CN101425495A - 具有硅质基板的光电元件封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有硅质基板的光电元件封装结构。利用微机电工艺或半导体工艺进行硅质基板的批量制造，制作出具备多样化与精密性的硅质基板。根据硅质基板本身的特性与硅质基板上的导引连线、光电元件、凹杯结构及倒装芯片凸块等元件的配置，本发明可增加光电元件封装结构的光学效果、散热效果与封装结构可靠度，并且简化光电元件封装结构的元件复杂度。
Description
本申请是申请日为2006年8月4日且发明名称为“硅质基板及具有硅质基板的光电元件封装结构”的中国专利申请No.200610100967.2的分案申请。
技术领域
本发明有关一种具有硅质基板的光电元件封装结构，特别有关一种利用微机电工艺或半导体工艺所制作的具有硅质基板的光电元件封装结构。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode；LED)元件属于冷发光，具有耗电量低、元件寿命长、无须暖灯时间、反应速度快等优点，再加上其体积小、耐震动、适合量产，容易配合应用需求制成极小或阵列式的元件，因此发光二极管元件已普遍使用于信息、通讯及消费性电子产品的指示灯与显示装置上。发光二极管元件除应用于户外各种显示器及交通号志灯外，在汽车工业中也占有一席的地，另外在可携式产品，如移动电话、PDA屏幕背光源的应用上，亦有亮丽成绩。尤其是目前当红的液晶显示器产品，在选择与其搭配的背光模组零件时，发光二极管元件更是不可或缺的关键零组件。
请参考图1与图2。图1为公知一表面安装型(Surface Mount Device，SMD)的发光二极管封装结构的上视示意图，而图2为图1所示的表面安装型的发光二极管封装结构沿1-1’方向的剖面示意图。如图1与图2所示，发光二极管封装结构10包含有一杯型基底12、一导电支架14、一光电元件16、一导线18与一导线20、以及一封胶22。其中，光电元件16为一藉由外加电压而发出光的半导体元件，包含有一正电极与一负电极(图未示)，并分别利用导线18与导线20连接至导电支架14。导电支架14则是位于杯型基底12内，并延伸至杯型基底12的外部表面，用以电连接印刷电路板24。
由于公知发光二极管封装结构10需先形成杯型基底12，利用压模或灌胶方式完成封装，再利用表面安装工艺将个别的发光二极管封装结构10集成于印刷电路板24上，因此工艺复杂，难以进行批量制作。当应用于高功率发光二极管封装结构10时，用来承载光电元件16的杯型基底12会因为过热而影响发射光源波长、亮度衰减甚至产生元件烧毁等问题。由于公知发光二极管封装结构10的体积较为庞大，再加上高功率发光二极管封装结构10的散热需求，使得整个发光二极管封装结构10在尺寸大小以及散热效率上均受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有硅质基板的光电元件封装结构，其具有可批量制作、增加光电元件封装结构的光学效果、散热效果与封装结构可靠度，并且简化光电元件封装结构的元件复杂度等优点。
于一实施例中，本发明提供的具有硅质基板的光电元件封装结构包含有一硅质基板、多个导引连线(connecter)与至少一光电元件。硅质基板具有一上表面与一下表面，且硅质基板具有多个导电通孔，各导电通孔贯穿硅质基板的上表面与下表面。导引连线包含有多个穿板导电连线与至少一导热连线，各穿板导电连线透过导电通孔而自硅质基板的上表面延伸至硅质基板的下表面，且导热连线覆盖于硅质基板的部分下表面。光电元件设置于硅质基板的上表面上，并对应于导热连线，且光电元件电连接至穿板导电连线。
于另一实施例中，本发明提供的具有硅质基板的光电元件封装结构包含有一具有一上表面的硅质基板、多个导引连线与至少一光电元件设置于硅质基板的上表面。其中，导引连线是以面状覆盖于硅质基板的部分上表面，且光电元件电连接至导引连线。
于又一实施例中，本发明提供的具有硅质基板的光电元件封装结构包含有一硅质晶片，硅质晶片上定义有多个硅质基板，且各硅质基板包含有多个导引连线与至少一光电元件电连接至导引连线。其中，硅质基板具有至少二种轮廓形状。
于又一实施例中，本发明提供的具有倒装芯片凸块的硅质基板包含有多个导电通孔、多个导引连线与多个倒装芯片凸块。硅质基板具有一上表面与一下表面，且各导电通孔贯穿硅质基板的上表面与下表面。导引连线包含有多个穿板导电连线与至少一导热连线，各穿板导电连线透过导电通孔而自硅质基板的上表面延伸至硅质基板的下表面，且导热连线覆盖于硅质基板的部分下表面。倒装芯片凸块设置于硅质基板的上表面，且与穿板导电连线电连接。
由于本发明利用微机电工艺或半导体工艺进行硅质基板的批量制造，因此可制作出具备多样化与精密性的硅质基板。根据硅质基板本身的特性与硅质基板上的导引连线、光电元件、凹杯结构及倒装芯片凸块等元件的配置，本发明可增加光电元件封装结构的光学效果、散热效果与封装结构可靠度，并且简化光电元件封装结构的元件复杂度。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施方式，并配合所附图式，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与图式仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为公知一表面安装型的发光二极管封装结构的上视示意图；
图2为图1所示的表面安装型的发光二极管封装结构沿1-1’方向的剖面示意图；
图3为本发明的第一优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图4为图3所示的光电元件封装结构的上视示意图；
图5为本发明的第二优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的示意图；
图6为图5所示的光电元件封装结构沿5-5’方向的剖面示意图；
图7为本发明的第三优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图8为本发明的第四优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图9为本发明的第五优选实施例具有倒装芯片凸块的硅质基板的剖面示意图；
图10为本发明的第六优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图11为本发明的第七优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图12为本发明的第八优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图13为本发明的第九优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图14为本发明的第十优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图；
图15为本发明的第十一优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图。
主要元件符号说明：
10 发光二极管封装结构
12 杯型基底
14 导电支架
16、36、106、116、126、
136、156 光电元件
18、20 导线
22 封胶
24、48 印刷电路板
30、60、70、80、100、110、
120、130、140、150 光电元件封装结构
32、62、72、82、92、102、
112、122、132、142、152 硅质基板
34、94、104、114、124、
134、144、154 导引连线
34a、94a 穿板导电连线
34b、94b 导热连线
38、108、118、128、138、
148a、148b、148c 凹杯结构
42、64、98、312 导电通孔
44 封装材料层
46a 绝缘层
46b 光学薄膜
52 金属连接层
54 沟槽
56、96 倒装芯片凸块
74 散热装置
101、111、121、131、141、
151 硅质晶片
108a、118a、138a 倾斜侧壁
108b、128b、138b 垂直侧壁
118c、128c、138c 圆弧侧壁
146a 红光发光二极管元件
146b 蓝光发光二极管元件
146c 绿光发光二极管元件
310 第一深度
320 第二深度
330 第三深度
具体实施方式
请参考图3与图4，图3为本发明的第一优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图，而图4为图3所示的光电元件封装结构的上视示意图。需注意的是图式仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。如图3与图4所示，光电元件封装结构30包含有一硅质基板32、多个导引连线34与至少一光电元件36。硅质基板32的材料包含有多晶硅、非晶硅或单晶硅，可为方形硅芯片或圆形硅芯片，且其中可包含有集成电路或无源元件。硅质基板32具有一上表面与一下表面，其上表面可形成一凹陷的凹杯结构38，以容置光电元件36，并且利用凹杯结构38的位置、凹陷深度、凹陷宽度与侧壁形状等因素来控制光电元件封装结构30的光学效果。硅质基板32上可具有多个导电通孔42，各导电通孔42贯穿硅质基板32的上表面与下表面。
导引连线34包含有多个穿板导电连线34a与至少一导热连线34b，穿板导电连线34a与导热连线34b可利用电镀或沉积等微机电工艺或半导体工艺而同时形成于硅质基板32的上、下表面与导电通孔42的侧壁，再利用蚀刻工艺分离穿板导电连线34a与导热连线34b，使二者不电性接触。各穿板导电连线34a是透过导电通孔42而自硅质基板32的上表面延伸至硅质基板32的下表面。导热连线34b则覆盖于硅质基板32的部分下表面，其设置位置优选是对应于光电元件36的下方。在实际应用上，导热连线34b可以是一面状金属层，各穿板导电连线34a则可以是一面状金属层或是一金属线路层。
光电元件36可以是发光元件或是收光元件，例如为发光二极管元件、感光二极管(photo diode)元件、数字微镜元件(digital micromirror device，DMD)或液晶硅板(liquid crystal on silicon，LCOS)元件等等，但不限于此。光电元件36可利用固定芯片的胶固定于硅质基板32的上表面，且以引线键合(wirebonding)或倒装芯片接合等方式，使光电元件36上的正电极、负电极分别经由导线或倒装芯片凸块连接至穿板导电连线34a上所定义的正电极端子、负电极端子。
除上述元件之外，本发明的光电元件封装结构30另可包含有封装材料层44、绝缘层46a与光学薄膜46b。封装材料层44可为树脂与波长转换材料、萤光粉或散光材料混合而成，并利用压模或灌胶等方式封装于硅质基板32上，增加光电元件封装结构30的产品可靠度，并调控光电元件36的光学效果。光学薄膜46b可为一高折射率的镀膜，设置于凹杯结构38的底部与侧壁，配合凹杯结构38更进一步增加光电元件封装结构30的取光量。
透过硅质基板32下表面的穿板导电连线34a，光电元件封装结构30可利用表面安装等方式连接至一印刷电路板48上，其中印刷电路板48可以为玻纤强化高分子材料(glass fiber reinforced polymeric material)所构成，如ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4或FR-5，或是金属夹心印刷电路板(metalcore printed circuit board)。其具体的安装方式可先于印刷电路板48表面上形成锡膏作为金属连接层52，且使金属连接层52对应于光电元件封装结构30下表面的穿板导电连线34a与导热连线34b而彼此接合，藉此使光电元件封装结构30透过穿板导电连线34a与金属连接层52而电连接至印刷电路板48，并使光电元件36可透过硅质基板32、导热连线34b、金属连接层52与印刷电路板48所构成的散热途径而将产生的热量传导至外界，达到热与电分离的架构。另外，为了防止金属连接层52受挤压或位置偏移而与其他元件接触，本发明硅质基板32的下表面可另包含有多个沟槽(trench)54，以容置多余的锡膏，如此一来，无须使用昂贵的高阻值晶片即可减少短路现象发生的机率。
本发明的光电元件封装结构亦可具备其他样态，请参考图5与图6，图5为本发明的第二优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的示意图，而图6为图5所示的光电元件封装结构沿5-5’方向的剖面示意图，其中相同的元件或部位沿用相同的符号来表示。如图5与图6所示，光电元件封装结构60包含有一硅质基板62、多个导引连线34与至少一光电元件36。硅质基板62的材料包含有多晶硅、非晶硅或单晶硅，可具有集成电路或无源元件。硅质基板62的上表面具有一凹陷的凹杯结构38，以容置光电元件36。
导引连线34包含有多个穿板导电连线34a，亦可另包含有至少一导热连线34b，穿板导电连线34a与导热连线34b可利用电镀或沉积等工艺同时形成于硅质基板62的上、下表面与导电通孔64的侧壁，再利用蚀刻工艺分离穿板导电连线34a与导热连线34b，使二者不电性接触。各穿板导电连线34a是透过导电通孔64而自硅质基板62的上表面延伸至硅质基板62的下表面。导热连线34b则覆盖于硅质基板62的部分下表面，其设置位置优选是对应于光电元件36的下方。在实际应用上，导热连线34b可以是一面状金属层，各穿板导电连线34a则可以是一面状金属层或是一金属线路层。
光电元件36上的正电极、负电极可分别经由倒装芯片凸块56连接至穿板导电连线34a上所定义的正电极端子、负电极端子，再透过硅质基板62下表面的穿板导电连线34a电连接至一印刷电路板(图未示)上。另外，光电元件36可透过硅质基板62、导热连线34b与印刷电路板所构成的散热途径而将产生的热量传导至外界，达到热与电分离的架构。
尤其注意的是，第一优选实施例的导电通孔42是贯穿凹杯结构38下的硅质基板32，而本实施例的导电通孔64是贯穿凹杯结构38周围的硅质基板62。由于本实施例的导电通孔64位于凹杯结构38周围，因此导引连线34的穿板导电连线34a可覆盖于凹杯结构38的底部与侧壁。根据这个配置，穿板导电连线34a可以同时增进光、电、热三方面的功效。除了提供电传途径之外，金属材质的穿板导电连线34a亦可提供良好的反射效果而增加光学效益，甚至可以直接发挥光学薄膜的功效，再者，金属材质的穿板导电连线34a也具有高热传导系数的特性，可增加光电元件封装结构60的散热效果。
本发明的其他实施样态另可参考图7与图8，图7为本发明的第三优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图，而图8为本发明的第四优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图，其中相同的元件或部位沿用相同的符号来表示。
如图7所示，光电元件封装结构70包含有一硅质基板72、多个导引连线34与至少一光电元件36。硅质基板72的上表面具有一凹陷的凹杯结构38，以容置光电元件36。
导引连线34可以是一面状金属层或是一金属线路层，包含有多个穿板导电连线34a供电连接之用，与至少一导热连线34b供热传导之用。光电元件36上的正电极、负电极可分别经由倒装芯片凸块56连接至穿板导电连线34a上所定义的正电极端子、负电极端子，再透过穿板导电连线34a电连接至印刷电路板48上。尤其注意的是，光电元件封装结构70下表面的导热连线34b可另与至少一散热装置74连接，例如与一散热鳍片相接触，使光电元件36可透过硅质基板72、导热连线34b与散热装置74而将热量传导至外界，达到热与电分离的架构。
如图8所示，光电元件封装结构80包含有一硅质基板82、多个导引连线34与至少一光电元件36。硅质基板82的上表面具有一凹陷的凹杯结构38，以容置光电元件36。导引连线34可以是一面状金属层或是一金属线路层，可供电连接、热传导与光学增加之用。光电元件36上的正电极、负电极可分别经由倒装芯片凸块56连接至导引连线34上所定义的正电极端子、负电极端子，再透过导引连线34电连接至印刷电路板48上。尤其注意的是，由于硅质基板82可利用技术成熟的微机电工艺或半导体工艺而形成精密结构，因此本实施例的光电元件封装结构80下表面可形成散热鳍片结构，使光电元件36可直接透过硅质基板82而达到良好的散热效果。
另一点需特别注意的是，由于本发明可利用微机电工艺或半导体工艺进行硅质基板的制造，因此可直接于硅质基板的表面上形成倒装芯片凸块，后续再另行与光电元件接合。请参考图9，图9为本发明的第五优选实施例具有倒装芯片凸块的硅质基板的剖面示意图。如图9所示，硅质基板92包含有多个导引连线94与多个倒装芯片凸块96，且硅质基板92本身具有多个导电通孔98，各导电通孔98贯穿硅质基板92的上表面与下表面。导引连线94包含有多个穿板导电连线94a与至少一导热连线94b，各穿板导电连线94a是透过导电通孔98而自硅质基板92的上表面延伸至硅质基板92的下表面。导热连线94b覆盖于硅质基板92的部分下表面，优选是形成于硅质基板92较需散热的部位。尤其注意的是，倒装芯片凸块96是直接形成于硅质基板92的上表面，且与穿板导电连线94a电连接。有鉴于此，本实施例的硅质基板可直接与光电元件接合而进行封装，而无须于封装时才针对个别的光电元件进行凸块工艺，因此大幅增加封装结构的生产效能。
另一方面，由于本发明是以硅质基板进行光电元件的封装，因此可利用微机电工艺或半导体工艺进行硅质基板的批量制造，制作出具备不同轮廓形状的硅质基板，提高光电元件封装结构的多样化与精密性。请参考图10至图15，图10至图15分别为本发明的第六至第十一优选实施例具有硅质基板的光电元件封装结构的剖面示意图。
如图10所示，光电元件封装结构100包含有一硅质晶片101，硅质晶片101上依产品的需求而定义有多个硅质基板102。各硅质基板102包含有多个导引连线104与一光电元件106电连接至导引连线104，导引连线104可以是一面状金属层或是一金属线路层。由于本发明可利用微机电工艺或半导体工艺而于硅质晶片101上制作硅质基板102，因此可于单片硅质晶片101的上表面形成多个不同形状的凹杯结构108。如本实施例的各硅质基板102分别包含有一凹杯结构108，其中至少一凹杯结构108具有一倾斜侧壁108a，而至少一凹杯结构108则具有一垂直侧壁108b。
根据蚀刻掩模与蚀刻方式的不同，本发明另可形成其他侧壁形状的凹杯结构配置。如图11所示，光电元件封装结构110包含有一硅质晶片111，硅质晶片111上定义有多个硅质基板112。各硅质基板112包含有多个导引连线114、一光电元件116电连接至导引连线114，与一凹杯结构118。于本实施例中，至少一凹杯结构118具有一倾斜侧壁118a，而至少一凹杯结构118则具有一圆弧侧壁118c。
如图12所示，光电元件封装结构120包含有一硅质晶片121，硅质晶片121上定义有多个硅质基板122。各硅质基板122包含有多个导引连线124、一光电元件126电连接至导引连线124，与一凹杯结构128。于本实施例中，至少一凹杯结构128具有一垂直侧壁128b，而至少一凹杯结构128则具有一圆弧侧壁128c。
图13所示，光电元件封装结构130包含有一硅质晶片131，硅质晶片131上定义有多个硅质基板132。各硅质基板132包含有多个导引连线134、一光电元件136电连接至导引连线134、与一凹杯结构138。其中，一凹杯结构138具有一倾斜侧壁138a，一凹杯结构138具有一垂直侧壁138b，而另一凹杯结构138则具有一圆弧侧壁138c。
配合着上述凹杯结构108、118、128、138的不同侧壁形状，光电元件封装结构100、110、120、130可于凹杯结构108、118、128、138中设置不同的光电元件106、116、126、136，例如光电元件106、116、126、136可以是红光发光二极管元件、蓝光发光二极管元件或是绿光发光二极管元件等等，以营造不同的发光效果。
另外，凹杯结构的形状与位置可视光电元件的发光情形以及光电元件封装结构所需的光学效果而调整。如图14所示，光电元件封装结构140包含有一硅质晶片141，硅质晶片141上定义有多个硅质基板142。于本实施例中，各硅质基板142包含有一红光发光二极管元件146a、一蓝光发光二极管元件146b、一绿光发光二极管元件146c、一凹杯结构148a容置红光发光二极管元件146a、一凹杯结构148b容置蓝光发光二极管元件146b、一凹杯结构148c容置绿光发光二极管元件146c、与多个导引连线144分别电连接至上述发光二极管元件146a、146b、146c。
尤其注意的是，于至少一硅质基板142中，凹杯结构148a具有一第一深度310，凹杯结构148b与凹杯结构148c则具有一第二深度320，且第一深度310大于第二深度320。而于至少另一硅质基板142中，凹杯结构148a具有第一深度310，凹杯结构148b具有第二深度320，凹杯结构148c具有一第三深度330，且第一深度310大于第二深度320，第二深度320大于第三深度330，以配合发光二极管元件146a、146b、146c的发光特性。
除了上述凹杯结构的不同之外，单片硅质晶片上亦可同时形成前述各实施例的光电元件封装结构。结合前述各实施例，于单片硅质晶片上便可形成更多具备不同功效的光电元件封装结构，提升产品的变化性与价值。如图15所示，光电元件封装结构150包含有一硅质晶片151，硅质晶片151上定义有多个硅质基板152。各硅质基板152包含有多个导引连线154、与一光电元件156电连接至导引连线154。其中，至少一硅质基板152具有导电通孔312，使硅质基板152的导引连线154可透过导电通孔312而自硅质基板152的上表面延伸至硅质基板152的下表面。另外，至少另一硅质基板152的光电元件156是置于未凹陷的硅质基板152上表面，且硅质基板152的下表面是呈散热鳍片结构，以增加光电元件封装结构150的散热效能。
待前述光电元件封装结构上所需的元件皆完成后，各硅质基板便可利用切割等方式互相分离，并且透过硅质基板的导引连线而电连接至对应的印刷电路板。
由于本发明采用硅质基板作为光电元件封装结构，而硅具有良好的热传导效果，因此可以提升光电元件封装结构的散热效能。此外，硅的热膨涨系数与同为半导体材料的发光二极管元件相近，作为封装材料更可提高光电元件封装结构的可靠性。
再者，具有硅质基板的光电元件封装结构可利用微机电工艺或半导体工艺来进行批量制造，根据硅质基板本身的特性与硅质基板上的导引连线、光电元件、凹杯结构及倒装芯片凸块等元件的配置，本发明可增加光电元件封装结构的光学效果、散热效果与封装结构可靠度，并且简化光电元件封装结构的元件复杂度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (14)
1.一种具有硅质基板的光电元件封装结构，包含有：
一硅质晶片，该硅质晶片上定义有多个硅质基板，各该硅质基板包含有多个导引连线与至少一光电元件电连接至所述导引连线，且所述硅质基板具有至少二种轮廓形状。
2.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中各该硅质基板具有一上表面，且所述硅质基板的所述上表面具有多个凹杯结构。
3.如权利要求2所述的光电元件封装结构，其中至少一该凹杯结构具有一倾斜侧壁，且至少一该凹杯结构具有一垂直侧壁。
4.如权利要求2所述的光电元件封装结构，其中至少一该凹杯结构具有一倾斜侧壁，且至少一该凹杯结构具有一圆弧侧壁。
5.如权利要求2所述的光电元件封装结构，其中至少一该凹杯结构具有一垂直侧壁，且至少一该凹杯结构具有一圆弧侧壁。
6.如权利要求2所述的光电元件封装结构，其中至少一该硅质基板具有一倾斜侧壁的该凹杯结构、至少一该硅质基板具有一垂直侧壁的该凹杯结构，且至少一该硅质基板具有一圆弧侧壁的该凹杯结构。
7.如权利要求2所述的光电元件封装结构，其中至少一该凹杯结构具有一第一深度，至少一该凹杯结构具有一第二深度，且该第一深度大于该第二深度。
8.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中该光电元件是为一发光二极管元件。
9.如权利要求8所述的光电元件封装结构，其中至少一该硅质基板具有一红光发光二极管元件，至少一该硅质基板具有一绿光发光二极管元件，且至少一该硅质基板具有一蓝光发光二极管元件。
10.如权利要求8所述的光电元件封装结构，其中至少一该硅质基板具有一红光发光二极管元件、一绿光发光二极管元件与一蓝光发光二极管元件。
11.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中各该硅质基板具有一下表面，且至少一该硅质基板的该下表面具有一散热鳍片结构。
12.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中各该硅质基板具有一上表面与一下表面，且至少一该硅质基板的所述导引连线是自该硅质基板的该上表面延伸至该硅质基板的该下表面。
13.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中各该硅质基板的所述导引连线电连接至一印刷电路板。
14.如权利要求1所述的光电元件封装结构，其中各该导引连线是为一金属层。
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