TWI426630B - 發光晶片封裝方法及其結構 - Google Patents
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Description
本提案係關於一種晶片封裝，特別是一種用於軟板之發光晶片封裝方法及其結構。
發光二極體屬於一種半導體元件，其發光晶片之材料主要使用Ⅲ-Ⅴ族化學元素，如：磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等化合物半導體，其發光原理係將電能轉換為光，也就是對化合物半導體施加電流，透過電子與電洞的結合，將過剩的能量以光的形式釋出，而達成發光的效果。由於發光二極體是屬於冷性發光，因此發光二極體發光所產生的熱能較鎢絲燈少。
然而，以往因為發光二極體的亮度無法提升，使得發光二極體的應用範圍受到限制。因此，現在研發人員便開始研發大功率之發光二極體，以便於將發光二極體應用於各領域上，如作為路燈等需高亮度的產品上。
大功率之發光二極體雖然能提供更強之亮度，但相對來說，大功率之發光二極體也會產生大量的熱能而使燈具產生高溫。然而溫度對發光二極體的影響極大。一般來說，發光二極體的亮度與燈具的溫度成反比，換言之，燈具的溫度越高發光二極體的壽命就越短。
另外，為了讓發光二極體可以應用於各式燈具，可將發光二極體晶粒封裝於軟板上，使其可作造型上之變化。然而在硬板上製作散熱結構時，可用的製作方式較多，如機械加工，但在軟板上製作散熱結構時，若使用機械加工卻會造成軟板彎曲變形。因此，發光二極體晶粒封裝於軟板時要提供良好的散熱效果較為困難。
本提案是關於一種發光晶片封裝方法及其結構，藉以解決先前技術所存在發光二極體晶粒封裝於軟板時不易提供良好的散熱效果的問題。
一實施例所揭露之發光晶片封裝方法，其步驟包含提供一撓性基板。接著，以雷射鑽孔方式在撓性基板形成有複數個貫穿孔。接著，以電鍍填孔方式在各貫穿孔內形成有一導熱體。接著，以金屬沉積方式在撓性基板上形成有一固晶層。接著，提供一發光晶片置於固晶層；接著，以一第一溫度加熱固晶層，令發光晶片與撓性基板相互結合。接著，以一第二溫度加熱固晶層，令固晶層與導熱體相互共晶熔合。
一實施例所揭露之發光晶片封裝結構，其包括一發光晶片、一撓性基板及一固晶層。其中，撓性基板具有多個貫穿孔，各貫穿孔分別設有一導熱體。固晶層設置在撓性基板且覆蓋各貫穿孔之一端，發光晶片藉由固晶層與撓性基板相互結合，固晶層與各導熱體形成有一介金屬層，介金屬層係熱交換發光晶片之熱能，各導熱體係傳導熱能至撓性基板之另一面。
本提案之發光晶片封裝方法及其結構，發光晶片藉由固晶層與撓性基板相互結合，使得固晶層接觸於發光晶片整個底面，且固晶層與導熱體共晶熔合的介金屬層與發光晶片進行良好的熱交換，使得發光晶片所產生之熱能平均分佈在介金屬層整面，以防止熱源囤積在發光晶片處。並且，藉由複數個導熱體將介金屬層之熱能快速傳出到撓性基板的另一面。
另外，由於撓性基板本身的導熱性並不好，因此，在撓性基板上填入多個導熱體，這些導熱體分別與固晶層共晶熔合而熱接觸。如此一來，固晶層所吸收的熱會平均地傳導至各導熱體，再經由各導熱體快速地傳導至撓性基板的另一面。
以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明是用以示範與解釋本提案之原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。
請參閱「第1圖」至「第9圖」所示，「第1圖」至「第2圖」為一實施例所揭露之發光晶片封裝方法的流程示意圖，「第3圖」為覆晶式發光晶片封裝方法的流程示意圖，「第4圖」至「第9圖」為一實施例所揭露之發光晶片封裝方法的堆疊示意圖。首先，如「第1圖」所示，本提案之發光晶片封裝方法包含下列步驟：
步驟S10：提供一撓性基板；(請見「第4圖」所示)
步驟S20：以雷射鑽孔方式在撓性基板形成有複數個貫穿孔；(請見「第5圖」所示)
步驟S30：以電鍍填孔方式分別在各貫穿孔內形成有一導熱體；(請見「第6圖」所示)
步驟S40：以金屬沉積方式在撓性基板上形成有一固晶層；(請見「第7C圖」所示)
步驟S50：提供一發光晶片置於固晶層；(請見「第8圖所示」)
步驟S60：以一第一溫度加熱固晶層，令發光晶片與撓性基板相互結合；以及(請見「第8圖所示」)
步驟S70：以一第二溫度加熱固晶層，令固晶層與這些導熱體相互熔合有一介金屬層(Intermetallic Compound,IMC)。(請見「第9圖所示」)
其中，在步驟S20前，可先利用黃光微影技術在撓性基板100上形成圖案化結構，可預先預留貫穿孔110及電路的位置。
關於步驟S20，雷射鑽孔是利用雷射光束對撓性基板100進行切削去除作用，例如在撓性基板100上鑽多個貫穿孔110。由於雷射鑽孔方式具有能量集中之特點，因此在撓性基板100上可得到輸入熱量低、熱影響區窄的特性，相較於以機械鑽孔在撓性基板100加工而導致破壞變形問題，雷射鑽孔可以達到加工變形小之優點。再者，以雷射鑽孔對撓性基板100加工，具有易於控制孔徑大小及各孔之間的間距，在本提案實施例中，每一貫穿孔110的最佳直徑介於100微米至300微米，且各個貫穿孔110之間的最佳間距介於100微米至500微米。經此設計後，可使得撓性基板100在各貫穿孔110處具有良好的結構強度，以及防止撓性基板100在各貫穿孔110處產生翹曲變形的問題。
接著，步驟S30，以電鍍填孔的方式在各貫穿孔110內分別形成有導熱體200。其中，主要是利用電鍍液配方將導熱體200填充(filling)在各貫穿孔110內，在本提案實施例中，每一貫穿孔110的最佳直徑介於100微米至300微米，各貫穿孔110的最佳高度為200微米，使得銅電鍍液配方確實鍍滿整個貫穿孔110。也就是說，導熱體200固化後係以實心結構存在於貫穿孔110內，且導熱體200不會產生任何孔隙(避免熱阻增加)。本提案之導熱體200材料可以是但不侷限於銀(Ag)、銅(Cu)或鎳(Ni)等金屬材料，其中本提案係以銅作為導熱體200，並以硫酸銅(CuSO4
)作為電鍍液來將銅填實於各貫穿孔110內作一實施例說明。再者，電鍍填孔方式可以將溫度控制在攝氏30度左右，使得撓性基板100不會因為電鍍填孔的溫度的影響，而導致撓性基板100產生彎曲或變形之問題。
接著，步驟S40至S70係描述固晶層的過程。其中，步驟S40之金屬沉積方式可以是但不侷限於電鍍、化學鍍、濺鍍或蒸鍍等方式。詳言之，請同時參閱「第2圖」所示，步驟S40更包括下列步驟：
步驟S41：以金屬沉積方式在撓性基板上形成有一第一金屬薄膜層；(請見「第7A圖」所示)
步驟S42：以金屬沉積方式在該第一金屬薄膜層上形成有一封裝材料層；以及(請見「第7B圖」所示)
步驟S43：以金屬沉積方式在該發光晶片上形成有一第二金屬薄膜層。(請見「第7C圖」所示)
其中，上述之第一金屬薄膜層310與第二金屬薄膜層330的材料可以是但不侷限於銀、銅與鎳等金屬材質。
上述之封裝材料層320的材質可以是但不侷限於鉍銦(Bi-In)、鉍銦錫(Bi-In-Sn)、鉍銦錫鋅(Bi-In-SnZn)、鉍銦鋅(Bi-In-Zn)。其中，Bi-In(鉍銦)的熔點約為110℃、Bi-25In-18Sn(鉍銦錫)的熔點約為82℃，Bi-20In-30Sn-3Zn(鉍銦錫鋅)的熔點約為90℃，Bi-33In-0.5Zn(鉍銦鋅)的熔點約為110℃。
另外，如「第3圖」所示，如若發光晶片400屬於覆晶式時，則需加入步驟S44：放置一圖案化遮罩於發光晶片上。以及步驟S45：以電鍍或蒸鍍的方式在發光晶片上形成相互不導電的一第一導電區及一第二導電區。其中第一導電區電性連接發光晶片400之正極，而第二導電區電性連接發光晶片400之負極。
接著，步驟S50係將一發光晶片置於封裝材料層上，再透過步驟S60以第一溫度進行加熱。本提案之第一溫度係於攝氏80℃至110℃的條件下進行加熱，並且輔以壓力值在0.1至0.5佰萬帕，以及加熱時間0.1秒到5秒的條件下進行加熱。上述加熱時間可視固晶層300熔化情形而適當調整。
再者，第一溫度可以是等於或高於封裝材料層320的熔點溫度。舉例來說，若封裝材料層320的材質為鉍銦錫，則第一溫度可選擇為82℃以上。
其中，固晶層300熔化後，封裝材料層320會分別與第一金屬薄膜層310及第二金屬薄膜層330相結合，故使得發光晶片400結合於撓性基板100。
接著，S70係以第二溫度進行加熱。本提案之第二溫度係於攝氏150℃以上的條件下進行加熱，並且輔以壓力值在0.1至0.5佰萬帕，以及加熱時間30分鐘以上的條件下進行。如此一來，步驟S70令導熱體200與固晶層300相互共晶熔合，進而使固晶層300與導熱體200相互熔合以產生介金屬層340(Intermetallic Compound,IMC)(如「第8圖」與「第9圖」)，此介金屬層340能承受攝氏250度上之溫度，換言之，介金屬層340之熔點高於攝氏250度。故，撓性基板100與發光晶片400間的結合能更牢固，且撓性基板100與發光晶片400間的固晶材料較不會因高溫熔化而失去黏著效果，且介金屬層340能夠大幅吸收發光晶片400之熱能，並透過導熱體200將熱能傳導到撓性基板100之另一面。
而介金屬層340能夠承受攝氏250度以上的高溫可由下列圖式證明，請參閱「第10A圖」與「第10B圖」，「第10A圖」為封裝材料層的材料特性圖，「第10B圖」為介金屬層的材料特性圖。首先，上述之「第10A圖」與「第10B圖」為利用熱示差掃瞄卡量計法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)測量出來的。其中，由「第10A圖」可看出封裝材料層320的熔點約落在攝氏84.38度，而由「第10B圖」可看出介金屬層340的熔點約落在攝氏261.37度。因此，由上述兩圖可知，經由溫度變化處理後的介金屬層340，其熔點可自原本的攝氏84.38度升至後來的攝氏261.37度。故介金屬層340於高溫環境中能維持原有的黏著效果。
此外，上述步驟S60、S70之加熱方式係可採用雷射加熱、熱風加熱、紅外線加熱、熱壓接合、或超音波輔助熱壓接合。
接著，將描述藉由上述方法製作而成的發光晶片封裝結構10，請參閱「第11圖」至「第12B圖」。「第11圖」為第一實施例之發光晶片封裝結構的分解示意圖，「第12A圖」為「第11圖」之的剖面示意圖，「第12B圖」為第二實施例之發光晶片封裝結構的剖面示意圖。
本實施例之發光晶片封裝結構10包括一撓性基板100、複數個導熱體200、一固晶層300及一發光晶片400。撓性基板100包含複數個貫穿孔110。撓性基板100具有相對的一接觸面120及一散熱面130。貫穿孔110係自撓性基板100之接觸面120貫通至撓性基板100之散熱面130。其中，撓性基板100可以選用聚醯亞胺(PI)軟板、聚碳酸酯(PC)軟板或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)軟板等不導電薄膜材料。其中，貫穿孔110可以是圓孔、方孔或三角形孔，並不以此為限，本實施例是以圓孔作為說明。
這些導熱體200分別填進這些貫穿孔110，使導熱體200能夠將熱自撓性基板100之接觸面120傳導至散熱面130，並不以此為限。詳細來說，每一個導熱體200是填滿每一個貫穿孔110，如此一來，藉由多個導熱體200在撓性基板100內的結構設計，使得撓性基板100本身透過多個導熱體200而具有多個導熱路徑。其中導熱體200可以選用金、銀、銅或鎳等良導熱金屬。另外，導熱體200以實心結構設置在貫穿孔110內，使得貫穿孔110內部不會產生孔隙，防止撓性基板100在導熱路徑上產生熱阻。
固晶層300設置於撓性基板100之接觸面110，並與這些導熱體200熱接觸。其中，固晶層300在經過固晶過程後會轉變成一介金屬層340。並且，且固晶層300係均勻地以面接觸的方式與發光晶片400及撓性基板熱接觸。因此，固晶層300是扮演著熱交換器的角色，吸收發光晶片400發出之熱能之後，再將熱能擴散至每一個與固晶層300熱接觸的導熱體200。換句話說，固晶層300具有著水平導熱的功能，將吸收的熱能平均分散至各導熱體200，以達到快速散熱的效果。
發光晶片400型態可為水平式結構(Saphhire base)、垂直式結構(Thin-GaN LED)(如「第12A圖」所示)或覆晶(Flip-Chip)型態(如「第12B圖」所示)。
接著，如「第13圖」所示，「第13圖」為「第12A圖」之放大示意圖。在本實施例或其他實施例中，固晶層300可以包含一第一金屬薄膜層310、一封裝材料層320及一第二金屬薄膜層330。第一金屬薄膜層310疊設於撓性基板100之接觸面120，封裝材料層320疊設於第一金屬薄膜層310，第二金屬薄膜層330疊設於封裝材料層320。第一金屬薄膜層310與第二金屬薄膜層330之材料可以是金、銀、銅或鎳，並不以此為限。封裝材料層320之材料可以是鉍銦、鉍銦鋅、鉍銦錫或鉍銦錫鋅，並不以此為限。
其中，第一金屬薄膜層310及第二金屬薄膜層330之厚度介於0.2微米至2微米之間，而封裝材料層320之厚度介於1微米至5微米之間。
另外，更詳細來說，在經過溫度變化後，封裝材料層320會與第一金屬薄膜層310及第二金屬薄膜層330共晶熔合而產生類合金，此類合金即為介金屬層340。
接著，繼續閱讀「第13圖」，利用「第13圖」來解說熱能如何透過固晶層300及各導熱體200傳到撓性基板100之散熱面130。首先，將固晶層300劃分為與導熱體200接觸的第一熱傳區域a以及沒有與導熱體200接觸的第二熱傳區域b。詳細說來，熱能在傳導時會走熱阻最小之路徑，而導熱體200之導熱係數遠大於撓性基板100，故導熱體200之熱阻遠小於撓性基板100之熱阻。因此，固晶層300吸收到熱能後，並非將熱能垂直導向撓性基板100，再透過撓性基板100將熱能傳導至散熱面130。而是固晶層300與發光晶片400進行熱交換後，直接將熱能傳導至導熱體200。換言之，位於第一熱傳區域a之固晶層300吸收到熱能後，直接垂直將熱導向導熱體200。而位於第二熱傳區域b固晶層300吸收到熱能後，大部分的熱能先進行水平擴散以將熱能導向鄰近之導熱體200，再藉由導熱體快速將熱能傳導至撓性基板100之散熱面130，只剩下少部分的熱能係透過撓性基板100傳導至撓性基板100的散熱面130。
接著，請參閱「第14圖」與「第15圖」，「第14圖」為「第11圖」之導熱體直徑與撓性基板之導熱係數的關係圖，「第15圖」為「第9圖」之熱場分佈圖。從「第14圖」可知，撓性基板100沒有設置導熱體200時的導熱係數為0.25(瓦/米‧克耳文)，而撓性基板100有設置導熱體200時，撓性基板100之導熱係數隨著導熱體200之直徑的增加而變高，換言之，撓性基板100之導熱係數與導熱體200之直徑概成正比。其中，當導熱體200之直徑為50微米時，撓性基板整體之導熱係數為72.87(瓦/米‧克耳文)。而「第15圖」為發光晶片封裝結構10之熱場分佈圖。
本提案之發光晶片封裝方法及其結構，發光晶片藉由固晶層與撓性基板相互結合，使得固晶層接觸於發光晶片整個底面，且固晶層與導熱體共晶熔合的合金層與發光晶片進行良好的熱交換，使得發光晶片所產生之熱能平均分佈在合金層整面，以防止熱源囤積在發光晶片處。並且，藉由複數個導熱體將合金層之熱能快速傳出到撓性基板的另一面。
雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習該項技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．發光晶片封裝結構
100．．．撓性基板
110．．．貫穿孔
120．．．接觸面
130．．．散熱面
200．．．導熱體
300．．．固晶層
310．．．第一金屬薄膜層
320．．．封裝材料層
330．．．第二金屬薄膜層
340．．．介金屬層
400．．．發光晶片
「第1圖」至「第2圖」為第一實施例所揭露之發光晶片封裝方法的流程示意圖。
「第3圖」為覆晶式發光晶片封裝方法的流程示意圖。
「第4圖」至「第9圖」為一實施例所揭露之發光晶片封裝方法的堆疊示意圖。
「第10A圖」為封裝材料層的材料特性圖。
「第10B圖」為介金屬層的材料特性圖。
「第11圖」為第一實施例之發光晶片封裝結構的分解示意圖。
「第12A圖」為「第11圖」之的剖面示意圖。
「第12B圖」為第二實施例之發光晶片封裝結構的剖面示意圖。
「第13圖」為「第12A圖」之放大示意圖。
「第14圖」為「第11圖」之導熱體直徑與撓性基板之導熱係數的關係圖。
「第15圖」為「第9圖」之熱場分佈圖。
10．．．發光晶片封裝結構
100．．．撓性基板
110．．．貫穿孔
120．．．接觸面
130．．．散熱面
200．．．導熱體
300．．．固晶層
400．．．發光晶片
Claims (16)
- 一種發光晶片封裝方法，其步驟包含：提供一撓性基板；以雷射鑽孔方式在該撓性基板形成有複數個貫穿孔；以電鍍填孔方式分別在各該貫穿孔內形成有一導熱體；以金屬沉積方式在該撓性基板上形成有一固晶層；提供一發光晶片置於該固晶層；以一第一溫度加熱該固晶層，令該發光晶片與該撓性基板相互結合；以及以一第二溫度加熱該固晶層，令該固晶層與該些導熱體相互熔合有一介金屬層。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中以金屬沉積方式在該撓性基板上形成有該固晶層的步驟更包括：以金屬沉積方式在該撓性基板上形成有一第一金屬薄膜層；以金屬沉積方式在該第一金屬薄膜上形成有一封裝材料層；以及以金屬沉積方式在該發光晶片上形成有一第二金屬薄膜層。
- 如請求項2所述之發光晶片封裝方法，其中該第一金屬薄膜層與該第二金屬薄膜層之材料選自於金、銀、銅、鎳及其組合之其中之一。
- 如請求項2所述之發光晶片封裝方法，其中該封裝材料層之材料選自於鉍、銦、鋅、錫及其組合之其中一。
- 如請求項2所述之發光晶片封裝方法，其中以金屬沉積方式在該發光晶片上形成有該第二金屬薄膜層的步驟更包括：放置一圖案化遮罩於該發光晶片上；以及以電鍍或蒸鍍的方式在該發光晶片上形成相互不導電的一第一導電區及一第二導電區。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中該些導熱體之材料選自於金、銀、銅、鎳及其組合之其中之一。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中該撓性基板可為聚醯亞胺(PI)軟板、聚碳酸酯(PC)軟板或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)軟板。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中以該第一溫度加熱該固晶層的步驟更包括：以壓力值0.1至0.5佰萬帕及該第一溫度設定在80至110℃進行加熱該固晶層。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中以該第二溫度加熱該固晶層的步驟更包括：以壓力值0.1至0.5佰萬帕及該第二溫度設定在150℃以上進行加熱該固晶層。
- 如請求項1所述之發光晶片封裝方法，其中以雷射鑽孔方式在該撓性基板形成有該些貫穿孔的步驟更包括：在該撓性基板上形成一圖案化結構。
- 一種發光晶片封裝結構，其包括：一發光晶片；一撓性基板，具有多個貫穿孔，各該貫穿孔內部分別設有一導熱體；以及一固晶層，設置在該撓性基板且與各該導熱體接觸，該發光晶片藉由該固晶層與該撓性基板相互結合，該固晶層與各該導熱體形成有一介金屬層，該介金屬層與該發光晶片之熱能進行熱交換，各該導熱體係傳導熱能至該撓性基板之另一面。
- 如請求項11所述之發光晶片封裝結構，其中該些導熱體分別具有一寬度，該寬度係介於100微米至300微米之間。
- 如請求項11所述之發光晶片封裝結構，其中各該導熱體之間相距有一間距，該間距介於100微米至500微米之間。
- 如請求項11所述之發光晶片封裝結構，其中該固晶層更包括：一第一金屬薄膜層，設置在該撓性基板上；一封裝材料層，設置在該第一金屬薄膜層上；以及一第二金屬薄膜層，一面設置在該發光晶片上，另一面設置在該封裝材料層上。
- 如請求項14所述之發光晶片封裝結構，其中該第一金屬薄膜層及該第二金屬薄膜層各具有一厚度，該些厚度介於0.2微米至2微米之間。
- 如請求項14所述之發光晶片封裝結構，其中該封裝材料層具有一厚度，該厚度介於1微米至5微米之間。
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