TWI381555B - 發光二極體封裝結構與發光元件 - Google Patents

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Description

發光二極體封裝結構與發光元件
本發明係有關於發光二極體(LED)之結構與製作方法，且特別是有關於一種封裝LED之結構與製作方法。
過去數年來對於LED的需求日益增加，特別是高亮度且高功率之LED。然而，高亮度且高功率之LED雖能產生大量的光，卻也會產生大量的熱，這些熱會造成LED的性能衰減且降低LED之生命週期。因此，必須儘可能快速且有效地將熱從LED散出。
最近在LED封裝的技術領域上，已發展出使用含有矽基材之封裝結構。矽基材一般具有優異的加工性(processability)且相對不錯的導熱性。這些矽基材之封裝結構藉由矽基材本身傳導熱，或者是利用形成於矽基材中的散熱元件(例如內埋之金屬區域)幫助熱的傳導。不幸地，這些元件尚未能有效地解決LED熱衰減的問題。因此，業界亟需要一種改良的元件與藉由LED封裝結構幫助散熱的方法，讓熱從LED封裝結構中散出。
本發明提供一種LED封裝結構，包括；一基材具有一第一側邊與一第二側邊；一第一接觸墊與一第二接觸墊位於該基材之第一側邊，且一第三接觸墊與一第四接觸墊位於基材之第二側邊，其中該第一接觸墊藉由一第一導電孔連接至該第三接觸墊，而該第二接觸墊藉由一第二導電孔連接至該第四接觸墊；一發光二極體(LED)電性連接至該第一接觸墊與該第二接觸墊；以及一或多個散熱孔位於該發光二極體(LED)下方之基材中，上述散熱孔從該基材之第一側邊延伸至第二側邊。
本發明另提供一種封裝結構，包括：一LED具有一第一接點與一第二接點；一基材具有一第一接觸墊電性連接至該第一接點與一第二接觸墊電性連接至該第二接點；一第一導電孔連接該第一接觸墊至一第三接觸墊，與一第二導電孔連接該第二接觸墊至一第四接觸墊，其中該第三接觸墊與該第四接觸墊位於該基材之一側邊，與該發光二極體(LED)為相反側；以及一或多個散熱孔延伸從該第一接觸延伸穿過該基材。
本發明又提供一種發光元件，包括：一基材具有一第一側邊與相對於該第一側邊之一第二側邊；一第一導電孔與一第二導電孔，其中該第一導電孔與該第二導電孔延伸穿過該基材；一或多個散熱孔延伸穿過該基材；一第一接觸墊位於該基材之第一側邊，與位於該第一導電孔與至少一或多個散熱孔之上；以及一發光二極體(LED)電性連接至該第一接觸墊與該第二接觸墊。
本發明之較佳實施例之優點在於，由LED產生之熱能快速且有效地藉由此封裝結構散出。此LED封裝結構能產生較少的熱衰減且因此增加LED之生命週期，當使用相對較簡單且不昂貴之製程技術下，可使本發明之實施例易於實施。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明之較佳實施例詳述如下。然而，熟知本領域之人士應可知本發明所提供之許多發明概念，其可以最廣之變化據以實施，此外，本文所述之特殊實施例僅用於舉例說明，並非用以限定本發明所保護之範圍。
本發明所敘述之較佳實施例為LED之封裝結構，但本發明亦可以應用於其他不同元件之封裝結構上。
請參見第1圖，此圖顯示一封裝結構100之剖面圖，其包含一基材101與形成於基材101之中的接觸開口103與熱開口105。基材101可包括塊狀矽、摻雜或未摻雜之基材，或絕緣層上覆矽(SOI)基材之主動層。一般而言，一絕緣層上覆矽(SOI)基材包括一層半導體材料，例如矽、鍺、矽化鍺、SOI、絕緣層上覆矽化鍺或上述之組合。此外，也可以使用其他基材，例如多層結構基材、梯度基材(gradient substrate)或複合相位基材(hybrid orientation substrate)。
接觸開口103與熱開口105較佳之形成方法，係藉由形成一合適的光阻(圖中未顯示)於基材101之第一側邊107並將之顯影，接著蝕穿過基材101之至少一部分。較佳地，形成之接觸開口103與熱開口105能延伸進入基材101中，其深度至少深於基材101最終所需之厚度。因此，從基材101之第一側邊107開始計算之接觸開口103與熱開口105之深度，會隨著整體封裝結構100之設計而變，深度較佳為約150~750 μm，更佳為約300 μm。
較佳地，當接觸開口103與熱開口105形成之後，沿著接觸開口103與熱開口105之側壁形成一絕緣層109，用以隔離接觸開口103、熱開口105與周圍之基材101。絕緣層109可能包括一介電層之材料，例如四乙氧基矽烷(tetraethylorthosilicate,TEOS)或氮化矽，藉由例如電漿輔助化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)製程完成，也可使用其他適合之材料或製程。絕緣層109亦可包括一阻障層材料，例如氮化鈦、氮化鉭或鈦，藉由CVD或者是PECVD製程完成，同樣地，也可使用其他適合之材料或製程。
絕緣層109較佳能順應性地覆蓋基材101之第一側邊107，接觸開口103與熱開口105之側壁，以及接觸開口103與熱開口105之底部。藉由形成於基材101之第一側邊107之絕緣層，與形成於接觸開口103與熱開口105之絕緣層，皆可保護基材101免受後續材料(例如銅)之沉積影響(如第2圖所示)。另外地，形成絕緣層109之後，可藉由異向性蝕刻(anisotropically etched)移除絕緣層109表面之水平表面部份，只留下沿著接觸開口103與熱開口105之側壁的絕緣層109。
第2圖顯示填充一導電材料201於接觸開口103與熱開口105。導電材料201較佳包括銅，雖然其他導電材料(例如鎢)也可以替代使用。較佳地，形成一晶種層(圖中未顯示)於絕緣層109之上，接著利用電沉積製程將導電材料201填充和填滿接觸開口103與熱開口105，雖然也可使用其他適合之方法，例如無電極電鍍、電鍍或CVD。填滿接觸開口103與熱開口105之後，位於接觸開口103與熱開口之外的過量的導電材料201和部分絕緣層109較佳兩者利用一製程移除，例如化學機械研磨(CMP)、蝕刻或上述之組合或類似之方法，用以隔離殘餘於接觸開口103與熱開口105之導電材料201。另外地，也可移除過量的導電材料201，而大體上不移除絕緣層109，因此留下一部分的絕緣層109於基材101之第一側邊107上。
第3圖顯示由接觸開口103與熱開口105分別形成接觸矽穿孔(TSVs)301與散熱孔305。為了形成接觸矽穿孔301與散熱孔305，基材101之第二側邊307之一部分被移除，以曝露位於接觸開口103與熱開口105之中的導電材料201。較佳之移除方法為研磨製程，例如化學機械研磨，雖然也可使用其他適合之製程，例如蝕刻。
此技藝之人士應能了解，上述提及形成接觸矽穿孔301和散熱孔305之製程，包括形成接觸開口103與熱開口105，沉積導電材料201，以及後續薄化基材101之第二側邊307，這些步驟中僅是形成接觸矽穿孔301和散熱孔305其中之一種方法。於其他方法中，接觸矽穿孔301和散熱孔305之形成可藉由部分地穿過基材101之蝕刻孔洞方法，與沉積一介電材料於孔洞中。於一實施例中，當基材101之第二側邊307被薄化之後，接著移除孔洞中的介電材料，之後再度沉積導電材料201於孔洞中。此方法與其他適合形成接觸矽穿孔301和散熱孔305之方法，皆可替代的使用且皆包含在本發明所保護之範圍中。
第4A-4E圖顯示本發明各種實施例之平面圖，係有關於基材101上之散熱孔305之形狀與佈局。一般而言，散熱孔305所需之數目與可以是任意數目，較佳之數目為1~25，且更佳為9。此外，散熱孔之形狀較佳為圓形或矩形，雖然也可以是其他形狀。
第4A圖顯示散熱孔305之較佳佈局，其以網格圖形排列。這些散熱孔305是圓形且直徑較佳為約50~300μm，更佳為約80μm。網格圖形中之散熱孔305之間間距較佳為約100~500μm，更佳為約160μm。然而，圖中所顯示之網格圖形與散熱孔305之數目，並非用以限定本發明，其他圖形和散熱孔305之數目(例如交錯排列之孔洞)也包含在本發明所保護之範圍中。
第4B圖顯示散熱孔305之另一實施例，其為彼此相鄰之矩形線，且該些散熱孔305並未重疊。於此實施例中，散熱孔305之長度較佳為約100~1200μm，更佳為約600μm，以及寬度較佳為約50~300μm，更佳為約80μm。此外，該些散熱孔305彼此排列之間距較佳為約50~500μm，更佳為約80μm。此外，該些散熱孔305也可排列成彼此互相偏移之矩形。
第4C圖顯示另一實施例，其利用單一散熱孔305。於此實施例中，散熱孔305較佳為圓形，類似上述之第4A圖。然而，於此實施例中，其中形成之單一的、圓形的散熱孔305較佳具有直徑大於第4A圖散熱孔305之直徑，其直徑較佳為約100~800μm，更佳為約300μm。
第4D圖顯示第4C圖之單一的、圓形的散熱孔305的一種變形。此實施例中，散熱孔305呈現環狀且包圍一由基材101所形成之插栓401。插栓401之直徑較佳為約50~500μm，更佳為約120μm。此實施例之額外優點在於，能釋放介於散熱孔305與周圍基材101之間的一些應力。
第4E圖顯示本發明之又另一實施例，其中該散熱孔305較佳為矩形形狀，且額外包括一沿著散熱孔305中心由基材101形成之狹縫403。此狹縫403之寬度(與散熱孔305之寬度同一方向)較佳為約50~300μm，其長度(與散熱孔305之長度同一方向)較佳為約100~1000μm，更佳為約500μm。於此實施例中，散熱孔305較佳彼此對準，但也可以彼此互相偏移。此實施例類似第4D圖所述，也同樣能釋放介於散熱孔305與周圍基材101之間的一些應力。
第5圖顯示形成一保護層501和電極於基材101曝露的第一側邊107與第二側邊307。此外，於一實施例中，由於絕緣層109仍然殘留於基材101之第一側邊107上，因此當基材101之第一側邊107已被保護時，保護層只形成於基材101之第二側邊307。保護層501較佳包括二氧化矽，係藉由曝露基材101於一氧化環境中所形成，例如氧氣和水氣中，雖然也可使用其他製程，例如CVD製程之後進行一微影蝕刻。當留在接觸矽穿孔301與散熱孔305中的導電材料201曝露時，保護層501較佳保護基材101之表面。
第一上電極503較佳形成於基材101之第一側邊107之保護層501上。形成之第一上電極503電性連接至至少一個接觸矽穿孔301與至少一個散熱孔305。第一上電極503較佳提供一或多個接觸矽穿孔301和一LED 601(如第6圖所示)之間的電性連接。
第二上電極505較佳形成於基材101之第一側邊107之保護層501上，且其電性連接至至少一個接觸矽穿孔301，但不連接至第一上電極503。第二上電極505較佳提供對於LED 601之第二接點。視需要地，第二上電極505也可與一或多個散熱孔305接觸，雖然這樣會分離第一上電極503之散熱孔305。
第一下電極507較佳形成於基材101之第二側邊307之保護層501上。與第一上電極503相同，第一下電極507較佳連接至少一個接觸矽穿孔301，且也可接觸一或多個散熱孔305。第一下電極507，接觸矽穿孔301和第一上電極503共同提供介於基材101之第一側邊107與第二側邊307之電性途徑，同時使散熱孔305與接觸矽穿孔301有相同之電位。於一實施例中，當電位是接地時，散熱孔305與接觸矽穿孔301較佳位於相同之電位，將會額外提供比其他實施例較佳之接地品質。
第二下電極509較佳形成於基材101之第二側邊307之保護層501上，且與第一下電極507分離。與第二上電極505相同，第二下電極507較佳連接至少一個接觸矽穿孔301，且也可與一或多個與第一上電極503連接之散熱孔305。
第一上電極503，第二上電極505，第一下電極507與第二下電極509較佳由兩層(圖中未各別顯示)所組成：一第一導電層和一無電極電鍍鎳金層(Electroless Nickle Gold,ENIG)。第一導電層較佳包括鋁，較佳藉由濺鍍沉積製程而形成。然而，也可替代使用其他材料(例如鎳或銅)，或其他形成製程(例如電鍍或無電極電鍍)。第一導電層之形成之厚度較佳為約1~3μm，更佳為約2μm。
第一導電層形成後較佳進行一無電極電鍍鎳金製程以形成一ENIG層。ENIG製程提供一平坦、均勻之金屬光滑表面以作為與接觸矽穿孔301與散熱孔305之接觸。ENIG製程較佳包括清潔第一導電層，浸泡基材101至一鋅酸鹽活性溶液中，無電極電鍍鎳於第一導電層上，以及無電極電鍍金於鎳之上。ENIG層較佳之形成厚度為約2~8μm，更佳為約3μm。一旦形成之後，較佳藉由一適合之微影製程以圖案化第一導電層與ENIG層，以及經由一適合的蝕刻製程以移除不想要的材料，最後將第一導電層與ENIG層分離成第一上電極503，第二上電極505，第一下電極507與第二下電極509。
雖然前述之第一上電極503，第二上電極505，第一下電極507與第二下電極509是由相同材料所形成，熟知此技藝之人士應得知，此實施例僅用以舉例說明，其他不同之材料與製程也可用於每一電極上。其他適合之材料與製程(例如於ENIG製程之前圖案化第一導電層)也可替代用於形成第一上電極503，第二上電極505，第一下電極507與第二下電極509，且完全包含在本發明所保護之範圍中。
於一實施例中，LED具有水平接觸，如第6圖顯示LED 601之位置係電性連接至第一上電極503與第二上電極505。LED 601較佳包括至少一含有n型Ⅲ-Ⅴ族化合物之第一接觸層，一含有p型Ⅲ-Ⅴ族化合物之第二接觸層，與介於第一接觸層與第二接觸層之間且含有多重量子井之活化層。視需要地，LED 601可以包括額外層，例如緩衝層與布拉格反射層以增進操作功能。這些層彼此互相排列，所以當電流通過由第一接觸層與第二接觸層組成之二極體時，活化層會放射電磁波，例如可見光，紫外光，紅外光或類似之波。
於一實施例中，LED 601是一水平的LED，LED 601較佳以覆晶(flip-chip)方式接合至第一上電極503與第二上電極505。此種接合的LED 601較佳具有一第一LED接點603(較佳電性連接至p型第二接觸層)與一第二LED接點605(較佳電性連接至n型第一接觸層)，兩者形成於LED 601相同之表面上或表面中。接著，LED 601被反轉，所以第一LED接點603與第二LED接點605分別接觸第一上電極503與第二上電極605。介於LED 601和第一上電極503與第二上電極505之間的空隙較佳填滿環氧樹脂，以使LED 601接合至封裝結構100。
熟知本領域之人士應了解，上述提及之覆晶接合LED601至封裝結構100之方法，並不是唯一接合LED601至封裝結構100之方法。另外地，銲錫也可用於連接LED 601至第一上電極503與第二上電極505；鉛線也可用於連接LED 601至第一上電極503與第二上電極505，或者是，於一實施例中，LED 601是一種垂直的LED，其中第一LED接點603與第二LED接點605位於LED 601之相對兩側，也可以使用覆晶與鉛線之結合方式。其他適合之接合方法也可用於連接LED 601與封裝結構100，且其他合適的方法也包含在本發明所保護的範圍中。
第7圖顯示形成反射零件701，用以引導從LED 601向上放出的光，因此能增加LED封裝結構100之效率。反射零件701較佳包含一材料，例如矽、金屬或陶瓷，且較佳具有一α角度之傾斜以引導入射光向上。α角度較佳為約20°~70°，更佳為約55°。
反射零件701較佳附著於封裝結構100，位於部分第一上電極503與第二上電極505之上，但不接觸到LED601。此外，為了增加反射零件701之反射性，反射零件701較佳塗佈具有高反射性的材料，例如銀或鎳。
第8圖顯示一封裝且覆蓋LED 601之結構。封裝材料801較佳包括能穿透LED輻射(例如可見光)之材料，例如環氧樹脂，玻璃填充環氧樹脂，或高分子材料(如矽膠)。視需要地，封裝材料801可包括一磷光材料，其能修飾LED 601放射光之波長。封裝材料801較佳覆蓋於LED 601，且填充反射零件701所造成之空洞，以保護LED 601免受環境之危害。封裝材料801較佳以液態沉積，接著被固化使封裝材料801變硬。
一旦形成封裝材料801，外蓋(cover)803較佳置於封裝的LED 601之上。外蓋803較佳包括透鏡，用以增進LED之光輸出，且進一步能保護LED 601免受環境危害。外蓋803較佳包括一能穿透LED 601輻射光之材料(例如可見光)且能保護LED 601，例如聚碳酸酯(polycarbonate)或類似之硬塑膠，且較佳對準且接合(利用封裝劑，如環氧樹脂)至反射零件701。
藉由在LED 601下方形成穿過基材101之散熱孔305，且從第一接觸電極503或第二接觸電極505延伸，使得LED 601到封裝結構100外部的散熱效率能大幅提升。此結構使得散熱較快，可降低或減少熱衰減並因此增加LED之生命週期。
第9圖顯示本發明之另一實施例，其中第一下電極507(如第4-8圖中所述)被兩個分離的電極所取代：第三下電極901與第四下電極903。當第三下電極901與第四下電極903較佳之形成方法類似於第一下電極(其形成方法如第4圖所述)，其中第一導電層與ENIG層被圖案化，以致於第三下電極901電性連接至接觸矽穿孔301，而第四下電極903電性連接至散熱孔305。藉由如上所述之方法分離第三下電極901與第四下電極903，能額外地降低或消除來自散熱片(heat sink)所產生之噪音。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．封裝結構
101．．．基材
103．．．接觸開口
105．．．熱開口
107．．．基材之第一側邊
109．．．絕緣層
201．．．導電材料
301．．．接觸矽穿孔
305．．．散熱孔
307．．．基材之第二側邊
401．．．插栓
403．．．狹縫
501．．．保護層
503．．．第一上電極
505．．．第二上電極
507．．．第一下電極
509．．．第二下電極
601．．．LED
603．．．第一LED接點
605．．．第二LED接點
701．．．反射零件
801．．．封裝材料
803．．．外蓋
901．．．第三下電極
903．．．第四下電極
α．．．角度
第1~3圖為一系列剖面圖，用以說明本發明一實施例之製作LED封裝結構的流程。
第4A~4E圖為一系列平面圖，用以說明本發明LED封裝結構中之散熱孔。
第5~8圖為一系列剖面圖，用以說明本發明一實施例之製作LED封裝結構的流程
第9圖為一剖面圖，用以說明本發明另一實施例之LED封裝結構。
100．．．封裝結構
101．．．基材
107．．．基材之第一側邊
301．．．接觸矽穿孔
305．．．散熱孔
307．．．基材之第二側邊
501．．．保護層
503．．．第一上電極
505．．．第二上電極
507．．．第一下電極
509．．．第二下電極
601．．．LED
603．．．第一LED接點
605．．．第二LED接點
701．．．反射零件
801．．．封裝材料
803．．．外蓋
α．．．角度

Claims (21)

  1. 一種發光二極體(LED)封裝結構，包括：一基材具有一第一側邊與一第二側邊；一第一接觸墊與一第二接觸墊位於該基材之第一側邊，且一第三接觸墊與一第四接觸墊位於該基材之第二側邊，其中該第一接觸墊藉由一第一導電孔連接至該第三接觸墊，而該第二接觸墊藉由一第二導電孔連接至該第四接觸墊；一發光二極體(LED)電性連接至該第一接觸墊與該第二接觸墊；一反射零件位於該基材之第一側邊；以及一或多個散熱孔位於該發光二極體(LED)下方之基材中，上述散熱孔從該基材之第一側邊延伸至第二側邊，其中該第一導電孔、該第二導電孔與該些散熱孔具有相同長度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔包括複數個散熱孔以網格陣列排列。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔之形狀為矩形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔為單一圓柱孔。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔之形狀為環狀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封 裝結構，其中上述散熱孔包括一包圍部分該基材之矩形。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔延伸介於該第一接觸墊與該第三接觸墊之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之反射零件，具有一20°~70°傾斜角度以引導一入射光向上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)封裝結構，尚包括一第五接觸墊位於該基材之第二側邊，其中該些散熱孔延伸介於該第一接觸墊與該第五接觸墊之間。
  10. 一種發光二極體(LED)封裝結構，包括：一發光二極體(LED)具有一第一接點與一第二接點；一基材具有一第一接觸墊電性連接至該第一接點與一第二接觸墊電性連接至該第二接點；一第一導電孔連接該第一接觸墊至一第三接觸墊，與一第二導電孔連接該第二接觸墊至一第四接觸墊，其中該第三接觸墊與該第四接觸墊位於該基材之一側邊，與該發光二極體(LED)為相反側；以及一反射零件與該發光二極體(LED)為相同側；以及一或多個散熱孔從該第一接觸墊延伸穿過該基材，其中該第一導電孔、該第二導電孔與該些散熱孔具有相同長度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔從該第一接觸墊延伸至該第三接觸墊。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體(LED)封裝結構，尚包括一第五接觸墊位於該基材之一側邊，與該發光二極體(LED)為相反側，其中上述散熱孔從該第一接觸墊延伸至該第五接觸墊。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔是圓形且排列成網格圖案。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述散熱孔包括線型散熱孔。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體(LED)封裝結構，其中上述每一散熱孔各包括一外部部分包圍該基材之一部份。
  16. 一種發光元件，包括：一基材具有一第一側邊與相對於該第一側邊之一第二側邊；一第一導電孔與一第二導電孔，其中該第一導電孔與該第二導電孔延伸穿過該基材；一或多個散熱孔延伸穿過該基材，其中該第一導電孔、該第二導電孔與該些散熱孔具有相同長度；一第一接觸墊位於該基材之第一側邊，與位於該第一導電孔與至少一或多個散熱孔之上；一第二接觸墊位於該基材之第一側邊，與位於至少該第二導電孔之上；以及一反射零件位於該基材之第一側邊；以及一發光二極體(LED)電性連接至該第一接觸墊與該第二接觸墊。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，尚包括一第三接觸墊位於該基材之第二側邊，其中該第一導電孔與一或多個散熱孔電性連接至該第三接觸墊。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，尚包括：一第三接觸墊位於該基材之第二側邊，其中至少一或多個散熱孔電性連接至該第三接觸墊；一第四接觸墊位於該基材之第二側邊，其中該第一導電孔電性連接至該第四接觸墊；以及一第五接觸墊位於該基材之第二側邊，其中該第二導電孔電性連接至該第五接觸墊。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中上述散熱孔是圓形的。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中上述散熱孔之形狀為矩形。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中上述每一散熱孔各包圍該基材之一部份。
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