TWI620352B - 覆晶發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種覆晶發光二極體及其製造方法。在覆晶發光二極體中，發光二極體結構包含絕緣導熱層設於其第二接觸金屬層上。第一介電層覆蓋發光二極體結構。第一金屬內連線、第二金屬內連線及導熱線設於第一介電層中且分別與發光二極體結構之第一接觸金屬層、第二接觸金屬層及絕緣導熱層連接。第二介電層覆蓋第一介電層。第一接合墊結構、第二接合墊結構及散熱墊結構設於第二介電層中且彼此分離，並分別與第一金屬內連線、第二金屬內連線及導熱線連接。第一接合墊結構、第二接合墊結構及散熱墊結構分別設於電路板之第一電極、第二電極及散熱電極上。

Description

覆晶發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種覆晶發光二極體及其製造方法。
近年來，發光二極體(LEDs)在照明器具上之應用越來越廣泛。隨著發光二極體之發光效率的提升與其製造成本的下降，發光二極體在照明裝置的應用已逐年升高。雖然發光二極體之光電轉換效率隨著技術的發展而逐年提升，然而近年來進步的幅度似乎逐漸縮小。針對目前白光發光二極體所使用之氮化鎵材料，其電能轉換為光能的效率約為40%，這意味著有60%的輸入電能被轉換為熱能。舉例而言，一般家用之12Watt的發光二極體球泡燈，有超過7Watt的熱功率必須由燈具內之發光二極體點狀光源散佈到燈體的外殼。因此，隨著燈具之瓦數的增加，所產生之熱功率更高，如此將成為燈具系統之穩定性與壽命的瓶頸。
請參照圖1，其係繪示一種傳統發光二極體封裝結構的剖面示意圖。此傳統發光二極體封裝結構100包含發 光二極體110、固晶膠120、導線架130、錫膏140、金屬基印刷電路板(MCPCB)150、以及散熱鰭片160。發光二極體110主要可包含基板112、N型半導體層114、主動層116、P型半導體層118、N型電極114a、以及P型電極118a。N型半導體層114設於基板112上，主動層116設於部分之N型半導體層114上，P型半導體層118設於主動層116上。N型電極114a設於另一部分之N型半導體層114上，P型電極118a則設於P型半導體層118上。固晶膠120黏設於基板112與導線架130之間，以將發光二極體110固定在導線架130上。導線架130具有二電極132與134。發光二極體110之N型電極114a與P型電極118a分別透過二導線114b與118b而與導線架130之電極132與134電性連接。
金屬基印刷電路板150包含金屬基板152、絕緣層154、以及二金屬電極156。絕緣層154設於金屬基板152上，二金屬電極156則設於絕緣層154上。利用二錫膏140分別將金屬基印刷電路板150之二金屬電極156與導電架130之電極132和134接合，藉以將發光二極體110接合在金屬基印刷電路板150上。散熱鰭片160設置在金屬基板152之相對於絕緣層154的另一側。
在發光二極體封裝結構100中，金屬基印刷電路板150之絕緣層154擔負電流路徑與熱流路徑分離之主要功能，其中熱流會通過此絕緣層154而到達金屬基印刷電路板150之金屬基板152，再藉由散熱鰭片160將熱功率散逸到環境中。一般而言，發光二極體封裝結構100主要的熱阻 來源有三個：(1)發光二極體110之基板112、(2)固晶膠120、以及(3)金屬基印刷電路板150之絕緣層154。經實驗結果得知，固晶膠120的熱阻遠大於發光二極體110之基板112的熱阻或金屬基印刷電路板150之絕緣層154的熱阻。
由上述說明可知，傳統發光二極體封裝結構100的高熱阻主要來自於固晶膠120。為了解決傳統發光二極體封裝結構100之熱阻問題，提出了覆晶技術。請參照圖2，其係繪示一種傳統覆晶式發光二極體封裝結構的剖面示意圖。覆晶式發光二極體封裝結構200主要包含發光二極體210、陶瓷基板220、錫膏230、金屬基印刷電路板240、以及散熱鰭片250。
發光二極體210主要可包含基板212、N型半導體層214、主動層216、P型半導體層218、以及P型金屬反射鏡218a。N型半導體層214設於基板212上，主動層216設於部分之N型半導體層214上，P型半導體層218設於主動層216上，P型金屬反射鏡218a設於大部分的P型半導體層218上。陶瓷基板220包含陶瓷板222、以及二電極224與226，其中電極224與226從陶瓷板222之一表面上分別經由貫穿陶瓷板222之二通孔222a與222b延伸穿過陶瓷板222而至陶瓷板222之相對的另一表面上。
在覆晶式發光二極體封裝結構200中，發光二極體210更包含介電層260覆蓋在P型金屬反射鏡218a、以及暴露出之N型半導體層214、主動層216與P型半導體層上。介電層260中形成有二開孔260a與260b，其中開孔260a 與260b貫穿介電層260而分別暴露出部分之N型半導體層214與部分之金屬反射鏡218a。發光二極體210進一步包含N型電極262與P型電極264，其中N型電極262與P型電極264位於介電層206上且分別穿設於開孔260a與260b中，而與N型半導體層214之暴露部分以及金屬反射鏡218a之暴露部分接觸。發光二極體210翻轉倒覆而使N型電極262與P型電極264朝向下方之陶瓷基板220，再利用共金(eutectic)方式分別結合N型電極262及P型電極264與陶瓷基板220之電極224及226。
金屬基印刷電路板240包含金屬基板242、絕緣層244、以及二金屬電極246與248。絕緣層244設於金屬基板242上，二金屬電極246與248則設於絕緣層244上。利用二錫膏230分別將金屬基印刷電路板240之二金屬電極246及248與陶瓷基板220之電極224及226接合，藉以將發光二極體210接合在金屬基印刷電路板240上。散熱鰭片250設置在金屬基板242之相對於絕緣層244的另一側。
在覆晶式發光二極體封裝結構200中，由於發光之主動層216非常靠近發光二極體210的表面(一般小於0.5μm)，故主動層216無法轉換電功率為光功率而產生之熱功率270，即可從發光二極體210表面之P型金屬反射鏡218a，經由延伸穿過介電層260而至介電層260之一表面上的電極226垂直傳導至陶瓷基板220之電極226。從主動層216至陶瓷基板220之電極226的熱傳導路徑全部由金屬構成，因此可以有效降熱傳導路徑之熱阻，而將主動層216之 熱功率270順利導出到陶瓷基板220之上表面。接著藉由陶瓷基板220之電極226與陶瓷板222將熱功率270沿水平方向傳導後，再從電極224位於通孔222a的部分與電極226位於通孔222b的部分垂直傳導至錫膏230，接著經由錫膏230與金屬基印刷電路板240之絕緣層244而傳導至金屬基板242，再藉由散熱鰭片250將熱功率270散逸到環境中。
在一示範例子中，覆晶式發光二極體封裝結構200之總熱阻約為傳統發光二極體封裝結構100的三分之一。覆晶式發光二極體封裝結構200擁有較佳之熱傳導結構，而具有較佳之散熱性能。由於散熱性能的提升，給了增加覆晶式發光二極體封裝結構200之驅動電流的空間，因此可大幅增加覆晶式發光二極體封裝結構200的驅動電流密度。然而，增大驅動電流之後，導致覆晶式發光二極體封裝結構200之接面溫度(junction termperature)升高，而與傳統發光二極體封裝結構100相近。
因此，亟需一種發光二極體結構，可提升其驅動電流，又可降低接面溫度。
因此，本發明之一目的就是在提供一種覆晶發光二極體，其具有電熱分離結構，而具有優異的散熱效能。故，此覆晶發光二極體可使用在更狹小、且更高功率需求的應用上。
本發明之另一目的是在提供一種覆晶發光二極體及其製造方法，其包含絕緣導熱層、以及雙層金屬內連線結構，其中絕緣導熱層可將第二導電型半導體層的熱功率導出，雙層金屬內連線結構可將熱功率從絕緣導熱層導出到發光二極體結構之表面的散熱墊結構。這樣的散熱路徑可達成熱電分離的效果，可提高覆晶發光二極體的散熱能力。
本發明之又一目的是在提供一種覆晶發光二極體及其製造方法，其電路板之載板的散熱電極可從載板之正面穿過載板而延伸至背面，因此散熱電極可將散熱墊結構的熱功率導出至載板之背面或載板。由於散熱電極可將熱功率傳導至載板背面，因此不僅可提升覆晶發光二極體的散熱性能，更可擴大載板之材料的選擇性。此外，熱電分離之發光二極體結構與穿孔電路板的搭配，可將發光二極體結構之熱功率直接往下傳導，因此覆晶發光二極體之熱傳導特性與水平方向之排列緊密度的關聯性極低，因此在應用上可做較緊密的排列。故，覆晶發光二極體的散熱較佳化可使其應用在更狹小且更高功率的照明系統上。
根據本發明之上述目的，提出一種覆晶發光二極體。此覆晶發光二極體包含發光二極體結構、第一介電層、至少一第一金屬內連線、至少一第二金屬內連線、至少一導熱線、第二介電層、至少一第一接合墊結構、至少一第二接合墊結構、至少一散熱墊結構、以及電路板。發光二極體結構包含基板、第一導電型半導體層、主動層、第二導電型半導體層、第一接觸金屬層、第二接觸金屬層、以及絕緣 導熱層。第一導電型半導體層設於基板上。主動層設於第一導電型半導體層之第一部分上。第二導電型半導體層設於主動層上。第一接觸金屬層設於第一導電型半導體層之第二部分上。第二接觸金屬層設於第二導電型半導體層上。絕緣導熱層設於第二接觸金屬層之第一部分上。第一介電層覆蓋發光二極體結構，其中第一介電層包含至少一第一開孔暴露出部分之第一接觸金屬層、至少一第二開孔暴露出部分之第二接觸金屬層、以及至少一第三開孔暴露出部分之絕緣導熱層。前述之第一金屬內連線、第二金屬內連線、以及導熱線分別填充前述之第一開孔、第二開孔、以及第三開孔。第二介電層覆蓋前述之第一介電層、第一金屬內連線、第二金屬內連線、以及導熱線，其中此第二介電層包含至少一第四開孔暴露出部分之第一金屬內連線、至少一第五開孔暴露出部分之第二金屬內連線、以及至少一第六開孔暴露出部分之導熱線。前述之第一接合墊結構、第二接合墊結構、以及散熱墊結構彼此分離且分別自第四開孔、第五開孔、以及第六開孔延伸至第二介電層之一表面上。電路板包含載板，以及設於載板之第一表面上且彼此分離之第一電極、第二電極、以及散熱電極，其中前述之第一接合墊結構、第二接合墊結構、以及散熱墊結構分別設於第一電極、第二電極、以及散熱電極上。
依據本發明之一實施例，上述之絕緣導熱層之熱阻低於第一金屬內連線、第二金屬內連線、以及導熱線之熱阻。
依據本發明之一實施例，上述之絕緣導熱層之材料為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、或氧化鎂(MgO)。
依據本發明之一實施例，上述之載板為陶瓷板、印刷電路板、或積體電路封裝載板。
依據本發明之一實施例，上述之載板更包含第二表面相對於第一表面，且載板具有貫穿孔由第一表面延伸至第二表面，散熱墊結構由第一表面經由貫穿孔延伸於第二表面上。
依據本發明之一實施例，上述之電路板為金屬基印刷電路板，且電路板更包含絕緣層設於載板之第一表面上，其中絕緣層包含通孔暴露出載板之第一表面的一部分，上述之第一接合墊結構與第二接合墊結構位於絕緣層之表面上，散熱墊結構由絕緣層之此表面經由通孔而與載板之第一表面之暴露部分接觸。
根據本發明之上述目的，另提出一種覆晶發光二極體之製造方法。在此覆晶發光二極體之製造方法中，形成發光二極體結構。在形成發光二極體結構之步驟中，形成第一導電型半導體層於基板上，形成主動層於第一導電型半導體層之第一部分上，形成第二導電型半導體層於主動層上，形成第一接觸金屬層於第一導電型半導體層之第二部分上，形成第二接觸金屬層於第二導電型半導體層上，以及形成絕緣導熱層於第二接觸金屬層之第一部分上。形成第一介電層覆蓋發光二極體結構，其中形成第一介電層之步驟包含 形成至少一第一開孔暴露出部分之第一接觸金屬層、至少一第二開孔暴露出部分之第二接觸金屬層、以及至少一第三開孔暴露出部分之絕緣導熱層。形成至少一第一金屬內連線、至少一第二金屬內連線、以及至少一導熱線分別填充前述之第一開孔、第二開孔、以及第三開孔。形成第二介電層覆蓋前述之第一介電層、第一金屬內連線、第二金屬內連線、以及導熱線。其中，形成第二介電層之步驟包含形成至少一第四開孔暴露出部分之第一金屬內連線、至少一第五開孔暴露出部分之第二金屬內連線、以及至少一第六開孔暴露出部分之導熱線。形成彼此分離之至少一第一接合墊結構、至少一第二接合墊結構、以及至少一散熱墊結構分別自前述之第四開孔、第五開孔、以及第六開孔延伸至第二介電層之一表面上。提供電路板，其中此電路板包含載板，以及設於載板之第一表面上且彼此分離之第一電極、第二電極、以及散熱電極。將前述之第一接合墊結構、第二接合墊結構、以及散熱墊結構分別設於第一電極、第二電極、以及散熱電極上。
依據本發明之一實施例，上述形成第二接觸金屬層之步驟包含形成歐姆接觸金屬層於第二導電型半導體層上、以及形成擴散阻障層包覆歐姆接觸金屬層。
依據本發明之一實施例，上述之擴散阻障層之材料為鉑(Pt)、鈦鎢(TiW)、氮化鈦(TiN)或其組合。
依據本發明之一實施例，上述之絕緣導熱層之熱阻低於第一金屬內連線、第二金屬內連線、以及導熱線之熱阻。
依據本發明之一實施例，上述之絕緣導熱層之材料為氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、或氧化鎂。
依據本發明之一實施例，上述形成第一開孔、第二開孔、以及第三開孔之步驟均包含形成互相連通之第一介層窗開口以及第一溝渠。上述形成第四開孔、第五開孔、以及六開孔之步驟均包含形成第二介層窗開口。這些第一介層窗開口與第二介層窗開口之位置錯開。
依據本發明之一實施例，上述之載板為陶瓷板、印刷電路板、或積體電路封裝載板。
依據本發明之一實施例，上述之載板更包含第二表面相對於第一表面，且載板包含貫穿孔由第一表面延伸至第二表面，上述之散熱墊結構由第一表面經由貫穿孔延伸於第二表面上。
依據本發明之一實施例，上述之電路板為金屬基印刷電路板，且電路板更包含絕緣層設於載板之第一表面上，其中絕緣層包含通孔暴露出載板之第一表面的一部分，上述之第一電極與第二電極位於絕緣層之一表面上，散熱電極由絕緣層之此表面經由通孔而與載板之第一表面之暴露部分接觸。
100‧‧‧發光二極體封裝結構
110‧‧‧發光二極體
112‧‧‧基板
114‧‧‧N型半導體層
114a‧‧‧N型電極
114b‧‧‧導線
116‧‧‧主動層
118‧‧‧P型半導體層
118a‧‧‧P型電極
118b‧‧‧導線
120‧‧‧固晶膠
130‧‧‧導線架
132‧‧‧電極
134‧‧‧電極
140‧‧‧錫膏
150‧‧‧金屬基印刷電路板
152‧‧‧金屬基板
154‧‧‧絕緣層
156‧‧‧金屬電極
160‧‧‧散熱鰭片
200‧‧‧覆晶式發光二極體封裝結構
210‧‧‧發光二極體
212‧‧‧基板
214‧‧‧N型半導體層
216‧‧‧主動層
218‧‧‧P型半導體層
218a‧‧‧P型金屬反射鏡
220‧‧‧陶瓷基板
222‧‧‧陶瓷板
222a‧‧‧通孔
222b‧‧‧通孔
224‧‧‧電極
226‧‧‧電極
230‧‧‧錫膏
240‧‧‧金屬基印刷電路板
242‧‧‧金屬基板
244‧‧‧絕緣層
246‧‧‧金屬電極
248‧‧‧金屬電極
250‧‧‧散熱鰭片
260‧‧‧介電層
260a‧‧‧開孔
260b‧‧‧開孔
262‧‧‧N型電極
264‧‧‧P型電極
270‧‧‧熱功率
300‧‧‧覆晶發光二極體
300a‧‧‧覆晶發光二極體
310‧‧‧發光二極體結構
312‧‧‧基板
314‧‧‧第一導電型半導體層
314a‧‧‧第一部分
314b‧‧‧第二部分
316‧‧‧主動層
318‧‧‧第二導電型半導體層
320‧‧‧第一接觸金屬層
322‧‧‧第二接觸金屬層
322’‧‧‧第一部分
322”‧‧‧第二部分
322a‧‧‧歐姆接觸金屬層
322b‧‧‧擴散阻障層
324‧‧‧絕緣導熱層
330‧‧‧第一介電層
330a‧‧‧第一開孔
330b‧‧‧第二開孔
330c‧‧‧第三開孔
332a‧‧‧介層窗開口
332b‧‧‧溝渠
334a‧‧‧介層窗開口
334b‧‧‧溝渠
336a‧‧‧介層窗開口
336b‧‧‧溝渠
340‧‧‧第一金屬內連線
340a‧‧‧介層窗
340b‧‧‧接合墊
350‧‧‧第二金屬內連線
350a‧‧‧介層窗
350b‧‧‧接合墊
360‧‧‧導熱線
360a‧‧‧介層窗
360b‧‧‧導熱墊
370‧‧‧第二介電層
370a‧‧‧第四開孔
370b‧‧‧第五開孔
370c‧‧‧第六開孔
372‧‧‧表面
380‧‧‧第一接合墊結構
382‧‧‧介層窗
384‧‧‧接合墊
390‧‧‧第二接合墊結構
392‧‧‧介層窗
394‧‧‧接合墊
400‧‧‧散熱墊結構
402‧‧‧介層窗
404‧‧‧散熱墊
410‧‧‧電路板
412‧‧‧載板
412’‧‧‧貫穿孔
412a‧‧‧第一表面
412b‧‧‧第二表面
414‧‧‧第一電極
416‧‧‧第二電極
418‧‧‧散熱電極
420‧‧‧電路板
422‧‧‧載板
422a‧‧‧第一表面
422b‧‧‧第二表面
424‧‧‧絕緣層
424a‧‧‧通孔
424b‧‧‧表面
426‧‧‧第一電極
428‧‧‧第二電極
430‧‧‧散熱電極
500‧‧‧步驟
502‧‧‧步驟
504‧‧‧步驟
506‧‧‧步驟
508‧‧‧步驟
510‧‧‧步驟
512‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 〔圖1〕係繪示一種傳統發光二極體封裝結構的剖面示意圖；〔圖2〕係繪示一種傳統覆晶式發光二極體封裝結構的剖面示意圖；〔圖3〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體；〔圖4〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體；以及〔圖5A〕至〔圖5D〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體之製程剖面圖；以及〔圖6〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體之製作流程圖。
請參照圖3，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體。覆晶發光二極體300係以覆晶封裝方式所形成，且具有熱電分離之結構。在一些實施例中，覆晶發光二極體300主要可包含發光二極體結構310、第一介電層330、至少一第一金屬內連線340、至少一第二金屬內連線350、至少一導熱線360、第二介電層370、至少一第一接合墊結構380、至少一第二接合墊結構390、至少一散熱墊結構400、以及電路板410。
在一些實施例中，如圖3所示，發光二極體結構310主要可包含基板312、第一導電型半導體層314、主動 層316、第二導電型半導體層318、第一接觸金屬層320、第二接觸金屬層322、以及絕緣導熱層324。基板312為透明基板，例如藍寶石基板。
第一導電型半導體層314、主動層316、以及第二導電型半導體層318可例如為磊晶結構。第一導電型半導體層314設於基板312上。第一導電型半導體層314之材料可例如為Ⅲ-V族化合物半導體。第一導電型半導體層314可具有第一部分314a與第二部分314b。主動層316設於第一導電型半導體層314之第一部分314a上，因而使第一導電型半導體層314之第二部分314b暴露出。舉例而言，主動層316可包含互相堆疊之數層半導體層。在一些示範實施例中，主動層316可包含多重量子井(MQW)結構。第二導電型半導體層318設於主動層316上。第二導電型半導體層318之材料可例如為Ⅲ-V族化合物半導體。
在發光二極體結構310中，第一導電型半導體層314與第二導電型半導體層318具有不同導電型。第一導電型半導體層314與第二導電型半導體層318之一者可例如為N型，另一者則可例如為P型。在一些示範實施例中，第一導電型半導體層314為N型，第二導電型半導體層318為P型。
請再次參照圖3，第一接觸金屬層320設於第一導電型半導體層314被暴露出之第二部分314b的一部分上，且與主動層316及第二導電型半導體層318相隔一段距 離。第一接觸金屬層320較佳係與第一導電型半導體層314形成電性歐姆接觸。
第二接觸金屬層322設於第二導電型半導體層318上。第二接觸金屬層322與第二導電型半導體層318形成電性歐姆接觸。在一些實施例中，第二接觸金屬層322亦可作為金屬鏡面層，且第二接觸金屬層322位於絕大部分之第二導電型半導體層318上，以利將主動層316所發出之光朝基板312的方向反射。在一些示範實施例中，第二接觸金屬層322可包含歐姆接觸金屬層322a以及擴散阻障層322b。歐姆接觸金屬層322a位於第二導電型半導體層318上，且較佳係具有高光學反射率，以利將第二導電型半導體層318之出射光朝基板312的方向有效反射。歐姆接觸金屬層322a之材料可例如為銀。擴散阻障層322b則包覆住歐姆接觸金屬層322a，以避免歐姆接觸金屬層322a因後續製程的溫度而擴散，進而可避免影響歐姆接觸金屬層322a與第二導電型半導體層318之間的接觸阻抗以及歐姆接觸金屬層322a的反射率。舉例而言，擴散阻障層322b之材料可為鉑、鈦鎢、氮化鈦或上述材料的堆疊組合。擴散阻障層322b亦可在覆晶發光二極體300操作時防止電流引起之第二接觸金屬層322的電致遷移(electro-migration)效應，其中電致遷移會導致覆晶發光二極體300失效。第二接觸金屬層322可具有極低之片電阻，因此可提升電洞流(hole current)在水平方向之擴散能力。
如圖3所示，第二接觸金屬層322具有第一部分322’與第二部分322”。絕緣導熱層324設於第二接觸金屬層322的第一部分322’上，而暴露出第二接觸金屬層322之第二部分322”，以利第一金屬內連線340與第二接觸金屬層322接合。絕緣導熱層324之主要目的在於分離熱流與電流之路徑，而使發光二極體結構310內部形成熱電分離機制。絕緣導熱層324之材質的必須同時考量其熱傳導率與電性之絕緣。另外，由於絕緣導熱層324與大部分之第二接觸金屬層322接觸，因此絕緣導熱層324至少必須提供與一般絕緣層，例如二氧化矽層相當之絕緣特性。在一些示範實施例中，絕緣導熱層324在5V的逆偏壓下對於1mm2面積產生之漏電流低於0.01μA。絕緣導熱層324可為高熱傳導係數之絕緣陶瓷。舉例而言，絕緣導熱層324可為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、或氧化鎂(MgO)。
第一介電層330覆蓋發光二極體結構310，即第一介電層330覆蓋在發光二極體結構310之絕緣導熱層324、第二接觸金屬層322之暴露部分、第一接觸金屬層320之暴露部分、以及主動層316之暴露部分上，以絕緣第一接觸金屬層320與第二接觸金屬層322。第一介電層330亦可稱為層間介電(ILD)層。舉例而言，第一介電層330之材料可為二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、或二氧化鈦(TiO2)/二氧化矽。
在一些實施例中，如圖3所示，第一介電層330包含至少一第一開孔330a、至少一第二開孔330b、以及至 少一第三開孔330c，此三者均貫穿第一介電層330，分別暴露出部分之第一接觸金屬層320、部分之第二接觸金屬層322、以及部分之絕緣導熱層324。
第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360分別填充第一開孔330a、第二開孔330b、以及第三開孔330c。在一些實施例中，第一金屬內連線340包含互相接合之介層窗340a與接合墊340b，第二金屬內連線350包含互相接合之介層窗350a與接合墊350b，導熱線360包含互相接合之介層窗360a與導熱墊360b。第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360之材料可相同。在特定例子中，第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360可由不同材料所構成。舉例而言，第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360之材料可為鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鋁(Al)、金(Au)、或鉑(Pt)。
在一些示範例子中，第一金屬內連線340為N型金屬內連線，第二金屬內連線350為P型金屬內連線，第一金屬內連線340之接合墊340b占覆晶發光二極體300大部分的面積，以供電子流散布用，藉此與第二接觸金屬層322之電洞流散布達成平衡。利用上下之第一金屬內連線340之接合墊340b與第二接觸金屬層322分別散布電子流與電洞流，可使覆晶發光二極體300具有優異之電流散布能力，而可提升發光層316之電流密度的均勻度，進而可降低覆晶發 光二極體300的操作電壓，提升覆晶發光二極體300之發光效率。
請再次參照圖3，第二介電層370覆蓋第一介電層330、第一金屬內連線340之接合墊340b、第二金屬內連線350之接合墊350b、以及導熱線360之導熱墊360b。第二介電層370亦可稱為層間介電層。舉例而言，第二介電層370之材料可為二氧化矽、氮化矽、或二氧化鈦/二氧化矽。
在一些實施例中，第二介電層370包含至少一第四開孔370a、至少一第五開孔370b、以及至少一第六開孔370c，此三者均貫穿第二介電層370，其中第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c分別暴露出第一金屬內連線340之接合墊340b的一部分、第二金屬內連線350之接合墊350b的一部分、以及導熱線360之導熱墊360b的一部分。第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c亦可稱為介層窗開口。
第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別填入第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c並延伸至第二介電層370之表面372上，且彼此分離。在一些實施例中，如圖3所示，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別包含介層窗382與接合墊384、介層窗392與接合墊394、以及介層窗402與散熱墊404，其中介層窗382、392以及402分別填充在第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c中，接合墊384與394、以及散熱墊404則均 位於第二介電層370之表面372上。第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400之材料可相同。在特定例子中，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400可由不同材料所構成。舉例而言，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400之材料可為鈦、鎳、鉻、鋁、金、金錫合金(Au：Sn)或鉑。
在一些示範實施例中，第二介電層370中之第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c的位置與第一介電層330中之第一開孔330a、第二開孔330b、以及第三開孔330c之介層窗開口的位置錯開。由於對應位於第一介電層330中之介層窗開口上之接合墊340b、接合墊350b、以及導熱墊360b可能為不平坦區，因此第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c與第一介電層330中之介層窗開口的位置錯開可避免第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400形成不可預期的斷裂。
電路板410包含載板412、第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418。載板412可為陶瓷板、印刷電路板、或積體電路封裝載板，其中陶瓷板之材料可例如為氧化鋁或氮化鋁，積體電路封裝載板可例如為BT樹脂(bismaleimide triazine resin)基板、ABF基板(Ajinomoto build-up film)或模封樹酯銅導線基板(copper connection in molding，C2iM)。載板412具有彼此相對之第一表面412a與第二表面412b。
第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418設於載板412之第一表面412a上，且彼此分離。第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418可由相同材料所構成，或者可由不同材料所構成。第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418可為金屬。此外，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別設於第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418上，且接合墊384與394、以及散熱墊404分別與第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418接合。在一些示範實施例中，如圖3所示，載板412具有貫穿孔412’，其中貫穿孔412’由載板412之第一表面412a延伸至第二表面412b。而且，散熱電極418於載板412之第一表面412a經由貫穿孔412’而延伸於第二表面412b上。舉例而言，散熱電極418位於第一表面412a的一部分上，且穿過貫穿孔412’，而延伸在大部分之第二表面412b，以提升散熱電極418的散熱效能。
請再次參照圖3，這樣的結構設計可在電路板410之正面與背面形成電與熱分離的構造，因此覆晶發光二極體300可使發光二極體之照明系統的散熱設計較為簡單，且熱阻極低，故不僅可增加照明系統的穩定性與操作壽命，更可簡化散熱機構的設計，進而可節省照明系統的製作成本。
請參照圖4，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體。本實施方式之覆晶發光二極體300a的架構大致上與上述實施方式之覆晶發光二極體300 的架構相同，二者的差異在於覆晶發光二極體300a之電路板420不同於覆晶發光二極體300之電路板410。
在覆晶發光二極體300a中，電路板420為金屬基印刷電路板。在一些示範實施例中，電路板420主要包含載板422、絕緣層424、第一電極426、第二電極428、以及散熱電極430。第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別設於第一電極426、第二電極428、以及散熱電極430上，且接合墊384與394、以及散熱墊404分別與第一電極426、第二電極428、以及散熱電極430接合。
載板422為金屬板。載板422具有相對之第一表面422a與第二表面422b。絕緣層424設於載板422之第一表面422a上。絕緣層424包含通孔424a，其中通孔424a貫穿絕緣層424而暴露出載板422之第一表面422a的一部分。第一電極426、第二電極428、以及散熱電極430位於絕緣層424之表面424a上，且彼此分離。此外，散熱電極430從絕緣層424之表面424b經由通孔424a而與載板422之第一表面422a的暴露部分接觸。如此，熱功率可藉由載板422，而傳導至外界環境。
請參照圖5A至圖5D與圖6，其中圖5A至圖5D係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體之製程剖面圖，圖6係繪示依照本發明之一實施方式的一種覆晶發光二極體之製作流程圖。製作如圖3所示之覆晶發光二極體300時，可先進行步驟500，以形成發光二極體結構 310。在一些實施例中，形成發光二極體結構310之步驟包含利用例如磊晶方式形成第一導電型半導體層314於基板312上、形成主動層316於第一導電型半導體層314上、以及形成第二導電型半導體層318於主動層316上。並利用例如微影與蝕刻製程，圖案化第二導電型半導體層318、主動層316、以及第一導電型半導體層314，而移除部分之第二導電型半導體層318、部分之主動層316、以及部分之第一導電型半導體層314，而使主動層316位於第一導電型半導體層314之第一部分314a上、第一導電型半導體層314之第二部分314b暴露出、以及第二導電型半導體層318設於主動層316上。此微影製程可利用例如正光阻，蝕刻製程可例如為乾蝕刻製程。
接下來，形成第二接觸金屬層322於第二導電型半導體層318上，並使第二導電型半導體層318與第二導電型半導體層318形成電性歐姆接觸。第二接觸金屬層322亦可作為金屬鏡面層，且位於絕大部分之第二導電型半導體層318上。在一些示範實施例中，在形成第二接觸金屬層322之步驟中，可先形成歐姆接觸金屬層322a於第二導電型半導體層318上，再利用例如蒸鍍方式形成擴散阻障層322b包覆住歐姆接觸金屬層322a。歐姆接觸金屬層322a較佳係形成以具有高光學反射率。擴散阻障層322b可避免歐姆接觸金屬層322a擴散，而可避免影響歐姆接觸金屬層322a與第二導電型半導體層318之間的接觸阻抗及歐姆接觸金屬層322a的反射率。
並且，形成第一接觸金屬層320於第一導電型半導體層314之第二部分314b的一部分上，且使第一接觸金屬層320與主動層316及第二導電型半導體層318相隔一段距離。可利用例如負光阻搭配浮離(lift-off)技術來製作第一接觸金屬層320。
第二接觸金屬層322具有第一部分322’與第二部分322”。於形成發光二極體結構310之步驟中，接下來形成絕緣導熱層324於第二接觸金屬層之第一部分322’上，而暴露出第二接觸金屬層322之第二部分322”。
請同時參照圖5B與圖6，進行步驟502，以形成第一介電層330覆蓋發光二極體結構310之絕緣導熱層324、第二接觸金屬層322之暴露部分、第一接觸金屬層320之暴露部分、以及主動層316之暴露部分上，以絕緣第一接觸金屬層320與第二接觸金屬層322。形成第一介電層330時更包含利用例如微影與蝕刻製程，形成至少一第一開孔330a、至少一第二開孔330b、以及至少一第三開孔330c貫穿第一介電層330。第一開孔330a、第二開孔330b、以及第三開孔330c分別暴露出部分之第一接觸金屬層320、部分之第二接觸金屬層322、以及部分之絕緣導熱層324。第一開孔330a、第二開孔330b、以及第三開孔330c形成以分別包含互相連通之介層窗開口332a與溝渠332b、介層窗開口334a與溝渠334b、以及介層窗開口336a與溝渠336b。此微影製程可利用例如正光阻，蝕刻製程可例如為乾蝕刻製程。
請再次參照圖5B，進行步驟504，以形成第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360分別填充第一開孔330a、第二開孔330b、以及第三開孔330c。在一些實施例中，第一金屬內連線340形成以包含互相接合之介層窗340a與接合墊340b，第二金屬內連線350形成以包含互相接合之介層窗350a與接合墊350b，導熱線360形成以包含互相接合之介層窗360a與導熱墊360b。介層窗340a、350a、以及360a分別填入介層窗開口332a、334a、以及336a，接合墊340b與350b、以及導熱墊360b則分別填入溝渠332b、334b、以及336b且彼此分開。因此，第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360分別與第一接觸金屬層320、第二接觸金屬層322、以及絕緣導熱層324連接。舉例而言，可利用例如負光阻搭配浮離技術來製作第一金屬內連線340、第二金屬內連線350、以及導熱線360。
請同時參照圖5C與圖6，進行步驟506，以形成第二介電層370覆蓋第一介電層330、第一金屬內連線340之接合墊340b、第二金屬內連線350之接合墊350b、以及導熱線360之導熱墊360b。形成第二介電層370時更包含利用例如微影與蝕刻製程，形成至少一第四開孔370a、至少一第五開孔370b、以及至少一第六開孔370c貫穿第二介電層370。第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c分別暴露出第一金屬內連線340之接合墊340b的一部分、第二金屬內連線350之接合墊350b的一部分、以及導熱線360 之導熱墊360b的一部分。此微影製程可利用例如正光阻，蝕刻製程可例如為乾蝕刻製程。在一些示範實施例中，形成第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c時較佳係使這些開孔的位置與第一介電層330中之介層窗開口332a、334a、以及336a的位置錯開。
請再次參照圖5C，進行步驟508，以形成彼此分離之第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400。在一些實施例中，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400形成以分別包含互相連接之介層窗382與接合墊384、互相連接之介層窗392與接合墊394、以及互相連接之介層窗402與散熱墊404，其中介層窗382、392以及402分別填充在第四開孔370a、第五開孔370b、以及第六開孔370c中，而接合墊384與394、以及散熱墊404則均位於第二介電層370之表面372上。因此，第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別與第一金屬內連線340之接合墊340b、第二金屬內連線350之接合墊350b、以及導熱線360之導熱墊360b連接。舉例而言，可利用例如負光阻搭配浮離技術來製作第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400。
請參照圖5D，進行步驟510，以提供電路板410，其中電路板410包含載板412、第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418。載板412具有彼此相對之第一表面412a與第二表面412b。第一電極414、第二電極416、 以及散熱電極418設於載板412之第一表面412a上，且彼此分離。第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418為金屬電極。在一些示範實施例中，載板412具有貫穿孔412’，其中貫穿孔412’由載板412之第一表面412a延伸至第二表面412b。此外，散熱電極418形成於載板412之第一表面412a且經由貫穿孔412’而延伸於第二表面412b上。舉例而言，散熱電極418延伸在大部分之第二表面412b，藉此提升散熱電極418的散熱效能。
請再次參照圖5D，進行步驟512，以將發光二極體結構310翻轉倒覆於電路板410上，並使第一接合墊結構380、第二接合墊結構390、以及散熱墊結構400分別設於第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418上，且使接合墊384與394、以及散熱墊404分別與第一電極414、第二電極416、以及散熱電極418接合。藉此，可大致完成覆晶發光二極體300的製作。舉例而言，可利用例如錫膏製程或助銲劑共金(flux eutectic)製程結合發光二極體結構310與電路板410。在另一些實施例中，發光二極體結構310可接合在圖4所示之電路板420上，而形成如圖4所示之覆晶發光二極體300a。
由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之覆晶發光二極體具有電熱分離結構，而具有優異的散熱效能。故，此覆晶發光二極體可使用在更狹小、且更高功率需求的應用上。
由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之覆晶發光二極體包含絕緣導熱層、以及雙層金屬內連線結構，且絕緣導熱層可將第二導電型半導體層的熱功率導出，雙層金屬內連線結構可將熱功率從絕緣導熱層導出到發光二極體結構之表面的散熱墊結構。因此，這樣的散熱路徑可達成熱電分離的效果，可提高覆晶發光二極體的散熱能力。
由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為本發明之覆晶發光二極體之電路板之載板的散熱電極可從載板之正面穿過載板而延伸至背面，因此散熱電極可將散熱墊結構的熱功率導出至載板之背面或載板。由於散熱電極可將熱功率傳導至載板背面，因此不僅可提升覆晶發光二極體的散熱性能，更可擴大載板之材料的選擇性。此外，熱電分離之發光二極體結構與穿孔電路板的搭配，可將發光二極體結構之熱功率直接往下傳導，因此覆晶發光二極體之熱傳導特性與水平方向之排列緊密度的關聯性極低，因此在應用上可做較緊密的排列。故，覆晶發光二極體的散熱較佳化可使其應用在更狹小且更高功率的照明系統上。
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，任何在此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，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

Claims (15)

  1. 一種覆晶發光二極體，包含：一發光二極體結構，包含：一基板；一第一導電型半導體層，設於該基板上；一主動層，設於該第一導電型半導體層之一第一部分上；一第二導電型半導體層，設於該主動層上；一第一接觸金屬層，設於該第一導電型半導體層之一第二部分上；一第二接觸金屬層，設於該第二導電型半導體層上；以及一絕緣導熱層，設於該第二接觸金屬層之一第一部分上；一第一介電層，覆蓋該發光二極體結構，其中該第一介電層包含至少一第一開孔暴露出部分之該第一接觸金屬層、至少一第二開孔暴露出部分之該第二接觸金屬層、以及至少一第三開孔暴露出部分之該絕緣導熱層；至少一第一金屬內連線、至少一第二金屬內連線、以及至少一導熱線，分別填充該至少一第一開孔、該至少一第二開孔、以及該至少一第三開孔；一第二介電層，覆蓋該第一介電層、該至少一第一金屬內連線、該至少一第二金屬內連線、以及該至少一導熱線，其中該第二介電層包含至少一第四開孔暴露出部分之該至少一第一金屬內連線、至少一第五開孔暴露出部分之 該至少一第二金屬內連線、以及至少一第六開孔暴露出部分之該至少一導熱線；至少一第一接合墊結構、至少一第二接合墊結構、以及至少一散熱墊結構，彼此分離且分別自該至少一第四開孔、該至少一第五開孔、以及該至少一第六開孔延伸至該第二介電層之一表面上；以及一電路板，包含一載板，以及設於該載板之一第一表面上且彼此分離之一第一電極、一第二電極、以及一散熱電極，其中該至少一第一接合墊結構、該至少一第二接合墊結構、以及該至少一散熱墊結構分別設於該第一電極、該第二電極、以及該散熱電極上。
  2. 如申請專利範圍第1項之覆晶發光二極體，其中該絕緣導熱層之熱阻低於該至少一第一金屬內連線、該至少一第二金屬內連線、以及該至少一導熱線之熱阻。
  3. 如申請專利範圍第1項之覆晶發光二極體，其中該絕緣導熱層之材料為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、或氧化鎂(MgO)。
  4. 如申請專利範圍第1項之覆晶發光二極體，其中該載板為一陶瓷板、一印刷電路板、或一積體電路封裝載板。
  5. 如申請專利範圍第1項之覆晶發光二極體，其中該載板更包含一第二表面相對於該第一表面，且該載板具有一貫穿孔由該第一表面延伸至該第二表面，該至少一散熱墊結構由該第一表面經由該貫穿孔延伸於該第二表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項之覆晶發光二極體，其中該電路板為一金屬基印刷電路板，且該電路板更包含一絕緣層設於該載板之該第一表面上，其中該絕緣層包含一通孔暴露出該載板之該第一表面的一部分，該至少一第一接合墊結構與該至少一第二接合墊結構位於該絕緣層之一表面上，該至少一散熱墊結構由該絕緣層之該表面經由該通孔而與該載板之該第一表面之該部分接觸。
  7. 一種覆晶發光二極體之製造方法，包含：形成一發光二極體結構，其中形成該發光二極體結構之步驟包含：形成一第一導電型半導體層於一基板上；形成一主動層於該第一導電型半導體層之一第一部分上；形成一第二導電型半導體層於該主動層上；形成一第一接觸金屬層於該第一導電型半導體層之一第二部分上；形成一第二接觸金屬層於該第二導電型半導體層上；以及 形成一絕緣導熱層於該第二接觸金屬層之一第一部分上；形成一第一介電層覆蓋該發光二極體結構，其中形成該第一介電層之步驟包含形成至少一第一開孔暴露出部分之該第一接觸金屬層、至少一第二開孔暴露出部分之該第二接觸金屬層、以及至少一第三開孔暴露出部分之該絕緣導熱層；形成至少一第一金屬內連線、至少一第二金屬內連線、以及至少一導熱線分別填充該至少一第一開孔、該至少一第二開孔、以及該至少一第三開孔；形成一第二介電層覆蓋該第一介電層、該至少一第一金屬內連線、該至少一第二金屬內連線、以及該至少一導熱線，其中形成該第二介電層之步驟包含形成至少一第四開孔暴露出部分之該至少一第一金屬內連線、至少一第五開孔暴露出部分之該至少一第二金屬內連線、以及至少一第六開孔暴露出部分之該至少一導熱線；形成彼此分離之至少一第一接合墊結構、至少一第二接合墊結構、以及至少一散熱墊結構分別自該至少一第四開孔、該至少一第五開孔、以及該至少一第六開孔延伸至該第二介電層之一表面上；提供一電路板，其中該電路板包含一載板，以及設於該載板之一第一表面上且彼此分離之一第一電極、一第二電極、以及一散熱電極；以及 將該至少一第一接合墊結構、該至少一第二接合墊結構、以及該至少一散熱墊結構分別設於該第一電極、該第二電極、以及該散熱電極上。
  8. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中形成該第二接觸金屬層之步驟包含：形成一歐姆接觸金屬層於該第二導電型半導體層上；以及形成一擴散阻障層包覆該歐姆接觸金屬層。
  9. 如申請專利範圍第8項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該擴散阻障層之材料為鉑、鈦鎢、氮化鈦或其組合。
  10. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該絕緣導熱層之熱阻低於該至少一第一金屬內連線、該至少一第二金屬內連線、以及該至少一導熱線之熱阻。
  11. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該絕緣導熱層之材料為氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、或氧化鎂。
  12. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中 形成每一該至少一第一開孔、該至少一第二開孔、以及該至少一第三開孔之步驟包含形成互相連通之一第一介層窗開口以及一第一溝渠；以及形成每一該至少一第四開孔、該至少一第五開孔、以及該至少一第六開孔之步驟包含形成一第二介層窗開口，其中該些第一介層窗開口與該些第二介層窗開口之位置錯開。
  13. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該載板為一陶瓷板、一印刷電路板、或一積體電路封裝載板。
  14. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該載板更包含一第二表面相對於該第一表面，且該載板包含一貫穿孔由該第一表面延伸至該第二表面，該至少一散熱墊結構由該第一表面經由該貫穿孔延伸於該第二表面上。
  15. 如申請專利範圍第7項之覆晶發光二極體之製造方法，其中該電路板為一金屬基印刷電路板，且該電路板更包含一絕緣層設於該載板之該第一表面上，其中該絕緣層包含一通孔暴露出該載板之該第一表面的一部分，該第一電極與該第二電極位於該絕緣層之一表面上，該散熱電極由該絕緣層之該表面經由該通孔而與該載板之該第一表面之該部分接觸。
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