CN1901238A - 发光二极管(led)无打线的封装结构 - Google Patents

发光二极管(led)无打线的封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种发光二极管(LED)无打线的封装结构。准备一片硅辅助框架，此辅助框架的背面以整体微机电技术形成一穿透的U型腔室(Cavity)，然后以选择性电镀技术在腔室的侧壁形成反射膜，以容纳一片倒置芯片的LED。然后将此LED以倒置芯片方式焊接(die－bonding)在此U型腔室内，形成叠置(cascade)封装模块，此叠置封装模块表面上可以具有一层或二层的金属焊接凸块(solder bumps)，使倒置芯片表面焊接更容易，热传导更快，且增加绝缘膜的强度。再以倒置芯片表面封装(或凸块封装技术)方式焊接于PC板上。因此获得到达PC板的散热器(heat sink)十分良好的热传导，可忍受较大电流而增强LED的发光强度。叠置的封装模块，形成一SMD(surface mount devices)型式的高亮度LED封装，应用上更为便捷。亦可封装在一般接脚的基底上，同样可增强散热效果。

Description

发光二极管(LED)无打线的封装结构
技术领域
本发明涉及发光二极管的封装结构，尤其涉及利用辅助框架形成一穿透的U型腔室用以容纳一片倒置芯片的LED形成叠置封装模块，再焊接于一块铝质PC板上以获得到达PC板良好的热传导而增强发光强度的封装结构。
背景技术
为增加LED的发光强度，以往在使用的复合材料上作广泛的研究，同时亦对组件的结构加以变化，例如利用双异质接面，量子井或多重量子井等，使发光强度在近年大幅提升至数十倍。因此LED使用场合愈来愈多，由指示灯到交通标志、LED打印头的感光源、LED显示器、车辆的方向灯，甚至LED照明。然而，发光强度却受限于接面崩溃，而接面崩溃大都缘于接面的过热，所以散热成为增进发光强度的重要手段。
LED的封装对于散热亦影响很大，一般将晶粒底部以晶焊方法焊接至封装基座上，再以打线将正、负电极分别连接至正、负接脚上，热传导路线不但太长，而且金线的传导面积过小，致散热不良。使用时，以能将所生的热与散热达到平衡而定其最大电流，亦即最大发光强度。因而目前的LED仍难用于照明，例如车灯照明、室内照明等，仍殷切希望能替代耗电量大的灯泡或日光灯。
所以，为使LED的亮度再进一步提升，除了新材料的发现或LED组件主动区(active area)构造的改良，封装技术亦占重要的地位。如何在封装上增进散热效果，使结构及材料相同的LED晶粒的操作电流可以增大而不致使PN接面崩溃，即可增加发光强度，使亮度再提升，实为当前亟需突破之点。
申请人于2005年3月22日申请的中国台湾发明专利第094108807号“发光二极管(LED)无打线的封装结构”利用辅助框架形成一穿透的U型腔室用以容纳一片倒置芯片的LED形成叠置封装模块，即为一例。但制程仍有改善之处。
因此有一需求，于LED的封装技术上能大幅提升散热能力而提高发光强度，而制程更为简单。本发明即针对此一需求，提出解决的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管(LED)无打线的封装结构，利用一片硅辅助框架穿透的U型腔室(Cavity)以容纳一片倒置芯片的LED，再以倒置芯片表面封装技术焊接于一块铝质PC板上，以获得良好的热传导而增加发光强度。
本发明的另一目的在于提供一种发光二极管(LED)无打线的封装结构，利用一片硅辅助框架穿透的U型腔室(Cavity)以容纳一片倒置芯片的LED，再以倒置芯片焊接于一般接脚的基底上，以获得良好的热传导而增加发光强度。
本发明的再一目的在于提供一种发光二极管(LED)无打线的封装结构，利用无电极电镀等技术在腔室侧壁形成反射膜，以简化制程。
为达成上述目的及其它目的，本发明的第一观点说明一种发光二极管(LED)的封装结构，将LED芯片以倒置芯片(flip-chip)方式焊接(diebonding)在硅晶辅助框架内的U型腔室内，形成叠置封装模块。再将此模块以倒置芯片表面封装于具有散热效果的铝制PC板上，至少包含：一个硅晶辅助框架(sub-mount)，以一层或二层金属的制程在正面形成正电极及负电极的焊锡凸块(solder bump)；在背面蚀刻穿透硅芯片的U型腔室以供容纳LED芯片，利用选择性电镀技术在U型腔室的硅材上形成金属反射镜面；一片发光二极管(LED)芯片，可为一般现有技术制造的芯片；具有基板、一个发光主动区，在正面有一个正电极及一个负电极；一片PC板，具有一层阳极氧化层，印刷电路、及散热装置；将前述LED芯片以倒装芯片方式焊接于前述硅晶辅助框架内，LED芯片的正电极及负电极分别对准硅晶辅助框架的正电极及负电极，形成叠置封装模块；将前述叠置封装模块以倒置芯片表面封装于前述PC板上，在LED表面上形成一个微凸透镜。
本发明的以上及其它目的及优点参考以下的参照图标及最佳实施例的说明而更易完全了解。
附图说明
图1为依据本发明的实施例的硅辅助框架(sub-mount)的电极平面图。
图2A-图2H为依据本发明的实施例的硅辅助框架(sub-mount)的芯片制造程序示意图。
图2A为图1的B-B’线在硅芯片上形成对准记号及接触窗步骤的剖面图。
图2B为形成焊锡凸块步骤的剖面图。
图2C为图1的A-A’线形成第二层正极接触窗的剖面图。
图2D为图1的C-C’线形成第二层负极接触窗的剖面图。
图2E为图1的A-A’线形成第二层正极焊锡凸块的剖面图。
图2F图1的C-C’线形成第二层负极焊锡凸块的剖面图。
图2G为形成U型腔室(Cavity)步骤的剖面图。
图2H为进行选择性金属电镀(plating)步骤的示意图。
图3为倒装芯片的LED芯片的剖面图。
图4为将LED芯片置入硅辅助框架的U型腔室内以倒置芯片封装法形成的混合封装焊接后的剖面图。
图5为将混合封装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片(flip-chip)或表面接着(surface mount technology，SMT)的方式焊接于铝质PC板上的剖面图。
图6为将混合装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式封装在一般PC板上的剖面图。
图7为依据本发明的实施例形成显示器的构造图。
主要元件符号说明
106  负电极                        108  正电极
200  硅辅助框架                    202  硅基板
204  氮化硅层或氮化硅与二氧化硅的混合层
206  正极接触窗                    208  负极接触窗
210  步进机的对准记号              212  反面对准记号
214  步进机对准记号的封口          215  基板接触窗
216  正极焊锡凸块                  217  正极接触窗
218  负极焊锡凸块                  219  负极接触窗
220  氮化硅层或氮化硅与二氧化硅的混合层
222  正极焊锡凸块                  223  基板接触焊锡凸块
224  负极焊锡凸块                  225  U型腔室蚀刻窗
226  金属反射膜                    227  U型腔室
228  薄膜                          232  LED发射的光
234  反射金属镜面的光              236  微凸透镜
300  LED芯片                       302  透明基板
304  正电极                        306  负电极
502  铝质PC板                      504  鳍状散热片
506  氧化层                        512  接线垫
516  打线                          518  正电极电路
520  负电极电路                    522  接线垫
526  打线                          604  金属导热孔
612  接线垫                        616  打线
618  正电极电路                     620  一般PC板
622  接线垫                         626  打线
628  负电极电路                     702  红色LED芯片
704  黄色LED芯片                    706  蓝色LED芯片
具体实施方式
本发明的封装结构的制造程序可参考图1至图7而了解。图1为依据本发明的实施例的硅辅助框架(submount)的电极平面图。正电极106及负电极108交错形成，且与LED芯片的电极相对应。图2A-图2H为依据本发明的实施例的硅辅助框架(sub-mount)的芯片制造程序示意图。首先如图2A所示，图2A为图1的B-B’线在硅芯片上形成对准记号及接触窗步骤的剖面图。准备一片N或P型、(100)方向、不限掺杂浓度，甚至为回收芯片的硅芯片作硅基板202，于硅基板202上，以LPCVD在正、反面沉积一层氮化硅(silicon nitride)层或氮化硅与二氧化硅的混合层204，在正面以第一光罩微影蚀刻形成正极接触窗206、负极接触窗208及步进机(stepper)的对准记号210。参考图2B，图2B为形成焊锡凸块步骤的剖面图。以蒸镀(evaporation)及第二光罩微影蚀刻形成正极焊锡凸块216、负极焊锡凸块218、步进机(stepper)对准记号210的封口214及反面对准记号(back side aligner，BSA)212。参考图2C及图2D，图2C为图1的A-A’线形成第二层负极接触窗的剖面图。在正面沉积另一层氮化硅(siliconnitride)层或氮化硅与二氧化硅的混合层220，以第二光罩微影蚀刻形成正极接触窗217、基板接触窗215。图2D为图1的C-C’线形成第二层正极接触窗的剖面图。与图2C同时在正面沉积另一层氮化硅层或氮化硅与二氧化硅的混合层220，以第二光罩微影蚀刻形成负极接触窗219。参考图2E及图2F，图2E为图1的A-A’线形成第二层正极焊锡凸块的剖面图。以蒸镀(evaporation)或金属电镀的方法及第三光罩微影蚀刻形成正极焊锡凸块222及基板接触焊锡凸块223。图2F为图1的C-C’线形成第二层负极焊锡凸块的剖面图。与图2E同时以蒸镀或金属电镀的方法及第三光罩微影蚀刻形成负极焊锡凸块224及基板焊锡凸块223。图2G为形成U型腔室(Cavity)步骤的剖面图。自背面以第四光罩开U型腔室蚀刻窗225，以便进行穿透的蚀刻以形成U型腔室。然后进行异向性(anisotropic)整体微机电技术(bulk micromachining)形成一个穿透硅芯片的U型腔室227。此U型腔室227将用来容纳LED芯片。此时，硅基板正面的氮化硅层204及220形成一鼓膜，支持其上的焊锡凸块216、218、222及224。第二层金属所形成的焊锡凸块222、224，可以提供大面积的表面接着粘合(surface mount)，增加导热效率、强化氮化硅层204及220形成一鼓膜。如图2H所示。图2H为进行选择性金属电镀(plating)步骤的示意图。以采用具选择性的无电极电镀技术或电镀技术为宜，亦可用钨(W)选择性沉积(W selective deposition)，使金属镀于U型腔室227的侧壁形成金属反射膜226，此金属亦可镀于正极焊锡凸块216及负极焊锡凸块218上，图2H的薄膜228所示，但不镀于氮化硅层204上，因而自动形成隔离的正、负电极216、218及反射的金属镜面226。如此，用以容纳LED芯片的具有U型腔室的硅辅助框架200即告完成，如图2H所示。
参考图3，图3为倒装芯片的LED芯片的剖面图。LED芯片以现有技术制造，有红色、蓝色、绿色或其它颜色。LED芯片300有一透明基板302，例如蓝宝石；或其它基板，例如GaAs，其上有磊晶形成的PN接面或量子井的主动发光区。在P型层上有正电极304，负电极于蚀刻去除P型层到达N型层之后，形成负电极306，负电极306与正电极304交错形成。即成倒置芯片的状态。
参考图4，图4为将LED芯片置入硅辅助框架的U型腔室内以倒置芯片封装法形成的混合封装焊接后的剖面图。将LED芯片300倒转，使LED的正电极304对准硅辅助框架202的金属正电极216，LED的负电极306对准硅辅助框架202的金属负电极218，然后加热焊接成混合封装。再以透明塑料滴入U型腔室227的空隙内，使LED芯片300与硅辅助框架200更密切结合。为使光线能聚焦在LED表面上，透明胶形成一个微凸透镜(micro lens)236，此微凸透镜可为球面或抛物面以形成聚焦透镜，使光线聚焦向前射出。自LED发射的光232穿过透明基板302而发射。射至反射金属镜面226的光234再反射而出，以增强亮度。最后以切割机切过250μm的硅晶圆透明基板302、正面及反面的氮化硅层204、反面的负极焊锡凸块224及正极焊锡凸块222，将晶圆切成晶粒。晶粒上的焊锡凸块222、224可用倒装芯片方式封装于印刷电路板上。
参考图5，图5为将混合封装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片(flip-chip)或表面接着(surface mount technology，SMT)的方式焊接于铝质PC板上的剖面图。铝质PC板是近年使用的技术，具有散热良好的优点。铝质PC板502上有一层自然形成或用阳极处理形成的自然阳极氧化层(native oxide)506当作绝缘之用，在氧化层506上制成印刷电路，如正电极电路518、负电极电路520，为铜膜的电路。铝质PC板502背面有散热装置，如鳍状散热片504。将LED芯片300及硅辅助框架200的混合体以倒装芯片方式将焊接凸块222、224分别焊接于铝质PC板502的正电极电路518、负电极电路520上，使正负电极分别由接线垫512、522及打线516、526连至控制电路(未图标)的正、负电源(未图标)。LED即在控制下发光。由于自PN接面至散热片的距离甚短，获得良好的热传导，较现有的封装方式能耐更大的电流，PN接面的温度仍不上升，因而增加发光强度。
参考图6，图6为将混合装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式封装在一般PC板上的剖面图。此装置的封装模块先封装在一般PC板620上，PC板620上有金属导热孔604。将LED芯片300及硅辅助框架200的混合体以倒装芯片方式将焊锡凸块222、224分别焊接于一般PC板620的正电极电路618、负电极电路628上，使正负电极分别由接线垫622、612及打线626、616连至控制电路(未图标)的正、负电源(未图标)。铝质散热装置620上有鳍状散热片624。LED即在控制下发光。金属导热孔604亦可将热快速传导，亦较现有的封装方式能耐更大的电流，PN接面的温度仍不上升，因而增加发光强度。
混合封装的LED芯片及硅辅助框架亦可以用倒装芯片方式封装在一般接脚的基座上。利用一般接脚有限的散热能力，亦可增加发光强度。
最后参考图7，图7为依据本发明的实施例形成显示器的构造图。在硅基板上形成穿透的蚀刻U型腔室数组，将红、黄、蓝三色LED芯片702、704、706倒转混合封装于U型腔室数组中，以形成显示器的构造。
通过以上较佳的具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实例来对本发明的范畴加以限制。相反的，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范畴内。

Claims (18)

1.一种发光二极管LED的封装结构，将LED芯片以倒置芯片方式焊接在硅晶辅助框架内的U型腔室内，形成叠置封装模块。再将此模块以倒置芯片表面封装于具有散热效果的铝制PC板上，至少包含：
一个硅晶辅助框架，以一层或二层金属的制程在正面形成正电极及负电极的焊锡凸块；在背面蚀刻穿透硅芯片的U型腔室以供容纳LED芯片，利用选择性电镀技术在U型腔室的硅材上形成金属反射镜面；
一片发光二极管LED芯片，可为一般现有技术制造的芯片；具有基板、一个发光主动区，在正面有交错的正电极及负电极；
一片PC板，具有一层阳极氧化层，印刷电路、及散热装置；
将前述LED芯片以倒装芯片方式焊接于前述硅晶辅助框架内，LED芯片的正电极及负电极分别对准硅晶辅助框架的正电极及负电极，形成叠置封装模块；
将前述叠置封装模块以倒置芯片表面封装于前述PC板上，并在LED表面上以透明胶形成一个微凸透镜。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该绝缘膜为氮化硅。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该绝缘膜为氮化硅与二氧化硅的混合层。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该正电极及负电极的焊锡凸块为交叉指状。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该选择性电镀技术为无电极电镀技术。
6.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该选择性电镀技术为电极电镀技术。
7.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该选择性电镀技术为钨选择性沉积。
8.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该PC板的散热装置为鳍状散热板。
9.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该PC板的散热装置为平面散热板。
10.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该硅晶辅助框架的正电极及负电极的焊锡凸块为电镀铜/锡。
11.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该发光二极管为红色发光二极管。
12.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该发光二极管为蓝色发光二极管。
13.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该发光二极管为黄色发光二极管。
14.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该发光二极管为绿色发光二极管。
15.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该微凸透镜为球面。
16.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该微凸透镜为抛物面。
17.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该叠置封装模块亦可封装在一般接脚封装的基座上。
18.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，该硅基板上形成穿透的蚀刻U型腔室数组，将红、黄、绿三色LED芯片倒转混合封装于U型腔室数组中，以形成显示器。
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