TWI476946B - 發光二極體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Description

發光二極體裝置及其製造方法
本發明有關於發光二極體(light-emitting diode,LED)裝置，特別是有關於一種具有螢光材料的透鏡模組的發光二極體裝置及其製造方法。
發光二極體(LED)裝置為固態光源且已熟習多年。LED裝置是透過半導體材料的p-n接面在順向偏壓時電子-電洞對的結合而發光。相較於傳統燈具，LED裝置的優點在於低耗電量及較長的使用壽命。特別的是因為白光LED裝置具有高演色性指數(color rendering index,CRI)，使其成為最廣為接受的發光裝置之一。
白光LED裝置可透過使用紅光LED晶片(chip/die)、綠光LED晶片、及藍光LED晶片來混合紅、綠、及藍光而形成白光LED裝置。然而，上述三合一的白光LED裝置較為昂貴，因其需要三個LED晶片來發射不同主色的光。再者，由於三個LED晶片中每一晶片的發光效率不同而降低演色性指數(CRI)。
為了解決上述的缺陷，而發展出結合螢光材料(如，磷光材料)與藍光LED裝置的白光LED裝置。藍光通過發出紅色及綠色螢光的磷光材料，使藍、紅、及綠光結合而產生白光。目前，上述白光LED裝置是透過在藍光LED晶片周圍填入含有磷光材料的環氧樹脂(epoxy resin)並在其上覆蓋一透鏡而形成的。然而，填入的環 氧樹脂的均勻性(uniformity)不佳而降低LED裝置的發光特性。另一白光LED裝置的製作方法為在藍光LED晶片周圍填入一透明保護樹脂或膠(glue)，接著其上塗覆一含有磷光材料的環氧樹脂層。然而，環氧樹脂層的塗覆速率慢且同樣難以控制環氧樹脂層的均勻性。又另一白光LED裝置的製作方法為在藍光LED晶片上形成一透鏡，接著在其上塗覆一含有磷光材料的環氧樹脂層並覆蓋一透明保護樹脂或膠。然而，環氧樹脂層的塗覆速率慢且製造成本較高。此外，於上述方法中，藍光LED晶片的封裝係採用晶片層級封裝(chip level packaging)技術，因此封裝過程較為耗時而將影響了藍光LED晶片之封裝物的產率。
因此，有必要尋求一種新的LED裝置結構，其能夠解決上述的問題。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種發光二極體(LED)裝置及其製造方法，藉以解決前述之習知問題。
根據上述之目的，本發明提供一種發光二極體裝置，包括：一半導體基板，具有一發光二極體晶片設置於其上；至少兩分隔之外部導線層，設置於該半導體基板之一底面上且電性連結於該發光二極體晶片，該些外部導線層係作為輸入端之用；以及一透鏡模組，黏著於該半導體基板之一頂面上，以覆蓋該發光二極體晶片。於一 實施例中，該透鏡模組包括：一玻璃基板，具有一第一凹穴形成於其一第一表面上；一螢光層，形成為該第一凹穴內之該第一表面之一部上並相對於該發光二極體晶片；以及一模塑透鏡，形成於該玻璃基板對應於該第一表面之之一第二表面上，其中該玻璃基板之該第二表面為一平坦表面且其上未形成有任何凹穴。
又根據上述之目的，本發明提供一種發光二極體裝置的製造方法，包括：提供一半導體晶圓，其上形成有複數個發光二極體晶片；提供一透鏡板以覆蓋該些發光二極體晶片；蝕刻該半導體晶圓之底面，以於鄰近之該些第一凹穴間形成複數個凹口而構成複數個體的半導體基底；以及自該些凹口切割該透鏡板，以在對應的該些半導體基底上形成複數個體的透鏡模組。於一實施例中，該透鏡板包括：一玻璃基板，具有複數個第一凹穴形成於其第一表面之上；一螢光層，形成於為該些第一凹穴所露出之該第一表面上，分別相對於該些發光二極體晶片之一；以及複數個模塑透鏡，形成於該玻璃基板對應於該第一表面之一第二表面上，其中該玻璃基板之該第二表面為一平坦表面且其上未形成有任何凹穴。
以下說明本發明之實施例。此說明之目的在於提供本發明的總體概念而並非用以侷限本發明的範圍。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。
第2D、3、4D、5圖係分別繪示出根據本發明不同實施例的LED裝置剖面示意圖，其中第3、4D、5圖與第2D圖相同的部件係使用相同並省略相關的說明。請參照第2D圖，LED裝置包括一半導體基底200，例如矽基底或其他習知的半導體基底，其具有一凹穴100a。半導體基底200可包含各種元件，例如電晶體、電阻、及其他習知的半導體元件。此處為了簡化圖式，並未繪示出各個元件。至少二個分隔的內部導線層104設置於凹穴100a內。一LED晶片101，例如藍光LED晶片，設置於凹穴100a內並透過打線(wire bonding)的導線103而電性連接至內部導線層104。在其他實施例中，LED晶片101可透過覆晶(flip chip)的方式而電性連接至內部導線層104。至少二個分隔的外部導線層112設置於半導體基底200的下表面，用以作為輸入端。在本實施例中，外部導線層112延伸至半導體基底200的側壁，且內部導線層104延伸至半導體基底200的上表面，使外部導線層112直接與內部導線層104連接而電性連接至LED晶片101。一透鏡模組18a透過一黏著層108而貼附於半導體基底200的上表面，用以覆蓋凹穴100a。在本實施例中，透鏡模組18a包括：一模塑透鏡16及位於模塑透鏡16下方且面向LED晶片101的一螢光層14。另外，一玻璃基板10設置於螢光層14與模塑透鏡16之間。螢光層14可包含磷光材料。再者，螢光層14具有一均勻厚度，使螢光層14所發射的光線的相對色溫(correlated color temperature,CCT)更加的均勻。一反射層114，例 如銀(Ag)或其他習知的反射材料，可塗覆於透鏡模組18a的邊緣，以防止漏光。因此，可增加LED裝置的亮度。
請參照第3圖，不同於第2D圖所示的LED裝置，半導體基底200此時具有一平坦表面而其內並未形成有任何之凹穴100a。形成於半導體基底200上之內部導線層104為一平坦膜層，而LED晶片101則透過打線的導線103而電性連結於內部導線層104，因此兩外部導線112可直接連接內部導線104並進而分別電性連接於LED晶片101。
請參照第4D圖，不同於第2D圖所示的LED裝置，半導體基底200可具有至少二個貫穿開口100c，其位於凹穴100a下方，使至少二個外部導線層112a分別透過貫穿開口100c而電性連接至內部導線層104。
請參照第5圖，不同於第4D圖所示的LED裝置，半導體基底200此時具有一平坦表面而其內並未形成有任何之凹穴100a。形成於半導體基底200上之內部導線層104為一平坦膜層，而LED晶片101則透過打線的導線103而電性連結於內部導線層104。半導體基底200內形成有兩貫穿開口100c，以使得兩外部導線112a可藉由此些貫穿開口100c而分別連結於內部導線層104。
請參照第2A至2D圖，繪示了依據本發明一實施例之LED裝置的製造方法剖面示意圖。如第2A圖所示，提供一半導體晶圓100，例如一矽晶圓或其他習知的半導體晶圓。半導體晶圓100具有彼此相鄰的複數凹穴100a。 此處為了簡化圖式，僅繪示出二個相鄰的凹穴100a。
一絕緣層102，例如由熱氧化法、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、或其他習知的沉積技術所形成的氧化矽層，以及一金屬層(未繪示)係依序順應性地形成於半導體晶圓100的上表面及每一凹穴100a的內表面。金屬層可由鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、或銀(Ag)或其合金所構成。再者，透過微影及蝕刻製程以圖案化金屬層而在每一凹穴100a內形成至少二個分隔的內部導線層104。內部導線層104係延伸至半導體晶圓100的上表面。
複數LED晶片101對應放置於凹穴100a內且透過打線的導線103或透過覆晶的凸塊(bump，未顯示)而電性連接至對應的內部導線層104。再者，可選擇性將一透明樹脂106，例如環氧樹脂或膠，填入每一凹穴100a內以覆蓋及保護每一LED晶片101。
請參照第2B圖，透過一黏著層108，例如一環氧樹脂層，將一透鏡板18覆蓋於半導體晶圓100的凹穴100a上方，且於透鏡板18與透明樹脂106之間存在有一空間50。
第1A至1D圖係繪示出依據本發明一實施例之透鏡板18的製造方法的剖面示意圖。請參照第1A圖，提供一玻璃晶圓10。接著於玻璃晶圓10之一表面上形成圖案化之罩幕層20，並露出玻璃晶圓10之複數部分。接著施行如蝕刻程序之程序22，以部分移除為罩幕層20所露出之玻璃晶圓10，進而於玻璃晶圓10內形成複數凹穴12。 在此，每一凹穴12具有距玻璃晶圓10表面約50~350微米之深度d。且如第1A圖所示，此些凹穴12在此繪示為具有大體長方形之剖面，但並非以此剖面情形而加以限定本發明。於其他實施例中，凹穴12可具有如梯形或其他多邊形之剖面。於其他實施例中，凹穴12亦可具有如圓形、橢圓形或碟形之大體圓弧狀之剖面。程序22並不以第1A圖所示之蝕刻程序而限制本發明，其亦可為直接施行於玻璃晶圓10上之一機械研磨程序，而當程序22採用機械研磨程序時，將不需要使用此罩幕層20。
請參照第1B圖，接著移除罩幕層20並施行一程序24，以形成複數螢光層14，例如磷光材料層，螢光層14係形成於玻璃晶圓10內之每一凹穴12的底面上。形成螢光層14之程序24例如為電泳沈積(electrophoresis deposition)、點膠(gel dispense)或網印(screen printing)等程序。當程序24採用電泳沈積程序時，於玻璃晶圓10與螢光層14之間會形成有一透光導電層(未顯示)，以利上述螢光層14的形成。此些螢光層14係對應於如第2A圖所示之複數凹穴100a而設置。此處為了簡化圖式，僅繪示出二個相鄰的螢光層14。由於螢光層14可藉由如電泳沈積、點膠或網印等程序所形成，如此可較為容易控制所形成之螢光層14的輪廓並使所形成之螢光層14為大體平坦之膜層，進而改善螢光層14之膜層均勻度。於本實施例中，螢光層14之中心部與邊緣部具有大體相同之膜層厚度。請參照第1E圖與1F圖，繪示了如第1B圖所示之透鏡板的多個上視情形，透鏡板內之凹穴12可具 有長方形(如第1E圖所示)或圓形(如第1F圖所示)之上視情形。此些凹穴12亦可具有非如第1E圖與1F圖所示之其他多邊形之上視情形，並非以第1E圖與1F圖所示情形而加以限定本發明。
請參照第1C圖，於形成螢光層14之後，接著藉由模具30的應用而於玻璃晶圓10對應於複數螢光層14之另一側表面(即未形成有凹穴12的表面)上形成複數模塑透鏡16，使得玻璃晶圓10夾置於每一螢光層14以及每一模塑透鏡16之間。此些模塑透鏡16包括如透明樹脂之材料。於移除模具30之後，便形成了如第1D圖所示之透鏡板18。請繼續參照第2B圖，透鏡板18於黏著於半導體晶圓100之上後，透鏡板18之每一螢光層14將對應於每一LED晶片101而設置。接著研磨半導體晶圓100之底部表面以薄化之。
請參照第2C圖，依序蝕刻經研磨後的半導體晶圓100下表面及位於上方的黏著層108以在相鄰的凹穴100a之間形成複數凹口100b，藉以構成複數個體的半導體基底200並露出玻璃晶圓10。透過金屬層(未繪示)沉積及後續進行微影及蝕刻步驟，以在每一半導體基底200的下表面形成至少二個分隔的外部導線層112。外部導線層112可由相同或相似於內部導線層104的材料所構成。在本實施例中，外部導線層112係作為輸入端且延伸至每一半導體基底200的側壁及露出的玻璃晶圓10上，使二個外部導線層112直接連接至對應的內部導線層104並電性連接至對應的LED晶片101。在其他實施 例中，可在研磨半導體晶圓100下表面、形成凹口100b、以及形成分隔的外部導線層112之後，才在玻璃晶圓10上形成模塑透鏡16。
請參照第2D圖，自凹口100b切割透鏡板18，以在對應的半導體基底200上形成個體的透鏡模組18a。此處為了簡化圖式，僅繪示出上方具有透鏡模組18a的單一半導體基底200。接著，在每一透鏡模組18a的邊緣塗覆一反射層114，用以防止漏光而增加LED裝置101的亮度。如此一來，便完成本實施例之LED裝置的製作。
請參照第3圖，係繪示出參照並略微修改如第2A~2D圖所示之LED裝置的製造方法所得到之LED裝置的剖面示意圖。於本實施例中，半導體基底200內並未形成有凹穴100a且具有大體平坦表面。此外，內部導線層104係為覆蓋於半導體基底200表面上之一平坦膜層形態，而LED晶片101則透過打線的導線103而電性連結於內部導線層104，因此兩外部導線112可直接連接內部導線104並進而分別電性連接於LED晶片101。
第4A至4D圖係繪示出依據本發明另一實施例之LED裝置的製造方法剖面示意圖，其中第4A至4D圖與第2A至2D圖相同的部件係使用相同並省略相關的說明。請參照第4A圖，提供一半導體晶圓100，其包括彼此相鄰的複數凹穴100a以及位於每一凹穴100a下方的至少二個貫穿開口100c。
一絕緣層102a，例如由熱氧化法、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、或其他習知的沉積 技術所形成的氧化矽層，係順應性地形成於半導體晶圓100的上表面、每一凹穴100a的內表面以及每一貫穿開口100c的內表面。接著，分別在半導體晶圓100的上表面及下表面的絕緣層102a上順應性形成二金屬層(未繪示)並填入貫穿開口100c。再者，透過微影及蝕刻製程以圖案化上述金屬層而在每一凹穴100a內形成至少二個分隔的內部導線層104且在每一凹穴100a下方的半導體晶圓100形成至少二個分隔的外部導線層112。因此，每一凹穴100a下方的二個外部導線層112a透過貫穿開口100c而與對應的內部導線層104電性連接。
請參照第4B圖，在半導體晶圓100的凹穴100a上方覆蓋如第1D圖所示之一透鏡板18。
請參照第4C圖，依序蝕刻半導體晶圓100下表面及其上方的黏著層108，以在相鄰的凹穴100a之間形成複數凹口100b，藉以構成複數個體的半導體基底200並露出玻璃晶圓10。
請參照第4D圖，自凹口100b切割透鏡板16，以在對應的半導體基底200上形成個體的透鏡模組18a。接著，在每一透鏡模組18a的邊緣塗覆一反射層114，用以防止漏光。如此一來，便完成本實施例之LED裝置的製作。
請參照第5圖，係繪示出參照並略微修改如第4A~4D圖所示之LED裝置的製造方法所得到之LED裝置的剖面示意圖。於本實施例中，半導體基底200內並未形成有凹穴100a且具有大體平坦表面。此外，形成於半導體基 底200上之內部導線層104為一平坦膜層，而LED晶片101則透過打線的導線103而電性連結於內部導線層104。半導體基底200內形成有兩貫穿開口100c，以使得兩外部導線112a可藉由此些貫穿開口100c而分別連結於內部導線層104。
根據上述的實施例，螢光層係形成於位於一玻璃載板內之複數凹穴之中且具有大體平坦之膜層厚度。相較於習知填入LED晶片周圍的螢光層而言，可改善螢光層的均勻性。再者，由於螢光層經由如電泳沈積、點膠或網印等程序所形成，故可具有較佳的螢光層輪廓控制能力。再者，透過電泳沈積、點膠、網印與模塑等程序而在玻璃載板的兩相對側面所形成透鏡及螢光層，可輕易進行重做(rework)，因而可降低製造成本。另外，由於可透過晶圓級封裝(wafer level package)技術進行LED裝置的封裝，有助於產品之產率的提升。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，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。
10‧‧‧玻璃晶圓
12‧‧‧凹穴
14‧‧‧螢光層
16‧‧‧模塑透鏡
18‧‧‧透鏡板
18a‧‧‧透鏡模組
20‧‧‧罩幕層
22、24‧‧‧程序
30‧‧‧模具
50‧‧‧空間
d‧‧‧凹穴距玻璃晶圓表面之距離
100‧‧‧半導體晶圓
100a‧‧‧凹穴
100b‧‧‧凹口
100c‧‧‧貫穿開口
101‧‧‧LED晶片
102、102a‧‧‧絕緣層
103‧‧‧導線
104‧‧‧內部導線層
106‧‧‧透明樹脂
108‧‧‧黏著層
112、112a‧‧‧外部導線層
114‧‧‧反射層
200‧‧‧半導體基底
第1A至1D圖為一系列剖面示意圖，繪示了依據本發明一實施例之透鏡板的製造方法；第1E至1F圖為一系列上視示意圖，繪示了第1B圖內所示之透鏡板的多個實施情形；第2A至2D圖為一系列剖面示意圖，繪示了依據本發明一實施例之發光二極體裝置的製造方法；第3圖為一剖面示意圖，繪示了依據本發明另一實施例之發光二極體裝置；第4A至4D圖為一系列剖面示意圖，繪示了依據本發明又一實施例之發光二極體裝置的製造方法；以及第5圖為一剖面示意圖，繪示了根據本發明另一實施例之發光二極體裝置。
10‧‧‧玻璃晶圓
12‧‧‧凹穴
14‧‧‧螢光層
16‧‧‧模塑透鏡
18‧‧‧透鏡板
18a‧‧‧透鏡模組
50‧‧‧空間
100‧‧‧半導體晶圓
101‧‧‧LED晶片
102‧‧‧絕緣層
103‧‧‧導線
104‧‧‧內部導線層
108‧‧‧黏著層
112‧‧‧外部導線層
114‧‧‧反射層

Claims (22)

  1. 一種發光二極體裝置，包括：一半導體基板，具有一發光二極體晶片設置於其上；至少兩分隔之外部導線層，設置於該半導體基板之一底面上且電性連結於該發光二極體晶片，該些外部導線層係作為輸入端之用；以及一透鏡模組，黏著於該半導體基板之一頂面上，以覆蓋該發光二極體晶片，其中該透鏡模組包括：一玻璃基板，具有一第一凹穴形成於其一第一表面上；一螢光層，形成為該第一凹穴內之該第一表面之一部上並相對於該發光二極體晶片；以及一模塑透鏡，形成於該玻璃基板對應於該第一表面之之一第二表面上，其中該玻璃基板之該第二表面為一平坦表面且其上未形成有任何凹穴。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該半導體基板具有一平坦表面，而該發光二極體晶片係設置於該平坦表面上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該半導體基板具有一第二凹穴，而該發光二極體晶片係設置於該第二凹穴之內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該螢光層之一中心部的厚度大體相同於該螢光層之一邊緣部的厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更 包括一反光層，塗佈於該透鏡模組之一邊緣。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，更包括至少兩個分隔的內部導線層，設置於該半導體基板之平坦表面上，以電性連結該發光二極體晶片與該些外部導線層。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體裝置，更包括至少兩個分隔的內部導線層，設置於該半導體基板之該第二凹穴內，以電性連結該發光二極體晶片與該些外部導線層。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中該半導體基板包括至少兩貫穿開口，位於該半導體基板之該平坦表面之下，以使得該些外部導線層透過該些貫穿開口而電性連結該些內部導線層。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該半導體基板包括至少兩貫穿開口，位於該半導體基板之該第二凹穴內，以使得該些外部導線層藉由該些貫穿開口而電性連結該些內部導線層。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中該些外部導線層延伸至該半導體基底的側壁，且該些內部導線層延伸至該半導體基底的上表面，使該些外部導線層電性連接至該些內部導線層。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該些外部導線層延伸至該半導體基底的側壁，且該些內部導線層延伸至該半導體基底的上表面，使該些外部導線層電性連接至該些內部導線層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更包括一空間，位於該發光二極體晶片與該螢光層之間。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體裝置，更包括一透明樹脂，填入於該第二凹穴內以覆蓋該發光二極體晶片。
  14. 一種發光二極體裝置之製造方法，包括：提供一半導體晶圓，其上形成有複數個發光二極體晶片；提供一透鏡板以覆蓋該些發光二極體晶片，其中該透鏡板包括：一玻璃基板，具有複數個第一凹穴形成於其第一表面之上；一螢光層，形成於為該些第一凹穴所露出之該第一表面上，分別相對於該些發光二極體晶片之一；以及複數個模塑透鏡，形成於該玻璃基板對應於該第一表面之一第二表面上，其中該玻璃基板之該第二表面為一平坦表面且其上未形成有任何凹穴；蝕刻該半導體晶圓之一底面，以於該些第一凹穴間形成複數個凹口而構成複數個體的半導體基底；以及自該些凹口切割該透鏡板，以在對應的該些半導體基底上形成複數個體的透鏡模組。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，其中該半導體晶圓具有一平坦表面。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，其中該半導體晶圓具有相鄰之複數個第二 凹穴，且該些發光二極體晶片係分別形成於該些第二凹穴之一內。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，更包括形成至少兩分隔之外部導線層於各半導體基板之底面，以電性連結對應之該發光二極體晶片並作為一輸入端子。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之發光二極體裝置之製造方法，更包括形成至少兩分隔之內部導線層於該半導體基板之上，以電性連結對應之該發光二極體晶片與該外部導線層。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體裝置之製造方法，其中各半導體基板更包括至少兩貫穿開口，位於該半導體基板之下方，以使得該些外部導線層經由該些貫穿開口而分別電性連結於對應之該內部導線層。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，其中該些外部導線層延伸至各半導體基板之側壁而該些內部導線層延伸至該半導體基底之頂面，以使得該些外部導線層直接連結於對應之該內部導線層。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，其中該螢光層之一中心部的厚度大體相同於該螢光層之一邊緣部的厚度。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置之製造方法，更包括塗佈一反射層於各透鏡模組之一邊 緣的步驟。
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