CN102024710B - 光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置 - Google Patents

光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置，该光电元件的制造方法包含下列步骤：首先提供一陶瓷基板，接着于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒。接着于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层，以及将该陶瓷基板定位于一下模具和一上模具之间，并于该下模具及该陶瓷基板间放置一缓冲层。最后通过注射成型或传递成型的方式于该第一封装层的上表面形成多个透镜。

Description

光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置
技术领域
本发明涉及一种光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置，特别涉及一种采用陶瓷基板作为基底的光电元件的制造方法、封装结构及其封装装置。
背景技术
光电元件中的发光二极管(light emitting diode；LED)由于具有低耗电、高亮度、体积小及使用寿命长等优点，因此被认为是次世代绿色节能照明的最佳光源。如果将一透镜(lens)附加于一发光二极管的发光面，其可有效地减少全反射现象和波导效应，进一步提升发光二极管的发光效率。图1为美国第US 7,458,703号专利的一具有双透镜结构的发光二极管封装结构100的立体图。该封装结构100包含一较低结构110、一下透镜160及一上透镜180。该较低结构110包含一封装本体130和一导脚120。在封装时，该下透镜160结合该上透镜180以形成一沙漏形状的结构，以此横向地发射所有来自发光二极管晶粒(die)的光线。然而，该下透镜160和该上透镜180在封装前需先独立成型(molding)，因此制作成本高且大量制造时需要额外的工艺和人力以进行组装。
据此，有必要提供一种能大量制造具有透镜结构的光电元件的制造方法、封装结构及封装装置，并且这些光电元件是采用一高导热系数的陶瓷基板作为基底，从而提升散热效果。该方法及装置可有效改善陶瓷基板封装时易碎裂的问题，以此提高光电元件生产时的可靠度及合格率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电元件的制造方法及其封装装置，尤指一种采用陶瓷基板作为基底的光电元件的制造方法及其封装装置。该方法及装置可有效改善陶瓷基板封装时易碎裂的问题，以此提高光电元件生产时的可靠度及合格率。
本发明揭示一种光电元件的制造方法。该制造方法包含下列步骤：提供一陶瓷基板；于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒(photoelectricdie)；于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层；将该陶瓷基板定位于一下模具和一上模具之间；以及于该第一封装层的上表面形成多个透镜。
在一实施方式中，光电元件的制造方法包括下列步骤：首先提供一陶瓷基板，接着于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒。接着于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层，及将该陶瓷定位基板于一下模具和一上模具之间，于该下模具及该陶瓷基板间放置一缓冲层。最后通过注射成型或传递成型的方式以于该第一封装层的上表面形成多个透镜。
在另一实施方式中，光电元件的制造方法包括下列步骤：首先提供一陶瓷基板，接着于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒。接着于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层，及将该陶瓷基板定位于第一模具和第二模具之间，其中该第二模具具有位置对应所述多个光电元件晶粒的多个模穴。再将透明材料分别注入所述多个模穴内。待该透明材料固化后，移除第二模具以于该第一封装层的上表面形成多个透镜。
在又一实施方式中，光电元件的制造方法包括下列步骤：首先提供一陶瓷基板，接着于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒。接着于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层。将该陶瓷基板和第一模具结合。提供一具有位置对应所述多个光电元件晶粒的多个模穴的第二模具，再以透明材料分别注入所述多个模穴内。使该封装层和该透明材料接触，待该透明材料固化后，移除第二模具以于该第一封装层的上表形成多个透镜面。
本发明揭示一种光电元件的封装装置，用于形成以陶瓷基板为基底的光电元件的透镜，其中多个光电元件晶粒设置于一陶瓷基板的上表面，所述多个光电元件晶粒的上表面具有一封装层和多个反射杯。该封装装置包含第一模具、一缓冲层和第二模具。该第一模具设置于该陶瓷基板的下表面。而该第二模具具有一成型面，且该成型面根据所需成型的透镜形状而设计，其设置于该封装层的上表面。其中该缓冲层形成或放置于该第一模具的上表面。
在一实施方式中，提供一种光电元件的封装装置，用于形成以陶瓷基板为基底的光电元件的透镜，其中多个光电元件晶粒设置于一陶瓷基板的上表面，所述多个光电元件晶粒的上表面具有一封装层和多个反射杯，该封装装置包含一第一模具和多个第二模具。该第一模具设置于该陶瓷基板的下表面，而所述多个第二模具设置于所述多个反射杯的间隔之间以形成多个容置空间。
本发明揭示一种光电元件封装结构。该光电元件封装结构包含：一陶瓷基板；一散热层，设置于该陶瓷基板的下表面；一光电元件晶粒，设置于该散热层的上表面；一电极层，设置于该陶瓷基板的上表面；一第一封装层，设置于该光电元件晶粒的上表面；一第二封装层，覆盖于该第一封装层的上表面；一反射结构，其形成于该散热层的该上表面和该陶瓷基板的孔洞中；多个反射杯，设置于该电极层的上表面，以形成一容置空间；多个反射膜形成于所述多个反射杯的表面；以及一透镜结构，固定于该容置空间内；其中，该第一封装层为环氧树脂与荧光粉的混合物，而该透镜结构以一注射成型、一传递成型、一印刷技术或一浸入及冷却工艺所形成。
在一实施方式中，提供一种光电元件封装结构，其包含一陶瓷基板、一散热层、一光电元件晶粒、一电极层、一第一封装层、多个反射杯和一透镜结构。该散热层设置于该陶瓷基板的下表面，且该光电元件晶粒设置于该散热层的上表面。该电极层设置于该陶瓷基板的上表面，且该第一封装层设置于该光电元件晶粒的上表面。所述多个反射杯设置于该第一电极层的上表面，以此形成一容置空间。且该透镜结构固定于该容置空间内。
上述光电元件封装结构另包含一第二封装层。该第二封装层设置于该容置空间内，并介于该透镜结构及该第一封装层之间。
附图说明
图1为美国第US 7,458,703号专利的一具有双透镜结构的发光二极管封装结构的立体图；
图2为根据本发明一实施例的光电元件封装架构的剖面示意图；
图3显示根据本发明一实施例的光电元件的制造方法的步骤示意图；
图4A至图4C显示根据本发明一实施例的使用注射成型以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图；
图5A至图5D显示根据本发明一实施例的使用传递成型以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图；
图6A至图6D显示根据本发明一实施例的使用印刷技术以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图；以及
图7A至图7C显示根据本发明一实施例的使用浸入及冷却方式以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图。
其中，附图标记说明如下：
100发光二极管封装结构            110较低结构
120导脚                          130封装本体
160下透镜                        180上透镜
20光电元件封装架构               210陶瓷基板
212散热层                        214P型电极层
216N型电极层                     218光电元件晶粒
220导线                          222第一封装层
224反射杯                        226金属膜
228第二封装层                    230反射结构
240透镜结构                      S31～S35步骤
410缓冲层                        412陶瓷基板
414下模具                        416上模具
418成型面                        420注入通道
422反射杯                        424块体
426封装层                        430注入装置
432注射管                        434切割线
440透镜结构                      510缓冲层
512陶瓷基板                      514上模具
516上模具                        518成型面
520注入通道                      522反射杯
524膜层                          526封装层
530假模                          540透镜结构
610缓冲层                        612陶瓷基板
614下模具                        616上模具
622反射杯                        626封装层
630注入装置                      632注射管
640透镜结构                      710缓冲层
712陶瓷基板                      714下模具
716上模具                        718成型面
720液态材料                      722反射杯
726封装层                        740透镜结构
具体实施方式
图2为根据本发明一实施例的光电元件封装架构20的剖面示意图。该光电元件封装架构20采用一陶瓷基板210为其基底。该陶瓷基板210可以为一高温共烧陶瓷(High Temperature Cofired Ceramics，HTCC)，或为一低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics，LTCC)。该陶瓷基板10最常使用的材料为氧化铝，而其它常用替代之陶瓷材料，包含：氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)、碳化硅(SiC)、氧化铝(AlO)、玻璃或钻石(Diamond)等。
参照图2，该光电元件封装架构20包含一散热层212、一P型电极层214和一N型电极层216。该散热层212可包含各种导热材质，例如金属，而一光电元件晶粒218设置于该散热层212的上表面。该P型和N型电极层214和216使用半导体工艺(例如蒸镀或溅镀、光学微影、电镀或化镀、蚀刻等)形成其电极图样。一反射结构230，其材料可为金属材质(以喷镀(sputtering)方式形成)或非金属材质(以模塑(molding)方式形成)，形成于该散热层212的上表面和该陶瓷基板210中间的孔洞内，以此增加该光电元件晶粒218的光线反射率。该光电元件晶粒218以一晶粒接合、打线接合或是覆晶接合的方式设置于该陶瓷基板210的散热层212的该上表面，其中导线220用以电性连接该光电元件晶粒218的焊垫(pad)至所述电极层214和216。
在接合工艺后，于所述反射结构230所形成的一容置空间内和该光电元件晶粒218的上表面填充一第一封装层222，用以包覆该光电元件晶粒218。该第一封装层222可以为环氧树脂，也可以为环氧树脂与荧光粉的混合物。该荧光粉吸收光电元件晶粒218的原始光线后，会产生不同波长的二次光线。
一反射杯224形成于该陶瓷基板210的该上表面，该反射杯224通常由不透明或具有高反射率的树脂所制成。该反射杯224上还可包含一形成在其上的高反射率的金属膜226，以增加光线的反射率。此外，在反射杯224中形成一第二封装层228以此包覆该第一封装层222和导线220，以进一步保护光电元件晶粒218不受外力或环境的损害。又，透镜结构240直接形成于反射杯224的容置空间内，因此可以解决现有技术中透镜需要组装及对位的问题。
图3显示根据本发明一实施例的光电元件的制造方法的步骤示意图。在步骤S31中，提供一陶瓷基板；在步骤S32中，于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒；在步骤S33中，于所述多个光电元件晶粒的上表面形成至少一个封装层；在步骤S34中，将该陶瓷基板定位于一下模具和一上模具之间，并于该下模具及该陶瓷基板间放置一缓冲层，用以均匀化该下模具施加于该陶瓷基板的表面的压力；在步骤S35中，于该至少一个封装层的上表面形成多个透镜。步骤S31至S33已于先前描述。以下配合图4A至图4C说明根据本发明一实施例的光电元件的制造方法的细节。
图4A至图4C显示根据本发明一实施例的使用注射成型(injectionmolding)以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图。图4A中的一陶瓷基板412的上表面具有多个反射杯422和一封装层426，且所述多个反射杯422之间设置多个块体424。为了在该陶瓷基板412的上表面以模制方式形成一透镜结构，在图4A中，一缓冲层410需要形成或放置于该下模具414的上表面。其后，该陶瓷基板412定位于一下模具414和一上模具416之间。该上模具414包含一成型面418和多个相应于所述多个块体424的注入通道420，其中该成型面418根据所需成型的透镜形状而设计。
接着，该下模具414和该上模具416进行合模及注胶步骤。参照图4B，一注入装置430自所述多个注入通道420以多个注射管432注入一液态材料。由于合模及注胶时，下模具414直接施压于陶瓷基板412的下表面，若陶瓷基板412稍有不平整，则会遭成局部应力过大。虽然陶瓷基板412的硬度高，但其为脆性材料，故很容易被弯曲应力(bending stress)破坏而脆裂。缓冲层410可以解决陶瓷基板412的不平整问题，或是下模具414的不平整问题，从而均匀化该下模具414施加于该陶瓷基板412的表面的压力。待该液态材料流动于该上模具416和该封装层426的空隙且冷却及固化后，进行一脱模步骤以移除该下模具414、该上模具416和该缓冲层410。该缓冲层410的设置用以降低合模及注胶时的压力，使得该陶瓷基板412在模制过程中可以避免受力时易碎裂的问题，从而提高光电元件生产时的可靠度及合格率。
在脱模后，完成了具有透镜结构440的光电元件。接着，在图4C中，根据以激光或开模的方式在陶瓷基板412上形成的切割线434，并使用钻石刀、激光或水刀沿着该些切割线434切割，或是利用剥、折的步骤以获得独立的光电元件(如图2的封装架构20)。
在上述实施例中，所述多个块体424设置于所述多个反射杯422之间以形成多个具有透镜结构440的光电元件。在另一实施例中，一膜层(未示出；或参见图5D中膜层524)形成于所述多个反射杯422之间，以此保护该陶瓷基板412上的电极层(未示出)避免合模及注胶时可能的损害。该膜层可利用剥离的方式以脱离该陶瓷基板412，同时该膜层上的残胶或胶道(runner)内形成的胶块亦可由此一并移除，以于该陶瓷基板412上形成多个分离的透镜结构440。
图5A至图5D显示根据本发明一实施例的使用传递成型(transfermolding)以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图。图5A中的一陶瓷基板512的上表面具有多个反射杯522和一封装层526，且一膜层524形成于所述多个反射杯522之间。该膜层524的设置用以保护该陶瓷基板512上的电极层(未示出)避免合模及注胶时可能的损害。同样地，为了在该陶瓷基板512的上表面以模制方式形成一透镜结构，在图5A中，一缓冲层510需要形成于该下模具514的上表面。其后，该陶瓷基板512定位于一下模具514和一上模具516之间。该上模具514包含一成型面518和一侧向的注入通道520，其中该成型面518根据所需成型的透镜形状而设计。
参照图5A，一假模530设置于该陶瓷基板512和该上模具516之间，该假模530具有一成型面，而该成型面根据所需成型的透镜形状而设计。该假模530的成型面可以设计为相异于该上模具514的成型面518，以此对透镜结构的外形进行调整。或者，该假模530的成型面的形状可以与该上模具514的成型面518完全相同，使得透镜结构成型时的外型更加平滑。当然，若该上模具514的成型面518经由表面处理亦可以达到平滑的效果，例如：电镀抛光等。参照图5B，当该下模具514、该上模具516和该假模530进行合模时，该封装层526的上表面会形成多个彼此连接的空隙。
接着，一注入装置(未示出)自该注入通道520注入一液态材料。待该液态材料流动于所述多个彼此连接的空隙且冷却及固化后，移除该下模具514、该缓冲层510、该上模具516和该假模530。该膜层524可利用剥离的方式以脱离该陶瓷基板512，同时该膜层524上的残胶或胶道(runner)内形成的胶块都会一并移除，就会于陶瓷基板512上形成多个分离的透镜结构540，如图5D所示。另外，该膜层524亦有缓冲的效果，可以吸收上模具516施加于该陶瓷基板412的表面的压力。在脱模后，完成具有透镜结构的光电元件。最后，根据以激光或开模的方式在陶瓷基板512上形成的切割线，使用钻石刀、激光或水刀切割这些切割线，或是利用剥、折的步骤以获得独立的光电元件。
图6A至图6D显示根据本发明一实施例的使用印刷技术以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图。图6A中的一陶瓷基板612的上表面具有多个反射杯622和一封装层626。为了在该陶瓷基板612的上表面形成一透镜结构，将该陶瓷基板612定位于一下模具614和一上模具616之间。该上模具616设置于所述多个反射杯622的间隔之间以隔离所述光电元件晶粒600，且该上模具616具有一高度以形成多个围绕该光电元件封装架构的容置空间。
参照图6B，一注入装置630以多个对应于所述多个容置空间的注射管632注入一液态材料。待该液态材料填满所述多个容置空间且冷却及固化后，移除该上模具616和该下模具614，如图6C和6D所示。在脱模后，由于该材料的内聚力效应，留存于该容置空间中的材料会于该光电元件晶粒600上方形成一透镜结构640。最后，根据以激光或开模的方式在陶瓷基板612上形成的切割线，使用钻石刀、激光或水刀切割这些切割线，或是利用剥、折的步骤以获得独立的光电元件。
图7A至图7C显示根据本发明一实施例的使用浸入及冷却方式以形成该光电元件的透镜结构的步骤示意图。图7A中的一陶瓷基板712的上表面具有多个反射杯722和一封装层726。为了在该陶瓷基板712的上表面形成一透镜结构，将该陶瓷基板712定位于一下模具714和一上模具716之间。该上模具716包含一成型面718，其中该成型面718根据所需成型的透镜形状而设计，且该成型面上装载一液态材料720。
参照图7B，当该下模具714和该上模具716进行合模时，该封装层726会浸入该上模具716所装载的液态材料720中。待该液态材料720冷却且固化后，将该下模具714提起并移除该上模具716，如图7C所示。在脱模后，完成具有透镜结构740的光电元件。最后，根据以激光或开模的方式在陶瓷基板712上形成的切割线，使用钻石刀、激光或水刀切割这些切割线，或是利用剥、折的步骤以获得独立的光电元件。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并涵盖在所附的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种光电元件的制造方法，包含下列步骤：
提供一陶瓷基板；
于该陶瓷基板的上表面设置多个光电元件晶粒；
于所述多个光电元件晶粒的上表面形成一第一封装层；
将该陶瓷基板定位于一下模具和一上模具之间；以及
于该第一封装层的上表面形成多个透镜；
其中该方法还包含于该下模具的上表面形成或放置一缓冲层，且所述多个透镜通过注射成型或传递成型的方式所形成；
其中该陶瓷基板的该上表面具有多个反射杯，且一膜层形成于所述多个反射杯之间，该上模具包含一成型面和一侧向的注入通道，而该成型面根据所需成型的透镜形状而设计，其中一假模设置于该陶瓷基板和该上模具之间，以在该封装层的上表面形成多个彼此连接的空隙，且该假模具有一成型面，该成型面根据所需成型的透镜形状而设计。
2.根据权利要求1的光电元件的制造方法，其中该陶瓷基板的该上表面具有多个反射杯，而该上模具设置于所述多个反射杯的间隔之间以形成多个容置空间，其中液态材料用以填充所述多个容置空间。
3.一种光电元件的封装装置，用于形成以陶瓷基板为基底的光电元件的透镜，其中多个光电元件晶粒设置于该陶瓷基板的上表面，所述多个光电元件晶粒的上表面具有一封装层和多个反射杯，该封装装置包含：
一第一模具，设置于该陶瓷基板的下表面；以及
一第二模具，具有一成型面，该成型面根据所需成型的透镜形状而设计，其设置于该封装层的上表面；
其中一缓冲层形成或放置于该第一模具的上表面；
其中该封装装置还包含一设置于所述多个反射杯之间的膜层和一设置于该陶瓷基板和该第二模具之间的假模，且该第二模具还包含一侧向的注入通道，而该假模具有一成型面，该成型面根据所需成型的透镜形状而设计。
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