及半波整流電路。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該多數(shù)個發(fā)光二極管的該適當連接方式系下列三者之一串聯(lián)、并聯(lián)、以及串并聯(lián)共享。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該下基板是作為該發(fā)光二極管發(fā)光裝置封裝時的次載具。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該下基板進一步包含一壓降裝置，設(shè)置于該該整流電路的一輸入端。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該下基板進一步包含一金屬薄層，設(shè)置于該下基板的底部。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置，其中該第一、第二電氣接點的該電氣連結(jié)方式為采金屬凸塊。
8.一種發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，該發(fā)光二極管發(fā)光裝置用于整合一整流電路與多數(shù)個發(fā)光二極管，并以一交流電直接驅(qū)動發(fā)光，該制造方法至少包含下列步驟(1)準備一下基板與一上基板，該下基板以一般集成電路方法實施至少該整流電路，該整流電路適當位置的多數(shù)個第一電氣接點系設(shè)置于該下基板上表面，該上基板以一般集成電路方法實施至少該多數(shù)個發(fā)光二極管，該多數(shù)個發(fā)光二極管彼此絕緣獨立、并排列成一NxM(N，M≥1)的矩陣，該多數(shù)個發(fā)光二極管以多數(shù)條導線以及一適當連接方式順向連接成與該下基板的該整流電路相匹配的一負載電路，該負載電路具有與該第一電氣接點相對應(yīng)的多數(shù)個第二電氣接點；以及(2)將該上基板反轉(zhuǎn)使該發(fā)光二極管矩陣向下面對該下基板的上表面，以一適當電氣連結(jié)方式連接相對應(yīng)的該第一、第二電氣接點，致使該第一、第二電路結(jié)合完成致使該整流電路與該負載電路結(jié)合完成可以一交流電直接驅(qū)動發(fā)光的完整電路架構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該整流電路系下列三者之一橋式整流電路、全波整流整流電路、以及半波整流電路。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該多數(shù)個發(fā)光二極管的該適當連接方式系下列三者之一串聯(lián)、并聯(lián)、以及串并聯(lián)共享。
11.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該下基板系作為該發(fā)光二極管發(fā)光裝置封裝時的次載具。
12.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該步驟(1)進一步包含于該下基板底部布設(shè)一高熱傳導材料。
13.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該第一、第二電氣接點的該電氣連結(jié)方式系采金屬凸塊。
14.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中連接該多數(shù)個發(fā)光二極管的該多數(shù)條導線系采金屬蒸鍍方式與金屬濺鍍方式二者之一形成。
15.如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該金屬凸塊系以超音波方式與熱共晶方式二者之一接合。
16.如權(quán)利要求13所述發(fā)光二極管發(fā)光裝置的制造方法，其中該高熱傳導材料之布設(shè)是以金屬蒸鍍方式與金屬濺鍍方式二者之一形成一金屬薄層。
全文摘要
本發(fā)明提出一種以交流電直接驅(qū)動、整合整流電路與發(fā)光二極管的發(fā)光裝置，以及其相關(guān)的制作方法。此發(fā)光二極管發(fā)光裝置主要包含一下基板、以及一上基板。下基板采用一般集成電路的制造方法將一整流電路實施于其中，并將適當?shù)碾姎饨狱c設(shè)置于其上表面。上基板則以一般集成電路的制造方法，將多個發(fā)光二極管以彼此絕緣獨立的N×M矩陣的排列方式實施于其中。N×M個發(fā)光二極管之間以導線連接構(gòu)成一適當?shù)碾娐?。最后再將上、下基板相對，以金屬凸塊完成整流電路和發(fā)光二極管電路之間的電氣連結(jié)。
文檔編號H01L23/488GK1983594SQ20051013192
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者黃國瑞, 周文隆, 宋嘉斌 申請人:鼎元光電科技股份有限公司