TWI393273B - 發光二極體組件之製造方法 - Google Patents

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Description

發光二極體組件之製造方法
本發明係關於一種發光二極體(Light Emitting Diode;LED)組件之製造方法，特別是指一種特殊之LED組件之製造方法，其係將LED晶片封裝體直接電性連結於電路基板所製成。
在日常生活中，為了能夠在黑暗或陰暗的環境中辨識物體與方位，通常會需要使用發光組件來提供照明。在這些發光組件中，由於發光二極體具備使用壽命長、低功率消耗等優點，故在全球一片節能減碳的風潮中，逐漸獨領風騷，成為主流的照明組件。
然而，除了在大範圍的照明用途之外，由於發光二極體具備使用壽命長、低功率消耗等優點，所以亦常被組裝成一發光二極體組件而運用於為電子裝置提供背光或其他相關用途。在眾多發光二極體組件中，由於在透過覆晶技術製作覆晶發光二極體(Light Emitting Diode;LED)封裝結構時，可使LED覆晶結構直接連結於載體基板而不必打線，因此廣為大眾所運用。
在此前提下，以下將進一步結合圖式針對習知利用覆晶LED封裝結構製作LED組件之製程加以說明。請參閱第一A圖至第一E圖，其係顯示之LED組件之一系列製造過程。如第一A圖所示，在製作一覆晶LED封裝結構100(標示於第一E圖)時，必須先製作出一LED覆晶結構1，此時，必須先製備一透光基材層11。
接著，必須形成一緩衝層(buffer layer)12、一N型電極包覆子層(N type electrode cladding sub-layer)13、一多重量子井(multiple quantum well)14、一P型電極包覆子層(P type electrode cladding sub-layer)15、一透光導電膜16與一反射層17。
緩衝層12係疊合於透光基材層11；N型電極包覆子層13係疊合於緩衝層12；多重量子井14係局部疊合於N型電極包覆子層13；P型電極包覆子層15係疊合於多重量子井14；透光導電膜16係疊合於P型電極包覆子層15；反射層17係包覆多重量子井14、P型電極包覆子層15與透光導電膜16。然後，必須自透光導電膜16延伸出一P型電極18，並自N型電極包覆子層13延伸出一N型電極19。同時，可在P型電極18與N型電極19分別鍍上金(Gold;Au)、錫(Tin;Sn)或金-錫(Gold-Tin;Au-Sn)合金(未繪製)，至此則可製作出上述之LED覆晶結構1。
如第一B圖所示，接著，必須製備一載體基板2，載體基板2包含一基板本體21、一P型電極層22與一N型電極層23。基板本體21具有一上表面211、一下表面212、一第一側邊213與一第二側邊214。P型電極層22與N型電極層23係分別設置並包覆第一側邊213與第二側邊214。
如第一C圖所示，在製備載體基板2後，必須在載體基板2之P型電極層22與N型電極層23分別設置一導電元件3與3a，較佳者，導電元件3與3a可為載體基板2上的鍍金或鍍銀焊點。
如第一D圖所示，當導電元件3與3a為載體基板2上鍍金或鍍銀焊點時，必須將上述之LED覆晶結構1倒置，利用一共晶製程，將環境溫度提升至一共晶溫度，使鍍金或鍍銀焊點中的金或銀元素滲透到P型電極18與N型電極19上所鍍之金(Gold;Au)、錫(Tin;Sn)或金-錫(Gold-Tin;Au-Sn)合金(未繪製)中，藉以使LED覆晶結構1之P型電極18與N型電極19經由導電元件3與3a而分別電性連接於載體基板2之P型電極層22與N型電極層23。在實務應用上，導電元件3與3a亦可為載體基板2上所設置的金(Gold;Au)、錫(Tin;Sn)或金-錫(Gold-Tin;Au-Sn)合金；且P型電極18與N型電極19上可設置鍍金或鍍銀焊點，藉以進行上述之共晶製程。除此之外，當導電元件3與3a為錫球或錫膏時，透過一回焊製程，亦可使P型電極18與N型電極19亦可經由導電元件3與3a而分別電性連接於P型電極層22與N型電極層23。
如第一E圖所示，在將P型電極18與N型電極19分別電性連接於P型電極層22與N型電極層23後，必須將一透光封裝材料4封裝LED覆晶結構1、導電元件3與3a，待透光封裝材料4固化後，便製作出上述之覆晶LED封裝結構100。最後，再將覆晶LED封裝結構100焊接於一電路基板(圖未繪製)上，藉以製作出一LED組件(圖未繪製)。
舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者皆能輕易理解，在以上所揭露的習知技術中，由於必需先將LED覆晶結構1之P型電極18與N型電極19分別電性連接於載體基板2之P型電極層22與N型電極層23，然後再灌入透光封裝材料4封裝LED覆晶結構1、導電元件3與3a；因此，必須同時進行將LED覆晶結構1的結合於載體基板2的焊接製程，封裝LED覆晶結構1以製作出覆晶LED封裝結構100的封裝製程。然後，才能將已完成封裝之覆晶LED封裝結構100焊接於電路基板，藉以製作出LED組件，實在非常不便。
此外，由於在灌入透光封裝材料4時，必須在一模具內施加填充壓力；因此，又容易造成透光封裝材料4溢漏至載體基板2的問題；更有甚者，導電元件3與3a還會受到填充壓力的擠壓而增加導電元件3與3a的電性連接不良率。
在此前提下，本案發明人深感時有必要開發出一種新的LED組件之製造方法藉以同時改善上述種種問題。
有鑒於習知技術所提供之LED組件之製造方法普遍存在必須接續進行共晶製程與封裝製程才能製作出覆晶LED封裝結構等繁瑣製程所帶來的不便，封裝時容易造成透光封裝材料溢漏至載體基板的問題，以及增加導電元件的電性連接不良率等問題。緣此，本發明之主要目的在於提供一種LED組件之製作方法，其係藉由一封裝製程製作出LED晶片封裝體，使LED晶片封裝體具有外露之一P型電極與一N型電極，藉以使所製作出LED晶片封裝體可直接取代製程繁瑣之覆晶LED封裝結構而設置於一電路基板。藉此，可有效同時解決上述之種種問題。
本發明為解決習知技術之問題，所採用之技術手段係提供一種發光二極體(Light Emitting Diode;LED)封裝組件之製造方法，該製造方法係先在一基材層上被覆一反射層，在該反射層上被覆一發光層，並自發光層穿過反射層而朝向基材層延伸出一P型電極與一N型電極，藉以形成一LED晶片結構；然後，利用一透光封裝材料包覆LED晶片結構，使P型電極與N型電極外露於透光封裝材料，藉以形成LED晶片封裝體；最後，將LED晶片封裝體之P型電極與N型電極電性連結於一電路基板，藉以製作出LED組件。
在本發明較佳實施例中，LED晶片結構包含一基材層、一反射層、一透光導電子層(light-transmissible conductive sub-layer)、一P型電極包覆子層(P type electrode cladding sub-layer)、一透光多重量子井(light-transmissible multiple quantum well)與一N型電極包覆子層(N type electrode cladding sub-layer)。反射層係被覆於基材層，透光導電子層係被覆於反射層，P型電極包覆子層係被覆於透光導電子層，透光多重量子井係被覆於P型電極包覆子層，N型電極包覆子層係被覆於透光多重量子井。其中，透光導電子層、P型電極包覆子層、透光多重量子井與N型電極包覆子層可視為上述之發光層。
相較於習知利用覆晶LED封裝結構製作LED組件之製造方法，由於在本發明例所揭露之LED組件之製造方法中，係直接進行封裝製程而製作出LED晶片封裝體，並使LED晶片封裝體具有外露之一P型電極與一N型電極；因此，所製作出之LED晶片封裝體可直接取代製程繁瑣之覆晶LED封裝結構而設置於一電路基板，藉以製作出LED組件。顯而易見地，藉由上述LED組件之製造方法，可以大幅提升製作LED組件的便利性。
由於在本發明所揭露之LED組件之製造方法中，係直接進行封裝製程而製作出LED晶片封裝體，在製作LED晶片封裝體的過程中，完全不會使用到載體基板；因此，可以在進行封裝製程中，不僅不存在透光封裝材料溢漏至載體基板的問題，而且也不存在因承受灌入透光封裝材料時所施加的填充壓力所造成之電性連接不良的問題，更可使LED晶片封裝體的體積與LED晶片結構相近，亦即使LED晶片封裝體的體積遠小於習知覆晶LED封裝結構的體積，藉以提升電路基板配置LED晶片封裝體的空間利用率。
綜整以上所述，藉由本發明所揭露之LED組件之製造方法，不僅可以提升製作LED組件的便利性，還可以提升製作LED組件品質，更可提升電路基板配置LED晶片封裝體之空間利用率。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
本發明所提供之發光二極體(Light Emitting Diode;LED)組件之製造方法可廣泛運用於製作各種LED組件，而且相關之組合實施方式更是不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉其中一個較佳實施例加以具體說明。
請參閱第二A圖至第二D圖，其係顯示本發明較佳實施例所建議之LED組件之一系列製程。在本實施例所揭露之重點在於先製作出一LED晶片封裝體200(標示於第二B圖)，然候再製作LED組件300(標示於第二D圖)。如第二A圖所示，其係顯示在本發明較佳實施例中，製作LED晶片結構之製程。在製作LED晶片封裝體200時，必須先製作出一LED晶片結構5，此時，必須先製備一基材層51。
接著，必須依序形成一反光層52、一透光導電子層(light-transmissible conductive sub-layer)53、一P型電極包覆子層(P type electrode cladding sub-layer)54、一透光多重量子井(light-transmissible multiple quantum well)55與一N型電極包覆子層(N type electrode cladding sub-layer)56。反射層52係被覆於基材層51，透光導電子層53係被覆於反射層52，P型電極包覆子層54係被覆於透光導電子層53，透光多重量子井55係被覆於P型電極包覆子層54，N型電極包覆子層56係被覆於透光多重量子井55。其中，透光導電子層53、P型電極包覆子層54、透光多重量子井55與N型電極包覆子層56可視為一發光層50。
基材層51可由含有碳化矽(silicon carbide；基材層51可由含有碳化矽(silicon carbide;SiC)、氮化鋁(aluminum oxide;Al2 O3 )、砷化鎵(gallium arsenide;GaAs)、矽(silicon;Si)、藍寶石(sapphire)、銅(copper;Cu)、鎢銅合金(copper-tungsten alloy;Cu-W alloy)與磷化鎵(gallium phosphide;GaP)中之至少一種材料之基板所組成。反射層52可由二氧化鈦與二氧化矽(TiO2 /SiO2 )混合物、三氧化二鋁與二氧化矽(Al2 O3 /SiO2 )混合物、或氮化矽與二氧化矽(Si3 N4 /SiO2 )混合物所組成。透光導電子層53可使用鎳-金(Ni-Au)金屬薄膜，並經高溫(約500至550℃)退火而製成。
然後，必須利用蝕刻或鑽孔等技術，自基材層51朝向發光層50分別開設一P型電極延伸槽(未標號)與一N型電極延伸槽(未標號)。P型電極延伸槽係開設至接觸於P型電極包覆子層54。N型電極延伸槽則開設至接觸於N型電極包覆子層56，並以一絕緣膜57加以隔絕。接著，必須使一P型電極58自P型電極包覆子層54經由P型電極延伸槽，依序穿過透光導電子層53、反射層52與基材層51而延伸外露；使一N型電極59自N型電極包覆子層56經由N型電極延伸槽，依序穿過透光多重量子井55、P型電極包覆子層54、透光導電子層53、反射層52與基材層51而延伸外露，並且利用絕緣膜57與透光多重量子井55以及P型電極包覆子層54、透光導電子層53、反射層52以及基材層51保持絕緣。至此，則可製作出上述之LED晶片結構5。
如第二B圖所示，其係顯示在本發明較佳實施例中，封裝LED晶片結構以製作出LED晶片封裝體之製程。在製作出LED晶片結構5後，可進行一封裝製程。在進行封裝製程時，必須利用一透光封裝材料6包覆LED晶片結構5，使P型電極58與N型電極59保持外露於透光封裝材料6，待透光封裝材料6冷卻固化後，則完成了LED晶片封裝體200之製作。
如第二C圖所示，其係顯示在本發明較佳實施例中，製備一電路基板之製程。另外，在製作出LED組件300之前，還必須製備一電路基板7，電路基板7包含一基材層71、一第一電路配置層72與一第二電路配置層73。第一電路配置層72與第二電路配置層73係分別設置於基材層71的兩側。第一電路配置層72與第二電路配置層73中之至少一者係佈設一LED驅動(或控制)電路，在本實施例中，係在第一電路配置層72佈設LED驅動(或控制)電路。較佳者，電路基板7可為FR4(abbreviation for Flame Retardant 4)銅箔基板、印刷電路板或其他佈設LED驅動(或控制)電路之電路基板。
如第二D圖所示，其係顯示在本發明較佳實施例中，將LED晶片封裝體設置並焊接於電路基板之製程。在製備電路基板7後，可將LED晶片封裝體200設置於基板7，使LED晶片封裝體200中之P型電極58與N型電極59電性連接於第一電路配置層72所佈設LED驅動(或控制)電路。較佳者，更可利用一焊接製程使P型電極58與N型電極59電性連接於第一電路配置層72所佈設LED驅動(或控制)電路。在完成焊接製程後，即可製作出上述之LED組件300。較佳者，該焊接製程係利用融熔或半融熔之熔融或半融熔狀態之銲錫球(圖未繪製)或錫膏黏合於P型電極58與N型電極59，或黏合於第一電路配置層72所佈設LED驅動(或控制)電路上之焊接腳(圖未繪製)，並進行回焊與低溫固化。
在閱讀以上所揭露之技術後，相信舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者皆能輕易理解，由於在本發明較佳實施例所揭露之LED組件300之製造方法中，係直接進行封裝製程而製作出LED晶片封裝體200，並使LED晶片封裝體200具有外露之P型電極58與N型電極59；因此，所製作出之LED晶片封裝體200可直接取代習知製程繁瑣之覆晶LED封裝結構100而電性連結於電路基板7，藉以使製作出LED組件300。顯而易見地，藉由本發明所揭露之LED組件300之製造方法，可以大幅提升製作LED組件300的便利性。
由於在本發明所揭露之LED組件300之製造方法中，係直接進行封裝製程而製作出LED晶片封裝體200，在製作LED晶片封裝體200的過程中，完全不會使用到習知技術中的載體基板2；因此，可以在進行封裝製程中，不僅不存在透光封裝材料6溢漏至載體基板2的問題，而且也不存在因承受灌入透光封裝材料6時所施加的填充壓力所造成之電性連接不良的問題，更可使LED晶片封裝體200的體積與LED晶片結構5相近，亦即使LED晶片封裝體200的體積遠小於習知覆晶LED封裝結構100的體積，藉以提升電路基板7配置LED晶片封裝體200的空間利用率。
綜整以上所述，藉由本發明所揭露之LED組件300之製造方法，不僅可以提升製作LED組件300的便利性，還可以提升製作LED組件300品質，更可提升電路基板7配置LED晶片封裝體200之空間利用率。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。
100．．．覆晶LED封裝結構
1．．．LED覆晶結構
11．．．透光基材層
12．．．緩衝層
13．．．N型電極包覆子層
14．．．多重量子井
15．．．P型電極包覆子層
16．．．透光導電膜
17．．．反射層
18．．．P型電極
19．．．N型電極
12．．．緩衝層
2．．．載體基板
21．．．基板本體
211．．．上表面
212．．．下表面
213．．．第一側邊
214．．．第二側邊
22．．．P型電極層
23．．．N型電極層
3、3a．．．導電元件
4．．．透光封裝材料
200．．．LED晶片封裝體
300．．．LED組件
5．．．LED晶片結構
51．．．基材層
52．．．反射層
53．．．透光導電子層
54．．．P型電極包覆子層
55．．．透光多重量子井
56．．．N型電極包覆子層
57．．．絕緣膜
58．．．P型電極
59．．．N型電極
6．．．透光封裝材料
7．．．電路基板
71．．．基材層
72．．．第一電路配置層
73．．．第二電路配置層
第一A圖至第一E圖係顯示習知之LED組件之一系列製造過程；
第二A圖係顯示在本發明較佳實施例中，製作LED晶片結構之製程；
第二B圖係顯示在本發明較佳實施例中，封裝LED晶片結構以製作出LED晶片封裝體之製程；
第二C圖係顯示在本發明較佳實施例中，製備電路基板之製程；以及
第二D圖係顯示在本發明較佳實施例中，將LED晶片封裝體設置並焊接於電路基板之製程。
200．．．LED晶片封裝體
300．．．LED組件
5．．．LED晶片結構
50．．．發光層
51．．．基材層
52．．．反射層
53．．．透光導電子層
54．．．P型電極包覆子層
55．．．透光多重量子井
56．．．N型電極包覆子層
57．．．絕緣膜
58．．．P型電極
59．．．N型電極
6．．．透光封裝材料
7．．．電路基板
71．．．基材層
72．．．第一電路配置層
73．．．第二電路配置層

Claims (9)

  1. 一種發光二極體(Light Emitting Diode;LED)組件之製造方法，包含以下步驟：(a)在一基材層上被覆一反射層，並在該反射層上被覆一發光層；(b)自該發光層穿過該反射層而朝向該基材層延伸出一P型電極與一N型電極，藉以形成一LED晶片結構；以及(c)利用一透光封裝材料包覆該LED晶片結構，使該P型電極與該N型電極外露於該透光封裝材料而形成一LED晶片封裝體；以及(d)將該LED晶片封裝體之該P型電極與該N型電極電性連結於一電路基板，藉以製造出該LED組件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，在該步驟(a)中之該發光層包含：一透光導電子層(light-transmissible conductive sub-layer)，係被覆於該反射層；一P型電極包覆子層(P type electrode cladding sub-layer)，係被覆於該透光導電子層；一透光多重量子井(light-transmissible multiple quantum well)，係被覆於該P型電極包覆子層；以及一N型電極包覆子層(N type electrode cladding sub-layer)，係被覆於該透光多重量子井。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該P型電極係自該P型電極包覆子層依序穿過該透光導電子層、該反射層與該基材層而延伸出。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該N型電極係自該N型電極包覆子層依序穿過該透光多重量子井、該P型電極包覆子層、該透光導電子層、該反射層與該基材層而延伸出，並利用一絕緣模與該透光多重量子井以及該P型電極包覆子層保持絕緣。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該透光導電子層係利用將一鎳-金(Ni-Au)金屬薄膜經500至550℃退火而製成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該反射層係由二氧化鈦與二氧化矽(TiO2 /SiO2 )混合物、三氧化二鋁與二氧化矽(Al2 O3 /SiO2 )混合物以及氮化矽與二氧化矽(Si3 N4 /SiO2 )混合物中之一至少一者所組成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，在該步驟(d)中，係利用一焊接製程使該P型電極與該N型電極電性連接於該電路基板。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該電路基板係為一印刷電路板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體組件之製造方法，其中，該印刷電路板係為一FR4(abbreviation for Flame Retardant 4)銅箔基板。
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