热电分离的半导体装置与其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种热电分离的半导体装置及其制造方法。该热电分离半导体装置包括一金属散热座与至少一树脂基板。金属散热座具有用于固定至少一发热元件的一承载区域。树脂基板被固定在金属散热座上，与发热元件位于金属散热座的同一侧，且具有至少一导电线路层，用以电性耦合发热元件，以形成热电分离的半导体装置。
【专利说明】热电分离的半导体装置与其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电分离的半导体装置与其制造方法。
【背景技术】
[0002]在发光二极管晶片制作完成后，必须将晶片固定在载体上，再通过载体与印刷电路板电性连接。载体通常是金属导线架或具有导电线路层的金属基板，而固定晶片与载体的步骤称为“固晶”。现有固晶方式主要有两种，银胶接合与共晶焊接(Eutectic)。
[0003]银胶接合通常使用在低功率的发光二极管。在发光二极管与载体的接合面上，涂布混合不同比例环氧树脂的银粉，并在较低的工艺温度下，使环氧树脂固化，以接合晶片与载体。
[0004]银胶接合的固定强度与环氧树脂的比例有关。当环氧树脂比例越高，则固定强度越高，但导电性与导热系数下降；反之，当银粉比例越高，则固定强度越低。在最佳银胶/环氧树脂比例下，其导热系数理论上仅有25W/mK。此外，银胶接合需要使用助焊剂(Flux)，如果在固晶后，未能将其全部移除而残留，会造成固晶孔隙(Void)，从而导致热阻上升。
[0005]共晶焊接法，是在晶片底部形成焊接材料，其与载体或载体表面的材料，在一共晶温度下，可相互扩散、融合从而固定。使用共晶焊接法固定的强度，优于银胶接合方法。
[0006]然而，共晶焊接法的工艺温度高，可达320°C。晶片与载体的材料，必须可承受高温。此外，晶片底部的焊接材料很薄，其厚度可能只有3um。如果载体的表面粗糙度过高，则固晶结构会产生孔隙；如果载体表面高低差(PV)超过3um，则晶片会局部悬空，无法与载体紧密贴合，导致固晶强度与导热系数下降。
[0007]在固晶后，发光二极管晶片再通过载体与外部电性连接。现有技术具有结构与工艺复杂、散热性不好、成本高，材料选择受到局限等缺点。
【发明内容】
[0008]鉴于上述，本发明提供新的热电分离半导体装置与其制造方法。
[0009]本发明一实施例提供一种热电分离的半导体装置，包括一金属散热座与至少一个树脂基板。金属散热座具有以固定至少一发热元件的一第一承载区域。树脂基板固定在金属散热座的一第二承载区域上，与发热兀件位于金属散热座的同一侧，且具有至少一导电线路层，用以电性耦合发热元件。
[0010]本发明另一实施例提供一种热电分离的半导体装置的制造方法，包括:提供一金属散热座，其具有一承载区域；在承载区域上固定至少一发热元件；在金属散热座上固定至少一个树脂基板，树脂基板与发热元件位于金属散热座的同一侧，树脂基板上具有至少一导电线路层；通过至少一导线，电性连接树脂基板上的导电线路层与发热元件，以形成热电分离的半导体装置。
[0011 ] 根据本案实施例的热电分离的半导体装置与其制造方法，发热元件产生的热，可直接传导至金属散热座，如此可大幅提升散热效率。此外，树脂基板设置在金属散热座上，树脂基板的材质可不受固晶温度限制，且可方便电性耦合发热元件与外部端点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是示出根据本发明第一实施例的热电分离半导体装置的剖面示意图。
[0013]图2是示出根据本发明第二实施例的热电分离半导体装置的剖面示意图。
[0014]图3是示出根据本发明第三实施例的热电分离半导体装置的俯视图。
[0015]图4A与图4B是示出根据本发明第四实施例的热电分离半导体装置的剖面示意图。
[0016]图5A至5G示出根据本发明第五实施例的一种热电分离半导体装置的制造方法。
[0017]附图标号说明
[0018]10:金属散热座
[0019]IOa:第一承载区域
[0020]IOb:第二承载区域
[0021]IOc:散热结构
[0022]20:发热元件
[0023]20a:电极
[0024]30:树脂基板
[0025]30a:上表面
[0026]30b:下表面
[0027]30c:端
[0028]30d:端
[0029]40:波长转换护盖
[0030]50:散热接合层
[0031]60:连接结构
[0032]70:白色填充物
[0033]80:固定元件
【具体实施方式】
[0034]图1示出根据本发明第一实施例的热电分离半导体装置，其主要包括一金属散热座10、至少一发热元件20，与至少一树脂基板30。
[0035]金属散热座10具有第一承载区域10a，以固定发热元件20。优选地，在第一承载区域IOa与发热元件20之间，具有散热接合层50，例如:金属接合层(焊锡)，金属-高分子复合材料(固化银胶)、固化散热膏等，以使两者紧密结合。树脂基板30固定在金属散热座10上，并且具有至少一导电线路层(未图示)，用以电性耦合发热元件20。作为例示而非限制，在本实施例的一实例中，发热元件20的数量是一个，树脂基板30的数量是两个。优选地，树脂基板30与发热兀件20位于金属散热座10的同一侧,例如,金属散热座10的上方侧。
[0036]如图1所示，金属散热座10在发热元件20的相反侧，例如下方侧，可具有散热结构10c，例如鳍片(fin)，其可加速驱散发热元件20产生的热。此外，当发热元件20是发光二极管单元时，热电分离结构可具有一波长转换护盖40，其外形可以是半球型或非球型，其表面，可为光滑表面，或具有凹凸图案以增加光萃取效率。上述波长转换护盖40由护盖与波长转换材料组合而成，波长转换材料用于转换发光二极管单元的发光波长。波长转换材料可以位于护盖的外表面上或是内表面上。在一实例中，波长转换材料位于护盖的内表面上。在另一实例中，波长转换材料分布在护盖中。护盖的材质可以为环氧树脂、硅基类或其它材质。
[0037]如图1所示，在本实施例的一实例中，第一承载区域IOa可以是金属散热座10的中央区域，而树脂基板30可固定在金属散热座10的第二承载区域IOb上，并且第一承载区域IOa大致上是一凸台。
[0038]在本实施例中，可通过一固定元件80，例如螺丝，将树脂基板30固定在金属散热座10上。在本实施例的一实例中，固定元件80未穿透金属散热座10。在另一实例中，固定元件80可穿透金属散热座10。在又一实例中，可利用一黏着剂代替固定元件80，将树脂基板30固定在金属散热座10上。
[0039]在本实施例的一实例中，树脂基板10的上表面30a具有一导电线路层(未图标),其通过连接结构60，例如导线(wire)，电性耦合发热元件20的电极20a。连接结构60可被波长转换护盖40覆盖。在本实施例中，该导电线路层在树脂基板10的一端30c耦合发热元件20，而在树脂基板10的另一端30d，作为与外部电性连接的端点。上述固定元件80可以作为与外部电性连接的端点。
[0040]在本实施例的另一实例中，树脂基板10的上表面30a与下表面30b各具有一导电线路层(未图示)，其中位于上表面30a的导电线路层电性耦合发热元件20，而位于下表面30b的导电线路层可作为与外部电性连接的端点。例如，金属散热座10可具有至少一贯通孔(未图示)，其电性连接位于下表面30b的导电线路层，并作为与外部电性连接的端点。上述穿透(或未穿透)金属散热座10的固定元件80，可以电性连接位于上表面30a的导电线路层，或电性连接位于下表面30b的导电线路层，且固定元件80可作为与外部电性连接的端点。
[0041 ] 上述发热元件20可包括发光二极管单元、光伏电池，集成电路元件，或其它电子元件等。当发热元件20为具有透明生长基板的发光二极管单元，可以选择将其固定在凸台上，从而可避免树脂基板30阻挡由透明成长基板导出的侧向光。上述透明成长基板包括蓝
宝石、氮化硅等。
[0042]上述树脂基板30包括绝缘层与覆盖绝缘层的至少一导电线路层。绝缘层可直接接触金属散热座10。绝缘层的主体材料为树脂或树脂/补强材复合材料，树脂种类例如酹醒树脂(Phenolic)、环氧树脂(Epoxy)、聚亚酰胺树脂(Polyimide)、聚四氟乙烯(PolytetraOluorethylene,简称PTFE或称TEFLON),或双马来酰亚胺三嗪树脂(Bismaleimide Triazine,简称BT)等。补强材则有玻璃纤维布、玻璃纤维席、绝缘纸,甚至帆布、亚麻布等。
[0043]在本实施例的一实例中，上述导电线路层可包括驱动所述发热元件的电路。例如，导电线路层包括具有一或多个齐纳二极管(zendordiode)的二极管元件，其电性连接发热元件20，以提供静电放电保护功能。此外，导电线路层可包括电源转换电路(electricalpower conversioncircuitry)、电源调整电路(power regulating circuitry)、稳压电路(voltagestabilizing circuitry)、限流电路(current-limiting circuitry)、整流电路(rectifying circuitry)、其它相似电路，以及上述电路的各种组合。各种电路可为分离或整体的结构。
[0044]在本实施例的另一实例中，热电分离半导体装置可包括一驱动元件(未图标)，用以驱动发热元件20，其中驱动元件可位于第一承载区域IOa和/或第二承载区域10b，且驱动元件的型式可以是未封装晶粒或是封装体。在本实施例的又一实例中，驱动元件位于该金属散热座的另一侧，且相对于所述树脂基板与所述发热元件。
[0045]图2示出根据本发明第二实施例的热电分离半导体装置。本实施例与第一实施例具有相似的元件，其不同之处在于，金属散热座10并不具有凸台，而第一承载区域IOa与第二承载区域IOb的水平高度大致相等或位于同一水平面上。此种形式的金属散热座的材料与加工成本较低。此外，发热元件20与树脂基板30之间，具有白色填充物70，例如白色硅胶或环氧树脂，白色填充物70可用以反射光线。发热元件20可包括发光二极管单元、光伏电池，集成电路元件，或其它电子元件等。在本实施例的一实例中，发热元件20是基板置换型发光二极管(Thin-GaN LED)单元，由于置换基板通常是高导热系数的不透光基板，例如铜基板或硅基板，其几乎不产生侧向光。因此，当基板置换型发光二极管单元固定在第一承载区域IOa时，不需要担心固定在第二承载区域IOb的树脂基板30会阻挡侧向光。
[0046]本实施例的其它细节与变化，可与第一实施例相同，不再赘述。
[0047]图3示出根据本发明第三实施例的热电分离半导体装置。本实施例与第一或第二实施例具有相似的元件，其不同之处在于，树脂基板30是单一环型结构，设置在金属散热座10的第二承载区域IOb上。树脂基板30上具有电性分离的导电线路层以分别连接发热元件20的不同电性端点。在本实施例的一实例中，树脂基板30可以是矩形。本实施例的其它细节与变化，可与第一或第二实施例相同，不再赘述。
[0048]图4A与图4B示出根据本发明第四实施例的热电分离半导体装置。本实施例与第
一、第二或第三实施例具有相似的元件，其不同之处在于，发光二极管单元20包括一共基板20b的发光二极管阵列，该发光二极管阵列通过多个互连线20d彼此电性连接。介电材料20c部分或完全地填充位于相邻二个发光二极管的间隙。共基板20b可以是成长基板或是置换基板。与使用导线(wire)连接的发光二极管阵列比较，在相同发光强度条件下，使用共基板与互连线的优点是可以减少发光二极管阵列的面积。
[0049]上述介电材料包含高分子材料、陶瓷材料或其任意组合。在一实例中，介电材料包含高分子，例如聚甲基戍二酰亚胺(polymethylglutarimide,PMGI)或是SU-8。在另一实例中，材料包含一陶瓷材料，例如娃氧化物(silicon oxide)、娃氮化物(silicon nitrides)、氮氧化娃(silicon oxynitride)、氧化招或是其它适合的陶瓷或氧化物材料,但不局限于此。
[0050]图5A至5G示出根据本发明第五实施例的一种热电分离半导体装置的制造方法。本实施例的制造方法可制造如第一实施例的热电分离半导体装置，但也可应用在制造如第
二、第三、或第四实施例的半导体装置。
[0051]如图5A所示，提供一金属散热座10，其中央区域可作为第一承载区域10a，在本实施例的一实例中，第一承载区域IOa可以是一凸台。优选地，金属散热座10的材质，是热传导系数较高、成本较低的金属或合金，例如铝。第一承载区域IOa的表面可做表面处理，例如，以热风整平(Hot Air Leveling或Hot Air Solder Level)、电镀、无电电镀或其它方式，形成一金属材料(未图示)，例如锡、金、银等，在第一承载区域IOa的表面上。其中，热风整平可包括预清洗、预热、助焊剂处理、焊锡整平和后清洗等步骤。
[0052]接着,如图5B所示,可利用网版印刷(screen printing)、点胶或其它方式,涂布一金属接合材料，例如在第一承载区域IOa表面上锡膏。
[0053]接着,如图5C所示，将发热元件20放置在第一承载区域IOa表面上。在本实施例的一实例中，发热元件20可以是发光二极管单元，其可包括至少一磊晶结构与一透明成长基板(均未图示)，其中所述透明成长基板面向第一承载区域10a。在本实施例的另一实例中，第一承载区域IOa与第二承载区域IOb的水平高度大致相等(未显示于图中)，发热元件20可以是基板置换型发光二极管(Thin-GaN LED)单元，置换基板通常为高导热系数的不透光基板，例如铜基板或硅基板，其面向第一承载区域10a。接着，如图所示，可利用一加热装置，例如回焊炉(reflow furnace),使金属接合材料熔化与冷却，从而形成金属接合层50，以使发热元件20与第一承载区域IOa紧密结合。使金属接合材料熔化的方式，可包括，但不局限于，照射红外线或吹热风。
[0054]接着，如图5E所示，将树脂基板30，放置在第二承载区域10b。在本实施例的一实例中，在发热元件20的周边区域放置两块树脂基板30。在本实施例的另一实例中，在发热元件20的周边区域放置单一环型结构树脂基板30，在树脂基板30上具有电性分离的导电线路层用以分别连接发热元件20的不同电性端点。在本实施例中，可通过固定元件80，例如螺丝，将树脂基板30固定在第二承载区域IOb上。在本实施例的一实例中，固定元件80未穿透金属散热座10。在本实施例的另一实例中，固定元件80可穿透金属散热座10。
[0055]如图5F所示,在本实施例的一实例中，接着,通过连接结构60,例如导线(wire),电性耦合发热元件20的电极20a，以及树脂基板10的上表面30a的一导电线路层(未图示)。该导电线路层在树脂基板10的一端30c耦合发热元件20，而该导电线路层在树脂基板10的另一端30d，可作为外部电性连接点。在本实施例的另一实例中，树脂基板10的上表面30a与下表面30b各具有一导电线路层(未图示)，其中位于上表面30a的导电线路层耦合发热元件20，而位于下表面30b的导电线路层可作为外部电性连接点。例如，金属散热座10可具有至少一贯通孔(未图示)，其电性连接位于下表面30b的导电线路层，并作为外部电性连接点。在本实施例中，穿透(或未穿透)金属散热座10的固定元件80，其电性连接位于上表面30a的导电线路层，或电性连接位于下表面30b的导电线路层，且固定元件80可作为外部电性连接点。
[0056]接着，如图5G所示，放置一波长转换护盖40，以覆盖并保护发热元件20 (特别针对发光二极管单元)与连接结构60。波长转换护盖40的外形，可以是半球型或非球型；其表面，可以是光滑表面，或具有凹凸图案，以增加光萃取效率。
[0057]根据本案实施例的热电分离半导体装置与其制造方法，发热元件20产生的热，可直接传导至金属散热座10，如此可大幅提升散热效率。此外，树脂基板10设置在金属散热座10上，树脂基板10的材质可不受固晶温度限制，且可方便电性耦合发热元件20与外部端点。
[0058]根据本说明书，本领域技术人员可以做各种改进、改动或替换。因此，本说明书仅是用于教示本领域技术人员，例示如何实践本发明，所述的实施例仅为优选实施例。本领域技术人员阅读本说明书后，知道本实施例中的哪些元件与材料可做替换，哪些元件或工艺步骤顺序可改动，哪些特征可被单独应用。凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改动或改进，均应包含在本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种热电分离的半导体装置的制造方法，包括: 提供一金属散热座，该金属散热座具有一承载区域； 在所述承载区域上固定至少一发热元件； 在所述金属散热座上固定至少一个树脂基板，该树脂基板与所述发热元件位于所述金属散热座的同一侧，所述树脂基板上具有至少一导电线路层；以及 通过至少一导线，电性连接所述树脂基板上的所述导电线路层与所述发热元件，以形成所述热电分离的半导体装置。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中在所述承载区域上固定所述至少一发热元件的步骤包括: 在所述承载区域上放置一金属接合材料； 在所述承载区域上放置所述发热元件；以及 通过使所述金属接合材料熔融并冷却的回焊步骤，形成所述金属接合层，以结合所述发热元件与所述承载区域。
3.如权利要求2所述的制造方法，还包括对所述承载区域进行表面处理，以便于与所述金属接合材料接合。
4.如权利要求1所述的制造方法，其中所述树脂基板包括两层导电线路层，该两层导电线路层分别位于所述树脂基板的相反两侧，其中一层导电线路层耦合所述发热元件，所述金属散热座具有至少一贯通孔来连接另一层导电线路层，用以形成外部电性连接点。·
5.如权利要求1所述的制造方法，其中所述发热元件包括一共基板的发光二极管阵列，所述发光二极管阵列通过多个互连线彼此电性连接。
6.一种热电分离的半导体装置，包括: 一金属散热座，具有一第一承载区域，以固定至少一发热兀件； 至少一个树脂基板，该树脂基板固定在所述金属散热座的一第二承载区域上，并且所述树脂基板与所述发热元件位于所述金属散热座的同一侧，所述树脂基板上具有至少一导电线路层，用以电性耦合所述发热元件。
7.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述导电线路层的一端耦合所述发热元件，所述导电线路层的另一端作为外部电性连接点。
8.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述树脂基板包括两层导电线路层，该两层导电线路层分别位于所述树脂基板的相反两侧，其中一层导电线路层耦合所述发热元件，并且所述金属散热座具有至少一贯通孔来连接另一层导电线路层，用以形成外部电性连接点。
9.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述发热元件包括发光二极管单元、光伏电池或集成电路元件。
10.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中在所述第一承载区域与所述发热元件之间具有一散热接合层。
11.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述发热元件是发光二极管单元，所述第一承载区域包括至少一凸台，所述发光二极管单元固定在所述凸台上，所述第二承载区域用于放置所述树脂基板，并且所述树脂基板的高度低于所述发光二极管单元，以避免遮蔽所述发光二极管单元的侧向光。
12. 如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述发热元件是一发光二极管单元，所述第一承载区域与所述第二承载区域的水平高度大致相等，并且所述发光二极管单元是基板置换型发光二极管，因此几乎不产生侧向光。
13.如权利要求11或12所述的热电分离的半导体装置，其中所述发光二极管单元包括一共基板的发光二极管阵列，所述发光二极管阵列通过多个互连线彼此电性连接。
14.如权利要求11或12所述的热电分离的半导体装置，还包括一波长转换护盖。
15.如权利要求12所述的热电分离的半导体装置，还包括位于所述发光二极管单元与所述树脂基板之间的一白色填充物，该白色填充物用以反射光线。
16.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述树脂基板的材料包含下列材料中的一种:酚醛树脂、环氧树脂、聚亚酰胺树脂、聚四氟乙烯树脂或双马来酰亚胺三嗪树脂。
17.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，其中所述导电线路层包括驱动所述发热元件的电路。
18.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，还包括用以驱动所述发热元件的至少一驱动元件，其中该驱动元件位于所述第一承载区域和/或所述第二承载区域。
19.如权利要求6所述的热电分离的半导体装置，还包括用以驱动所述发热元件的至少一驱动元件，其中该驱动元件位于所述金属散热座的另一侧，并且与所述树脂基板和所述发热元件相对。
【文档编号】H01L33/48GK103579480SQ201210322672
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年9月3日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】邵世丰 申请人:华夏光股份有限公司