TWI397193B - Light emitting diode chip element with heat dissipation substrate and method for making the same - Google Patents

Description

具有散熱基板的發光二極體晶片元件及其製作方法

本發明是有關於一種發光元件及其製作方法，特別是指一種包含有發光二極體晶片(LED Chip)的發光元件及其製作方法。

參閱圖1，習知具有發光二極體晶片12的發光元件1，其結構上大致包含可導熱並具有凹孔111的底板11、以光電效應產生光並設置在該凹孔111中的發光二極體晶片12、位於凹孔111底面與發光二極體晶片12之間，用以黏固該發光二極體晶片12的接合材13，及材質透明封填於該凹孔111可將該發光二極體晶片12與外界隔絕的填充體14。

該發光二極體晶片12一般經由電連接該發光二極體晶片12的電極121與外界電路設計的電連接線(圖未示出)提供電能後作動發光，發出的光多數直接穿經該填充體14至外界，少部分經過凹孔111側面的反射穿經該填充體14，該發光二極體晶片12作動時所產生的熱則經過接合材13、底板11導離發光二極體晶片12，避免因內熱影響到發光二極體晶片12的電子－電洞復合機制，進而縮短整體發光元件1的工作壽命。

上述發光元件1的製作，則是先製作出發光二極體晶片12，之後，將該發光二極體晶片12與該接合材13黏固在預先完成的底板11的凹孔111內，最後，在該凹孔111中填充入該填充體14，即得到製作完成的發光元件1。

當然，此類包含有發光二極體晶片12的發光元件1確實可以滿足目前的需求，其製作過程也因為多年的半導體元件製造、封裝經驗的奠基而能順利實施；此外，也同時有諸多的學術研究、專利文件對此類型的發光元件1進行各類的改良與研究，相關構造設計可參考中華民國第095104637號及中華民國第095106043號發明專利申請案，其中第095104637號揭示在底板與接合材之間更加設一層可增加元件出光效果的絕緣基材，而第095106043號則揭示於發光二極體封裝中增設靜電放電防護元件，以及該等封裝的製作方法。

然而，習知該等發光元件1在構造上皆因藉該接合材13將發光二極體晶片12黏固，因而，熱傳導會受限於層體間的接觸界面及各層體不同的熱傳導係數等因素，直接影響到發光元件1的發光表現與工作壽命；同時，基於如是構造所發展的製作方法，在進行接合材13黏固發光二極體晶片12的作業過程，該接合材13極易因為堆擠、壓置所形成孔洞(voids)，而破壞熱傳導的介面，大幅影響元件1的散熱功效，進而導致元件1的工作壽命提早結束。

再者，第WO2006112356A1號國際專利申請案與日本第JP2006339542A號專利申請案，揭示以裸晶直接固晶在散熱電路板上以解決散熱的問題，惟，欲藉固晶達到有效散熱，除了固晶的介質必須是散熱良好的材料之外，元件的散熱面積仍是晶粒大小的接觸面積，對實際熱阻降低的影響極為有限。

鑑於此，習知具有發光二極體晶片的發光元件及製作方法仍具有改善的空間。

本發明目的，即在提供一種新型態的具有散熱基板的發光二極體晶片元件及其製作方法，藉以使得發光二極體晶片的散熱加速，並提昇發光二極體晶元件的發光表現與工作壽命。

為達上述目的，本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件，包含一散熱基板，及至少一發光二極體晶片。

該散熱基板以具有高熱傳導係數的材料構成，並具有一中心部，及一環圍該中心部的反射部，且該反射部頂面的法線與該中心部頂面的法線夾一銳角。

該發光二極體晶片一體連接該中心部頂面，具有一層直接與該中心部頂面連接的基材、一層形成在該基材上並可以光電效應產生光的發光膜，及一組與該發光膜連接並歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元。

再者，本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，包含一個晶片設置步驟、一個犧牲層形成步驟、一個散熱基板形成步驟，及一個犧牲層移除步驟。

該晶片設置步驟將一包括一基材、一形成在該基材上並可以光電效應產生光的發光膜，及一與該發光膜歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元的發光二極體晶片，以該發光膜朝向一暫時固定晶粒的支撐基板。

該犧牲層形成步驟在該支撐基板上形成一圍覆該發光二極體側周面且可被移除的犧牲層，且該犧牲層的厚度自該發光二極體晶片的頂緣向該支撐基板方向連續地遞減。

該散熱基板形成步驟以具有高熱傳導係數的材料自該發光二極體晶片基材的底面與該犧牲層表面向上形成一頂面實質平行於該基材底面的散熱基板。

該犧牲層移除步驟移除該犧牲層，製得該具有散熱基板的發光二極體晶片元件。

以下配合較佳實施例的詳細說明，將可清楚的呈現本發明前述技術內容、特點與功效，以及其它優點。另，為避免混淆，以下發明說明中不同實施例介紹中，類似的元件以相同的編號表示。

參閱圖2，本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件2的一第一較佳實施例，包含一散熱基板3，及至少一設置在該散熱基板3上的發光二極體晶片4，在本例中，僅以設置一發光二極體晶片4，且該發光二極體晶片4是一般水平導通式發光二極體晶片作說明。

該塊散熱基板3以具有高熱傳導係數的材料構成，可採用包括例如：銅、金、銀、鎳、錫、鈦、白金、鈀、鎢、鉬等單一材料或該等材料之數種組合以形成基底31，及一以同時具有高反射係數的材料構成在該基底31上以反射光的反射鏡32；就其結構而言，具有一中心部33，及一環繞該中心部33的反射部34，該發光二極體晶片4是一體連接成型在該中心部33上，該反射部34頂面的法線與中心部33頂面的法線夾一銳角θ，且頂面是反向於該散熱基板3底面凸起的平滑曲面，而可使光反射後集中正向射出。

該塊發光二極體晶片4與該散熱基板3一體連接，具有一直接與該中心部34頂面連接的基材41、一形成在該基材41上並可以光電效應產生光的發光膜42，及一與該發光膜42連接並歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元43，再更加細分，該發光膜42包括分別經過摻雜而呈n、p型相反電性的一第一披覆層421與一第二披覆層422、一位於該第一、二披覆層421、422之間並相對該第一、二披覆層421、422形成載子位障的主動層423，及一以透明且可導電的金屬氧化物，例如銦錫氧化物為材料形成在該第二披覆層422上的透明導電層424，該電極單元43具有分別設置在第一披覆層421與該透明導電層424上的電極431、432，而可分別電連接電連接線(圖未示出)對該發光膜42提供電能，進而使該發光二極體晶片4作動發光。

當透過電連接線、電極單元43的兩電極431、432對該發光二極體晶片4提供電能時，電流流通過該發光膜42而使該發光膜42以電子/電洞複合機制產生光，其中，多數向上行進的光直接出光至外界，部分非正向行進的光，則藉著散熱基板3的反射鏡32反射，並因為該反射部34頂面為平滑曲面的態樣而被反射集中後再正向射出至外界，而使得發光二極體晶片元件2有高的出光表現；同時，發光二極體晶片4作動產生光時所產生的內熱，則直接透過散熱基板3導離發光二極體晶片4本身，相較於習知的發光元件1還必須多經過一層用於黏固發光二極體晶片12的接合材13而言，是以更快、更直接有效的傳導過程將熱導離，使發光二極體晶片4能更穩定、有效的作動，進而提昇元件整體的發光表現與工作壽命。

上述本發明具有散熱基板的發光二極體晶片元件2的較佳實施例，在配合如圖3的製作方法說明後，當可更加清楚的明白。

參閱圖3，上述具有散熱基板的發光二極體晶片元件2的製作，是先進行前置晶片製作步驟51，製作至少一包括一基材41、一形成在該基材41上的發光膜42，及一與該發光膜42連接並歐姆接觸的電極單元43的發光二極體晶片4；在此要說明的是，此步驟可只製作單一或是少數的獨立的發光二極體晶片，或是以晶圓生產方式量產多數的發光二極體晶片，由於無論是製作單一、或是少數的發光二極體晶片，或是以晶圓生產方式量產多數的發光二極體晶片的實施過程均已為業界所周知，在此不再多加贅述。

配合參閱圖4，接著進行晶片設置步驟52，將該發光二極體晶片4，以該發光膜42朝向一支撐基板61地將其設置在該支撐基板61上；在此，該支撐基板61是選自一玻璃基板。

參閱圖3、圖5，然後進行犧牲層形成步驟53，以高分子聚合物，例如具感光性之光阻材料在該支撐基板61上形成一圍覆該塊發光二極體晶片4側周面且可被移除的犧牲層62，同時，利用旋轉塗佈之轉速控制該犧牲層62自該發光二極體晶片4的頂緣向該支撐基板61方向的厚度連續並成平滑凹弧面地遞減。

參閱圖3、圖6，接著進行散熱基板形成步驟54，先以同時具有高光反射率與高熱傳導係數的材料自該發光二極體晶片4基材41的底面與該犧牲層62表面向上形成該層反射鏡32(此過程以物理性鍍膜方式進行)，接著，再以具有高熱傳導率的材料自該反射鏡62向上增厚形成該層基底31(此過程以電鍍方式進行)，由該反射鏡32與該基底31構成該塊頂面實質平行於該基材41底面的散熱基板3。

最後進行犧牲層移除步驟55，蝕刻移除該犧牲層62，即製得上述具有散熱基板的發光二極體晶片元件2。

在此要補充說明的是，在散熱基板形成步驟54中，可以選用具有相對高與相對低之光反折射率的材料交錯堆疊至少二層膜體構成該反射鏡，以更進一步地提昇光反射的效果，而基底31的成型，除了電鍍(包括有電方式或無電方式)之外，其他例如真空鍍膜方式都是可以實施的選擇。

參閱圖7，本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件2’的一第二較佳實施例，是與上例相似，其不同處僅在於該發光二極體晶片4’是垂直導通式發光二極體晶片，所以在電極單元43’的結構，以及透明導電層424’是與該第一披覆層421’連接等細部結構與水平導通式發光二極體晶片不同而已，由於水平導通式發光二極體晶片或是垂直導通式發光二極體晶片均以為業界所周知，且此等晶片的結構細節並非本發明創作的重點所在，故在此不再另外多作贅述。此外，其製作方法當然與上述製作方法的說明雷同，差異僅在於前置晶片製作步驟前者是生產製作水平導通式發光二極體晶片，而本例則是生產製作垂直導通式發光二極體晶片而已，所以也不再另外重複贅述。

另外，在經過上述的充分說明後，具有本技術領域中普通知識人士，皆可簡單地設計改變例如在散熱基板3的中心部33設置複數發光二極體晶片4、4’，以更提高單一發光二極體晶片元件2的發光亮度，或是，以此等結構再變換搭配可發出不同波長範圍的發光二極體晶片4、4’時，則可以輕易製作出發出混光，特別是白光的發光二極體晶片元件2；或是合併多數分別具有單一發光二極體晶片4、4’的發光二極體晶片元件2成單一元件結構，以增強光亮度，或是製作出可以發出混光的單一元件結構，由於此等變化方式眾多，在此不再一一舉例說明。

由上述的說明可知，本發明主要是提出完整的製作方法製作一種型態與目前包含發光二極體晶片12的發光元件1不同的具有散熱基板的發光二極體晶片元件2，藉著製程上的設計，使散熱基板3與發光二極體晶片4、4’一體連接成型以徹底改善發光二極體晶片4、4’作動時的散熱問題，進而提昇元件2的出光表現與工作壽命，確實達到本發明的創作目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．發光元件

11．．．底板

111．．．凹孔

12．．．發光二極體晶片

121．．．電極

13．．．接合材

14．．．填充體

2．．．具有散熱基板的發光二極體晶片元件

3．．．散熱基板

31．．．基底

32．．．反射鏡

33．．．中心部

34．．．反射部

4．．．發光二極體晶片

41．．．基材

42．．．發光膜

421．．．第一披覆層

422．．．第二披覆層

423．．．主動層

424．．．透明導電層

43．．．電極單元

431．．．電極

2’．．．具有散熱基板的發光二極體晶片元件

4’．．．發光二極體晶片

421’．．．第一批覆層

424’．．．透明導電層

43’．．．電極單元

51．．．前置晶片製作步驟

52．．．晶片設置步驟

53．．．犧牲層形成步驟

54．．．散熱基板形成步驟

55．．．犧牲層移除步驟

61．．．支撐基板

62．．．犧牲層

圖1是一剖視示意圖，說明習知包含發光二極體晶片的發光元件；圖2是一剖視示意圖，說明本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件的一第一較佳實施例；圖3是一流程圖，說明圖2本發明具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法；圖4是一剖視示意圖，輔助說明圖3的製作方法中的一個晶片設置步驟所製得的半成品態樣；圖5是一剖視示意圖，輔助說明圖3的製作方法中的一個犧牲層形成步驟所製得的半成品態樣；圖6是一剖視示意圖，輔助說明圖3的製作方法中的一個散熱基板形成步驟所製得的半成品態樣；及圖7是一剖視示意圖，說明本發明一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件的一第一較佳實施例。

51．．．前置晶片製作步驟

52．．．晶片設置步驟

53．．．犧牲層形成步驟

54．．．散熱基板形成步驟

55．．．犧牲層移除步驟

Claims (10)

1. 一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件，包含：一散熱基板，由具有高熱傳導係數的材料構成，包括基底，其上設有平滑曲面，及具有高反射係數的材料構成並形成在該基底上的反射鏡，該反射鏡並具有一中心部，及一環繞該中心部的反射部，該反射部的的頂面是反向於該平滑曲面，且該反射部頂面的法線與該中心部頂面的法線夾一銳角；及至少一發光二極體晶片，一體連接在該中心部頂面，該發光二極體晶片具有一與該中心部頂面一體連接的基材、一形成在該基材上並可以光電效應產生光的發光膜，及一與該發光膜連接並歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元。
2. 依據申請專利範圍第1項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件，其中，該散熱基板的基底的構成材料是選自於銅、金、銀、鎳、錫、鈦、白金、鈀、鎢、鉬、或此等之組合。
3. 依據申請專利範圍第1項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件，其中，該發光膜包括分別經過摻雜而呈相反電性的一第一披覆層與一第二披覆層，及一位於該第一、二披覆層之間並相對該第一、二披覆層形成載子位障的主動層。
4. 依據申請專利範圍第3項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件，其中，該發光膜進一步包括一以透明且可 導電的金屬氧化物為材料形成在該第一披覆層上的透明導電層。
5. 依據申請專利範圍第3項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件，其中，該發光膜進一步包括一以透明且可導電的金屬氧化物為材料形成在該第二披覆層上的透明導電層。
6. 一種具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，包含：一個晶片設置步驟，將包括一基材、一形成在該基材上並可以光電效應產生光的發光膜，及一與該發光膜歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元的發光二極體晶片，以該發光膜朝向一暫時固定晶粒之支撐基板並固定之；一個犧牲層形成步驟，在該支撐基板上形成一層圍覆該發光二極體晶片側周面且可被移除的犧牲層，且該犧牲層的厚度自該發光二極體晶片的頂緣向該支撐基板方向連續地遞減；一個散熱基板形成步驟，以具有高熱傳導係數的材料自該發光二極體晶片基材的底面與該犧牲層表面向上形成一面實質平行於該基材底面的散熱基板，該散熱基板由該反射鏡與該基底構成，先以同時具有高光反射率的材料自該發光二極體晶片基材的底面，與該犧牲層表面向上形成該反射鏡，再以具有高熱傳導率的材料自該反射鏡向上增厚形成該基底；以及 一犧牲層移除步驟，移除該犧牲層，製得該具有散熱基板的發光二極體晶片元件。
7. 依據申請專利範圍第6項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，進一步包含一前置晶片製作步驟，製作至少包括一基材、一形成在該基材上並可以光電效應產生光的發光膜，及一與該發光膜連接並歐姆接觸而對該發光膜提供電能的電極單元的發光二極體晶片。
8. 依據申請專利範圍第6項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，其中，該犧牲層自該發光二極體晶片的頂緣至相對該支撐基板最薄處是向該支撐基板方向凹陷的平滑凹弧面。
9. 依據申請專利範圍第8項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，其中，該反射鏡是選自具有相對高與相對低之光反折射率的材料交錯堆疊至少二層膜體構成。
10. 依據申請專利範圍第8項所述具有散熱基板的發光二極體晶片元件的製作方法，其中，該基底是以電鍍增厚方式形成。