TW201316391A - 切割使用陶瓷基板之發光元件封裝之方法及切割多層之物件之方法 - Google Patents

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Won-Soo Ji
Choo-Ho Kim
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Hee-Young Jun
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Abstract

本發明提供一種切割使用陶瓷基板之發光元件封裝件之方法，包括製備一陶瓷基板，該陶瓷基板具有一表面，該表面上接置有複數個發光元件晶片，且形成有透光性材料層以覆蓋該複數個發光元件晶片；使用機械切割方式沿切割線部分地移除位於該複數個發光元件晶片之間的透光性材料層；以及使用雷射切割方式沿該切割線切割該陶瓷基板以分離獨立的發光元件封裝。

Description

切割使用陶瓷基板之發光元件封裝之方法及切割多層之物件之方法
本發明係相關於切割使用陶瓷基板之發光元件封裝之方法及切割多層之物件之方法。
例如發光二極體(light emitting diode,LED)之發光元件晶片係為藉由使用化合物半導體之PN接合以形成發光源來發射不同顏色之光的半導體元件。LED可具有長效、小尺寸、輕量以及強的光之方向性，且可在低電壓下運作。並且，LED可為強韌的以抵抗衝擊與振動、可不需要預熱時間或複雜之操作、可以多種形式進行封裝，且因此可具有使用上之多樣性。
例如LED之發光元件晶片係在金屬導線架或模架(mold frame)上封裝，從而被製造成發光元件封裝。
自從開始發展高功率LED產品以來，係需要能夠有效地輻射散發運作過程中所產生之熱的封裝。使用於其上形成有金屬圖型之陶瓷基板的封裝相較於使用導線架及模架之封裝具有卓越的熱輻射特性，因此被使用以封裝高功率LED。於該封裝製程之後，係需要用以獨立地分離複數個LED封裝之切割製程。該切割製程係藉由使用刀具切割方式(blade sawing method)以實施，亦即使用旋轉的葉輪(blade wheel)的切割方式。然而，因為該陶瓷基板不易切割且因此降低了該切割製程之生產率，需使用大量的刀具切割裝置以增加良率。
本發明提供切割使用陶瓷基板之發光元件封裝之方法以增加切割至成之生產率，以及切割多層之物件之方法。
其它態樣將於下列之敘述中闡明一部份，且一部份藉由該敘述或藉由實踐中學習本發明之實施例將變得顯而易見。
依據本發明的一態樣，切割發光元件封裝件之方法包括製備一陶瓷基板，該陶瓷基板具有一表面，該表面上接置有複數個發光元件晶片，且形成有透光性材料層以覆蓋該複數個發光元件晶片；使用機械切割方式沿切割線部分地移除位於該等複數個發光元件晶片之間的透光性材料層；以及使用雷射切割方式沿該切割線切割該陶瓷基板以分離獨立的發光元件封裝。
該機械切割方式可包括刀具切割方式、水噴射方式及霧劑噴射方式之其中一者。
該雷射切割方式可為全切割方式，藉由輻射高功率之雷射光束於該陶瓷基板上以切割該陶瓷基板。該高功率之雷射光束可通過藉由部分地移除該透光性材料層所形成之溝槽(groove)輻射於該陶瓷基板上。該高功率之雷射光束可輻射於該陶瓷基板相對於該陶瓷基板之該表面的相對表面上。
該獨立的發光元件封裝之分離可包括藉由沿該切割線輻射雷射光束於該陶瓷基板上以在該陶瓷基板上形成切割道；以及藉由施加機械性衝擊予該陶瓷基板以沿該切割 道切割該陶瓷基板以分離該獨立的發光元件封裝。
該切割道可形成於該陶瓷基板之該表面上，或形成於該陶瓷基板相對於該陶瓷基板之該表面的相對表面上。
該透光性材料層可包括透光性矽層。
依據本發明的另一態樣，切割多層之物件之方法包含製備一多層之物件，該多層之物件包含第一材料層，以及堆疊於該第一材料層上且以不同於形成該第一材料層之材料的材料所形成的第二材料層；使用機械切割方式沿切割線部分地移除位於該第二材料層；以及使用雷射切割方式沿該切割線切割該第一材料層。
該雷射切割方式可為全切割方式，藉由輻射高功率之雷射光束於該第一材料層上以切割該第一材料層。
該第一材料層之切割可包括藉由沿該切割線輻射雷射光束於該第一材料層上以在該第一材料層上形成切割道；以及藉由施加機械性衝擊予該第一材料層以沿該切割道切割該第一材料層。
該第一材料層可為陶瓷基板，該陶瓷基板上形成有電路圖型，該陶瓷基板具有一表面，該表面上接置有發光元件晶片，並且該第二材料層可為形成以覆蓋該發光元件晶片之透光性材料層。
現將詳細地參考實施例，附圖中所顯示之範例，於該附圖中，相似之元件符號係自始至終關聯於相似之元件。在這方面，本發明之實施例可具有不同之形式且不應以此 處之敘述為限。因此，該等實施例僅敘述如下，參考附圖以說明本發明之態樣。
第1圖係為依據本發明之一實施例，使用一種切割方法所製造之發光元件封裝1的剖面圖。參照第1圖，該發光元件封裝1可包含陶瓷基板10、接置於該陶瓷基板10上的發光元件晶片20，以及覆蓋該發光元件晶片20之透光性材料層30。
該發光元件晶片20可為，例如，發光二極體(LED)晶片。依據形成該LED晶片的化合物半導體之材料，該LED晶片可發射藍、綠或紅光。舉例而言，藍色LED晶片可包含具有由GaN與InGaN交替形成的複數個量子井層之結構的主動層，以及可形成於該主動層之上與之下，由AlxGayNz之化合物半導體所形成的P型及N型包覆層。此外，該LED晶片可發射不具顏色之紫外光(ultraviolet,UV)。雖然上述中該發光元件晶片20係為LED晶片，但本實施例並非以此為限。舉例而言，該發光元件晶片20亦可為UV光二極體晶片、雷射二極體晶片或有機發光二極體(organic LED,OLED)晶片。
該陶瓷基板10係由例如氧化鋁(Al2O3)或AlN所形成，具有卓越的熱輻射與電氣絕緣特性，且電路圖型40係形成於該陶瓷基板10上。該電路圖型40可包含，例如，分別地形成於該陶瓷基板10之表面13及相對之表面12上的第一與第二電路圖型41與42。該第一與第二電路圖型41與42可透過穿透該陶瓷基板10之貫孔43彼此連接。舉例而 言，因為導電材料44係填充在該貫孔43中，因此，該第一與第二電路圖型41與42可彼此連接。藉由使用印刷方式、電鍍方式等等形成導電材料層於該陶瓷基板10之表面13及相對之表面12上，可形成該第一與第二電路圖型41與42。該第一電路圖型41可包含分別地對應於該發光元件晶片20之陽極(未顯示)與陰極(未顯示)的二圖型。
該透光性材料層30覆蓋並保護該發光元件晶片20。此外，該透光性材料層30可校正由該發光元件晶片20所發射之光的方向性或顏色。可由透光性材料形成該透光性材料層30以令由該發光元件晶片20所發射之光穿透，例如，透光矽(light-transmitting silicon)。雖然在第1圖中該透光性材料層30係為平的，但本發明並不以此為限。該透光性材料層30亦可具有各種形狀。
如第2圖所示，為了校正光的方向性，透光性材料層30a可具有透鏡之形狀。依據該發光元件封裝1之應用領域，該透光性材料層30a可具有各種形狀，例如凹透鏡與凸透鏡。
為了校正光的顏色，該透光性材料層30或30a可包含磷光劑(phosphor)。可依據所欲之顏色適當地選擇該磷光劑。該磷光劑可散佈在透光性材料中以形成該透光性材料層30或30a。
雖然在上述中透光性材料層係為單層(monolayer)，但本發明並不以此為限。舉例而言，該透光性材料層可為雙層，包含含有磷光劑以校正由該發光元件晶片20所發射 之光的顏色的磷光劑層，以及覆蓋該磷光劑層與該發光元件晶片20之保護層。並且，該保護層可具有透鏡之形狀。此外，依據該發光元件封裝1之應用領域，該透光性材料層可具有包含三或更多層之結構。
在第1圖中，雖然該發光元件晶片20之陽極和陰極係直接電性連接至形成在該陶瓷基板10之表面13上的該第一電路圖型41，但本發明並不以此為限。如第3圖所示，該發光元件晶片20可直接接置於該陶瓷基板10之表面13上，且該陽極和陰極可透過導線51及52連接至該第一電路圖型41。雖然未顯示於任何附圖中，該陽極和陰極之其中一者可直接電性連接至該第一電路圖型41，且該陽極和陰極之另一者可透過導線連接至該第一電路圖型41。
另外，如第4圖所示，亦可使用包含有凹洞11之陶瓷基板10a。該發光元件晶片20係接置於該凹洞11之底部。該凹洞11之側表面可向上傾斜，以使由該發光元件晶片20所發射之光可向外展開從而可增加光之效率。該凹洞11之側表面可為反射表面。
根據上述之該發光元件封裝1，具有好的熱輻射特性的該陶瓷基板10可增加熱輻射面積，因此可有效地發散該高功率發光元件封裝1之運作其間所產生之熱。
如第5圖所示，製造該發光元件封裝1係藉由將複數個發光元件晶片20接置於陶瓷基板10上，在該發光元件晶片20及陶瓷基板10上形成透光性材料層30，以及切割該發光元件晶片20之間的該透光性材料層30及陶瓷基板 10。一般而言，該切割製程係藉由使用葉輪之機械切割方式而實施。然而，因為該陶瓷基板10係特別的難以切割，因此，上述之方法需要長的切割時間且具有非常低的生產速度。又，當因為葉輪磨損而需要時，更換該葉輪係昂貴的，且該發光元件封裝1之良率可能因為該切割製程所產生之碎片而下降。
可考慮以雷射切割方式替代機械切割方式。使用雷射光束之切割製程可獲得非常高的切割速度，但只可切割單一材料。換言之，因為雷射光束需要有具有所欲切割物件之吸收率之波長頻帶，若該物件包含複數不同材料層，該物件可能無法切割或是切割速度可能下降。若需要依據材料層以改變雷射光束之波長頻帶，該切割裝置可能具有複雜之結構且切割速度可能下降。
因為該使用陶瓷基板10之發光元件封裝1係藉由切割該透光性材料層30及該陶瓷基板10而得，因此，若將該雷射光束設定為切割該陶瓷基板10，該透光性材料層30可能燒毀或熔化而因此改變其形狀或物理特性。上述問題亦發生在當該透光性材料層30具有如在第5圖中以虛線指出之透鏡形狀時。
為了解決上述的問題即獲得高的切割速度，依據本發明的一實施例，一種切割發光元件封裝1之方法包括在實施雷射切割製程之前先使用機械切割製程以切割該透光性材料層30，從而暴露該陶瓷基板10，之後再使用雷射光束切割該陶瓷基板10。
如第6圖所示，藉由先使用例如葉輪100之機械切割裝置沿位於該等發光元件晶片20之間的切割線C切割該透光性材料層30。如此，部分地移除該透光性材料層30以沿該切割線C形成溝槽110。該溝槽110可具有足夠之深度以暴露該陶瓷基板10，且可輕微地侵入該陶瓷基板10。
該機械切割裝置並不限於該葉輪100，而亦可為用以切割該透光性材料層30之任何機械切割裝置，例如水噴射切割裝置或霧劑噴射切割裝置。因為該透光性材料層30係以透光性樹脂材料形成，該透光性材料層30可易於切割而因此即使使用機械切割方式亦可獲得高的切割速度。
之後，如第7圖所示，可藉由輻射高功率之雷射光束L於該陶瓷基板上穿過該溝槽110以切割該陶瓷基板10。該雷射光束L係校正為允許該雷射光束L之能量被該陶瓷基板10所吸收之波長頻帶。實施該雷射切割方式可使用所謂的全切割方式(full-cutting method)，藉由使用高功率之雷射光束L以融化並蒸發該陶瓷基板10。
舉例而言，若該陶瓷基板10具有0.5mm之厚度且以矽形成之該透光性材料層30具有約0.1mm之厚度，使用刀具切割方式或水噴射方式可以約200mm/s之速度切割該透光性材料層30，且使用雷射全切割方式可以約60mm/s之速度切割該陶瓷基板10。因此，因為使用刀具切割製程切割該透光性材料層30之切割速度不影響使用雷射全切割方式切割該陶瓷基板10之切割速度，可增加整體切割速度及雷射全切割速度。考慮使用刀具切割方式切割整體之該 發光元件封裝1之切割速度係約為10mm/s，依據本發明之實施例的切割速度可較一般切割方法之切割速度大幾乎六倍。又，考慮相同之切割速度下，可減低用於切割設備之成本。
如第8圖所示，在形成該溝槽110之後，可翻轉該陶瓷基板10且可藉由輻射高功率之雷射光束L於該陶瓷基板10未形成有該透光性材料層30之相對表面12上以切割該陶瓷基板10。上述製程可降低在雷射全切割製程中該雷射光束L施加在該透光性材料層30上的熱之影響，且因此可減低該透光性材料層30之傷害或變形。
在形成該溝槽110之後，為了切割該陶瓷基板10，亦可實施顯示在第9圖及第10圖中之雷射劃線(scribing)與斷裂(breaking)製程。該雷射劃線製程係關聯於藉由輻射具有包含可吸收性的波長頻帶之雷射光束L於該陶瓷基板10上以在該陶瓷基板10上形成切割道(scribing line)S之製程，亦即具有非穿透性的波長頻帶在該陶瓷基板10之光入射面，例如該表面13或該相對之表面12。該斷裂製程係關聯於藉由施加機械性衝擊予該陶瓷基板10以沿該切割道S分開該陶瓷基板10之製程。
如第6圖所示，在形成該溝槽110之後，可翻轉該陶瓷基板10且可輻射該雷射光束L於該陶瓷基板10做為入射面之相對表面12上。該雷射光束L之焦點係形成於該相對表面12上。該雷射光束L可形成一個或更多光束點(beam spot)F於該相對表面12上。若形成複數之光束點F，可將 該光束點F沿該製程方向(亦即該雷射光束L與該陶瓷基板10之相對移動方向)對準成一直線。該光束點F可彼此間隔開，或可彼此部份地重疊。該光束點F可具有圓形形狀或具有主軸係沿該製程方向之橢圓形形狀。
該雷射光束L係沿該切割線C輻射於該陶瓷基板10之相對表面12上。該雷射光束L之能量可設定為僅局部地加熱而非融化或蒸發該陶瓷基板10。該陶瓷基板10之相對表面12的一部分係局部地被該雷射光束L加熱，亦即該光束點F通過之部份，因為溫度上升而傾向膨脹。然而，該光束點F周圍之區域並未被加熱，因而擾亂了該膨脹。因此，壓應力局部地發生在該光束點F通過之部份的半徑方向(radius direction)上，且張應力發生在正交於該半徑方向之方向上。控制該雷射光束L之能量以防止該張應力大於該陶瓷基板10之破裂臨界值。若該陶瓷基板10在該光束點F通過係冷卻下來，則發生相反的情況。在此情形下，該張應力被放大且因此於該陶瓷基板10之相對表面12上產生裂縫(crack)。該裂縫從該陶瓷基板10之相對表面12延伸至小於該陶瓷基板10之總厚度的預定厚度上。同樣地，藉由沿該切割線C輻射雷射光束L於該陶瓷基板10之相對表面12上以形成該切割道S，如第9圖所示。
上述中，雖然該陶瓷基板10之相對表面12在該光束點F通過後係為自然冷卻，在某些情況，可噴灑冷卻流體於該陶瓷基板10之相對表面12上該光束點F通過之位置。在輻射該雷射光束L之前，在該陶瓷基板10之相對表 面12上可形成V形(notch-shaped)溝槽A以指示該切割道S之起點。
在上述製程中，雖然該雷射光束L係輻射於作為光入射面的該陶瓷基板10之相對表面12上，該陶瓷基板10之表面13亦可用作為光入射面。在此情況下，係通過該溝槽110輻射該雷射光束L在該陶瓷基板10之表面13上。然而，若使用該相對表面12作為光入射面，可減少熱施加在該透光性材料層30以及該發光元件晶片20上之影響。
即使在形成該切割道S之後，該陶瓷基板10仍不會沿該切割道S分開。因此，實施斷裂製程以沿該切割道S分開該陶瓷基板10。參照第10圖，若使用斷裂刀具120施壓於其上形成有該切割道S的相對於該相對表面12之該陶瓷基板10的表面13，用以形成該切割道S之裂縫會在該陶瓷基板10之厚度方向延伸，且因此沿該切割道S將該陶瓷基板10分開。交替地，該斷裂刀具120可施壓於該陶瓷基板10之相對表面12。
即使該切割道S係形成於該陶瓷基板10之表面13上，可使使用斷裂刀具120施壓於該陶瓷基板10之相對表面12或表面13上，且該裂縫會沿該陶瓷基板10之厚度方向延伸，因而沿該切割道S將該陶瓷基板10分開。
可藉由實施上述之雷射劃線及斷裂製程完整地製造該發光元件封裝1。根據測試結果，當整個發光元件封裝1係使用刀具切割方式進行切割時，其切割速度約為320 sec/Frame，同時使用刀具切割方式形成溝槽110之製程的 速度約為35 sec/Frame，該雷射劃線製程之速度約為35 sec/Frame，且該斷裂製程之速度約為53 sec/Frame。因此，相較於整個發光元件封裝1係使用刀具切割方式進行切割之情形，當該等製程係依據實際時間同時地執行以執行該斷裂製程時的切割速度，可預期將增加六倍的生產率。考慮相同之切割速度下，可減低用於切割設備之成本。
雖然於上列敘述中係切割包含該陶瓷基板10及該透光性材料層30之該發光元件封裝1，但本發明並不以此為限。舉例而言，本發明亦可應用於切割包含可以雷射光束切割之第一材料層，以及堆疊於該第一材料層上且以不同於形成該第一材料層之材料的材料所形成的第二材料層，並對雷射光束係為可融化的、可燃燒的或可變形的以切割該第一材料層之多層之物件。更詳而言之，可使用例如刀具切割方式、水噴射方式或霧劑噴射方式之機械切割方式沿該切割線切割該第二材料層，從而暴露該第一材料層，之後可使用例如雷射全切割方式或雷射劃線及斷裂方式之雷射切割方式切割該第一材料層。在此情形下，如上所述，光入射面可為於其上形成有該第二材料層之第一材料層的表面，或該第一材料層之相對表面。
應該了解到此處所敘述之範例實施例僅考慮作為描述性之意義而非為了限制之目的。應認為各實施例中的技術特徵或樣態之描述可用於其它實施例中相似的其它技術特徵或樣態。
1‧‧‧發光元件封裝
10、10a‧‧‧陶瓷基板
11‧‧‧凹洞
12‧‧‧相對表面
13‧‧‧表面
20‧‧‧發光元件晶片
30、30a‧‧‧透光性材料層
40‧‧‧電路圖型
41‧‧‧第一電路圖型
42‧‧‧第二電路圖型
43‧‧‧貫孔
44‧‧‧導電材料
51、52‧‧‧線
100‧‧‧葉輪
110‧‧‧溝槽
120‧‧‧斷裂刀具
L‧‧‧雷射光束
C‧‧‧切割線
S‧‧‧切割道
F‧‧‧光束點
A‧‧‧V型溝槽
由下列實施例之敘述，結合附圖，此些及/或其它樣態將變得顯而易見且易於了解，其中：第1圖為依據本發明之一實施例，使用一種切割方法所製造之發光元件封裝的剖面圖；第2圖為依據本發明之另一實施例，使用一種切割方法所製造之發光元件封裝的剖面圖；第3圖為依據本發明之另一實施例，使用一種切割方法所製造之發光元件封裝的剖面圖；第4圖為依據本發明之另一實施例，使用一種切割方法所製造之發光元件封裝的剖面圖；第5圖為顯示接置複數個發光元件晶片之後形成透光性保護層在陶瓷基板上之剖面圖；第6圖為顯示使用刀具切割方式部分地移除透光性保護層之剖面圖；第7圖為顯示使用雷射全切割方式經過溝槽輻射雷射光束在陶瓷基板上以切割該陶瓷基板之剖面圖；第8圖為顯示使用雷射全切割方式自溝槽之反面輻射雷射光束在陶瓷基板上以切割該陶瓷基板之剖面圖；第9圖為顯示使用雷射劃線方式在陶瓷基板上形成切割道之透視圖；以及第10圖為顯示沿該切割道使用斷裂刀具以切割該陶瓷基板之透視圖。
1‧‧‧發光元件封裝
10‧‧‧陶瓷基板
20‧‧‧發光元件晶片
30、30a‧‧‧透光性材料層

Claims (13)

  1. 一種切割使用陶瓷基板之發光元件封裝件之方法，該方法包括：製備一陶瓷基板，該陶瓷基板具有一表面，在該表面上接置有複數個發光元件晶片，且形成有透光性材料層以覆蓋該複數個發光元件晶片；使用機械切割方式沿切割線部分地移除位於該複數個發光元件晶片之間的透光性材料層；以及使用雷射切割方式沿該切割線切割該陶瓷基板以分離獨立的發光元件封裝。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該機械切割方式包括刀具切割方式、水噴射方式及霧劑噴射方式之其中一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該雷射切割方式係為全切割方式，藉由輻射高功率之雷射光束於該陶瓷基板上以切割該陶瓷基板。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該高功率之雷射光束係通過藉由部分地移除該透光性材料層所形成之溝槽輻射於該陶瓷基板上。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該高功率之雷射光束係輻射於該陶瓷基板相對於該陶瓷基板之該表面的相對表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該分離獨立的發光元件封裝包括： 藉由沿該切割線輻射雷射光束於該陶瓷基板上以在該陶瓷基板上形成切割道；以及藉由施加機械性衝擊予該陶瓷基板以沿該切割道切割該陶瓷基板以分離該獨立的發光元件封裝。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該切割道係形成於該陶瓷基板之該表面上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該切割道係形成於該陶瓷基板相對於該陶瓷基板之該表面的相對表面上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該透光性材料層包括透光性矽層。
  10. 一種切割多層之物件之方法，該方法包括：製備一多層之物件，該多層之物件包含第一材料層、以及堆疊於該第一材料層上且以不同於形成該第一材料層之材料的材料所形成的第二材料層；使用機械切割方式沿切割線部分地移除位於該第二材料層；以及使用雷射切割方式沿該切割線切割該第一材料層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該雷射切割方式係為全切割方式，藉由輻射高功率之雷射光束於該第一材料層上以切割該第一材料層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，切割該第一材料層包括：藉由沿該切割線輻射雷射光束於該第一材料層上 以在該第一材料層上形成切割道；以及藉由施加機械性衝擊予該第一材料層以沿該切割道切割該第一材料層。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該第一材料層係為陶瓷基板，該陶瓷基板上形成有電路圖型，該陶瓷基板具有一表面，該表面上接置有發光元件晶片，並且該第二材料層係為形成以覆蓋該發光元件晶片之透光性材料層。
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