CN1905218A - 具有热电器件的发光二极管封装结构 - Google Patents

具有热电器件的发光二极管封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有热电器件的发光二极管封装结构，应用于以芯片倒装焊接方式封装的发光二极管中，主要是将热电器件直接制作于发光二极管封装结构的锡球凸块层内，来取代一部分锡球凸块，借以有效提高发光二极管单元的散热效率，进而增进器件的发光稳定性与可靠度，并降低发光二极管封装整合上的困难与复杂度。

Description

具有热电器件的发光二极管封装结构
技术领域
本发明涉及一种发光二极管封装结构，应用于以芯片倒装焊接方式封装的发光二极管，特别是涉及一种可增加发光二极管封装散热能力的具有热电器件的发光二极管封装结构。
背景技术
发光二极管(Lighting Emitting Diodes；LED)是一种由半导体材料构成，利用半导体中的电子与空穴结合而发出光子，产生不同频率的光谱的发光器件，由于发光二极管光源具有良好的色纯度、无汞、寿命长及省电等特点，因此在照明及显示器背光源等应用上逐渐受到重视。然而，随着发光二极管发光亮度的增强，其单位面积下产生的热量亦随之增加，使其发热密度持续增大，同时因为发光二极管的封装结构与一般的集成电路(IC)不同，其封装方式及散热方法也与集成电路不尽相同，使得发光二极管的封装技术与散热问题已成为目前亟待解决的技术瓶颈之一。
发光二极管的电信接合方式主要有两种，一为引线焊接(wire bonding)方式，另一为芯片倒装焊接(flip chip)方式；其中引线焊接方式所使用的导线会阻挡到光路，芯片倒装焊接方式则可避免此缺点。如图1所示，美国专利US6483196是一种采用了芯片倒装焊接结构的发光二极管10，其使用两颗锡球凸块(solder bump)11、12作为电性连接，但没有提供散热的设计。
有些研究则提出以锡球凸块作为散热体(thermal ball)的作法。锡球凸块的散热主要是藉由热传导方式传热，并由下方的散热鳍片将热带走。在发光二极管的芯片倒装焊接封装上，仅有两颗锡球凸块作为电源I/O，其余的锡球凸块当成散热体，利用热传导将发光二极管产生的热量导至下方基板，但其传热能力有限。
如图2所示，美国专利US6455878是一种使用芯片倒装焊接方式接合的发光二极管13，利用锡球凸块层14中无电信作用的锡球凸块为散热体15，以传递热量。
如图3所示，美国专利US6040618则以微机电加工法在基板16上另外制作出凸块17，利用芯片倒装焊接接合后，锡球凸块18间的空隙会被基板16的凸块17所填充，增加其热传接触面积，以提供热传量。
另外，如图4所示，美国专利US6573537是利用大面积的n型接合垫(N-bond pad)19与p型接合垫(P-bond pad)20来传递热量。
由上述可知，虽然目前已有多种被动式的散热方法被整合进发光二极管的封装结构，但其散热效果不佳。而固态、主动冷却方式的热电器件，可以提供发光二极管器件更为直接、更有效率的冷却效力。
热电器件又称为致冷器，是一种主动冷却方式，能使温度低于室温；一般的散热片是被动冷却，温度须高于环境才有散热功能。若于热电器件的热端接上相同的散热片，因热电器件为主动冷却，不断带走冷端的热量，所以冷端可以低于室温，可用于高发热功率电子器件冷却，对于器件的性能提升有很大的帮助。且热电器件不需使用任何冷却剂，可连续工作，无污染、无动件、无噪音，寿命长，安装容易，且体积小轻，应用于封装散热将会拥有极大的优势。
美国专利US5832015提供了一种整合热电器件的散热方法，其利用热导性佳但电导性差的封装架，先将热电器件置于封装架内，再将激光二极管模块放置于封装架上，之后再连接芯片导线，覆盖金属保护盖于封装架上，最后再整合散热鳍片于封装架。然而，这种方式是采用外加的热电器件于封装结构中，其散热效率非常有限。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种具有热电器件的发光二极管封装结构，将热电器件取代常见的无I/O用途的锡球凸块，直接制作并整合于发光二极管封装结构中参与应用，藉此可有效提高发光二极管器件的散热效率，以及降低发光二极管封装整合上的困难与复杂度，并大体上解决原有技术所存在的问题。
因此，为达上述目的，本发明所公开的具有热电器件的发光二极管封装结构，包括有发光二极管单元、绝缘层、基板、锡球凸块层与至少含有一对热电单元的热电器件，发光二极管单元与基板是藉由锡球凸块层电性连接，而热电器件则设置于发光二极管单元与基板的锡球凸块层，并利用绝缘层于发光二极管与锡球凸块层、热电器件做部分绝缘，而每对热电单元包含有电性连接的p型热电材料单元以及n型热电材料单元，当电流流经热电器件会将热量由发光二极管单元散去，而于发光二极管单元一侧形成冷端、基板一侧形成热端。有关本发明的特征与实施，现配合附图作最佳实施例详细说明如下。
附图说明
图1是原有技术中一种发光二极管结构的示意图；
图2是原有技术中一种发光二极管结构的示意图；
图3是原有技术中一种发光二极管结构的示意图；
图4是原有技术中一种发光二极管结构的示意图；
图5是本发明具有热电器件的发光二极管封装结构的实施例示意图；
图6A～图6E是本发明具有热电器件的发光二极管封装结构的实施例的制作流程图；
图7～图16是本发明具有热电器件的发光二极管封装结构的实施例的多种变化示意图。
其中，附图标记：
10、13                发光二极管
11、12、15、18、61    锡球凸块
14、60、62、63        锡球凸块层(solder bump layer)
16基板                17凸块
19n型接合垫           20p型接合垫
30发光二极管单元      31蓝宝石基板
32p型发光层           33主动层
34n型发光层           35p型接触层
36n型接触层           37镜体
40绝缘层              41上绝缘层
42下绝缘层            50基板
51通孔                52p型热电材料单元
53n型热电材料单元     70、73热电器件
71p型热电材料单元    72n型热电材料单元
80、81电路层         90散热模块
91器件               92接脚
93热管               94散热鳍片
具体实施方式
图5为本发明的第一实施例所提供的具有热电器件的发光二极管封装结构，包含有发光二极管单元30、绝缘层40、基板50、锡球凸块层60与两组热电器件70。
本实施例的发光二极管单元30是由成长p型发光层32、主动层(ActiveLayer)33、n型发光层34、p型接触层35以及n型接触层36设置于蓝宝石基板(Sapphire)31上而制成，且p型发光层32设置于蓝宝石基板31上，主动层33与p型接触层35设置于p型发光层32上，n型发光层34设置于主动层33上，n型接触层36设置于n型发光层34上，且p型接触层35与n型接触层36分别连接至正电压源与负电压源，以供导入顺向电压，使p型发光层32的空穴与n型发光层34的电子可于主动层33结合而发光。此发光二极管单元30是以芯片倒装焊接方式，使用锡球凸块层60反贴接合于基板50上，且对锡球凸块层60的锡球凸块60的形状并不予限定，其可以是圆形、方形或是任何应用中需要的形状。
而热电器件70包含有p型热电材料单元71以及n型热电材料单元72，以相互交错方式排列于发光二极管单元30与基板50之间的锡球凸块层60内。绝缘层40包含上绝缘层41与下绝缘层42，分别设置于发光二极管单元30下方与基板50上方，用以电性绝缘并提供电路层80、81便于布线，藉由电路层80、81可使锡球凸块层60与发光二极管单元30、基板50电性导通，并使热电器件70的p型热电材料单元71与n型热电材料单元72可电性互连以及可与发光二极管单元30、基板50电性连接。
本实施例中，基材50底部还具有一散热模块90，当导入顺向电压后，电流会由发光二极管单元30流经热电器件70再提供至基板50，而在发光二极管单元30一侧形成冷端、基板50一侧形成热端，利用热电器件70冷端吸热的功能，将发光二极管单元30所产生的热量高效地传至基板50，并由与基板50下方连接的散热模块90将热量带走；或者，可利用热电器件70定温的功能，将发光二极管单元30的温度控制在某一固定温度。
图6A～6E，为本实施例具有热电器件的发光二极管封装结构的制作流程。
其中，图6A～6C显示了在发光二极管单元30与基板50上制作绝缘层40与电路层80、81的过程，由于两者过程雷同，为避免重复描述，以下仅以发光二极管单元30来说明。首先，在发光二极管单元30表面镀上玻璃保护层作为上绝缘层41(图6A)，以提供密封保护并防止焊锡的任意润湿，然后，在上绝缘层41的锡球凸块层60及热电材料70接垫位置上开出导孔，而热电材料70的导孔并不穿透上绝缘层41(图6B)，并在上绝缘层41开出热电器件70的线路后，再溅射上如铬-铜-金等多层金属薄膜(通称为凸块底层金属(UBM，Under Bump Metallurgy))，而形成电路层80(图6C)，以提供黏着、扩散障碍、增进焊锡润湿与防止氧化等功能，随后，再将锡球凸块层60与热电材料70利用芯片倒装焊接机植球于基板50上各个接垫位置(图6D)，并经由精密对位，将发光二极管单元30与基板50上的接垫位置接合(图6E)，最后，以回焊(reflow)将锡球凸块层60固定，即制作完成此具有热电器件的发光二极管封装结构。
其中，热电器件70可以使用微机电加工、半导体加工、精密机械加工，或是其它加工制作方法来制作，且热电器件70的组装方法可以利用芯片倒装焊接方式、网板印刷或其它方法组装，至于热电器件70制作于锡球凸块层60上的方法，则可以适用溅射(sputter)、蒸镀(evaporation)、电镀(electroplating)或是其它可做出热电器件70在锡球凸块层60上面的方式。
此外，如图7所示，本实施例发光二极管封装结构更包含有一镜体37，以提高发光二极管整体亮度，且如图8所示，发光二极管封装结构下方更可藉由锡球凸块层62与另一器件作结合，或者，如图9所示，将多对热电器件73设置于锡球凸块层63内，来提高整体散热的效果。
另如图10所示，发光二极管封装结构与另一器件91的连接亦可利用引线焊接接合的方式，而此器件91可再通过锡球凸块层63连接其它器件；并且，如图11所示，发光二极管封装结构底端也可藉由数个接脚92来与其它器件结合。
如图12所示，于基板50内，可以开设有散热信道(thermal vias)51，用以提升基板50的导热能力，而可更快速的将热传导至底部的散热模块90。如图13所示，在这些散热信道51内，以电镀、块材置入、流质注入等方式将热电材料制作于散热信道51内，在基板50内形成第二组(级)的热电单元(如图所示，包含有p型热电材料单元52以及n型热电材料单元53)。
另一方面，请参阅图14，可将基板50加以省略，而将整组发光二极管连同热电单元直接装设于散热模块90上，而其表面有一层经过阳极处理的绝缘层(薄膜或厚膜皆可)，其中绝缘层的制作方法可采用如氧化、阳极处理等，此结构可大幅降低接触热阻(contact resistance)，提高热电器件的工作效能。同时，散热模块90可以为热管93的形式，参阅图15，热管93与热电单元连接的一侧，其表面有一层绝缘层(薄膜或厚膜皆可)，绝缘层的制作方法同样可如氧化、阳极处理等，此结构除可大幅降低接触热阻，同时也可将热端温度控制在特定范围内，提高热电器件的工作效能。当然，请参阅图16，也可将热管93体积整个放大，且外部包含有散热鳍片94，更增加散热效果。
综上所述，本发明提出的将热电材料直接制作于发光二极管封装结构的锡球凸块层的创新性想法，是利用将散热设计整合于封装设计的概念(thermalsolution for demand)，而非整体封装完成后再考虑所需要的散热方法。
再者，本发明可大幅减小传统热电器件与芯片封装整合上的困难，同时可解决热点(hot spot)的问题，以及减少接触热阻，进而增进器件的发光稳定性与可靠度，藉此可适应未来发光二极管封装散热的发展趋势。
虽然本发明以前述的较佳实施例公开如上，但这并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作少量更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须参照本说明书所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1、一种具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，包含有：
一发光二极管单元；
一绝缘层，设置于该发光二极管单元上；
一基板，该绝缘层与该发光二极管单元设置于其上；
一锡球凸块层，设置于该发光二极管单元与该基板间，将该发光二极管器件与该基板电性连接；
至少一对热电单元的热电器件，设置于该绝缘层与该基板间的该锡球凸块层，该对热电单元包含有电性连接的p型热电材料单元以及n型热电材料单元，而于该发光二极管单元一侧形成冷端、该基板一侧形成热端。
2、如权利要求1所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，更包含有一电路层，位于该发光二极管单元与该基板之间，提供该发光二极管与该基板可通过该锡球凸块层电性连接、该热电器件的p型热电材料单元与n型热电材料单元的电性连接、以及该p型热电材料单元与该n型热电材料单元可电性连接至该发光二极管单元与该基板，以形成该冷端与该热端。
3、如权利要求1所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该p型热电材料单元与该n型热电材料单元以相互交错方式排列。
4、如权利要求1所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该基板下方更包含有一组热电器件。
5、如权利要求1所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该基板内设置多个散热信道。
6、如权利要求5所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该散热信道内更包含有另一热电单元。
7、一种具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，包含有：
一发光二极管单元；
一绝缘层，设置于该发光二极管单元上；
一散热模块，该绝缘层与该发光二极管单元设置于其上；
一电路层，位于该发光二极管单元与该散热模块之间；
一锡球凸块层，设置于该发光二极管单元与该电路层间，将该发光二极管器件与该电路层电性连接；
至少一对热电单元的热电器件，设置于该绝缘层与该板电路间的该锡球凸块层，该对热电单元包含有电性连接的p型热电材料单元以及n型热电材料单元，而于该发光二极管单元一侧形成冷端、该电路层一侧形成热端。
8、如权利要求7所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该p型热电材料单元与该n型热电材料单元以相互交错方式排列。
9、如权利要求7所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该散热模块为一热管。
10、如权利要求7所述的具有热电器件的发光二极管封装结构，其特征在于，该散热模块外更包含有多个散热鳍片。
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