專利名稱：覆晶發(fā)光二極管晶粒及其晶粒陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種發(fā)光二極管，且特別是有關(guān)于一種覆晶發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
請(qǐng)參考圖1，圖1是已知的覆晶(flip chip)發(fā)光二極管封裝制程的步驟流程圖。 傳統(tǒng)的覆晶發(fā)光二極管制程包括至少七個(gè)步驟首先，如步驟101所示，將晶圓(wafer)上的多個(gè)晶粒(die) 110以擴(kuò)晶技術(shù)取出。接下來(lái)，如步驟102所示，以一第一機(jī)器手臂210 及其真空吸嘴211取下晶粒；如步驟103所示，第一機(jī)器手臂210翻轉(zhuǎn)晶粒110 ；如步驟104 所示，晶粒110被翻轉(zhuǎn)后交由一第二機(jī)器手臂220及其真空吸嘴221接手。當(dāng)然，另一種可行的做法是采用藍(lán)膜翻轉(zhuǎn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程。然后，如步驟105所示，將晶粒110上的金屬突球(Bump) 111精準(zhǔn)定位在一覆晶轉(zhuǎn)接板(Board) 120上的導(dǎo)電接點(diǎn)121。之后，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(zhuǎn)接板120電性連接。最后， 如步驟107所示，利用點(diǎn)膠技術(shù)封裝晶粒110與覆晶轉(zhuǎn)接板120間的空隙，至此完成一芯片 (chip) 130的封裝制作；此外，芯片130通常還需要再進(jìn)行一次烘烤，以固化點(diǎn)膠時(shí)填充的材料。至此，芯片130方為一可直接使用的產(chǎn)品；使用時(shí)，芯片130是利用覆晶轉(zhuǎn)接板120 上預(yù)設(shè)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，與一電路板上的電路再進(jìn)行電性連接。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種覆晶發(fā)光二極管晶粒及其晶粒陣列，以免除芯片的封裝制程。根據(jù)本發(fā)明一目的，提出一種覆晶發(fā)光二極管晶粒，包括一第一型摻雜半導(dǎo)體層、 一第二型摻雜半導(dǎo)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(dǎo)體層鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面，第一電極層鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面且不接觸第二型摻雜半導(dǎo)體層，而且具有一裸露面積以供直接涂布一導(dǎo)電接合劑。第二電極層鋪設(shè)于第二型摻雜半導(dǎo)體層的底面，且具有一裸露面積以供直接涂布導(dǎo)電接合劑。絕緣層則位于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(jù)本發(fā)明又一目的，提出一種覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列，包括多個(gè)前述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，以及一金屬圖案層。金屬圖案層用以對(duì)每一個(gè)覆晶發(fā)光二極管晶粒里面的第一電極層與第二電極層進(jìn)行選擇性電性連接，以串并聯(lián)這些覆晶發(fā)光二極管晶粒。值得注意的是，根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施方式，當(dāng)導(dǎo)電接合劑選用銀膠時(shí)，上述的裸露面積須至少625平方微米，以供直接涂布。當(dāng)導(dǎo)電接合劑選用錫膏時(shí)，上述的裸露面積須至少10000平方微米，以供直接涂布。此外，在覆晶發(fā)光二極管晶粒的細(xì)部結(jié)構(gòu)上，還可鋪設(shè)一金屬反射層于第二型摻雜半導(dǎo)體層與第二電極層間；鋪設(shè)一布拉格反射結(jié)構(gòu)于金屬反射層與第二型摻雜半導(dǎo)體層間；以及，鋪設(shè)一透光覆蓋層于第一型摻雜半導(dǎo)體層的頂面。承上所述，在覆晶發(fā)光二極管晶粒的細(xì)部結(jié)構(gòu)上，還可設(shè)計(jì)一粗化結(jié)構(gòu)于透光覆蓋層的外表面與第一型摻雜半導(dǎo)體層的側(cè)表面。此外，透光覆蓋層可為一圖案化藍(lán)寶石基板。
因此，上述諸實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒及其陣列，可在晶圓制造過(guò)程上，即 實(shí)現(xiàn)可直接被使用的完整成品；因而省略傳統(tǒng)覆晶發(fā)光二極管封裝制程的所有步驟；無(wú)論 在設(shè)備上、成本上與耗時(shí)上，皆展現(xiàn)長(zhǎng)足的進(jìn)步。


為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)與實(shí)施例能更明顯易懂，所附附圖的說(shuō) 明如下圖1是已知的覆晶發(fā)光二極管芯片封裝制程的步驟流程圖；圖2是本發(fā)明ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A是本發(fā)明另ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖加是本發(fā)明又ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3C是本發(fā)明再ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖3A的覆晶發(fā)光二極管晶粒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖3A的覆晶發(fā)光二極管晶粒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。主要組件符號(hào)說(shuō)明101-107:步驟110 已知的覆晶發(fā)光二極管晶粒111:金屬突球121:導(dǎo)電接點(diǎn)120 覆晶轉(zhuǎn)接板210 第一機(jī)器手臂130 已知的覆晶發(fā)光二極管芯片 211、221:真空吸嘴220 第二機(jī)器手臂300、310、320、330、401 覆晶發(fā)光二極管晶粒301 第一型摻雜半導(dǎo)體層302 第二型摻雜半導(dǎo)體層303:第一電極層304:第二電極層305:絕緣層306:防護(hù)層311 透光覆蓋層312 金屬反射層313 布拉格反射結(jié)構(gòu)314:粗化結(jié)構(gòu)315:圖案400 覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列 420 金屬圖案層
具體實(shí)施例方式當(dāng)年覆晶封裝技術(shù)被提出來(lái)吋，是為了解決傳統(tǒng)邏輯運(yùn)算芯片對(duì)于電性的過(guò)度敏 感問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)邏輯運(yùn)算晶粒被封裝成芯片時(shí)，需經(jīng)打線(WireBonding)，但打線會(huì) 衍生額外的電感效應(yīng)；故，覆晶封裝技術(shù)提出以覆晶轉(zhuǎn)接板來(lái)取代打線。然而，此ー技術(shù)遂 成既有的窠臼，而始終被沿用于覆晶發(fā)光二極管芯片的置作上。本發(fā)明的發(fā)明人基于多年 實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及長(zhǎng)期觀察與努力，遂研究出上述技術(shù)窠臼，并配合發(fā)光二極管異于邏輯運(yùn)算芯 片的各種特征，終于提出本發(fā)明以ー掃沉癇。請(qǐng)參考圖2，圖2是本發(fā)明ー實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 中，本實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒300包括一第一型摻雜半導(dǎo)體層301、一第二型摻雜半導(dǎo)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(dǎo)體層302鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層301的底面，第一電極層303鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層301的底面且不接觸第二型摻雜半導(dǎo)體層302，而且具有一裸露面積以供直接涂布一導(dǎo)電接合劑。第二電極層304鋪設(shè)于第二型摻雜半導(dǎo)體層302的底面，且具有一裸露面積以供直接涂布導(dǎo)電接合劑。絕緣層305則位于第一電極層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，為了在晶圓制程上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)條狀直立的第一電極層303，以利用其側(cè)面面積增加整體裸露面積，而供直接涂布導(dǎo)電接合劑，本實(shí)施方式利用絕緣層305來(lái)支撐第一電極層303，使其在制作過(guò)程中不會(huì)崩塌(Peeling)，且在成品時(shí)更為牢固，不至于因外力而彎曲接觸第二電極層304造成短路。另一方面，當(dāng)?shù)谝浑姌O層303與第二電極層304皆具有相當(dāng)大的體積時(shí)，兩者可能產(chǎn)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(shì)必產(chǎn)生電容效應(yīng)；但其對(duì)于以發(fā)光為目的的覆晶發(fā)光二極管晶粒300而言，卻不構(gòu)成危害；反之， 大范圍裸露面積的第一電極層303與第二電極層304有利于散熱，以對(duì)抗發(fā)光二極管所真正在乎的光衰問(wèn)題。值得注意的是，若要直接涂布銀膠以作為導(dǎo)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；若要直接涂布錫膏以作為導(dǎo)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(dǎo)體層301可為一 ρ型半導(dǎo)體層，且第二型摻雜半導(dǎo)體層302可為一 η 型半導(dǎo)體層，或反之亦可。半導(dǎo)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、碳化硅等材料。請(qǐng)一并參考圖3Α、圖;3Β及圖3C，其皆是本發(fā)明三種實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒的結(jié)構(gòu)示意圖。其是在晶圓制程階段，在晶粒上設(shè)置可直接被使用的大電極結(jié)構(gòu)，進(jìn)而免除傳統(tǒng)晶粒被封裝成芯片的后段制程。圖3Α中，第二電極層304可先被大范圍地設(shè)置在第二型摻雜半導(dǎo)體層302上；當(dāng)?shù)谝浑姌O層303所能應(yīng)用的側(cè)面積仍可能不足以直接沾粘導(dǎo)電接合劑時(shí)，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(shè)于絕緣層305上。圖;3Β中，第一電極層303與第二電極層304皆可進(jìn)行兩階段的制作；亦即先以傳統(tǒng)制程分別實(shí)現(xiàn)兩金屬層于第一型摻雜半導(dǎo)體層301與第二型摻雜半導(dǎo)體層302上，再增加晶圓制程形成絕緣層305以及兩個(gè)大電極于兩金屬層上，以分別完成第一電極層303與第二電極層304。圖3C中，若擔(dān)心第一電極層303與第二電極層304 過(guò)于接近，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(fā)光二極管晶粒300還包括一防護(hù)層306。防護(hù)層306為一絕緣材料形成的絕緣薄膜，用以形成薄膜保護(hù)功能，以增加覆晶發(fā)光二極管晶粒300的壽命。在制程上，防護(hù)層306可利用涂布(Spin Coating)或電子槍(E-gim)等技術(shù)，形成于第一型摻雜半導(dǎo)體層301與第二型摻雜半導(dǎo)體層302的正面或側(cè)面。承上所述，圖3A、圖;3B及圖3C中的覆晶發(fā)光二極管晶粒，是在晶圓制作過(guò)程中，例如沉積、曝光、顯影、蝕刻等步驟，即形成用以作為正負(fù)電極的第一電極層303與第二電極層304。然后，再經(jīng)切割便可成為能夠獨(dú)立使用的覆晶發(fā)光二極管芯片。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)覆晶技術(shù)的擴(kuò)晶、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)置、微波、點(diǎn)膠乃至于烘烤等封裝制程所需要的設(shè)備可以被節(jié)省下來(lái)。此外，傳統(tǒng)覆晶發(fā)光二極管的擴(kuò)晶、翻轉(zhuǎn)、植球、晶粒與基板的壓合、注膠以及烘烤等制程步驟所耗費(fèi)的時(shí)間也可被節(jié)省下來(lái)。請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D4，圖4是本發(fā)明另一實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中，本實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列400，是在前述晶圓加工的最后階段，再以金屬層制作工藝，形成一跨晶粒401間的金屬圖案層402，以電性串并聯(lián)多顆晶粒 401。然后，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(shù)作為一陣列 (array)使用。借此，多顆覆晶發(fā)光二極管晶粒401，在晶圓階段即已完成電性上的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使其得以直接電性連接交流或直流電源。反觀傳統(tǒng)覆晶發(fā)光二極管，須先將晶粒以覆晶轉(zhuǎn)接板封裝成芯片，再于一額外的電路板上進(jìn)行電性的串并聯(lián)。接下來(lái)，請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D5。圖5是圖3A的覆晶發(fā)光二極管晶粒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。 為了提升覆晶發(fā)光二極管晶粒310的發(fā)光效率，覆晶發(fā)光二極管晶粒301的細(xì)部結(jié)構(gòu)上，還可鋪設(shè)一透光覆蓋層311于第一型摻雜半導(dǎo)體層301的頂面，以及鋪設(shè)一金屬反射層312 于第二型摻雜半導(dǎo)體層302與第二電極層間。金屬反射層312位于真正發(fā)光的PN接面下方，可用以將向下發(fā)散的光線反射回透光覆蓋層311，亦即整體覆晶發(fā)光二極管晶粒310的發(fā)光側(cè)。更進(jìn)一步的說(shuō)，亦可在覆晶發(fā)光二極管晶粒310所附著的電路板上，設(shè)計(jì)反射面以反射PN接面向下發(fā)散的光線。請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D6。圖6亦是圖3A的覆晶發(fā)光二極管晶粒的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。圖 6中，亦可鋪設(shè)一布拉格反射結(jié)構(gòu)(Bragg reflector) 313于金屬反射層與第二型摻雜半導(dǎo)體層間。其中，布拉格反射結(jié)構(gòu)313是由兩種以上介電系數(shù)不同的材料，交錯(cuò)排列而成。而且，各層的厚度設(shè)計(jì)為光線波長(zhǎng)的四分之一，以構(gòu)成一種四分之一波長(zhǎng)多層系統(tǒng) (quarter-wave-stack multi-layered system)，相當(dāng)于簡(jiǎn)單的一維光子晶體。藉此，由于頻率落在能隙范圍內(nèi)的電磁波無(wú)法穿透，布拉格反射結(jié)構(gòu)313的反射率可以高達(dá)99 %以上。它沒(méi)有一般金屬反射鏡的吸收問(wèn)題，又可以透過(guò)改變材料的折射率或厚度來(lái)調(diào)整能隙位置。另一方面，透光覆蓋層的上表面，亦即覆晶發(fā)光二極管晶粒310的背面發(fā)光側(cè)，可設(shè)計(jì)有一粗化結(jié)構(gòu)314。同理，透光覆蓋層與第一型摻雜半導(dǎo)體層的周圍側(cè)表面，皆可設(shè)有此一粗化結(jié)構(gòu)314。粗化結(jié)構(gòu)314的設(shè)計(jì)原理介紹如下一般而言，LED半導(dǎo)體層的折射率約2. 4，對(duì)于空氣的全反射角約24. 5度。LED芯片通常切割成矩形，約8%的光線可射出芯片之外，92%的光線則封閉在芯片之內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱。破壞全反射角可提升LED光線射出率，在芯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于2倍波長(zhǎng)才有明顯的出光效率。非矩形的芯片外形或芯片內(nèi)做細(xì)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(zhì)可為一藍(lán)寶石基板(A1203)、磷化鎵(GaP)、硅膠、玻璃或鐵弗龍等透光材料。值得注意的是，當(dāng)選用藍(lán)寶石基板作為透光覆蓋層時(shí)，可設(shè)計(jì)一圖案 315于其與第二型摻雜半導(dǎo)體層交界的一側(cè)，進(jìn)而形成一圖案化藍(lán)寶石基板。最后，從制程的角度來(lái)說(shuō)，前述的金屬反射層可與第二電極層于同一制程中同時(shí)完成。綜上所述，本實(shí)施方式的覆晶發(fā)光二極管，可以免去焊線機(jī)(約12萬(wàn)美元)或覆晶植球機(jī)(約60萬(wàn)美元)、固晶機(jī)或表面粘著貼片機(jī)(Surface MountingTechnology, SMT)等設(shè)備，乃至于消耗性備料與覆晶轉(zhuǎn)接板的支出。在制造成本及單位時(shí)間產(chǎn)能上皆顯著提升。 雖然本發(fā)明已以諸實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，包括一第一型摻雜半導(dǎo)體層；一第二型摻雜半導(dǎo)體層，鋪設(shè)于該第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面；一第一電極層，鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面且不接觸該第二型摻雜半導(dǎo)體層， 且具有一裸露面積以供直接涂布一導(dǎo)電接合劑；一第二電極層，鋪設(shè)于第二型摻雜半導(dǎo)體層的底面，且具有一裸露面積以供直接涂布該導(dǎo)電接合劑；以及一絕緣層，位于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(jù)權(quán)利要求1所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，該裸露面積為至少625平方微米，且該導(dǎo)電接合劑為一銀膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，該裸露面積為至少10000 平方微米，且該導(dǎo)電接合劑為一錫膏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，還包括一金屬反射層，鋪設(shè)于該第二型摻雜半導(dǎo)體層與該第二電極層間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，還包括一布拉格反射結(jié)構(gòu)，位于該金屬反射層與該第二型摻雜半導(dǎo)體層間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，還包括一透光覆蓋層，鋪設(shè)于該第一型摻雜半導(dǎo)體層的頂面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，還包括一粗化結(jié)構(gòu)，位于該透光覆蓋層的外表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，還包括一粗化結(jié)構(gòu)，位于該第一型摻雜半導(dǎo)體層的側(cè)表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒，其特征在于，該透光覆蓋層為一圖案化藍(lán)寶石基板。
10.一種覆晶發(fā)光二極管晶粒陣列，其特征在于，包括多個(gè)如權(quán)利要求1 9任一權(quán)利要求所述的覆晶發(fā)光二極管晶粒；以及一金屬圖案層，用以對(duì)每一該些第一電極層與第二電極層進(jìn)行選擇性電性連接，以串并聯(lián)該些覆晶發(fā)光二極管晶粒。
全文摘要
本發(fā)明揭露一種覆晶發(fā)光二極管晶粒及其晶粒陣列，該覆晶發(fā)光二極管晶粒包括一第一型摻雜半導(dǎo)體層、一第二型摻雜半導(dǎo)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(dǎo)體層鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面，第一電極層鋪設(shè)于第一型摻雜半導(dǎo)體層的底面且不接觸第二型摻雜半導(dǎo)體層，而且具有一裸露面積以供直接涂布一導(dǎo)電接合劑。第二電極層鋪設(shè)于第二型摻雜半導(dǎo)體層的底面，且具有一裸露面積以供直接涂布導(dǎo)電接合劑。絕緣層則位于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(hào)H01L33/36GK102280553SQ20101020288
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者楊凱任, 楊秋忠, 林蘇宏, 沈志秋, 許明華, 黃建盛 申請(qǐng)人:楊秋忠