JP2013517632A - パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】工程時間を短縮し、平坦度(又は、ボンディングの均一性)を高め、絶縁層(絶縁基板)とチップとの間の接着力が向上したパッケージおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のパッケージは、パターニング層上に形成された第1導電層と、前記パターニング層上に前記第1導電層を埋め込むように形成された絶縁層と、前記絶縁層の外面に形成された第2導電層と、前記第1導電層と第2導電層とを電気的に接続するように前記絶縁層の内部に形成された第3導電層とを含むことを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、パッケージおよびその製造方法に関する。特に、チップと絶縁層との間に空隙がなく接着性能が向上したパッケージおよびその製造方法に関する。
発光ダイオード(diode)は、順方向に電圧を加えた時に発光する半導体素子である。LED(Light Emitting Diode)とも呼ばれる。発光原理は電界発光効果を利用している。また、寿命も白熱電球より非常に長い。発光色は使われる材料に応じて異なり、紫外線領域から可視光線及び赤外線領域まで発光するものを製造することができる。最初に1962年にイリノイ大学のニック・ホロニアク(Nick Holonyak)により開発された。また、今日まで様々な用途に使われており、今後蛍光灯や電球に代わる光源として期待されている。
このようなチップも一般的な半導体チップと同様にPCB基板に装着するためにはパッケージングが必要である。LED PKG(パッケージ)が小型及び薄型化されるにつれ既存のWL(wafer level)からCS(chip scale)に変更することで材料コストと工程コスト/投資コストを低減しようとする傾向にある。これにより、既存のリードフレーム(Lead Frame)とチップ(chip)をW/B(ワイヤーボンディング)、D/B(ダイボンディング)で連結してパッケージすることとは異なり、Si基板(あるいはAlN基板あるいはLTCC基板など)を使ってウェハ対ウェハボンディング(wafer to wafer bonding)でパッケージの形態を変更して工程段階を減らし、ウェハ当たりのパッケージの個数を増大させる方法が提案された。
図1は、従来のウェハ対ウェハボンディング方法によるパッケージの断面図である。図1を参照すると、従来のウェハ対ウェハボンディング方法によるパッケージは、サファイア基板100、サファイア基板100上に成長させて形成されたパターニング層110、パターニング層上に形成された導電体層120(以下、第1導電層と称する。)、絶縁層130、絶縁層130上に形成され、第1導電層120と接触された導電体層140(以下、第2導電層と称する。)、絶縁層130の内部を貫通し、第1導電層120と第2導電層140を電気的に接続する導電体層150(以下、第3導電層と称する。)で構成される。しかしながら、このような従来のパッケージは、ウェハ対ウェハのボンディング時に第1導電層120と第2導電層140とが接触するので、チップと絶縁層との間に空間ができることになる。このような二つの個体間の空間(空隙)は接着強度を弱くするという欠点がある。
図2は、従来のウェハ対ウェハボンディング方法によるパッケージの製造工程を示す工程図である。図2を参照すると、先ず、絶縁基板(絶縁層)130を用意する。ここで、絶縁基板130は例えばSi又はAlN又はAl23基板である。その後、中間部にビアホール160を形成し、このビアホール160をメッキして第3導電層150を形成する。そして、絶縁層130と第3導電層150上に第2導電層140を形成した後、サファイア基板上100に順に形成されたパターニング層110および第1導電層120で構成されたチップとウェハ対ウェハボンディングを実施する。しかしながら、このように構成された従来のLEDパッケージおよびその製作方法によると、Si基板は、他の基板に比べて平坦度には優れるが、基板製作時に工程時間が長く、材料費率が増えることになる。又、AlNやLTCCなどのセラミック基板は、Si基板に比べて材料費率は低いが、相対的に工程比率が高く、平坦度が良くない。そして前述のように二つの個体間の空隙ができるといった問題点があった。したがって、工程時間が短いながらも、平坦度を高めると共に接着力が向上したパッケージおよびその製造方法が必要である。
本発明の実施例により、工程時間を短縮し、平坦度(又は、ボンディングの均一性)を高め、絶縁層(絶縁基板)とチップとの間の接着力が向上したパッケージおよびその製造方法を提供する。
本発明の一実施例により、パターニング層上に形成された第1導電層と、前記パターニング層上に前記第1導電層を埋め込むように形成された絶縁層と、前記絶縁層の外面に形成された第2導電層と、前記第1導電層と第2導電層とを電気的に接続するように前記絶縁層の内部に形成された第3導電層とを含み、平坦度および接着力が向上したパッケージを提供する。
ここで、前記絶縁層は、Si、Al、AlN、 Al23、 BN、LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)のうち少なくとも一つを含有するフィラー(filler)を含むことができる。
また、前記絶縁層は、フィラー、樹脂、分散剤、および添加剤を含み、前記フィラーは蛍光体成分をさらに含み、チップを封止材を利用してモールド樹脂、EMC(Epoxy Mold Compound)でパッキング処理する時、このようなモールド樹脂、EMC樹脂に含まれる蛍光体成分を減少させることにより、蛍光体の含有量が高いために発生する技術的な問題点、即ち、モールド材の接合性、蛍光体の分散性などの問題点を解決することができる。
また、前記フィラー又は樹脂は、Ag、W、Pt及びPdの中から選ばれる金属パウダーおよびエポキシ樹脂であるか、BaAl24又はZnSの中から選ばれるイオン伝導を利用するセラミックパウダーおよびエポキシ樹脂であるか、Si、Al、AlN、 BN、 Al23、LTCCのうち少なくとも一つを含有し、ESD保護機能をチップサイズのパッケージに内蔵させることができる。
本発明の一実施例により、サファイア基板上にパターニング層を形成するステップと、前記パターニング層上に第1導電層を形成するステップと、前記パターニング層および第1導電層上に絶縁層および/又は第3導電層をペースト又はインクを用いる印刷法によって形成して第1導電層を埋め込むステップと、前記第3導電層上に前記第1導電層と電気的に接続されるように第2導電層を形成するステップと、前記サファイア基板を除去するステップとを含むパッケージの製造方法が提供される。ここで、前記第1導電層を埋め込むステップは、例えば、前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料および導電材料を順次又は交互に印刷し硬化させて絶縁層および第3導電層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである。
なお、前記第1導電層を埋め込むステップは、例えば、前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層を形成した後、前記絶縁層の内部をメッキして第3導電層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである。
そして、前記第1導電層を埋め込むステップは、例えば、前記第1導電層上に第3導電層をメッキした後、前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである。
なお、前記第2導電層を形成するステップは、例えば、ペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷して第2導電層を形成するステップであり、前記サファイア基板を除去するステップは、例えば、レーザリフトオフ(Laser Lift off)工程によってサファイア基板を除去するステップである。
特に、前記絶縁材料のペースト又はインクの材料は、フィラー、樹脂、溶媒(Solvent)、分散剤、および添加剤を含み、前記溶媒は硬化後揮発されることを特徴とし、前記フィラーは蛍光体成分を含むことができる。
なお、前記フィラーおよび樹脂は、例えば、それぞれ金属パウダーおよびエポキシ樹脂であるか、イオン伝導を利用するセラミックパウダーおよびエポキシ樹脂である。
本発明により、サファイアウェハ上に形成されたパターニング層上にペーストあるいはインク形態の絶縁体(Insulator)と導体(Conductor)を用いて印刷(Printing)又はコーティング(Coating)方式で基板を形成することにより、基板とLEDとの間に空隙がなく接着力を強化させることができる。
なお、絶縁体は、セラミック成分を含有しているが、低温硬化タイプであるのでセラミックの焼結時に発生する収縮現象によるウェハの損傷を最小化することができ、既存のウェハ対ウェハボンディング工程で問題となる基板のCo-planarityの問題も、粘性を持つペーストあるいはインク印刷方式であるので解決可能である。
なお、製造方法においても既存の基板の製作工程および基板の接着の代わりに印刷工法を適用して実現するので、多数の工程数を省略することが可能であり、それにより材料および工程コスト/製作期間を減少させることができ、絶縁体に含まれた蛍光体又はESD保護材料によって光効率性の向上又は静電気保護効果がある。
従来のウェハ対ウェハボンディング方法によるパッケージの断面図である。 従来のウェハ対ウェハボンディング方法によるパッケージの製造工程を示す工程図である。 本発明の一実施形態によるパッケージの断面図である。 本発明の一実施形態によるパッケージの製造工程を示す工程図である。
以下、添付の図面を参照して望ましい一実施形態によるパッケージおよびその製造方法について詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。
図3は本発明の一実施形態によるパッケージの断面図を示す。図3を参照すると、本発明の一実施形態によるパッケージは、サファイア基板100、(LED又は半導体)パターニング層110、第1導電層120、絶縁層130、第2導電層140、及び第3導電層150を含む。より詳細には、サファイア基板100の下方に順次形成されたパターニング層110および第1導電層120で構成されたLEDチップが存在する。そして、パターニング層110の下方に第1導電層120を埋め込むように絶縁層130が形成され、絶縁層130の外面に第2導電層140が形成され、絶縁層130の内部に第1導電層120と第2導電層140とを電気的に接続するように第3導電層150が形成されている。このように、第1導電層120が絶縁層130の内部に埋め込まれているので、従来のパッケージのような空隙ができない。したがって、LEDチップと絶縁層130との接着力が向上して信頼性が改善される。以下、このようなパッケージ構造を製造する工程を詳細に説明する。
図4は、本発明の一実施形態によるパッケージの製造工程を示す工程図である。同図では、パッケージがPCBに付着する部分を下向きにして完成される過程として説明し、実質的にはチップを上向きにして印刷およびその他工程が進行されると理解しなければならない。図4を参照すると、サファイア基板100上にパターニング層110および第1導電層120が順次形成されたチップを用意する(S1)。その後、パターニング層110および第1導電層120上に絶縁層130および/又は第3導電層150をペースト又はインク印刷法によって形成して第1導電層120を埋め込む(S2及びS3)。
より詳細には、本ステップでの印刷工程の進行順序は、形成する基板の厚さ、大きさ、図面などによりその順序や回数などの印刷方法を様々に実現することが可能である。
例えば、ペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷した後ペースト又はインク形態の導電材料を印刷して絶縁層130および第3導電層150を形成し(左側のS2以後S3)、または、ペースト又はインク形態の導電材料を印刷した後ペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷して第3導電層150および絶縁層130を形成(右側のS2以後S3)するように、絶縁層130と第3導電層150とを順次印刷することができる。また、ペースト又はインク形態の導電材料および絶縁材料を交互に同時に印刷して絶縁層130と第3導電層150とを形成することもできる(この場合、ステップS1から直にステップS3に進行)。
また、絶縁層130は印刷法で形成し、第3導電層150はメッキ方式を用いて形成することもできる。例えば、先ず、パターニング層110および第1導電層120上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層130を形成した後(左側のS2)、絶縁層130の内部をメッキして第3導電層150を形成する(S3)。又は第1導電層120上に第3導電層150をメッキした後(右側のS2)、パターニング層110および第1導電層120上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層130を形成する(S3)。
ここで、絶縁層は、インク又はペースト状態ではフィラー、樹脂、溶媒、分散剤、および添加剤で構成され、硬化以後には溶媒が揮発され、一部樹脂に対しては変形が生じる可能性もある。
特に、フィラーは Si、Al、AlN、 BN、 Al23、LTCCのうち少なくとも一つを含有する。また、フィラーは、前記の成分以外にBN、Si34、SiC(SiC-BeO)、BeO、CeOなどのセラミック(Ceramic)系とC(ダイヤモンド、CNT)の成分、蛍光体成分が含まれたペースト形態の材質で構成できる。第3導電層は、Ag、Cu、Ti、Ni、Au、Pd、Pt、及びCrなどの金属成分が含まれたペーストあるいはインク形態の材質で構成され、Ni/Au又はNi/Pd/Auのメッキ工程により完成されることが望ましい。
ここで、フィラーに蛍光体成分が含まれる場合、チップを封止材を利用してモールド樹脂、EMCでパッキング処理する時に、このようなモールド樹脂、EMC樹脂に含まれる蛍光体成分を減少させることにより、蛍光体の含有量が高いために発生する技術的な問題点、即ち、モールド材の接合性、蛍光体の分散性などの問題点を解決することができる。
特に、フィラーの場合熱伝導率の増加および熱膨張係数差の調節のために添加するが、インクの場合10nm〜500nm、ペーストの場合0.5μm〜100μmの粒度中充填率のためにそれぞれ単独粒度および複数粒度の選択が可能である。 また、その量は10〜97wt%の含有量を有することが望ましい。
なお、ESD保護機能をチップサイズのパッケージに内蔵させるために、フィラーおよび樹脂は、それぞれ、金属パウダーおよびエポキシ樹脂を、あるいはイオン伝導を利用するセラミックパウダーおよびエポキシ樹脂を用いることができる。ここで、金属パウダーはAg、W、Pt、及びPdなどの金属パウダーが望ましく、セラミックパウダーはBaAl24、ZnSなどのイオン伝導を利用するセラミックパウダーが望ましい。
なお、ペースト又はインクを硬化させる場合、低温硬化(常温〜600℃以下)のために高分子物質が添加されるが、その含有量は3〜90wt%であることが望ましい。その種類は、ポリアクリル樹脂(polyacrylate resin)、エポキシ樹脂(epoxy resin)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ポリアミド樹脂(polyamides resin)、ポリイミド樹脂(polyimides resin)、不飽和ポリエステル樹脂(unsaturated polyesters resin)、ポリフェニレンエーテル樹脂(polyphenylene ether resin (PPE))、 ポリフェニレンオキサイド樹脂(polyphenylene oxide resin(PPO))、 ポリフェニレンスルフィド樹脂(polyphenylenesulfides resin)、シアン酸エステル樹脂(cyanate ester resin)、ベンゾシクロブテン(benzocyclobutene(BCB))、ポリアミド-アミンデンドリマー(Polyamido-amine Dendrimers(PAMAM))、およびポリプロピレン-イミン(Polypropylene-imine)、デンドリマー(Dendrimers(PPI)),およびPAMAMの内部構造および有機-シリコンの外面を有するデンドリマーであるPAMAM-OSを単独又はこれらの組合せを含んだ樹脂で構成できる。
ここで、絶縁層と高分子物質とを混合するために用いられる混合方式は、ボールミル、油性ボールミル、インペラミキシング、ビーズミル(Bead Mill)、バスケットミル(Basket Mill)を含む。実施例によれば,溶媒と分散剤を均一な分散のために用いることができる。溶媒は粘度調節のために添加でき、溶媒の粘度はインクの場合3〜400Cps、ペーストの場合1000〜1百万Cpsが望ましい。また、溶媒は、水、メタノール(methanol)、エタノール(ehtanol)、イソプロパンオール(isopropanol)、ブチルカルビトール(butylcabitol)、MEK、トルエン(toluene)、キシレン(xylene)、ジエチレングリコール(Diethylene Glycol;DEG)、ホルムアミド(Formamide;FA)、α-テルピネオール(α-terpineol;TP)、γ-ブチロラクトン(γ-butyrolactone;BL)、メチルセロソルブ(Methylcellosolve;MCS)、プロピルメチルセロソルブ(Propylmethylcellosolve;PM)のうちで単独又は複数の組合せを含むこともできる。
なお、分散剤の場合、非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、オクチルアルコール(Octyl alcohol)およびアクリル系高分子からなる群より選ばれる一つ以上を含むことができる。
さらに、粒子間結合を増加させるために、1-トリメチル・シリル・ブタノール(1-Trimethylsilylbut-1-yne-3-ol)、アリ・トリメチル・シラン(Allytrimethylsilane)、トリメチルシリル・メタノサルフェイト(Trimethylsilyl methanesulfonate)、トリメチル・シリル・トリコロル・アセテート(Trimethylsilyl tricholoracetate)、メチル・トリメチルシリル・アセテート(Methyl trimethylsilylacetate)、トリメチルシリル・プロピオニック・アシッド(Trimethylsilyl propionic acid)などのシラン系の添加物を入れることが可能であるが、この場合、ゲル化(gelation)の危険性があるので、添加の選択は慎重を期しなければならない。
このような材料を用いて印刷された絶縁層および第3導電層を硬化しなければならない。この場合に用いられる硬化は、真空硬化、即ち、10〜240分間常温〜600℃で硬化させて基板を形成することが望ましいが、必ずしもこれに限定されるのではない。
その結果、硬化した基板の場合、チップと基板との空隙がないため、後工程進行時クラック(Crack)および信頼性に影響がないチップパッケージの製造が可能である。
その後、第3導電層150上に前記第1導電層と電気的に接続されるように第2導電層を形成する(S4)。そして最終的にレーザリフトオフ(Laser Lift off)工程によってサファイア基板100を除去してチップパッケージを完成する。

Claims (12)

  1. パターニング層上に形成された第1導電層と、
    前記パターニング層上に前記第1導電層を埋め込むように形成された絶縁層と、
    前記絶縁層の外面に形成された第2導電層と、
    前記第1導電層と第2導電層とを電気的に接続するように前記絶縁層の内部に形成された第3導電層とを含むパッケージ。
  2. 前記絶縁層は、Si、Al、AlN、 BN、 Al23、LTCCのうち少なくとも一つを含有するフィラーを含む、請求項1に記載のパッケージ。
  3. 前記絶縁層は、
    フィラー、樹脂、分散剤、および添加剤を含む、請求項1に記載のパッケージ。
  4. 前記フィラーは蛍光体成分をさらに含む、請求項3に記載のパッケージ。
  5. 前記フィラー又は前記樹脂は、
    Ag、W、Pt及びPdの中から選ばれる金属パウダーおよびエポキシ樹脂であるか、BaAl24又はZnSの中から選ばれるイオン伝導を利用するセラミックパウダーおよびエポキシ樹脂であるか、
    Si、Al、AlN、 Al23、 BN、及びLTCCのうち少なくとも一つを含有する、請求項3又は4に記載のパッケージ。
  6. サファイア基板上にパターニング層を形成するステップと、
    前記パターニング層上に第1導電層を形成するステップと、
    前記パターニング層および第1導電層上に絶縁層および第3導電層のうち少なくとも一つをペースト又はインクを用いる印刷法によって形成して第1導電層を埋め込むステップと、
    前記第3導電層上に前記第1導電層と電気的に接続されるように第2導電層を形成するステップと、
    前記サファイア基板を除去するステップと、を含むパッケージの製造方法。
  7. 前記第1導電層を埋め込むステップは、
    前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料および導電材料を順次又は交互に印刷し硬化させて前記絶縁層および第3導電層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである、請求項6に記載のパッケージの製造方法。
  8. 前記第1導電層を埋め込むステップは、
    前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層を形成した後、前記絶縁層の内部をメッキして前記第3導電層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである、請求項6に記載のパッケージの製造方法。
  9. 前記第1導電層を埋め込むステップは、
    前記第1導電層上に前記第3導電層をメッキした後、前記パターニング層および第1導電層上にペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷し硬化させて絶縁層を形成することにより、前記第1導電層を埋め込むステップである、請求項6に記載のパッケージの製造方法。
  10. 前記第2導電層を形成するステップは、
    ペースト又はインク形態の絶縁材料を印刷して第2導電層を形成するステップである、請求項6に記載のパッケージの製造方法。
  11. 前記第2導電層を形成するステップは、
    レーザリフトオフ工程によってサファイア基板を除去するステップである、請求項6に記載のパッケージの製造方法。
  12. 前記絶縁材料のペースト又はインクの材料は、フィラー、樹脂、溶媒、分散剤、および添加剤を含み、前記溶媒は硬化後揮発される、請求項7〜9のうちいずれか一項に記載のパッケージの製造方法。
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