TWI499097B - 發光二極體的封裝結構與封裝製程 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光源結構及其製作方法，且特別是有關於一種發光二極體的封裝結構以及封裝製程。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)由於具有高亮度、反應速度快、體積小、污染低、高可靠度、適合量產等優點，因此發光二極體在照明領域或是消費性電子產品的開發應用亦將越來越多，目前已將發光二極體廣泛地應用在大型看板、交通號誌燈、手機、掃描器、傳真機之光源以及照明裝置等。基於上述可知，發光二極體的發光效率以及亮度需求將會越來越受到重視，是故高亮度發光二極體的研究開發將是固態照明應用上的重要課題。
發光二極體已經在某些應用領域中取代螢光燈與白熾燈，而作為例如需求高速反應的掃描器燈源、投影裝置的燈源、液晶顯示器的背光源或前光源，汽車儀表板上的照明燈源，交通號誌的燈源以及一般照明裝置的燈源等等。相較於傳統燈管，發光二極體具有例如體積較小、使用壽命較長、驅動電壓/電流較低、結構強度較高、無汞污染以及高發光效率(節能)等顯著優勢。
圖1為一種傳統的白光發光二極體封裝結構的剖面圖。如圖1所示，在此傳統的發光二極體封裝結構100中，發光二極體晶片110接合至載具120的一凹陷122的底面122a。由發光二極體晶片110發出的部分光線152會被分布在樹脂140內的螢光粒子130轉換，而輸出白光154。然而，由於在樹脂140內由發光二極體晶片110出射的光對應於不同的出射角(如θ1、θ2)，其光路徑(如L1、L2)的長度不同，因而會產生色差現象(chromatic aberration)，如顏色偏黃(yellowish)等問題。如此一來，白光發光二極體封裝結構100的出光效果會變差，而輸出光的顏色也不均勻。
另外，習知亦提出一種發光二極體封裝結構，其具有採用晶圓級製程形成的螢光塗佈層。此螢光塗佈層共形並全面覆蓋發光二極體晶片以及載具，以輸出均勻的白光。然而，由於此種螢光塗佈層需要進行晶圓級的塗佈來形成，因而製作成本較高。
本發明提供一種發光二極體封裝結構，其可提供均勻的輸出光，且具有高輸出光效率以及低製作成本。
本發明另提供一種發光二極體封裝結構，其具有混雜螢光粒子的薄層封裝膠體，藉以改善輸出光品質。
本發明更提供一種製作上述發光二極體封裝結構的封裝製程。
在本發明之一實施例中，發光二極體封裝結構包括一載具、一發光二極體晶片、一第一封膠、至少一銲線、多個螢光粒子以及一第二封膠。發光二極體晶片配置於載具上，且發光二極體晶片具有至少一電極。第一封膠配置於載具上並且覆蓋發光二極體晶片。第一封膠具有至少一預先形成的開孔，用以暴露出所述電極的至少一部分。銲線經由所述預先形成的開孔而電性連接於電極與載具之間。螢光粒子分布於第一封膠之內。第二封膠配置於載具上並且包封發光二極體晶片、第一封膠以及銲線。
在本發明之一實施例中，發光二極體封裝製程包括下列步驟。首先，配置多個發光二極體晶片於一基板上，其中每一發光二極體晶片具有至少一電極。接著，分別形成至少一犧牲凸塊於每一發光二極體晶片的電極上。然後，形成一第一封膠於基板上，以覆蓋發光二極體晶片以及每一發光二極體晶片上的犧牲凸塊，其中第一封膠內混合多個螢光粒子。接著，從第一封膠的一頂側薄化第一封膠，以暴露每一發光二極體晶片上的至少一犧牲凸塊的一頂部。蝕刻每一發光二極體晶片上的犧牲凸塊，以在第一封膠內形成對應於犧牲凸塊位置上的開孔。開孔暴露每一發光二極體晶片的電極的至少一部分。接著，進行一單體化步驟，以分離發光二極體晶片，並得到多個發光二極體單元。然後，接合所述多個發光二極體單元中的一個至一載具，並且藉由通過開孔的至少一銲線將發光二極體單元的發光二極體晶片的電極電性連接至載具。之後，形成一第二封膠於載具上，以包封發光二極體單元以及至少一銲線。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖2為依據本發明之一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。如圖2所示，發光二極體封裝結構200包括載具210、發光二極體晶片220、第一封膠230、至少一銲線240、多個螢光粒子250以及第二封膠260。在本實施例中，載具210例如是預封型的金屬導線架，其具有凹陷212。在其他實施例中，載具210還可以是一般後封型(post-molded)的金屬導線架或線路基板，如陶瓷基板。然而，本發明並不限制載具210的型態。
發光二極體晶片220配置於載具210上。發光二極體晶片220可藉由例如打線技術(wire bonding technique)而接合並電性連接至載具210。實際上，發光二極體晶片220具有至少一電極，發光二極體晶片220與載具210之間的連接方式取決於發光二極體晶片220之電極的數量與配置。舉例而言，如本實施例的圖2所示，發光二極體晶片220具有第一電極222以及第二電極224(或甚至更多電極)共同設置於發光二極體晶片220的頂面220a上，且第一電極222以及第二電極224分別藉由第一銲線242以及第二銲線244而電性連接至載具210。然而，在另一實施例中(未繪示)，發光二極體晶片可具有：一頂電極，其藉由一銲線電性連接至載具210；以及，一底電極，附著並電性連接至載具210。
第一封膠230配置於載具210上並且覆蓋發光二極體晶片220。更具體而言，第一封膠230具有預先形成的開孔232，用以暴露出第一電極222的至少一部份以及第二電極224的至少一部份。由於開孔232是被預先形成於第一封膠230中，因此第一銲線242以及第二銲線244可分別通過各自對應的預先形成的開孔232而電性連接於第一電極222與載具210之間以及第二電極224與載具210之間。
如圖2所示，第一封膠230的頂面230a可以具有圖案或是表面形貌的變化，以增強發光二極體封裝結構200的光萃取效率(光萃取效率)。第一封膠230的材質可以是透明聚合物(transparent polymer)或是半透明聚合物(translucent polymer)，例如軟膠(soft gel)、彈性物質(elastomer)或是樹脂(resin)，其中樹脂可為環氧樹脂(epoxy resin)、矽膠(silicone)或是環氧-矽膠混合樹脂(epoxy-silicone hybrid resin)。此外，第一封膠230可以摻雜有機填充物(organic filler)或無機填充物(inorganic filler)。在此，第一封膠230內之填充物的材料可以選自二氧化矽(SiO2
)、二氧化鈦(TiO2
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化釔(Y2
O3
)、碳黑(carbon black)，燒結鑽石粉末(sintered diamond powder)、石棉(asbestos)、玻璃(glass)及其組合所組成的族群其中之一。
螢光粒子250分佈於第一封膠230內。掺有螢光粒子250的第一封膠230覆蓋發光二極體晶片220，使得發光二極體晶片230射出的光線(如藍光)可以被螢光粒子250轉換為不同顏色的光線(如綠光、黃光或紅光)。然後，不同顏色的光線被混合以產生白光。在本實施例中，除了第一電極222被暴露的部分、第二電極224被暴露的部分以及發光二極體晶片220面向載具210的底面220b以外，第一封膠230覆蓋發光二極體晶片220的其餘區域。此外，發光二極體晶片220的底面220b會與第一封膠230的底面230b共平面.
螢光粒子250的材質可以是熱致發光材料(thermal-luminescent material)或是電致發光材料(electro-luminescent material)。更具體而言，螢光粒子250的材質可以選自(YGdTb)3
(AlGa)5
O12
:Ce、(SrBaCaMg)2
SiO4:Eu、(Sr,Ba,CaMg)3
SiO5
:Eu、CaAlSiN3
:Eu、CaScO4
:Ce、Ca10
(PO4
)FCl:SbMn、M5
(PO4)3
Cl:Eu、BaBg2
Al16
O27
:Eu、Ba、Mg2
Al16
O27
:Eu、Mn、3.5MgO‧0.5MgF2
‧GeO2
:Mn、Y2
O2
S:Eu、Mg6As2
O11
:Mn、Sr4
Al14
O25
:Eu、(Zn,Cd)S:Cu、SrAl2
O4
:Eu、Ca10
(PO4
)6
ClBr:Mn、Eu、Zn2
GeO4
:Mn、Gd2
O2
S:Eu、La2
O2
S:Eu及其組合所組成的族群中的一個。其中，M為選自鍶(Sr)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鎂(Mg)或其組合所組成的族群中的一種鹼土金屬(alkali earth metal)。
第二封膠260配置於載具210上，並且包封發光二極體晶片220、第一封膠230、第一銲線242以及第二銲線244。在此，第二封膠260的材質可以是透明聚合物(transparent polymer)或是半透明聚合物(translucent polymer)，例如軟膠(soft gel)、彈性物質(elastomer)或是樹脂(resin)，其中樹脂可為環氧樹脂(epoxy resin)、矽膠(silicone)或是環氧-矽膠混合樹脂(epoxy-silicone hybrid resin)。此外，第二封膠260可以摻雜有機填充物(organic filler)或無機填充物(inorganic filler)。在此，第一封膠230內之填充物的材料可以選自二氧化矽(SiO2
)、二氧化鈦(TiO2
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化釔(Y2
O3
)、碳黑(carbon black)，燒結鑽石粉末(sintered diamond powder)、石棉(asbestos)、玻璃(glass)及其組合所組成的族群其中之一。
本實施例是採用預封型金屬導線架作為載具210來形成發光二極體封裝結構200，可被稱為塑膠引腳晶片載具(plastic leaded chip carrier,PLCC)封裝結構。其中，載具210的凹陷212填充有第二封膠260，第二封膠260的頂面260a會與載具210用以環繞凹陷212的頂面210a共平面。
然而，本發明之其他實施例更可採用不同形狀的封膠或是不同型態的載具，來形成不同型態的發光二極體封裝結構。圖3為依據本發明之另一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。如圖3所示，封膠360實質上為一凸形透鏡的形狀，以增強發光二極體封裝結構300的光萃取效率。圖4為依據本發明之又一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。如圖4所示，發光二極體封裝結構400採用陶瓷基板作為載具410。
本發明更提出製作前述發光二極體封裝結構的封裝製程。圖5為依據本發明之一實施例的一種用以製作前述圖2-4所示的發光二極體封裝結構的封裝製程的流程圖。圖6A-6H依序為圖5之發光二極體封裝製程的剖面圖。圖5與圖6A-6H所示的封裝製程為晶圓級的製程，用以形成多個發光二極體單元，並將發光二極體單元與載具進行封裝，以形成如前述實施例所示的發光二極體封裝結構200、300或400。
首先，如圖6A所示，在步驟S1中，提供基板610，並且配置多個發光二極體晶片620於基板610上。每一發光二極體晶片620具有至少一電極，例如第一電極622以及第二電極624。在此，基板610的材質可為酸溶性(acid-soluble)金屬，如金、鈀(palladium)、銅、鋁、鐵等，或是選自銅、鋁、錫、鐵及其組合所組成的族群之一的金屬合金。
然後，如圖6B所示，在步驟S2中，多個犧牲凸塊630被形成於每一發光二極體晶片620的第一電極622以及第二電極624上。每一犧牲凸塊630可以由一或多個打線凸塊或是銲球凸塊所組成。犧牲凸塊630的材質可為酸溶性金屬，如金、鈀(palladium)、銅、鋁、鐵等，或是選自銅、鋁、鐵、鎳、鉛及其組合所組成的族群之一的金屬合金。
接著，如圖6C所示，在步驟S3中，第一封膠640被形成於基板610上，以覆蓋發光二極體晶片620及其上的犧牲凸塊630。第一封膠640內摻有多個螢光粒子650。此外，第一封膠640可採點膠、印刷或是灌模等方式形成。
之後，如圖6D所示，在步驟S4中，由第一封膠640的頂側來薄化第一封膠640，以露出每一犧牲凸塊630的頂部632。第一封膠640可藉由研磨(grinding)、化學蝕刻或是切片(slicing)等方式來被薄化。在此步驟中，第一封膠640的厚度可以被精確地控制，以得到薄層的第一封膠640，而有助於提升出光品質。
然後，如圖6E所示，在步驟S5中，犧牲凸塊630被蝕刻，以在第一封膠640內留下多個開孔642。所述多個開孔642分別暴露出每一發光二極體晶片620的第一電極622或第二電極624的至少一部分。此外，基板610也可在步驟5中被移除，其中移除基板610的方法包括蝕刻、機械去除或研磨。舉例而言，當犧牲凸塊630以及基板610皆為酸溶性材質，則基板610可與犧牲凸塊630同時藉由酸蝕刻來移除。
接著，如圖6F所示，在S6中，進行單體化步驟，以分離多個發光二極體晶片620並得到多個發光二極體單元602。具體而言，可藉由刀具(未繪示)切割相鄰的兩發光二極體晶片620之間的第一封膠640。
之後，如圖6G所示，在步驟S7中，發光二極體單元602被接合至載具690，並且進行打線接合製程，以將發光二極體單元602的發光二極體晶片620接合至載具690。具體而言，發光二極體晶片620的第一電極622以及第二電極624可分別藉由通過開孔642的第一銲線662以及第二銲線664而被電性連接至載具690。
然後，如圖6H所示，在步驟S8中，第二封膠670被形成於載具690上，以包封發光二極體單元602、第一銲線662以及第二銲線664。第二封膠670可採點膠、印刷或是灌模等方式形成。舉例而言，第二封膠670可以是採用點膠或印刷方式形成如圖2A所示的第二封膠260，或是採用灌模方式形成如圖3所示的凸形透鏡形狀的封膠360。
本實施例所採用的預封型金屬導線架可具有凹陷，其內填入聚鄰苯二甲珗胺(polyphthalamide,PPA)，環氧樹脂封膠(epoxy molding compound,EMC)或液晶聚合物(liquid crystal polymer,LCP)，以作為反射物。因此，可減低光發散(light dispersion)並提升出光強度。
圖7A-7H依序為本發明之另一實施例的發光二極體封裝製程的剖面圖。本實施例的封裝製程與前述圖6A-6H所繪示的實施例類似，除了：本實施例在配置發光二極體晶片620於基板610之前，先在基板610上形成多個襯層680(步驟S0)。因此，如圖7A所示，發光二極體晶片620與基板610之間是被襯層680隔開的。此外，如圖7E所示，因為襯層680被形成於發光二極體晶片620與基板610之間，因此襯層680的底面680a會與後續形成的第一封膠640的底面640a共平面。在本實施例中，襯層680可以是金層，以使得後續形成的發光二極體單元602可以採用共晶接合技術(eutectic bonding technique)被貼附至載具690上。
圖8A-8H依序為本發明之另一實施例的發光二極體封裝製程的剖面圖。本實施例的封裝製程與前述圖6A-6H所繪示的實施例類似，除了：本實施例的步驟S5並未移除基板610。因此，圖8F所示的單一發光二極體晶片620是在步驟S6(單體化步驟)中，對基板610以及第一封膠640同時切割所得到的。此外，如圖8G所示，發光二極體單元602被接合至載具690時，兩者之間會隔著基板610。另外，如圖8F所示，由於基板610在步驟S5中被保留下來，因此在經過步驟S6(單體化步驟之後，第一封膠640的側面640b在垂直方向上會與基板610的側面610b共平面。
綜上所述，本發明是在封裝層級的製程中形成摻有螢光粒子的封膠，且封膠具有預先形成的開孔，以供電性連接發光二極體晶片至載具之用。藉由均勻分布在封膠內的螢光粒子，可以得到均勻的出光以及達到高發光效率。此外，由於摻有螢光粒子的封膠是在封裝層級的製程中形成，以覆蓋發光二極體晶片但不需覆蓋整個載具，因此可以降低發光二極體封裝結構的製作成本。另外，由於摻有螢光粒子的封膠內預先形成供發光二極體晶片電連接至載具的開孔，因此封膠的厚度可以被精確地控制，並且藉由薄化封膠的動作來得到薄層的摻有螢光粒子的封膠，而有助於提升出光品質。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．發光二極體封裝結構
110．．．發光二極體晶片
120．．．載具
122．．．載具的凹陷
122a．．．凹陷的底面
130．．．螢光粒子
140．．．樹脂
152．．．光線
154．．．白光
θ1、θ2．．．出射角
L1、L2．．．光路徑
210．．．載具
200．．．發光二極體封裝結構
210a．．．載具的頂面
212．．．載具的凹陷
220．．．發光二極體晶片
220a．．．發光二極體晶片的頂面
222．．．第一電極
220b．．．發光二極體晶片的底面
224．．．第二電極
230a．．．第一封膠的頂面
230．．．第一封膠
230b．．．第一封膠的底面
232．．．第一封膠的開孔
240．．．銲線
242．．．第一銲線
244．．．第二銲線
250．．．螢光粒子
260．．．第二封膠
260a．．．第二封膠的頂面
300．．．發光二極體封裝結構
360．．．封膠
400．．．發光二極體封裝結構
410．．．載具
602．．．發光二極體單元
610．．．基板
610b．．．基板的側面
620．．．發光二極體晶片
622．．．第一電極
624．．．第二電極
630．．．犧牲凸塊
632．．．犧牲凸塊的頂部
640．．．第一封膠
640a．．．第一封膠的底面
640b．．．第一封膠的側面
642．．．第一封膠的開孔
650．．．螢光粒子
662．．．第一銲線
664．．．第二銲線
670．．．第二封膠
680．．．襯層
680a．．．襯層的底面
690．．．載具
圖1為一種傳統的白光發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖2為依據本發明之一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖3為依據本發明之另一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖4為依據本發明之又一實施例的一種發光二極體封裝結構的剖面圖。
圖5為依據本發明之一實施例的一種用以製作圖2-4所示的發光二極體封裝結構的封裝製程的流程圖。
圖6A-6H依序為圖5之發光二極體封裝製程的剖面圖。
圖7A-7H依序為本發明之另一實施例的發光二極體封裝製程的剖面圖。
圖8A-8H依序為本發明之另一實施例的發光二極體封裝製程的剖面圖。
200．．．發光二極體封裝結構
210．．．載具
210a．．．載具的頂面
212．．．載具的凹陷
220．．．發光二極體晶片
220a．．．發光二極體晶片的頂面
220b．．．發光二極體晶片的底面
222．．．第一電極
224．．．第二電極
230a．．．第一封膠的頂面
230b．．．第一封膠的底面
232．．．第一封膠的開孔
230．．．第一封膠
240．．．銲線
242．．．第一銲線
244．．．第二銲線
250．．．螢光粒子
260．．．第二封膠
260a．．．第二封膠的頂面
Claims (14)
- 一種發光二極體封裝結構，包括：一載具；一發光二極體晶片，配置於該載具上，且該發光二極體晶片具有至少一電極；一第一封膠，配置於該載具上並且覆蓋該發光二極體晶片，該第一封膠具有至少一預先形成的開孔，用以暴露出該至少一電極的至少一部分；至少一銲線，經由該至少一預先形成的開孔而電性連接於該至少一電極與該載具之間；多個螢光粒子，分布於該第一封膠之內；以及一第二封膠，配置於該載具上並且包封該發光二極體晶片、該第一封膠以及該至少一銲線。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該第一封膠覆蓋除了該至少一電極被暴露的該部分以及該發光二極體晶片面向該載具的一底面以外的該發光二極體晶片的其餘部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，該發光二極體晶片的一底面與該第一封膠的一底面共平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括：一基板，配置於該發光二極體晶片與該載具之間，其中該第一封膠的一側面與該基板的一側面共平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括：一襯層，配置於該發光二極體晶片與該載具之間，其中該襯層的一底面與該第一封膠的一底面共平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該載具具有一凹陷，用以容置該發光二極體晶片以及該第一封膠。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體封裝結構，其中該第二封膠填入該凹陷內，且該第二封膠的一頂面與該載具的環繞該凹陷的一頂面共平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，該第二封膠的外型實質上為一凸形透鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該發光二極體晶片具有一第一電極以及一第二電極，共同設置於該發光二極體晶片的一頂面上，且該第一電極以及該第二電極分別經由一第一銲線以及一第二銲線電性連接至該載具。
- 一種發光二極體封裝製程，包括：配置多個發光二極體晶片於一基板上，其中每一發光二極體晶片具有至少一電極；分別形成至少一犧牲凸塊於每一發光二極體晶片的該至少一電極上；形成一第一封膠於該基板上，以覆蓋該些發光二極體晶片以及每一發光二極體晶片上的該至少一犧牲凸塊，其中該第一封膠內混合多個螢光粒子；從該第一封膠的一頂側來薄化該第一封膠，以暴露每一發光二極體晶片上的該至少一犧牲凸塊的一頂部；蝕刻每一發光二極體晶片上的該至少一犧牲凸塊，以在該第一封膠內形成一開孔，該開孔暴露每一發光二極體晶片的該至少一電極的至少一部分；進行一單體化步驟，以分離該些發光二極體晶片，並得到多個發光二極體單元；接合該些發光二極體單元其中之一至一載具，並且藉由通過該開孔的至少一銲線電性連接該發光二極體單元的該發光二極體晶片的該至少一電極至該載具；以及形成一第二封膠於該載具上，以包封該發光二極體單元以及該至少一銲線。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝製程，在該單體化步驟之前並且在形成該第一封膠之後，該基板是與每一發光二極體晶片上的該至少一犧牲凸塊一起經由蝕刻而被移除。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝製程，更包括：形成一襯層於每一發光二極體晶片與該基板之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝製程，其中該發光二極體單元是隔著該基板而被接合至該載具上。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝製程，其中該第一封膠或該第二封膠中的至少一個是採點膠、印刷或是灌模方式形成。
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