TWI500190B - Ｌｅｄ用晶圓及其製造方法 - Google Patents

Description

LED用晶圓及其製造方法

本發明係關於可保持做為半導體元件的LED且具有防止其蓄熱效果的一種LED用晶圓及其製造方法。

在半導體裝置中，例如LED(發光二極體)、半導體積體電路等，由於近年來電路的高密度化及資料的高輸出化，因此對於散熱的需求也相對提高，故在晶圓要求良好之高散熱性能的同時，也傾向於要求晶圓達到細緻化、纖細化以及具有相應的耐腐蝕性、耐衝擊性等。除高散熱性的要求外，能維持與LED等接觸的不變形穩定性及低熱膨脹率也同樣被重視。在習知技術中係將藍寶石基板做為LED用晶圓使用，但近來在熱傳導性、耐衝擊性方面實際上已不敷使用。

在半導體元件是LED的情況下，當LED組裝至藍寶石基板上時，LED因其設置接觸面的阻抗關係導致發光部所發出的熱容易留存在與藍寶石基板之間，大多數的半導體元件會因前述的蓄熱造成其運作效能低下，以LED元件為例，除了其輝度衰减外也會導致藍寶石基板破損的發生，因此，為了避免前述問題一般在組裝的接觸面部分係使用熱接觸阻抗低、具良好導熱性及强度的金屬製的散熱基板(晶圓)，例如銅、鉬、鎢、鈦等金屬的金屬晶圓。 同時，在習知中以鉬(Mo)夾設銅(Cu，Cu)鍍層的夾層結構(又稱“DMD”)具有良好的散熱效果。然而，這些金屬在耐腐蝕性、耐藥性以及與LED的導熱接觸性等方面仍存在其他問題。

一般而言，對晶圓所要求的性質及性能，不外乎以具有良好的導熱性為主，在要求導熱性的同時，理所當也要求在設置LED時具有低熱接觸電阻，並具備不變形、翹曲的穩定性及高的機械强度、機械加工性。另外，也要求晶圓必須能適用於設置的黏合、焊接等，同樣地也要求需具有良好的耐藥性。這些性質在習知技術中透過多種金屬材料(覆蓋材料)的疊層結合被廣泛地進行開發，而前述多層構造的方法中，習知技術多使用將覆蓋材料壓著重合的壓延法或者式單軸熱加工法，然而這些方式仍存在其他問題，例如壓延法難以獲得均一的疊層厚度。

為解決上述問題，本發明的申請人係提出了以下方案(參照專利文獻1，日本專利特開第2012-109288號公報)：以芯材為中心在上下方將鍍層對稱地疊層，其中以較具柔軟性且可做為反射面的鍍Au層做為前述上下方的鍍層，從而成功解決了上述問題。

在上述習知的LED用晶圓中，因為晶圓的上下方係設置有鍍Au層，故可得到具彈性、反射性等功效，且同時可做為半導體接合面的保護面，但是在半導體接合時，由 於需施加約300℃的溫度，在高熱影響到接合面其相反側的下表面之下，下表面將與晶片的Ni、Cu等鍍層進行合金化，導致切割製程中產生問題。

在經過各種實驗後，得知即使晶圓下方的鍍層為AuSn等合金鍍層時，也會因接合時的熱使其自身的合金狀態發生變化，前述的現象對於使用者在使用時會產生不良的影響。

有鑒於上述課題，本發明之目的在於提供一種LED用晶圓及其製造方法，其係可讓金屬層均勻且渾然一體地成型，同時疊層間不會產生剝離現象，此外，由於與LED的熱接觸阻抗極小的緣故，除了能使用可保持穩定散熱性及機械强度的電鍍方法外，亦可防止與半導體接合時產生的高熱對接觸面相反的下表面造成不良的影響。

為解決上述課題，本發明的第一發明係提供一種LED用晶圓，其特徵在於：以薄板狀的芯材為中心上下對稱地分別在芯材的上方側與下方側形成有第一鍍Au層與第二鍍Au層，芯材係由Mo所構成，在芯材和第一鍍Au層之間與芯材和第二鍍Au層之間分別介入形成有第一複合襯層與第二複合襯層，第一複合襯層與第二複合襯層係用以填入及維持芯材和第一鍍Au層之間與芯材和第二鍍Au層之間的間隙並至少由鍍Cu層所構成，在設置有LED之芯材上方側的第一鍍Au層上形成有連接鍍層，芯材下方側的第二鍍Au層其下表面係為露出面，連接鍍層係由AuSn合金、Au/Sn疊層以及In層的其中之一所形成。

本發明的第二發明提供一種LED用晶圓的製造方法，其係包含下列步驟：在由Mo構成之芯材的上方側與下方側分別形成夾層狀的第一複合襯層與第二複合襯層、分別在第一複合襯層的上方側與第二複合襯層的下方側形成第一鍍Au層與第二鍍Au層以及分別在第一鍍Au層的上方側與第二鍍Au層的下方側形成第一連接鍍層與第二連接鍍層。第一複合襯層與第二複合襯層係由Ni或Ni合金的第一鍍Ni層與第二鍍Ni層夾持鍍Cu層所形成，第一連接鍍層與第二連接鍍層係由AuSn合金、Au/Sn疊層以及In層的其中之一所形成。其中，對於第二複合襯層其下方側的第二鍍Au層，透過切削第二連接鍍層使第二鍍Au層露出，對於第一複合襯層其上方側的第一鍍Au層，第一鍍Au層之上方側的第一連接鍍層係保留做為與LED連接的連接鍍層。

根據上述構成，不僅鍍層間具有良好的導熱性，同時在Mo芯材的上下方具有鍍Cu層，透過Cu(導熱率420W/(m.k))夾設Mo以形成所謂的“DMD”結構，另外由於鍍Cu層的上方形成有具良好柔軟性、反射性、保濕性的AuSn合金、Au/Sn疊層、In層中任一種的鍍層，因此即使不另外使用黏著劑也可直接緊密黏合LED，使熱傳導的接觸阻抗變得極小。

有關於此，當晶圓的上方是設置AuSn合金、Au/Sn疊層、In層中任一種的連接鍍層時，因無需為了LED的黏合在後續製程(客戶方)中額外透過濺射製程(乾式電 鍍)附加AuSn等，所以就節省製程成本來看對客戶是有益的。

另外，若鍍Au層的上方是AuSn合金、Au/Sn疊層、In層中任一種的連接鍍層時，其係具有高熔點的優點。換句話說，當連接鍍層中Au：Sn為8：2時，熔點為280℃，再與下方的鍍Au層混合，因為Au的含有比率增加，可提升熔點至300℃。即使是選用熔點為156℃的In做為連接鍍層，透過與下方的鍍Au層混合，同樣也能將熔點提升至300℃，從而可防止LED因安裝時的再溶解所產生的不穩定。

與晶圓下方設置AuSn等鍍層不同的是，在將LED接合時使用者不會因中間產生的高熱造成晶圓的狀態變化，因而不會對整體製程產生影響。亦即，若晶圓的下方是AuSn等鍍層時，將導致LED在接合時發生熔融，使外觀變得不均勻，或者是與鍍Au層進行合金化，從而對切割製程造成不良的影響。又，若晶圓下方是形成合金鍍層，容易因持續氧化的關係使得合金化現象變得更嚴重。

若晶圓的單方(下方)如上所述是鍍Au層時，則可防止上述問題的發生，能為使用者帶來好處。此外，因為僅下方使用具有前述優點特性的貴重金屬Au，也能降低成本。同時亦可避免使用費工時的遮罩製程，同樣能節省生產成本。

又，因為Ni的金屬特性穩定，同時做為其他鍍層的襯底也具良好的匹配性，不論是形成相對於芯材的鍍Cu 層或形成相對於鍍Cu層的鍍Au層，皆能牢固地結合鍍Cu層與鍍Au層，讓鍍Au層能充分發揮其金屬特性。此外，由於Ni的導熱率是90W/(m.k)，透過薄化電鍍，可讓LED用晶圓發揮較高的整體散熱性能。

如同上述說明，本發明係透過電鍍法，讓金屬層均勻且渾然一體地成型，同時疊層間不會產生剝離現象，此外，由於與LED的熱接觸阻抗極小的緣故，除了能使用可保持穩定散熱性及機械强度的電鍍方法外，即使在與半導體接合時產生的高熱影響至下方的鍍Au層，鍍Au層也不會受高熱影響，此優良的功效對使用者而言相當有益。另外，根據本發明的製造方法，容易在晶圓的上方與下方分別形成連接鍍層及鍍Au層，因而具有適合大量生產的功效。

本發明係透過電鍍以形成疊層構造，因此需要金屬薄板的一芯材1做為基材。基材係使用將Mo金屬延展為50~200μm左右的薄板材料，在對基材施以各層的電鍍後，經過切割細分後從而能批量生產多個LED用晶圓P、P、……。又，基材中使用的Mo也可使用W做代替，但是生產成本也會相對提高。

電鍍法較佳可為電解法、無電解法或離子電鍍(IP)法等，在此並不特別限定，只要是電鍍法即可。無論使用何種電鍍法，除了連接鍍層外，各金屬鍍層的厚度透過電 鍍法皆能上下對稱且均勻地形成，同時各層亦可緊密地結合。此外，鍍Cu層5、5’的形成方法除了Cu的電鍍外，較佳地可使用Cu的離子電鍍法。

在各實施例中，自芯材1開始，第一鍍Ni層3和3’、鍍Cu層5和5’、第二鍍Ni層7和7’、第一鍍Au層9及第二鍍Au層11等各鍍層的厚度，在各實施例中晶圓P的示意圖右側均標示有其各自的較佳範圍。例如在圖1中，鍍Cu層5、5’較佳的厚度範圍係為3.0~20.0μm之間。

實施例1

圖1及圖2係為實施例1的示意圖，首先，在由Mo金屬板所構成之芯材1的上下方藉由較薄的第一鍍Ni層3、3’形成有鍍Cu層5、5’。在本說明書中，係將如前述在芯材1的上下方具有鍍Cu層5、5’的構造稱為“DMD”。同樣地，在兩個鍍Cu層5、5’上分別透過第二鍍Ni層7、7’分別形成有第一鍍Au層9、第二鍍Au層11。又，圖中元件符號2、2’係分別表示第一鍍Ni層3、3’及第二鍍Ni層7、7’夾持鍍Cu層5、5’其上下方的夾層構造，也就是第一複合襯層與第二複合襯層。

由於習知技術中不使用電鍍方式製作晶圓，因此難以將晶圓材料切削調整至例如1μm左右的大小，同時材料之間也容易產生剝離，相對於此，透過電鍍的方式可讓材料的厚度均勻地成型。尤其如圖2所示，在芯材1上分別以第一鍍Ni層3、3’為襯底形成鍍Cu層5、5’，並在鍍Cu層5、5’上分別以第二鍍Ni層7、7’為襯底形成第一鍍Au 層9和第二鍍Au層11，因為鍍層之間的結合強度極大，所以除不容易產生剝離外，也能維持穩定的散熱性，同時亦可穩固LED10的組裝。

圖2係為藉由LED用晶圓P在封裝16上設置LED10的狀態示意圖，圖中係透過黏著劑組裝封裝16。另外，黏著劑可使用Ag或AuSn合金類的膏體。然而，因為本發明係以AuSn的連接鍍層13代替黏著劑黏合LED10，故LED10可直接黏合於封裝上，如此一來，也能為客戶節省成本。

更進一步，特別是半導體元件為LED時，其所發出的光或輻射熱在經由AuSn合金、Au/Sn疊層、In層的連接鍍層13、14、15等反射，可獲得散熱性，因而可提高LED10的發光效率。

在本發明中，上方的連接鍍層13係為AuSn合金的連接鍍層，下方則為單一金屬的第二鍍Au層11。如此設置的原因在於，若非接合面的一側(晶圓下方)如果有AuSn等鍍層時，會因為其熔融導致外觀變得不均勻，或者因為和DMD結構的Au鍍層發生合金化現象，使得在晶圓切割製程中影響切斷分割的品質，但因為本發明係為晶圓下方設置第二鍍Au層11的結構，如上所述，可防止前述問題的產生。

接著針對實施例2及實施例3做說明，其係具有和上述相同的特性。

實施例2

如圖3所示，LED用晶圓P在由Mo金屬板所構成之芯材1的上下方藉由第一鍍Ni層3、3’形成有鍍Cu層5、5’，同樣地，在兩個鍍Cu層5、5’上分別經由第二鍍Ni層7、7’分別形成有第一鍍Au層9、第二鍍Au層11，透過前述構成，讓第一鍍Ni層3、3’與第二鍍Ni層7、7’夾持鍍Cu層5、5’分別形成具夾層構造的第一複合襯層2與第二複合襯層2’。

目前為止的構成仍與實施例1相同，惟連接鍍層14係為Au/Sn疊層的連接鍍層，藉由雙層的疊合能發揮可調節的柔軟性及反射性等特質。和上述實施例1不同的是，由於本實施例係採用二種合金做電鍍，除了難以保持Au和Sn的合金比平衡外，所使用的電鍍液其性質也不穩定，容易產生變質，因此需頻繁更換電鍍液，從而增加晶圓整體的生產成本，相較於此實施例1反而優於本實施例。

實施例3

在圖4中，在芯材1的上下方藉由第一鍍Ni層3、3’形成有鍍Cu層5、5’，同樣地，在兩個鍍Cu層5、5’上分別經由襯底的第二鍍Ni層7、7’依序形成有第一鍍Au層9、第二鍍Au層11，上方的第一鍍Au層9上形成有In層15以做為連接鍍層，下方的第二鍍Au層11上則不做任何設置。

1‧‧‧芯材

10‧‧‧LED

11‧‧‧第二鍍Au層

13‧‧‧第一連接鍍層(AuSn合金的連接鍍層)

14‧‧‧第一連接鍍層(Au/Sn疊層的連接鍍層)

15‧‧‧第一連接鍍層(In層)

16‧‧‧封裝

2‧‧‧第一複合襯層

2’‧‧‧第二複合襯層

3、3’‧‧‧第一鍍Ni層

5、5’‧‧‧鍍Cu層

7、7’‧‧‧第二鍍Ni層

9‧‧‧第一鍍Au層

P‧‧‧LED用晶圓

圖1為本發明第1實施例之LED用晶片其層構造的截 面示意說明圖；圖2為LED用晶片其使用狀態的示意說明圖；圖3為第2實施例之LED用晶片其層構造的截面示意說明圖；以及圖4為第3實施例之LED用晶片其層構造的截面示意說明圖。

1‧‧‧芯材

11‧‧‧第二鍍Au層

13‧‧‧第一連接鍍層(AuSn合金的連接鍍層)

2‧‧‧第一複合襯層

2’‧‧‧第二複合襯層

3、3’‧‧‧第一鍍Ni層

5、5’‧‧‧鍍Cu層

7、7’‧‧‧第二鍍Ni層

9‧‧‧第一鍍Au層

P‧‧‧LED用晶圓

Claims (3)

1. 一種LED用晶圓，其特徵在於：以薄板狀的芯材為中心上下對稱地分別在該芯材的上方側與下方側形成有第一鍍Au層與第二鍍Au層，該芯材係由Mo所構成，在該芯材和該第一鍍Au層之間與該芯材和該第二鍍Au層之間分別介入形成有第一複合襯層與第二複合襯層，該第一複合襯層與該第二複合襯層係用以填入及維持該芯材和該第一鍍Au層之間與該芯材和該第二鍍Au層之間的間隙並至少由鍍Cu層所構成，在設置有LED之該芯材上方側的該第一鍍Au層上形成有連接鍍層，該芯材下方側的該第二鍍Au層其下表面係為露出面，該連接鍍層係由AuSn合金、Au/Sn疊層以及In層的其中之一所形成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之LED用晶圓，其中該第一複合襯層與該第二複合襯層係為在鍍Cu層的上下兩側具有薄Ni或Ni合金之第一鍍Ni層與第二鍍Ni層的夾層構造，該第一複合襯層的該鍍Cu層與該第二複合襯層的該鍍Cu層係分別以該第一複合襯層的該第一鍍Ni層與該第二複合襯層的該第一鍍Ni層為襯底分別形成在該芯材的上方側與下方側，該芯材上方側的該第一鍍Au層與該芯材下方側的該第二鍍Au層係分別以該第一複合襯層的該第二鍍Ni層和該第二複合襯層的該第二鍍Ni層為襯底分別形成在該第一複合襯層與該第二複合襯層上。
3. 一種LED用晶圓的製造方法，其係包含下列步驟：在由Mo構成之芯材的上方側與下方側分別形成夾層狀的第一複合襯層與第二複合襯層，該第一複合襯層與該第二複合襯層係由Ni或Ni合金的第一鍍Ni層與第二鍍Ni層夾持鍍Cu層所形成；分別在該第一複合襯層的上方側與該第二複合襯層的下方側形成第一鍍Au層與第二鍍Au層；以及分別在該第一鍍Au層的上方側與該第二鍍Au層的下方側形成第一連接鍍層與第二連接鍍層，該第一連接鍍層與該第二連接鍍層係由AuSn合金、Au/Sn疊層以及In層的其中之一所形成；其中，對於該第二複合襯層其下方側的該第二鍍Au層，透過切削該第二連接鍍層使該第二鍍Au層露出，對於該第一複合襯層其上方側的該第一鍍Au層，該第一鍍Au層之上方側的該第一連接鍍層係保留做為與LED連接的連接鍍層。