CN102194801A - 正向发光的发光二极管封装结构及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一正向发光的发光二极管封装结构及其形成方法，主要是通过双面电路结构，形成一双面或单面出光的正向发光的发光二极管封装结构。另外，本发明利用硅材料作为半导体组件封装基板，以增加半导体发光组件封装的散热效应，进而提升其发光效应以及延长其寿命。

Description

正向发光的发光二极管封装结构及其形成方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光组件的封装结构，特别是关于一种正向发光的发光二极管封装结构及其形成方法。
背景技术
随着半导体发光组件(semiconductor light emitting device)之技术日益进步，越来越多产品的发光源均采用发光二极管(light emitting diode，LED)、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)或雷射二极管(laser diode，LD)。半导体发光组件相较于传统灯泡其特点包含较长的寿命、较低的能量消耗、较低的热能产生、较少的红外光光谱产生以及组件尺寸较小(compact)。然而，现今业界对于半导体发光组件封装结构的主要需求，是藉由封装结构形成表面黏着组件(surface mounted device，SMD)的结构，但封装结构往往是热传导率(thermalconductivity)不佳的材质所组成，例如：聚邻苯二甲酰胺(Polyphthalamide，PPA)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)或聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethylmethacrylate，PMMA)等塑化材料，其热传导率约为0.1～0.22瓦米-1开尔文-1(W/M-k)。因此，现今许多的技术乃采用高热传导率的材料作为封装结构，以增加半导体发光组件的寿命以及发光效率，其材质例如硅(silicon)或陶瓷(ceramic)，其热传导率可达到150瓦米-1开尔文-1(W/M-k)以上。
承上所述，表面黏着组件之封装结构一般包含了正向发光(top-view或topemitting type)以及侧向发光(side-view或side emitting type)两种结构，其中两种结构的差异在于正向发光的封装结构之出光面与表面黏着面(surface mountedsurface)或底面为彼此相对或平行，而侧向发光的封装结构之出光面与表面黏着面或底面为彼此相邻或垂直。一习知技艺利用电极结构延伸至硅基板面之接合表面形成单面或双面出光的侧向发光结构。然而，侧向发光封装结构的薄型化设计，使得其封装结构相较于正向发光的封装结构具有较薄的杯壁。但上述薄化的封装结构易导致光容易渗透出杯壁而降低出光量，以及应力承受差的问题。同样地，侧向发光的封装结构相较于正向发光的封装结构具有较小区域的光反射面积，因而降低其发光组件之光萃取率。因此，侧向发光封装结构仅能运用于较薄型化的产品，例如手机的背光模块(backlight unit，BLU)或亮度需求低的应用；相反地，正向发光的封装结构则是运用于亮度需求高的产品，例如显示器的背光模块或照明等等。
再者，于许多现代化的产品中，高亮度以及薄型化的设计的需求往往是必要的。但习知技艺中，正向发光的封装结构往往只有单面出光的封装结构。如果将单面出光的封装结构运用于高亮度或多向出光的背光模块或照明产品中，通常需要多个封装结构才能达到上述之目的。如此一来，将导致产品成本上升以及产品体积增加等缺失。因此，现今仍需要一项新的技术来克服上述的问题。
发明内容
本发明旨在提供一具有双面出光且具有高导热效率的正向发光的半导体发光组件封装结构及其形成方法。
一种正向发光的半导体发光组件的封装结构，包含一硅基板、至少一第一半导体组件、至少一第二半导体组件以及一电路结构。上述硅基板更包含一第一面，系半导体发光组件封装结构之出光面；以及一第二面，系半导体发光组件封装结构之底面并用以接合外部电路，其中第一面以及第二面分别位于硅基板之相对两侧。上述电路结构设置于硅基板之第一面及第二面，其中电路结构系用以电性连结至少一第一半导体组件以及至少一第二半导体组件之电性于外部电路。
上述至少一第一半导体组件设置于硅基板之第一面，并且系用以发出至少一波长之光线。并且上述至少一第二半导体组件系设置于硅基板之第二面，第二半导体组件包含至少一半导体发光组件、至少一齐纳二极管(Zener diode)或其组合。
一种形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，其步骤包含：提供一硅基板之步骤，其中硅基板具有一第一面以及一第二面，并且第一面以及第二面分别位于硅基板之相对两侧；一形成一电路结构于硅基板之第一面及第二面之步骤；一设置至少一第一半导体组件于硅基板之第一面之步骤，其中上述至少一第一半导体组件系用以发出至少一波长之光线，并且电性连结于电路结构；一设置至少一第二半导体组件于硅基板之第二面之步骤，其中至少一第二半导体组件电性连结于电路结构。值得说明的是，上述第一面系正向发光之发光二极管封装结构之出光面，而第二面系正向发光之发光二极管封装结构之底面，其中底面系用以接合外部电路，使得前述正向发光之发光二极管封装结构可形成一表面黏着组件。于本发明较佳实施例中，上述至少一第二半导体组件为至少一半导体发光组件、至少一齐纳二极管或其组合。
本发明利用硅材料作为半导体组件封装基板，可增加半导体发光组件封装的散热效应，进而提升半导体发光组件封装的发光效应以及寿命时间。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1A显示本发明第一实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的俯视示意图；
图1B显示本发明第一实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的仰视示意图；
图1C图显示本发明第一实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的剖面示意图；
图2A显示本发明第二实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的俯视示意图；
图2B显示本发明第二实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的仰视示意图；
图2C显示本发明第二实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的剖面示意图；
图3显示本发明第三实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的剖面示意图；
图4显示本发明第四实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的剖面示意图；
图5显示本发明第五实施例之正向发光之半导体发光组件的封装结构的剖面示意图；以及
图6显示本发明形成正向发光之发光二极管封装结构的方法之流程图。
主要元件符号说明
第一至第五正向发光之半导    1～5
体发光组件的封装结构
硅基板                      10、10’、100
第一半导体组件              11
第二半导体组件              12
电路结构                    13、13’
第一覆盖层                  14、
第一反射层                  15
第二覆盖层                  16
第二反射层                  17
第一绝缘层                  18
孔洞                        20a、20b、20a’、20b’
第一面                      101、101’、1001
第二面                      102、102’、1002
第一凹杯                    103、103’
第二凹杯                    104、104’
半导体发光组件              121
齐纳二极管                  122
第一电极                    131
第二电极                    132
第一波长转换单元            141
第二波长转换单元    161
第三绝缘层          200
步骤                S1～S4
具体实施方式
下文将配合图示与实施例，详细说明本发明提供的正向发光之发光二极管封装结构及方法。
本发明第一实施例提供一第一正向发光之半导体发光组件的封装结构1，请参照图1A、图1B以及图1C。上述第一正向发光之半导体发光组件的封装结构1，包含一硅基板10、一第一半导体组件11、一第二半导体组件12以及一电路结构13。上述硅基板10包含一第一面101及第二面102，第一面101和第二面102分别位于硅基板10的相对两侧。第一面101是半导体发光组件封装结构之出光面；第二面102是半导体发光组件封装结构之底面并用以接合外部电路。
本实施例中，第一正向发光之半导体发光组件的封装结构1还包含一第一凹杯103，设置于硅基板10之第一面101；以及一第二凹杯104，设置于硅基板10之第二面102。至少一第一半导体组件11及至少一第二半导体组件12分别设置于第一凹杯103及第二凹杯104结构中，通过凹杯结构可固定半导体组件之光场并且增加光萃取效率。承上所述，为增加封装结构的反射效率，可另包含一第一反射层15及一第二反射层17，其分别位于硅基板10之第一凹杯103及第二凹杯104的杯壁，其中第一反射层15及第二反射层17可为金属材质，例如铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或锡(Sn)。另外，第一正向发光之半导体发光组件的封装结构1还包含一第一绝缘层18及第二绝缘层(未显示于图中)分别覆盖第一反射层15及第二反射层17，第一绝缘层18及第二绝缘层为透明绝缘层，其材质可以为氧化硅(SiO)或氮化硅(SiN)。并且，第一绝缘层18及第二绝缘层用以阻隔第一反射层15、第二反射层17分别与电路结构13的电连结，以避免影响第一正向发光之半导体发光组件的封装结构1之电性。
电路结构13设置于硅基板10的第一面101及第二面102，用以将至少一第一半导体组件11、至少一第二半导体组件12点连接至外部电路。电路结构13位于硅基板10的第一面101且延伸至硅基板10的第二面102。硅基板10开设多个贯穿第一面101、第二面102的通孔20a、20b，电路结构13通过多个通孔20a、20b从硅基板10的第一面101延伸至第二面102。值得说明的是，电路结构13可填满多个通孔20a、20b，或者仅设置在多个通孔20a、20b的孔壁。可以理解，多个通孔20a、20b并不限于图1A至图1C中的长方形，也可为其它规则或不规则的形状，例如：梯形、倒梯形、三角形或其组合。
另外，多个通孔20a、20b从第一面101的第一凹杯103内贯穿至第二面102的第二凹杯104内，如图1C所示。电路结构13包含一第一电极131及一第二电极132，其中第一电极131与第二电极132电性不同。可以理解，电路结构13、第一电极131及第二电极132不限于本实施例附图中所示意之形状。
前述至少一第一半导体组件11以及至少一第二半导体组件12可通过打线接合或覆晶(未显示图形)的技术分别电性连结第一电极131以及第二电极132。
另外，上述电路结构13为金属结构且具有反射功能，其材质可以为铜(Cu)、镍(Ni)、银(Ag)、铝(A1)、锡(Sn)、金(Au)或其它可导电的材料，如此一来，电路结构13除作为电性连结之功能外也可当作反射层。可以理解，电路结构13不限于图示中的形状。
本发明第二实施例提供一第二正向发光之半导体发光组件的封装结构2，请参照图2A、图2B以及图2C。第二正向发光之半导体发光组件的封装结构2的多个通孔20a’、20b’从第一面101’的第一凹杯103’外部贯穿至第二面102’的第二凹杯104’外部，电路结构13’通过多个通孔20a’、20b’自硅基板10’的第一面101’延伸至第二面102’，并且电路结构13’从第一凹杯103’内部延伸至第二凹杯104’内部。
至少一第一半导体组件11设置于硅基板10、10’的第一面101、101’，用以发出至少一波长之光线。优选地，第一半导体发光组件11可以为III-V族或II-VI族化合物半导体芯片，并且可发出可见或不可见的光束，例如：紫外光(UV)、蓝光、绿光或多波长的半导体发光组件。值得注意的是，本发明所提供的第一半导体发光组件11并不局限于发光二极管晶粒，也可为雷射二极管或有机发光二极管。
此外，至少一第一半导体组件11可以为多个半导体发光组件(未显示于图中)可分别或同时发出可见或不可见的光束，例如：紫外光、紫光、蓝光、绿光、红光、蓝光、黄光或多波长的半导体发光组件。再者，本发明所提供之半导体发光组件封装结构可依照不同的应用或需求，使至少一第一半导体组件11可以为两种以上相同或不同波长之半导体发光组件的组合。
请继续参照图1C以及图2C，上述第一、二实施例中，除上述组件外，另包含一第一覆盖层14分别于硅基板10、10’的第一凹杯103中，用以包覆至少一第一半导体发光组件11及部分电路结构13、13’。第一覆盖层14的材质包含了下列至少一种物质的组合：二氧化硅(SiO2)、环氧树脂(epoxy)或其它任一可透光之材料。此外，第一覆盖层14可包含至少一第一波长转换单元141，其受到至少一第一半导体发光组件11之任一光线激发后，会发出不同于初始光波长之光线，使得半导体发光组件的封装结构可同时发出具有多波长的光线。第一波长转换单元141可以为钇铝石榴石(YAG)、铽铝石榴石(TAG)、硅酸盐、氮化物、氮氧化物、磷化物、硫化物或其组合。
上述至少一第二半导体组件12设置于硅基板10、10’的第二凹杯104中。然而，于本发明不同的实施例中，上述第一、二实施例中，至少一第二半导体组件12可包含至少一半导体发光组件121、至少一齐纳二极管122或其组合。
承上所述，请参照图1C、图3与图4之剖面示意图，其中图3为第三实施例的第三正向发光之半导体发光组件的封装结构3之剖面示意图，而图4为第四实施例的第四正向发光之半导体发光组件的封装结构4之剖面示意图。值得说明的是，第一、三实施例的正向发光之半导体发光组件的封装结构1、3均为具有双面出光功能的结构，而第四实施例的正向发光之半导体发光组件的封装结构4为单面出光功能的结构。具体地，正向发光之半导体发光组件的封装结构1为双面出光之半导体发光组件封装，包含位于相对两侧之第一半导体发光组件11以及第二半导体发光组件12，其中第二半导体组件12包含一半导体发光组件121以及一齐纳二极管122，并且齐纳二极管122系用以防止静电的产生。然而，上述第三正向发光之半导体发光组件的封装结构3也为双面出光之半导体发光组件封装，包含位于相对两侧之第一半导体发光组件11以及一半导体发光组件121。再者，上述第四正向发光之半导体发光组件的封装结构4为单面出光之半导体发光组件封装，包含位于相对两侧之第一半导体发光组件11以及一齐纳二极管122，并且齐纳二极管122系用以防止静电的产生。
上述半导体发光组件121包含III-V族或II-VI族化合物半导体芯片，并且可发出可见或不可见的光束，其说明与前述之第一半导体组件11相同，故在此不再赘述。上述之第一、第二、第三以及第四正向发光的半导体发光组件封装结构1、2、3、4，还可包含一第二覆盖层16于硅基板10之第二凹杯104中，用以包覆上述至少一第二半导体组件12及部分电路结构13。第二覆盖层16与第一覆盖层14的组成相同。并且，第二覆盖层16可包含至少一第二波长转换单元161，其功能与材料于前述第一波长转换单元141相同。
然而，上述硅基板10、10’为高电阻的材质，请参照图5之剖面示意图，第五实施例中，硅基板100为低电阻的材质，一第三绝缘层200设置于电路结构13与硅基板100之间。第三绝缘层200可以为氧化硅或氮化硅，可通过热氧化法或氮化法形成。第三绝缘层200用以防止电路结构13的导通电流渗入硅基板100中，进而影响正向发光之半导体发光组件的封装结构5之电性。
请参照图6之流程图，本发明提供一种形成正向发光之发光二极管的封装结构的方法，其包括以下步骤：
步骤S1，提供一硅基板，其具有一第一面以及一第二面，并且第一面以及第二面分别位于硅基板之相对两侧。
步骤S2，形成一电路结构于硅基板的第一面和第二面。，电路结构可通过电镀法、蒸镀法或电子束磊晶所形成。
步骤S3，设置至少一第一半导体组件于硅基板之第一面，且与第一面的电路结构电连接。上述至少一第一半导体组件用以发出至少一波长之光线。第一半导体组件可通过打线接合或覆晶封装的技术固定在硅基板的第一面。
步骤S4，设置至少一第二半导体组件于硅基板的第二面且与第二面的电路结构电连接。第二半导体组件可通过打线接合或覆晶封装的技术固定在硅基板之第二面。
值得说明的是，上述第一面为正向发光之发光二极管封装结构之出光面，而第二面为正向发光之发光二极管封装结构的底面，其中底面用以接合外部电路，使得前述正向发光之发光二极管封装结构可形成一表面黏着组件。上述实施例中，至少一第二半导体组件为至少一半导体发光组件、至少一齐纳二极管或组合。
承上述之方法，为固定半导体组件之光场并且增加半导体发光组件的光萃取效率，优选地，进一步形成一第一凹杯于硅基板的第一面，且上述至少一第一半导体组件设置于第一凹杯中。另外，可进一步形成一第二凹杯于第二面，前述至少一第二半导体组件设置于第二凹杯中。上述第一凹杯以及第二凹杯可通过湿式蚀刻法形成。
上述硅基板采用低电阻的材质时，可进一步形成一第三绝缘层于电路结构及硅基板之间。第三绝缘层可以为氧化硅或氮化硅，且可通过热氧化法或氮化法形成。
上述制程中，为增加封装结构的反射效率，形成一第一反射层于硅基板之第一面以及第一绝缘层之间。优选地，进一步形成一第二反射层于硅基板之第二面以及第二绝缘层之间。此外，上述第一反射层以及第二反射层可以为金属材质，可利用电镀法、蒸镀法或电子束磊晶形成。
上述电路结构位于硅基板之第一面并延伸至硅基板之第二面，且电路结构通过多个通孔自第一面延伸至第二面。另外，电路结构还包括第一电极以及电性不同的第二电极。硅基板的多个通孔，电路结构的第一、二电极均可利用湿式蚀刻法形成。
从本发明之手段与具有的功效中，可以得到本发明具有诸多的优点。首先，本发明利用硅材料作为半导体组件封装基板，可增加半导体发光组件封装的散热效应，进而提升半导体发光组件封装的发光效应以及寿命时间。另外，本发明所提供之正向发光的发光二极管封装结构具有双面电极结构，可形成一双面出光或单面出光之正向发光的发光二极管封装结构。并且，配合凹杯及反射层之功效，可固定半导体组件封装之光场并且增加其光萃取效率。然而，单面出光之半导体发光组件封装也可利用双面电极结构，将齐纳二极管设置于半导体发光组件之相对面，藉此可防止齐纳二极管将光束吸收并降低出光效率之问题产生。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项之范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例中施行。上述仅为本发明之较佳实施例而已，并非用以限定本发明之权利要求；凡其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述权利要求内。

Claims (10)

1.一正向发光之发光二极管封装结构，其特征在于：包含：
一硅基板，具有一第一面以及一第二面，该第一面以及该第二面分别位于该硅基板的相对两侧；
至少一第一半导体组件，设置于该硅基板的该第一面，用以发出至少一波长的光线；
至少一第二半导体组件，设置于该硅基板的该第二面；以及
一电路结构，设置于该硅基板的该第一面及该第二面，其中该电路结构用以将该至少一第一半导体组件以及该至少一第二半导体组件电连结至外部电路；
其中该第一面是该正向发光之发光二极管封装结构的出光面，而该第二面是该正向发光之发光二极管封装结构的底面，并且该底面用以接合外部电路。
2.根据权利要求第1项所述的正向发光之发光二极管封装结构，其特征在于：该至少一第一半导体组件以及该至少一第二半导体组件分别为半导体发光组件、发光二极管、雷射发光二极管、齐纳二极管或其组合。
3.根据权利要求第1项所述的正向发光之发光二极管封装结构，其特征在于：更包含：
一第一凹杯以及一第二凹杯，其中该第一凹杯设置于该第一面而该第二凹杯设置于该第二面，并且该至少一第一半导体组件以及该至少一第二半导体组件分别设置于该第一凹杯与第二凹杯中；
一第一反射层以及一第二反射层，其中该第一反射层位于该第一凹杯之杯壁，而该第二反射层位于该第二凹杯之杯壁；以及
一第一绝缘层以及一第二绝缘层，其中该第一绝缘层及第二绝缘层分别覆盖于该第一反射层以及该第二反射层。
4.根据权利要求第1项所述的正向发光之发光二极管封装结构，其特征在于：该硅基板为低电阻材质，一第三绝缘层设置于该电路结构与该硅基板之间，其中该第三绝缘层用以防止该电路结构的导通电流渗入该硅基板中。
5.根据权利要求第1项所述的正向发光之发光二极管封装结构，其特征在于：该硅基板开设贯穿该第一面和第二面的多个通孔，并且该电路结构通过该多个通孔，从该第一面延伸至该第二面。
6.一种形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，包含以下步骤：
提供一硅基板，具有一第一面以及一第二面，其中该第一面以及该第二面分别位于该硅基板之相对两侧；
形成一电路结构于该硅基板之该第一面及该第二面；
设置至少一第一半导体组件于该硅基板之该第一面，其中该至少一第一半导体组件用以发出至少一波长之光线，并且该至少一第一半导体组件电性连结于该电路结构；以及
设置至少一第二半导体组件于该硅基板之该第二面，并且电性连结于该电路结构；
其中该第一面为该正向发光之发光二极管封装结构之出光面，而该第二面为该正向发光之发光二极管封装结构之底面，并且该底面用以接合外部电路。
7.根据权利要求第6项所述的形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，其特征在于：还包含：
形成一第一凹杯于该第一面以及一第二凹杯于该第二面之步骤，其中该第一凹杯以及该第二凹杯是通过湿式蚀刻法形成；
形成一第一反射层以及一第二反射层之步骤，其中该第一反射层位于该第一凹杯的杯壁而该第二反射层位于该第二凹杯的杯壁，并且该第一反射层以及该第二反射层系利用电镀法、蒸镀法或电子束磊晶形成；以及
形成一第一绝缘层以及一第二绝缘层之步骤，其中该第一绝缘层位于该第一反射层上而该第二绝缘层位于该第二反射层上，并且该第一绝缘层与该第二绝缘层系藉由热氧化法或氮化方式形成。
8.根据权利要求第7项所述的形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，其特征在于：还包含形成一第三绝缘层位于该电路结构与该硅基板之间，其中该第三绝缘层为氧化硅或氮化硅，是通过热氧化法或氮化方式形成，该硅基板为低电阻材质。
9.根据权利要求第6项所述的形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，其特征在于：还包含利用湿式蚀刻形成多个通孔于该第一面上，其中该多个通孔从该第一面贯穿该硅基板至该第二面。
10.根据权利要求第9项所述的正向发光之形成正向发光之发光二极管封装结构的方法，其特征在于：还包含利用蚀刻法使得该电路结构形成一第一电极及一第二电极，其中该第一电极与该第二电极彼此电性不相同，并且该至少一第一半导体组件或该至少一第二半导体组件系通过打线接合或覆晶分别电性连结于该第一电极以及该第二电极。
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