TWI466345B - 具有薄膜之發光二極體平台 - Google Patents

Description

具有薄膜之發光二極體平台

本發明係關於一種在一薄膜上具有一LED晶片之LED平台。

已知在LED係安裝於一支撐基板上之所謂封裝中提供高亮度(HB)LED及中功率LED。

LED晶片藉此安裝於一包含具有機械性質及相對良好導熱性之一些介電材料的子基板上。基板及子基板目前所用之材料要求一最小製造厚度。

對於面向上(FU)LED晶片設計而言，可使用黏著劑或焊料將LED晶片之基板接合至子基板。

覆晶(FC)技術之目前發展為使至封裝之熱路徑極小以允許發光半導體材料之改良的熱控制。對於FC應用而言，可使用以低百分比之LED電極面積來僅連接兩個組件的諸如金凸塊接合的接合技術。然而，此安裝技術為昂貴的且提供受限的機械支撐及受限的熱性質。

理想地，電焊點(solder connection)係在與LED安裝相反之面上。此等互連增加設計之成本及複雜性且在實務上難以用金屬或介電材料(尤其係在薄材料厚度時)達成。製造至焊接面之觸點的目前替代方法偏向電饋通的製造。

接著將LED晶片及子基板總成安裝於某最終封裝中以允許建立電觸點及光輸出。

現在，存在在操作高亮度(HB)LED晶片時功率增加的問題。LED晶片之光轉換效率相當低，因此必須經由封裝材料而將由LED晶片產生之熱移除至周圍環境。材料成本仍占由封裝之LED所招致之成本的多數，除了LED之外，此與總製造成本相比可為相對高的。

存在一問題：LED基板、子基板及封裝材料之組合常表示自晶片至周圍環境之熱傳遞的最弱鏈路。不可單獨使用諸如金屬座之導熱良好材料，因為至LED之電觸點必須為電隔離的。在此為可能時，此等材料使導熱性減小，此將可用於此封裝中之晶片的實體大小及功率限制於低功率裝置(例如，尺寸通常<300 μm且操作功率<100 mW)。對於高功率裝置(晶片尺寸通常>300 μm且操作功率通常>300 mW)而言，整個金屬外殼亦過度地加熱且此可負面地影響LED光源之長期效能，因為所有此等組件通常為溫度敏感的。

在LED晶片並未具有均一尺寸時，操作功率通常為支配特性且平均晶片尺寸可用於界定晶片長度(L)，其中晶片面積(L x L)為相當精確的。

使用導熱性非常高之較厚介電材料表示一子基板之優勢，但涉及高成本且對總裝置設計有約束。

另外，子基板必須為LED提供一穩定機械支撐。此要求子基板之最小厚度。在將傳導熱使其遠離LED之能力與為LED提供機械支撐之能力之間存在相衝突的要求。已知減小厚度使製造成本增加且使得幾乎不可能在正常LED裝配過程期間於無破碎之情況下處理離散子基板之使用。

目前，設計通常係為了以合理成本來確保封裝之機械性質及接受可達成之所得熱效能。

因此，本發明之目標為提供一種未使用離散子基板之LED封裝技術，其允許在垂直於熱源之方向上的改良熱特性，同時維持所需機械支撐及總封裝與LED產生之熱的熱隔離。該技術亦有利地適用於以薄材料製成之一或多個電饋通。

此目標藉由獨立項之特徵來達成。附屬項進一步展開本發明之中心思想。

根據本發明之第一態樣，提出一包含一在一基板上具有一光學作用層之LED晶片的LED平台(LED封裝)。該LED晶片固定至一形成於該平台中之孔穴的一凹入表面且與該平台之薄膜之材料熱接觸。

與該孔穴之薄膜整體形成且較佳圍繞該孔穴的該平台之一框架的厚度大體上大於該孔穴之厚度。對於薄膜厚度h及形成該平台之框架厚度H而言，厚度之比通常為(h/H)1/25至1/2。

根據習知機械及封裝設計基本原理，此等低比允許一對於習知LED封裝而言在機械上並非非常穩定的薄膜厚度。

LED基板具有一並非與LED基板之導熱性一樣關鍵的厚度。此應盡可能地高。明顯地，一薄LED基板為有利的；確實，自熱之觀點而言，無基板為理想的。在此種情況下，可有利地組合僅接合材料及光學作用層。

LED晶片基板可由藍寶石、矽或碳化矽製成。

平台可由矽或碳化矽或玻璃製成。

圍繞該薄膜之孔穴的壁可經設計成用作自LED晶片發射之光的反射器。

可以一反射材料來塗佈該孔穴之壁。

較佳地，平台之薄膜的熱阻在垂直於LED發射表面之方向上小於7 K/W且在平行於該發射表面之方向上大於7 K/W。

該薄膜之框架具有一為薄膜厚度之至少兩倍、較佳5倍以上、至多25倍的厚度，其大體上大於該薄膜之厚度。

該孔穴可至少部分填充有與LED晶片接觸或空間分離之色彩轉換材料。

該薄膜可具備填充有電隔離及導電材料且連接至LED晶片之電極中之一者的至少一通孔。

所完成之結構使得一旦完成平台製造則整個孔穴可自該薄膜之一側至另一側維持密封。

在使用高功率晶片技術之情況下，該薄膜可具備分別填充有電隔離及導電材料且連接至LED晶片之電極中之一者的兩個通孔。

本發明之又一態樣係關於一LED封裝之製造方法。製備一平台，其具有：一薄膜，其厚度相對於框架為約1/2至1/25或更小；及一框架，其與該薄膜整體形成且實質上圍繞該薄膜且具有一厚度，該厚度實質上大於該薄膜之厚度。藉此，在薄膜之製備期間，較厚之框架總是支撐該薄膜。最後，將一LED晶片安裝於該薄膜上。

安裝LED晶片之步驟可包含以下步驟：選擇具有一具有一厚度之基板的LED晶片，使得LED晶片之基板及該平台之框架獲得對LED封裝而言足夠的機械及熱性質。

此可藉由使用LED晶片尺寸(L)與薄膜厚度(h)之一比使得該比(h/L)小於3/10且通常1/10且至多1/25來達成。

因此，本發明提出分別選擇LED晶片之基板的材料與該薄膜之材料及厚度的匹配組合。

該方法可包含以下步驟：分別選擇LED晶片基板及平台之材料，使得其具有實質上相當的熱特性。

可選擇形成該薄膜之材料的熱阻，使其為約10 K/W且較佳為7 K/W或更小。

因此，本發明提出使用一在一支撐基板及一界定於總平台中之薄膜上之LED晶片，以具有必需的機械及熱性質。

較佳地，矽可用作該平台之材料，因為矽之導熱性相對高，且天然氧化矽可用作一電絕緣體。天然氧化矽之厚度較佳小於0.5 μm且大於0.05 μm。

薄氧化層需要用於使熱阻極小同時為LED之正常操作維持電隔離。

繼續，在LED晶片基板由藍寶石製成之情況下，藍寶石與矽之CTE(熱膨脹係數)實質上類似為有利的。理想地，LED晶片基板亦由矽製成。

參考結合所包含之圖式之厚度來進行的較佳實施例之以下詳細描述，熟習此項技術者現在將明顯看出本發明之進一步優勢、特徵及目標。

高功率(高輸出通量)LED之發展已導致使用較大晶片尺寸(L)與較厚光學透明支撐基板及較大晶片尺寸(L)與具有高導熱性之較薄光學不透明基板的晶片設計，其中在每一情況下，光學發射層係不同於支撐基板。

本發明提出將LED晶片與(例如)由藍寶石製成之大(L>300 μm)及[相對較厚]基板及(例如)由矽或碳化矽製成之大(L>300 μm)相對較薄的基板一起使用。該透明基板可具有一為薄膜厚度之3倍以上，高達5倍且有可能7倍以上之厚度。隨著厚度增加，結構之熱性質變得較不有利。

不透明材料可具有一小於薄膜厚度之3倍的厚度，較佳為類似厚度，且理想地未使用基板。

隨著厚度減小，在每一情況下，結構之熱性質變得更有利。

因此，根據本發明，可使用相對大的LED晶片基板以有助於總平台之機械特性及熱阻，亦即，根據比(h/L)之LED晶片與薄膜之組合。

本發明提出使用此支撐基板在機械上比光學發射層(例如，GaN、GaAs)更穩固的事實。

圖1展示可結合本發明使用之LED晶片的一實例。

可經圖案化之相對厚之藍寶石基板尤為重要。

現在，本發明提出結合如圖2所示之平台2來使用在一基板7上具有一光學作用層6之LED晶片1。

此平台2具有一孔穴8，其底部係由一支撐框架5所圍繞之凹入的及相對薄的薄膜3形成，該支撐框架5相對厚且因此與薄膜3相比為堅固的。可(例如)藉由使用黏著劑或藉由焊料9而將LED晶片1安裝至薄膜3。

根據本發明，薄膜3之厚度小於框架之厚度的兩倍、較佳小於5倍且更佳小於25倍。

薄膜3與支撐框架5整體製成且因此由與支撐框架5相同之材料製成。

孔穴8之壁4可(例如)以40與60度之間的角度傾斜。孔穴8之壁4可用作一反射器，且為此，可以一反射材料來被塗佈。

圖3展示置放於薄膜3上且藉由焊料9而機械連接至薄膜3的面向上(FU)LED晶片1。

在LED晶片1之頂部處的兩個電極16、17係(例如)經由金(Au)線接合14、15而電連接。

在已置放LED晶片1後，(例如)以一純粹的密封聚矽氧10來填充孔穴8。

較佳地，在孔穴8經填充之平台2的頂部上，可置放一色彩轉換材料11，其亦覆蓋平台2的在孔穴8外的區域，亦即，支撐框架5之頂部表面12。

至少一電極17之接合線14可經由一在薄膜3中之經填充之通孔13而引導至外部，傳導填充物(例如)由金或金屬之組合或其他電隔離傳導材料製成。

圖4展示根據覆晶(FC)技術安裝之LED晶片1的一實例。又，可以純粹的聚矽氧10來填充或部分填充孔穴8，且可將一色彩轉換材料14置放於經填充之孔穴8之頂部及周圍支撐框架5的頂部表面12上。

LED晶片1之陰極及陽極面向薄膜3。

存在用於陰極之獨立焊料片18及用於陽極之焊料片19，此等焊料片分別提供於薄膜3上。可將AuSn用作焊料材料。AuSn焊料之組份理想地為80：20 wt\o且較佳以過量沈積的金來形成。

在薄膜3中，分別存在用於陰極之填充有絕緣傳導材料之通孔20及用於陽極之通孔13。

現在參看圖5，將解釋色彩轉換材料之不同配置。

在圖5a中，示意性地說明如圖3及4所示之配置。根據此實施例，一色彩轉換層11覆蓋孔穴8(其可經填充或為"空"的)及支撐框架5之周圍頂部表面12。

根據圖5b，再次視情況地以一純粹聚矽氧材料10來填充孔穴8，而根據此實施例，色彩轉換層11僅覆蓋孔穴8之頂面，而非支撐框架5之頂部表面12。

根據圖5c，該實施例具有直接填充孔穴8使得色彩轉換材料之頂部表面與周圍支撐框架5之頂部表面12齊平或高於頂部表面12的色彩轉換材料11。

根據本發明，(例如)由矽材料製成之薄膜在(亦即)整個製造過程中總是由以相同材料製成的但具有更大厚度之周圍支撐框架來支撐。此設計可藉由使用矽微機械加工(MEMS)來製造，以產生一具有低熱阻的經精確界定之薄膜及該薄膜周圍的整體機械支撐物。

可使用受控MEMS製造技術之一選擇來由矽晶圓形成該孔穴。

另外，可以一適合之反射材料(諸如，鋁及/或銀)來塗佈孔穴壁。

根據本發明，在整個薄膜上，封裝可達成小於7 K/W之極好熱效能。在使用LED晶片基板與薄膜之理想材料組合時，在整個LED基板及薄膜上，平台可達成小於15 K/W之熱效能。

較佳地，薄膜材料之熱性質類似於LED藍寶石基板或其他接合支撐材料之性質。此防止在LED封裝之裝配及操作期間可期望的溫度範圍期間的不良熱應力及封裝。

如圖3及4所示，焊料路徑之設計使得使在封裝下方之面積極大以在最終焊接時將熱傳遞有效地擴展於薄膜表面上且遠離平台。詳言之，電極面積經設計以直接與LED晶片之輪廓對應，使得熱之最小側向擴展自薄膜至支撐框架而發生。

此確保平台之框架具有由LED晶片造成的受限加熱，且在垂直於薄膜之方向上將該熱引導走。

平台之框架在經封裝之LED之正常操作期間應並未變熱，因為熱係藉由熱擴展而向下傳導至下伏構造中且未傳導至框架中。此對於所完成裝置之光學效能而言為有利的。

關於至該焊料路徑之電連接，可將矽上之天然氧化物用作電絕緣體以分離LED晶片之陽極與陰極。如圖3及4所示，電連接可經由薄膜或在對上表面之封裝之表面上而得以有利地實現。

1．．．LED晶片

2．．．平台

3．．．薄膜

4．．．壁

5．．．支撐框架

6．．．光學作用層

7．．．基板

8．．．孔穴

9．．．焊料

10．．．聚矽氧

11．．．色彩轉換層/色彩轉換材料

12．．．頂部表面

13．．．通孔

14．．．接合線/線接合

15．．．接合線/線接合

16．．．電極

17．．．電極

18．．．焊料片

19．．．焊料片

20．．．通孔

H．．．框架厚度

h．．．薄膜厚度

L．．．晶片尺寸

t．．．尺寸

圖1示意性地展示可結合本發明使用且具有一藍寶石基板的LED晶片，圖2示意性地展示一根據本發明的具有一薄矽薄膜及一相對厚的、整體形成之支撐框架的平台的一實例，圖3展示具有一FU(面向上)安裝之LED封裝的一實例，圖4展示一FC(覆晶)LED晶片安裝的一實例，圖5展示在LED晶片上方及/或周圍提供一色彩轉換材料的不同可能性，及圖6展示如在關於尺寸h、H、L及t之內容中描述的具有晶片之平台的尺寸。

1．．．LED晶片

2．．．平台

3．．．薄膜

4．．．壁

5．．．支撐框架

6．．．光學作用層

7．．．基板

8．．．孔穴

9．．．焊料

Claims (27)

1. 一種LED封裝，其包含：-一LED晶片(1)，其在一長度為L之基板(7)上具有一光學作用層；-一平台(2)，其由一支撐框架(5)及一中央凹入薄膜(3)形成，該LED晶片(1)安裝在該薄膜(3)上以與該平台(2)之材料緊密熱接觸，其中該薄膜(3)具備填充有導電材料之至少一電隔離貫通觸點，且連接至該LED晶片(1)之電極中之一者，其中該薄膜(3)之厚度小於該晶片長度(L)之3/10，且該支撐框架(5)之厚度大於該薄膜(3)厚度之兩倍。
2. 如請求項1之LED封裝，其中該薄膜(3)之厚度小於該晶片長度(L)之1/10。
3. 如請求項1之LED封裝，其中該該平台係由矽所製成，該LED晶片基板係由藍寶石製成。
4. 如請求項1之LED封裝，其中該LED基板具有100μm或更大之厚度，且由藍寶石、矽或碳化矽所製成。
5. 如請求項1之LED封裝，其中該LED晶片之藍寶石基板係被圖案化。
6. 如請求項1或2之LED封裝，其中該LED晶片(1)之基板(7)係一光學透明基板(7)，具有一為該薄膜厚度之3倍以上的厚度。
7. 如請求項1之LED封裝，其中該LED晶片(1)之基板(7)具有一至少為300μm的最小長度。
8. 如請求項1之LED封裝；其中該LED晶片(1)之基板(7)係一不透明基板(7)，具有一小於該薄膜厚度之3倍的厚度。
9. 2或8之LED封裝，其中該LED晶片(1)基板(7)具有一至少為300μm之長度。
10. 2或8之LED封裝，其中該LED晶片(1)係以覆晶技術來安裝且其中該薄膜(3)具備分別填充有導電材料且連接至該LED晶片(1)之該等電極中之一者的兩個通孔。
11. 2或8之LED封裝，其中該LED晶片(1)基板(7)係由矽、藍寶石或碳化矽製成。
12. 2或8之LED封裝，其中該平台(2)係由矽或碳化矽製成。
13. 2或8之LED封裝，其中該LED晶片(1)在未使用一離散子基板之情況下安裝於該平台上。
14. 2或8之LED封裝，其中圍繞該薄膜(3)之壁(4)形成一孔穴(8)，且其中該等壁(4)經設計為一用於自該LED晶片(1)發射之光的反射器。
15. 如請求項14之LED封裝，其中該孔穴(8)之該等壁(4)塗佈有一反射材料。
16. 2或8之LED封裝，其中該平台(2)之該薄膜(3)的熱阻小於7 K/W。
17. 2或8之LED封裝，其中該組合之薄膜(3)及該晶片基板(7)之熱阻小於15 K/W。
18. 2或8之LED封裝，其中該平台(2)之框架具有一為該薄膜(3)厚度之至少兩倍的厚度。
19. 2或8之LED封裝，其中該平台(2)之框架具有一為該薄膜(3)厚度之至少10倍的厚度。
20. 2或8之LED封裝，其中該凹入薄膜(3)可藉由一蝕刻製程獲得而成為一SOI接合晶圓。
21. 2或8之LED封裝，其中該凹入薄膜(3)可藉由一蝕刻製程獲得而成為一矽或碳化矽晶圓。
22. 如請求項14之LED封裝，其中由該凹入薄膜(3)界定之該孔穴(8)至少部分填充有一色彩轉換材料。
23. 一種用於製造一具有改良熱性質之LED封裝之方法，其包含以下步驟： -製備一平台(2)，其具有一具有一為LED晶片基板(7)長度之3/10之厚度的薄膜(3)及一與該薄膜(3)整體形成且具有一大於該薄膜(3)之該厚度的厚度的框架，其中在該製備期間，該薄膜(3)總是由該框架支撐，及-將一LED晶片(1)安裝於該薄膜(3)上。
24. 如請求項23之方法，其中該安裝該LED晶片(1)之步驟包含以下步驟：選擇一具有一具有一由矽、藍寶石或碳化矽製成，厚度大於該薄膜(3)厚度3倍之基板(7)的LED晶片(1)，使得該LED晶片(1)之該基板(7)及該平台(2)之該框架獲得對該LED封裝而言足夠的機械性質。
25. 如請求項23或24之方法，其包含以下步驟：分別選擇該LED晶片(1)基板(7)及該平台(2)之材料，使得其具有相當之熱特性。
26. 如請求項23或24之方法，其中該平台(2)之該薄膜(3)之熱阻小於7 K/W。
27. 如請求項23或24之方法，其中該組合之平台(2)之薄膜(3)及該LED基板之熱阻小於15 K/W。