專利名稱：具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于以芯片倒裝焊接方式封裝的發(fā)光二極管，特別是涉及一種可增加發(fā)光二極管封裝散熱能力的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Lighting Emitting Diodes；LED)是一種由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用半導(dǎo)體中的電子與空穴結(jié)合而發(fā)出光子，產(chǎn)生不同頻率的光譜的發(fā)光器件，由于發(fā)光二極管光源具有良好的色純度、無汞、壽命長及省電等特點(diǎn)，因此在照明及顯示器背光源等應(yīng)用上逐漸受到重視。然而，隨著發(fā)光二極管發(fā)光亮度的增強(qiáng)，其單位面積下產(chǎn)生的熱量亦隨之增加，使其發(fā)熱密度持續(xù)增大，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)光二極管的封裝結(jié)構(gòu)與一般的集成電路(IC)不同，其封裝方式及散熱方法也與集成電路不盡相同，使得發(fā)光二極管的封裝技術(shù)與散熱問題已成為目前亟待解決的技術(shù)瓶頸之一。
發(fā)光二極管的電信接合方式主要有兩種，一為引線焊接(wire bonding)方式，另一為芯片倒裝焊接(flip chip)方式；其中引線焊接方式所使用的導(dǎo)線會阻擋到光路，芯片倒裝焊接方式則可避免此缺點(diǎn)。如圖1所示，美國專利US6483196是一種采用了芯片倒裝焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管10，其使用兩顆錫球凸塊(solder bump)11、12作為電性連接，但沒有提供散熱的設(shè)計(jì)。
有些研究則提出以錫球凸塊作為散熱體(thermal ball)的作法。錫球凸塊的散熱主要是藉由熱傳導(dǎo)方式傳熱，并由下方的散熱鰭片將熱帶走。在發(fā)光二極管的芯片倒裝焊接封裝上，僅有兩顆錫球凸塊作為電源I/O，其余的錫球凸塊當(dāng)成散熱體，利用熱傳導(dǎo)將發(fā)光二極管產(chǎn)生的熱量導(dǎo)至下方基板，但其傳熱能力有限。
如圖2所示，美國專利US6455878是一種使用芯片倒裝焊接方式接合的發(fā)光二極管13，利用錫球凸塊層14中無電信作用的錫球凸塊為散熱體15，以傳遞熱量。
如圖3所示，美國專利US6040618則以微機(jī)電加工法在基板16上另外制作出凸塊17，利用芯片倒裝焊接接合后，錫球凸塊18間的空隙會被基板16的凸塊17所填充，增加其熱傳接觸面積，以提供熱傳量。
另外，如圖4所示，美國專利US6573537是利用大面積的n型接合墊(N-bond pad)19與p型接合墊(P-bond pad)20來傳遞熱量。
由上述可知，雖然目前已有多種被動式的散熱方法被整合進(jìn)發(fā)光二極管的封裝結(jié)構(gòu)，但其散熱效果不佳。而固態(tài)、主動冷卻方式的熱電器件，可以提供發(fā)光二極管器件更為直接、更有效率的冷卻效力。
熱電器件又稱為致冷器，是一種主動冷卻方式，能使溫度低于室溫；一般的散熱片是被動冷卻，溫度須高于環(huán)境才有散熱功能。若于熱電器件的熱端接上相同的散熱片，因熱電器件為主動冷卻，不斷帶走冷端的熱量，所以冷端可以低于室溫，可用于高發(fā)熱功率電子器件冷卻，對于器件的性能提升有很大的幫助。且熱電器件不需使用任何冷卻劑，可連續(xù)工作，無污染、無動件、無噪音，壽命長，安裝容易，且體積小輕，應(yīng)用于封裝散熱將會擁有極大的優(yōu)勢。
美國專利US5832015提供了一種整合熱電器件的散熱方法，其利用熱導(dǎo)性佳但電導(dǎo)性差的封裝架，先將熱電器件置于封裝架內(nèi)，再將激光二極管模塊放置于封裝架上，之后再連接芯片導(dǎo)線，覆蓋金屬保護(hù)蓋于封裝架上，最后再整合散熱鰭片于封裝架。然而，這種方式是采用外加的熱電器件于封裝結(jié)構(gòu)中，其散熱效率非常有限。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，將熱電器件取代常見的無I/O用途的錫球凸塊，直接制作并整合于發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中參與應(yīng)用，藉此可有效提高發(fā)光二極管器件的散熱效率，以及降低發(fā)光二極管封裝整合上的困難與復(fù)雜度，并大體上解決原有技術(shù)所存在的問題。
因此，為達(dá)上述目的，本發(fā)明所公開的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，包括有發(fā)光二極管單元、絕緣層、基板、錫球凸塊層與至少含有一對熱電單元的熱電器件，發(fā)光二極管單元與基板是藉由錫球凸塊層電性連接，而熱電器件則設(shè)置于發(fā)光二極管單元與基板的錫球凸塊層，并利用絕緣層于發(fā)光二極管與錫球凸塊層、熱電器件做部分絕緣，而每對熱電單元包含有電性連接的p型熱電材料單元以及n型熱電材料單元，當(dāng)電流流經(jīng)熱電器件會將熱量由發(fā)光二極管單元散去，而于發(fā)光二極管單元一側(cè)形成冷端、基板一側(cè)形成熱端。有關(guān)本發(fā)明的特征與實(shí)施，現(xiàn)配合附圖作最佳實(shí)施例詳細(xì)說明如下。


圖1是原有技術(shù)中一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是原有技術(shù)中一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是原有技術(shù)中一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是原有技術(shù)中一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是本發(fā)明具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例示意圖；圖6A～圖6E是本發(fā)明具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的制作流程圖；圖7～圖16是本發(fā)明具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的多種變化示意圖。
其中，附圖標(biāo)記10、13發(fā)光二極管11、12、15、18、61錫球凸塊14、60、62、63錫球凸塊層(solder bump layer)16基板17凸塊19n型接合墊 20p型接合墊30發(fā)光二極管單元 31藍(lán)寶石基板32p型發(fā)光層 33主動層34n型發(fā)光層 35p型接觸層36n型接觸層 37鏡體40絕緣層 41上絕緣層42下絕緣層50基板51通孔52p型熱電材料單元53n型熱電材料單元 70、73熱電器件
71p型熱電材料單元72n型熱電材料單元80、81電路層 90散熱模塊91器件 92接腳93熱管 94散熱鰭片具體實(shí)施方式
圖5為本發(fā)明的第一實(shí)施例所提供的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，包含有發(fā)光二極管單元30、絕緣層40、基板50、錫球凸塊層60與兩組熱電器件70。
本實(shí)施例的發(fā)光二極管單元30是由成長p型發(fā)光層32、主動層(ActiveLayer)33、n型發(fā)光層34、p型接觸層35以及n型接觸層36設(shè)置于藍(lán)寶石基板(Sapphire)31上而制成，且p型發(fā)光層32設(shè)置于藍(lán)寶石基板31上，主動層33與p型接觸層35設(shè)置于p型發(fā)光層32上，n型發(fā)光層34設(shè)置于主動層33上，n型接觸層36設(shè)置于n型發(fā)光層34上，且p型接觸層35與n型接觸層36分別連接至正電壓源與負(fù)電壓源，以供導(dǎo)入順向電壓，使p型發(fā)光層32的空穴與n型發(fā)光層34的電子可于主動層33結(jié)合而發(fā)光。此發(fā)光二極管單元30是以芯片倒裝焊接方式，使用錫球凸塊層60反貼接合于基板50上，且對錫球凸塊層60的錫球凸塊60的形狀并不予限定，其可以是圓形、方形或是任何應(yīng)用中需要的形狀。
而熱電器件70包含有p型熱電材料單元71以及n型熱電材料單元72，以相互交錯方式排列于發(fā)光二極管單元30與基板50之間的錫球凸塊層60內(nèi)。絕緣層40包含上絕緣層41與下絕緣層42，分別設(shè)置于發(fā)光二極管單元30下方與基板50上方，用以電性絕緣并提供電路層80、81便于布線，藉由電路層80、81可使錫球凸塊層60與發(fā)光二極管單元30、基板50電性導(dǎo)通，并使熱電器件70的p型熱電材料單元71與n型熱電材料單元72可電性互連以及可與發(fā)光二極管單元30、基板50電性連接。
本實(shí)施例中，基材50底部還具有一散熱模塊90，當(dāng)導(dǎo)入順向電壓后，電流會由發(fā)光二極管單元30流經(jīng)熱電器件70再提供至基板50，而在發(fā)光二極管單元30一側(cè)形成冷端、基板50一側(cè)形成熱端，利用熱電器件70冷端吸熱的功能，將發(fā)光二極管單元30所產(chǎn)生的熱量高效地傳至基板50，并由與基板50下方連接的散熱模塊90將熱量帶走；或者，可利用熱電器件70定溫的功能，將發(fā)光二極管單元30的溫度控制在某一固定溫度。
圖6A～6E，為本實(shí)施例具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制作流程。
其中，圖6A～6C顯示了在發(fā)光二極管單元30與基板50上制作絕緣層40與電路層80、81的過程，由于兩者過程雷同，為避免重復(fù)描述，以下僅以發(fā)光二極管單元30來說明。首先，在發(fā)光二極管單元30表面鍍上玻璃保護(hù)層作為上絕緣層41(圖6A)，以提供密封保護(hù)并防止焊錫的任意潤濕，然后，在上絕緣層41的錫球凸塊層60及熱電材料70接墊位置上開出導(dǎo)孔，而熱電材料70的導(dǎo)孔并不穿透上絕緣層41(圖6B)，并在上絕緣層41開出熱電器件70的線路后，再濺射上如鉻-銅-金等多層金屬薄膜(通稱為凸塊底層金屬(UBM，Under Bump Metallurgy))，而形成電路層80(圖6C)，以提供黏著、擴(kuò)散障礙、增進(jìn)焊錫潤濕與防止氧化等功能，隨后，再將錫球凸塊層60與熱電材料70利用芯片倒裝焊接機(jī)植球于基板50上各個接墊位置(圖6D)，并經(jīng)由精密對位，將發(fā)光二極管單元30與基板50上的接墊位置接合(圖6E)，最后，以回焊(reflow)將錫球凸塊層60固定，即制作完成此具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)。
其中，熱電器件70可以使用微機(jī)電加工、半導(dǎo)體加工、精密機(jī)械加工，或是其它加工制作方法來制作，且熱電器件70的組裝方法可以利用芯片倒裝焊接方式、網(wǎng)板印刷或其它方法組裝，至于熱電器件70制作于錫球凸塊層60上的方法，則可以適用濺射(sputter)、蒸鍍(evaporation)、電鍍(electroplating)或是其它可做出熱電器件70在錫球凸塊層60上面的方式。
此外，如圖7所示，本實(shí)施例發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)更包含有一鏡體37，以提高發(fā)光二極管整體亮度，且如圖8所示，發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)下方更可藉由錫球凸塊層62與另一器件作結(jié)合，或者，如圖9所示，將多對熱電器件73設(shè)置于錫球凸塊層63內(nèi)，來提高整體散熱的效果。
另如圖10所示，發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)與另一器件91的連接亦可利用引線焊接接合的方式，而此器件91可再通過錫球凸塊層63連接其它器件；并且，如圖11所示，發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)底端也可藉由數(shù)個接腳92來與其它器件結(jié)合。
如圖12所示，于基板50內(nèi)，可以開設(shè)有散熱信道(thermal vias)51，用以提升基板50的導(dǎo)熱能力，而可更快速的將熱傳導(dǎo)至底部的散熱模塊90。如圖13所示，在這些散熱信道51內(nèi)，以電鍍、塊材置入、流質(zhì)注入等方式將熱電材料制作于散熱信道51內(nèi)，在基板50內(nèi)形成第二組(級)的熱電單元(如圖所示，包含有p型熱電材料單元52以及n型熱電材料單元53)。
另一方面，請參閱圖14，可將基板50加以省略，而將整組發(fā)光二極管連同熱電單元直接裝設(shè)于散熱模塊90上，而其表面有一層經(jīng)過陽極處理的絕緣層(薄膜或厚膜皆可)，其中絕緣層的制作方法可采用如氧化、陽極處理等，此結(jié)構(gòu)可大幅降低接觸熱阻(contact resistance)，提高熱電器件的工作效能。同時(shí)，散熱模塊90可以為熱管93的形式，參閱圖15，熱管93與熱電單元連接的一側(cè)，其表面有一層絕緣層(薄膜或厚膜皆可)，絕緣層的制作方法同樣可如氧化、陽極處理等，此結(jié)構(gòu)除可大幅降低接觸熱阻，同時(shí)也可將熱端溫度控制在特定范圍內(nèi)，提高熱電器件的工作效能。當(dāng)然，請參閱圖16，也可將熱管93體積整個放大，且外部包含有散熱鰭片94，更增加散熱效果。
綜上所述，本發(fā)明提出的將熱電材料直接制作于發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的錫球凸塊層的創(chuàng)新性想法，是利用將散熱設(shè)計(jì)整合于封裝設(shè)計(jì)的概念(thermalsolution for demand)，而非整體封裝完成后再考慮所需要的散熱方法。
再者，本發(fā)明可大幅減小傳統(tǒng)熱電器件與芯片封裝整合上的困難，同時(shí)可解決熱點(diǎn)(hot spot)的問題，以及減少接觸熱阻，進(jìn)而增進(jìn)器件的發(fā)光穩(wěn)定性與可靠度，藉此可適應(yīng)未來發(fā)光二極管封裝散熱的發(fā)展趨勢。
雖然本發(fā)明以前述的較佳實(shí)施例公開如上，但這并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作少量更動與潤飾，因此本發(fā)明的專利保護(hù)范圍須參照本說明書所附的權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含有一發(fā)光二極管單元；一絕緣層，設(shè)置于該發(fā)光二極管單元上；一基板，該絕緣層與該發(fā)光二極管單元設(shè)置于其上；一錫球凸塊層，設(shè)置于該發(fā)光二極管單元與該基板間，將該發(fā)光二極管器件與該基板電性連接；至少一對熱電單元的熱電器件，設(shè)置于該絕緣層與該基板間的該錫球凸塊層，該對熱電單元包含有電性連接的p型熱電材料單元以及n型熱電材料單元，而于該發(fā)光二極管單元一側(cè)形成冷端、該基板一側(cè)形成熱端。
2.如權(quán)利要求1所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，更包含有一電路層，位于該發(fā)光二極管單元與該基板之間，提供該發(fā)光二極管與該基板可通過該錫球凸塊層電性連接、該熱電器件的p型熱電材料單元與n型熱電材料單元的電性連接、以及該p型熱電材料單元與該n型熱電材料單元可電性連接至該發(fā)光二極管單元與該基板，以形成該冷端與該熱端。
3.如權(quán)利要求1所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該p型熱電材料單元與該n型熱電材料單元以相互交錯方式排列。
4.如權(quán)利要求1所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該基板下方更包含有一組熱電器件。
5.如權(quán)利要求1所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該基板內(nèi)設(shè)置多個散熱信道。
6.如權(quán)利要求5所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該散熱信道內(nèi)更包含有另一熱電單元。
7.一種具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含有一發(fā)光二極管單元；一絕緣層，設(shè)置于該發(fā)光二極管單元上；一散熱模塊，該絕緣層與該發(fā)光二極管單元設(shè)置于其上；一電路層，位于該發(fā)光二極管單元與該散熱模塊之間；一錫球凸塊層，設(shè)置于該發(fā)光二極管單元與該電路層間，將該發(fā)光二極管器件與該電路層電性連接；至少一對熱電單元的熱電器件，設(shè)置于該絕緣層與該板電路間的該錫球凸塊層，該對熱電單元包含有電性連接的p型熱電材料單元以及n型熱電材料單元，而于該發(fā)光二極管單元一側(cè)形成冷端、該電路層一側(cè)形成熱端。
8.如權(quán)利要求7所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該p型熱電材料單元與該n型熱電材料單元以相互交錯方式排列。
9.如權(quán)利要求7所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該散熱模塊為一熱管。
10.如權(quán)利要求7所述的具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該散熱模塊外更包含有多個散熱鰭片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有熱電器件的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于以芯片倒裝焊接方式封裝的發(fā)光二極管中，主要是將熱電器件直接制作于發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的錫球凸塊層內(nèi)，來取代一部分錫球凸塊，借以有效提高發(fā)光二極管單元的散熱效率，進(jìn)而增進(jìn)器件的發(fā)光穩(wěn)定性與可靠度，并降低發(fā)光二極管封裝整合上的困難與復(fù)雜度。
文檔編號H01L23/38GK1905218SQ20051008704
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月25日
發(fā)明者余致廣, 劉君愷, 譚瑞敏, 鄭仁豪 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院