CN1897315A - 发光二极管（led）无打线的封装结构 - Google Patents

发光二极管（led）无打线的封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种发光二极管(LED)无打线的封装结构。准备一片硅辅助框架，此辅助框架有在背面以整体微机电技术形成一穿透的U型腔室(Cavity)用以容纳一片倒置芯片的LED。然后将此LED以倒置芯片方式焊接(die－bonding)在此U型腔室内，形成叠置(casecade)封装模块，此叠置封装模块表面上具有焊接凸块(solder bumps)。再以倒置芯片表面封装(或凸块封装技术)方式焊接于一块铝质PC板上。因此获得到达PC板的散热器(heat sink)十分良好的热传导，可忍受较大电流而增强LED的发光强度。叠置的封装模块也可封装在一般接脚的基底上，同样可增强散热效果。

Description

发光二极管(LED)无打线的封装结构
技术领域
本发明涉及发光二极管的封装结构。尤其涉及利用辅助框架形成一穿透的U型腔室用以容纳一片倒置芯片的LED形成叠置封装模块，再焊接于一块铝质PC板上以获得到达PC良好的热传导而增强发光强度的封装结构。
背景技术
为增加LED的发光强度，以往在使用的复合材料上作广泛的研究，同时亦对组件的结构加以变化，例如利用双异质接面，量子井或多重量子井等，使发光强度在近年大幅提升至数十倍。因此LED使用场合愈来愈多，由指示灯到交通标志、LED打印头的感光源、LED显示器、车辆的方向灯，甚至LED照明。然而，发光强度却受限于接面崩溃，而接面崩溃大都缘于接面的过热，所以散热成为增进发光强度的重要手段。
LED的封装对于散热亦影响很大，一般将晶粒底部以晶焊方法焊接至封装基座上，再以打线将正、负电极分别连接至正、负接脚上，热传导路线不但太长，而且金线的传导面积过小，致散热不良。使用时，以能将所生的热与散热达到平衡而定其最大电流，亦即最大发光强度。因而目前的LED仍难用于照明，例如车灯照明、室内照明等，仍殷切希望能替代耗电量大的灯泡或日光灯。
所以，为使LED的亮度再进一步提升，除了新材料的发现或LED组件主动区(active area)构造的改良，封装技术亦占重要的地位。如何在封装上增进散热效果，使结构及材料相同的LED晶粒的操作电流可以增大而不致使PN接面崩溃，即可增加发光强度，使亮度再提升，实为当前亟需突破之点。
因此有一需求，于LED的封装技术上能大幅提升散热能力而提高发光强度。本发明即针对此一需求，提出解决的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管(LED)无打线的封装结构，利用一片硅辅助框架穿透的U型腔室(Cavity)以容纳一片倒置芯片的LED，再以倒置芯片表面封装技术焊接于一块铝质PC板上，以获得良好的热传导而增加发光强度。
本发明的另一目的在于提供一种发光二极管(LED)无打线的封装结构，利用一片硅辅助框架穿透的U型腔室(Cavity)以容纳一片倒置芯片的LED，再以倒置芯片焊接于一般接脚的基底上，以获得良好的热传导而增加发光强度。
为达成上述目的及其它目的，本发明的第一观点说明一种发光二极管(LED)的封装结构，将LED芯片以倒置芯片(flip-chip)方式焊接(diebonding)在硅晶辅助框架内的U型腔室内，形成叠置封装模块。再将此模块以倒置芯片表面封装于具有散热效果的铝制PC板上，至少包含：一个硅晶辅助框架(sub-mount)，在正面形成正电极及负电极的焊锡凸块(solder bump)；在背面蚀刻穿透硅芯片的U型腔室以供容纳LED芯片，利用蚀刻时的自然屏蔽在腔室内蒸镀正、负电极及反射面；一片发光二极管(LED)芯片，可为一般现有技术制造的芯片；具有基板、一个发光主动区，在正面有一个正电极及一个负电极；一片PC板，具有一层阳极氧化层，印刷电路、及散热装置；将前述LED芯片以倒装芯片方式焊接于前述硅晶辅助框架内，LED芯片的正电极及负电极分别对准硅晶辅助框架的正电极及负电极，形成叠置封装模块；将前述叠置封装模块以倒置芯片表面封装于前述PC板上，在LED表面上形成一个微凸透镜。
本发明的以上及其它目的及优点参考以下的参照图标及最佳实施例的说明而更易完全了解。
附图说明
图1A-图1G为依据本发明的实施例的硅辅助框架(submount)的芯片制造程序示意图，其中，
图1A为在硅芯片上形成对准记号及接触窗步骤的剖面图；
图1B为形成焊锡凸块步骤的剖面图；
图1C为形成U型腔室(Cavity)步骤的剖面图；
图1D为第三光罩的一实施例；
图1E为第三光罩的一实施例；
图1F为进行铝金属蒸镀(evaporation)步骤的示意图；
图1G为蒸镀完后硅基版的剖面图。
图2为倒装芯片的LED芯片的剖面图。
图3A为将LED芯片置入硅辅助框架的U型腔室内以倒置芯片封装法形成的混合封装焊接后的剖面图。
图3B为硅辅助框架的金属正、负电极与LED芯片上的正、负电极的关系位置图。
图3C为另一实施例硅辅助框架的金属正、负电极与LED芯片上的正、负电极的关系位置图。
图4为以透明塑料形成聚焦透镜的剖面图。
图5为将混合封装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式焊接于铝质PC板上的剖面图。
图6为将混合装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式封装在一般PC板上的剖面图。
图7为依据本发明的实施例形成显示器的构造图。
主要元件符号说明
100硅辅助框架
102硅基板                   104氮化硅层
106负极接触窗               108正极接触窗
110步进机对准记号           112反面对准记号
114对准记号的封口           116负极焊锡凸块
118正极焊锡凸块             120蚀刻窗
120-1负电极区蚀刻窗         120-2正电极区蚀刻窗
121U型腔室                  122自然屏蔽
124正电极                   126负电极
128蒸镀的方向               130反射的金属镜面
200LED芯片                  202透明基板
204PN接面                   206负电极
208正电极                   302LED发射的光
304反射光                   402透明塑料
404微凸透镜                 502铝质PC板
504鳍状散热片               506氧化层
508正电极电路               510、512接线垫
514、516打线                518负电极电路
602一般PC板                 604金属导热孔
608电极电路                 610、612接线垫
614、616打线                618负电极电路
702红色LED芯片              704黄色LED芯片
706蓝色LED芯片
具体实施方式
本发明的封装结构的制造程序可参考图1A至图7而了解。图1A-图1G为依据本发明的实施例的硅辅助框架(submount)的芯片制造程序示意图。首先如图1A所示，图1A为在硅芯片上形成对准记号及接触窗步骤的剖面图。准备一片P型、(100)方向、不限掺杂浓度，甚至为回收芯片的硅芯片作硅基板102，于硅基板102上，以LPCVD在正、反面沉积一层氮化硅(silicon nitride)层104，在正面以第一光罩微影蚀刻形成负极接触窗106、正极接触窗108及步进机(stepper)的对准记号110。参考图1B，图1B为形成焊锡凸块步骤的剖面图。以蒸镀(evaporation)及第二光罩微影蚀刻形成负极焊锡凸块116、正极焊锡凸块118、步进机(stepper)对准记号110的封口114及反面对准记号(back side aligner，BSA)112。参考图1C，图1C为形成U型腔室(Cavity)步骤的剖面图。自背面以第三光罩开蚀刻窗120、负电极区蚀刻窗120-1、正电极区蚀刻窗120-2，以便进行穿透的蚀刻以形成U型腔室，此时预留有自然屏蔽(native shadowmask)122，作为沉积铝金属时形成隔离的屏蔽，而避免一个蚀刻步骤。然后进行异向性(anisotropic)整体微机电技术(bulk micromachining)形成一个穿透硅芯片的U型腔室121。此U型腔室121将用来容纳LED芯片。此时，硅基板正面的氮化硅层104形成一鼓膜，支持其上的焊锡凸块116、118。硅基板反面的氮化硅自然屏蔽122以鼓膜型式被保留作沉积铝的屏蔽(mask)。图1D为第三光罩的一实施例。此光罩有自然屏蔽122、反射的金属镜面区120、负电极区120-1、正电极区120-2。图1E为第三光罩的另一实施例。此光罩有自然屏蔽122、反射的金属镜面区120、圆形的负电极区120-1、圆形的正电极区120-2，以便形成柱形的正电极及负电极，以减少热膨胀对封装的影响。如图1F所示，图1F为进行铝金属蒸镀(evaporation)步骤的示意图。以采用电子枪蒸镀为宜，不能用溅镀或化学气相沉积，否则因有侧向沉积使所有电极皆相连而不能形成隔离。电子枪蒸镀为点蒸镀源(point souce)。蒸镀的方向为128，并无其它方向。自然屏蔽122之***影部份不被蒸镀而形成隔离的正、负电极124、126及反射的金属镜面130。如图1G所示，图1G为蒸镀完后硅基版的剖面图。在第三光罩的反射的金属镜面区120之下形成反射的金属镜面130、在第三光罩的负电极区120-1之下形成负电极126、在第三光罩的正电极区120-2之下形成正电极124。在第三光罩的自然屏蔽122之下形成隔离104。蒸镀完后硅基版102的自然屏蔽122可用机械法去除。如此，用以容纳LED芯片的具有U型腔室的硅辅助框架100即告完成。
参考图2，图2为倒装芯片的LED芯片的剖面图。LED芯片以现有技术制造，如红色、蓝色、绿色或其它颜色。LED芯片200有一透明基板202，例如蓝宝石或其它基板例如GaAs，其上有磊晶形成的PN接面204或量子井的主动发光区。在P型层上有正电极208，负电极于蚀刻去除P型层到达N型层之后，形成负电极206而成倒置芯片的状态。
参考图3A，图3A为将LED芯片置入硅辅助框架的U型腔室内以倒置芯片封装法形成的混合封装焊接后的剖面图。将LED芯片200倒转，使LED的正电极208对准硅辅助框架100的金属正电极126，LED的负电极206对准硅辅助框架100的金属负电极124，然后加热焊接成混合封装。辅助框架上的焊锡凸块116、118可用倒装芯片方式封装于印刷电路板上。自LED发射的光302穿过透明基板602而发射。射至反射金属镜面128的光304再反射而出，以增强亮度。图3B为硅辅助框架的金属正、负电极与LED芯片上的正、负电极的关系位置图。硅辅助框架的金属正、负电极124、126为较宽的交叉指状电极，LED芯片上的正、负电极208、206则为较窄的交叉指状电极。图3C为另一实施例硅辅助框架的金属正、负电极与LED芯片上的正、负电极的关系位置图。硅辅助框架的金属正、负电极124、126为为圆柱形数组电极，LED芯片上的正、负电极208、206则为较窄的交叉指状电极。
参考图4，图4为以透明塑料形成聚焦透镜的剖面图。以透明塑料402滴入U型腔室121的空隙内，使LED芯片200与硅辅助框架100更密切结合。为使光线能聚焦在LED表面上，透明胶形成一个微凸透镜(micro lens)404，此微凸透镜可为球面或抛物面以形成聚焦透镜，使光线聚焦向前射出。最后以切割机切过300μm的硅晶圆透明基板602、正面及反面的氮化硅层104、反面的负极焊锡凸块116及正极焊锡凸块118，将晶圆切成芯片。
参考图5，图5为将混合封装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式焊接于铝质PC板上的剖面图。铝质PC板是近年使用的技术，具有散热良好的优点。铝质PC板502上有一层自然形成或用阳极处理形成的自然阳极氧化层(native oxide)506当作绝缘之用，在氧化层506上制成印刷电路，如正电极电路508、负电极电路518，为铜膜的电路。铝质PC板502背面有散热装置，如鳍状散热片504。将LED芯片200及硅辅助框架100的混合体以倒装芯片方式将焊接凸块118、116分别焊接于铝质PC板502的正电极电路508、负电极电路518上，使正负电极分别由接线垫510、512及打线514、516连至控制电路(未图标)的正、负电源(未图标)。LED即在控制下发光。由于自PN接面至散热片的距离甚短，获得良好的热传导，较现有的封装方式能耐更大的电流，PN接面的温度仍不上升，因而增加发光强度。
参考图6，图6为将混合装的LED芯片及硅辅助框架以倒装芯片方式封装在一般PC板上的剖面图。此装置的封装模块先封装在一般PC板602上，PC板602上有金属导热孔604。将LED芯片200及硅辅助框架100的混合体以倒装芯片方式将焊接凸块118、116分别焊接于一般PC板602的正电极电路608、负电极电路618上，再将LED芯片200、硅辅助框架100及PC板602连接在铝质散热装置620上。铝质散热装置620上有鳍状散热片624。PC板602上的正负电极分别由接线垫610、612及打线614、616连至控制电路(未图标)的正、负电源(未图标)。LED即在控制下发光。金属导热孔604亦可将热快速传导，亦较现有的封装方式能耐更大的电流，PN接面的温度仍不上升，因而增加发光强度。
混合封装的LED芯片及硅辅助框架亦可以用倒装芯片方式封装在一般接脚的基座上。利用一般接脚有限的散热能力，亦可增加发光强度。
最后参考图7，图7为依据本发明的实施例形成显示器的构造图。在硅基板上形成穿透的蚀刻U型腔室数组，将红、黄、蓝三色LED芯片702、704、706倒转混合封装于U型腔室数组中，以形成显示器的构造。
通过以上较佳的具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实例来对本发明的范畴加以限制。相反的，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范畴内。

Claims (15)

1.一种发光二极管的封装结构，将发光二极管芯片以倒置芯片方式焊接在硅晶辅助框架内的U型腔室内，形成叠置封装模块。再将此模块以倒置芯片表面封装于具有散热效果的铝制PC板上，至少包含：
一个硅晶辅助框架，在正面形成正电极及负电极的焊锡凸块；在背面蚀刻穿透硅芯片的U型腔室以供容纳发光二极管芯片，利用蚀刻时的自然屏蔽在腔室内蒸镀正、负电极及反射面；
一片发光二极管芯片，可为一般现有技术制造的芯片，具有基板、一个发光主动区，在正面有一个正电极及一个负电极；
一片PC板，具有一层阳极氧化层、印刷电路及散热装置；
将前述发光二极管芯片以倒装芯片方式焊接于前述硅晶辅助框架内，发光二极管芯片的正电极及负电极分别对准硅晶辅助框架的正电极及负电极，形成叠置封装模块；
将前述叠置封装模块以倒置芯片表面封装于前述PC板上，在发光二极管表面上形成一个微凸透镜。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该自然屏蔽为氮化硅。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该正电极及负电极的焊锡凸块为交叉指状。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该蒸镀的正、负电极为交叉指状。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该蒸镀的正、负电极为圆柱形数组。
6.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该PC板的散热装置为鳍状散热板。
7.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该PC板的散热装置为平面散热板。
8.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该硅晶辅助框架的正电极及负电极的焊锡凸块为电镀铜/锡。
9.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该发光二极管为红色发光二极管。
10.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该发光二极管为蓝色发光二极管。
11.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该发光二极管为黄色发光二极管。
12.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该微凸透镜为球面。
13.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该微凸透镜为抛物面。
14.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该叠置封装模块亦可封装在一般接脚封装的基座上。
15.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于：该硅基板上形成穿透的蚀刻U型腔室数组，将红、黄、绿三色发光二极管芯片倒转混合封装于U型腔室数组中，以形成显示器。
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