CN101661979B - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体装置及其制造方法，该装置包括：一半导体基底、一发光二极管芯片、至少两个分隔的外部导线层以及一透镜模块。半导体基底具有一凹穴，而发光二极管芯片设置于凹穴内。外部导线层设置于半导体基底的下表面且电性连接至发光二极管芯片，用以作为输入端。透镜模块贴附于半导体基底的上表面，以覆盖凹穴，包括：一模塑透镜、一透明导电层及一玻璃基底。透明导电层上涂覆一荧光材料且位于模塑透镜下方。玻璃基底设置于该透明导电层与该模塑透镜之间。本发明可改善荧光层的厚度均匀性，且由于荧光层经由电泳沉积而成并可通过晶片级封装技术进行LED装置的封装，故可达到较高的生产速率并降低制造成本。

Description

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明有关于一种发光二极管(light-emitting diode，LED)装置，特别是有关于一种发光二极管装置，其具有由电泳(electrophoresis)沉积而成的荧光材料的透镜模块，及发光二极管装置制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)装置为固态光源且已应用多年。LED装置是通过半导体材料的p-n结在正向偏置时电子-空穴对的结合而发光。相较于传统灯具，LED装置的优点在于低耗电量及较长的使用寿命。特别的是因为白光LED装置具有高演色性指数(color rendering index，CRI)，使其成为最广为接受的发光装置之一。
白光LED装置可通过使用红光LED芯片(chip/die)、绿光LED芯片及蓝光LED芯片来混合红、绿及蓝光而形成白光LED装置。然而，上述三合一的白光LED装置较为昂贵，因其需要三个LED芯片来发射不同主色的光。再者，由于三个LED芯片中每一芯片的发光效率不同而降低演色性指数(CRI)。
为了解决上述的缺陷，而发展出结合荧光材料(如，磷光材料)与蓝光LED装置的白光LED装置。蓝光通过发出红色及绿色荧光的磷光材料，使蓝、红及绿光结合而产生白光。目前，上述白光LED装置是通过在蓝光LED芯片周围填入含有磷光材料的环氧树脂(epoxy resin)并在其上覆盖一透镜而形成的。然而，填入的环氧树脂的均匀性(uniformity)不佳而降低LED装置的发光特性。另一白光LED装置的制作方法为在蓝光LED芯片周围填入一透明保护树脂或胶(glue)，接着其上涂覆一含有磷光材料的环氧树脂层。然而，环氧树脂层的涂覆速率慢且同样难以控制环氧树脂层的均匀性。又另一白光LED装置的制作方法为在蓝光LED芯片上形成一透镜，接着在其上涂覆一含有磷光材料的环氧树脂层并覆盖一透明保护树脂或胶。然而，环氧树脂层的涂覆速率慢且制造成本较高。
因此，有必要寻求一种新的LED装置结构，其能够解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体装置及其制造方法。
根据上述的目的，本发明提供一种半导体装置，包括：一半导体基底、一发光二极管芯片、至少两个分隔的外部导线层及一透镜模块。半导体基底具有一凹穴，而发光二极管芯片设置于凹穴内。外部导线层设置于半导体基底的下表面且电性连接至发光二极管芯片，用以作为输入端。透镜模块贴附于半导体基底的上表面，以覆盖凹穴，包括：一模塑透镜、一透明导电层及一玻璃基底。透明导电层上涂覆一荧光材料且位于模塑透镜下方。玻璃基底设置于该透明导电层与该模塑透镜之间。
又根据上述的目的，本发明提供一种半导体装置的制造方法。提供一玻璃晶片，具有一第一侧及一相对的第二侧。在玻璃晶片的第一侧上形成一透明导电层。在透明导电层上形成一掩模图案层，其具有多个开口以露出透明导电层。在每一开口填入一荧光材料。在玻璃晶片的第二侧上形成多个透镜，其对应于开口。去除掩模图案层而形成一透镜板。在一半导体晶片上覆盖透镜板，其中半导体晶片包括：多个凹穴对应于透镜板的荧光材料，以及多个发光二极管芯片位于对应的凹穴内。蚀刻半导体晶片的底表面，以在相邻的凹穴之间形成多个凹口而构成多个单个的半导体基底。自凹口切割透镜板，以在对应的半导体基底上形成多个单个的透镜模块。
又根据上述的目的，本发明提供一种半导体装置的制造方法。提供一半导体晶片，其包括彼此相邻的多个凹穴及多个发光二极管芯片位于对应的凹穴内。在半导体的上表面形成一透明树脂并填入每一凹穴内，以覆盖对应的发光二极管芯片。在透明树脂上形成一透明导电层。在透明导电层上形成一掩模图案层，其具有多个开口以露出透明导电层。在每一开口填入一荧光材料。在每一荧光材料上形成一透镜。依序切割相邻的凹穴之间的半导体晶片以及透明导电层而构成具有透镜模块的多个单个的半导体基底，其中透镜模块包括：透镜、荧光材料及透明导电层。
本发明的半导体装置的荧光层是形成于一额外的玻璃载板或透明导电层，与公知的填入LED芯片周围的荧光层相比较，可改善荧光层的厚度均匀性。再者，由于荧光层经由电泳沉积而成且可通过晶片级封装(wafer levelpackage)技术进行LED装置的封装，故可达到较高的生产速率并降低制造成本。
附图说明
图1A至1D示出根据本发明一实施例的透镜板的制造方法剖面示意图；
图1E示出图1B至1C中具有核壳结构的磷微粒放大示意图；
图2A至2D示出根据本发明一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图；
图3A至3D示出根据本发明另一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图；
图4A至4D示出根据本发明又另一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
10.玻璃晶片；10a.玻璃基底；11a.第一侧；11b.第二侧；12.透明导电层；14.掩模图案层；14a.开口；16.荧光材料；16’.磷微粒；16b.胶体；16c.二氧化钛微粒；18.模塑透镜；20.透镜板；20a、22.透镜模块；30.模具；100.半导体晶片；100a.凹穴；100b.凹口；100c.贯穿开口；101.LED芯片；102、113.绝缘层；103.导线；104.内部导线层；106、106a.透明树脂；108.黏着层；112、112a.外部导线层；114.反射层；200.半导体基底。
具体实施方式
以下说明本发明的实施例。此说明的目的在于提供本发明的总体概念而并非用以局限本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求为准。
图2D、3D、4D分别示出根据本发明不同实施例的LED装置剖面示意图，其中图3D及4D与图2D中使用相同的部件省略相关的说明。请参照图2D，LED装置包括一半导体基底200，例如硅基底或其它公知的半导体基底，其具有一凹穴100a。半导体基底200可包含各种组件，例如晶体管、电阻及其它公知的半导体组件。此处为了简化附图，并未示出各个组件。
至少两个分隔的内部导线层104设置于凹穴100a内。一LED芯片101，例如蓝光LED芯片，设置于凹穴100a内并通过打线(wire bonding)的导线103而电性连接至内部导线层104。在其它实施例中，LED芯片101可通过倒装芯片(flip chip)的方式而电性连接至内部导线层104。至少两个分隔的外部导线层112设置于半导体基底200的下表面，用以作为输入端。在本实施例中，外部导线层112延伸至半导体基底200的侧壁，且内部导线层104延伸至半导体基底200的上表面，使外部导线层112直接与内部导线层104连接而电性连接至LED芯片101。
一透明树脂106，例如环氧树脂或胶，可选择性填入凹穴100a，以覆盖并保护LED芯片101。
一透镜模块20a通过一黏着层108而贴附于半导体基底200的上表面，用以覆盖凹穴100a。在本实施例中，透镜模块20a包括：一模塑透镜18、一透明导电层12，其上涂覆对应于LED芯片101的一荧光材料16以及设置于模塑荧光层12与模塑透镜18之间的一玻璃基板10a。荧光材料16位于模塑透镜18下方且面向LED芯片101。请参照图1D及1E，荧光材料16包括多个磷微粒16’位于其内且每一磷微粒16’的表面覆盖含有二氧化硅(SiO2)与氧化铝(Al2O3)的胶体16b而形成一核壳(core-shell)结构。特别的是胶体16b包含多个二氧化钛(TiO2)微粒16c位于其内，用以增加LED装置的发光效率(luminous efficiency)。
一反射层114，例如金属或其它公知的反射材料，可涂覆于透镜模块20a的边缘，以防止漏光。因此，可增加LED装置的亮度。
请参照图3D，不同于图2D所示的LED装置，半导体基底200可具有至少两个贯穿开口100c，其位于凹穴100a下方，使至少两个外部导线层112a分别通过贯穿开口100c而电性连接至内部导线层104。再者，可选择性地在半导体基底200与透镜模块20a的侧壁覆盖一绝缘层113。
请参照图4D，不同于图3D所示的LED装置，荧光材料16直接贴覆于模塑透镜18下方而不具有玻璃基底10a设置于透明导电层12与模塑透镜18之间。也就是，荧光材料16位于透明导电层12与模塑透镜18之间。再者，为了避免透明导电层12与两个分隔的内部导线层104电性连接，一透明树脂106a形成于半导体基底200的上表面并填入凹穴100a，以覆盖两个分隔的内部导线层104及LED芯片101。也就是，包括透明导电层12、模塑透镜18以及位于两者之间的荧光材料16的一透镜模块22贴附于透明树脂106a而不形成如图2D或3D所示的黏着层108。
请参照图2A至2D，其示出根据本发明一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图。如图2A所示，提供一半导体晶片100，例如一硅晶片或其它公知的半导体晶片。半导体晶片100具有彼此相邻的多个凹穴100a且排列成一阵列。此处为了简化附图，仅示出两个相邻的凹穴100a。
一绝缘层102，例如由热氧化法、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)或其它公知的沉积技术所形成的氧化硅层，以及一金属层(未示出)是依序顺应性地形成于半导体晶片100的上表面及每一凹穴100a的内表面。金属层可由铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)或银(Ag)或其合金所构成。再者，通过光刻及蚀刻工艺以图案化金属层而在每一凹穴100a内形成至少两个分隔的内部导线层104。内部导线层104延伸至半导体晶片100的上表面。
多个LED芯片101对应放置于凹穴100a内且通过打线的导线103或通过倒装芯片的凸块(bump)(未示出)而电性连接至对应的内部导线层104。再者，可选择性将一透明树脂106，例如环氧树脂或胶，填入每一凹穴100a内以覆盖及保护每一LED芯片101。
请参照图2B，通过一黏着层108，例如一环氧树脂层，将一透镜板20覆盖于半导体晶片100的凹穴100a上方。图1A至1D是绘示出根据本发明一实施例的透镜板20的制造方法剖面示意图。请参照图1A，提供一玻璃晶片10，其具有一第一侧11a及相对的一第二侧11b。在玻璃晶片10的第一侧11a上形成一透明导电层12，例如一铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)或铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)。透明导电层12的厚度在100至800埃
Figure GSB00000443820200051
的范围。接着，通过公知光刻技术在透明导电层12上形成一掩模图案层14。掩模图案层14具有多个开口14a对应于如图2A所示的凹穴100a，且露出透明导电层12。此处为了简化附图，仅示出两个开口14a。请参照图1B，每一开口14a内是填入一荧光材料16，例如一磷材料层。在本实施例中，荧光材料16通过以下的步骤来形成。首先，通过混合含有二氧化钛(TiO2)、乙醇(ethanol)及四乙氧基硅烷(tetraethyl orthosilicate，TEOS)或硅酸四甲酯(tetramethyl orthosilicate，TMOS)的一第一溶液、含有异丙氧基铝(aluminum iso-propoxide，Al-iPO)或三异丁基烷氧铝(aluminumtri-sec-butoxide，Al-tsBO)、乙醇或乙酰丙酮(acetylacetone)的一第二溶液以及含有磷及乙醇或水的一第三溶液来进行溶胶-凝胶(so-gel)工艺。接着，将含有第一、第二及第三溶液的混合物加热至60至100℃的范围，而加热时间约在1至20小时的范围。之后，利用上述混合物作为前驱物(precursor)、利用异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)作为载送液(carrier solution)以及利用透明导电层12作为阴极来进行电泳沉积工艺。在电泳沉积期间，可将硝酸镁(Mg(NO3)2)加入上述混合物以增加导电性。另外，可选择性地对透明导电层12进行表面处理，例如通过硫酸(H2SO4)与双氧水(H2O2)的混合物来进行酸洗，使透明导电层12的表面具有OH基，其可增加荧光材料16与透明导电层12之间的黏着性。在完成电泳沉积之后，荧光材料16会填入每一开口14a，其中荧光材料16包括多个磷微粒16’位于其内，且每一磷微粒16’的表面覆盖含有二氧化硅与氧化铝的胶体16b而形成一核壳结构。特别的是胶体16b包含多个二氧化钛微粒16c位于其内，如图1E所示。请参照图1C，通过一模具30，在玻璃晶片10的第二侧11b上形成对应于荧光材料16的多个模塑透镜18，其包括一树脂材料。在去除模具30及掩模图案层14之后，便可完成透镜板20的制作，如图1D所示。在将透镜板20贴附于半导体晶片100上方之后，透镜板20的每一荧光材料16会面向对应的LED芯片101。
请参照图2C，通过研磨半导体晶片100的底部，例如，使用化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)，以对其进行薄化。接着，依序蚀刻研磨后的半导体晶片100下表面及位于上方的黏着层108以在相邻的凹穴100a之间形成多个凹口100b，借以构成多个单个的半导体基底200并露出透明导电层12。通过金属层(未绘示)沉积及后续进行光刻及蚀刻步骤，以在每一半导体基底200的下表面形成至少两个分隔的外部导线层112。外部导线层112可由相同或相似于内部导线层104的材料所构成。在本实施例中，外部导线层112是作为输入端且延伸至每一半导体基底200的侧壁及露出的玻璃晶片10上，使两个外部导线层112直接连接至对应的内部导线层104并电性连接至对应的LED芯片101。在其它实施例中，可在研磨半导体晶片100下表面、形成凹口100b以及形成分隔的外部导线层112之后，才在玻璃晶片10上形成模塑透镜18。
请参照图2D，自凹口100b切割透镜板20，以在对应的半导体基底200上形成单个的透镜模块20a。此处为了简化附图，仅示出上方具有透镜模块20a的单一半导体基底200。接着，在每一透镜模块20a的边缘涂覆一反射层114，用以防止漏光而增加LED芯片101的亮度。如此一来，便完成本实施例的LED装置的制作。
图3A至3D示出根据本发明另一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图，其中图3A至3D与图2A至2D相同的部件是使用相同并省略相关的说明。请参照图3A，提供一半导体晶片100，其包括彼此相邻的多个凹穴100a以及位于每一凹穴100a下方的至少两个贯穿开口100c。
一绝缘层102a，例如由热氧化法、化学气相沉积或其它公知的沉积技术所形成的氧化硅层，顺应性地形成于半导体晶片100的上表面、每一凹穴100a的内表面以及每一贯穿开口100c的内表面。接着，分别在半导体晶片100的上表面及下表面的绝缘层102a上顺应性形成两金属层(未示出)并填入贯穿开口100c。再者，通过光刻及蚀刻工艺以图案化上述金属层而在每一凹穴100a内形成至少两个分隔的内部导线层104且在每一凹穴100a下方的半导体晶片100形成至少两个分隔的外部导线层112a。因此，每一凹穴100a下方的两个外部导线层112a通过贯穿开口100c而与对应的内部导线层104电性连接。
请参照图3B，在半导体晶片100的凹穴100a上方覆盖一透镜板20(如图1C所示)。
请参照图3C，依序蚀刻半导体晶片100下表面及其上方的黏着层108，以在相邻的凹穴100a之间形成多个凹口100b，借以构成多个单个的半导体基底200并露出玻璃晶片10。
请参照图3D，自凹口100b切割透镜板20，以在对应的半导体基底200上形成单个的透镜模块20a。可选择性地在每一半导体基底200与每一透镜模块20a的侧壁覆盖一绝缘层113。接着，在每一透镜模块20a的边缘涂覆一反射层114，用以防止漏光。如此一来，便完成本实施例的LED装置的制作。
图4A至4D示出根据本发明又另一实施例的LED装置的制造方法剖面示意图，其中图4A至4D与图3A至3D相同的部件是使用相同并省略相关的说明。请参照图4A，提供一半导体晶片100，其结构相同于图3A所示。在本实施例中，一透明树脂106a形成于半导体晶片100的上表面并填入每一凹穴100a，用以覆盖对应的分隔的内部导线层104以及LED芯片101。
请参照图4B，在透明树脂106a上形成由ITO或IZO所构成的一透明导电层12，其厚度在100至800埃的范围。接着，通过公知光刻工艺，在透明导电层12上形成一掩模图案层14，其具有多个开口14a对应于凹穴100a并露出透明导电层12。通过前述的电泳沉积，在每一开口14a填入一荧光材料16。通过模具30在对应的荧光材料16上形成模塑透镜18。
请参照图4C，移除模具30。接着，请参照图4D依序切割相邻的凹穴100a之间的半导体晶片100及上方的透明树脂106a与透明导电层12，以形成具有透镜模块22的多个单个的半导体基底200。可选择性地在每一半导体基底200与每一透镜模块22的侧壁覆盖一绝缘层113。接着，在每一透镜模块22的边缘涂覆一反射层114，用以防止漏光。如此一来，便完成本实施例的LED装置的制作。
根据上述的实施例，荧光层是形成于一额外的玻璃载板或透明导电层。相对比于公知的填入LED芯片周围的荧光层而言，可改善荧光层的厚度均匀性。再者，由于荧光层通过电泳沉积而成且可通过晶片级封装(wafer levelpackage)技术进行LED装置的封装，故可达到较高的生产速率并降低制造成本。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种半导体装置，包括：
一半导体基底，具有一凹穴；
一发光二极管芯片，设置于该凹穴内；
至少两个分隔的外部导线层，设置于该半导体基底的下表面且电性连接至该发光二极管芯片，用以作为输入端；以及
一透镜模块，贴附于该半导体基底的上表面，以覆盖该凹穴，包括：
一模塑透镜；
一透明导电层，其上涂覆一荧光材料且位于该模塑透镜下方；以及
一玻璃基底，设置于该透明导电层与该模塑透镜之间。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括：
一透明树脂，位于该半导体基底上并填入该凹穴以覆盖该发光二极管芯片；以及
一反射层，涂覆于该透镜模块的边缘。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括至少两个分隔的内部导线层，设置于该凹穴内，且电性连接于该发光二极管芯片与所述分隔的外部导线层之间。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中该半导体基底包括位于该凹穴下方的至少两个贯穿开口，使所述外部导线层分别通过所述贯穿开口而电性连接至该内部导线层。
5.根据权利要求3所述的半导体装置，其中所述外部导线层延伸至该半导体基底的侧壁，且所述内部导线层延伸至该半导体基底的上表面，使所述外部导线层分别电性连接至所述内部导线层。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该荧光材料包括多个磷微粒位于其内，且每一磷微粒的表面覆盖含有二氧化硅与氧化铝的胶体而形成一核壳结构。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中该胶体还包含多个二氧化钛微粒位于其内。
8.一种半导体装置的制造方法，包括：
提供一玻璃晶片，具有一第一侧及一相对的第二侧；
在该玻璃晶片的该第一侧上形成一透明导电层；
在该透明导电层上形成一掩模图案层，其具有多个开口以露出该透明导电层；
在每一开口填入一荧光材料；
在该玻璃晶片的该第二侧上形成多个透镜，其对应于所述开口；
去除该掩模图案层而形成一透镜板；
在一半导体晶片上覆盖该透镜板，其中该半导体晶片包括多个凹穴对应于该透镜板的所述荧光材料，以及多个发光二极管芯片位于对应的所述凹穴内；
蚀刻该半导体晶片的底表面，以在相邻的所述凹穴之间形成多个凹口而构成多个单个的半导体基底；以及
自所述凹口切割该透镜板，以在对应的所述半导体基底上形成多个单个的透镜模块。
9.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，还包括：
在每一半导体基底的下表面形成至少两个分隔的外部导线层，且电性连接至对应的该发光二极管芯片，用以作为输入端；以及
在每一凹穴内形成至少两个分隔的内部导线层，以电性连接于对应的该发光二极管芯片与对应的所述分隔的外部导线层之间。
10.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其中每一半导体基底包括位于该凹穴下方的至少两个贯穿开口，使所述外部导线层分别通过所述贯穿开口而电性连接至对应的所述内部导线层。
11.根据权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其中所述外部导线层延伸至对应的该半导体基底的侧壁，且对应的所述内部导线层延伸至对应的该半导体基底的上表面，使所述外部导线层分别电性连接至对应的所述内部导线层。
12.根据权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其中通过该透明导电层作为电泳沉积的阴极，以将该荧光材料填入每一开口内；每一荧光材料包括多个磷微粒位于其内，且每一磷微粒的表面覆盖含有二氧化硅与氧化铝的胶体而形成一核壳结构。
13.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，其中该胶体还包含多个二氧化钛微粒位于其内。
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