專利名稱：低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，尤其涉及一種 利用金/銀界面具有快速擴散的物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基材 因熱膨脹系數(shù)(CTE)不同所造成的熱應(yīng)力問題的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié) 構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
由于發(fā)光二極管具有體積小、發(fā)光效率高、壽命長與色彩變化豐富等優(yōu)點，可預期 地發(fā)光二極管的應(yīng)用將會越來越多。一般來說，發(fā)光二極管裸晶需經(jīng)過固晶、打線、封膠及 商品分類等封裝步驟，方能將芯片商品化至客戶端?，F(xiàn)有的固晶材質(zhì)可分為兩大類，第一類 為高分子導電膠材，第二類則為金屬焊接材料。現(xiàn)有發(fā)光二極管的固晶方法，是先使用高分子導電膠材(如導電銀膠)將發(fā)光二 極管芯片粘著于導線架上，并以150°C的溫度加熱1.5小時以上，使導電銀膠熱固成型，進 而將發(fā)光二極管芯片固定于導線架上。舉例來說，圖1為中國臺灣專利公告編號第463394 號“芯片式發(fā)光二極管及其制造方法”的橫截面示意圖。在圖1中，該專利使用高分子導電 膠材(如導電銀膠)10，將晶粒11與基板12(導線架或印刷電路板)進行連接，并送入空氣 爐內(nèi)進行熱固化烘烤。此方式雖簡便，但若在接合過程中無法均勻的涂膠，將使晶粒無法固 定在應(yīng)固定的位置，而影響發(fā)光效率。另外，在高溫的操作環(huán)境下，由于高分子膠質(zhì)材料導 熱耐熱性極差，銀膠接合層在長時間使用下將易劣化，導致發(fā)光二極管芯片無法確實與導 線架接合。另外，發(fā)光二極管也將因銀膠難以導熱(銀膠熱導系數(shù)僅1W/M-K)而無法確實 散熱，造成壽命減少與光電轉(zhuǎn)化效率下降等現(xiàn)象。另外，發(fā)光二極管芯片也可通過一金屬焊接材料，將發(fā)光二極管芯片固定于導線 架上，使得接合層散熱性與耐熱性都因此而有所提升。舉例來說，圖2所示中國臺灣專利公 開編號第200840079號“發(fā)光二極管封裝的固晶材料與方法”的橫截面示意圖。在圖2中，該 專利是于基板22表面上涂布一層適當范圍的共晶接著材料20。后續(xù)再將發(fā)光二極管晶粒 21設(shè)置于基板22表面上的共晶接著材料20上，后續(xù)再經(jīng)熱板、烤箱或空氣爐加熱而完成共 晶結(jié)合。共晶接合材料20可為錫(Sn)、銦(In)、銦錫(InSn)、金錫(AuSn)、金硅(AuSi)、 錫鉛(SnPb)、鉛(Pb)、金鍺(AuGe)等，由于接合層為金屬材料，散熱性與耐熱性均優(yōu)于高分 子導電膠。但相較于銀膠固晶，其固晶設(shè)備較為復雜昂貴(固晶機臺需外加溫控系統(tǒng)與加 壓系統(tǒng))，產(chǎn)能也較低。然而，若使用高熔點的金屬焊接材料，如金錫(AuSn)、金硅(AuSi)、 錫銀(SnAg)、錫(Sn)等，發(fā)光二極管芯片將因接合溫過高而易產(chǎn)生破壞(因熱膨脹系數(shù)差 造成的熱應(yīng)力)。若改以低熔點的金屬，如銦(In)、銦銀(InAg)、銦金(InAu)、鉍錫(BiSn) 等，做為焊接材料，雖然接合溫度降低，但在一般的工作環(huán)境下(約70-80°C )，由于接合 層熔點較低，接合層材料將因原子的快速擴散，而有軟化或介金屬化合物(intermetallic compound)過度成長的現(xiàn)象產(chǎn)生，導致接點可靠度將因此而大幅下降。因此，有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管固晶接合缺點，本發(fā)明提出一種在低溫下即可完成接合，并具有高接合強度、高散熱性、元件操作時不易軟(劣)化、且同時兼具反射作 用的固晶方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法， 其利用金/銀界面具有快速擴散的物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基 材因熱膨脹系數(shù)不同所造成的熱應(yīng)力問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方 法，其在低溫下即可完成接合，并具有高接合強度、高散熱性、組件操作時不易軟(劣)化、 且同時兼具反射作用。本發(fā)明的又一目的在于提供一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方 法，其接合產(chǎn)能不僅高于傳統(tǒng)銀膠接合，固晶機臺也與傳統(tǒng)銀膠固晶機臺相容不需更改而 提高成本。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方 法包括以下步驟將一第一金屬層形成于一基板的一第一表面，該基板的一第二表面上則 提供有一發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)；將一第二金屬層形成于一基體上，該第二金屬層的材質(zhì)不 同于該第一金屬層；施加一壓力于該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層 產(chǎn)生塑性變形而初步結(jié)合在一起；以及將該基板與基體置入一高溫爐內(nèi)加熱，而且該第一 金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態(tài)擴散以形成一擴散合金層。
圖1為中國臺灣專利公告編號第463394號“芯片式發(fā)光二極管及其制造方法”的 橫截面示意圖；圖2為中國臺灣專利公開編號第200840079號“發(fā)光二極管封裝的固晶材料與方 法”的橫截面示意圖；圖3為金-銀相圖；圖4為本發(fā)明一具體實施例的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法 的橫截面示意圖；圖5為本發(fā)明的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法所形成的結(jié)構(gòu) 的橫截面示意圖；以及圖6為本發(fā)明的種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法所形成的擴 散銀金合金層的原子比例圖。其中，附圖標記10:高分子導電膠材12:基板21 發(fā)光二極管晶粒41 銀層42:基板44 金層
11 晶粒
20 共晶接著材料 22 基板 41，銀層
43 發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu) 44，金層
45 基體46 輔助粘性膠體47 擴散銀金合金層
具體實施例方式為使貴審查委員能對本發(fā)明的特征、目的及功能有更進一步的認知與了解，茲配 合附圖詳細說明如后。有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管固晶接合缺點，本發(fā)明主要利用金/銀界面具有快 速擴散的特性，來達成低溫固晶接合的目標，如此將可避免不同基材因熱膨脹系數(shù)(CTE) 不同所造成的熱應(yīng)力問題。由于金/銀接合層主要鍵結(jié)為金屬鍵，且由圖3的金-銀相圖 可知，擴散形成的固溶體熔點至少高達1200K以上，此接合結(jié)構(gòu)將具有高接合強度、高散熱 性及可耐操作高溫等特性。以面積為1mm2芯片為例，銀膠接合熱阻約10. 34°C /W，Ag/Au接 合熱阻僅0.345°C/W。再者，反應(yīng)殘余的金屬層(例如，銀)可作為發(fā)光二極管底部的反射 層，將往底部的光線，重新反射回出光面，進一步提升發(fā)光二極管的發(fā)光效率。在本發(fā)明的一具體實施例中，將以Ag/Au材料系統(tǒng)為例，而不以其為限，來達到高 效能固晶接合的效果。圖4為本發(fā)明一具體實施例的橫截面示意圖。因此，本發(fā)明的方法包括下列步驟首先，以電鍍、蒸鍍、濺鍍或其它金屬形成方式將一銀層41形成于一基板42的一 第一表面，該基板42的一第二表面上則提供有一發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)43。在一具體實施 例中，銀層41的厚度約為0. 5-1.0umo在一具體實施例中，該基板42為一可進行磊晶成 長的基板，可包括藍寶石(Sapphire)、氮化鋁(A1N)、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)等材 料。在一具體實施例中，該發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)43具有一 p-i-n結(jié)構(gòu)。在一具體實施例中， 該p-i-n結(jié)構(gòu)包含氮化鎵(GaN)、氮化鎵銦(GalnN)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)與氮化鋁銦鎵 (AlInGaN)、氮化鋁(A1N)、氮化銦(InN)、氮化鎵銦砷(GalnAsN)、磷氮化鎵銦(GalnPN)或其 組合。在一具體實施例中，該發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)43所產(chǎn)生的光譜范圍落在紫外光與紅外 光光譜之間。在一具體實施例中，該發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)43與該基板42結(jié)合以形成一發(fā) 光二極管芯片，該發(fā)光二極管芯片可為水平式結(jié)構(gòu)或垂直式結(jié)構(gòu)。本實施例雖以上述銀層 41、基板42與發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)43作為說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員當明了任何達到等同功 能的變化均屬本發(fā)明的范圍。同時，以電鍍、蒸鍍、濺鍍或其它金屬形成方式將一金層44形成于一基體45上。 在一具體實施例中，金層44厚度約0. 2-0. 5 u m。在一具體實施例中，該基體45是由銅合 金所制成。在一具體實施例中，基體45可為銅(Cu)、鋁(A1)、鐵(Fe)、鎳(Ni)等元素或其 合金。在一具體實施例中，基體45可包含硅(Si)、氮化鋁(A1N)或陶瓷。在一具體實施例 中，基體45可為導線架、印刷電路板或低溫共燒多層陶瓷(LTCC)。本實施例雖以上述基體 45與金層44作為說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員，當明了任何達到等同功能的變化均屬本發(fā)明的 范圍。接著，為增加初步接合的效果，可在加熱接合前使用一輔助粘性膠體46將該基板 42加壓固定在該基體45上。并在加熱后，使得該輔助粘性膠體揮發(fā)以使得銀層41與金層 44在界面處進行反應(yīng)。要說明的是，在一實施例中，施加壓力于基板42與基體45上即可使 銀層41與金層44在界面處產(chǎn)生塑性變形而初步結(jié)合在一起，然而，在另一具體實施例中，可以使用輔助粘性膠體46來增加初步接合的效果。簡單來說，輔助粘性膠體46并非一定要 使用的。在一具體實施例中，初步接合方式可為單純施壓法、熱壓法或超音波輔助熱壓法， 其中所施的壓力為50gf-200gf，溫度為25°C -200°C，時間為1秒至3秒。在一具體實施例 中，輔助粘性膠體46包含活性助焊劑、中性助焊劑、免洗型助焊劑或其它加熱后可揮發(fā)的 助焊劑。本實施例雖以上述輔助粘性膠體46作為說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員，當明了任何達 到等同功能的變化均屬本發(fā)明的范圍。接著，將加壓固定的該基板42與基體45置入一高溫爐(圖中未示)內(nèi)加熱，以使 該輔助粘性膠體46揮發(fā)，而且該銀層41與該金層44在銀金界面處進行擴散以形成固態(tài)擴 散的擴散銀金合金層47，以形成圖5所示的結(jié)構(gòu)。在一具體實施例中，加熱方式可為熱風 式、紅外線加熱或熱板加熱。在一具體實施例中，高溫爐的溫度可設(shè)定為100°C，并且進行加 熱約一個小時。或者，高溫爐的溫度可設(shè)定為150°C，并且進行加熱約30分鐘。在其它實施 例中，高溫爐溫度可為100 300°C，其加熱時間可為30分鐘 3小時。本實施例雖以上述 高溫爐的溫度作為說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員，當明了任何達到等同功能的變化均屬本發(fā)明 的范圍。在圖5中，原來的銀層41與金層44因為進行擴散作用，而產(chǎn)生擴散銀金合金層47 以及殘余的銀層41’與金層44’。反應(yīng)殘余的銀層41’可作為發(fā)光二極管底部的反射層，將 往底部的光線，重新反射回出光面，進一步提升發(fā)光二極管的發(fā)光效率。圖6為本發(fā)明的一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法所形成的 擴散銀金合金層47的原子比例圖。其中，曲線參代表金，曲線--暑--代表銀，本發(fā)明 的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法確實可行。另外，本發(fā)明不僅可與傳統(tǒng)銀膠固晶機臺兼容，更因為金/銀具有快速擴散的特 性，相較于傳統(tǒng)銀膠接合，本發(fā)明明顯具有更高的性能及產(chǎn)能。另外，本發(fā)明實施例中，為增進銀層41與基板42之間的粘著效果，可使用一輔助 粘著金屬層(圖中未式)包夾于該銀層41與基板42之間，該輔助粘著金屬層可包含鎳 (Ni)、鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈦(Ti)或其它可增進粘著的純金屬或合金。類似地，本發(fā)明實施例 中，為增進金層44與基體45之間的粘著效果，可使用一輔助粘著金屬層(圖中未式)包夾 于該金層44與基體45之間，該輔助粘著金屬層可包含鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Pt)、鈦(Ti)或 其它可增進粘著的純金屬或合金。另外，本發(fā)明實施例中，為增進發(fā)光二極管的底部反射率，可使用一反射金屬層 (圖中未式)包夾于該銀層41與基板42之間，該反射金屬層可包含金(Au)、銀(Ag)或其 它可增進底部反射的純金屬或合金。本實施例雖以上述銀層41與金層44作為說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員，當明了任何達 到等同功能的變化均屬本發(fā)明的范圍。舉例來說，該銀層41可以用金(Au)取代，而該金層 44可以用銀取代。則此時反應(yīng)殘余的金層41’可作為發(fā)光二極管底部的反射層?；蛘?，該 銀層41可以用金取代，而該金層44可以用銅(Cu)取代。則此時反應(yīng)殘余的金層41’可作 為發(fā)光二極管底部的反射層?；蛘撸撱y層41可以用銅取代，而該金層44則不更動。則此 時反應(yīng)殘余的銅層41’可作為發(fā)光二極管底部的反射層。本發(fā)明不僅可與傳統(tǒng)銀膠固晶機臺兼容，更因為金/銀具有快速擴散的特性，而 相較于傳統(tǒng)銀膠接合，本發(fā)明明顯具有更高的產(chǎn)能(加熱時間短)。
綜上所述，本發(fā)明提供的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其利 用金/銀界面具有快速擴散的物理特性，來達成低溫固晶接合的目標，以避免不同基材因 熱膨脹系數(shù)(CTE)不同所造成的熱應(yīng)力問題。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變 形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟將一第一金屬層形成于一基板的一第一表面，該基板的一第二表面上提供有一發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)；將一第二金屬層形成于一基體上，該第二金屬層的材質(zhì)不同于該第一金屬層；施加壓力于該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層初步結(jié)合在一起；以及將加壓固定的該基板與基體加熱，以使該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態(tài)擴散以形成一擴散合金層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該第一金屬層與該第二金屬層分別以電鍍、蒸鍍或濺鍍方式形成于該基板與該基體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該第一金屬層厚度為0. 5 1. 0 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)具有一 p-i-n結(jié)構(gòu)，該p-i-n結(jié)構(gòu)包含氮化鎵、氮化鎵銦、磷化鋁 銦鎵與氮化鋁銦鎵、氮化鋁、氮化銦、氮化鎵銦砷、磷氮化鎵銦或其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該第二金屬層厚度為0. 2 0. 5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，該初步接 合方式為單純施壓法、熱壓法或超音波輔助熱壓法，其中所施的壓力為50gf-200gf，溫度為 25°C 200°C，時間為1秒至3秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該第一金屬層與該第二金屬層間還包括一輔助粘性膠體，該輔助粘性膠體包含活性助 焊劑、中性助焊劑或免洗型助焊劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，加熱溫度為100°C 300°C，加熱時間為30分鐘至3小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于，該加熱溫度為100°c，并且進行加熱一個小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征 在于，該加熱溫度為150°c，并且進行加熱30分鐘。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征 在于，該第一金屬層選自金、銀或銅中任意一種，而且該第二金屬層選自金、銀或銅中任意 一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征 在于，該第一金屬層與該基板的該第一表面之間及/或該第二金屬層與該基體之間還包含 有一輔助粘著金屬層，其包含鎳、鉻、鉬或鈦。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，其特征 在于，該第一金屬層與該基板之間還包含有一反射金屬層，其包含金或銀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫形成反射性發(fā)光二極管固晶接合結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟將一第一金屬層形成于一基板的一第一表面，該基板的一第二表面上則提供有一發(fā)光二極管磊晶結(jié)構(gòu)；將一第二金屬層形成于一基體上，該第二金屬層的材質(zhì)不同于該第一金屬層；施加一壓力于該基板與該基體上，使得該第一金屬層與該第二金屬層產(chǎn)生塑性變形而初步結(jié)合在一起；以及將該基板與基體置入一高溫爐內(nèi)加熱，而且該第一金屬層與該第二金屬層在界面處進行固態(tài)擴散以形成一擴散合金層。
文檔編號H01L33/00GK101950782SQ200910158500
公開日2011年1月19日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者林修任, 林建憲, 賴杰隆 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院