TWI506824B - 發光二極體封裝結構及其製造方法 - Google Patents

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Description

發光二極體封裝結構及其製造方法
本發明係有關於發光二極體封裝結構及其製造方法，且特別係有關於一種具有金屬柱之發光二極體封裝結構及其製造方法。
發光二極體具有一P/N接面，而對發光二極體的P/N接面施加電壓可使發光二極體發光。發光二極體元件可廣泛地使用在各種應用中，例如指示器(indicator)、招牌、照明、以及其它種類的照明元件。發光二極體(light-emitting diode，LED)由於體積小、使用壽命長、耗電量低與亮度高等優點，已逐漸取代傳統的燈泡，成為目前最重要的發光元件。
在發光二極體的封裝製程中，常見的固晶方式為共晶(Eutectic)接合，此方法為在發光二極體晶片表面或是載板表面形成共晶金屬，接著共晶接合此發光二極體晶片及載板，並經由加熱完成此固晶製程。然而，在此加熱步驟中，發光二極體晶片容易位移或是旋轉，造成共晶接合失敗或是造成短路、斷路。傳統的解決方法是在共晶步驟中對發光二極體晶片加壓，以增加良率，但加壓會增加製程複雜度、成本及降低產能。
因此，業界亟須一種簡易、成本低、產能高且可防止發光二極體晶片於加熱步驟中位移或是旋轉的發光二極體封裝結構的製造方法。
本發明提供一種發光二極體封裝結構包括：載板(carrier)；發光二極體晶片，設於載板上並電性連接至載板，其中發光二極體晶片至少具有二凹口(recess)設置於發光二極體晶片對角線上之角隅(corner)；共晶層，設於發光二極體晶片與載板之間；以及共晶層至少包含二金屬柱，分別嵌入二凹口，且金屬柱之上部覆蓋部分發光二極體晶片之上表面。
本發明更提供一種發光二極體封裝結構之製造方法，包括：提供發光二極體晶片；形成共晶層於發光二極體晶片上；形成凹口(recess)於發光二極體晶片之至少一角隅(corner)；提供載板(carrier)，其上形成有至少一金屬柱與凹口對應；將發光二極體晶片以共晶層共晶接合至載板(carrier)上並電性連接至載板，其中金屬柱嵌入凹口；加熱融熔金屬柱使其上部覆蓋部分發光二極體晶片之上表面。
為讓本發明之上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧發光二極體晶片
100’‧‧‧具有凹口之發光二極體晶片
100A‧‧‧表面
100B‧‧‧表面
110‧‧‧基板
120‧‧‧第一半導體層
130‧‧‧主動層
140‧‧‧第二半導體層
150‧‧‧第一電極
160‧‧‧第二電極
170‧‧‧保護層
180‧‧‧共晶層
190‧‧‧凹口
200‧‧‧載板
210‧‧‧金屬柱
210’‧‧‧融熔後之金屬柱
300‧‧‧共晶接合步驟
400‧‧‧發光二極體封裝結構
H‧‧‧高度
2A-2A‧‧‧線段
3B-3B‧‧‧線段
5B-5B‧‧‧線段
第1圖係根據本發明實施例之發光二極體晶片之剖面圖。
第2A-6B圖係根據本發明實施例之發光二極體封裝結構之製造方法中各階段的剖面圖或上視圖。
第7A-8圖係根據本發明其它實施例之具有凹口的發光二極體晶片之上視圖。
第9A-10圖係根據本發明其它實施例之載板與金屬柱之上視圖。
第11A-11B圖係根據本發明其它實施例之金屬柱嵌入凹口之上視圖。
以下針對本發明之發光二極體封裝結構作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式儘為簡單描述本發明。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸之情形。或者，亦可能間隔有一或更多其它材料層之情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。
應瞭解的是，在此可使用相對的用語，例如「較低」或「底部」及「較高」或「頂部」，以描述圖示的一個元件對於另一元件的相對關係。能理解的是，如果將圖示的裝置 翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。
在此，「約」、「大約」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內。在此給定的數量為大約的數量，表示在沒有特定說明的情況下，其可隱含「約」、「大約」之用語。
本發明提供之發光二極體封裝結構的製造方法，係將載板上的金屬柱嵌入發光二極體晶片之凹口以防止發光二極體晶片於封裝製程的加熱步驟中位移或是旋轉。
首先，參見第1圖，提供發光二極體晶片100。發光二極體晶片100可為紫外光發光二極體晶片、藍光發光二極體晶片、綠光發光二極體晶片、紅光發光二極體晶片或其它任何適合之發光二極體晶片。
在一實施例中，如第1圖所示，發光二極體晶片100包括基板110、設於基板100上之第一半導體層120、設於第一半導體層120上之主動層130、設於主動層130上之第二半導體層140、設於第一半導體層120上未被主動層130覆蓋之部分的第一電極150、設於第二半導體層140上之第二電極160、設於發光二極體晶片100之側壁及表面100A上之保護層170。發光二極體晶片100具有表面100A及表面100B，且表面100A與表面100B互為相反面。應注意的是，此說明僅為舉例，發光二極體晶片100亦可為其它結構。
第一半導體層120具有第一導電型態，而第二半導體層140具有第二導電型態，且此第二導電型態與第一導電型 態不同。第一半導體層120與第二半導體層140不同，且可各自獨立地為摻雜或未摻雜之Inx Aly Ga(1-x-y) N，其中0x1，0y1且0(x+y)1，例如可為摻雜或未摻雜的GaN、InN、AlN、Inx Ga(1-x) N、Alx In(1-x) N、Alx Iny Ga(1-x-y) N或其它類似的材料，其中0x1，0y1且0(x+y)1。
主動層130係於第一半導體層120與第二半導體層140之間。主動層130可包括同質接面(homojunction)、異質接面(heterojunction)、單一量子井(single-quantum well(SQW))、多重量子井(multiple-quantum well(MQW))或其它類似的結構。在一實施例中，主動層130可包括未摻雜的n型Inx Ga(1-x) N。在其它實施例中，主動層130可包括例如Alx Iny Ga(1-x-y) N之其它常用的材料。另外，主動層130可為包括多重井層(例如為InGaN)和阻障層(例如為GaN)交錯排列之多重量子井結構。
第一電極150及第二電極160可為單層或多層之金、鉻、鎳、鉑、鈦、鋁、銥、銠、上述之組合或其它導電性佳的金屬材料。在另一實施例中，第一電極150及第二電極160可為不同之材料。
保護層170可為氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層、或其它任何適合之絕緣層、或上述之組合。保護層170可使發光二極體晶片100與後續形成之金屬柱電性絕緣。另外，在一實施例中，如第1圖所示，第一電極150及第二電極160自保護層170凸出。
接著，如第2A圖所示，於發光二極體晶片100的表面100A上形成共晶層180。共晶層180可為Au、Cu、Bi、Ag、 Zn、Ti、Ni、Pt、Rh、Al、In、Sn或其合金。例如，在一些實施例中，共晶層180可為Au/Sn合金、Au/Cu合金、Sn/Cu合金、Sn/Bi合金、Sn/Ni合金、Sn/Ag/Cu合金或Sn/Ni/Cu合金。共晶層180之形成方法可為電鍍法、濺鍍法、電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或其它任何適合的沈積方式。
接著，參見第2A圖之剖面圖，並同時參見第2B圖之上視圖，形成凹口(recess)190於發光二極體晶片100之角隅(corner)，其中第2A圖為沿著第2B圖之線段2A-2A所繪示之剖面圖。在後文中，具有凹口190之發光二極體晶片係稱為發光二極體晶片100’。形成凹口190之方法可為機械沖孔(mechanical drilling)、雷射切割、濕蝕刻或乾蝕刻或其它任何適合的方法，且凹口190係完全切穿發光二極體晶片100’及共晶層180。此凹口190可與後續形成之金屬柱卡合，其可防止發光二極體晶片100’於後續的加熱步驟中位移或是旋轉，因此可降低固晶製程的失敗率或是防止短路、斷路。
凹口190的面積為發光二極體晶片100’及凹口190兩者之總面積的約1%至約5%，例如為約1%至約3%。在一實施例中，可於形成凹口190之前形成共晶層180。然而，在另一實施例中，亦可於形成凹口190後再形成共晶層180。此外，應注意的是，儘管第2A-2B圖僅繪示凹口190形成於發光二極體晶片100’之四個角隅，然而凹口190亦可僅形成於發光二極體晶片100’之部分角隅，且亦可為其它形狀。
參見第3A-3B圖，提供載板(carrier)200，其中第3B圖為沿著第3A圖之線段3B-3B所繪示之剖面圖。載板200可為電 路板或導線架(lead frame)。載板200上形成有與凹口190對應之金屬柱210。金屬柱210之高度大於發光二極體晶片100’與共晶層180兩者的總高度。金屬柱210可為Au、Cu、Bi、Ag、Zn、Ti、Ni、Pt、Rh、Al、In、Sn或上述之合金。例如，在一些實施例中，金屬柱210可為Au/Sn合金、Au/Cu合金、Sn/Cu合金、Sn/Bi合金、Sn/Ni合金、Sn/Ag/Cu合金或Sn/Ni/Cu合金。金屬柱210之形成方法可先在載板200上沈積一金屬材料，然後利用微影及蝕刻製程來圖案化此金屬材料。或者，亦可利用舉離法(lift-off)或印刷製程來形成金屬柱210。上述沈積製程可為電鍍法、濺鍍法、電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或其它任何適合的沈積方式。應注意的是，儘管第3A-3B圖僅繪示形成四個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’之四個角隅，然而亦可僅形成一至三個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’之部分角隅，且金屬柱210亦可為其它形狀。
接著，如第4圖所示，進行共晶接合步驟300，將發光二極體晶片100共晶接合至載板200，其中共晶層180係朝向載板200，且發光二極體晶片100電性連接至載板200。
共晶接合後之發光二極體晶片100’與載板200繪示於第5A-5B圖，其中第5B圖為沿著第5A圖之線段5B-5B所繪示之剖面圖。如圖中所示，每個金屬柱210嵌入與其相應之凹口190。金屬柱210高出發光二極體晶片100’之表面100B之高度H為約30μm至約400μm，例如為約50μm至約200μm。應注意的是，儘管第5A-5B圖中金屬柱210之形狀與凹口190之形狀完全相同，然而，在其它實施例中，金屬柱210之形狀與凹口190之 形狀可以不同，只要金屬柱210可與凹口190卡合(engage)即可。
由於金屬柱210與發光二極體晶片100’之凹口190契合，其可防止發光二極體晶片100’於後續的加熱步驟中位移或是旋轉，因此可降低固晶製程的失敗率或是防止短路、斷路。另外，此製程可省略傳統封裝製程中之加壓，使封裝製程更為簡易，並可降低製程成本，同時提高製程的產能。
接著，如第6A-6B圖所示，進行一加熱步驟使金屬柱210融熔並完成發光二極體封裝結構400。此加熱步驟的溫度為約100℃至約500℃，例如為約150℃至約400℃。在此，融熔後之金屬柱稱為金屬柱210’。由於金屬柱210高出發光二極體晶片100’之表面100B，故融熔後的金屬柱210’的上部會覆蓋部分發光二極體晶片100’之表面100B。應注意的是，儘管第6A圖繪示金屬柱210’的上部為圓形，然而其可為任何形狀，並不局限於此實施例。另外，由於覆蓋部分發光二極體晶片100’之表面100B的金屬柱210’亦會施予壓力於發光二極體晶片100’上，因此儘管本發明省略傳統之加壓，本發明之封裝製程亦有傳統封裝製程之加壓效果。
第7-11圖顯示凹口與金屬柱之其它配置方式。第7A-7D圖顯示凹口190亦可僅形成於發光二極體晶片100’之部分角隅。如第7A圖所示，可僅形成一凹口190於發光二極體晶片100’之一角隅。或者，如第7B圖所示，可形成兩個凹口190於發光二極體晶片100’的對角線上之兩個角隅。又或者，如第7C圖所示，可形成兩個凹口190於發光二極體晶片100’同一邊的兩個角隅。再或者，如第7D圖所示，可形成三個凹口190於 發光二極體晶片100’之三個角隅。
另外，第8圖繪示正方形以外之凹口190的其它形狀。如第8圖所示，凹口190可為矩形、三角形、或扇形。
第9A-9D圖顯示亦可僅形成一至三個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’之部分角隅。如第9A圖所示，可僅形成一金屬柱210對應於發光二極體晶片100’之一角隅。或者，如第9B圖所示，可形成兩個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’的對角線上之兩個角隅。又或者，如第9C圖所示，可形成兩個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’上位於同一邊之角隅。再或者，如第9D圖所示，可形成三個金屬柱210對應於發光二極體晶片100’之三個角隅。
另外，第10圖繪示正方形以外之金屬柱210的其它形狀。如第10圖所示，金屬柱210可為矩形、三角形、或扇形。
由第8、10圖亦可知，每一凹口190及金屬柱210也可以有不同的尺寸及形狀。
此外，第11A-11B圖顯示金屬柱210之形狀與凹口190之形狀可以不同。如第11A圖所示，三角形之金屬柱210抵靠(engage)正方形之凹口190。或者，如第11B圖所示，扇形之金屬柱210抵靠正方形之凹口190。由此可知，金屬柱210僅需能抵靠凹口190即可，其形狀並不需要完全相同。
綜上所述，本發明藉由形成金屬柱並將其銜接發光二極體晶片之凹口，其可防止發光二極體晶片100’於後續的加熱步驟中位移或是旋轉，因此可降低固晶製程的失敗率或是防止短路、斷路。另外，此製程可省略傳統封裝製程中之加壓， 使封裝製程更為簡易，並可降低製程成本，同時提高製程的產能。
雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，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，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本發明使用。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。
100’‧‧‧具有凹口之發光二極體晶片
100B‧‧‧表面
180‧‧‧共晶層
200‧‧‧載板
210’‧‧‧融熔後之金屬柱
400‧‧‧發光二極體封裝結構

Claims (12)

  1. 一種發光二極體封裝結構，包括：一載板(carrier)；一發光二極體晶片，設於該載板上並電性連接至該載板，其中該發光二極體晶片至少具有二凹口(recess)設置於該發光二極體晶片對角線上之角隅(corner)；一共晶層，設於該發光二極體晶片與該載板之間；以及該共晶層至少包含二金屬柱，分別嵌入該二凹口，且該金屬柱之上部覆蓋部分該發光二極體晶片之上表面。
  2. 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保護層，設於該發光二極體晶片之側壁及上表面上並使該發光二極體晶片與該金屬柱電性絕緣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該載板包括一電路板或一導線架(lead frame)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該共晶層及該金屬柱的材料是選自由Au、Cu、Bi、Ag、Zn、Ti、Ni、Pt、Rh、Al、In、Sn構成族群之至少其中之一或其合金。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體封裝結構，其中該合金包括Au/Sn合金、Au/Cu合金、Sn/Cu合金、Sn/Bi合金、Sn/Ni合金、Sn/Ag/Cu合金或Sn/Ni/Cu合金。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該凹口之形狀包括正方形、矩形、三角形、或扇形。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體封裝結構，其 中該金屬柱之形狀包括正方形、矩形、三角形、或扇形。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該凹口的面積為該發光二極體晶片及該凹口兩者之總面積的1%至5%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該金屬柱高出該發光二極體晶片50μm至200μm。
  10. 一種發光二極體封裝結構之製造方法，包括：提供一發光二極體晶片；形成一共晶層於該發光二極體晶片上；形成一凹口(recess)於該發光二極體晶片之至少一角隅(corner)；提供一載板(carrier)，其上形成有至少一金屬柱與該凹口對應；將該發光二極體晶片以該共晶層共晶接合至該載板(carrier)上並電性連接至該載板，其中該金屬柱嵌入該凹口；加熱融熔該金屬柱使其上部覆蓋部分該發光二極體晶片之上表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構之製造方法，其中形成該凹口之方法包括雷射切割、濕蝕刻或乾蝕刻。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體封裝結構之製造方法，其中在形成該共晶層於該發光二極體晶片前，更包含一步驟：形成一保護層於該發光二極體晶片之側壁及上表面上。
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