TWI243458B - Light emitting diode package structure and manufacturing process thereof - Google Patents

Description

1243458 案號 93115910 曰 修正 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明是有關於一種發光二極體（Light Emitting Diode, LED)封裝結構及其製程，且特別是有關於一種採 用覆晶封裝（F 1 i p C h i p p a c k a g e )的發光二極體封裝結構 及其製程。 先前技術 由於發光二極體的發光效率不斷提升，使得發光二極 體在某些領域已漸漸取代日光燈與白熾燈泡，例如需要高 速反應的掃描器燈源、液晶顯示器的背光源或前光源、汽 車的儀表板照明、交通號誌燈以及一般的照明裝置等。發 光二極體與傳統燈泡相較之下係具有絕對的優勢，例如體 積小、壽命長、低電壓/電流驅動、不易破裂、不含水銀 (沒有污染問題）以及發光效率佳（省電）等特性。在各種發 光二極體元件中，尤以含I I I - N族元素之化合物的發光二 極體元件，如含氮化鎵（GaN)、氮化鋁鎵（AlGaN)、氮化銦 鎵（Gal nN)等的發光二極體元件最受矚目。三族氮化物為 一寬頻帶能隙之材料，其發光波長可以從紫外光一直涵蓋 至紅光，可說是幾乎涵蓋整個可見光的波段，所以在產業 上的應用非常廣泛。 圖1繪示為習知一種採用覆晶封裝之發光二極體封裝 結構的剖面示意圖。請參照圖1 ，發光二極體封裝結構1 0 0 主要係由一發光二極體晶片1 1 0、兩個球底金屬層（U n d e r Bump Metallurgy， UBM)120、一封裝基材 130、兩個連接 墊140及兩個凸塊150所構成。球底金屬層120配置於發光

13214twf1.ptc 第7頁 1243458 案號 93115910 曰 修」 五、發明說明（2) 二極體晶片1 1 0上，而連接墊1 4 〇配置於封裝基材1 3 0上。 凸塊1 5 0則配置於球底金屬層1 2 0與連接塾1 4 0之間。 在凸塊1 5 0之材質方面，早期技術係採用錫鉛銲料， 而全球工業先進地區及國家為了降低有毒金屬『鉛』對人 類、生物以及環境的毒害，不斷致力降低鉛在各種不同領 域應用的比例與使用量，因此凸塊丨5 〇之材質亦以採用無 船（1 e a d f r e e )銲料為趨勢。基於人類健康與全球環境的 考量’曰本與歐盟更訂定一明確的時間表來禁止使用含鉛 知料。根據日本MITI(Ministry 〇f Trade and Industry 的規定’自2 0 0 2年起，任何含鉛的電子產品禁止銷售至日 本，而歐洲共同體系下的European commission則提案在 2 0 0 7年以後’歐盟各國不生產任何含鉛的電子產品。彳艮 顯地，^用無鉛焊料在電子產業已成為一必然之趨勢。 ，敌 鎳（Cr/Ni)之二層薄膜結構。當球底金Μ :二展/，金時，凸塊150，的錫會與球底金屬層1^屬 中的銅層反應形成銅-錫介金屬化合物（Cu_sn 2〇 intermetal lie 一 .0Ϊ π Compound)’而當球底金屬層120為鈦/ 50巾的錫會與球底金屬層120中的鎳層反轉 但疋，在習知採用覆晶封裝之發光二極體封裝結 中丄無=焊料的使用將會突顯出相當多的問題。在習知 ΐ 一’底ί屬層120通常為絡/銅/金（Cr/Cu/Au)三層薄 應 形 ntermeta 1 1 i c

成錫-鎳介金屬化合物（Sn — N 、不論是銅_錫介金屬化合物或是錫_鎳介h 化合物，I與路層之介面上都有極高的介面能，故在：屬

1243458 案號 93115910 五、發明說明（3) 塊1 5 0進行迴焊的過程φ 力 介金屬化合物會逐潘f 化、5网金屬化合物或是錫—鎳 15〇之中，此現象即/所%而的^開層表面並懸浮於凸塊 二極體封裝結構中淳以二，/产將會嚴重地影響到發光 發明内容 又。 = 3 3就是在提供一種發光二極體封裝結構， 適於抑制球底金屬層中的剝離現象。 < 稱 Μ ^發^ ^再一目的是提供一種發光二極體封裝製程， 以、准^ 1件接觸金屬的高反射率及良好的歐姆式接觸。 -極ί ϊ Γ提：：？發光二極體封裝結構，其係由-發光 ::二球底金屬層、-封裝基材、多個連接 墊、夕 f：及一自生成介金屬化合物（self-formed intermetallic compound)所構成。 屬声ί: ΐ f f Τ ΐ於發光二極體晶片上，且構成球底金 Λ八=匕括鎳。連接墊配置於封裝基材上。凸塊 雪Πϊΐ!層與連接墊Pa，，以使球底金屬層與連接塾 門获由、表拔執生成介金屬化合物係於球底金屬層與凸塊之 間措由連，塾所提供之銅原子而自行生成。 镩芦，ί又:了 :列：杳光_極體封裝結構例如更包括多個 置於連接塾上。鎳層具有至少-開。，以 半導體層所構成。，導體層传3 m -基材及- 式而形成於基材上ΐ例如f晶（epitaxy)的方 T上午V體層例如係由一第一型摻雜半導 1243458 案號 93115910 A_η 修正 五、發明說明（4) 體層、一發光層以及 型摻 雜半 發光 上以 金屬 雜半導 導體層 層上。 及第二 層。前 本發明 光二極 片上。 裝基材 銲料塊 一發 體晶 一封 多個 連接墊電性 自然生成一 間。 體層 的部 此外 型摻 述之 再提 體晶 構成 ，並 於球 連接 自生 之間 少 -— 金， 塊之 中， 銲過 合物 在本 ，例 開口 在上 銅合 材質 綜上 連接 程中 即可 實施例 如更分 〇 述兩實 金例如 例如係 所述， 墊所提 形成自 阻絕凸 係位 分區 ，未 雜半 球底 出一 片° 球底 形成 底金 。最 成介 中， 別形 施例 有銅 無鉛 在本 供之 生成 塊與 一第二型 於基材上 域上，且 分佈有發 導體層上 金屬層分 種發光二 接著形成 金屬層之 多個連接 屬層與連 後迴銲銲 金屬化合 摻雜半導 ，而發光 第二型摻 光層之第 ，例如分 別配置於 極體封裝 多個球底 材料至少 墊於封裝 接墊間， 料塊以形 物於球底 體層所 層係位 雜半導 一型摻 別配置 各接觸製程， 金屬層 包括鎳 基材上 以使球 成多個 金屬層 構成 於第 體層 雜半 有多 金屬 其係 於發 。之 。接 底金 凸塊 與凸 。第一 一型摻 係位於 導體層 個接觸 層上。 先提供 光二極 後提供 著形成 屬層與 ，同時 塊之 於形成連接墊與形成焊料塊兩個步驟 成一鎳層於連接墊上，且鎳層具有至 中，連接墊之材質例如係銅或銅合 絡合金、銅錄合金或銅嫣合金等。凸 銲料或含錫銲料（Sn-rich)。 發明之發光二極體封裝結構及其製程 銅原子會與凸塊中的錫反應，而在迴 介金屬化合物。藉由自生成介金屬化 球底金屬層之接觸，進而抑制剝離現

13214twf1.ptc 第10頁 1243458 案號 93115910 年 曰 修正 五、發明說明（5) 象的發生。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細ς 明如下。 、、况 實施方式 圖2牘-艇通_^_^〇明一較佳實施例之發光二極體 程的流程圖，圖3Α〜3F繪示為本發明一較佳實施例之、衣 一極體封裝製私的剖面流程圖，圖4緣示為本發明另_ 佳實施$之發光二極體封裝結構的剖面示意圖。 父 請參照圖2，本實施例之發光二極體封裝製程主要 括：提供發光二極體晶片S1、形成球底金屬層“、提供 裝基材S3、形成連接墊S4、形成銲料塊S6以及迴銲銲料換 同時自然生成自生成介金屬化合物S 7等步驟。 Α 此外，在本實施例之形成連接墊s 4與形成烊料塊s 6 個步驟之間’例如更包括形成鎳層於連接塾上S 5。 請參照圖3A，本實施例之發光二極體封裝製程係先提 供一發光二極體晶片210。發光二極體晶片21〇例如係由基 材2 2 0及半導體層2 3 0所構成。其中，基材22〇的材質可以 採用藍寶石（sapphire)、碳化矽（Sic)或氮化鎵（GaN)等材 質，但並不侷限於上述材質。 半導體層2 3 0例如係由摻雜半導體層2 3 2、發光層2 3 4 以及摻雜半導體層2 3 6所構成，其形成方式例如係磊晶。 其中，摻雜半導體層2 3 2位於基材2 2 〇上，發光層2 3 4例如 位於摻雜半導體層2 3 2的部分區域上，摻雜半導體層2 3 6則

13214twfl.ptc 第11頁 1243458 Λ__η 修正 曰 案號 93115910 五、發明說明（6) :!;=4心半摻導雜體半/體層23 2與摻雜半導 -為摻參λ半導體/ 半導體層。反之，若摻雜半導；二體/二即為Ν型摻雜 層，則摻雜半導體戶23 6即^體層232 型摻雜半導體 234例如採用多重量曰子井(I:31摻雜半導體層。發光層 構。 七1 Quantum Wei 1，MQW)結 在本實施例中，發光二極辦a y 9 ; 接觸金眉廯94 9 9 “广产山體日日片210例如更包括多個 位於未(彳兩個為例）。接觸金屬層242 麗爲ί, 層 摻雜半導體層2 3 2上，而接觸全 244 ^用 摻雜半導體層236上。兩個接觸金屬層242，^ 之材併W加強歐姆接觸並做為電極，並以具有高反射率 么μ剂貝4/佳。右接觸金屬層242所接觸之摻雜半導體層232 ί雙4層242係以欽/1呂或^銀 声2^2Θ^ρ ί 右 屬層2 42所接觸之摻雜半導體 =3^Ρ型摻雜半導體層，則接觸金屬層％係以錄/紹、 金或鎳/銀之雙層結構為佳。接觸金屬層244亦因 =同型之摻雜半導體層可採用與接觸金屬層24 2對應之社 構0 ' ° 當然’發光二極體晶片2 1 0並不限定需使用接 層242, 244,接觸金屬層2 4 2, 2 44之主要作用係加觸強金半屬 體層230與後績材料層的歐姆接觸。除了上述方式，例士 在Ρ型摻雜半導體層表面摻雜Ν型元素，或在Ν型ς雜半^ 體層表面摻雜ρ型元素，也可達到加強半導體層23〇與後續

1243458 __麵 93115910_年月日__^_ 五、發明說明（7) 材料層之歐姆接觸的目的。 此外，發光二極體晶片2 1 0例如更包括一鈍化保護層 250 ’覆蓋半導體層230但暴露部分接觸金屬層242， 244。 鈍化保遵層2 5 0之材質例如係二氧化石夕、氮化銘或氮化 石夕。 接著請參照圖3 B，形成兩個球底金屬層2 6 0， 2 7 0於發 光二極體晶片2 1 0上。兩個球底金屬層2 6 0， 2 7 0分別配置 於兩個接觸金屬層2 4 2， 244上，構成球底金屬層26〇， 27〇 之材料至少包括鎳。兩個球底金屬層2 6 〇， 2 7 0例如分別由 黏著層262， 272、阻障層264， 274與可焊金屬層 (solderable metal layer)266， 276 所構成。其中，黏著 層2 6 2， 2 7 2之材質例如係鉻、鈦、鈦嫣合金或氮化钽等， 阻卩早層2 6 4， 2 7 4之材質例如係鎳、翻、把（p d )或銅等。 接著請參照圖3C，提供一封裝基材2 8 0，其係由一基 板2 8 2與一線路層2 8 4所構成。基板2 8 2之材質係以具有高 熱傳導率者為佳，例如係銅 '石夕、氮化無或氧化鈹等材 質。線路層2 84配置於基板2 8 2上，其材質係以具高反射率 之材質，如銀或铭等金屬為佳。 接著請參照圖3 D，於封裝基材2 8 0之線路層2 8 4上形成 兩個連接墊2 8 6， 2 8 8，但兩者並不互相電性連接。連接塾 銅錄合金或銅鶴合金等。連接塾286， 288之作用ϋ供銅 原子給後續形成在其上面之焊料，以使銲料在i回媒的搞敍

13214twf1.ptc 2 8 6， 2 8 8之材質係銅或銅合金，銅合金例如有銅鉻合金、 1243458 _案號 93115910_年月日___ 五、發明說明（8) 化合物3 2 0，自生成介金屬化合物3 2 0將於稍後說明。 接著請參照圖3 E，形成兩個銲料塊3 1 2 a， 3 1 4 a於球底 金屬層2 6 0， 2 7 0或連接墊2 8 6， 2 8 8上，並藉由銲料塊 312a， 314a而電性連接二極體晶片210之球底金屬層260， 2 7 0與封裝基材2 8 0之連接墊2 8 6， 288。銲料塊312a，314a 之材質例如係無鉛銲料或含錫銲料。 接著請參照圖3F，對圖3E之銲料塊312a， 314a進行迴 銲以形成兩個凸塊3 1 2， 3 1 4。在進行迴銲的同時，焊料與 連接墊2 86， 288所提供之銅原子就會反應生成一自生成介 金屬化合物3 2 0，並漸漸地沈積於靠近球底金屬層2 6 0， 2 7 0之側。自生成介金屬化合物3 2 〇例如是一種三元相銅— 錄-錫。 由於自生成介金屬化合物3 2 0具有阻絕反應的效果， 因此能阻擔球底金屬層260， 270内之鎳與焊料接觸，進而 有效避免球底金屬層2 6 0， 2 7 0的消耗而造成剝離現象。 請參照圖4，在圖3 D與圖3 E的兩個步驟之間，更可形 成一鎳層290於連接墊2 86， 288上，鎳層290具有至少一開 口 01 ，以暴露出連接墊286， 288。如此，即會產生如圖4 所示之發光二極體封裝結構3 〇 〇 a。鎳層2 9 〇之厚度並未做 ，何限制。鎳層290的作用在於避免連接墊286， 288產生 氧化，同時也可以控制連接墊2 8 6， 2 8 8與凸塊3丨2， 3丨4的 接觸面積。 最後請參照圖3 F與圖4，本發明之兩種發光二極體封 裝結構3 0 0， 3 0 0 a，主要皆由發光二極體晶片2丨〇、兩個球

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_案號 93115910 五、發明說明（9) 底金屬層2 6 0， 2 7 0、一封裝基材28〇、兩 2 88、兩個凸塊31 2， 314及一自生成介八H連接塾2 8 6， 成。其中，發光二極體封褒結構3_ ^化$物3 2 0所構 構3 0 0更多了鎳層2 9 0，其餘部分則相同:先一極體封裝結 上述兩種實施例僅為舉例說明，本發明之主要精 形成如前述可提供銅原子之連接墊，以使連接墊在，j， 進行迴銲的過程中，能供應銅原子給銲料塊，並自^ ， 一自生成介金屬化合物，以達到抑制球底金屬層之剝' 象的目的。 〜離現 綜上所述，在本發明之發光二極體封裝結構及其 中’連接塾所提供之銅原子會在進行迴銲時與凸塊中^ ^ 反應’並形成自生成介金屬化合物。由於自生成介金仆 合物可阻絕凸塊與球底金屬層之接觸，因此球底金屬層 之鎳就不會與凸塊内之錫直接反應，以確保球底金屬^ 會因此被消耗掉，進而有效抑制球底金屬層的剝離現^不 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用: 限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精、= 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之=: 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 '、瘦

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1243458 _案號93115910_年月日_«_ 圖式簡單說明 圖1繪示為習知一種採用覆晶封裝之發光二極體封裝 結構的剖面示意圖。 圖2繪示為本發明一較佳實施例之發光二極體封裝製 程的流程圖。 圖3 A〜3 F繪示為本發明一較佳實施例之發光二極體封 裝製程的剖面流程圖。 圖4繪示為本發明另一較佳實施例之發光二極體封裝 結構的剖面示意圖。 【圖式標示說明】 100 發光 二極 體 封裝結構 110 發光 二極 體 晶片 1 20 球底 金屬 層 130 封裝 基材 140 連接 墊 1 50 凸塊 210 發光 二極 體 晶片 220 基材 230 半導 體層 2 3 2、 ‘ 2 3 6 : :摻雜半導體層 2 3 4 ： |發光 層 2 4 2、 .2 44 ： :接觸金屬層 2 5 0 ： :鈍化 保護 層 260、270 :球底金屬層 262 、 272 :黏著層

13214twfl.ptc 第16頁 1243458 _案號93115910_年月日 修正 圖式簡單說明 2 6 4、2 7 4 :阻障層 266、276 :可焊金屬層 2 8 0 :封裝基材 2 8 2 :基板 2 8 4 :線路層 286、288 :連接墊 2 9 0 :鎳層 3 0 0、3 0 0 a :發光二極體封裝結構 3 1 2、3 1 4 :凸塊 320 :自生成介金属化合物 01 :開口

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Claims (1)

1. ]^2434^8； \ λ - j 1_案號93115夺10_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 . 一種發光二極體封裝結構，包括： 一發光二極體晶片； 多數個球底金屬層，配置於該發光二極體晶片上，構 成該些球底金屬層之材料至少包括錄； 一封裝基材； 多數個連接墊，配置於該封裝基材上； 多數個凸塊，配置於該些球底金屬層與該些連接墊 間，以使該些球底金屬層與該些連接墊電性連接；以及 一自生成介金屬化合物，該自生成介金屬化合物係於 該些球底金屬層與該些凸塊之間自行生成的三元相銅-鎳-錫自生成介金屬。 2 .如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該些連接墊之材質包括銅。 3 .如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該些連接墊之材質包括銅合金。 4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體封裝結 構，其中該些連接墊之材質包括銅鉻合金、銅鎳合金與銅 鎢合金其中之一。 5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，更包括多數個鎳層，其分別配置於該些連接墊上，且 該些鎳層具有至少一開口，以使該些連接墊接觸該些凸 塊。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該些凸塊之材質包括無鉛銲料與含錫銲料其中之

   13214twf1.ptc 第18頁 1243458 _案號93115910_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 —— 〇 7 .如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該發光二極體晶片包括： 一基材；以及 一半導體層，配置於該基材上，該半導體層包括一第 一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體 層，其中該第一型摻雜半導體層係位於該基材上，而該發 光層係位於該第一型摻雜半導體層的部分區域上，且該第 二型摻雜半導體層係位於該發光層上。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之發光二極體封裝結 構，更包括多數個接觸金屬層，配置於未分佈有該發光層 之該第一型摻雜半導體層上以及該第二型摻雜半導體層 上，其中該些球底金屬層分別配置於該些接觸金屬層上。 9. 一種發光二極體封裝製程，包括： 提供一發光二極體晶片； 形成多數個球底金屬層於該發光二極體晶片上，構成 該些球底金屬層之材料至少包括鎳； 提供一封裝基材； 形成多數個連接墊於該封裝基材上； 形成多數個銲料塊於該些球底金屬層與該些連接墊 間，以使該些球底金屬層與該些連接墊電性連接；以及 迴銲該些銲料塊以形成多數個凸塊，同時自然生成一 自生成介金屬化合物於該些球底金屬層與該些凸塊之間， 且該自生成介金屬化合物為三元相銅-鎳-錫自生成介金

   13214twf1.ptc 第19頁 1243458 案號 93Π5910 年 月 修正 六、申請專利範圍 屬。 1 0 .如申請專利範圍第9項所述之發光二極體封裝製 程，其中該些連接墊之材質包括銅。 1 1 .如申請專利範圍第9項所述之發光二極體封裝製 程，其中該些連接墊之材質包括銅合金。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述之發光二極體封裝製 程，其中該些連接墊之材質包括銅鉻合金、銅鎳合金與銅 鎢合金其中之一。 1 3.如申請專利範圍第9項所述之發光二極體封裝製 程，其中在形成該些連接墊與形成該些焊料塊之間，更包 括分別形成一鎳層於該些連接墊上，且該些鎳層具有至少 一開口 。 1 4.如申請專利範圍第9項所述之發光二極體封裝製 程，其中該些銲料塊之材質包括無鉛銲料與含錫銲料其中 之一 〇

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