TWI573299B - 化合物半導體元件之封裝模組結構及其製造方法 - Google Patents

Description

化合物半導體元件之封裝模組結構及其製造方法

本發明係關於一種化合物半導體元件之封裝模組結構及其製造方法，尤係關於一種整合複數個光電半導體封裝元件之封裝模組結構及其製造方法。

由於光電元件中發光二極體(light emitting diode；LED)有體積小、發光效率高及壽命長等優點，因此被認為是次世代綠色節能照明的最佳光源。另外液晶顯示器的快速發展及全彩螢幕的流行趨勢，使白光系發光二極體除了應用於指示燈及大型顯示幕等用途外，更切入廣大之消費性電子產品，例如：電視、顯示器、手機及個人數位助理(PDA)。

圖1係中華民國第558775號發明專利之一實施例之示意圖。子母型發光二極體之封裝結構10包含複數個表面黏著型(SMD)之發光二極體元件17、封裝膠體15、外部電極19、內部電極16、透明膠體12及透鏡18。該多個發光二極體元件17係依照色度、亮度及Vf值篩選而分類之組群，故能使封裝結構10之發光品質較穩定，以避免因發光二極體晶粒之變異所造成光輸出特性之差距過大。且因為多個發光二極體元件17整合於一封裝膠體15內，故能達到大幅增加發光功率之效果。

由於多個發光二極體元件17集中於封裝體15內，共同發光時會有大量之熱產生。但封裝結構10並未考慮此一散熱問題，故仍會因熱累積而影響發光品質之穩定性。另外，封裝結構10未設置導光部，故各發光二極體元件17發出之光線無法有效集中。又多個發光二極體元件17一起發光而未能考慮光線會相互遮蔽之問題，如此只會讓光線間相互吸收而無法達到增亮的功效。

圖2係中華民國第1279013號發明專利之一實施例之示意圖。發光模組20包含一基板21、複數個發光二極體晶粒22、一封蓋24及一流體25。基板31可以是熱傳導佳之電路板。再者，封蓋24及基板31填充可傳遞熱量之流體25，該流體25可以是液體、氣體、可流動之固體或其他混合物，亦即能達成自由流動並可熱對流之物質即可，例如：矽油。

此種發光模組20雖然可以改善前述散熱問題，然需要較佳之密封技術才能避免流體25外漏。又使用流體25不但會增加發光模組20之重量，且會產生光線折射之問題而降低亮度。同樣，發光二極體晶粒22一起發光會有光線會相互遮蔽之問題，如此只會讓光線間相互吸收而無法達到增亮的功效。

綜上所述，市場上亟需要一種光線品質優的化合物半導體元件之封裝模組結構，除了避免各發光單元間相互遮蔽之問題，並且還要改善散熱不佳的問題，將更有利高功率元件之應用。

本發明係提供一種化合物半導體元件之封裝模組結構及其製造方法，該化合物半導體元件之封裝模組結構包含一具有多個反射室之介電層，故可解決各發光單元間相互遮蔽之問題，並增強整體 之光線利用率。

本發明係提供一種增強散熱能力之封裝模組結構及其製造方法，藉由熱傳導性佳之絕緣材料作為底部之絕緣層，可有效進行熱逸散，因此能改善散熱不佳之問題。

本發明揭示一種化合物半導體元件之封裝模組結構，其包含一絕緣層、一電路層、複數個化合物半導體封裝元件、一介電層以及一透明膠材。該電路層係設置於該絕緣層之表面。該介電層包含複數個開口，形成於該電路層上。複數個化合物半導體封裝元件位在該介電層之複數個開口中，並與該電路層電性相連，且相鄰之兩化合物半導體封裝元件係由該介電層分隔，所述多個化合物半導體封裝元件包括基板、發光二極體晶粒及透明膠材，所述基板上具有電路，所述發光二極體晶粒與所述基板電性連接。該透明膠材包覆該複數個化合物半導體封裝元件，並可混入螢光體顆粒以產生不同波長之光線。

本發明另提供一種化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其包含以下步驟：首先，提供一暫時基板，且形成一電路層於該暫時基板上。其次，於該電路層上形成一包含複數個開口之介電層。再將複數個化合物半導體封裝元件分別固定在該介電層之複數個開口中，並與該電路層電性相連，所述多個化合物半導體封裝元件包括基板、發光二極體晶粒及透明膠材，所述基板上具有電路，所述發光二極體晶粒與所述基板電性連接。另將一透明膠材包覆該複數個化合物半導體封裝元件。移除該暫時基板，另將一絕緣層形成於該電路層之表面。

10‧‧‧封裝結構

12‧‧‧透明膠體

15‧‧‧封裝膠體

16‧‧‧內部電極

17‧‧‧發光二極體元件

18‧‧‧透鏡

19‧‧‧外部電極

20‧‧‧發光模組

21‧‧‧基板

22‧‧‧發光二極體晶粒

24‧‧‧封蓋

25‧‧‧流體

30‧‧‧化合物半導體元件之封裝模組結構

31‧‧‧電路層

32‧‧‧介電層

33‧‧‧化合物半導體封裝元件

34：43‧‧‧透明膠材

35‧‧‧絕緣層

37‧‧‧暫用基板

38‧‧‧銲料

40‧‧‧化合物半導體封裝元件

41‧‧‧基板

42‧‧‧晶粒

44‧‧‧金屬導線

45‧‧‧螢光體顆粒

46‧‧‧固晶膠

50‧‧‧化合物半導體封裝元件

51‧‧‧基板

52‧‧‧晶粒

53‧‧‧透明膠材

54‧‧‧凸塊

55‧‧‧螢光體顆粒

321‧‧‧開口

411、511‧‧‧P型導電銅箔

412、512‧‧‧N型導電銅箔

413、513‧‧‧絕緣層

圖1係中華民國第558775號發明專利之一實施例之示意圖；圖2係中華民國第I279013號發明專利之一實施例之示意圖；圖3A~3F係本發明一實施例之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法之步驟示意圖；圖4係本發明化合物半導體封裝元件之一實施例之示意圖；圖5係本發明化合物半導體封裝元件之另一實施例之示意圖；以及圖6A~6D係本發明另一實施例之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法之步驟示意圖。

圖3A~3F係本發明一實施例之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法之步驟示意圖。參照圖3A，先提供一暫時基板37，且形成一電路層31於該暫時基板37上。暫用基板37可以由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料所製成，因於後續製程中暫用基板37要移除，故稱之為暫用基板，或可稱之為暫用襯底。該電路層31可以是一具有電路圖型之金屬層，例如：銅箔(copper foil)。該金屬層可先形成或壓合於暫用基板37表面，然後利用蝕刻製程將金屬層圖案化，亦即形成具有電極圖型之電路層31。或是以印刷(printing)、網印(screening)、電鑄(electroform)、化鍍(無電解電鍍)、濺鍍(sputter)、蒸鍍(evaporation)、化學氣相沉積(CVD)或電鍍形成一具圖案之電路層31，其材料可以是銀、鎳、銅、錫、鋁或前述金屬材料之合金，或者是銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鎵氧化物(IGO)及銦鎢氧化物(IWO) 等透明導電材料。

參見圖3B，於該電路層31上形成一包含複數個開口321之介電層32，該開口321形成反射杯之結構，亦即杯狀開口321之斜側壁可以將光線儘量向上反射。因此選用白色或不吸光線之材料作為介電層32之材料為較佳，例如：氧化鋁。開口321底部之電路層31露出至少兩個極性相反之電極。

如圖3C所示，將複數個化合物半導體封裝元件33分別固定在介電層32之複數個開口321中，並與該電路層31電性相連。化合物半導體封裝元件33係藉由銲料(solder)與開口321底部之電路層31結合，可以表面黏著技術進行該結合步驟。一實施例中，化合物半導體封裝元件33可為發光二極體封裝元件、雷射二極體封裝元件或是光伏打電池元件(photocell)。該化合物半導體封裝元件33可先經過篩選，依照色度、亮度及Vf值分類為數個組群。故能使發光品質較穩定，以避免因化合物半導體封裝元件33之光線變異所造成光輸出特性之差距過大。另外，因介電層32之杯狀開口321可以有效反射並集中光線而向上導出，因此化合物半導體封裝元件33可採用沒有反射件之封裝結構以減少封裝成本。

參見圖3D，形成透明膠材34於開口321中，而覆化合物半導體封裝元件33及電路層31上。透明膠材34可為環氧樹脂或矽膠等，且可以藉由轉移成型(transfer-molding)或是注入成型(inject-molding)等方式填充於開口321中。

當該透明膠材34硬化後，可以藉由彎折、分離、蝕刻、雷射切割或研磨將暫用基板37移除，以致電路層31之下表面外露，如圖3E所示。為保護電路層31不被刮傷，及避免電極間接觸其他金屬導 體而短路，於電路層31之下表面另形成一絕緣層35，如此基本上就完成化合物半導體元件之封裝模組結構30，如圖3F所示。該絕緣層35之材料可以採用熱傳導性佳之絕緣材料，例如：氮化鋁(AlN)、氧化鋁或其他陶瓷材料。封裝模組結構30可用來作為發光之燈條或面發光源，且能應用於背光模組、廣告燈箱及照明設備。

圖4係本發明化合物半導體封裝元件之一實施例之示意圖。發光二極體晶粒42係藉由固晶膠46固定於絕緣層413上N型導電銅箔412之表面，並藉由銲線技術將金屬導線44與P型導電銅箔411和N型導電銅箔412電性相連，其中P型導電銅箔411、N型導電銅箔412及絕緣層413構成具有電路之基板41。另外，透明膠材43覆蓋於基板41、金屬導線44及晶粒42上，可以保護整個化合物半導體封裝元件40不受環境及外力之破壞。另外，可在透明膠材43中混入螢光體顆粒45，如此可以得到近白色光之光輸出。由於螢光體顆粒45會沉澱或分佈不均勻，因此經過篩選可以將色度、亮度及Vf值接近之化合物半導體封裝元件40進一步封裝於前述模組結構30內，如此模組結構30發出之光線不會因不同之化合物半導體封裝元件40而有很大的差異。混入的螢光體顆粒45的材料可為釔鋁石榴石(YAG)，鋱鋁石榴石(TAG)，矽酸鹽族係(silicate)，氮化物為主(nitride-based)等不同的螢光體。

圖5係本發明化合物半導體封裝元件之另一實施例之示意圖。發光二極體晶粒52係藉由覆晶(flip-chip)技術將凸塊54結合於絕緣層513上P型導電銅箔511及N型導電銅箔512之表面，並藉由凸塊54電性相連，其中P型導電銅箔511、N型導電銅箔512及絕緣 層513構成具有電路之基板51。另外，透明膠材53覆蓋於基板51、凸塊54及晶粒52上，可以保護整個化合物半導體封裝元件50不受環境及外力之破壞。另外，可在透明膠材53中混入螢光體顆粒55，如此可以得到近白色光之光輸出。

圖6A~6F係本發明另一實施例之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法之步驟示意圖。參照圖6A，先提供一絕緣層35，且形成一具有圖案之電路層31於該暫時絕緣層35上。該絕緣層35之材料可以是氮化鋁、氧化鋁或其他陶瓷材料之基板。

參見圖6B，於該電路層31上形成一包含複數個開口321之介電層32，該開口321形成反射杯之結構，亦即杯狀開口321之斜側壁可以將光線儘量向上反射。因此選用白色或不吸光線之材料作為介電層32之材料為較佳，例如：氧化鋁。開口321底部之電路層31露出至少兩個極性相反之電極。

如圖6C所示，將複數個化合物半導體封裝元件33分別固定在介電層32之複數個開口321中，並與該電路層31電性相連。化合物半導體封裝元件33係藉由銲料(solder)與開口321底部之電路層31結合，可以表面黏著技術進行該結合步驟。一實施例中，化合物半導體封裝元件33可為發光二極體封裝元件、雷射二極體封裝元件或是光伏打電池元件。該化合物半導體封裝元件33可先經過篩選，依照色度、亮度及Vf值分類為數個組群。故能使發光品質較穩定，以避免因化合物半導體封裝元件33之光線變異所造成光輸出特性之差距過大。另外，因介電層32之杯狀開口321可以有效反射並集中光線而向上導出，因此化合物半導體封裝元件33可採用沒有反射件之封裝結構以減少封裝成本。

參見圖6D，形成透明膠材34於開口321中，而覆化合物半導體封裝元件33及電路層31上。透明膠材34可為環氧樹脂或矽膠等，且可以藉由轉移成型或是注入成型等方式填充於開口321中，並可混入螢光體顆粒以產生不同於化合物半導體封裝元件33之波長的螢光光線。本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

30‧‧‧化合物半導體元件之封裝模組結構

31‧‧‧電路層

32‧‧‧介電層

33‧‧‧化合物半導體封裝元件

34‧‧‧透明膠材

35‧‧‧絕緣層

38‧‧‧銲料

321‧‧‧開口

Claims (24)

1. 一種化合物半導體元件之封裝模組結構，包含：一絕緣層；一電路層，設於該絕緣層之表面；一介電層，包含複數個開口，並形成於該電路層上；複數個化合物半導體封裝元件，分別位在該介電層之複數個開口中，並與該電路層電性相連，所述多個化合物半導體封裝元件包括基板、發光二極體晶粒及透明膠材，所述基板上具有電路，所述發光二極體晶粒與所述基板電性連接；以及一透明膠材，包覆該複數個化合物半導體封裝元件。
2. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該電路層係具有電極圖型。
3. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該電路層之材料係銀、鎳、銅、錫、鋁或前述金屬之合金。
4. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該電路層之材料係銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦鎵氧化物(IGO)或銦鎢氧化物(IWO)。
5. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該開口形成反射杯之結構。
6. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該開口具有可將光線向上反射之斜側壁。
7. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該介電層之材料係白色或不吸收光線之材料。
8. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該透明膠材之材料係環氧樹脂或矽膠。
9. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該絕緣層之材料係氮化鋁、氧化鋁或陶瓷材料。
10. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其另包含一銲料，其可固定該化合物半導體封裝元件於該電路層。
11. 根據請求項1之化合物半導體元件之封裝模組結構，其中該化合物半導體封裝元件係以銲線技術封裝或覆晶技術封裝之元件。
12. 一種化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，包含以下步驟：提供一暫時基板；形成一電路層於該暫時基板上；於該電路層上形成一包含複數個開口之介電層；將複數個化合物半導體封裝元件分別固定在該介電層之複數個開口中，並與該電路層電性相連，所述多個化合物半導體封裝元件包括基板、發光二極體晶粒及透明膠材，所述基板上具有電路，所述發光二極體晶粒與所述基板電性連接；將一透明膠材包覆該複數個化合物半導體封裝元件；移除該暫時基板；以及將一絕緣層形成於該電路層之表面。
13. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該暫時基板係藉由彎折、分離、蝕刻、雷射切割或研磨之方式而移除。
14. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該暫時基板係由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料所製成。
15. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該電路層係具有電極圖型。
16. 根據請求項15之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該電極圖型係以蝕刻、印刷、網印、電鑄、化鍍、無電解電鍍或濺鍍形成。
17. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該電路層之材料係銀、鎳、銅、錫、鋁或前述金屬之合金。
18. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該電路層之材料係銦錫氧化物、銦鋅氧化物、銦鎵氧化物或銦鎢氧化物。
19. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該開口形成反射杯之結構。
20. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該介電層之材料係白色或不吸收光線之材料。
21. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該透明膠材之材料係環氧樹脂或是矽氧烷。
22. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該絕緣層之材料係氮化鋁、氧化鋁或陶瓷材料。
23. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該複數個化合物半導體封裝元件係藉由銲料與該電路層相結合。
24. 根據請求項12之化合物半導體元件之封裝模組結構之製造方法，其中該化合物半導體封裝元件係以銲線技術封裝或覆晶技術封裝之元件。