CN100578780C - 具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构与其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构，包含有硅质载板，该硅质载板的上表面具有多个凹杯结构；反射层，设置于该硅质载板上；透明绝缘层，设置于该反射层上；导电图层，设置于该透明绝缘层上；以及多个发光二极管，各该发光二极管分别设置于各该凹杯结构内的该导电图层上。

Description

具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构与其制作方法

技术领域

本发明关于一种具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构与其制作方法，尤指一种利用微机电工艺或半导体工艺所制作的具有凹杯结构的硅质载板的发光二极管阵列封装结构与其制作方法。

背景技术

由于发光二极管(light emitting diode，LED)具有寿命长、体积小、高耐震性、发热度小及耗电量低等优点，故发光二极管已被广泛地应用于家电制品及各式仪器的指示灯或光源。而且近年来，更由于发光二极管朝向多色彩及高亮度化发展，因此其应用范围已拓展至各种携带式或大型电子产品中，用以作为显示器的背光源、灯具、警示号志以及户外多媒体彩色看板等，成为兼具省电和环保概念的新照明光源。

请参考图1，图1为现有发光二极管阵列封装结构示意图。现有发光二极管阵列封装结构10包含有一平面的基板20与多个发光二极管30设置于基板20上，其中基板20为印刷电路板或导电支架。由于阵列排列的发光二极管30体积较小，现有发光二极管阵列封装结构10的光型因为发光二极管30本身具有侧向的散光，导致光型中有暗区的产生，均匀混光距离50因此较长，但又因封装组装机台在固晶的定位间距有精度的限制，使发光二极管30的间距40大于100微米，因此无法应用于液晶显示器等需要高解析度发光源的产品。

近来，为了减少侧向散光以改善光型，使用较大尺寸的发光二极管或凹杯做集光来改善光型为常见的作法，但机械加工有其极限，故凹杯虽可集光却无法改善其组装体积。此外，请参考图2，图2为现有发光二极管的尺寸与侧壁散光比的关系图。较大尺寸的发光二极管虽然发光的亮度较小尺寸的发光二极管为高，且侧向散光相对总体发光的比值较小尺寸的发光二极管小，如图2所示，但由于大尺寸的发光二极管的出光面面积过大，会造成过多的光波在薄膜内进行全反射而降低发光效率。另外，面积较大的发光二极管管芯的成本较高，而目前虽有使用侧壁极薄的薄型氮化镓(Thin GaN)技术以降低侧壁出光，但价格比一般发光二极管却高出许多。

因此为了达到高亮度的照明，提升发光二极管的光利用率，并且降低封装结构与工艺的成本，已成为发光二极管阵列封装的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构与其制造方法，以提升发光二极管阵列的光利用率，并且降低制造成本。

本发明提供一种具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构，其包含有一硅质载板，该硅质载板的上表面具有多个凹杯结构，该凹杯结构具有向外侧倾斜的侧壁；一反射层，设置于该硅质载板上；一透明绝缘层，设置于该反射层上；一导电图层，设置于该透明绝缘层上；以及多个发光二极管，各该发光二极管分别设置于各该凹杯结构内的该导电图层上。

本发明另提供一种制作具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构的方法，首先，提供一晶片，利用一蚀刻工艺于该晶片上形成多个具有向外侧倾斜侧壁的凹杯结构，然后形成一反射层于该晶片的上表面，接着形成一透明绝缘层于该反射层上，再于该透明绝缘层上形成一导电图层以及将多个发光二极管管芯分别与各该凹杯结构内的该导电图层接合。

本发明利用半导体工艺或微机电工艺等方式于晶片上制作出具有阵列式且高密集度的凹杯结构，使得制作出的发光二极管封装结构具有高积集度、高开孔率、光型均匀、混光距离短与高发光效率的特性。

附图说明

图1为现有发光二极管阵列封装结构示意图；

图2为没有使用凹杯结构的发光二极管阵列封装结构的尺寸与侧壁散光比的关系图；

图3为本发明的具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构剖面示意图；

图4为没有使用凹杯结构的发光二极管阵列封装结构的尺寸与开孔率的关系图；

图5为具有300微米深度凹杯结构的发光二极管阵列封装结构的尺寸与开孔率的关系图；

图6至图9为本发明一较佳实施例制作一发光二极管阵列封装结构的方法示意图。

主要元件符号说明

10   发光二极管封装结构  20   基板

30   发光二极管          40   发光二极管的间距

50   均匀混光距离        100  发光二极管封装结构

110  硅质载板            120  凹杯结构

130  反射层              140  透明绝缘层

150  导电图层            160  发光二极管

170  均匀混光距离        180  相邻凹杯结构边缘的间距

200  晶片                210  凹杯结构

220  反射层              230  透明绝缘层

240  导电图层            250  发光二极管

具体实施方式

图3为本发明的具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构剖面示意图。发光二极管阵列封装结构100包含有一硅质载板110，其上表面具有多个凹杯结构120；一反射层130，设置于硅质载板110上并覆盖于各凹杯结构120的表面；一透明绝缘层140，设置于反射层130上；一导电图层150，设置于透明绝缘层140上；以及多个发光二极管160，设置于凹杯结构120内的导电图层150上。其中，各凹杯结构120具有倾斜的侧壁，此侧壁的功用是用来反射发光二极管160的侧向散光，让侧向散光得以向上发光，若欲使发光二极管阵列封装结构100具有特定的发光效果皆可利用调整凹杯结构120的凹陷深度、凹陷宽度、侧壁形状与倾斜角度来控制，并且各凹杯结构120的上视图形可为方型或其它几何图形。此外，硅质载板110上各凹杯结构120的组合可为一维或二维的阵列排列，其相邻凹杯结构120边缘的间距180皆小于约10微米(micrometer)。

硅质载板110的材料包含有多晶硅、非晶硅或单晶硅，可为方形硅晶片或圆形硅晶片，且其中可包含有已制作完成的集成电路或被动元件(图未示)，而可与发光二极管160形成发光系统。另外，硅质载板110还具有良好的导热能力，当发光二极管160发光时会产生热量，藉由将发光二极管160接合在硅质载板110上可提供良好的散热环境。但由于硅质载板110并非为一良好的反射材质，因此为了让凹杯结构120具有反射能力，设置一反射层130于硅质载板110的上表面，让凹杯结构120的侧壁反射从发光二极管160的侧壁所发出的光线，使光线向上射出，而且反射层130的材质需为金属或光学镀膜等良好的光反射性材质。导电图层150为发光二极管160与外部电路(图未示)的电连接的媒介，并且导电图层150为金属所构成可用来接合各凹杯结构120与各发光二极管160。

发光二极管160除了其顶面发光之外，其侧壁也会有散光，本发明的发光二极管阵列封装结构100即利用凹杯结构120将侧向散光作有效的利用，使侧向散光改变光路径转而向上，因此单一凹杯结构120的发光面积可近似于凹杯结构120的开口。此外，各相邻凹杯结构120边缘的间距180为小于约10微米的距离，可让相邻的发光二极管160互相混光，混光主要是利用发光二极管160所发出的光线具有一散射角，使得发光二极管160所发出散射角较大的光线会与相邻的发光二极管160所发出的光线能够互相混合，加上有效利用后的侧向发光，使发光二极管阵列封装结构100的发光光型近似一与阵列约略相同大小的发光二极管管芯的发光光型，并且缩短了均匀混光距离170，因此可充分避免相邻的发光二极管160间因侧向散光无法取出所产生的暗区。因此本发明的发光二极管阵列封装结构100将多数的面积较小的发光二极管160排列在一起，并利用凹杯结构120有效撷取侧向散光以增加总体发光效率，并降低成本。

另外，本发明的发光二极管阵列封装结构100另具有高开孔率(fill factor)的优点。开孔率的定义为发光二极管上表面面积与封装载板面积的比例，由于固晶的定位间距有精度的限制，使发光二极管的间距约略大于100微米，在现有没有使用凹杯结构的情况下，以600微米大的发光二极管管芯计算其封装后的开孔率，则其开孔率小于75％，若以较大管芯组成的矩阵则开孔率可提升，但较大管芯的发光二极管发光效率较差；另外，在现有没有使用凹杯结构的封装结构，缩小间距虽也可提升开孔率，但会影响侧向散光的利用，造成光型不均匀。以下将比较没有使用凹杯结构的开孔率与具有凹杯结构的开孔率的差异。请参考图4与图5，图4为没有使用凹杯结构的发光二极管阵列封装结构的尺寸与开孔率的关系图，图5为具有300微米深度凹杯结构的发光二极管阵列封装结构的尺寸与开孔率的关系图。以9密尔(mil)大的发光二极管管芯为例，其开孔率在没有使用凹杯结构时为47.93％，如图4所示，但在深度300微米的凹杯结构时则增加为97.01％，如图5所示。另外由图4与图5中亦可看出不管发光二极管管芯多大，具有凹杯结构的开孔率皆大于没有使用凹杯结构的开孔率。开孔率的提升不只缩小了封装体积，还可增加相邻发光二极管的混光，因而提升光型的均匀度。因此，本发明的发光二极管阵列封装结构藉由高积集度与高开孔率的阵列凹杯结构的硅质载板而具有光型均匀与混光距离短的特性，更可在大面积发光时降低成本。

请参考图6至图9，图6至图9为本发明一较佳实施例制作一发光二极管阵列封装结构的方法示意图。如图6所示，首先提供一晶片200，并利用半导体光刻技术于晶片200上形成一遮罩图案(图未示)，且遮罩图案上包含有相邻距离小于10微米的开口，作为定义凹杯结构210的开口。接着再进行一蚀刻工艺于晶片200上制作出多个具有斜边的阵列凹杯结构210，其中蚀刻工艺可使用反应离子蚀刻(RIE)技术或交替蚀刻法(BOSCH)的等离子体离子蚀刻技术的干式蚀刻工艺或使用氢氧化钾(KOH)溶液、氢氧化四甲基铵(TMAH)或乙二胺邻苯二酚(EDP)为蚀刻液的湿式蚀刻工艺，用来将晶片200蚀刻出具有倾斜侧边的凹杯结构210。凹杯结构210的制作可藉由选择不同的蚀刻方式与控制工艺参数等方式，以调整凹陷深度、凹陷宽度、侧壁形状与倾斜角度等，进而获致所需要的光学效果。

如图7所示，于凹杯结构210上进行溅镀、蒸镀或化学沉积等工艺镀上一层可反射光线的金属或光学镀膜的反射层220，再于反射层220上，进行溅镀、蒸镀或化学沉积等工艺镀上一层绝缘的透光膜做为透明绝缘层230。如图8所示，接着，利用沉积或电镀等方法，并配合光刻蚀刻或举离法(Liftoff)于透明绝缘层230上形成一导电图层240。如图9所示，进行覆晶(Flip Chip)接合工艺将多个发光二极管250的电极(图未示)上沉积锡铅球，然后将晶片翻转、加热，使锡铅球软化再分别与各凹杯结构210底部的导电图层240接合，使发光二极管250能藉由导电图层240与外部电路电连接，即完成发光二极管阵列封装结构。另外，发光二极管250与导电图层240的接合方式另可藉由玻璃胶黏结法将发光二极管250黏结于导电图层240上，再利用超声波焊线接合将发光二极管250的电极透过导线(图未示)电连接于导电图层240上，亦完成之。

总而言之，本发明利用半导体工艺或微机电工艺于晶片上制作出具有阵列式且高密集度的凹杯结构，并将发光二极管设置于凹杯结构上，使发光二极管封装结构具有高积集度、高开孔率、光型均匀、混光距离短与高发光效率的特性，相较于大面积的发光二极管管芯，更可降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构，其包含有：

硅质载板，该硅质载板的上表面具有多个凹杯结构，所述凹杯结构具有向外侧倾斜的侧壁；

反射层，设置于该硅质载板上；

透明绝缘层，设置于该反射层上；

导电图层，设置于该透明绝缘层上；以及

多个发光二极管，各该发光二极管分别设置于各该凹杯结构内的该导电图层上。

2.如权利要求1所述的发光二极管阵列封装结构，其中各该凹杯结构的上视图形为几何图形。

3.如权利要求1所述的发光二极管阵列封装结构，其中所述凹杯结构呈阵列方式排列。

4.如权利要求1所述的发光二极管阵列封装结构，其中相邻的各该凹杯结构的边缘的间距小于10微米。

5.如权利要求1所述的发光二极管阵列封装结构，其中该反射层为金属。

6.如权利要求1所述的发光二极管阵列封装结构，其中该反射层为光学镀膜。

7.一种制作具有硅质载板的发光二极管阵列封装结构的方法，其包含有：

提供晶片，利用蚀刻工艺于该晶片上形成多个具有向外侧倾斜侧壁的凹杯结构；

依序形成反射层与透明绝缘层于该晶片的上表面；

形成导电图层于该透明绝缘层上；以及

将多个发光二极管管芯分别与各该凹杯结构内的该导电图层接合。

8.如权利要求7所述的方法，其中该蚀刻工艺包含有使用反应离子蚀刻技术。

9.如权利要求7所述的方法，其中该蚀刻工艺包含有使用交替蚀刻法的等离子体离子蚀刻技术。

10.如权利要求7所述的方法，其中该蚀刻工艺包含有使用氢氧化钾溶液为蚀刻液的湿式蚀刻工艺。

11.如权利要求7所述的方法，其中该蚀刻工艺包含有使用氢氧化四甲基铵为蚀刻液的湿式蚀刻工艺。

12.如权利要求7所述的方法，其中该蚀刻工艺包含有使用乙二胺邻苯二酚为蚀刻液的湿式蚀刻工艺。

13.如权利要求7所述的方法，其中该反射层利用溅镀、蒸镀或化学沉积等方式形成于该晶片上。

14.如权利要求7所述的方法，其中该透明绝缘层利用溅镀、蒸镀或化学沉积等方式形成于该晶片上。

15.如权利要求7所述的方法，其中该导电图层利用举离法形成于该透明绝缘层上。

16.如权利要求7所述的方法，其中该导电图层利用光刻蚀刻工艺形成于该透明绝缘层上。

17.如权利要求7所述的方法，其中发光二极管管芯利用覆晶接合方式与该导电图层接合。

18.如权利要求7所述的方法，其中发光二极管管芯利用玻璃胶黏结法与该导电图层接合。

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