TWI463701B - 用於覆晶發光二極體的底部填充處理 - Google Patents

用於覆晶發光二極體的底部填充處理 Download PDF

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Description

用於覆晶發光二極體的底部填充處理
本發明係關於覆晶發光二極體(LED)，且更特定言之，係用於在該LED晶片與其子基板之間的間隙中供應一介電底部填充材料之一程序。
先前技術之圖1解說覆晶黏著在一子基板晶圓22之一部分上的一習知LED 10。在一覆晶中，在與生長基板12側相對之LED晶粒之相同側上形成n與p接點兩者。
在圖1中，LED 10係由半導體磊晶層形成，其包括生長在一生長基板(例如一藍寶石基板)12上之一n型層、一主動層及一p型層。在一範例中，該等磊晶層係以GaN為主，且該主動層發射藍光。任何其他類型的覆晶LED亦可應用於本發明。
在電接觸該p型層之LED 10上形成金屬電極14，且在電接觸該n型層之LED 10上形成金屬電極16。在一範例中，該等電極係採用超聲波方法熔接至一陶瓷子基板晶圓22上之陽極與陰極金屬觸點18與20上之金凸塊。子基板晶圓22具有導電通孔24，其導致用於接合至一印刷電路板之底部金屬觸點26及28。在子基板晶圓22上黏著許多LED且稍後將其單化切割以形成個別LED/子基板。
LED之進一步細節可在本受讓人之美國專利第6,649,440號及6,274,399號、及美國專利公開案US 2006/0281203 A1及2005/0269582 A1中找到，該等專利均以引用的方式併入本文中。
接著在該LED 10下方及其周圍注入一底部填充材料30以填充LED 10與子基板晶圓22之間的氣隙。底部填充材料30通常係液體環氧樹脂，其隨後經固化以硬化。該硬化之底部填充提供結構支撐並保護該晶片免遭污染。藉由圍繞LED 10移動之一噴嘴32注入底部填充材料30，同時在一相對高之壓力下注入該底部填充材料30以填充LED 10與子基板晶圓22之間的窄間隙。相比於實際裝置中之圖中所示，該底部填充可在橫向上進一步延伸。
藉由微珠噴擊可移除LED 10/基板12之頂部或周圍的任何多餘底部填充材料30(例如環氧樹脂)。
在固化及微珠噴擊底部填充材料30後，接著使用一雷射剝離程序(未顯示)移除生長基板12。選擇該雷射(例如一準分子雷射)之光子能量為在LED材料之帶隙之上且在藍寶石基板之吸收邊緣之下(例如在3.44eV與6eV之間)。在LED材料之第一100nm內，將自該雷射通過該藍寶石之脈衝轉換成熱能。所產生之溫度超過1000℃且解離成鎵與氮。所得高氣壓將基板從磊晶層推開以自該等層釋放該基板，且接著自該LED結構簡單移除該鬆開的基板。該底部填充輔助該等薄LED層在高壓下免於遭到破壞。
實際上可藉由蝕刻(例如反應性離子蝕刻(RIE))或研磨移除生長基板12。根據LED及基板類型亦可使用其他技術。在一範例中，該基板係以Si為主且藉由一濕式蝕刻技術蝕刻基板與LED層之間的一絕緣材料以移除該基板。
在任何其他晶圓級程序後，接著鋸開或劃線並斷開子基板晶圓22以單化切割該等LED/子基板。接著可將該等子基板焊接至一印刷電路板。
先前技術之底部填充技術之問題包括下列問題。
提供一精確量之底部填充材料以僅填充該等薄LED層下方及其周圍很難且耗時。在單化切割該等LED之前，在黏著在一子基板晶圓上之LED之一陣列上依序實行底部填充處理。根據各LED之大小及密度，一單一子基板晶圓上可能黏著有500至4000個LED。根據LED之數量，使用一單一移動噴嘴在該陣列中之每一LED下方注入底部填充材料可能要花10至40分鐘。
另一問題係，針對適當黏度、熱膨脹、在LED之整個壽命期間的可靠性、介電性能、熱導電性、防止污染及其他因素，必須仔細選擇該底部填充材料之特性。若黏度太高，則在LED下方注入底部填充以填充所有空隙所需之壓力可能損害該LED。由於當LED/子基板變熱時任何空氣皆會膨脹且會將該LED從子基板推開，因此必須消除空隙。此外，由於在雷射剝離程序期間一空隙區域不支撐該LED，因此在該雷射剝離程序期間，在該LED上之向下應力可破壞該LED。
由於當將一經單化切割的LED/子基板焊接至一印刷電路時，該等LED經歷一焊料回流程序，因此該底部填充之熱膨脹極其重要。此等溫度可為265℃。該焊料回流溫度在為典型底部填充材料的環氧樹脂之典型玻璃轉化溫度185℃之上。由於其與環氧樹脂有關，因此該玻璃轉化溫度(Tg )係環氧樹脂變軟的溫度。在該玻璃轉化溫度之上，該環氧樹脂熱膨脹顯著上升，導致在LED上之向上壓力，從而導致破壞或剝離該LED。
需要避免以上所提及問題及材料限制之用於底部填充一LED之一改良技術。
說明用於LED之一底部填充技術，其中使用壓縮模製。在任何基板剝離程序之前實行該程序。在一鑄模中放置黏著在一子基板晶圓上之LED。至少圍繞該子基板晶圓之周邊密封該鑄模且在該鑄模內建立一真空。該鑄模可為具有與該子基板晶圓上之每一個LED對準之分離空腔的鋁。在一具體實施例中，存在互連每一空腔至一真空源及至至少一液體材料入口的流道。
接著，在壓力下將任何適當的底部填充材料(例如一液體聚醯亞胺)施加至該鑄模之入口，且該真空與該液態材料壓力之組合導致該材料完全填充其中定位該等LED之鑄模中的空腔。一旦該材料已填充該鑄模，則無空隙。
每一鑄模空腔之尺寸導致該液體材料連同其生長基板完全囊封每一LED。
接著，藉由熱或UV光固化該液體材料以硬化該底部填充材料，且自該子基板晶圓釋放該鑄模。在釋放該鑄模後，可實行一更高溫度的後固化。
在另一具體實施例中，該液體底部填充材料可首先填充 具有一周邊凸起密封件之鑄模，且接著在該鑄模上放置子基板晶圓使得該等LED浸泡在該底部填充材料中。在壓縮後，該液體材料填充每一LED底部之所有空隙。透過該等密封件將空氣連同一特定量之底部填充材料推出。接著固化該材料，且該鑄模從子基板晶圓釋放。由於此一模製程序並不依賴於在該鑄模之一入口處在壓力下之液體材料之注入，因此極少有可能損害易碎的LED。
在另一具體實施例中，用於填充該鑄模之底部填充材料並非液體而係粉末或小塊。接著在該鑄模中加熱該固體材料以將其熔融或軟化，使得其可符合該鑄模之形狀並囊封該等LED。壓縮係用於模製該軟化之材料且使其流入至每一LED底部的空隙中。將該底部材料作為一固體處置具有各種優點。使用一初始固體底部填充材料之此壓縮模製極大地增加可能的底部填充材料之數量。可用於此程序之材料之一者係一環氧樹脂模製化合物之粉末。
在自該鑄模移除子基板晶圓後，使整個子基板晶圓經受一微珠噴擊程序以蝕刻掉該底部填充材料直至生長基板全部曝露。接著使用一雷射剝離程序或其他適當的程序移除該基板。在此程序期間，該底部填充支撐該薄LED。
在已移除該生長基板後，可將該LED薄化以改良光擷取。接著可將該LED之表面粗糙化以藉由減少內部反射之數量進一步改良光擷取。
接著可在該等LED上模製透鏡及/或可實行其他晶圓級處理技術。
接著使用鋸開、劃線及斷開或任何其他技術單化切割該等LED/子基板。
藉由使用以上之方法，由於可容許一範圍寬泛得多之黏度，更寬泛之各種材料可用於該底部填充。當使用先前技術之噴嘴時，該材料僅可具有一窄範圍之黏度。可用於本程序之一較佳底部填充材料係聚醯亞胺，其具有接近焊料回流溫度或在其之上之一玻璃轉化溫度，使得在最差情形條件下，存在該聚醯亞胺之一極小熱膨脹。
此外，由於在相同時間底部填充在該子基板晶圓上之所有LED(例如500至4000個LED)，因此可將該填充處理時間縮短至僅幾分鐘。
如前述，一習知LED係形成在一生長基板上。在所使用的範例中，該LED係用於產生藍色光之以GaN為主之一LED(諸如AlInGaN或InGaN發光二極體)。通常，一相對較厚的n型GaN層係使用習知技術生長於一藍寶石成長基板上。該相對較厚的GaN層通常包括一低溫成核層及一或多個額外層，以提供用於n型被覆層及主動層之一低缺陷晶格結構。接著在厚n型層上形成一或多個n型被覆層，繼之為一主動層、一或多個p型被覆層及一p型接觸層(用於金屬化)。
對於一覆晶，蝕刻掉p型層及主動層之部分以曝露用於金屬化之一n型層。以此方法，p型接點及n型接點係在晶片的相同側且可直接電附接至子基板接觸墊。來自n型 金屬接點之電流初始橫向流經n型層。
可用於本發明中之其他類型的LED包括AlInGaP發光二極體，其可產生在紅色至黃色範圍內的光。
用作本發明中之一範例的覆晶LED係圖1之LED結構，其包括一半導體LED 10、其生長基板12，及其電極14/16，其中該LED係黏著在一子基板晶圓22上。
圖2係其上黏著LED之一陣列的一子基板晶圓22之一簡化示意圖。在一單一子基板晶圓22上可存在500至4000個LED。在本文中，LED亦可稱為LED晶粒。
實行一晶圓級模製程序替代在每一LED之底部定位一噴嘴用於在該陣列之各LED下方注入一底部填充材料。
圖3A解說用於建立用於每一LED之底部填充的適當的注入模製程序之一類型。一鑄模36具有定義在該模製程序後之硬化的底部填充材料之形狀的空腔38。鑄模36可由鋁形成。鑄模36具有一周邊密封件37，當將鑄模36與晶圓22對準且壓抵住晶圓22時，其密封於子基板晶圓22。
鑄模36具有用於注入液體底部填充材料41(例如聚醯亞腔)之至少一入口40及連接至一真空源之至少一出口42。一旦將鑄模36密封於晶圓22，在鑄模36內建立一真空，且透過入口40注入底部填充材料41。借助於該真空及材料41之注入壓力，底部填充材料41經由空腔38之間的通道44流入至所有空腔38中。該真空幾乎移除鑄模36中的所有空氣。最終，整個鑄模36將填滿底部填充材料，包括該等LED底部的空隙。
接著加熱鑄模36以固化該液體底部填充材料。在固化期間，鑄模36之溫度為大約150℃。或者，可使用一透明鑄模且可用UV光固化該底部填充材料。
圖3B解說一替代性晶圓級模製程序，其未使用底部填充材料之壓力注入。在圖3B中，鑄模48具有在大氣壓力下首先填充液體底部填充材料41之空腔50。將子基板晶圓22與鑄模48靠在一起，使得該等LED浸泡在每一空腔50中之底部填充材料中。將晶圓22與鑄模48壓合在一起以迫使該底部填充材料填充所有空隙。一周邊密封件53允許壓力很高同時允許當底部填充材料填充該等空隙時所有空氣逃逸。亦可使用密封件53周圍的真空源在晶圓22與鑄模48之間推入一真空。
接著加熱該鑄模48以固化液體填充材料。或者，可使用一透明鑄模且可用UV光固化該底部填充材料。
接著自晶圓22移除圖3A或3B之鑄模，導致圖4之結構，其具有囊封每一LED之多餘的硬化之底部填充材料54。根據該鑄模，在每一LED之間的晶圓22表面上亦可存在硬化底部填充材料之一薄層。
接著可使晶圓22經受大約250℃之一後固化溫度以額外硬化該底部填充材料。對於一環氧樹脂模製化合物或一聚醯亞胺底部填充，其玻璃轉換溫度(Tg)係在260至300℃之間，因此小於該Tg之一後固化溫度係較佳以限制該底部填充之任何熱膨脹。
在另一具體實施例中，用於填充該鑄模之底部填充材料並非液體而係粉末或小片。接著在圖3A或圖3B之鑄模中加熱固體材料以將其熔融或軟化。壓縮係用於致使軟化之材料採用鑄模之形式且在囊封該等LED的同時填充該等LED底部的空隙。需要時，接著固化或冷卻該熔融或軟化之材料，以使其再次變成固體。在該加熱及壓縮程序後，一些材料自動硬化。將該底部填充材料作為固體處置具有各種優點。此外，可用於一底部填充之某些適當的材料在固化前，在室溫下並非液體，因此，在鑄模中加熱一固體材料隨後壓縮極大地增加可用作一底部填充之可能的材料的數量。可使用之一適當的固體聚合物係粉末形式之一環氧樹脂模製化合物。
為實行一雷射剝離程序以移除生長基板12，首先必須移除生長基板12上之底部填充材料54。若將藉由研磨或其他機械蝕刻程序移除生長基板12，則此研磨可同時用於移除多餘的底部填充材料54。
圖5解說藉由使用高黏度微珠58噴擊晶圓22之整個表面的剩餘底部填充材料54之移除。在一具體實施例中，微珠58具有在1微米至20微米之間的直徑且由NaHCO3 形成。在大約100psi或更少之一壓力下藉由空氣透過一噴嘴加速該等微珠58。該噴嘴可較大以自晶圓22之所有或一較大部分蝕刻底部填充材料54而無需移動噴嘴，或可使用一較小噴嘴以一次僅蝕刻掉幾個LED之底部填充材料，隨後，該噴嘴移動至晶圓22上之下一位置。使用微珠移除任何一種剩餘材料係一已知程序。蝕刻底部填充材料54使得其頂部表面與LED半導體層之一邊緣相交，從而確保在基板雷射剝離程序期間，藉由該底部填充支撐整個LED。
圖6解說先前所述之雷射剝離程序。藉由箭頭60顯示雷射脈衝。在該雷射提起期間，GaN之表面吸收熱，導致該表面層分解成Ga與N2 。該N2 壓力將藍寶石基板自LED推開。在於剝離程序期間生長基板12與半導體LED層分離後，可藉由(例如)一黏性薄片或一些其他適當的程序將其移除。
接著藉由(例如)RIE或一機械蝕刻將該等曝露之LED層薄化，此係由於該曝露之頂層係一相對薄之n型層，且已藉由該雷射剝離程序將該表面破壞。接著可將所得頂部表面粗糙化以增加光擷取之效能。
亦可在同時黏著在子基板晶圓22上之該LED陣列上實行其他晶圓級程序。在類似於圖3A或3B中所示之一單一鑄模程序中，此一程序可用於重疊模壓每一LED上之一透鏡。一晶圓級透鏡模製程序之細節係描述於由Grigoriy Basin等人所著之標題「LED晶粒上之重疊模壓透鏡(Overmolded Lens Over LED Die)」的美國專利公開案第2006/0105485號，該案受讓於本受讓人且以引用的方式併入本文中。
接著單化切割子基板晶圓22以形成個別LED/子基板。圖7解說焊接至一印刷電路板64上之焊墊的一單一LED/子基板。
由於存在當使用本文中所述之底部填充模製程序時適合的液體底部填充材料之較大黏度範圍，因此實質上可獨立於其黏度選擇該底部填充材料。主要基於介電底部填充材料之熱膨脹係數、使用便利性及在該LED所承受之所有溫度下的可靠性選擇該介電底部填充材料。聚醯亞胺係一較佳底部填充材料，其具有比環氧樹脂好得多的品質。
儘管已經顯示及描述本發明之特定具體實施例，熟習此項技術人士將明瞭可在未脫離本發明最廣義方面下進改變及修改，且因此隨附申請專利範圍係在其範疇內包含所有落入本發明真實精神及範疇內之所有此等變化及修改。
10．．．LED晶粒
12．．．LED晶粒/生長基板
14．．．金屬電極
16．．．金屬電極
18．．．金屬觸點
20．．．金屬觸點
22．．．子基板晶圓
24．．．導電通孔
26．．．金屬觸點
28．．．金屬觸點
30．．．底部填充材料
32．．．噴嘴
36．．．鑄模
37．．．周邊密封件
38．．．空腔
40．．．入口
41．．．底部填充材料
42．．．出口
44．．．通道
48．．．鑄模
50．．．空腔/鑄模/鑄模空腔
53．．．周邊密封件
54．．．底部填充材料
58．．．微珠
60．．．雷射脈衝
64．．．印刷電路板
圖1係黏著在一子基板上之一先前技術覆晶LED之一斷面圖，其中在該LED之基底處藉由一小噴嘴在壓力下分配該LED底部填充材料；
圖2解說藉由LED之一陣列(例如500至4000個陣列)佔據的一子基板晶圓之一簡化部分；
圖3A解說用於使用一底部填充材料囊封該子基板晶圓上之所有LED的一晶圓級注入模製程序；
圖3B解說用於使用一底部填充材料囊封該子基板晶圓上之所有LED而未使用注入之一晶圓級模製程序之一替代類型；
圖4解說在自圖3A或圖3B之鑄模移除後的晶圓上之LED；
圖5解說藉由微珠噴擊移除之圖4之底部填充材料之較高部分；
圖6解說用於自該等LED移除生長基板之一雷射剝離技術；及
圖7係在已薄化LED後且在已單化切割該等LED/子基板後黏著在一子基板上之一單一LED之一斷面圖。所示子基板係焊接至一印刷電路板。
相同或等效元件係使用相同數字表示。
10．．．LED晶粒
12．．．LED晶粒/生長基板
22．．．子基板晶圓
36．．．鑄模
37．．．周邊密封件
38．．．空腔
40．．．入口
41．．．底部填充材料
42．．．出口
44．．．通道

Claims (12)

  1. 一種用於製造一發光裝置之方法，其包括：在一子基板(submount)(22)上提供一覆晶(flip-chip)發光二極體(LED)晶粒(10、12)，在該LED晶粒與該子基板之間存在一間隙(gap)，該LED晶粒具有面朝該子基板之一底部表面及相對於該底部表面之一頂部表面；在該LED晶粒上模製(molding)一底部填充(underfill)材料(41、54)，使得該底部填充材料囊封該LED晶粒且實質上完全填充該LED晶粒與該子基板之間的該間隙，其中該LED晶粒包含生長於一生長基板(growth substrate)(12)上的磊晶(epitaxial)層(10)，其中該底部填充材料形成於該生長基板的一頂部表面上(over)及該生長基板的側面上；從該生長基板的該頂部表面上及從生長基板的該等側面之至少一部分上移除該底部填充材料(54)，以使該基板可被移除；及在移除該底部填充材料(54)之步驟後，藉由一雷射剝離(lift-off)技術(60)移除該生長基板(12)。
  2. 如請求項1之方法，其中移除該底部填充材料(54)包括使用微珠噴擊(58)移除該底部填充材料。
  3. 如請求項1之方法，其中移除該底部填充材料(54)包括藉由蝕刻移除該底部填充材料。
  4. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒(10、12)上模製該底部填充材料(41、54)包括： 在一鑄模(50)中提供一固體底部填充材料；加熱該鑄模以熔融或軟化該底部填充材料；相對於該鑄模在該子基板(22)上定位該LED晶粒(10、12)以壓縮該熔融或軟化之底部填充材料並囊封該LED晶粒；及冷卻該底部填充材料。
  5. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒(10、12)上模製該底部填充材料(41、54)包括：相對於一鑄模(36)，在該子基板(22)上定位該LED晶粒(10、12)。建立介於該子基板(22)與一鑄模空腔(38)之間的一實質真空；在壓力下使用一液體底部填充材料(41)填充該鑄模空腔以囊封該LED晶粒；及固化該底部填充材料。
  6. 如請求項1之方法，其中在該LED晶粒(10、12)上模製該底部填充材料(41、54)包括：使用一軟化之底部填充材料(41)填充一鑄模空腔(50)；將該LED晶粒浸泡至該軟化之底部填充材料中；及固化該底部填充材料。
  7. 如請求項1之方法，其中在一子基板(22)上提供一覆晶LED晶粒(10、12)包括：在一子基板晶圓(22)上提供複數個LED晶粒，該子基板晶圓具有接合至該複數個LED晶 粒之對應電極(14、16)之電極(18、20)，每一LED晶粒具有在該LED晶粒與該子基板晶圓之間的一間隙，且其中在所有該等LED晶粒上同時實行模製該底部填充材料(41、54)之該步驟。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包括在移除該底部填充材料(54)之該步驟後，單化切割該子基板晶圓(22)以分離黏著在其各別子基板部分上之LED晶粒(10)。
  9. 如請求項1之方法，其中該底部填充材料(41、54)係一聚合物。
  10. 如請求項1之方法，其中該底部填充材料(41、54)係一環氧樹脂模製化合物。
  11. 如請求項1之方法，其中該LED晶粒(10、12)包括生長在一生長基板(12)上之磊晶層(10)，其中該生長基板之一表面係該LED晶粒之該頂部表面，其中移除該底部填充材料(54)包括移除該底部填充材料以完全曝露該生長基板之所有側表面。
  12. 一種發光裝置，其包括：一覆晶發光二極體(LED)晶粒(10、12)；一子基板(22)，該LED晶粒安裝於其上，在該LED晶粒與該子基板之間存在一間隙；及一模製底部填充(54)，其係在該LED晶粒與該子基板之間，其中該LED晶粒包含磊晶層(10)，其生長於一生長基板(12)上，其中該模製底部填充囊封該LED晶粒且被蝕 刻以使該生長基板暴露，及在蝕刻該模製底部填充之後，該生長基板自該等磊晶層被移除。
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