TWI523272B - 發光二極體的反射基板 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體(LED)，且特定言之，本發明係關於在安裝表面上設置一反射層。
LED通常安裝在稍後經切割而分割成個別LED/基台的基台晶圓上。該晶圓之各個基台部分具有(例如)藉由超音波接合而接合至LED上的電極之上電極。接著在LED底部注入底部填膠材料(例如環氧樹脂或矽酮樹脂)來提供機械支撐及保護LED免於污染。移除實質上溢出LED佔用面積(例如溢出20微米)的任一底部填膠材料使得基台表面清潔。移除延伸超出LED晶粒佔用面積的底部填膠材料的一個理由係若該底部填膠材料係環氧樹脂(開始係黃色)且曝露在UV光下，則環氧樹脂會變成黑色並且吸收光。
基台亦具有藉一金屬圖案與LED電極連接的一組更堅固的電極，其等通常利用習知的回焊或其他方法接合至一印刷電路板(在基台晶圓被分割後)。
已知在LED底面上設置若干反射金屬電極使得由LED作用層向下發射的光線經向上反射而不被基台吸收。LED射出的一些光線亦照射到LED晶粒佔用面積周圍的基台表面上。為反射該光線，已知圍繞LED沈積一反射金屬環，例如銀環或鋁環。
形成一金屬反射體需採取額外的步驟，且該金屬必須與基台的頂部金屬圖案絕緣。
我們需要的是一種自基台表面或其他LED安裝表面向上反射光線的更好方式。
在一實施例中，一基台晶圓組裝有LED晶粒。為替代將典型的環氧樹脂或矽酮樹脂模製化合物底部填膠材料用於各個LED晶粒，將包含TiO2粉末(或其他白色粉末)作為填充物的矽酮樹脂模製化合物用作為該底部填膠材料，且該底部填膠材料亦在該等LED之各者周圍形成一實質上平坦的反射層。在一實施例中，該底部填膠材料經射出成型及壓縮模製於該晶圓上方以在整個晶圓表面上方(包括在該等LED之各者下方)形成一層底部填膠材料層。
若TiO2之重量百分比超過底部填膠材料的總填充物含量的約5%，則該層超過85%為反射性。若該底部填膠材料包含總填充物含量重量10%的TiO2，則該層至少90%為反射性。
在將注入TiO2的反射層模製於晶圓上方(包括在LED下方)以後，接著該注入TiO2的反射層之暴露表面經微粒噴擊以暴露出各個LED的頂面。該等LED周圍的注入TiO2的反射層表面將有與LED半導體層一樣或較低的高度，以在該基台晶圓表面上方形成一反射層。若在安裝於基台上以後該LED係頂部具有一成長基板的一覆晶，則可移除該成長基板。由於移除該成長基板產生了作用於該等LED半導體層上的向下壓力，故該底部填膠材料在移除該基板的製程中支撐該等LED半導體層。
若LED光線待磷光體轉換，則在該暴露的LED表面模製一磷光體層或藉由任一其他方法來沈積一磷光體層。
接著在該LED上模製一透鏡或採用任一合適的製程形成一透明透鏡。
由於無論如何必須在該等LED下方注入一底部填膠材料，所以在形成底部填膠材料以亦在該基台上的該等LED之各者周圍建立一反射層不需要額外的製程步驟。因此，該等LED周圍的該反射層藉由防止光線被該基台吸收而增加了光線輸出而無需任一額外製程步驟。在將底部填膠材料模製於該基台上之前將TiO2粒子混合入矽酮樹脂底部填膠材料係一簡單的步驟。該等TiO2粒子為小型以最大化表面面積比體積。
接著該基台晶圓經切割以分割成個別LED/基台，各個都具有一反射層。該反射層係電絕緣的。
可與本製程連用的較佳底部填膠材料係矽酮樹脂模製化合物，其具有大約-10℃至20℃的玻璃轉移溫度及且其熱膨脹係數接近於基板的熱膨脹係數，因此即使在最惡劣的情況下，如在AuSn或AgSn回焊期間，矽酮樹脂模製化合物的熱膨脹極小。
相同或等同的元件採用相同的數字予以標記。
作為一前提，一習知的LED形成於一成長基板上。在所使用的實例中，該LED係用於產生藍光的一GaN基LED，例如一AlInGaN或InGaN LED。一相對厚的n型GaN層通常是藉由使用習知技術形成於一藍寶石成長基板上。該相對厚的GaN層通常包括一低溫成核層及一或更多額外層，以便為n型包覆層及作用層提供一低缺陷的晶格結構。接著在n型厚層上形成一或更多n型包覆層，接著形成一作用層、一或更多p型包覆層及一p型接觸層(用於金屬化)。
對於覆晶而言，該等p型層及作用層之部分被蝕刻掉以暴露一n層用於金屬化。如此方式，p接觸件及n接觸件係處於晶片之相同側上且可直接電氣附接至基台接觸墊。來自該n金屬接觸件的電流最初橫向流經該n層。LED底部電極通常係由反射金屬形成。
可用於本發明的其他類型的LED包括可產生紅色到黃色範圍內光線的AlInGaP LED。亦可使用非覆晶LED。
接著該等LED被分割及安裝於一基台晶圓上。
先前技術之圖1顯示安裝於一基台晶圓22之一部分上的一習知LED 10覆晶。該LED 10由成長於一成長基板12(例如一藍寶石基板)上的半導體磊晶層組成。在一實例中，該等磊晶層係GaN基磊晶層，且作用層發出藍光。任一其他類型LED適用於本發明。
金屬電極14形成於該LED 10上且電接觸該p層，且金屬電極16形成於該LED 10上且電接觸該n層。在一實例中，該等電極係超音波焊接至該基台晶圓22上之陽極及陰極金屬墊的金凸塊。在一實施例中，該基台晶圓22具有導引至底部金屬墊且用於接合至一印刷電路板的導電通孔。許多LED都安裝於該基台晶圓22上，且隨後該晶圓22將被分割成個別LED/基台。
LED的其他細節可以查看受讓人之美國專利第6,649,440號及第6,274,399號及美國專利公開案第US 2006/0281203 A1號及第2005/0269582 A1號，全部以引用的方式併入本文中。
製備反射底部填膠材料。在一實施例中，TiO2粒子(在白光下呈現白色)，或其他反射粒子(例如ZrO2)被添加到適用於底部填膠的矽酮樹脂模製化合物中。一典型的矽酮樹脂模製化合物含有大約重量82%至84%的SiO2，其在大功率LED的高光子能、高熱量環境下建立一極穩定的材料。為建立底部填膠材料的反射性質，TiO2替代了一些SiO2包含於該矽酮樹脂模製化合物中，造成TiO2占矽酮樹脂模製化合物中填充物總重量的大約5%至10%或更高。TiO2加SiO2應該等於矽酮樹脂化合物重量的大約80%至84%。添加5%的TiO2使得該矽酮樹脂化合物具有約85%的反射率，且添加10%的TiO2使得該矽酮樹脂化合物具有超過90%的反射率。添加明顯更多的TiO2會降低作為底部填膠材料的矽酮樹脂化合物的期望特性。可採用電絕緣的反射底部填膠材料之其他配方。
圖2A顯示一種適用的射出成型製程，其用於建立各個LED的底部填膠材料及反射層。一模具36具有界定模製製程之後的硬化底部填膠材料之外形的空腔38。該模具36可由鋁形成。該模具36具有一周邊密封條37，當該模具36對準該晶圓22且壓抵於該晶圓22時，該周邊密封條37抵靠該基台晶圓22密封。
該模具36具有用於注入液態反射底部填膠材料41的至少一入口40及連接於一真空源的至少一出口42。一旦該模具36抵靠該晶圓22密封，在該模具36內部建立一真空，且該底部填膠材料41經由入口40被注入。借助於真空及該材料41的注入壓力，該底部填膠材料41經由該等空腔之間的通道44流入該等空腔38。該真空幾乎清除了該模具36內的所有空氣。最終，該整個模具36將用該底部填膠材料41填充，包括LED下的所有空間。
接著加熱該模具36來固化該液態底部填膠材料。固化期間該模具36的溫度約為150℃。或者可採用一透明模具，且可用UV光固化該底部填膠材料。
圖2B顯示一晶圓級的替代模製製程，其未採用底部填膠材料之壓力注入。在圖2B中，模具48具有首先在大氣壓下用固態底部填膠材料41粒子(例如粉末或小塊)填充的空腔50。接著在該模具中加熱該固態材料使其軟化。基台晶圓22抵靠該模具48使得LED被浸入各個空腔50內的該底部填膠材料中。壓合該晶圓22及該模具48使得該底部填膠材料填充所有空間。一周邊密封條53使壓力成為高壓力同時容許所有空氣在該底部填膠材料填充該等空間時逸出。可採用該密封條53周圍的一真空源於該晶圓22與該模具48之間獲得一真空。
接著冷卻該模具48以硬化該底部填膠材料。某些材料在加熱及壓縮製程之後會自動硬化。處理固態底部填膠材料具有多種優勢。進一步而言，可用於底部填膠材料的一些適合的材料在室溫下且在固化之前並非液體，所以加熱該模具中的一固態材料接著大幅度壓縮增加了可用作為底部填膠材料的可能材料之數目。
接著自該晶圓22移除圖2A或圖2B之該模具，形成圖3之結構，其具有囊封各個LED之硬化底部填膠材料54。在各個LED之間的該晶圓22表面上亦存在一層硬化的底部填膠材料54層。
為執行雷射剝離製程來移除成長基板12，首先必須移除該成長基板12上的底部填膠材料54。若藉由研磨或另一種機械蝕刻製程移除該成長基板12，則可以採用此研磨來同時移除過多的底部填膠材料54。
圖4顯示藉由用高速率微粒58噴擊該晶圓22之整個表面來移除過多的底部填膠材料54。在一實施例中，該等微粒58具有1微米至20微米之間的直徑且由NaHCO3形成。該等微粒58藉由大約100 psi或更小的氣壓加速穿過噴嘴。可採用大噴嘴以自該等LED 10上方蝕刻該底部填膠材料54而不用移動該噴嘴，或可採用較小的噴嘴以在每次僅蝕刻掉一些LED上的該底部填膠材料54，隨後將該噴嘴移動到該晶圓22上方的下一個位置。採用微粒移除任一種過多材料係一已知製程。該底部填膠材料54經蝕刻至在該等LED 10之間的該基台表面上方保留一反射層。該剩餘層之厚度應足夠用於反射至少80%的照射光線。在一實施例中，該基台表面上方的該反射層之厚度約為30微米至50微米(大致係LED晶粒下方的該底部填膠材料的厚度)，且該反射層的整個頂面係實質上平坦的，其由模具形狀及微粒噴擊效果所決定。
圖5顯示一雷射剝離製程。雷射脈衝如箭頭60所示。在雷射剝離期間，GaN之表面吸收熱量，使得表層分解為Ga及N2。N2的壓力將藍寶石成長基板12推離LED。在該剝離製程期間該等成長基板12與半導體LED層分離之後，例如藉由黏接片或其他適合的製程將該等成長基板移除。在剝離製程期間，該底部填膠材料機械地支撐該等LED半導體薄層。
由於暴露的頂層係相對厚的n層，且表面已由雷射剝離製程而被毀壞，因此接著藉由(例如)RIE或一機械蝕刻來薄化該等暴露的LED層。接著可粗糙化該所得頂面來增加光提取效率。
若想要建立磷光體轉換光，則應提供類似於圖2B中之模具48的一模具以在該等LED 10上方模製一磷光體層。例如，該等LED 10可發出藍光，且可希望藉由沈積一YAG磷光體層(產生黃光)或一層紅色及綠色磷光體層來建立白光。藍光通過該磷光體射出以與該磷光體產生的光結合。
磷光體混合物可以係注入黏合劑(例如矽酮樹脂)的磷光體粒子。模具空腔則界定該等LED 10上方的磷光體之形狀，且該磷光體混合物經固化以硬化該磷光體層。圖6顯示該等LED上方的一模製磷光體層62。若該模製製程之容限造成在該底部填膠材料54上方形成一磷光體薄層，則可採用一微粒噴擊步驟來移除此磷光體薄層。
接著，可在各個LED 10上方模製一透明透鏡66(圖7)來增加該LED的光提取，保護該磷光體層62及該LED 10，並建立一想要的發光圖案。該透鏡66可以係任一形狀，例如圖7所示的半球形。在一實施例中，該透鏡66係利用圖2B中所示的相同一般製程而由矽酮樹脂模製成。
在一實施例中，該透鏡材料亦包括磷光體粒子來轉換該等LED 10發出光的波長。
當LED陣列安裝於基台晶圓22上時，對於該LED陣列亦可以執行其他晶圓級製程。
接著該基台晶圓22經分割以形成個別LED/基台，例如圖8中所示。如圖8所示，該基台晶圓22部分之整個表面由該反射底部填膠材料54所覆蓋。一光線70顯示為由該磷光體層62以向下方向發射且由該底部填膠材料54向上反射。來自該LED 10側邊的光線亦將被向上反射且透過該底部填膠材料54的頂面射出。
圖8亦顯示該基台晶圓22部分之表面上的電極72及73、導引至底部電極78及79的通孔76，及一印刷電路板82，該印刷電路板82具有焊接至該等電極78及79的墊。該板82可具有用於散熱的一鋁芯體。
本發明亦適用於形成安裝於基板上的LED周圍的反射材料，無論該反射材料是否用作底部填膠材料。例如，該LED上的底部電極事實上可佔據該LED之整個背面，且不需要底部填膠材料。
一晶圓級透鏡模製製程之細節描述於Grigoriy Basin等人之題為「Overmolded Lens Over LED Die」的美國專利公開案第2006/0105485號，該案已受讓於本受讓人且以引用方式併入本文中。
雖然已顯示與描述了本發明之特定實施例，但熟悉此項技術者顯而易見在無違本發明之較廣泛態樣下可作出變更及修改，因此隨附申請專利範圍係將落入本發明的真實精神及範疇內的所有此類變更及修改包含於申請專利範圍範疇內。
10．．．發光二極體
12．．．成長基板
14．．．電極
16．．．電極
22．．．基台晶圓
36．．．模具
37．．．密封條
38．．．空腔
40．．．入口
41．．．液態底部填膠材料
42．．．出口
44．．．通道
48．．．模具
50．．．空腔
53．．．邊界密封條
54．．．底部填膠材料
58．．．微粒
60．．．雷射脈衝
62．．．磷光體層
66．．．透明透鏡
70．．．光線
72．．．電極
73．．．電極
76．．．通孔
78．．．電極
79．．．電極
82．．．印刷電路板
圖1顯示一先前技術的基台晶圓之一部分，其在一底部填膠步驟之前組裝有一LED陣列，例如500個至4000個LED。
圖2A顯示一晶圓級射出成型製程，其用以在LED下方及基台晶圓表面上方設置反射底部填膠材料。
圖2B顯示一替代類型的晶圓級模製製程，其不採用注入而在LED下方及基台晶圓表面上方設置反射底部填膠材料。
圖3顯示自圖2A或圖2B所示模具移除之後的晶圓上的LED。
圖4顯示圖3之底部填膠材料之表面，該表面藉由微粒噴擊被蝕刻掉以便暴露LED頂面，但仍保留基台晶圓之表面上方的一反射層。
圖5顯示用於自LED移除成長基板的一雷射剝離技術。
圖6顯示藉由類似圖2B所示模製製程在暴露的LED表面上方形成的一磷光體層(摻入黏合劑的磷光體粒子)。
圖7顯示藉由類似圖2B所示模製製程在LED上方形成的一透鏡。
圖8係在圖7所示LED/基台已經分割後安裝於一基台上的一單一LED之剖面圖。該基台顯示為焊接至一印刷電路板。
10．．．發光二極體
14．．．電極
16．．．電極
22．．．基台晶圓
54．．．底部填膠材料
62．．．磷光體層
66．．．透明透鏡
70．．．光線
72．．．電極
73．．．電極
76．．．通孔
78．．．電極
79．．．電極
82．．．印刷電路板
Claims (14)
- 一種發光裝置，其包括：一發光二極體(LED)晶粒，其包含磊晶成長於一成長基板上的半導體層；一基台(submount)，其上安裝有該LED晶粒，在該LED晶粒與該基台之間存在一空隙；及一電絕緣底部填膠(underfill)材料，其模製於該LED晶粒上，該底部填膠材料經蝕刻以保留在該LED晶粒與該基台之間及在該等半導體層側邊的至少一部分之上(over)，該底部填膠材料亦在該基台之一表面上圍繞該LED晶粒形成一實質上平坦的反射層，其中該底部填膠材料已從該成長基板上及從該成長基板的側表面上蝕刻，以允許移除該成長基板，及其中該成長基板已被移除。
- 如請求項1之裝置，其中該底部填膠材料包括注有TiO2的矽酮樹脂。
- 如請求項2之裝置，其中該TiO2組成該底部填膠材料重量的大於約5%。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括覆蓋於該LED晶粒上的一磷光體層，該磷光體層具有延伸於該反射層上方之一表面。
- 如請求項1之裝置，其中該反射層延伸至該基台的邊緣。
- 如請求項1之裝置，其中該LED晶粒與該基台之間的該底部填膠材料的厚度小於該反射層的厚度。
- 如請求項1之裝置，其中該反射層之厚度大於30微米。
- 如請求項1之裝置，其中該反射層對可見光的反射率大於約80%。
- 如請求項1之裝置，其中該底部填膠材料包括注有反射粒子的矽酮樹脂。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括模製於該LED晶粒及該反射層之一部分上方的一透明透鏡。
- 一種製造一發光裝置的方法，其包括：於一基台上設置一發光二極體(LED)晶粒，在該LED晶粒與該基台之間存在一空隙，該LED晶粒具有面向該基台的一底面(bottom surface)及與該底面相對的一頂面(top surface)，該LED晶粒具有一成長基板形成該頂面；提供一反射底部填膠材料，其包括含有反射粒子的矽酮樹脂(silicone)；在該基台上模製該底部填膠材料使得該底部填膠材料實質上完全填充在該LED晶粒與該基台之間的該空隙，並在該基台上圍繞該LED晶粒及至少沿該成長基板的側壁形成一底部填膠材料層；移除在該LED晶粒之一頂面上及該成長基板的側壁周圍的任何底部填膠材料，同時保留在該基台上圍繞該LED晶粒的該底部填膠材料層之至少一部分，以產生圍繞該LED晶粒之該底部填膠材料的一實質上平坦反射 層；及移除該成長基板，而不進一步移除該底部填膠材料。
- 如請求項11之方法，其中利用一雷射剝離(laser lift-off)程序而移除該成長基板。
- 如請求項11之方法，其進一步包括在該LED晶粒上模製一磷光體層，其中該磷光體層之一頂面延伸於該反射層的一頂面上方。
- 如請求項11之方法，其中該底部填膠材料包括注有TiO2的矽酮樹脂，且該反射層對可見光的反射率大於約80%。
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