TWI414093B

TWI414093B - 晶圓級封裝之方法

Info

Publication number: TWI414093B
Application number: TW99106684A
Authority: TW
Inventors: Shen Bo Lin
Original assignee: Advanced Optoelectronic Tech
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2013-11-01
Also published as: TW201131825A

Description

晶圓級封裝之方法

本發明涉及一種晶圓級封裝之方法，特別是關於半導體發光元件之封裝方法。

隨著半導體發光元件之需求量日益增加，其封裝之產能需求也越來越高。因此，許多的技術被揭露出來之目的在於增加半導體發光元件封裝產能以及生產效率，例如晶圓級封裝(wafer level package, WLP)技術結合微機電系統(micro-electromechanical system, MEMS)，利用黃光(photolithography process)以及微影技術(lithography)將電路設計與晶圓切割在晶圓級完成以提高產效率以及大量製造，同時亦可以將封裝結構體積縮小，是符合現代化需求的一項技術。

然而，晶圓級封裝製程仍有需多問題須待改善。例如美國專利公開號2007/0202623之技術，其利用晶圓級封裝技術製造表面黏著(surface mount)之發光二極體封裝結構。該項先技藝利用覆晶(flip chip)的技術將發光二極體晶粒固著於封裝基板上，惟固晶的接著點(bump)之高度與大小往往不同而造成焊接不良或空銲，導致封裝元件的失效以及降低製程的良率。

為解決上述技術之缺失，有一項技術利用底部填充膠(underfill)來改善上述問題，請參照美國專利公開號2009/0230409。此項先前技藝利用毛細現象使得封裝膠滲入晶粒與封裝基板之間的空間中，但其晶粒與封裝基板之間仍然會有縫隙產生，且造成元件封裝不完成且影響長期可靠性功能。因此，現今仍需要一項新的技術以克服上述習知技藝的缺失。

鑿於上述發明背景，本發明之目的為提供一晶圓級封裝之方法，能提升晶圓與封裝基板之密合度與一致性。

本發明揭露一種晶圓級封裝之方法，包含提供一暫時基板；形成一半導體元件於該暫時基板上，其中該半導體元件包含複數個發光單元，並且每一個發光單元具有至少一正電極以及一負電極；分別形成複數個凸塊於該發光單元之該正電極以及該負電極上；形成一第一封裝層於該暫時基板上並覆蓋該半導體元件；設置一封裝基板覆蓋該封裝層，其中該封裝基板連結該複數個凸塊；移除該暫時基板；形成一第二封裝層於該半導體元件上，其中該第二封裝層與該封裝基板分別位於該半導體元件之相對兩端；以及，切割該複數個發光單元，形成複數個半導體發光元件封裝結構。

藉由上述晶圓級封裝之方法，可增加晶圓與封裝基板之密合度進而提升製程的良率。

本發明在此所探討的方向為一種晶圓級封裝之方法。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的施行並未限定於半導體封裝結構之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

下文將配合圖示與範例，詳細說明本發明提供之各個較佳實施例及技術內容。

本發明揭露一種晶圓級封裝之方法，能提升晶圓與封裝基板之密合度與一致性，其晶圓級封裝之步驟如下所述：

請參照圖1，首先提供一暫時基板10，其中暫時基板10可以為磊晶基板，例如藍寶石(Al₂ O₃ )基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰基板(LiAlO₂ )、鎵酸鋰基板(LiGaO₂ )、矽(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板(AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、砷化銦(InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板。

請參照圖2，接著形成一半導體元件11於暫時基板10上，其中半導體元件11可以利用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)形成，例如有機金屬化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)機台或是分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)。於本發明較佳的實施例中，半導體元件11更包含一p型半導體層111，至少一發光層112以及一n型半導體層113。而半導體元件11可以為III-V族化合物半導體或II-VI族化合物半導體。另外，發光層112包含一單層單異質結構、雙異質結構、單量子井層或多重量子井層結構，可以發出至少一種波長之光線。

請參照圖3，接著將半導體元件11形成複數個發光單元110，其中複數個發光單元110可以利用黃光及微影技術形成。此外每一個發光單元110具有至少一正電極114以及一負電極115，並且正電極114係電性連結p型半導體層111，而負電極115係電性連結n型半導體層113。於本發明較佳實施例中，正電極114以及負電極115是鎳(Ni)、鉻(Cr)、金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鈦(Ti)、矽(Si)或其組成的合金，並且利用蒸鍍(evoaporation)或濺鍍(sputtering)的技術以及蝕刻(etching)技術形成。

請參照圖4，接著形成複數個凸塊12a於發光單元110之正電極114上以及複數個凸塊12b於負電極115上。複數個凸塊12a與複數個凸塊12b彼此不相鄰，並且其材質包含鎳(Ni)、錫(Sn)、鉻(Cr)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、鈦(Ti)、矽(Si)或其組成的合金，可以利用鋼板印刷(stencil printing)的技術製程來形成。

請參照圖5，接著形成一第一封裝層13於暫時基板10上並覆蓋複數個發光單元110。於本發明一較佳實施例中，第一封裝層13的材質為環氧樹脂(epoxy)、矽膠(silicone)或其組合或改質的膠材，並且利用轉注成型(transfer molding)、旋轉塗佈(spin coating)或注射成型(injection molding)之手段形成。

請參照圖6，接著利用研磨工具100研磨(grinding)第一封裝層13之表面131，使得第一封裝層13之表面131形成一光滑之平面。值得說明的是，複數個凸塊12a、12b可以藉由研磨之步驟，外露出第一封裝層13之表面131並形成平整之外露面；或者，於形成第一封裝層13之步驟時，便外露出第一封裝層13之表面131，再藉由研磨之步驟形成平整之表面。

請參照圖7A，接著提供一封裝基板14固定於第一封裝層13之表面131，其中封裝基板14與暫時基板10分別位於第一封裝層13之相對兩側。封裝基板14包含一電路結構141，其由複數個第一電路結構141a以及複數個第二電路結構141b所構成。此外，複數個第一電路結構141a與複數個第二電路結構141b彼此對應且電性連結，其中複數個發光單元110之正、負電極114、115可以分別藉由複數個凸塊12a、12b以及電路結構141電性導通至封裝基板14表面之第二電路結構141b。於本發明較佳實施例中，封裝基板14可以是印刷電路板(printed circuit board, PCB)、陶瓷(ceramic)基板、矽(silicon)基板、金屬基板、氧化矽(SiO)或絕緣膠材等。再者，電路結構141則為導電材料所組成，例如銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)或其組合。

請參照圖7B，於本發明另一較佳實施例中，是利用一黏著層20將封裝基板14固定於表面131之手段。值得說明的是，黏著層20可以為異方性導電(anisotropic conductive)的薄膜(film)、膠(gel)或膏(paste)，利用熱壓轉印(thermal transfer printing)之手段形成於第一封裝層13之表面131上。值得說明的是，異方性導電的材料為導電粒子均勻的散佈在有機樹脂材料中，利用適當的壓力、溫度及時間使得有機材料開始流動而達到不同材質相互連結且能夠緊密結合連結材料，同時具有垂直電性導通而水平電性絕緣的特性。

請參照圖8，接著將暫時基板10從複數個發光單元110以及第一封裝層13之底面移除。於本發明較佳的實施例中，移除暫時基板10之手段包含了剝離技術(lift off)、蝕刻技術(etching)、切割(cutting)或研磨(grinding)。

請參照圖9A以及圖9B，接著形成一第二封裝層15於複數個發光單元110以及第一封裝層13之底面上，其中第二封裝層15與封裝基板14分別位於第一封裝層13之相對兩側。第二封裝層15之材質包含環氧樹脂、矽膠或其組合或改質的材料，可以利用轉注成型、注射成型或旋轉塗佈之手段形成。再者，第二封裝層15可以包含至少一種波長轉換單元151，其中波長轉換單元151受到發光單元110之光線激發並發出另一波長之光線。於本發明較佳的實施例中，波長轉換單元151可以為釔鋁石榴石(YAG)、鋱鋁石榴石(TAG)、矽酸鹽、氮化物、氮氧化物、磷化物、硫化物或其組合。值得說明的是，波長轉換單元151可以為粉末狀且均勻地摻雜於第二封裝層15中，如圖9A所示；或者，為層狀(layer)之波長轉換單元152且均勻地覆蓋發光單元110之底面，如圖9B所示，其中波長轉換單元152可以為薄膜(film)、貼片(patch)或螢光片(Lumiramic plate)，利用塗覆(coating)、膠(paste)或噴霧(spray)之手段形成。

請參照圖10A以及圖10B，沿著複數條切割線16切割上述結構，以形成複數個半導體發光元件封裝結構1，其中每一個半導體發光元件封裝結構1包含封裝基板14具有電路結構141、發光單元110、第一封裝層13、波長轉換單元152以及第二封裝層15。於本發明另一較佳的實施例中，第二半導體發光元件封裝結構是包含複數個發光單元所組成(圖未顯示)，以形成高功率之封裝元件。值得說明的是，電路結構141之第一電路結構141a可以分別藉由導通道17電性連結於電路結構141之第二電路結構141b，使得半導體發光元件封裝結構1形成一表面黏著元件。然而，熟知本項技藝者皆知，導通道17不僅可以設置於封裝基板14內部(如圖10B)，亦可以位於封裝基板14之側邊並露出半導體發光元件封裝結構1之外(圖未顯示)。

從本發明之手段與具有的功效中，可以得到本發明具有諸多的優點。首先，利用本發明所揭露的製程以及結構，所製作出的半導體發光元件封裝結構，不僅能有效的增加晶圓與封裝基板之密合度進而提升封裝製程的良率。再者，藉由本發明的手段亦可以縮小封裝結構厚度，以減少元件所占用之體積與縮短封裝結構之散熱路徑。

顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。

1‧‧‧半導體發光元件封裝結構

110‧‧‧發光單元

10‧‧‧暫時基板

111‧‧‧p型半導體層

11‧‧‧半導體元件

112‧‧‧發光層

12a、12b‧‧‧凸塊

113‧‧‧n型半導體層

13‧‧‧第一封裝層

114‧‧‧正電極

14‧‧‧封裝基板

115‧‧‧負電極

15‧‧‧第二封裝層

131‧‧‧表面

16‧‧‧切割線

141‧‧‧電路結構

17‧‧‧導通道

141a‧‧‧第一電路結構

20‧‧‧黏著層

141b‧‧‧第二電路結構

100‧‧‧研磨工具

151、152‧‧‧波長轉換單元

圖1至圖10A顯示本發明所揭露之晶圓級封裝方法之製程示意圖，其中圖9A和圖9B係顯示二種不同實施態樣；以及

圖10B顯示依本發明所揭露製程所獲得之一種半導體發光元件封裝結構的放大剖面示意圖。