TWI408838B - 具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種光電半導體封裝結構，特別是指一種具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構。
現今半導體製程技術發展成熟，更進一步發展製程技術進入奈米階段，以便於積體電路可用更小體積執行相同之事務，但是製程越小且越精密下，導致積體電路之設計須比以往更加注意靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)之影響。就光電領域而言，如發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)、光偵測器、太陽能電池、光放大器及電晶體等光電半導體的產品，已廣泛應用在生活中的各個層面，然而，它們也同樣需要面對日益嚴重的靜電問題。
靜電放電是由於電路之電子元件與電子元件之間作動時，電路所累積之電荷於未達一秒的時間內釋放，因此電路即衍生出相當大的瞬間電壓，其係通常成為電子元件損壞的元兇。以發光二極體來說，由於發光二極體基本上為異質磊晶結構，容易產生晶格缺陷，導致其耐電壓能力通常只能達到400~1000伏特左右，而在製造程序或使用上，常會因為靜電放電作用而導致元件損毀，所以需要為發光二極體晶片提供靜電保護，以避免發光二極體封裝結構於作動時因為產生靜電導致發光二極體晶片損壞。
傳統發光二極體封裝結構所採用之封裝基底(Submount)，一般是由銅箔、玻璃纖維、鋁基材構成電路層/絕緣層/金屬層之結構。目前金屬層上面的絕緣層通常是用一般的塗佈方法形成絕緣漆，其厚度不易控制，電容量比較小，雖有抗靜電能力，但能力不足；而且，利用塗佈方法製作的絕緣層之平坦度也不佳，使得發光二極體封裝製程中的良率降低，導致成本的增加。
為了增加發光效能，傳統發光二極體封裝結構之封裝基底會於表面設置金屬反射層(Reflector)來增加整體亮度，然而，通常金屬加工的表面都很粗糙，要在這樣的表面上安裝發光二極體元件是不容易的，所以發光二極體封裝製程的良率會不高。或者，將反射層設計在發光二極體晶片的部份，則為了電性絕緣的需要，必須將發光二極體之正極與負極蝕刻，分離去除部分的金屬，使金屬蝕刻產生間隙，此時光就會從間隙中向下擴散，然後被封裝基底底部的矽半導體基板所吸收，沒辦法反射上去而造成部分的光的損失。
發光二極體雖然屬於冷光源，但事實上，是一個發光時會產生高熱的元件。轉換效率上，傳統白熾燈在100 W的輸出效率中，約73%轉換為紅外光輻射，20%轉變為熱，僅大約7%轉成可見光；相較之下，發光二極體擁有約20~30%可以轉換為可見光，其餘都轉換成熱。由上述可知，晶片面積如此小的發光二極體晶片，轉換效率相對大上許多，使得單位面積發熱量增加。舉例來說，一個傳統高亮度發光二極體封裝後，表面面積1 mm2
，全部的熱產生量有約1 W，那麼單位面積發熱量就有大約100 W/cm2
，不同於傳統白熾燈燈絲可耐熱超過1000℃，LED的接面溫度操作時必須低於125℃，才不至影響發光二極體操作。因此，必須加強散熱設計，使單位面積發熱量降低至20 W/cm2
以下，才能夠有效維持LED發光品質。
發光二極體接面溫度產生之熱對於放射波長的改變也有很大的影響，紅色、藍色、和綠色發光二極體在不同的接面溫度下，波長都往長波長位移，增加混光技術上的困難性，尤其是紅光影響最大。熱的影響不僅造成發光二極體亮度降低、壽命減短且放射光波長位移等嚴重問題；此外，也可能因為溫度過高，內部元件熱膨脹係數不均，導致元件間承受過大機械熱應力而受損。因此，高亮度發光二極體散熱需求變成提高其使用效率的重要條件。
在封裝結構裡，黏接LED晶片與封裝基版或外殼的黏著劑也為重要的一環，傳統LED多利用銀膠或是焊料，但其散熱性不佳。一般黏合材料多為銀膠，銀膠主要是銀顆粒導熱，熱傳導係數約為3～5W/(m‧K)依照銀含量略有不同，但是銀顆粒也會產生導熱阻隔現象，所以實際的導熱效果並不好；在使用上塗膠環境和用具，被黏物品等需充分乾燥，否則膠液易潮解引起固化不易等缺點。
利用半導體基板蝕刻技術，減少光電半導體元件下方半導體基板厚度，以一元熱傳導之熱阻公式：熱阻=熱傳導路徑厚度/(傳導係數＊熱傳導穿透之面積)，故減少半導體基板厚度，可以使降低熱阻，有效的把光電半導體元件產生的熱能導向散熱器，達到最佳散熱的目的
因此，傳統的發光二極體封裝結構並無法有效地隔離靜電放電電流、避免元件損毀、有效的將熱能導出，同時，對於提升發光二極體的發光效能也仍具有極大的改善空間。
鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，乃利用封裝基底製程改善，將光電半導體封裝製程的良率和光電半導體散熱能力予以提昇，同時，並有效提高光電半導體封裝結構的抗靜電能力與散熱能力，進而達到減少元件損毀、提高產品質量、以及降低生產成本。
本發明的另一目的在於提供一種具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，係藉由於絕緣層與電路層之間設置有反射層，同時因為半導體基板蝕刻技術，使其半導體基板產生凹槽，凹槽之斜面側壁可有效反射光電半導體產生的光，而有助於光電半導體元件之出光效率之提昇。
因此，為達上述目的，本發明所揭露之具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構，是由封裝基底和光電半導體元件所構成，而封裝基底的底部為半導體基板，並在半導體基板上方依序設有金屬層、反射層、絕緣層和電路層，光電半導體元件則安裝於絕緣層上方並與電路層達成電性連接。其中，絕緣層是藉由半導體製程所製作而成，故具有薄且平坦的特性，其厚度亦可獲得有效的控制；藉此，不但可提高光電半導體元件的封裝良率，並可提昇封裝基底之電容特性，使光電半導體封裝結構的抗靜電能力大幅提昇。同時，本發明更在絕緣層與電路層之間設有反射層，來減少光電半導體元件的光損失程度，而將光電半導體元件之發光效率予以提昇。
當然，本發明在絕緣層與光電半導體元件之間，更設有一共晶層，此共晶層主要特徵是使用低熔點合金當作接合材料，以增加導熱率提升散熱性。
為使對本發明的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：
請參照第1圖，係繪示本發明之第一實施例所提供之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構的示意圖。
根據本實施例所揭露之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，主要包含封裝基底100和安裝於封裝基底100上方之至少一光電半導體元件，本實施例是以兩個發光二極體200之光電半導體元件為代表；封裝基底100的底部為半導體基板110，且通常是矽半導體基板，如圖所示，半導體基板110上方為金屬層120，並形成反射層130於金屬層120上，再藉由一半導體製程形成薄且平坦之絕緣層140於反射層130上，並於絕緣層140上製作有電路層150，於絕緣層上更形成有一共晶層160，且共晶層160上並安裝光電半導體元件之發光二極體200，且發光二極體200與電路層150構成電性連接。
反射層130的材質為一般之反射金屬材料，譬如，銀、鎳、鋁或其化合物。而反射層130上的絕緣層140，為了增加抗靜電能力，可以是二氧化矽或氮化鋅等絕緣材料，或是高介電性(HIGH-K)材料，例如：氧化鋁、氧化銥(IrO2
)、氧化鉿(HFO2
)或氧化釓(Gd2
O3
)等稀土元素氧化物。
共晶層160係利用低熔點合金固作方式，低熔點合金，係例如：鉍、錫、銦、鈀…等金屬相互不同比例熔制，來達成低熔點的目的，使發光二極體200與半導體基板110皆由低熔點合金固作鍵合。
當然，除了上述之發光二極體200之外，光電半導體元件亦可為有機發光二極體(OLED)、雷射二極體(LD)、光偵測器、光放大器、太陽能電池、電晶體等以及其他接收光或發光之相關光電元件。
本實施例所示之發光二極體200是由透光基板210，以及形成於透光基板210上方之n型半導體層220、主動層(Active Layer)230、p型半導體層240、p型接觸層250、n型接觸層260所構成；其中，透光基板210可為藍寶石基板(Sapphire)、碳化矽(SiC)基板、三氧化二鋁(Al2
O3
)基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板，n型半導體層220則設置於透光基板210上，主動層230與n型接觸層260設置於n型半導體層220上，p型半導體層240設置於主動層230上，p型接觸層250設置於p型半導體層240上，且p型接觸層250與n型接觸層260分別與正電壓源(V+)與負電壓源(V-)連接；在正常操作下，順向偏壓施加於正電壓源與負電壓源之間，使p型半導體層240之電洞與n型半導體層220之電子可於主動層230結合而發光，並經由透光基板210發出。當有異常電壓脈衝或靜電脈衝產生時，電荷便會沿著封裝基底100上之電路層150導通放電，而不會通過發光二極體200的部份，如此可幫助發光二極體200達到靜電防護，避免元件產生損壞。
另外，本實施例中，封裝基底100上方更安裝有一變阻器(Varistor)300，其位於絕緣層140上方並電性連接於電路層150，而且和發光二極體200以串聯的方式電性連接於正電壓源與負電壓源，其具有消除異常電壓脈衝及靜電脈衝之功效，使得發光二極體200可耐較高電壓，來提供更完整的靜電放電之防護設計。
上述實施例之發光二極體200是以表面黏著元件方式進行安裝，實務上亦可為覆晶方式。請參閱第2圖及第3圖，本發明之第二實施例與第三實施例中，此二實施例皆無使用共晶層，發光二極體200皆以覆晶方式並使用錫球凸塊(solder bump)(圖中省略未示)反貼接合於封裝基底100上，且第2圖繪示發光二極體200直接接合於封裝基底100之電路層150上，其兩極(p型接觸層250與n型接觸層260)和電路層150構成電性連接，而第3圖則繪示封裝基底100之絕緣層140具有穿孔而露出底下的反射層130，而可供發光二極體200之兩極(p型接觸層250與n型接觸層260)分別和電路層150及反射層130電性連接。
除了前述三個實施例之外，本發明更可在半導體基板上增設有凹槽設計，請參閱第4圖所示之第四實施例，如圖所示，半導體基板110先利用蝕刻技術形成側邊斜面且底部平坦之凹槽112，再於半導體基板110上，由下而上依序形成金屬層120、反射層130、絕緣層140、電路層150，及共晶層160，且共晶層160上並安裝有發光二極體200，使發光二極體200置於封裝基底100所呈現出來之凹槽112內。本實施例除了凹槽112結構之外，其餘結構係與第1圖所示之第一實施例相同，詳細結構說明係可參考前述說明。
請參閱第5圖，在本發明之第五實施例中，其半導體基板110亦先利用蝕刻技術形成側邊斜面且底部平坦之凹槽112，再於半導體基板110上，由下而上依序形成金屬層120、反射層130、絕緣層140、電路層150以及絕緣層140上的發光二極體200，發光二極體200皆以覆晶方式並使用錫球凸塊(solder bump)(圖中省略未示)反貼接合於封裝基底100上且置於其所呈現出來之凹槽112內，且發光二極體200直接接合於封裝基底100之電路層150上，發光二極體200之二極，p型接觸層250與n型接觸層260，和電路層150形成電性連接。當然，本實施例除了凹槽112結構之外，其餘結構係與第2圖所示之第二實施例相同。
續請參閱第6圖，在本發明之第六實施例中，此半導體基板110亦具有側邊斜面且底部平坦之凹槽112，再於半導體基板110上，由下而上依序形成金屬層120、反射層130、絕緣層140、電路層150以及絕緣層140上的發光二極體200，發光二極體200同樣以覆晶方式並使用錫球凸塊(solder bump)(圖中省略未示)反貼接合於封裝基底100上且置於其所呈現出來之凹槽112內，且封裝基底100之絕緣層140具有穿孔而露出底下的反射層130，而可供發光二極體200之兩極，p型接觸層250與n型接觸層260，分別和電路層150及反射層130電性連接。當然，本實施例除了凹槽112結構之外，其餘結構係與第3圖所示之第三實施例相同。
根據本發明所揭露之具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構，其封裝基底係為半導體基板/金屬層/反射層/絕緣層/電路層或是半導體基板/金屬層/反射層/絕緣層/共晶層/電路層之結構，且絕緣層為半導體製程方式所製作，因此絕緣層會比較薄，也較為平坦，平坦的特性可以幫助光電半導體元件封裝製程中進行接合時的黏著力的增加，可大幅提升製程良率；而且，利用半導體製程製作的薄型絕緣層可以使電容的電容量增加，因為電容C=(εA)/d，其中d為兩個電極之間的厚度，上下層中間所夾的絕緣層如果是以半導體製程方式製成的薄膜，厚度可以有效地加以控制，大幅增加電容量，由於靜電與洩放電容有絕對的關係，洩放電容越大，抗靜電的能力也因而增加。因此，本發明具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構，係具有相當良好之抗靜電釋放能力，將可以減少元件損毀、提高產品質量、以及降低生產成本。
共晶層係使用鉍、錫、銦、鈀…等金屬相互不同比例熔製，利用這些金屬低熔點的特性，使得光電半導體與封裝基板容易鍵和；將半導體基板經由蝕刻技術形成凹槽，凹槽為側壁斜面底部平坦，減少半導體基板的厚度；再者共晶層使用低熔點金屬材質，低熔點金屬材質熱傳導係數較高加上半導體基板厚度減少，由一元熱傳導之熱阻公式：熱阻=熱傳導路徑厚度/(熱傳導係數＊熱傳導穿透之面積)[Rth=L/(k＊A)]，提高熱傳導係數與熱傳導路徑厚度減少有利於熱阻降低，使光電半導體元件產生的熱能有效傳導，達成光電半導體元件結面溫度降低的目的，降低光電半導體元件結面溫度過高對於光電半導體元件產生的波長位移、壽命減少等問題。
再者，由於一般的封裝基底之半導體基板都是以矽製作而成，矽本身是間接能隙的材料，會吸收光，若沒有反射層的輔助，使得光電半導體元件向下發出的光都被吸收，導致出光效率不佳，而本發明將半導體基板蝕刻形成凹槽，凹槽為側壁斜面底部平坦，反射層設置於封裝基底的金屬層和絕緣層之間，除了有助於提昇光電半導體元件的出光效率，也可以藉由將反射層全面設置於封裝基底中，來增加反射面積，如此，當然有勝於以往光電半導體封裝結構之發光效率。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100．．．封裝基底
110．．．半導體基板
112．．．凹槽
120．．．金屬層
130．．．反射層
140．．．絕緣層
150．．．電路層
160．．．共晶層
200．．．發光二極體
210．．．透光基板
220．．．n型半導體層
230．．．主動層
240．．．p型半導體層
250．．．p型接觸層
260．．．n型接觸層
300．．．變阻器
第1圖為本發明之第一實施例所提供之具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構的示意圖；
第2圖為本發明之第二實施例所提供之具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構的示意圖；
第3圖為本發明之第三實施例所提供之具靜電放電保護能力之光電半導體封裝結構的示意圖；
第4圖為本發明之第四實施例所提供之具凹槽設計之光電半導體封裝結構的示意圖；
第5圖為本發明之第五實施例所提供之具凹槽設計之光電半導體封裝結構的示意圖；及
第6圖為本發明之第六實施例所提供之具凹槽設計之光電半導體封裝結構的示意圖。
100．．．封裝基底
110．．．半導體基板
120．．．金屬層
130．．．反射層
140．．．絕緣層
150．．．電路層
160．．．共晶層
200．．．發光二極體
210．．．透光基板
220．．．n型半導體層
230．．．主動層
240．．．p型半導體層
250．．．p型接觸層
260．．．n型接觸層
300．．．變阻器
Claims (14)
- 一種具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，係包含有：一封裝基底(Submount)，包含有：一半導體基板；一金屬層，設置於該半導體基板上；一反射層，設置於該金屬層上；一絕緣層，係藉由一半導體製程設置於之該反射層上；及一電路層，設置於該絕緣層上；及至少一光電半導體元件，係安裝於該絕緣層上方，並與該電路層電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該半導體基板係藉由一蝕刻製程設置形成至少一凹槽。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，更包括一共晶層位於該絕緣層與該光電半導體元件之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該反射層之材質係選自銀、鎳、鋁或其化合物之群組組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該絕緣層之材質係選自二氧化矽或氮化鋅之絕緣材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該絕緣層之材質係選自氧化鋁、氧化銥(IrO2 )、氧化鉿(HFO2 )或氧化釓(Gd2 O3 )之稀土元素氧化物。
- 如申請專利範圍第3項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該共晶層之材質係選自鉍、錫、銦、鈀或其金屬之群組組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該光電半導體元件係以表面黏著元件方式或覆晶方式安裝在該絕緣層上方。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該封裝基底之該絕緣層具有至少一穿孔而露出部份該反射層，以供該光電半導體元件和該電路層及該反射層電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該光電半導體元件係為發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體(LD)、光偵測器、光放大器、太陽能電池或電晶體。
- 如申請專利範圍第10項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該發光二極體係包含：一透光基板；一n型半導體層，設置於該透光基板上；一p型半導體層，對應設置於該n型半導體層上方；一n型接觸層，設置於該n型半導體層上，且電性連接至該電路層；及一p型接觸層，設置於該p型半導體層上，且電性連接至電路層。
- 如申請專利範圍第11項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該發光二極體更包括一主動層，設置於該n型半導體層與該p型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，其中該透明基板係選自藍寶石基板(Sapphire)、碳化矽(SiC)基板、三氧化二鋁(Al2 O3 )基板、氮化鎵(GaN)基板或氮化鋁(AlN)基板之群組組合。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之具靜電放電保護能力之光電半導體散熱封裝結構，更包含一變阻器(Varistor)，安裝於該絕緣層上方並與該電路層電性連接。
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