TWI381562B - 低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法 - Google Patents

Description

低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法

本發明係有關於一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，尤其是有關於一種利用金/銀界面具有快速擴散之物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基材因熱膨脹係數(CTE)不同所造成之熱應力問題的低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法。

由於發光二極體具有體積小、發光效率高、壽命長與色彩變化豐富等優點，可預期地發光二極體的應用將會越來越多。一般來說，發光二極體裸晶需經過固晶、打線、封膠及商品分類等封裝步驟，方能將晶片商品化至客戶端。習知之固晶材質可分為兩大類，第一類為高分子導電膠材，第二類則為金屬銲接材料。

習用發光二極體之固晶方法，係先使用高分子導電膠材(如導電銀膠)將發光二極體晶片黏著於導線架上，並以150℃之溫度加熱1.5小時以上，使導電銀膠熱固成型，進而將發光二極體晶片固定於導線架上。舉例來說，圖一係為台灣專利公告編號第463394號「晶片式發光二極體及其製造方法」的橫截面示意圖。在圖一中，該專利係使用高分子導電膠材(如導電銀膠)10，將晶粒11與基板12(導線架或印刷電路板)進行連接，並送入空氣爐內進行熱固化烘烤。此方式雖簡便，但若在接合過程中無法均勻的塗膠，將使晶粒無法固定在應固定之位置，而影響發光效率。另外，在高溫的操作環境下，由於高分子膠質材料導熱耐熱性極差，銀膠接合層在長時間使用下將易劣化，導致發光二極體晶片無法確實與導線架接合。另外，發光二極體也將因銀膠難以導熱(銀膠熱導係數僅1W/M-K)而無法確實散熱，造成壽命減少與光電轉化效率下降等現象。

另外，發光二極體晶片亦可透過一金屬銲接材料，將發光二極體晶片固定於導線架上，使得接合層散熱性與耐熱性皆因此而有所提升。舉例來說，圖二所示台灣專利公開編號第200840079號「發光二極體封裝之固晶材料與方法」的橫截面示意圖。在圖二中，該專利係於基板22表面上塗佈一層適當範圍的共晶接著材料20。後續再將發光二極體晶粒21設置於基板22表面上的共晶接著材料20上，後續再經熱板、烤箱或空氣爐加熱而完成共晶結合。共晶接合材料20可為錫(Sn)、銦(In)、銦錫(InSn)、金錫(AuSn)、金矽(AuSi)、錫鉛(SnPb)、鉛(Pb)、金鍺(AuGe)等，由於接合層為金屬材料，散熱性與耐熱性均優於高分子導電膠。但相較於銀膠固晶，其固晶設備較為複雜昂貴(固晶機台需外加溫控系統與加壓系統)，產能亦較低。然而若使用高熔點的金屬銲接材料，如金錫(AuSn)、金矽(AuSi)、錫銀(SnAg)、錫(Sn)等，發光二極體晶片將因接合溫過高而易產生破壞(因熱膨脹係數差造成之熱應力)。若改以低熔點之金屬，如銦(In)、銦銀(InAg)、銦金(InAu)、鉍錫(BiSn)等，做為銲接材料，雖然接合溫度降低，但在一般的工作環境下(約70-80℃)，由於接合層熔點較低，接合層材料將因原子的快速擴散，而有軟化或介金屬化合物(intermetallic compound)過度成長的現象產生，導致接點可靠度將因此而大幅下降。

因此，有鑑於習知技術之發光二極體固晶接合缺點，本發明提出一種在低溫下即可完成接合，並具有高接合強度、高散熱性、元件操作時不易軟(劣)化、且同時兼具反射作用之固晶方法。

本發明之一目的在於提供一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其利用金/銀界面具有快速擴散之物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基材因熱膨脹係數不同所造成之熱應力問題。

本發明之另一目的在於提供一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其在低溫下即可完成接合，並具有高接合強度、高散熱性、元件操作時不易軟(劣)化、且同時兼具反射作用。

本發明之又一目的在於提供一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其接合產能不僅高於傳統銀膠接合，固晶機台亦與傳統銀膠固晶機台相容不需更改而提高成本。

為達上述目的，本發明提供一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法包括以下步驟：將一第一金屬層形成於一基板之一第一表面，該基板之一第二表面上則提供有一發光二極體磊晶結構；將一第二金屬層形成於一基體上，該第二金屬層之材質係不同於該第一金屬層；施加一壓力於該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層產生塑性變形而初步接合在一起；以及將該基板與基體置入一高溫爐內加熱，而且該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態擴散以形成一擴散合金層。

為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後。

有鑑於習知技術之發光二極體固晶接合缺點，本發明主要利用金/銀界面具有快速擴散之特性，來達成低溫固晶接合的目標，如此將可避免不同基材因熱膨脹係數(CTE)不同所造成之熱應力問題。由於金/銀接合層主要鍵結為金屬鍵，且由圖三之金-銀相圖可知，擴散形成之固溶體熔點至少高達1200K以上，此接合結構將具有高接合強度、高散熱性及可耐操作高溫等特性。以面積為1mm² 晶片為例，銀膠接合熱阻約10.34℃/W，Ag/Au接合熱阻僅0.345℃/W。再者，反應殘餘之金屬層(例如，銀)可作為發光二極體底部之反射層，將往底部的光線，重新反射回出光面，進一步提升發光二極體之發光效率。

在本發明之一具體實施例中，將以Ag/Au材料系統為例，而不以其為限，來達到高效能固晶接合之效果。圖四係為本發明一具體實施例之横截面示意圖。

因此，本發明之方法包括下列步驟：

首先，以電鍍、蒸鍍、濺鍍或其他金屬形成方式將一銀層41形成於一基板42之一第一表面，該基板42之一第二表面上則提供有一發光二極體磊晶結構43。在一具體實施例中，銀層41的厚度約為0.5-1.0μm。在一具體實施例中，該基板42係為一可進行磊晶成長之基板，可包括藍寶石(Sapphire)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)等材料。在一具體實施例中，該發光二極體磊晶結構43具有一p-i-n結構。在一具體實施例中，該p-i-n結構包含氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(GaInN)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)與氮化鋁銦鎵(AlInGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵銦砷(GaInAsN)、磷氮化鎵銦(GaInPN)或其組合。在一具體實施例中，該發光二極體磊晶結構43所產生之光譜範圍落在紫外光與紅外光光譜之間。在一具體實施例中，該發光二極體磊晶結構43與該基板42係結合以形成一發光二極體晶片，該發光二極體晶片可為水平式結構或垂直式結構。本實施例雖以上述銀層41、基板42與發光二極體磊晶結構43作為說明，但本技術領域中具有一般技藝者，當明瞭任何達到等同功能之變化均屬本發明之範圍。

同時，以電鍍、蒸鍍、濺鍍或其他金屬形成方式將一金層44形成於一基體45上。在一具體實施例中，金層44厚度約0.2-0.5μm。在一具體實施例中，該基體45係由銅合金所製成。在一具體實施例中，基體45可為銅(Cu)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鎳(Ni)等元素或其合金。在一具體實施例中，基體45可包含矽(Si)、氮化鋁(AlN)或陶瓷。在一具體實施例中，基體45可為導線架、印刷電路板或低溫共燒多層陶瓷(LTCC)。本實施例雖以上述基體45與金層44作為說明，但本技術領域中具有一般技藝者，當明瞭任何達到等同功能之變化均屬本發明之範圍。

接著，為增加初步接合之效果，可在加熱接合前使用一輔助黏性膠體46將該基板42加壓固定在該基體45上。並在加熱後，使得該輔助黏性膠體揮發以使得銀層41與金層44在界面處進行反應。要說明的是，在一實施例中，施加壓力於基板42與基體45上即可使銀層41與金層44在界面處產生塑性變形而初步接合在一起，然而，在另一具體實施例中，可以使用輔助黏性膠體46來增加初步接合的效果。簡單來說，輔助黏性膠體46並非一定要使用的。在一具體實施例中，初步接合方式可為單純施壓法、熱壓法或超音波輔助熱壓法，其中所施之壓力為50gf-200gf，溫度為25℃-200℃，時間為1秒至3秒。在一具體實施例中，輔助黏性膠體46包含活性助銲劑、中性助銲劑、免洗型助銲劑或其它加熱後可揮發之助銲劑。本實施例雖以上述輔助黏性膠體46作為說明，但本技術領域中具有一般技藝者，當明瞭任何達到等同功能之變化均屬本發明之範圍。

接著，將加壓固定之該基板42與基體45置入一高溫爐(圖中未示)內加熱，以使該輔助黏性膠體46揮發，而且該銀層41與該金層44在銀金界面處進行擴散以形成固態擴散之擴散銀金合金層47，以形成圖五所示之結構。在一具體實施例中，加熱方式可為熱風式、紅外線加熱或熱板加熱。在一具體實施例中，高溫爐之溫度可設定為100℃，並且進行加熱約一個小時。或者，高溫爐之溫度可設定為150℃，並且進行加熱約30分鐘。在其他實施例中，高溫爐溫度可為100～300℃，其加熱時間可為30分鐘～3小時。本實施例雖以上述高溫爐之溫度作為說明，但本技術領域中具有一般技藝者，當明瞭任何達到等同功能之變化均屬本發明之範圍。

在圖五中，原來的銀層41與金層44因為進行擴散作用，而產生擴散銀金合金層47以及殘餘之銀層41’與金層44’。反應殘餘之銀層41’可作為發光二極體底部之反射層，將往底部的光線，重新反射回出光面，進一步提升發光二極體之發光效率。

圖六係為本發明之種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法所形成之擴散銀金合金層47的原子比例圖。吾人可發現，本發明之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法確實可行。

另外，本發明不僅可與傳統銀膠固晶機台相容，更因為金/銀具有快速擴散的特性，相較於傳統銀膠接合，本發明明顯具有更高之性能及產能。

另外，本發明實施例中，為增進銀層41與基板42之間的黏著效果，可使用一輔助黏著金屬層(圖中未式)包夾於該銀層41與基板42之間，該輔助黏著金屬層可包含鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈦(Ti)或其它可增進黏著之純金屬或合金。類似地，本發明實施例中，為增進金層44與基體45之間的黏著效果，可使用一輔助黏著金屬層(圖中未式)包夾於該金層44與基體45之間，該輔助黏著金屬層可包含鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈦(Ti)或其它可增進黏著之純金屬或合金。

另外，本發明實施例中，為增進發光二極體之底部反射率，可使用一反射金屬層(圖中未式)包夾於該銀層41與基板42之間，該反射金屬層可包含金(Au)、銀(Ag)或其它可增進底部反射之純金屬或合金。

本實施例雖以上述銀層41與金層44作為說明，但本技術領域中具有一般技藝者，當明瞭任何達到等同功能之變化均屬本發明之範圍。舉例來說，該銀層41可以用金(Au)取代，而該金層44可以用銀取代。則此時反應殘餘之金層41’可作為發光二極體底部之反射層。或者，該銀層41可以用金取代，而該金層44可以用銅(Cu)取代。則此時反應殘餘之金層41’可作為發光二極體底部之反射層。或者，該銀層41可以用銅取代，而該金層44則不更動。則此時反應殘餘之銅層41’可作為發光二極體底部之反射層。

本發明不僅可與傳統銀膠固晶機台相容，更因為金/銀具有快速擴散的特性，而相較於傳統銀膠接合，本發明明顯具有更高之產能(加熱時間短)。

綜上所述，當知本發明提供一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其利用金/銀界面具有快速擴散之物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基材因熱膨脹係數(CTE)不同所造成之熱應力問題。故本發明實為一富有新穎性、進步性，及可供產業利用功效者，應符合專利申請要件無疑，爰依法提請發明專利申請，懇請　貴審查委員早日賜予本發明專利，實感德便。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵、精神及方法所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．高分子導電膠材

11．．．晶粒

12．．．基板

20．．．共晶接著材料

21．．．發光二極體晶粒

22．．．基板

41．．．銀層

41’．．．銀層

42．．．基板

43．．．發光二極體磊晶結構

44．．．金層

44’．．．金層

45．．．基體

46．．．輔助黏性膠體

47．．．擴散銀金合金層

圖一係為台灣專利公告編號第463394號「晶片式發光二極體及其製造方法」的橫截面示意圖；

圖二係為台灣專利公開編號第200840079號「發光二極體封裝之固晶材料與方法」的橫截面示意圖；

圖三係為金-銀相圖；

圖四為本發明一具體實施例之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法的橫截面示意圖；

圖五為本發明之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法所形成之結構的橫截面示意圖；以及

圖六係為本發明之種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法所形成之擴散銀金合金層的原子比例圖。

41．．．銀層

42．．．基板

43．．．發光二極體磊晶結構

44．．．金層

45．．．基體

46．．．輔助黏性膠體

Claims (25)

1. 一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，包括以下步驟：將一第一金屬層形成於一基板之一第一表面，該基板之一第二表面上則提供有一發光二極體磊晶結構；將一第二金屬層形成於一基體上，該第二金屬層之材質係不同於該第一金屬層；施加壓力於該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層初步接合在一起，該初步接合方式為單純施壓法、熱壓法或超音波輔助熱壓法，其中所施之壓力為50gf-200gf，溫度為25℃-200℃，時間為1秒至3秒；以及將加壓固定之該基板與基體加熱，以使該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態擴散以形成一擴散合金層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層與該第二金屬層係分別以電鍍、蒸鍍、濺鍍或其他金屬形成方式形成於該基板與該基體上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層厚度約為0.5-1.0 μm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該基板係為一可進行磊晶成長之基板，可包括藍寶石(Sapphire)、氮化鋁 (AlN)、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該發光二極體磊晶結構具有一p-i-n結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該p-i-n結構包含氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(GaInN)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)與氮化鋁銦鎵(AlInGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵銦砷(GaInAsN)、磷氮化鎵銦(GaInPN)或其組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該發光二極體磊晶結構與該基板係結合以形成一發光二極體晶片，該發光二極體晶片可為水平式結構或垂直式結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第二金屬層厚度約為0.2-0.5 μm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該基體包含銅(Cu)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鎳(Ni)等元素或其合金。
10. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該基體包含矽(Si)、氮化鋁(AlN)或陶瓷。
11. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該基體可為導線架、 印刷電路板或低溫共燒多層陶瓷(LTCC)。
12. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層與該第二金屬層間更包括一輔助黏性膠體，該輔助黏性膠體包含活性助銲劑、中性助銲劑、免洗型助銲劑或其它加熱後可揮發之助銲劑。
13. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中加熱溫度為100℃-300℃，加熱時間為30分鐘至3小時。
14. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該加熱方式可為熱風式、紅外線加熱或熱板加熱。
15. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該加熱溫度為100℃，並且進行加熱一個小時。
16. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該加熱溫度為150℃，並且進行加熱30分鐘。
17. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層係為銀，而且該第二金屬層係為金。
18. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層係為金，而且該第二金屬層係為銀。
19. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二 極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層係為銅，而且該第二金屬層係為金。
20. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層係為金，而且該第二金屬層係為銅。
21. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層與該基板之該第一表面之間更包含有一輔助黏著金屬層，其包含鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈦(Ti)或其它可增進黏合之純金屬或合金。
22. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第二金屬層與該基體之間更包含有一輔助黏著金屬層，其包含鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈦(Ti)或其它可增進黏合之純金屬或合金。
23. 如申請專利範圍第1項所述之低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，其中該第一金屬層與該基板之間更包含有一反射金屬層，其包含金(Au)、銀(Ag)或其它可增進底部反射之純金屬或合金。
24. 一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，包括以下步驟：將一第一金屬層形成於一基板之一第一表面，該基板之一第二表面上則提供有一發光二極體磊晶結構；將一第二金屬層形成於一基體上，該第二金屬層之材質係不同於該第一金屬層； 施加壓力於該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層初步接合在一起；以及將加壓固定之該基板與基體加熱，該加熱溫度為100℃，並且進行加熱一個小時，以使該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態擴散以形成一擴散合金層。
25. 一種低溫形成反射性發光二極體固晶接合結構之方法，包括以下步驟：將一第一金屬層形成於一基板之一第一表面，該基板之一第二表面上則提供有一發光二極體磊晶結構；將一第二金屬層形成於一基體上，該第二金屬層之材質係不同於該第一金屬層；施加壓力於該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層初步接合在一起；以及將加壓固定之該基板與基體加熱，該加熱溫度為150℃，並且進行加熱30分鐘，以使該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態擴散以形成一擴散合金層。