覆晶發光二極體晶粒及其晶粒陣列的製作方法

2023-06-14 20:24:21 1

專利名稱：覆晶發光二極體晶粒及其晶粒陣列的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種發光二極體，且特別是有關於一種覆晶發光二極體。
背景技術：
請參考圖1，圖1是已知的覆晶(flip chip)發光二極體封裝製程的步驟流程圖。 傳統的覆晶發光二極體製程包括至少七個步驟首先，如步驟101所示，將晶圓(wafer)上的多個晶粒(die) 110以擴晶技術取出。接下來，如步驟102所示，以一第一機器手臂210 及其真空吸嘴211取下晶粒；如步驟103所示，第一機器手臂210翻轉晶粒110 ；如步驟104 所示，晶粒110被翻轉後交由一第二機器手臂220及其真空吸嘴221接手。當然，另一種可行的做法是採用藍膜翻轉技術來實現上述過程。然後，如步驟105所示，將晶粒110上的金屬突球(Bump) 111精準定位在一覆晶轉接板(Board) 120上的導電接點121。之後，如步驟 106所示，以微波等方式加熱金屬突球111，使晶粒110與覆晶轉接板120電性連接。最後， 如步驟107所示，利用點膠技術封裝晶粒110與覆晶轉接板120間的空隙，至此完成一晶片 (chip) 130的封裝製作；此外，晶片130通常還需要再進行一次烘烤，以固化點膠時填充的材料。至此，晶片130方為一可直接使用的產品；使用時，晶片130是利用覆晶轉接板120 上預設的導電結構，與一電路板上的電路再進行電性連接。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種覆晶發光二極體晶粒及其晶粒陣列，以免除晶片的封裝製程。根據本發明一目的，提出一種覆晶發光二極體晶粒，包括一第一型摻雜半導體層、 一第二型摻雜半導體層、一第一電極層、一第二電極層及一絕緣層。第二型摻雜半導體層鋪設於第一型摻雜半導體層的底面，第一電極層鋪設於第一型摻雜半導體層的底面且不接觸第二型摻雜半導體層，而且具有一裸露面積以供直接塗布一導電接合劑。第二電極層鋪設於第二型摻雜半導體層的底面，且具有一裸露面積以供直接塗布導電接合劑。絕緣層則位於第一電極層與第二電極層間，以電性隔離且支撐第一電極層與第二電極層。根據本發明又一目的，提出一種覆晶發光二極體晶粒陣列，包括多個前述的覆晶發光二極體晶粒，以及一金屬圖案層。金屬圖案層用以對每一個覆晶發光二極體晶粒裡面的第一電極層與第二電極層進行選擇性電性連接，以串並聯這些覆晶發光二極體晶粒。值得注意的是，根據本發明其它實施方式，當導電接合劑選用銀膠時，上述的裸露面積須至少625平方微米，以供直接塗布。當導電接合劑選用錫膏時，上述的裸露面積須至少10000平方微米，以供直接塗布。此外，在覆晶發光二極體晶粒的細部結構上，還可鋪設一金屬反射層於第二型摻雜半導體層與第二電極層間；鋪設一布拉格反射結構於金屬反射層與第二型摻雜半導體層間；以及，鋪設一透光覆蓋層於第一型摻雜半導體層的頂面。承上所述，在覆晶發光二極體晶粒的細部結構上，還可設計一粗化結構於透光覆蓋層的外表面與第一型摻雜半導體層的側表面。此外，透光覆蓋層可為一圖案化藍寶石基板。
因此，上述諸實施方式的覆晶發光二極體晶粒及其陣列，可在晶圓製造過程上，即 實現可直接被使用的完整成品；因而省略傳統覆晶發光二極體封裝製程的所有步驟；無論 在設備上、成本上與耗時上，皆展現長足的進步。


為讓本發明的上述和其它目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說 明如下圖1是已知的覆晶發光二極體晶片封裝製程的步驟流程圖；圖2是本發明ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖；圖3A是本發明另ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖；圖加是本發明又ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖；圖3C是本發明再ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖；圖4是本發明ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒陣列的結構示意圖；圖5是圖3A的覆晶發光二極體晶粒的詳細結構示意圖；圖6是圖3A的覆晶發光二極體晶粒的詳細結構示意圖。主要組件符號說明101-107:步驟110 已知的覆晶發光二極體晶粒111:金屬突球121:導電接點120 覆晶轉接板210 第一機器手臂130 已知的覆晶發光二極體晶片 211、221:真空吸嘴220 第二機器手臂300、310、320、330、401 覆晶發光二極體晶粒301 第一型摻雜半導體層302 第二型摻雜半導體層303:第一電極層304:第二電極層305:絕緣層306:防護層311 透光覆蓋層312 金屬反射層313 布拉格反射結構314:粗化結構315:圖案400 覆晶發光二極體晶粒陣列 420 金屬圖案層
具體實施例方式當年覆晶封裝技術被提出來吋，是為了解決傳統邏輯運算晶片對於電性的過度敏 感問題。舉例來說，傳統邏輯運算晶粒被封裝成晶片時，需經打線(WireBonding)，但打線會 衍生額外的電感效應；故，覆晶封裝技術提出以覆晶轉接板來取代打線。然而，此ー技術遂 成既有的窠臼，而始終被沿用於覆晶發光二極體晶片的置作上。本發明的發明人基於多年 實務經驗及長期觀察與努力，遂研究出上述技術窠臼，並配合發光二極體異於邏輯運算芯 片的各種特徵，終於提出本發明以ー掃沉癇。請參考圖2，圖2是本發明ー實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖。圖2 中，本實施方式的覆晶發光二極體晶粒300包括一第一型摻雜半導體層301、一第二型摻雜半導體層302、一第一電極層303、一第二電極層304及一絕緣層305。第二型摻雜半導體層302鋪設於第一型摻雜半導體層301的底面，第一電極層303鋪設於第一型摻雜半導體層301的底面且不接觸第二型摻雜半導體層302，而且具有一裸露面積以供直接塗布一導電接合劑。第二電極層304鋪設於第二型摻雜半導體層302的底面，且具有一裸露面積以供直接塗布導電接合劑。絕緣層305則位於第一電極層303與第二電極層304間，以電性隔離且支撐第一電極層303與第二電極層304。其中，為了在晶圓製程上實現長條狀直立的第一電極層303，以利用其側面面積增加整體裸露面積，而供直接塗布導電接合劑，本實施方式利用絕緣層305來支撐第一電極層303，使其在製作過程中不會崩塌(Peeling)，且在成品時更為牢固，不至於因外力而彎曲接觸第二電極層304造成短路。另一方面，當第一電極層303與第二電極層304皆具有相當大的體積時，兩者可能產生電弧而短路；故，絕緣層305可隔離第一電極層303與第二電極層304以防止短路。此外，雖然絕緣層305、第一電極層303與第二電極層304勢必產生電容效應；但其對於以發光為目的的覆晶發光二極體晶粒300而言，卻不構成危害；反之， 大範圍裸露面積的第一電極層303與第二電極層304有利於散熱，以對抗發光二極體所真正在乎的光衰問題。值得注意的是，若要直接塗布銀膠以作為導電接合劑，第一電極層303與第二電極層304的裸露面積為25微米(micro meter)乘25微米以上；若要直接塗布錫膏以作為導電接合劑，第一電極層303與第二電極層304的裸露面積為100微米乘100微米以上。 此外，第一型摻雜半導體層301可為一 ρ型半導體層，且第二型摻雜半導體層302可為一 η 型半導體層，或反之亦可。半導體層的材料可為鋁砷化鎵、砷化鎵磷化物、磷化鎵、磷化銦鎵鋁、磷化銦鎵鋁、銦氮化鎵、氮化鎵、鋁磷化鎵、硒化鋅、碳化矽等材料。請一併參考圖3Α、圖;3Β及圖3C，其皆是本發明三種實施方式的覆晶發光二極體晶粒的結構示意圖。其是在晶圓製程階段，在晶粒上設置可直接被使用的大電極結構，進而免除傳統晶粒被封裝成晶片的後段製程。圖3Α中，第二電極層304可先被大範圍地設置在第二型摻雜半導體層302上；當第一電極層303所能應用的側面積仍可能不足以直接沾粘導電接合劑時，絕緣層305可部分覆蓋在第二電極層304上，第一電極層303再朝第二電極層 304方向鋪設於絕緣層305上。圖;3Β中，第一電極層303與第二電極層304皆可進行兩階段的製作；亦即先以傳統製程分別實現兩金屬層於第一型摻雜半導體層301與第二型摻雜半導體層302上，再增加晶圓製程形成絕緣層305以及兩個大電極於兩金屬層上，以分別完成第一電極層303與第二電極層304。圖3C中，若擔心第一電極層303與第二電極層304 過於接近，可能容易短路；則可利用絕緣層305拉開第一電極層303與第二電極層304的距離。值得注意的是，在圖:3B中，覆晶發光二極體晶粒300還包括一防護層306。防護層306為一絕緣材料形成的絕緣薄膜，用以形成薄膜保護功能，以增加覆晶發光二極體晶粒300的壽命。在製程上，防護層306可利用塗布(Spin Coating)或電子槍(E-gim)等技術，形成於第一型摻雜半導體層301與第二型摻雜半導體層302的正面或側面。承上所述，圖3A、圖;3B及圖3C中的覆晶發光二極體晶粒，是在晶圓製作過程中，例如沉積、曝光、顯影、蝕刻等步驟，即形成用以作為正負電極的第一電極層303與第二電極層304。然後，再經切割便可成為能夠獨立使用的覆晶發光二極體晶片。換句話說，傳統覆晶技術的擴晶、翻轉、轉置、微波、點膠乃至於烘烤等封裝製程所需要的設備可以被節省下來。此外，傳統覆晶發光二極體的擴晶、翻轉、植球、晶粒與基板的壓合、注膠以及烘烤等製程步驟所耗費的時間也可被節省下來。請再參考圖4，圖4是本發明另一實施方式的覆晶發光二極體晶粒陣列的結構示意圖。圖4中，本實施方式的覆晶發光二極體晶粒陣列400，是在前述晶圓加工的最後階段，再以金屬層製作工藝，形成一跨晶粒401間的金屬圖案層402，以電性串並聯多顆晶粒 401。然後，各晶粒401不再切割分離，而是依其金屬圖案層402所定義的顆數作為一陣列 (array)使用。藉此，多顆覆晶發光二極體晶粒401，在晶圓階段即已完成電性上的串並聯結構，進而使其得以直接電性連接交流或直流電源。反觀傳統覆晶發光二極體，須先將晶粒以覆晶轉接板封裝成晶片，再於一額外的電路板上進行電性的串並聯。接下來，請再參考圖5。圖5是圖3A的覆晶發光二極體晶粒的詳細結構示意圖。 為了提升覆晶發光二極體晶粒310的發光效率，覆晶發光二極體晶粒301的細部結構上，還可鋪設一透光覆蓋層311於第一型摻雜半導體層301的頂面，以及鋪設一金屬反射層312 於第二型摻雜半導體層302與第二電極層間。金屬反射層312位於真正發光的PN接面下方，可用以將向下發散的光線反射回透光覆蓋層311，亦即整體覆晶發光二極體晶粒310的發光側。更進一步的說，亦可在覆晶發光二極體晶粒310所附著的電路板上，設計反射面以反射PN接面向下發散的光線。請再參考圖6。圖6亦是圖3A的覆晶發光二極體晶粒的詳細結構示意圖。圖 6中，亦可鋪設一布拉格反射結構(Bragg reflector) 313於金屬反射層與第二型摻雜半導體層間。其中，布拉格反射結構313是由兩種以上介電係數不同的材料，交錯排列而成。而且，各層的厚度設計為光線波長的四分之一，以構成一種四分之一波長多層系統 (quarter-wave-stack multi-layered system)，相當於簡單的一維光子晶體。藉此，由於頻率落在能隙範圍內的電磁波無法穿透，布拉格反射結構313的反射率可以高達99 %以上。它沒有一般金屬反射鏡的吸收問題，又可以透過改變材料的折射率或厚度來調整能隙位置。另一方面，透光覆蓋層的上表面，亦即覆晶發光二極體晶粒310的背面發光側，可設計有一粗化結構314。同理，透光覆蓋層與第一型摻雜半導體層的周圍側表面，皆可設有此一粗化結構314。粗化結構314的設計原理介紹如下一般而言，LED半導體層的折射率約2. 4，對於空氣的全反射角約24. 5度。LED晶片通常切割成矩形，約8%的光線可射出晶片之外，92%的光線則封閉在晶片之內轉換成熱。破壞全反射角可提升LED光線射出率，在晶片的表面做表面粗化的工程，可以得到提升出光率的效果。值得注意的是，LED表面粗化其表面粗度必須大於2倍波長才有明顯的出光效率。非矩形的晶片外形或晶片內做細小的非矩形切割也都可提升出光效率。此外，透光覆蓋層的材質可為一藍寶石基板(A1203)、磷化鎵(GaP)、矽膠、玻璃或鐵弗龍等透光材料。值得注意的是，當選用藍寶石基板作為透光覆蓋層時，可設計一圖案 315於其與第二型摻雜半導體層交界的一側，進而形成一圖案化藍寶石基板。最後，從製程的角度來說，前述的金屬反射層可與第二電極層於同一製程中同時完成。綜上所述，本實施方式的覆晶發光二極體，可以免去焊線機(約12萬美元)或覆晶植球機(約60萬美元)、固晶機或表面粘著貼片機(Surface MountingTechnology, SMT)等設備，乃至於消耗性備料與覆晶轉接板的支出。在製造成本及單位時間產能上皆顯著提升。 雖然本發明已以諸實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求書所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，包括一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層，鋪設於該第一型摻雜半導體層的底面；一第一電極層，鋪設於第一型摻雜半導體層的底面且不接觸該第二型摻雜半導體層， 且具有一裸露面積以供直接塗布一導電接合劑；一第二電極層，鋪設於第二型摻雜半導體層的底面，且具有一裸露面積以供直接塗布該導電接合劑；以及一絕緣層，位於該第一電極層與該第二電極層間，以電性隔離且支撐該第一電極層與該第二電極層。
2.根據權利要求1所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，該裸露面積為至少625平方微米，且該導電接合劑為一銀膠。
3.根據權利要求1所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，該裸露面積為至少10000 平方微米，且該導電接合劑為一錫膏。
4.根據權利要求1所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，還包括一金屬反射層，鋪設於該第二型摻雜半導體層與該第二電極層間。
5.根據權利要求4所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，還包括一布拉格反射結構，位於該金屬反射層與該第二型摻雜半導體層間。
6.根據權利要求1所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，還包括一透光覆蓋層，鋪設於該第一型摻雜半導體層的頂面。
7.根據權利要求6所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，還包括一粗化結構，位於該透光覆蓋層的外表面。
8.根據權利要求6所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，還包括一粗化結構，位於該第一型摻雜半導體層的側表面。
9.根據權利要求6所述的覆晶發光二極體晶粒，其特徵在於，該透光覆蓋層為一圖案化藍寶石基板。
10.一種覆晶發光二極體晶粒陣列，其特徵在於，包括多個如權利要求1 9任一權利要求所述的覆晶發光二極體晶粒；以及一金屬圖案層，用以對每一該些第一電極層與第二電極層進行選擇性電性連接，以串並聯該些覆晶發光二極體晶粒。
全文摘要
本發明揭露一種覆晶發光二極體晶粒及其晶粒陣列，該覆晶發光二極體晶粒包括一第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層、一第一電極層、一第二電極層及一絕緣層。第二型摻雜半導體層鋪設於第一型摻雜半導體層的底面，第一電極層鋪設於第一型摻雜半導體層的底面且不接觸第二型摻雜半導體層，而且具有一裸露面積以供直接塗布一導電接合劑。第二電極層鋪設於第二型摻雜半導體層的底面，且具有一裸露面積以供直接塗布導電接合劑。絕緣層則位於第一電極層與第二電極層間，以電性隔離且支撐第一電極層與第二電極層。
文檔編號H01L33/36GK102280553SQ20101020288
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月10日 優先權日2010年6月10日
發明者楊凱任, 楊秋忠, 林蘇宏, 沈志秋, 許明華, 黃建盛 申請人:楊秋忠