CN101038945A - 固态发光元件的封装结构和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种固态发光元件的封装结构和其制造方法，其是将硅基材应用于固态发光元件封装结构和其制造方法。所述硅基材的正面与背面均使用湿蚀刻形成反射腔与电极介层洞。反射层与电极的材料不同，可以分别针对其各自的功能选择优选的材料。电极的形成方式可以使用图案转移，以蚀刻或是掀起等的方式完成。
Description
技术领域
本发明涉及固态发光元件的封装结构和其制造方法，尤其涉及使用硅基板于发光二极管(LED)的封装结构和其制造方法。
背景技术
发光二极管应用在日常生活中越来越普及。通常指示设备，照明设备，或是提供均匀的线光源或是面光源等都可以见到发光二极管。
目前有关发光二极管的研发重点是在于光的取出效益和散热的速度。在光的取出效益中，可以在磊晶阶段，晶粒制造阶段，或是在封装阶段分别进行改善。而散热方面目前主要是在封装阶段加以改进。能够同时进行改善的主要是在封装的阶段。
发光二极管的封装目前有许多方式，例如灯杯(lamp)形式，或是使用反射杯。其中使用反射的灯杯的形式，很容易提升反射率以增加发光二极管的发光效率。同时，如果反射杯有优选的设计，反射杯也有机会增加发光二极管的散热。目前朝这方面改善的技术有美国专利第6,562,643号、第6,268,660号和美国专利公开号2004/0218390。另外，一种现有技术如美国专利第6,531,328号所述，主要是使用硅基板10做为封装的基材。在硅基板10上使用微机电(MEMS)的制程制造反射杯，其结构如图1所示。一绝缘层12和一金属层20按顺序包覆硅基板10，其中金属层20同时作为电极22和24。发光二极管30以打线方式设于反射杯内，并且使用环氧树脂将发光二极管30封入反射杯。
形成如图1所示的结构的制程步骤，如图2所示，包含先提供一硅基板，然后以湿式蚀刻的方式在硅基板上形成反射腔。接着，在硅基板的另一面以干式蚀刻的方式形成电极的介层洞。之后，以热氧化法或是氮化方式形成一层氧化硅层或是氮化硅层包覆所述硅基板。然后，以电镀的方式形成一导体层包覆所述硅基板。最后，以激光处理的方式在反射腔上形成金属反射层而在另一面形成电极。
然而，这样的设计有一些缺点。首先，反射层金属与电极是属于同一种材料，目前没有一种金属可以同时满足良好的反射率和可适用于后续的焊接制程。再者，对于不同波长的发光二极管，不同的金属会有不同的反射率，这表示电极的材料也会因此改变。优选的电极的材料是以焊锡为主，但焊锡并不适用于可见光的反光材料。好的反射材料，例如：金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)，并不适用作为电极的材料。
另外，底部介层洞的蚀刻采用干蚀刻，其蚀刻后的轮廓(profile)的后续制程空间较低。再者，需要使用激光处理反射金属层，成本较高。
综上所述，市场上十分需要一种可靠且简易的大面积的高功率发光二极管，使得能改善上述常规发光二极管的各种缺点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种固态发光元件的封装结构和其制造方法，可使用硅基板做为封装的基板增加散热和可使用微机电的制程。
本发明的另一目的是对于反射金属层与电极可选择不同的材质，其中反射金属层可以针对特定光线的波长进行选择而不会影响电极材质的选择，因而可以各自最佳化其材料。
本发明的又一目的是提供一绝缘层保护反射金属层，避免金属产生氧化、硫化，或是与其它化学物质反应。而所述绝缘层的厚度可以调整为对特定光线进行建设性干涉。
本发明的再一目的是使用湿蚀刻形成底部的电极介层洞，对于后续的制程空间(process window)较为充裕。
本发明的再一目的在于电极制程使用简单的光刻蚀刻制程或是掀起(lift-off)制程，成本与激光处理相比较低。
本发明的再一目的是每个步骤都是成熟的制程，成本较低。
为实现上述目的，本发明提供一种固态发光元件的封装结构，包含一具有一第一表面与一第二表面的硅基材，一包覆所述硅基材的第一绝缘层、一反射层、一位于所述反射层上的第二绝缘层，一作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离的第一导电层，和一第二导电层。所述第一表面与所述第二表面相对，而所述第一表面具有一反射腔于其上，所述第二表面具有两个电极介层洞于其上且透过到所述反射腔。所述反射层位于所述反射腔上。所述第一导电层位于所述两个电极介层洞上，且所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离。所述第二导电层位于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内。
本发明还提供一种形成固态发光元件的封装结构的方法，如图3所示，其包含的步骤为提供一硅基材，并且以湿式蚀刻所述硅基材的一第一表面以形成一反射腔于其上。之后，以湿式蚀刻所述硅基材的一第二表面以形成两个电极介层洞于其上并穿透所述硅基板到所述反射腔，其中所述第二表面相对于所述第一表面。然后，形成一第一绝缘层以包覆所述硅基材。接着，形成一反射层于所述反射腔上，和在所述反射层上形成一第二绝缘层。再者，形成一第一导电层于所述两个电极介层洞上，其中所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离，和形成一第二导电层于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内。
附图说明
图1是常规的发光二极管的封装结构示意图；
图2显示形成如图1的结构的制程流程图；
图3显示本发明的制程流程图；和
图4到图13显示本发明在各步骤的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例中实施，且本发明的范围不受限定，其以上述的权利要求书为准。
本发明提供一种固态发光元件的封装结构，包含一具有一第一表面与一第二表面的硅基材，一包覆所述硅基材的第一绝缘层、一反射层、一位于所述反射层上的第二绝缘层，一作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离的第一导电层和一第二导电层。所述第一表面与所述第二表面相对，而所述第一表面具有一反射腔于其上，所述第二表面具有两个电极介层洞于其上且透过到所述反射腔。所述反射层位于所述反射腔上。所述第一导电层位于所述两个电极介层洞上，且所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离。所述第二导电层位于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内。
本发明还提供一种形成固态发光元件的封装结构的方法，如图3所示，其包含的步骤为提供一硅基材，并且以湿式蚀刻所述硅基材的一第一表面以形成一反射腔于其上。之后，以湿式蚀刻所述硅基材的一第二表面以形成两个电极介层洞于其上并穿透所述硅基板到所述反射腔，其中所述第二表面相对于所述第一表面。然后，形成一第一绝缘层以包覆所述硅基材。接着，形成一反射层于所述反射腔上，和在所述反射层上形成一第二绝缘层。再者，形成一第一导电层于所述两个电极介层洞上，其中所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离，和形成一第二导电层于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内。
上述的第一绝缘层是氧化硅，可由热氧化法形成，或是化学气相沉积法，而热氧化法为优选的。上述的反射层可为银，铝，金，或是锡，其中材料的选择取决于所使用的光的波长。上述的第一导电层与第二导电层为可焊接的材料。上述的第二导电层与所述第一导电层电连接。上述的第一导电层与第二导电层可使用图案转移以蚀刻(patterningto etch)法或是掀起(lift-off)法形成。上述的第二绝缘层是氧化硅，可由化学气相沉积法形成，特别是可使用等离子增强化学气相沉积(PECVD；Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)法。上述的两个电极介层洞是由湿蚀刻法形成。上述的固态发光元件可为发光二极管或是激光二极管。本发明结构可应用于打线封装或是倒装晶片封装。
前述的固态发光元件的封装结构和其形成方法中，还可包含两个电极介层洞于其上且透过到所述反射腔。上述的第一导电层因此作为四个电极垫，而所述第二导电层位于所述四个电极介层洞内且与所述第一导电层电连接。上述的形成所述反射层的步骤可为电镀法、蒸镀法或是电子束磊晶法形成。
本发明在各步骤中的结构示意图请参看图4到图13。
如图4所示，一硅基材100具有一第一表面与一第二表面，在图中第一表面是上表面而第二表面是下表面。硅基材100可以是五英寸、六英寸、八英寸或是十二英寸等的晶圆。硅基材100可使用<100>的结晶表面(crystal orientation surface)。使用硅基板的几个重要的优点就是散热快，和可以进行成熟的微机电制程。
如图5所示，以湿蚀刻的方式形成一反射腔102于硅基材100的第一表面上。硅基材的湿蚀刻的蚀刻溶剂可为氢氧化钾(KOH)。在这个步骤包含光学光刻的制程，也就是图案转移以蚀刻的技术完成，包含的步骤有光致抗蚀剂涂布、软烘烤光致抗蚀剂、曝光、显影、硬烘烤、蚀刻硅基材和去光致抗蚀剂。以湿蚀刻的方式形成的反射腔102，其蚀刻的轮廓(profile)是可以调整的，这是因为湿蚀刻的等向性所造成。
如图6所示，继续以湿蚀刻的方式形成电极介层洞104于硅基材100的第二表面上。电极介层洞104可以是两个，或是两个以上，特别是使用的发光元件超过两个以上时可能会有四个或是六个电极介层洞104。由于使用湿蚀刻形成电极介层洞104，电极介层洞104的开口较大，对于后续的制程空间(process window)较为宽裕。同样的，这个步骤包含光学光刻的制程。
如图7所示，形成一包覆硅基材100的氧化硅层作为第一绝缘层110。氧化硅层形成的方式可为热氧化法或是化学气相沉积法，而热氧化法为优选的，因为以热氧化法形成的氧化硅，其结构较为致密。在本发明中，可使用干式或是湿式热氧化法。另外，还可以使用氮化硅作为第一绝缘层110。
如图8所示，形成一反射层120在反射腔102上。反射层120的材质可为银、铝、金或是锡，其中材料的选择取决于所使用的光线的波长。反射层120的形成方式可以使用电镀(electroplating)，蒸镀法(evaporating)，或是电子束磊晶法形成。由于反射层120只形成在硅基板100的第一表面上，制程条件较简单。另外，形成反射层120后还可以使用另一蚀刻的制程将反射腔102以外的反射层120部分移除，而这个步骤是可选择的步骤。
如图9所示，形成一第二绝缘层130覆盖反射层120。第二绝缘层130可为氧化硅或是氮化硅，可由化学气相沉积法形成。其中氧化硅可使用等离子增强化学气相沉积法而氮化硅可使用低压化学气相沉积法。沉积的厚度，可以调整为对于特定光束具有建设性干涉。反射层120是由第二绝缘层130包覆保护，可以避免反射金属的氧化，硫化，或是与其它的化学物质反应，特别是可以选择金属铝或是锡作为反射金属，因为这两种金属特别容易氧化。
如图10所示，形成一第一金属层作为正面电极140-1，140-2。正面电极140-1，140-2的材料的选择为可焊接的材料，其选择由后续的封装制程所决定，例如：打线封装或是倒装晶片封装，因为正面电极主要是与发光元件焊接。正面电极140-1，140-2的形成方式可使用电镀或是蒸镀等的方式。正面电极140-1，140-2的图案可使用上述的图案转移以蚀刻法或是掀起(lift-off)制程形成。掀起制程与图案转移以蚀刻制程类似，但顺序不同。掀起制程的步骤为先形成光致抗蚀剂层，然后是曝光显影，这时金属层才形成在光致抗蚀剂层上，之后在光致抗蚀剂层移除的时候会将位于光致抗蚀剂上的金属层一起移除。掀起制程不需要针对金属层蚀刻，减少一个步骤。不论是图案转移以蚀刻法或是掀起法，其成本与传统的激光制程相比较便宜，且均为成熟的制程。
因为有一第二绝缘层130，正面电极140-1，140-2与反射层120电隔离。这可以避免因漏电对元件产生损害。
如图11所示，形成一第二金属层作为背面电极150-1，150-2。背面电极150-1，150-2的材料的选择可为可焊接的材料或是一般性的电极材料都可以。背面电极150-1，150-2的形成方式与正面电极140-1，140-2的形成方式相同，而图案转移的方式可与正面电极140-1，140-2的形成方式相同或是不相同。背面电极150-1，150-2需要将电极介层洞104填满与正面电极140-1，140-2电连接。
如图12所示，将发光二极管160打线封装后使用环氧树脂170封入。环氧树脂170可以掺杂荧光粉，荧光粉可为钇铝石榴石(YAG)族是或是硅酸盐族是。环氧树脂170封入的方式可为转模(transfer molding)或是点胶注入的方式。
如图13所示，将发光二极管160倒装晶片封装后使用环氧树脂170封入。同样的，环氧树脂170可以掺杂荧光粉，荧光粉可为钇铝石榴石族系或是硅酸盐族系。而环氧树脂170封入的方式可为转模(transfer molding)或是点胶注入的方式。
本发明使用硅基板做为封装的基板增加散热和可使用微机电的制程。由于反射金属层与电极可选择不同的材质，反射金属层可以针对特定光线的波长进行选择而不会影响电极材质的选择，因而可以各自最佳化其材料。本发明提供一绝缘层保护反射金属层，可避免金属产生氧化，硫化，或是与其它化学物质反应。而所述绝缘层的厚度更可以调整为对特定光线进行建设性干涉。本发明使用湿蚀刻形成底部的电极介层洞，对于后续的制程空间(process window)较为充裕。本发明对于电极制程使用简单的光刻蚀刻制程或是掀起(lift-off)制程，成本与激光处理相比较低。本发明的每个步骤都是成熟的制程，成本较低。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为上述权利要求书所涵盖。
Claims (21)
1.一种固态发光元件的封装结构，包含：
一具有一第一表面与一第二表面的硅基材，而所述第一表面与所述第二表面相对，其中所述第一表面具有一反射腔于其上，所述第二表面具有至少两个电极介层洞于其上且透过到所述反射腔；
一包覆所述硅基材的第一绝缘层；
一位于所述反射腔上的反射层；
一位于所述反射层上的第二绝缘层；
一位于所述两个电极介层洞上的第一导电层，所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离；和
一位于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内的第二导电层。
2.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第一绝缘层是氧化硅，由热氧化法形成。
3.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中所述反射层为银、铝、金或是锡。
4.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第一导电层与所述第二导电层为可焊接的材料。
5.根据权利要求4所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第二导电层与所述第一导电层电连接。
6.根据权利要求4所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第一导电层与所述第二导电层是使用图案转移以蚀刻法或是掀起法形成。
7.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第二绝缘层是氧化硅，由化学气相沉积法形成。
8.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中所述两个电极介层洞是由湿蚀刻法形成。
9.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，还包含两个电极介层洞于所述第二表面上且透过到所述反射腔。
10.根据权利要求9所述的固态发光元件的封装结构，其中所述第一导电层作为四个电极垫，而所述第二导电层位于所述四个电极介层洞内且与所述第一导电层电连接。
11.根据权利要求1所述的固态发光元件的封装结构，其中上述的固态发光元件为发光二极管。
12.一种形成固态发光元件的封装结构的方法，包含：
提供一硅基材；
湿式蚀刻所述硅基材的一第一表面以形成一反射腔于其上；
湿式蚀刻所述硅基材的一第二表面以形成二电极介层洞于其上并穿透所述硅基板到所述反射腔，其中所述第二表面相对于所述第一表面；
形成一第一绝缘层包覆所述硅基材；
形成一反射层于所述反射腔上；
在所述反射层上形成一第二绝缘层；
形成一第一导电层于所述两个电极介层洞上，所述第一导电层作为两个电极垫并且与所述反射层电隔离；和
形成一第二导电层于所述第二表面下且位于所述两个电极介层洞内。
13.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述第一绝缘层是氧化硅，由热氧化法形成。
14.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述反射层为银、铝、金或是锡。
15.根据权利要求14所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述形成所述反射层的步骤是以电镀法、蒸镀法或是电子束磊晶法形成。
16.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述第一导电层与所述第二导电层为可焊接的材料。
17.根据权利要求16所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述第一导电层与所述第二导电层是使用图案转移以蚀刻法或是掀起法形成。
18.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述第二绝缘层是氧化硅，由化学气相沉积法形成。
19.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述湿式蚀刻所述第二面的步骤以形成四个电极介层洞，并穿透所述硅基板到所述反射腔。
20.根据权利要求19所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述第一导电层作为四个电极垫，而所述第二导电层位于所述四个电极介层洞内且与所述第一导电层电连接。
21.根据权利要求12所述的形成固态发光元件的封装结构的方法，其中所述固态发光元件为发光二极管。
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