TWI578566B - 發光二極體結構 - Google Patents

Description

發光二極體結構

本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種發光二極體結構。

將發光二極體（Light Emitting Diode, LED）晶片黏著於導線架上之技術已發展多年，依固晶材質的不同，大致上可分為二種：第一種為高分子導電膠材，而第二種為金屬銲接材料。

以高分子導電膠材來說，由於是使用膠質材料作為發光二極體晶片的固晶接著材料，膠質材料的耐熱性及導熱效果皆不佳且接合強度也不夠，因此在高溫或高電流的環境下操作，易脆化而使得發光二極體晶片的壽命隨之下降。

以金屬銲接材料來說，其主要是透過共晶接合的技術來進行固晶製程。由於金屬銲接材料的操作溫度皆屬於高溫，即介於280℃至320℃之間，因此在固晶時發光二極體晶片易有熱應力殘留或熱應力集中的問題產生，進而影響後續產品的結構可靠度。再者，金屬銲接材料的成本較高，且應用於塑膠基板上時，易使得塑膠基板出現黃化而造成吸光。

本發明提供一種發光二極體結構，其具有較佳的結構可靠度。

本發明的發光二極體結構，其包括一基板、一金屬材料層、一第一金屬薄膜層、一第二金屬薄膜層以及一發光二極體晶片。金屬材料層配置於基板上，且具有一第一層區、一第二層區以及一第三層區。第二層區位於第一層區與第三層區之間，其中第二層區的熔點高於110℃且低於280℃，而第一層區的熔點與第三層區的熔點高於350℃。第一金屬薄膜層配置於金屬材料層的第一層區上。第二金屬薄膜層配置於基板上，且位於基板與金屬材料層的第三層區之間。發光二極體晶片配置於第一金屬薄膜層上，其中第一金屬薄膜層位於發光二極體晶片與金屬材料層的第一層區之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一金屬薄膜層的材質與第二金屬薄膜層的材質包括銀、金、鎳或銅。

在本發明的一實施例中，上述的金屬材料層的第一層區為一第一介金屬層區，而金屬材料層的第三層區為一第二介金屬層區。第一介金屬層區的材質與第二介金屬層區的材質包括金鉍、銀錫、鎳鉍、鎳錫或銅錫。

在本發明的一實施例中，上述的金屬材料層的第二層區包含至少一合金層區，且第二層區的材質包括錫鉍、錫鉍銀、錫鉍銀銅或錫鉍銀鍺。

在本發明的一實施例中，上述的金屬材料層的第二層區為一金屬疊層區，其中至少存在一鉍層。

在本發明的一實施例中，上述的金屬材料層的第二層區為一金屬疊層區，其中至少存在一錫層。

在本發明的一實施例中，上述的基板包括導線架、印刷電路板、陶瓷基板、塑膠基板、氧化鋁基板或氮化鋁基板。

在本發明的一實施例中，上述的金屬材料層的厚度介於0.5微米至5微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一金屬薄膜層的厚度與第二金屬薄膜層的厚度介於0.3微米至3微米之間。

在本發明的一實施例中，上述的發光二極體晶片為一水平式發光二極體晶片、一垂直式發光二極體晶片或一覆晶式發光二極體晶片。

基於上述，由於本發明的金屬材料層中的第二層區的熔點高於110℃且低於280℃，相較於習知採用金屬銲接材料的固晶熔點（280℃至320℃）低，因此本發明的發光二極體結構在固晶過程中不易有熱應力殘留或熱應力集中的問題產生，可具有較佳的結構可靠度。再者，由於在發光二極體晶片與基板之間的金屬材料層、第一金屬薄膜層以及第二金屬薄膜層皆為金屬材質，因此本發明的發光二極體結構可具有較佳的散熱及導熱效果。此外，本發明的金屬材料層中的第一層區與第三層區可增加金屬材料層與第一金屬薄膜層及第二金屬薄膜層的黏著力，使發光二極體結構具有較佳的結構可靠度，又由於本發明的金屬材料層中的第一層區與第三層區的熔點高於350℃，因此後續即使本發明的發光二極體結構使用在高溫(大於90度C)的環境下，金屬材料層也不會出現軟化現象而影響基板與發光二極體晶片的對位精確度。

為讓本發明的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1繪示為本發明的一實施例的一種發光二極體結構的剖面示意圖。請參考圖1，在本實施例中，發光二極體結構100包括一基板110、一金屬材料層120、一第一金屬薄膜層130、一第二金屬薄膜層140以及一發光二極體晶片150。

詳細來說，金屬材料層120配置於基板110上，且具有一第一層區122、一第二層區124以及一第三層區126。第二層區124位於第一層區122與第三層區126之間，特別是，第二層區124的熔點高於110℃且低於280℃，而第一層區122的熔點與第三層區126的熔點高於350℃。第一金屬薄膜層130配置於金屬材料層120的第一層區122上。第二金屬薄膜層140配置於基板110上，且位於基板110與金屬材料層120的第三層區126之間。發光二極體晶片150配置於第一金屬薄膜層130上，其中第一金屬薄膜層130位於發光二極體晶片150與金屬材料層120的第一層區122之間。

在本實施例中，基板110例如是導線架、印刷電路板、陶瓷基板、塑膠基板、氧化鋁基板或氮化鋁基板。第一金屬薄膜130可透過電鍍、濺鍍或蒸鍍等方式鍍於發光二極體晶片150的表面上。此處，第一金屬薄膜層130的材質包括銀、金、鎳、銅或其組合，且第一金屬薄膜層130的厚度D2例如是介於0.3微米至3微米之間。第二金屬薄膜140可透過電鍍、濺鍍或蒸鍍等方式鍍於基板110的表面上。此處，第二金屬薄膜層140的材質包括銀、金、鎳、銅或其組合，且第二金屬薄膜層140的厚度D3例如是介於0.3微米至3微米之間。

特別是，本實施例的金屬材料層120的第二層區124為一金屬疊層區或一合金層區，其中第二層區124的材質例如是錫鉍、錫鉍銀、錫鉍銀銅或錫鉍銀鍺。舉例來說，第二層區124可為一層錫鉍合金層，或是一鉍層與一錫鉍合金層疊合而成的疊層結構，或者是包含一錫層與一鉍層的兩層金屬層疊層結構。其中，若第二層區124為錫層與鉍層疊合而成的金屬層疊層結構時，其金屬疊層中的各金屬層的厚度皆大致相同。本實施例的金屬材料層120的第一層區122為一第一介金屬層區，而金屬材料層120的第三層區126為一第二介金屬層區，其中第一介金屬層區的材質與第二介金屬層區的材質包括金鉍、銀錫、鎳鉍、鎳錫或銅錫或其組合。此處，金屬材料層120的厚度D1介於0.5微米至5微米之間。此外，本實施例的發光二極體晶片150為一水平式發光二極體晶片、一垂直式發光二極體晶片或一覆晶式發光二極體晶片，於此並不加以限制。

更具體來說，金屬材料層120是由一固晶材料層所形成，其中固晶材料層的材質與特性與第二層區124相同。金屬材料層120形成的步驟如下。首先，藉由電鍍、蒸鍍或濺鍍的方式於第一金屬薄膜層130或第二金屬薄膜層140上形成固晶材料層。接著，以一第一反應溫度加熱固晶材料層一反應時間，而分別於第一金屬薄膜層130、固晶材料層及第二金屬薄膜層140之間形成第一介金屬層區以及第二介金屬層區。其中，第一反應溫度例如是高於110℃且小於280℃，而反應時間例如是60秒至120秒，且加熱的方式可以採用迴焊(reflow)爐加熱、雷射加熱或紅外線加熱。上述之步驟為一預固程序，其目的在於形成第一介電層區以及第二介金屬層區，可初步地將發光二極體晶片150與基板110之間的位置關係進行預先固定，以利於後續製程的進行。再者，由於預固的反應時間很短，因此發光二極體晶片150不會產生熱應力集中或熱應力殘留的問題。之後，以一第二反應溫度加熱固晶材料層、第一介電層區以及第二介電層區一固化時間，以形成具有第一層區122、第二層區124及第三層區126的金屬材料層120。其中，第二反應溫度例如是介於80℃至120℃，而固化時間為30分鐘至3小時，且加熱的方式可以採用烤箱加熱、熱板加熱或紅外線加熱。上述步驟的目的在於讓固晶材料層的金屬元素或合金元素與第一金屬薄膜層130及第二金屬薄膜層140的元素相互擴散。也就是說，金屬材料層120的第一層區122與第三層區126會隨著第一金屬薄膜層130與第二金屬薄膜層140的材質成分而改變。故，第一金屬薄膜層130與第二金屬薄膜層140的材質可相同或不同，而第一層區122與第三層區126的材質可相同或不同。

經第二反應溫度加熱後形成的第一層區122與第三層區126，可增加金屬材料層與第一金屬薄膜層及第二金屬薄膜層的黏著力，使發光二極體結構具有較佳的結構可靠度，又由於金屬材料層120的第一層區122與第三層區126的熔點高於350℃，因此後續發光二極體結構100使用於高溫（如大於90℃）的環境下時，金屬材料層120亦無軟化的問題，可維持基板110與發光二極體晶片150之間的對位關係，進而使得發光二極體結構100具有較佳的出光效率。再者，金屬材料層120中的第二層區124的熔點高於110℃且低於280℃，相較於習知採用金屬銲接材料的固晶熔點（280℃至320℃）低，因此本實施例的發光二極體結構100不易有熱應力殘留或熱應力集中的問題產生，可具有較佳的結構可靠度。此外，由於在發光二極體晶片150與基板110之間的金屬材料層120、第一金屬薄膜層130以及第二金屬薄膜層140皆為金屬材質，因此本實施例的發光二極體結構100可具有較佳的散熱及導熱效果。

綜上所述，由於本發明的金屬材料層中的第二層區的熔點高於110℃且低於280℃，相較於習知採用金屬銲接材的固晶熔點（280℃至320℃）低，因此本發明的發光二極體結構不易有熱應力殘留或熱應力集中的問題產生，可具有較佳的結構可靠度。再者，由於在發光二極體晶片與基板之間的金屬材料層、第一金屬薄膜層以及第二金屬薄膜層皆為金屬材質，因此本發明的發光二極體結構可具有較佳的散熱及導熱效果。此外，由於本發明的金屬材料層中的第一層區與第三層區的熔點高於350℃，因此後續即使本發明的發光二極體結構使用在高溫(大於90℃)的環境下，金屬材料層也不會出現軟化現象而影響基板與發光二極體晶片的對位精確度。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發光二極體結構
110‧‧‧基板
120‧‧‧金屬材料層
122‧‧‧第一層區
124‧‧‧第二層區
126‧‧‧第三層區
130‧‧‧第一金屬薄膜層
140‧‧‧第二金屬薄膜層
150‧‧‧發光二極體晶片
D1、D2、D3‧‧‧厚度

圖1繪示為本發明的一實施例的一種發光二極體結構的剖面示意圖。

100‧‧‧發光二極體結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧金屬材料層

122‧‧‧第一層區

124‧‧‧第二層區

126‧‧‧第三層區

130‧‧‧第一金屬薄膜層

140‧‧‧第二金屬薄膜層

150‧‧‧發光二極體晶片

D1、D2、D3‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種發光二極體結構，包括： 一基板； 一第一金屬薄膜層，配置於該基板上； 一發光二極體晶片，配置於該基板上， 一第二金屬薄膜層，配置於該發光二極體晶片上；以及 一金屬材料層，配置於該第一金屬薄膜層與該第二金屬薄膜層之間，該金屬材料層的一部分與該第一金屬薄膜層產生一第一共晶接合，該金屬材料層的另一部分與該第二金屬薄膜層產生一第二共晶接合，其中，該金屬材料層的厚度大於該第一金屬薄膜層的厚度以及該第二金屬薄膜層的厚度，且該金屬材料層的熔點低於該第一金屬薄膜層的熔點以及該第二金屬薄膜層的熔點。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該金屬材料層具有一第一層區、一第二層區以及一第三層區，該第一層區包括該第一共晶接合，該第二層區包括該第二共晶接合，該第三層區位於該第一層區與該第二層區之間，該第三層區的熔點高於110℃且低於280℃，而該第一層區的熔點與該第二層區的熔點高於350℃。
3. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體結構，其中該第一層區為一第一介金屬層區，該第一介金屬層區的材質至少包含該第一金屬薄膜層所包含的一材質。
4. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體結構，其中該第一介金屬層區的材質更至少包含括該第三層區所包含的一材質。
5. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體結構，其中該第二層區為一第二介金屬層區，該第二介金屬層區的材質至少包含該第二金屬薄膜層所包含的一材質。
6. 如申請專利範圍第5項所述的發光二極體結構，其中該第二介金屬層區的材質更至少包含該第三層區所包含的一材質。
7. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體結構，其中該第三層區包括一鉍層或一錫層。
8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該第一金屬薄膜層的材質或該第二金屬薄膜層的材質包括銀、金、鎳或銅。
9. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該金屬材料層的厚度介於0.5微米至5微米之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該第一金屬薄膜層的厚度或該第二金屬薄膜層的厚度介於0.3微米至3微米之間。