CN106549090A - 发光二极管芯片封装体 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一种发光二极管芯片封装体包含基板，具金属端子(金手指结构)，发光组件由多个发光二极管芯片一体成形(formed in one piece)或为晶圆级封装，且发光组件具有多个互相隔开的发光区，发光组件设于基板上且电性连接于金属端子。本揭露可使发光二极管芯片封装体的制造步骤不需要以高精密度的方式紧密排列彼此分离的多个发光二极管芯片，故可大幅降低生产成本。

Description

发光二极管芯片封装体
技术领域
本揭露有关于芯片封装体，且特别有关于一种发光二极管芯片封装体。
背景技术
发光二极管芯片封装体中的发光二极管(LED)通过在基底上形成主动层，以及在基底上沉积不同导电层和半导体层的方式所形成。利用p-n接面中的电流，电子-电洞对的再结合(recombination)辐射可用于产生电磁辐射(例如光)。在例如GaAs或GaN的直接能隙材料(direct band gap material)形成的顺向偏压的P-N接面中，注入空乏区中的电子-电洞对的再结合导致电磁辐射发光。上述电磁辐射可位于可见光区或非可见光区。可利用具有不同能隙的材料形成不同颜色的发光二极管。另外，在非可见光区的电磁辐射可通过磷透镜转换成可见光。
在现今发光二极管芯片封装体产业皆朝大量生产的趋势迈进的情况下，任何可简化发光二极管芯片封装体的制程步骤或是降低其生产成本的方法皆可带来巨大的经济效益。因此，业界亟须一种生产成本低且可由较简易的制程生产而得的发光二极管芯片封装体。
发明内容
依据本揭露的一些实施例，提供发光二极管芯片封装体，其包含基板，具金属端子(金手指)；以及发光组件由多个发光二极管芯片一体成形(formedin one piece)，且发光组件具有多个互相隔开的发光区，发光组件设于基板上且电性连接于金属端子。
依据本揭露的一些实施例，提供发光二极管芯片封装体，其包含基板，具金属端子；以及发光组件为晶圆级封装(Wafer Level Chip Scale Packaging)，且发光组件具有多个互相隔开的发光区，发光组件设于基板上且电性连接于金属端子。
本揭露可使发光二极管芯片封装体的制造步骤不需要以高精密度的方式紧密排列彼此分离的多个发光二极管芯片，故可大幅降低生产成本。
为让本揭露的特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1A为本揭露一实施例。
图1B为图1A沿BB'剖面线的剖视图。
图1C为本揭露另一实施例。
图1D为图1C沿DD'剖面线的剖视图。
图1E为本揭露再一实施例。
图1F为图1E沿FF'剖面线的剖视图。
图2A为本揭露一实施例的发光二极管芯片封装体的基板剖面图。
图2B为本揭露另一实施例的发光二极管芯片封装体的基板剖面图。
图2C为本揭露再一实施例的发光二极管芯片封装体的基板剖面图。
其中，附图标记说明如下：
100 发光二极管芯片封装体；
102 基板；
102A 基板的第一部分；
102B 基板的第二部分；
104 发光组件；
106A 发光二极管芯片；
106B 发光二极管芯片；
106C 发光二极管芯片；
106D 发光二极管芯片；
108A 发光区；
108B 发光区；
108C 发光区；
108D 发光区；
110 导线结构；
110A 导线结构；
110B 导线结构；
110C 导线结构；
112A 第一电极；
112B 第一电极；
114 萤光片；
116 反射元件；
118 半导体基底；
120 金属端子；
122 电性连接区；
123 绝缘区；
124 金属层；
124A 凸块；
126 保护层；
128 黏着层；
129 黏着层；
130 线路；
132 石墨纤维层；
134 固晶区；
1B-1B'、1D-1D'、1F-1F' 线段；
200 发光二极管芯片封装体；
300 发光二极管芯片封装体。
具体实施方式
以下针对本揭露的发光二极管芯片封装体及其制造方法作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本揭露的不同方式。以下所述特定的元件及排列方式尽为简单描述本揭露。当然，这些仅用以举例而非本揭露的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本揭露，不代表所讨论的不同实施例及/或结构的间具有任何关连性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。
必需了解的是，为特别描述或图示的元件可以此技术人士所熟知的各种形式存在。此外，当某层在其它层或基板「上」时，有可能是指「直接」在其它层或基板上，或指某层在其它层或基板上，或指其它层或基板之间夹设其它层。
此外，实施例中可能使用相对性的用语，例如「较低」或「底部」及「较高」或「顶部」，以描述图示的一个元件对于另一元件的相对关系。能理解的是，如果将图示的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在「较低」侧的元件将会成为在「较高」侧的元件。
在此，「约」、「大约」的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含「约」、「大约」的含义。
本揭露实施例利用由多个发光二极管芯片一体成形(formed in one piece)的发光组件来制造发光二极管片封装体，以简化制造步骤并降低生产成本，且发光组件具有多个分开的发光区。此发光组件亦可称为晶圆级封装(WaferLevel Chip Scale Packaging)的发光组件。
参见图1A-1E，其为本揭露的一些实施例的发光二极管芯片封装体100在其制造方法中各阶段的侧视图或剖面图。
首先，参见图1A，图1A为本揭露的一些实施例的发光二极管芯片封装体100在制造过程中其中一阶段的侧视图。发光二极管芯片封装体100包括基板102，发光组件104设于此基板102上，基板102上具有金属端子结构120(俗称为金手指结构)，以及与金属端子120电性连接的电性连接区122。此外，基板102上不属于金属端子120和电性连接区122的部分为不具导电性的绝缘区123。基板102可包括陶瓷材质基板、金属基板或其它任何适合的散热基板。金属端子120可包括多个铜垫，在铜垫的表面上通常会电镀一层金以增进其导电能力。电性连接区122固定于基板102上，发光组件104通过电性连接区122而电性连接至其他外部导电元件(未绘示)。绝缘区123的材料包括聚亚酰胺、苯环丁烯(butylcyclobutene,BCB)、聚对二甲苯(parylene)、萘聚合物(polynaphthalenes)、氟碳化物(fluorocarbons)、丙烯酸酯(acrylates)或前述的组合，除绝缘的效果外，亦提供保护设置于基板102内的线路或其他元件(未绘示)。
参见图1B，图1B为图1A的发光二极管芯片封装体100的剖面线1B-1B'所绘示的剖面图。如图1B所示，上述发光组件104由多个发光二极管芯片，例如4个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D一体成形(formed in onepiece)而组成，或者，亦可称此发光组件104为晶圆级封装(Wafer Level ChipScale Packaging)的发光组件104。虽然图式中显示4个发光二极管芯片，但本揭露的实施例并不限于此，发光组件104也可以由2个发光二极管芯片或更多发光二极管芯片组成。这些发光二极管芯片106A、106B、106C及106D可各自独立的包括紫外光发光二极管芯片、蓝光发光二极管芯片、绿光发光二极管芯片、红光发光二极管芯片或其它任何需要的发光二极管芯片，并且分别对应至互相隔开的发光区108A、108B、108C及108D。发光组件104通过设置于基板102内部的导线(未显示)与金属端子120电性连接。在一些实施例中，发光二极管芯片的发光波长为260-630nm。
本揭露的由多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D一体成形而产生的晶圆级封装发光组件104与现有封装技术所形成的个别独立的发光二极管芯片不同。详细而言，现有封装技术先进行一切割步骤将形成于晶圆上的每一个发光二极管芯片分离，接着对每一个独立的发光二极管芯片分别进行封装。有别于此现有的封装技术，本揭露的由多个发光二极管芯片一体成形而产生的发光组件104(或称为晶圆级封装发光组件104)在晶圆阶段即完成封装步骤，例如多个发光二极管芯片之间具有电性连接，接着再切割并单离由多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D组成的发光组件104，而承载这些多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D并使这些发光二极管芯片106A、106B、106C及106D连接在一起的半导体基板，例如晶圆的一部分，并未被切割。
详细而言，参见图1B，以图1B所示的由四个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D一体成形的晶圆级封装发光组件104为例，此四个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D在晶圆设计及制造阶段时，即已通过晶圆的半导体基底118中的导线结构110彼此电性连接。如图1B所示，导线结构具有3个部分，分别为118A、118B及118C，其用来连接邻近的发光二极管芯片106A、106B、106C及106D，例如导线结构118A连接发光二极管芯片106A与106B。此导线结构110例如可为半导体基底118中的内连线结构。接着，切割并单离由此四个发光二极管芯片(106A、106B、106C及106D)所组成的发光组件104，而此多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D之间用以连接此多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D的半导体基底118则未被切割。
上述半导体基底118可包括硅基板。或者，半导体基底118亦可包括元素半导体，例如锗(germanium)；化合物半导体，例如碳化硅(silicon carbide)、砷化镓(gallium arsenide)、磷化镓(gallium phosphide)、磷化铟(indiumphosphide)、砷化铟(indium arsenide)及/或锑化铟(indium antimonide)；合金半导体，例如硅锗合金(SiGe)、磷砷镓合金(GaAsP)、砷铝铟合金(AlInAs)、砷铝镓合金(AlGaAs)、砷铟镓合金(GaInAs)、磷铟镓合金(GaInP)及/或磷砷铟镓合金(GaInAsP)或上述材料的组合。此外，半导体基底118也可以是绝缘层上覆半导体(semiconductor on insulator)。
由图1A-1B可知，由于发光组件104中的发光二极管芯片106A、106B、106C及106D以高精密度的方式紧密排列，因此相邻的两个发光区，例如发光区108A和108B之间的间隙非常的小，在一些实施例中，这些发光区108A、108B、108C及108D之间的间距大于0且小于50um。在此实施例中，发光二极管芯片封装体100的制造步骤并不是如现有技术以排列彼此分离的多个发光二极管芯片的方式进行，故可大幅降低生产成本，此外，本揭示的实施例通过紧密排列多个发光二极管芯片106A、106B、106C及106D，可避免产生光斑现象。此外，现有的多芯片发光二极管由于固晶制程技术的限制，固晶区的间距约介于50-100um之间，相较于现有的多芯片发光二极管，本揭示实施例的发光组件中的发光区的间距可以突破现有制程的限制，使发光区108A、108B、108C及108D之间的间距小于50um，因此可以提升发光二极管芯片封装体100的发光强度。
此外，在一些实施例中，如图1A-1B所示，发光二极管芯片封装体100的多个发光区108A、108B、108C及108D并列设置。
再者，如图1A所示，发光组件104具有第一电极112A及第二电极112B，发光组件104通过第一电极112A及第二电极112B电性连接至位于基板102上的金属端子120。第一电极112A与第二电极112B设置在发光组件104的同一侧边缘。在一些实施例中，第一电极112A与第二电极112B设置在同一个发光区(例如为发光区108D)上。在另一些实施例中，第一电极112A与第二电极112B设置在不同的发光区上。
接着，参见图1C-1D，图1C为本揭露的一些实施例的发光二极管芯片封装体200在制造过程中其中一阶段的侧视图，图1D为图1C的发光二极管芯片封装体200沿剖面线1D-1D'所绘制的剖面图。如图1C-1D所示，发光二极管芯片封装体200可更包括设于发光组件104上的萤光片114。
在一些实施例中，萤光片114可为掺混萤光粉的陶瓷片(简称陶瓷萤光片)。陶瓷萤光片可通过将萤光粉与陶瓷粉末在高温下进行烧结而制得。此陶瓷粉末可为硅氧化物、氧化铝或其它适合的材料，萤光粉可为Y3Al5O12(Yttriumaluminium garnet，YAG)、Lu3Al5O12(Lutetium aluminium garnet，LuAG)、硅酸盐(Silicate)、氮化物(Nitride)或其它适合的萤光粉。萤光片114萤光粉可将发光二极管芯片所发出的光转换为白光。在其它实施例中，萤光片114可为掺混上述萤光粉的玻璃片或硅胶。
在现有技术中，每一个发光二极管芯片需个别设置一个对应的萤光片，且每一片萤光片皆须切割成特定的形状以露出个别发光二极管芯片的接合区，通过设置在接合区上的导线以连接至其他的导电元件。在此实施例中，如图1C-1D所示，由于萤光片114仅需要于右侧露出第一电极112A及第二电极112B所在的区域，萤光片114并不需要切割成特定形状来露出每一个发光二极管芯片的接合区。因此，使用本揭示实施例的发光组件104相较于现有技术可简化萤光片复杂的切割步骤，故可简化制造步骤并降低生产成本。
接着，参阅图1E-1F，图1E为本揭露的一些实施例的发光二极管芯片封装体300在制造过程中其中一阶段的侧视图，图1F为图1E的发光二极管芯片封装体300沿剖面线1F-1F'所绘制的剖面图。于图1E所示的步骤中，形成反射元件116于基板102上，并且设置于发光组件104的周边。此反射元件116用以遮蔽发光组件104中不是用来发光的区域(亦即图1E中发光组件104的侧壁)，并露出萤光片114的上表面。在一些实施例中，反射元件116的上表面与萤光片114的上表面共平面。在另一些实施例中，反射元件116的上表面未与萤光片114的上表面共平面。
值得注意的是，本揭示的实施例中的发光组件104直接设置于具有金属端子120的基板102上，而传统的发光二极管芯片封装体需先将发光二极管芯片设置于承载基板上，且须通过导线电性连接发光二极管芯片与承载基板后，再将承载基板设置于具有金属端子的基板上。相较于现有的发光二极管芯片封装体，本实施例的发光二极管芯片封装体100并不需要额外的承载基板来承接发光组件104，亦不需要额外的导线电性连接发光组件104与承载基板，因此可以减少材料并节省成本，同时达到更小的热阻。在一些实施例中，发光组件104通过一设于基板102之上或之中的导电层(未显示)电性连接至第一电极112A及第二电极112B。
为了使发光组件104能直接设置于具有金属端子120的基板102上，基板102需配合特殊的设计以达到上述的目的。
参见图2A-2C，图2A-2C为本揭露另一些实施例的发光二极管芯片封装体的剖面图。如图2A所示，基板102包括金属层124、保护层126、黏着层128及线路130。需注意的是，在图2A-2C中，为了清楚绘示基板102，故于图示中未显示萤光片114、反射元件116、金属端子120及电性连接区122。
金属层124具有散热的功能，金属层124的材料为具有良好导热性的金属，例如为铜、铝、金、银、合金或其他适合的材料。线路130设置在基板102内部，用以电性连接发光组件104至金属端子120，线路130的材料可以与金属层124相同，线路130的形成可利用沉积、微影、蚀刻等技术，其中沉积可利用化学气相沉积、物理气相沉积、电镀或其他合适的沉积方法，而蚀刻可为干蚀刻或湿蚀刻。保护层126设置于金属层124上，其用来保护位于金属层124上的线路130，保护层126的材料可包括聚亚酰胺、苯环丁烯(butylcyclobutene,BCB)、聚对二甲苯(parylene)、萘聚合物(polynaphthalenes)、氟碳化物(fluorocarbons)、丙烯酸酯(acrylates)或前述的组合，可通过涂布或其他合适的方法将保护层126覆盖在金属层124上方。黏着层128用来接合线路130与金属层124，黏着层128的材质可包括聚酰亚胺、环氧树脂、陶瓷或类钻碳，黏着层128的厚度可约为5-10μm。在其他实施例中，可不形成上述黏着层。
如图2A所示，发光组件104设置在基板102的固晶区134里，值得注意的是，在此实施例中，基板102的金属层124包括凸块124A，其用来增加金属层124与外界接触的表面积，增进金属层124的散热效果。此外，虽然未于图2A中绘示，发光组件104可以为水平式芯片或垂直式芯片。
参见图2B，在一些实施例中，基板102可以为复合板设计。如图2B所示，基板102包含第一部分102A和第二部分102B，其中固晶区134位于第一部分102A，线路130位于第二部分102B。在一些实施例中，第一部分102A的材料为无机材料，例如陶瓷、氮化铝(AlN)、氧化铝(AlO)(请发明人确认或补充材料)。第二部分102B的材料为有机材料或金属，例如为FR4环氧树脂玻璃纤维基板、印刷电路板(PCB)、铜、铝、金、银、合金或其他散热性良好的材料。在一些实施例中，选择陶瓷作为基板102的第一部分102A的材料，由于陶瓷具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性佳和熔点高等优点，因此本实施例的基板102不会因为随着使用时间长久而劣化，藉此增进产品的使用寿命。
在此实施例中，虽然未于图2B中绘示，发光组件104可以为水平式芯片或垂直式芯片，且发光组件104接合至基板102的方式可为覆晶式接合。
参见图2C，在一些实施例中，图2C所示的实施例与前述图2A实施例的差别在于基板102更包括石墨碳纤维层132。石墨碳纤维层132通过黏着层129连接至金属层124，石墨碳纤维层132具有良好的导热性质，可以提供金属层124作为散热的途径，以避免长时间使用发光组件104而造成的过热问题，藉此增进产品的使用寿命。在此实施例中，虽然未于图2C中绘示，发光组件104可以为水平式芯片或垂直式芯片。在另一些实施例中，石墨碳纤维层132可以取代金属层124，提供散热途径。
综上所述，使用由多个发光二极管芯片一体成形的发光组件(亦即晶圆级封装发光组件)可使发光二极管芯片封装体的制造步骤不需要以高精密度的方式紧密排列彼此分离的多个发光二极管芯片，故可大幅降低生产成本。萤光片亦不需要以复杂的切割步骤切割，故可更进一步简化制造步骤并降低生产成本。此外，相较于现有的多芯片发光二极管，本揭示实施例的一体成形的发光组件突破了现有制程的限制，可以使发光区间的距离小于50um，因此，本揭示实施例的发光二极管芯片封装体具有更强的发光强度。另外，发光组件直接设置于具有金属端子的基板则可减少设置承载基板的步骤，同时减少使用承载基板材料的成本。此外，本揭示的基板则可设计成复合板基板或增设一层石墨碳纤维层，以增进基板的散热能力，藉此增进产品的使用寿命。
虽然本揭露的实施例及其优点已揭露如上，但应该了解的是，任何本领域技术人员，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本揭露的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何本领域技术人员可从本揭露揭示内容中理解现行或未来所发展出的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本揭露使用。因此，本揭露的保护范围包括上述制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本揭露的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。

Claims (14)

1.一种发光二极管芯片封装体，包括：
一基板，具一金属端子；以及
一发光组件由多个发光二极管芯片一体成形，且该发光组件具有多个互相隔开的发光区，该发光组件设于该基板上且电性连接于该金属端子。
2.一种发光二极管芯片封装体，包括：
一基板，具一金属端子；以及
一发光组件，该发光组件为晶圆级封装，其中该发光组件具有多个互相隔开的发光区，该发光组件设于该基板上且电性连接于该金属端子。
3.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，其中该发光组件包括一第一电极及一第二电极，其中该第一电极与该第二电极位于该发光组件的同一侧边缘。
4.如权利要求3所述的发光二极管芯片封装体，其中该第一电极与该第二电极位于多个发光区的同一个发光区上或不同的发光区上。
5.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，其中所述发光区的一间距大于0且小于50um。
6.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，还包括一反射元件，设置于该发光组件的周边。
7.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，还包括一萤光层，设置于该发光组件上。
8.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，其中所述发光区并列设置。
9.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，其中该基板的材料包括金属。
10.如权利要求9所述的发光二极管芯片封装体，其中该发光组件为水平式或垂直式芯片。
11.如权利要求9所述的发光二极管芯片封装体，其中该基板还包括一石墨纤维层，位于该基板的金属层下方。
12.如权利要求1或2所述的发光二极管芯片封装体，其中该基板包括一第一部分及一第二部分，该第一部分的材料为无机材料，该第二部分的材料包括有机材料或金属，且该发光组件设置于该第一部分上。
13.如权利要求12所述的发光二极管芯片封装体，其中该发光组件为水平式或垂直式芯片。
14.如权利要求12所述的发光二极管芯片封装体，其中该发光组件接合至该基板的方式为覆晶式接合。
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