TWI385817B - 用於半導體發光裝置封裝的組合方法 - Google Patents

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Description

用於半導體發光裝置封裝的組合方法
本發明係關於微電子裝置及其製造方法，更特定言之係關於發光裝置(例如發光二極體(LED))及其製造方法。
發光二極體已廣泛用於消費性及商業應用。如熟習技術人士所熟知，一發光二極體一般包含一微電子基板上之一二極體區域。該微電子基板可包括例如砷化鎵、磷化鎵、其合金、碳化矽及/或藍寶石。LED的持續發展已產生高效率與機械性強健之光源，其可以涵蓋可見光譜及其以外的部分。與固態裝置之可能較長的使用壽命耦合之該等特徵可致動各種新的顯示器應用，並可將LED放在與已根深蒂固的白熾燈及螢光燈相競爭的位置。
氮化鎵(GaN)基LED通常包含一絕緣或半導體基板(例如碳化矽(SiC)或藍寶石)，該基板上沉積有複數個GaN基磊晶層。該等磊晶層包含一主動或二極體區域，其具有在通電時會發光的一p－n接面。
可使基板側朝下將LED安裝在一子基板上，該子基板也稱為一封裝或引線框架(以下稱為一「子基板」)。相反，發光二極體之倒裝晶片安裝涉及到將LED安裝在子基板上，而使基板側朝上(即遠離子基板)。光可加以擷取並透過基板而發射。倒裝晶片安裝可能為用於安裝SiC基LED之尤其需要的技術。特定言之，因為SiC具有比GaN高的折射率，所以在主動或二極體區域中產生的光一般不會在GaN/SiC介面上全內反射(即反射回至GaN基層)。SiC基LED之倒裝晶片安裝還可以改良該技術中已知的某些基板成形技術之效應。SiC LED之倒裝晶片封裝可具有其他利益，例如改良式熱消散，其可視LED之特定應用而為人所需要。
倒裝晶片安裝之一個可能的問題在於，當使用傳統技術將LED安裝在子基板上時，導電晶粒附著材料(例如銀環氧)會沉積在LED及/或封裝上，且LED與子基板會壓合在一起。此可以使黏性導電晶粒附著材料擠出並與N型基板及/或裝置中的各層接觸，從而形成肖特基二極體連接，其可以使主動區域中的p－n接面短路。
藉由焊接、熱聲波洗滌及/或熱壓縮接合所形成的金屬間焊接為替代附著技術。然而，錫(Sn)為大多數類型的焊料之一成分，且Sn從焊接表面遷移至裝置中可以引起不合需要的裝置之退化。此類遷移可以干涉金屬與半導體介面(例如歐姆接觸)及/或金屬間介面(例如作為反射鏡的反射介面)之功能。
首先可將半導體發光裝置(例如LED)附於子基板，接著可將子基板安裝在基板上。為了將其上安裝子基板的基板與其上製造發光裝置的半導體基板區分，在本文中將與子基板配合的基板稱為「安裝基板」。可依次將安裝基板安裝在電路板或其他電路上，此取決於LED之特定應用。該等連接之各連接通常包含電性與實體連接方面。
用於將LED安裝在子基板上與將子基板安裝在安裝基板上之共同形式的連接為使用例如晶粒焊接程序之焊接。可將焊接用於提供金屬間連接，從而提供機械安裝、熱路徑與電性連接。一般可以將焊接材料分類為低溫、中溫與高溫焊料。溫度分類可基於特定成分之共熔溫度。例如，具有百分之八十(80%)的銀錫(AgSn)合金一般具有約攝氏220度(℃)之相關聯的焊接溫度，從而使之成為中溫焊接材料。高溫焊接材料可以為例如具有約280℃之焊接溫度的金錫(AuSn)。低溫焊料可以為例如具有約180℃之焊接溫度的鉛錫(PbSn)合金。
一般較佳不回焊先前形成的焊料連接。因此，在涉及到多焊料回焊程序步驟之應用中，可選擇不同溫度之焊接材料，以便後來的回焊程序步驟不會決定性地影響先前形成的焊料焊接。例如，已知可結合用於將子基板連接至安裝基板的中溫焊接材料，使用高溫焊接材料將LED連接至子基板。低溫焊接材料則可用於將安裝基板連接至電路板。因此，可在低於用於先前形成的焊料連接之回焊溫度的溫度下實行各後來的程序步驟。然而，還已知可使用高溫焊接材料將LED連接至子基板，接著使用高溫焊接材料將子基板連接至基板，再接著使用中溫焊接材料將組合連接至電路板，並使用低溫焊接材料將電路板連接至主機板。
亦已知可結合用於將子基板連接至安裝基板的低溫焊料，使用中溫焊料將LED連接至子基板。接著使用低溫焊料將安裝基板連接至電路板，但是要採用下列方式：減少子基板至安裝基板的連接所產生的熱量以避免該連接在後來程序中回焊。例如，可使用凸出物將安裝基板安裝至電路板，從而提供與用於焊接凸出物至電路板的熱量之熱隔離。同樣地，已建議將導線偏移用於子基板側，向子基板焊料焊接提供LED與焊接子基板導線至電路板時產生的熱量之熱隔離。然而，該等各種方法可能與較高密度電路板之安裝技術不相容，尤其係在一般用於需要電路板上之較高密度的組件安裝之表面安裝應用中。
已知可將自動化機器用於產生子基板安裝式LED。在此類設備中，可將LED提供在膠帶上。通常將衝床(頂出銷)用於將LED從載體膠帶推開以進入卡盤(筒夾)。一般將卡盤附於取放機制，將該機制用於從膠帶上移動LED以將其放置在子基板上之所需位置來將其焊接至子基板。雖然一般將衝床設計成具有圓形接觸表面以減小在接觸期間損壞LED的電位，但是在使用中，衝床可能會受到損壞並形成鋒利邊緣，此為引起對LED的損壞之較大風險。此對下列倒裝晶片安裝應用而言可能為特定問題：一般將LED提供在載體膠帶上，而使磊晶層側(上側)朝下，以簡化由卡盤用於在上側朝下放置於子基板上的情況下移動LED至適當放置的放置機制。在下列情況下可能會引入各種已知缺陷：裂縫出現在LED上側層之一或多層中，如(例如)美國專利申請案第10/002,244號所說明，該申請案係以引用的方式併入本文中。此類裂縫可由衝床所引入，尤其係在衝床具有任何鋒利邊緣特徵的情況下，衝床係用於LED之倒裝晶片安裝中所用的上側朝下載體膠帶應用。
本發明之某些具體實施例提供用於半導體發光裝置封裝的組合方法。採用其間的焊接材料與焊劑將子基板定位在安裝基板上。採用其間的焊接材料與焊劑將半導體發光裝置定位在子基板之一頂側上，以提供尚未回焊之一組合堆疊。回焊組合堆疊以將子基板附於安裝基板，並將發光裝置附於子基板。
在本發明之另外的具體實施例中，採用其間的焊接材料與焊劑將子基板定位在安裝基板上，包含採用其間的焊膏將子基板定位在安裝基板上；並且採用其間的焊接材料與焊劑將半導體發光裝置定位在子基板之一頂側上，包含在半導體發光裝置與子基板之該頂側之至少一項上形成焊接材料層。可將焊膏置放在安裝基板上，且可將焊劑置放在子基板之頂側上，採用接觸焊接材料層的焊劑使子基板從安裝基板轉移。
在本發明之其他具體實施例中，可將焊膏置放在安裝基板上。採用其間的焊膏將子基板定位在安裝基板上。可將焊劑與焊接材料置放在從安裝基板轉移的子基板之頂側上。採用其間的焊劑與焊接材料將半導體發光裝置定位在子基板之頂側上。發光裝置可在其接觸焊劑的一側上具有焊接材料。子基板、安裝基板及具有焊劑與焊膏的發光裝置提供尚未回焊的組合堆疊。回焊組合堆疊以將子基板附於安裝基板，並將發光裝置附於子基板。
在本發明之某些具體實施例中，回焊組合堆疊包含在回焊爐中將組合堆疊加熱至一溫度，並採用選擇的速率來提供安裝基板與子基板之間以及子基板與發光裝置之間的金屬間焊接。如本文所用，將組合堆疊加熱至一溫度之參考指由組合堆疊中的焊接材料所獲得的溫度。金屬問焊接可以為高溫焊料焊接。焊膏可以為金錫(AuSn)焊膏，且發光裝置上的焊接材料可以為AuSn。溫度可以為至少約300℃。發光裝置可以為發光二極體(LED)。
在本發明之其他具體實施例中，回焊組合堆疊之後，將回焊組合堆疊焊接至電路板，而無需使用中溫或低溫焊料來回焊子基板之附件至安裝基板，或回焊發光裝置之附件至子基板。置放焊膏可包含將焊膏置放在安裝基板之一頂側上的接觸墊上。置放焊劑可包含將焊劑放置在子基板之頂側上的接觸墊上。
在本發明之另外的具體實施例中，用於半導體發光裝置封裝的組合方法包含提供一安裝基板、一高溫焊料背側終止子基板、一高溫焊料終止半導體發光裝置、一高溫焊膏及焊接劑給一取放組合設備。取放設備將高溫焊膏分配在安裝基板上，採用其間的分配焊膏以子基板的底面將子基板放置在安裝基板上，將焊劑分配在子基板之一頂面上，採用其間的焊劑將發光裝置放置在子基板上，發光裝置具有沉積在其接觸分配的焊劑之一表面上的高溫焊接材料，以提供未焊接組合堆疊，接著提供組合堆疊以在一回焊爐中進行加熱。回焊爐會回焊組合堆疊。回焊可以在氮氣(N2 )大氣中。
在本發明之其他具體實施例中，回焊組合堆疊後，對回焊組合堆疊進行焊劑清理。放置發光裝置可包含倒裝發光裝置，然後將發光裝置放置在子基板上。可將發光裝置提供給載體膠帶上的取放機器。
在本發明之另外的具體實施例中，將發光裝置定位在載體膠帶上，而使其上層側朝上。放置發光裝置包含採用一衝床銷將發光裝置從載體膠帶衝出至第一卡盤，而無需採用該衝床銷接觸發光裝置之上層側。將發光裝置從第一卡盤移動至第二卡盤，以倒裝發光裝置。採用第二卡盤將發光裝置放置在子基板上。
在本發明之其他具體實施例中，將發光裝置放置在安裝表面(例如子基板)上的方法，包含提供定位在載體膠帶上的發光裝置，而使發光裝置之上層側朝上。採用一衝床銷將發光裝置從載體膠帶衝出至第一卡盤，而無需採用該衝床銷接觸發光裝置之上層側。將發光裝置從第一卡盤移動至第二卡盤，以倒裝發光裝置，並採用第二卡盤將發光裝置放置在安裝表面上。
以下參考附圖更全面地說明本發明，該等圖式顯示本發明之具體實施例。然而，本發明可採用不同形式加以具體化而不應視為限於本文提出的具體實施例。而係提供該等具體實施例，以便此揭示案將更全面且完整，並全面傳達本發明之範疇給熟習技術人士。在圖式中，可基於清楚而誇大各層及區域之尺寸及相對尺寸。
應瞭解，若一元件或層係稱為「在另一元件或層上」、「連接至」或「耦合至」另一元件或層，則其可能係直接在其他元件或層上、連接至或耦合至其他元件或層，或者可能存在中間元件或層。相反，若一元件係稱為「直接在另一元件或層上」、「直接連接至」或「直接耦合至」另一元件或層，則不存在中間元件或層。在所有圖式中，相同數字指相同元件。如本文所用，術語「及/或」包含相關聯列舉項目之一或多個項目的任何及所有組合。
應瞭解雖然術語第一、第二等可在本文中用以說明各元件、組件、區域、層及/或區段，但是該等術語不應限制該等元件、組件、區域、層及/或區段。該等術語係僅用以將一個元件、組件、區域、層或區段與另一區域、層或區段區分。因此，下面說明之一第一元件、組件、區域、層或區段可稱為一第二元件、組件、區域、層或區段，而不脫離本發明之原理。
此外，例如「下部」或「底部」及「上部」或「頂部」之相對術語在本文中可用來說明圖式所解說的一個元件與另外元件的關係。應瞭解，希望相對術語包含除圖式所描述的方位以外的裝置之不同方向。例如，若顛倒各圖式中的裝置，則說明為在其他元件之「下部」側上的元件將會定向為在該其他元件之「上部」側上。因此，示範性術語「下部」可包含「下部」及「上部」之方位，此取決於圖式的特定方位。同樣，若顛倒各圖式之一圖式中的裝置，則說明為在其他元件的「下面」或「下方」之元件將會定向為在其他元件「上面」。因此示範性術語「下面」或「下方」可包含上面方位及下面方位。
除非另外定義，否則本文使用的所有術語(包含技術及科學術語)皆具有與本發明所屬的熟習技術人士共同瞭解的含意相同之含意。應進一步瞭解術語(例如通用詞典所定義的術語)應視為具有與其在相關技術之背景中的含意一致的含意，而不解釋為具有理想化或過度正式意義，除非本文如此清楚地定義。
熟習技術人士應瞭解，雖然針對半導體晶圓及切割的晶片而說明本發明，但是可將此類晶片切割成任意尺寸。因此，本發明不限於附圖所解說的相對尺寸與間距。此外，基於圖式之清楚及說明之方便而誇大圖式之某些特徵的尺寸。
如本文所用，術語「半導體發光裝置」可包含一發光二極體、雷射二極體及/或其他半導體裝置，其包含一或多個半導體層，該等層可包含矽、碳化矽、氮化鎵及/或其他半導體材料；一安裝基板，其可包含藍寶石、矽、碳化矽及/或其他微電子安裝基板；以及一或多個接觸層，其可包含金屬及/或其他導電層。在某些具體實施例中，可提供紫外線、藍色及/或綠色發光二極體(「LED」)。
基於瞭解本文的說明之方便，一般參考碳化矽基安裝基板上之氮化鎵基發光二極體，說明本發明之某些具體實施例。然而，熟習技術人士應瞭解本發明之其他具體實施例可基於安裝基板與磊晶層之各種不同的組合。例如，組合可以包含GaP安裝基板上的AlGaInP二極體；GaAs安裝基板上的InGaAs二極體；GaAs安裝基板上的AlGaAs二極體；SiC或藍寶石(Al2 O3 )安裝基板上的SiC二極體及/或氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、藍寶石、氧化鋅及/或其他安裝基板上之氮化物基二極體。
因此，例如半導體光發射裝置可以為氮化鎵基LED或在碳化矽安裝基板上製造的雷射，例如由北卡羅萊納州Durham市的Cree公司所製造並銷售的裝置。本發明可適用於LED及/或雷射，如下列美國專利所述：第6,201,262、6,187,606、6,120,600、5,912,477、5,739,554、5,631,190、5,604,135、5,523,589、5,416,342、5,393,993、5,338,944、5,210,051、5,027,168、5,027,168、4,966,862及/或4,918,497號，其揭示案係以引用的方式全部併入本文中。其他合適的LED及/或雷射係說明在2003年1月9日公佈的美國專利公告案第US2003/0006418 A1號中，其名稱為具有量子井與超晶格之第三族氮化物基發光二極體結構，第三族氮化物基量子井結構與第三族氮化物基超晶格結構；以及公佈的美國專利公告案第US 2002/0123164 A1號，其名稱為包含用於光擷取之修改的發光二極體及其製造方法。此外，磷光體塗布LED也可適用於本發明之具體實施例，例如2003年9月9日申請的美國專利申請案第10/659,241號所說明的LED，該申請案的名稱為包含錐形側壁之磷光體塗布發光二極體及其製造方法，其揭示案係以引用的方式併入本文中。LED及/或雷射可配置成進行操作，以便發光透過安裝基板而出現。在此類具體實施例中，可圖案化安裝基板以便增強裝置的光輸出，如(例如)上述美國專利公告案第US 2002/0123164 A1號所說明。
在本發明之各具體實施例中，使用相同焊料溫度範圍之焊接材料，將堆疊式晶粒程序用於提供半導體發光裝置(例如LED)與子基板之間，及子基板與安裝基板之間的焊料連接。例如，可將中溫焊接材料用於二種焊料連接，並且回焊可出現在單一操作中以允許形成二種焊接，而無需從先前回焊操作回焊已經形成的焊接。現在說明本發明之特定具體實施例，其使用LED與子基板之間的焊劑驅動式焊料連接，以及子基板與安裝基板之間的焊膏。更特定言之，所說明的具體實施例係用於高溫焊接材料，例如AuSn。然而，應瞭解焊接材料之不同組合及焊劑與焊膏之應用係在本發明之範疇內，並且說明該等特定具體實施例以便於熟習技術人士瞭解本發明。
圖1A至1B與圖2A至2C解說LED、子基板與安裝基板配置，其將在說明本發明之方法中加以參考。圖1A為可依據本發明之某些具體實施例而加以焊接的一半導體晶粒封裝10之一透視圖，而圖1B為圖1A之該半導體封裝之一分解透視圖。參考圖1A與1B，所解說的發光裝置晶粒封裝10包含一安裝基板20、一反射器40與一透鏡50。安裝基板20與反射器40可進一步作為散熱器，用於安裝在安裝基板20上的LED組合60。雖然在本文中將組合60說明為包含LED晶粒66，但是應瞭解也可將本發明之具體實施例用於其他類型的半導體發光裝置。
圖2A至2C更詳細地說明安裝基板20。圖2A、2B與2C分別提供圖1A之安裝基板20之一俯視圖、一側視圖與一正面圖。此外，圖2C除為安裝基板20之正面圖以外，還顯示LED組合60。圖1B也解說LED組合60。參考圖1A至2D，安裝基板20可提供支撐用於電性跡線22與24；焊墊26、32、34與36；以及LED組合60。在圖式中，為了避免混亂，僅採用參考數字指示代表性焊墊26、32與34。可以使用導電材料製造跡線22與24及焊墊32、34與36。此外，額外的跡線與連接可加以製造在安裝基板20的頂部、側面或底部，或以層狀方式製造在安裝基板20內。可使用已知方法(例如經由孔)使跡線22與24、焊墊26、32、34與36及其他連接在各種組合中彼此互連。
安裝基板20可由具有高導熱性但具有電性絕緣性的材料(例如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2 O3 ))製造。安裝基板20之尺寸可以在較大範疇內發生變化，此取決於製造晶粒封裝10所用的應用與程序。例如，在所解說的晶粒封裝10中，安裝基板20可具有從幾毫米(mm)至數十毫米範圍內的尺寸。雖然本發明不限於特定尺寸之晶粒封裝，但是在圖式中將特定晶粒封裝10解說為具有圖中表示的各示範性尺寸。圖式中顯示的尺寸單位為毫米(用於長度、寬度、高度與半徑)及度(用於角度)，除非圖式或本文中另外指定。
所解說之晶粒封裝10中的安裝基板20具有一頂部表面21，該頂部表面21包括電性跡線22與24。跡線22與24提供從焊墊(例如頂部焊墊26)至安裝墊28的電性連接。頂部焊墊26為一般接近於安裝基板20之側面的跡線22與24之部分。將頂部焊墊26電性連接至側焊墊32。安裝墊28為頂部表面之一部分(包含跡線22、跡線24或兩者之部分)，其中安裝LED組合60。可將安裝墊28定位成接近於頂部表面21之中心。
跡線22與24提供電性路線以使LED組合60可電性連接至焊墊26、32、34及/或36。因此，跡線之某些係在本文中稱為第一跡線22，而其他跡線係稱為第二跡線24。在所解說的晶粒封裝10中，安裝墊28包含第一跡線22與第二跡線24之部分。如圖所示，將LED組合60放置在安裝墊28之第一跡線22部分上，從而使該組合與第一跡線22接觸。將LED組合60與第二跡線24之頂部解說為經由焊接線路62而彼此連接。取決於LED組合60之結構與方位，第一跡線22可提供用於LED組合60的陽極(正)連接，而第二跡線24可提供陰極(負)連接(或反之亦然)。
LED組合60可包含額外的元件。例如在圖1B與2C中，將LED組合60解說為包含LED焊接線路62、LED子基板64與一發光二極體(LED)晶粒66。在其他安裝組態中可使用多個焊接線路。可以配置安裝墊28以安裝LED組合60之倒裝晶片配置。此外，可將多個LED組合安裝在安裝墊28上。也可將LED組合60安裝在多個跡線上。跡線22與24可由導電材料(例如金、銀、銅、錫及/或其他金屬)製造。跡線22與24可以具有如圖所解說的尺寸並具有約數微米或數十微米的厚度，此取決於應用。例如，跡線22與24可以為15微米厚。圖1A與2A解說方位標記27。此類標記可用於即使在組合晶粒封裝10之後仍可識別晶粒封裝10之適當方位。方位標記27不必為通道或通孔。如圖所解說，跡線22與24可以從安裝墊28延伸至安裝基板20之側面。
繼續參考圖1A至2C，所解說的安裝基板20定義接近於其側面的半圓柱空間23與四分之一圓柱空間25。在圖式中，為了避免混亂，僅採用參考數字指示代表性空間23與25。半圓柱空間23與四分之一圓柱空間25可提供空間用於焊料在下列情況下流過並在其中凝固：將晶粒封裝10附於印刷電路板(PCB)或晶粒封裝10為其一組件之另一設備(未顯示)。此外，半圓柱空間23與四分之一圓柱空間25可在製程期間提供方便的描繪與斷點。
圖2D為依據本發明之某些具體實施例之一半導體發光裝置的組合堆疊在回焊之前的一示意側視圖。如圖2D所示，組合堆疊200包含LED晶粒66、子基板64與安裝基板20。LED晶粒66包含一或多磊晶層210。熟習技術人士應瞭解，可將額外特徵(例如歐姆接觸、金屬反射鏡層或類似特徵)提供在磊晶層210上。此類額外層係進一步說明在例如美國專利申請案10/200,244中，其已在以上以引用的方式併入本文中。
圖2D所解說的LED晶粒66為高溫焊料終止半導體發光裝置，其包含高溫焊料層215，例如AuSn終止層。採用其間的焊劑點205將LED晶粒66定位在子基板64上，以便於形成LED晶粒66與子基板64之間的金屬間焊接。圖2D之具體實施例還顯示安裝基板20與子基板64之間的高溫焊膏220(例如AuSn焊膏)，以提供子基板64與安裝基板20之間的金屬間焊接。應瞭解在加熱之後將移除焊劑205及焊膏220中的焊劑以提供回焊組合堆疊。雖然本文一般參考下列具體實施例而說明本發明：將焊膏用在子基板與安裝基板之間，並採用沉積於其上的焊接材料將焊劑定位在子基板與LED晶粒之間，但是應瞭解本發明並不限於此。例如，可將焊膏用在LED晶粒與子基板之間及/或可將與沉積在子基板或安裝基板上的焊接材料結合的焊劑用在子基板與基板之間。同樣地，可將焊接材料沉積在所焊接的組件之任一個或二者上。
現在參考圖3與4之流程圖解說及圖5之示意解說中解說的各具體實施例而進一步說明本發明之具體實施例。基於瞭解本發明之目的，圖3與4之說明將基於使用焊膏，其包含焊接材料與焊劑，作為定位在子基板與安裝基板之間的焊接材料與焊劑，以及定位成接近沉積材料層且用於子基板與發光裝置介面的焊劑。然而，應瞭解可依據本發明之具體實施例而使用其他組合，包含使用焊膏以提供焊接區域之任一或二者中的焊接材料與焊劑，或不提供該等區域中的焊接材料與焊劑。
首先參考圖3之流程圖所解說的具體實施例，操作藉由在安裝基板上置放焊膏而在步驟305中開始。焊膏可以為高溫焊接材料，例如AuSn焊膏。採用其間的焊膏將子基板定位在安裝基板上(步驟310)。將焊劑置放在從安裝基板轉移的子基板之頂側上(步驟315)。採用其間的焊劑將半導體發光裝置定位在子基板之頂側上(步驟320)。
如參考圖2D所說明，半導體發光裝置可具有其一側上接觸焊劑之焊接材料。所定位的子基板、半導體發光裝置、焊膏與焊劑定義尚未回焊的一組合堆疊。接著回焊組合堆疊以將子基板附於安裝基板，並將發光裝置附於子基板(步驟325)。步驟325中的操作可包含藉由下列方式而回焊組合堆疊：在一回焊爐中將組合堆疊加熱至一溫度，並採用選擇的一速率來提供安裝基板與子基板之間以及子基板與發光裝置之間的一金屬間焊接。金屬間焊接皆可為高溫焊料焊接，且發光裝置上的焊接材料可以為高溫焊接材料，例如AuSn。在此類具體實施例中，用於回焊的焊接材料之溫度可以為至少約300℃。可由金屬間焊接提供機械與電性連接。例如，可將焊膏置放在安裝基板之一頂側上的一接觸墊上，並可將一焊劑作為接觸墊放置在子基板之頂側上。
如圖3之具體實施例進一步顯示，可視需要實行額外的處理步驟以在特定應用環境中併入回焊組合堆疊。後來的操作可包含將回焊組合堆疊焊接至一電路板，而無需使用中溫或低溫焊料來回焊子基板之附件至安裝基板或回焊發光裝置之附件至子基板(步驟330)。
現在參考圖4之流程圖解說及圖5之示意方塊圖解說，將說明本發明之另外的示範性具體實施例。一般參考圖5中示意性解說的組合設備，說明用於圖4之流程圖中解說的半導體發光裝置封裝之組合方法。在步驟405中用於圖4之具體實施例的操作藉由下列方式而開始：提供一安裝基板、一高溫焊料背側終止子基板、一高溫焊料終止半導體發光裝置、一高溫焊膏與一焊接劑給一取放組合設備505。如圖5所解說，可將半導體發光裝置提供給例如在載體膠帶上的取放設備505，且發光裝置可以為LED晶粒的形式。在本發明之各具體實施例中，子基板為AuSn背側終止子基板而半導體發光裝置為AuSn終止LED，其可出現在載體膠帶上，而使磊晶側(上側)朝上。在此類具體實施例中，焊膏可以為AuSn焊膏，並且可提供適當的焊劑用於AuSn終止LED。
現在參考圖4之流程圖解說而說明由取放設備505執行的各項操作。將高溫焊膏分配在安裝基板之一頂部表面上(步驟410)。採用其間的分配焊膏以子基板的底面將子基板放置在安裝基板上(步驟415)。將焊劑作為例如焊劑點而分配在子基板之一頂部表面上(步驟420)。採用其間的焊劑將半導體發光裝置放置在子基板上(步驟425)。如以上針對各具體實施例所說明，發光裝置可具有沉積在其一表面上且接觸分配焊劑的高溫焊接材料，以結合安裝基板與子基板而提供未焊接組合堆疊。
如圖5所示，將組合堆疊提供給回焊設備510。例如，回焊設備510可以為回焊爐，已將組合堆疊提供給該回焊爐以進行加熱(步驟430)。回焊設備510引入能量以產生熱量來回焊組合堆疊(步驟435)。因此，本發明之各具體實施例可利用堆疊晶粒組合程序，然後利用單一回焊來形成高溫焊料接面，用於將半導體發光裝置附於子基板並且將子基板附於基本安裝基板。結果，可將高溫金屬焊接附件提供在發光裝置、子基板與安裝基板組件之各組件之間。此外，在本發明之某些具體實施例中，使用單一回焊程序可提供較便宜、較簡單且較高產量的製程。
在先前組合程序中，為了採用高溫焊料/金屬附件來提供發光裝置給子基板及提供子基板給安裝基板，晶粒需在約300℃的溫度下經歷二次回焊，此可能會引起焊接及/或組件(例如LED晶粒)之損壞或退化。回焊二次程序還可能會減小因二次回焊而造成的接面之冶金堅固性。藉由採用高溫焊料將半導體發光裝置附於子基板及將子基板附於安裝基板接面，後來的回焊操作(例如將安裝基板附於電路板)可以為中溫回焊(例如採用Sn或AgSn焊接材料)，此接著可穩定地用於在低溫回焊(例如PbSn焊接材料回焊，其為用於將組件焊接至電路板的工業標準)情況下進行進一步處理之目的。此外，無鉛要求變得越來越普遍，雙高溫焊接堆疊晶粒組合也可穩定地用於中溫回焊程序以將組合附於基本電路板。
亦如圖4與5所示，在本發明之各具體實施例中，可在回焊組合堆疊之後執行額外操作。例如，可將自回焊設備510的回焊組合堆疊提供給清理設備515以進行焊劑清理(步驟440)。此外，如圖5所示，可藉由例如線接合設備520進一步處理所清理的組合堆疊，以完成半導體發光裝置及子基板至安裝基板的電路連接，從而提供電路安裝準備就緒的最終產品。如圖2D所解說，應瞭解本發明之方法可應用於發光裝置之倒裝晶片安裝，並且在定位此發光裝置中由取放設備執行的操作，可包含將發光裝置放置在子基板上之前的倒裝發光裝置。
如先前所指示，圖3與4利用圖5之組合設備的方法可提供較便宜、較簡單且較高產量的處理。例如，以上說明的單一回焊操作可能需要中間組合區域中的較少配備，例如可能僅需要單一回焊爐及單一焊劑清理台，與用於相同產量之傳統二次回焊步驟操作中每種設備需要二台的情況形成對照。還可提供去隔離操作，其一般並非組合與測試線之部分，例如用於晶圓切割的安裝與處理。此外，可增加產量，因為切割與操作所產生的壞切片及類似物可能會在較先的程序中出現於較低數值材料上，因此在製造期間由自誤差的損壞所引起的效應可得到減小並可由取放設備505所輕易偵測。
現在參考圖6進一步說明適用於使用取放設備而適當放置發光裝置的特定方法。如熟習技術人士所瞭解，圖6解說的將半導體發光裝置放置在安裝表面(例如子基板)上的方法，可由取放設備505結合參考圖3與4說明的各操作而加以使用。然而，用於半導體發光裝置的組合方法之其他具體實施例也可用於本發明，此外，在並非利用以上說明的堆疊晶粒組合方法之應用中，可將參考圖6說明的放置方法有利地用於放置半導體發光裝置。
如圖6所示，操作藉由下列方式而在步驟605中開始：將定位的半導體發光裝置提供在載體膠帶上，而使發光裝置之磊晶層側朝上(即遠離載體膠帶)。採用一衝床銷將發光裝置從載體膠帶衝出至第一卡盤(筒夾)，而無需採用該衝床銷接觸發光裝置之上層側(步驟610)。將發光裝置從第一卡盤移至第二卡盤(筒夾)，以倒裝發光裝置(步驟615)。採用第二卡盤將發光裝置放置在安裝表面(例如子基板)上(步驟620)。
如以上所說明，本發明之各具體實施例並未改良半導體發光裝置(例如LED)之倒裝晶片操作。已知有缺口的頂出銷、較小直徑的尖頂出銷或高力頂出程序可藉由引起金屬結構中的微裂縫而引起對LED的損壞，此可能產生與磊晶層的歐姆接觸之折衷或退化。藉由使用參考圖6所說明的倒裝晶片取放動作，可減小對LED的此類損壞之風險，此可依次產生較高可靠性測試結果。此外，當採用較大區域LED進行工作時，一般將導熱性視為重要參數。藉由使用堆疊之各組件之間的高溫焊接材料金屬介面，例如AuSn/AuSn金屬介面組合，以上參考圖3與4說明的具體實施例可提供改良式導熱性特徵。藉由使用堆疊之焊劑/焊劑處理可進一步增強此類配置之性能，此可適用於將金屬導線框用於安裝基板的情況，因為可以減小熱接面之厚度。高溫金屬終止可提供高溫封裝辦法以在後來的處理期間獲得下游穩定性，並與二步驟程序相比，可藉由消除回焊週期而最小化所引入的高溫應力。
以上說明的方法亦可有利地併入高精度放置準確度，因為目前已知的放置視覺系統可加以最佳化以用於一個組合圖案識別，並可具有此在嘗試放置子組合情況下少的麻煩。因此，可採用堆疊式晶粒程序提供放置準確度。還可以提供較少的清理並甚至可以不提供清理，因為可最佳化焊劑與焊劑處理以使用最少的焊劑或無清理焊劑。製造配備的資本投資也可藉由下列方式而減少：減少回焊爐與清理台的數量以及減小用於控制該數量的電腦配備之電位。此可進一步產生工廠樓層空間要求減少之利益，以及電源、設施與化學品交貨物流與基礎設施利益。採用後來回焊配置之影響的減小，還可更好地控制焊接金屬與金屬連接之冶金術，因為此可以引起顆粒之生長及/或第一回焊後施加的應力之變化。使用以上說明的堆疊式晶粒方法，後來的回焊一般著眼於回焊接合處位置，其係轉移在與半導體發光裝置具有較大的距離處，且可更輕易地控制此類後來的程序以減小對半導體發光裝置所引起的溫度偏差。
應瞭解回焊期間的各程序參數規格(例如回焊爐510中的熱量)可有利地改良程序性能。例如，可選擇分配在半導體發光裝置與子基板之間的焊劑之數量以及加熱之速率以預防沸騰，其可引發半導體發光裝置在處理期間離開子基板，而仍提供回焊以形成非氧化金屬間焊接，在蒸發前定位在子基板與發光裝置之間的所有焊劑。藉由在回焊爐510中使用氮氣大氣以在回焊操作期間移除組合堆疊附近的氧氣，也可進一步減小在焊接上形成氧化的風險。在本發明之某些具體實施例中，當在回焊爐中提供氮氣大氣時，可減少所分配的焊劑之數量。現在提供適用於本發明之各具體實施例的操作條件之示範性組合。將用於此範例的分配焊劑點提供為具有足以完全濕潤要焊接的表面之直徑。對於各LED應用而言，使用從約400微米至約700微米之合適的焊劑點直徑，例如550微米焊劑點。還選擇焊膏覆蓋範圍以提供足夠的焊膏來覆蓋要焊接的區域。可將「X」形圖案或「線」圖案用於例如約1000微米長及約200微米寬的AuSn焊膏。然而，較大的尺寸變化可用於焊膏，因為較多的焊膏可能會增加焊線厚度，而較少的焊膏可能會減少用於將子基板/裝置推入焊膏的壓力之數量。例如800微米直徑的點焊膏可用於整個「X」，每個分支為約1毫米長及約400微米寬。若焊膏使用的濕潤品質比AuSn好(例如許多中溫與低溫焊料)，則可需要較少的焊膏，因為該焊料會在熔化回焊處理期間濕潤。應注意具有較少氧化物生長的氮氣環境可能會出現，因此可能會產生較佳且更一致的濕潤以及焊劑殘餘物之更輕易的清理。
圖3、4與6之流程圖及圖5之示意解說係解說用於半導體發光裝置的組合方法之可能的實施方案之功能與操作及/或依據本發明之某些具體實施例將此類裝置放置在子基板上。應注意在某些替代具體實施例中，在說明各圖式時所備註的動作可能不按圖式所備註的順序出現。例如，事實上顯示為連續的二個步驟/操作可實質上同時加以執行，或可採用相反的順序加以執行，此取決於所涉及的功能。
上文係解說本發明而非視為限制本發明。雖然已說明本發明之少數示範性具體實施例，但是熟習技術人士應輕易地瞭解可在示範性具體實施例中進行許多修改，而本質上不脫離本發明之新穎原理及優點。因此，希望所有該等修改係包含在申請專利範圍所定義的本發明之範疇內。因此，應瞭解上文係解說本發明而非視為限制所揭示的特定具體實施例，並且希望對所揭示的具體實施例與其他具體實施例之修改係包含在所附申請專利範圍之範疇內。由以下申請專利範圍定義本發明，其中包含申請專利範圍之等效物。
10．．．(晶粒)封裝/半導體晶粒封裝/發光晶粒封裝
20．．．安裝基板
21．．．頂部表面
22．．．電性跡線/第一跡線
23．．．半圓柱空間
24．．．電性跡線/第二跡線
25．．．四分之一圓柱空間
26．．．(頂部)焊墊
27．．．方位標記
28．．．安裝墊
32．．．(側)焊墊
34．．．焊墊
36．．．焊墊
40．．．反射器
50．．．透鏡
60．．．LED組合
62．．．LED焊接線路
64．．．LED子基板
66．．．發光二極體(LED)晶粒
200．．．組合堆疊
205．．．焊劑(點)
210．．．磊晶層
215．．．高溫焊料層
220．．．高溫焊膏
505．．．取放組合設備
510．．．回焊設備/回焊爐
515．．．清理設備
520．．．線接合設備
圖1A為可依據本發明之各具體實施例而組合的半導體晶粒封裝之一透視圖。
圖1B為圖1A之該半導體晶粒封裝之一分解透視圖。
圖2A為圖1A之該半導體晶粒封裝之一部分的一俯視圖。
圖2B為圖1A之該半導體晶粒封裝之一部分的一側視圖。
圖2C為圖1A之該半導體晶粒封裝之一部分的一正面圖。
圖2D為依據本發明之某些具體實施例之一半導體發光裝置的組合堆疊在回焊之前的一側視圖。
圖3為解說用於依據本發明之某些具體實施例的一半導體發光裝置封裝的組合操作之一流程圖。
圖4為解說用於依據本發明之某些具體實施例的一半導體發光裝置封裝的組合操作之一流程圖。
圖5為適用於實行依據本發明之某些具體實施例的方法之一半導體發光裝置的組合設備之一示意方塊圖。
圖6為解說用於定位依據本發明之某些具體實施例的半導體發光裝置之一倒裝晶片組態的操作之一流程圖。

Claims (22)

  1. 一種用於一半導體發光裝置封裝的組合方法，其包括：採用其間的一焊接材料與一焊劑將一子基板定位在一安裝基板上；採用其間的一焊接材料與一焊劑將該半導體發光裝置定位在該子基板之一頂側上，以提供尚未回焊之一組合堆疊；以及回焊該組合堆疊以將該子基板附於該安裝基板，並將該發光裝置附於該子基板。
  2. 如請求項1之方法，其中：採用其間的一焊接材料與一焊劑將一子基板定位在一安裝基板上，包括採用其間的一焊膏將一子基板定位在一安裝基板上；以及採用其間的一焊接材料與一焊劑將該半導體發光裝置定位在該子基板之一頂側上，包含在該半導體發光裝置與該子基板之該頂側之至少一項上形成一焊接材料層。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包括：將該焊膏置放在該安裝基板上；以及將該焊劑置放在從該安裝基板轉移的該子基板之該頂側上，其中該焊劑接觸該焊接材料層。
  4. 如請求項3之方法，其中回焊該組合堆疊包括在一回焊爐中將該組合堆疊加熱至一溫度，並採用選擇的一速率來提供該安裝基板與該子基板之間以及該子基板與該發光裝置之間的一金屬間焊接。
  5. 如請求項4之方法，其中該等金屬間焊接包括高溫焊料焊接。
  6. 如請求項5之方法，其中該焊膏包括一金錫(AuSn)焊膏，且其中該發光裝置之該焊接材料包括AuSn。
  7. 如請求項6之方法，其中該溫度為至少約300℃。
  8. 如請求項7之方法，其中該發光裝置包括一發光二極體(LED)。
  9. 如請求項3之方法，其中回焊該組合堆疊之後，將該回焊組合堆疊焊接至一電路板，而無需使用一中溫或低溫焊料來回焊該子基板之附件至該安裝基板，或回焊該發光裝置之附件至該子基板。
  10. 如請求項3之方法，其中置放一焊膏包括將該焊膏置放在該安裝基板之一頂側上的一接觸墊上。
  11. 如請求項3之方法，其中置放一焊劑包括將一焊劑點放置在該子基板之該頂側上的一接觸墊上。
  12. 如請求項1之方法，其中回焊該組合堆疊包括在一回焊爐中將該組合堆疊加熱至一溫度，並採用選擇的一速率來提供該安裝基板與該子基板之間以及該子基板與該發光裝置之間的一金屬間焊接。
  13. 如請求項12之方法，其中該等金屬間焊接包括高溫焊料焊接。
  14. 如請求項13之方法，其中採用其間的一焊接材料與一焊劑將一子基板定位在一安裝基板上，包括採用其間的一焊膏將一子基板定位在一安裝基板上，且其中該焊膏包 括一金錫(AuSn)焊膏，而且其中該發光裝置與該子基板之間的該焊接材料包括AuSn。
  15. 如請求項12之方法，其中該溫度為至少約300℃。
  16. 如請求項1之方法，其中該發光裝置包括一發光二極體(LED)。
  17. 如請求項1之方法，其中回焊該組合堆疊之後，將該回焊組合堆疊焊接至一電路板，而無需使用一中溫或低溫焊料來回焊該子基板之附件至該安裝基板，或回焊該發光裝置之附件至該子基板。
  18. 一種用於一半導體發光裝置封裝的組合方法，其包括：提供一安裝基板、一高溫焊料背側終止子基板、一高溫焊料終止半導體發光裝置、一高溫焊膏與一焊接劑給一取放組合設備；其中由該取放設備執行下列操作：將該高溫焊膏分配在該安裝基板上；採用其間的該分配焊膏以該子基板的一底部表面將該子基板放置在該安裝基板上；將該焊劑分配在該子基板之一頂部表面上；採用其間的該焊劑將該發光裝置放置在該子基板上，該發光裝置具有沉積在其一表面上且接觸該分配焊劑之一高溫焊接材料，以提供一未焊接組合堆疊；並接著提供該組合堆疊以在一回焊爐中進行加熱；以及其中由該回焊爐執行下列操作： 回焊該組合堆疊。
  19. 如請求項18之方法，其中在回焊該組合堆疊後，對該回焊組合堆疊進行焊劑清理。
  20. 如請求項18之方法，其中放置該發光裝置包含將該發光裝置放置在該子基板上之前的倒裝該發光裝置。
  21. 如請求項20之方法，其中將該發光裝置提供給一載體膠帶上的取放機器。
  22. 如請求項21之方法，其中將該發光裝置定位在該載體膠帶上，而使其一上層側朝上，且其中放置該發光裝置包含採用一衝床銷將該發光裝置從該載體膠帶衝出至一第一卡盤，而無需接觸採用該衝床銷之該發光裝置之該上層側；將該發光裝置從該第一卡盤移動至一第二卡盤以倒裝該發光裝置；以及採用該第二卡盤將該發光裝置放置在該子基板上。
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