CN103050585A - 发光芯片封装方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
一种发光芯片封装方法及其结构，在一挠性基板上激光钻孔有多个贯穿孔；并在各贯穿孔内电镀填孔有一导热体；再于挠性基板上金属沉积有一固晶层；接着，将一发光芯片置于固晶层；并以一第一温度加热固晶层，令发光芯片与挠性基板相互结合；最后，再以一第二温度加热固晶层，令固晶层与导热体相互熔合有一介金属层。本发明还提供上述发光芯片的封装结构。由于挠性基板本身的导热性并不好，因此，在挠性基板上填入多个导热体，这些导热体分别与固晶层共晶熔合而热接触。如此一来，固晶层所吸收的热会平均地传导至各导热体，再经由各导热体快速地传导至挠性基板的另一面。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片封装，特别涉及一种用于软板的发光芯片封装方法及其结构。
背景技术
发光二极管属于一种半导体元件，其发光芯片的材料主要使用Ⅲ-V族化学元素，如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等化合物半导体，其发光原理是将电能转换为光，也就是对化合物半导体施加电流，通过电子与电洞的结合，将过剩的能量以光的形式释出，而达到发光的效果。由于发光二极管是属于冷性发光，因此发光二极管发光所产生的热能较钨丝灯少。
然而，以往因为发光二极管的亮度无法提升，使得发光二极管的应用范围受到限制。因此，现在研发人员便开始研发大功率的发光二极管，以便于将发光二极管应用于各领域上，如作为路灯等需高亮度的产品上。
大功率的发光二极管虽然能提供更强的亮度，但相对来说，大功率的发光二极管也会产生大量的热能而使灯具产生高温。然而温度对发光二极管的影响极大。一般来说，发光二极管的亮度与灯具的温度成反比，换言之，灯具的温度越高发光二极管的寿命就越短。
另外，为了让发光二极管可以应用于各式灯具，可将发光二极管芯片封装于软板上，使其可作造型上的变化。然而在硬板上制作散热结构时，可用的制作方式较多，如机械加工，但在软板上制作散热结构时，若使用机械加工却会造成软板弯曲变形。因此，发光二极管芯片封装于软板时要提供良好的散热效果较为困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光芯片封装方法及其结构，藉以解决现有技术所存在发光二极管芯片封装于软板时不易提供良好的散热效果的问题。
一实施例所揭露的发光芯片封装方法，其步骤包含提供一挠性基板。接着，以激光钻孔方式在挠性基板形成有多个贯穿孔。接着，以电镀填孔方式在各贯穿孔内形成有一导热体。接着，以金属沉积方式在挠性基板上形成有一固晶层。接着，提供一发光芯片置于固晶层；接着，以一第一温度加热固晶层，令发光芯片与挠性基板相互结合。接着，以一第二温度加热固晶层，令固晶层与导热体相互共晶熔合。
一实施例所揭露的发光芯片封装结构，其包括一发光芯片、一挠性基板及一固晶层。其中，挠性基板具有多个贯穿孔，各贯穿孔分别设有一导热体。固晶层设置在挠性基板且覆盖各贯穿孔的一端，发光芯片通过固晶层与挠性基板相互结合，固晶层与各导热体形成有一介金属层，介金属层系热交换发光芯片的热能，各导热体传导热能至挠性基板的另一面。
本发明的发光芯片封装方法及其结构，发光芯片通过固晶层与挠性基板相互结合，使得固晶层接触于发光芯片整个底面，且固晶层与导热体共晶熔合的介金属层与发光芯片进行良好的热交换，使得发光芯片所产生的热能平均分布在介金属层整面，以防止热源囤积在发光芯片处。并且，通过多个导热体将介金属层的热能快速传出到挠性基板的另一面。
另外，由于挠性基板本身的导热性并不好，因此，在挠性基板上填入多个导热体，这些导热体分别与固晶层共晶熔合而热接触。如此一来，固晶层所吸收的热会平均地传导至各导热体，再经由各导热体快速地传导至挠性基板的另一面。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1至图2为第一实施例所揭露的发光芯片封装方法的流程示意图；
图3为覆晶式发光芯片封装方法的流程示意图；
图4至图9为一实施例所揭露的发光芯片封装方法的堆栈示意图；
图10A为封装材料层的材料特性图；
图10B为介金属层的材料特性图；
图11为第一实施例的发光芯片封装结构的分解示意图；
图12A为图11的的剖视示意图；
图12B为第二实施例的发光芯片封装结构的剖视示意图；
图13为图12A的放大示意图；
图14为图11的导热体直径与挠性基板的导热系数的关系图；
图15为图9的热场分布图。
其中，附图标记
10 发光芯片封装结构
100 挠性基板
110 贯穿孔
120 接触面
130 散热面
200 导热体
300 固晶层
310 第一金属薄膜层
320 封装材料层
330 第二金属薄膜层
340 介金属层
400 发光芯片
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参阅图1至图9所示，图1至图2为一实施例所揭露的发光芯片封装方法的流程示意图，图3为覆晶式发光芯片封装方法的流程示意图，图4至图9为一实施例所揭露的发光芯片封装方法的堆栈示意图。首先，如图1所示，本发明的发光芯片封装方法包含下列步骤：
步骤S10：提供一挠性基板；(请见图4所示)
步骤S20：以激光钻孔方式在挠性基板形成有多个贯穿孔；(请见图5所示)
步骤S30：以电镀填孔方式分别在各贯穿孔内形成有一导热体；(请见图6所示)
步骤S40：以金属沉积方式在挠性基板上形成有一固晶层；(请见图7C所示)
步骤S50：提供一发光芯片置于固晶层；(请见图8所示)
步骤S60：以一第一温度加热固晶层，令发光芯片与挠性基板相互结合；以及(请见图8所示)
步骤S70：以一第二温度加热固晶层，令固晶层与这些导热体相互熔合有一介金属层(Intermetallic Compound,IMC)。(请见图9所示)
其中，在步骤S20前，可先利用黄光微影技术在挠性基板100上形成图案化结构，可预先预留贯穿孔110及电路的位置。
关于步骤S20，激光钻孔是利用激光束对挠性基板100进行切削去除作用，例如在挠性基板100上钻多个贯穿孔110。由于激光钻孔方式具有能量集中的特点，因此在挠性基板100上可得到输入热量低、热影响区窄的特性，相较于以机械钻孔在挠性基板100加工而导致破坏变形问题，激光钻孔可以达到加工变形小的优点。再者，以激光钻孔对挠性基板100加工，具有易于控制孔径大小及各孔之间的间距，在本发明实施例中，每一贯穿孔110的最佳直径介于100微米至300微米，且各个贯穿孔110之间的最佳间距介于100微米至500微米。经此设计后，可使得挠性基板100在各贯穿孔110处具有良好的结构强度，以及防止挠性基板100在各贯穿孔110处产生翘曲变形的问题。
接着，步骤S30，以电镀填孔的方式在各贯穿孔110内分别形成有导热体200。其中，主要是利用电镀液配方将导热体200填充(filling)在各贯穿孔110内，在本发明实施例中，每一贯穿孔110的最佳直径介于100微米至300微米，各贯穿孔110的最佳高度为200微米，使得铜电镀液配方确实镀满整个贯穿孔110。也就是说，导热体200固化后是以实心结构存在于贯穿孔110内，且导热体200不会产生任何孔隙(避免热阻增加)。本发明的导热体200材料可以是但不局限于银(Ag)、铜(Cu)或镍(Ni)等金属材料，其中本发明是以铜作为导热体200，并以硫酸铜(CuSO4)作为电镀液来将铜填实于各贯穿孔110内作一实施例说明。再者，电镀填孔方式可以将温度控制在摄氏30度左右，使得挠性基板100不会因为电镀填孔的温度的影响，而导致挠性基板100产生弯曲或变形的问题。
接着，步骤S40至S70是描述固晶层的过程。其中，步骤S40的金属沉积方式可以是但不局限于电镀、化学镀、溅镀或蒸镀等方式。详言之，请同时参阅图2所示，步骤S40还包括下列步骤：
步骤S41：以金属沉积方式在挠性基板上形成有一第一金属薄膜层；(请见图7A所示)
步骤S42：以金属沉积方式在该第一金属薄膜层上形成有一封装材料层；以及(请见图7B所示)
步骤S43：以金属沉积方式在该发光芯片上形成有一第二金属薄膜层。(请见图7C所示)
其中，上述的第一金属薄膜层310与第二金属薄膜层330的材料可以是但不局限于银、铜与镍等金属材质。
上述的封装材料层320的材质可以是但不局限于铋铟(Bi-In)、铋铟锡(Bi-In-Sn)、铋铟锡锌(Bi-In-Sn-Zn)、铋铟锌(Bi-In-Zn)。其中，Bi-In(铋铟)的熔点约为110℃、Bi-25In-18Sn(铋铟锡)的熔点约为82℃，Bi-20In-30Sn-3Zn(铋铟锡锌)的熔点约为90℃，Bi-33In-0.5Zn(铋铟锌)的熔点约为110℃。
另外，如图3所示，如若发光芯片400属于覆晶式时，则需加入步骤S44：放置一图案化遮罩于发光芯片上。以及步骤S45：以电镀或蒸镀的方式在发光芯片上形成相互不导电的一第一导电区及一第二导电区。其中第一导电区电性连接发光芯片400的正极，而第二导电区电性连接发光芯片400的负极。
接着，步骤S50是将一发光芯片置于封装材料层上，再通过步骤S60以第一温度进行加热。本发明的第一温度是于摄氏80℃至110℃的条件下进行加热，并且辅以压力值在0.1至0.5百万帕，以及加热时间0.1秒到5秒的条件下进行加热。上述加热时间可视固晶层300熔化情形而适当调整。
再者，第一温度可以是等于或高于封装材料层320的熔点温度。举例来说，若封装材料层320的材质为铋铟锡，则第一温度可选择为82℃以上。
其中，固晶层300熔化后，封装材料层320会分别与第一金属薄膜层310及第二金属薄膜层330相结合，故使得发光芯片400结合于挠性基板100。
接着，S70是以第二温度进行加热。本发明的第二温度是于摄氏150℃以上的条件下进行加热，并且辅以压力值在0.1至0.5百万帕，以及加热时间30分钟以上的条件下进行。如此一来，步骤S70令导热体200与固晶层300相互共晶熔合，进而使固晶层300与导热体200相互熔合以产生介金属层340(Intermetallic Compound,IMC)(如图8与图9)，此介金属层340能承受摄氏250度上的温度，换言之，介金属层340的熔点高于摄氏250度。故，挠性基板100与发光芯片400间的结合能更牢固，且挠性基板100与发光芯片400间的固晶材料较不会因高温熔化而失去粘着效果，且介金属层340能够大幅吸收发光芯片400的热能，并通过导热体200将热能传导到挠性基板100的另一面。
而介金属层340能够承受摄氏250度以上的高温可由下列附图证明，请参阅图10A与图10B，图10A为封装材料层的材料特性图，图10B为介金属层的材料特性图。首先，上述的图10A与图10B为利用热示差扫瞄卡量计法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)测量出来的。其中，由图10A可看出封装材料层320的熔点约落在摄氏84.38度，而由图10B可看出介金属层340的熔点约落在摄氏261.37度。因此，由上述两图可知，经由温度变化处理后的介金属层340，其熔点可自原本的摄氏84.38度升至后来的摄氏261.37度。故介金属层340于高温环境中能维持原有的粘着效果。
此外，上述步骤S60、S70的加热方式是可采用激光加热、热风加热、红外线加热、热压接合、或超音波辅助热压接合。
接着，将描述通过上述方法制作而成的发光芯片封装结构10，请参阅图11至图12B。图11为第一实施例的发光芯片封装结构的分解示意图，图12A为图11的的剖视示意图，图12B为第二实施例的发光芯片封装结构的剖视示意图。
本实施例的发光芯片封装结构10包括一挠性基板100、多个导热体200、一固晶层300及一发光芯片400。挠性基板100包含多个贯穿孔110。挠性基板100具有相对的一接触面120及一散热面130。贯穿孔110是自挠性基板100的接触面120贯通至挠性基板100的散热面130。其中，挠性基板100可以选用聚酰亚胺(PI)软板、聚碳酸酯(PC)软板或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)软板等不导电薄膜材料。其中，贯穿孔110可以是圆孔、方孔或三角形孔，并不以此为限，本实施例是以圆孔作为说明。
这些导热体200分别填进这些贯穿孔110，使导热体200能够将热自挠性基板100的接触面120传导至散热面130，并不以此为限。详细来说，每一个导热体200是填满每一个贯穿孔110，如此一来，通过多个导热体200在挠性基板100内的结构设计，使得挠性基板100本身通过多个导热体200而具有多个导热路径。其中导热体200可以选用金、银、铜或镍等良导热金属。另外，导热体200以实心结构设置在贯穿孔110内，使得贯穿孔110内部不会产生孔隙，防止挠性基板100在导热路径上产生热阻。
固晶层300设置于挠性基板100的接触面110，并与这些导热体200热接触。其中，固晶层300在经过固晶过程后会转变成一介金属层340。并且，且固晶层300是均匀地以面接触的方式与发光芯片400及挠性基板热接触。因此，固晶层300是扮演着热交换器的角色，吸收发光芯片400发出的热能之后，再将热能扩散至每一个与固晶层300热接触的导热体200。换句话说，固晶层300具有着水平导热的功能，将吸收的热能平均分散至各导热体200，以达到快速散热的效果。
发光芯片400型态可为水平式结构(Saphhire base)、垂直式结构(Thin-GaNLED)(如图12A所示)或覆晶(Flip-Chip)型态(如图12B所示)。
接着，如图13所示，图13为图12A的放大示意图。在本实施例或其它实施例中，固晶层300可以包含一第一金属薄膜层310、一封装材料层320及一第二金属薄膜层330。第一金属薄膜层310叠设于挠性基板100的接触面120，封装材料层320叠设于第一金属薄膜层310，第二金属薄膜层330叠设于封装材料层320。第一金属薄膜层310与第二金属薄膜层330的材料可以是金、银、铜或镍，并不以此为限。封装材料层320的材料可以是铋铟、铋铟锌、铋铟锡或铋铟锡锌，并不以此为限。
其中，第一金属薄膜层310及第二金属薄膜层330的厚度介于0.2微米至2微米之间，而封装材料层320的厚度介于1微米至5微米之间。
另外，更详细来说，在经过温度变化后，封装材料层320会与第一金属薄膜层310及第二金属薄膜层330共晶熔合而产生类合金，此类合金即为介金属层340。
接着，继续阅读图13，利用图13来解说热能如何通过固晶层300及各导热体200传到挠性基板100的散热面130。首先，将固晶层300划分为与导热体200接触的第一热传区域a以及没有与导热体200接触的第二热传区域b。详细说来，热能在传导时会走热阻最小的路径，而导热体200的导热系数远大于挠性基板100，故导热体200的热阻远小于挠性基板100的热阻。因此，固晶层300吸收到热能后，并非将热能垂直导向挠性基板100，再通过挠性基板100将热能传导至散热面130。而是固晶层300与发光芯片400进行热交换后，直接将热能传导至导热体200。换言之，位于第一热传区域a的固晶层300吸收到热能后，直接垂直将热导向导热体200。而位于第二热传区域b固晶层300吸收到热能后，大部分的热能先进行水平扩散以将热能导向邻近的导热体200，再通过导热体快速将热能传导至挠性基板100的散热面130，只剩下少部分的热能是通过挠性基板100传导至挠性基板100的散热面130。
接着，请参阅图14与图15，图14为图11的导热体直径与挠性基板的导热系数的关系图，图15为图9的热场分布图。从图14可知，挠性基板100没有设置导热体200时的导热系数为0.25(瓦/米·克耳文)，而挠性基板100有设置导热体200时，挠性基板100的导热系数随着导热体200的直径的增加而变高，换言之，挠性基板100的导热系数与导热体200的直径概成正比。其中，当导热体200的直径为50微米时，挠性基板整体的导热系数为72.87(瓦/米·克耳文)。而图15为发光芯片封装结构10的热场分布图。
本发明的发光芯片封装方法及其结构，发光芯片通过固晶层与挠性基板相互结合，使得固晶层接触于发光芯片整个底面，且固晶层与导热体共晶熔合的合金层与发光芯片进行良好的热交换，使得发光芯片所产生的热能平均分布在合金层整面，以防止热源囤积在发光芯片处。并且，通过多个导热体将合金层的热能快速传出到挠性基板的另一面。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种发光芯片封装方法，其特征在于，步骤包含：
提供一挠性基板；
以激光钻孔方式在该挠性基板形成有多个贯穿孔；
以电镀填孔方式分别在各该贯穿孔内形成有一导热体；
以金属沉积方式在该挠性基板上形成有一固晶层；
提供一发光芯片置于该固晶层；
以一第一温度加热该固晶层，令该发光芯片与该挠性基板相互结合；以及
以一第二温度加热该固晶层，令该固晶层与该些导热体相互熔合有一介金属层。
2.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，以金属沉积方式在该挠性基板上形成有该固晶层的步骤还包括：
以金属沉积方式在该挠性基板上形成有一第一金属薄膜层；
以金属沉积方式在该第一金属薄膜上形成有一封装材料层；以及
以金属沉积方式在该发光芯片上形成有一第二金属薄膜层。
3.根据权利要求2所述的发光芯片封装方法，其特征在于，该第一金属薄膜层与该第二金属薄膜层的材料选自于金、银、铜、镍及其组合的其中之一。
4.根据权利要求2所述的发光芯片封装方法，其特征在于，该封装材料层的材料选自于铋、铟、锌、锡及其组合的其中之一。
5.根据权利要求2所述的发光芯片封装方法，其特征在于，以金属沉积方式在该发光芯片上形成有该第二金属薄膜层的步骤还包括：
放置一图案化遮罩于该发光芯片上；以及
以电镀或蒸镀的方式在该发光芯片上形成相互不导电的一第一导电区及一第二导电区。
6.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，该些导热体的材料选自于金、银、铜、镍及其组合的其中之一。
7.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，该挠性基板可为聚酰亚胺(PI)软板、聚碳酸酯(PC)软板或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)软板。
8.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，以该第一温度加热该固晶层的步骤还包括：以压力值0.1至0.5百万帕及该第一温度设定在80至110℃进行加热该固晶层。
9.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，以该第二温度加热该固晶层的步骤还包括：以压力值0.1至0.5百万帕及该第二温度设定在150℃以上进行加热该固晶层。
10.根据权利要求1所述的发光芯片封装方法，其特征在于，以激光钻孔方式在该挠性基板形成有该些贯穿孔的步骤还包括：在该挠性基板上形成一图案化结构。
11.一种发光芯片封装结构，其特征在于，包括：
一发光芯片；
一挠性基板，具有多个贯穿孔，各该贯穿孔内部分别设有一导热体；以及
一固晶层，设置在该挠性基板且与各该导热体接触，该发光芯片通过该固晶层与该挠性基板相互结合，该固晶层与各该导热体形成有一介金属层，该介金属层与该发光芯片的热能进行热交换，各该导热体传导热能至该挠性基板的另一面。
12.根据权利要求11所述的发光芯片封装结构，其特征在于，该些导热体分别具有一宽度，该宽度介于100微米至300微米之间。
13.根据权利要求11所述的发光芯片封装结构，其特征在于，各该导热体之间相距有一间距，该间距介于100微米至500微米之间。
14.根据权利要求11所述的发光芯片封装结构，其特征在于，该固晶层还包括：
一第一金属薄膜层，设置在该挠性基板上；
一封装材料层，设置在该第一金属薄膜层上；以及
一第二金属薄膜层，一面设置在该发光芯片上，另一面设置在该封装材料层上。
15.根据权利要求14所述的发光芯片封装结构，其特征在于，该第一金属薄膜层及该第二金属薄膜层各具有一厚度，该些厚度介于0.2微米至2微米之间。
16.根据权利要求14所述的发光芯片封装结构，其特征在于，该封装材料层具有一厚度，该厚度介于1微米至5微米之间。
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