专利名称：具硅质基板的白光发光二极管封装结构与其制作方法
技术领域：
本发明是关于一种白光发光二极管封装结构与其制作方法，尤指一种具 有硅质基板的白光发光二极管封装结构与其制作方法，以具有良好的导热能 力与聚光性，并且提升演色性与色调的丰富性。
背景技术：
近几年来，白光发光二极管是最被看好且最受全球瞩目的新兴产品。它 具有体积小、无热幅射、耗电量低、寿命长和反应速度佳又兼具环保效果等 优点，能解决非常多过去白炽灯泡所难以克服的问题，因而已被欧美科学家 视为二十一世纪的照明光源。请参考图1，图1是为公知白光发光二极管封装结构剖面示意图。公知白光发光二极管封装结构10包含一蓝光二极管11、一基板结构12、电极13、 14、 一导电图层15，以及一萤光体结构16。蓝光二极管U为公知白光发光 二极管封装结构IO主要的发光元件。导电图层15可藉由金属沉积、曝光、 显影等方式，设置于基板结构12的表面上，而蓝光二极管11可藉由导电图 层15电连接于电极13、 14。萤光体结构16的作用为一部分可以避免外部对 蓝光二极管11直接的伤害，另一部分为掺杂于含环氧树脂的萤光体结构16 中的黄光萤光粉具有吸收蓝色波长的光转化为黄色波长的光的特性。藉由萤 光体结构16的设置，蓝光二极管11发射出的部分蓝光会被萤光粉吸收而转 化为黄光之外，而黄光再与另一部分的蓝光进行混合，而产生白光。现行技术的缺点在于首先白光发光二极管封装结构10仅设置有单一蓝 光二极管，若需提供较亮或面积较大的光源则必须结合数个白光发光二极管 封装结构10,如此一来由于个别白光发光二极管封装结构IO均占有一定的 体积，将造成光源的体积过大。再者，由于单一蓝光二极管的波长的半高宽 约25纳米，但工艺上无法制作出大量具有一致性的波长范围的蓝光二极管， 因此目前的作法为将完成的蓝光二极管区分为450 ± 5微米、460 ± 5微米、 470 ±5微米三种规格，并且针对这三种规格分别发展出相对应的三种萤光粉，以制作出白光发光二极管，但由于蓝光二极管在制作上条件控制不易容 易造成波长的偏差，即使使用同一规格的蓝光二极管所制作的白光发光二极 管仍会产生不同色调的白色光，而且演色性较日光灯与白帜灯低，色调的丰 富性也较低，因此，虽然白光发光二极管较为省电，为了让白光发光二极管 的特性更符合自然光，以产生具有高演色性与丰富色调的白光，乃为业界亟 名夂追求的目标。发明内容本发明的目的在于提供一种具有硅质基板的白光发光二极管封装结构 与其制作方法，以具有良好的导热能力与聚光性，并且提升演色性与色调的丰富性。根据本发明的申请专利范围，本发明是揭露一种具有硅质基板的白光发 光二极管封装结构，其包含一硅质基板，该硅质基板的上表面具有多个凹杯 结构、 一反射层，覆盖于该硅质基板的上表面、 一透明绝缘层，覆盖于该反 射层上、多个金属凸块，设置于各该凹杯结构内的该透明绝缘层上、多个电 极，设置于相邻的各该凹杯结构之间、多个蓝光二极管，所述蓝光二极管具 有多个不同的波长范围并且分别设置于各该凹杯结构中的该金属凸块上以 及一萤光体结构，覆盖于该硅质基板的所述凹杯结构上。该萤光体结构包含 有多种萤光粉与 一封胶材料，且各该种萤光粉是分别用来将各该具有不同波 长范围的蓝光二极管所发出的蓝光转化为黄光。根据本发明的申请专利范围，本发明是揭露一种制作具有硅质基板的白 光发光二极管封装结构的方法，其包含提供一晶圆，并利用一蚀刻工艺于该 晶圓的上表面形成多个凹杯结构，接着，于该晶圓的上表面形成一反射层， 再于该反射层上形成一透明绝缘层，然后于各该凹杯结构底部的该透明绝缘 层上形成多个金属凸块与多个电极于相邻的各该凹杯结构间的该透明绝缘 层上，最后将多个蓝光二极管分别与各该凹杯结构底部的各该金属凸块接 合，并且将多个蓝光二极管分别与各该电极电性连接，其中所述蓝光二极管 具有不同的波长范围以及将对应各等蓝光二极管的波长范围的萤光粉混合 并加入一封胶材料，然后利用一封胶工艺于所述凹杯结构上形成一萤光体结 构。本发明藉由将具有不同波长的蓝光二极管设置于具有阵列式凹杯结构的硅质基板，并加上混合相对应的萤光粉，使得具有较宽波长分布范围的蓝 光与黄光能充分混合，而制作出具有高演色性与色调丰富性的白光发光二极管封装结构。
图1是为公知白光发光二极管封装结构剖面示意图。图2是为本发明的一优选实施例具有硅质基板的白光发光二极管封装结 构的剖面示意图。图3为本发明的一优选实施例具有硅质基板的白光发光二极管封装结构 的上视示意图。图4是为本发明的另 一优选实施例具有硅质基板的白光发光二极管封装 结构的剖面示意图。图5至图10为本发明一优选实施例制作一白光发光二极管封装结构的方法示意图。图11至图16为本发明另一优选实施例制作一白光发光二极管封装结构 的方法示意图。主要元件符号说明10白光发光二极管封装结构11蓝光二极管12基板结构13、14 电极15导电图层16萤光体结构100白光发光二极管封装结构110硅质基板120反射层130透明绝缘层140金属凸块150电极160蓝光二极管170萤光体结构180导线200白光发光二极管封装结构210硅质基板220反射层230透明绝缘层240导电图层250蓝光二极管260萤光体结构300硅质基板310凹杯结构320反射层330透明绝缘层340金属凸块350电极360 蓝光二才及管380 萤光体结构410 凹杯结构430 透明绝缘层450 蓝光二极管370 导线400 硅质基板420 反射层440 导电图层460 萤光体结构具体实施方式
请参考图2与图3，图2是为本发明一优选实施例具有硅质基板的白光 发光二极管封装结构的剖面示意图，图3为图2所示的白光发光二极管封装 结构的上视示意图。白光发光二极管封装结构100包含有一硅质基板110、 一反射层120、 一透明绝缘层130、四个金属凸块140、多个电极150、四个 蓝光二极管160与一萤光体结构170。硅质基板110的材料包含有多晶硅、 非晶硅或单晶硅，可为方形硅晶片或圆形硅晶片，且其中可包含有集成电路 或无源元件。硅质基板110的上表面具有四个凹陷的凹杯结构，其凹杯结构 的上视图形为方型，并且各凹杯结构具有倾斜的侧壁，用来反射蓝光二极管 160的侧向散光，让侧向散光转为向上发光，提高光利用率。反射层120设 置于硅质基板IIO的上表面，其材质为金属或光学镀膜，使侧壁具有反射能 力，得以反射蓝光二极管160的侧光，但为了让反射层120与其上的元件绝 缘，将透明绝缘层130设置于反射层120之上，可使反射层120与金属凸块 140和电极150不具有电性连接。各金属凸块140分别设置于各凹杯结构内 的透明绝缘层130上，用来接合凹杯结构与蓝光二极管160。因此，各蓝光 二极管160设置于各金属凸块140上，并且各蓝光二极管160上的正电极与 负电极分别经由导线180连接至电极150。另外，各蓝光二极管160具有不 同的波长范围，其包含有450士5nm、 460 ± 5nm或470 ± 5nm三种规格，提 供白光发光二极管封装结构IOO具有较宽的波长范围。电极150设置于相邻 的各凹杯结构之间，具有电性连接白光二极管封装结构100与外部电路(图 未示)的功能。萤光体结构170覆盖于四个凹杯结构上，并填满各凹杯结构， 其形状为平顶金字塔形状，顶部表面为平坦而侧壁则为倾斜的。萤光体结构 170包含有萤光粉与封胶材料，其中萤光粉的成份是根据各蓝光二极管160 的波长范围来决定，用来将具有不同波长范围的蓝光二极管160所发出的部 分蓝光转化为具黄色波长的黄光，封胶材料的成份包含有环氧树脂与硅填充物，封胶材料分为固态封膜材料(Epoxy Molding Compound)用于成型 (Molding)工艺与液态封止材津牛(Liquid Encapsulant)用于点月交(Encapsulating)工艺。硅质基板110上表面的四个凹杯结构为短距离阵列配置排列，其中相邻 的凹杯结构之间距小于10微米，使得四个不同波长范围的蓝光二极管160 在互相混光时不会造成干涉效应，并且藉由短距离配置，可具有高均匀度的 光型。更明确地说，四个分开的蓝光二极管160所发出的光型可以如同一颗 蓝光二极管160所发出的光型一样均匀，并且可混合不同波长范围的蓝光二 极管160,让原本一颗蓝光二极管160只具有较窄的波长分布范围，经由混 合四颗不同波长范围的蓝光二极管160而具有较宽的波长分布范围，让制作 出的白光发光二极管封装结构具有高演色性。另外，硅质基板110由于为硅 材质，另具有良好的导热能力，帮助蓝光二极管160在发光时具有良好的散 热。从蓝光二极管160发出蓝色光， 一部份会被萤光粉吸收并转化为黄光， 然后萤光粉发出的黄光再与其他部分的蓝光混合，而形成白光。如图2中的 箭头所示，在本实施例中，白光发光二极管封装结构100的发光过程是藉由 四个不同波长的蓝光二极管160发出不同的波长范围的蓝色光，利用凹杯结 构的侧壁将蓝光二极管的侧向散光反射向上，让四个不同波长范围的蓝色光 的其中 一部份分别被萤光体结构170中的萤光粉所吸收并转化为不同波长范 围的黄色光，其他部分则与转化后的黄色光混合为白色光，再利用平顶金字 塔结构的侧壁，将四个具有不同波长范围的蓝色光的白色光经过侧壁全反射 后向萤光体结构170的中央聚集并混合，因而产生具有高演色性的白色光。请参考图4，图4是为本发明的另一优选实施例具有硅质基板的白光发 光二极管封装结构的剖面示意图。为了简化说明，与上述相同的元件与结构，将不于本实施例中详述。本实施例的白光发光发光二极管200包含有一硅质 基板210、 一反射层220、 一透明绝缘层230、 一导电图层240、四个蓝光二 极管250与一萤光体结构260,其中导电图层240设置于透明绝缘层230上， 并且与外部电路具有电性连接(图未示)，而各蓝光二极管250是利用覆晶方 式设置于硅质基板210上的各凹杯结构内的导电图层240上。综合上述说明，本发明的白光发光二极管为四个不同波长范围的蓝光二 极管分别设置于硅质基板上的四个阵列式短距离排列的凹杯结构上，然后利用根据不同波长范围的蓝光二极管所发展的萤光粉混合封胶材料，将多个蓝 光二极管封胶在同 一个硅质基板上。但本发明并不限于只具有四个凹杯结构 的排列、凹杯结构的上视图形不只为方型与蓝光二极管不只具有三种不同的 波长范围规格，而硅质基板上可具有多个凹杯结构，且凹杯结构的上视图形 可为几何图形与蓝光二极管具有多种不同的波长范围规格。请参考图5至图10,图5至图10为本发明一优选实施例制作一白光发 光二极管封装结构的方法示意图。如图5所示，首先提供一晶圓300，例如 一硅晶圓，并进行一蚀刻工艺于晶圓300的上表面形成多个具有斜边的阵列 式凹杯结构310,其中蚀刻工艺可使用反应离子蚀刻(reactive ion etching, RIE) 技术或交替蚀刻法(BOSCH)的等离子体离子蚀刻技术的干式蚀刻工艺或使 用氢氧化钾(KOH)溶液、氢氧化四曱基铵(TMAH)或乙二胺邻笨二酚(EDP) 为蚀刻液的湿式蚀刻工艺，用来将晶圆300蚀刻出具有斜边的凹杯结构310， 可藉由控制凹杯结构310的位置、凹陷深度、凹陷宽度、侧壁形状与倾斜角 度等因素来制作出所需要的光学效果。如图6所示，进行溅镀、蒸镀或化学 沉积等工艺于具有凹杯结构310的晶圓300的上表面形成一反射层320。如 图7所示，接着，进行溅镀、蒸镀或化学沉积等工艺于反射层320上形成一 透明绝缘层330。如图8所示，然后，利用沉积或电镀等方法，并配合光刻 蚀刻或举离法(Lift off)形成多个金属凸块340于各凹杯结构310底部的透明 绝缘层330上，同时，形成多个电极350于相邻的各凹杯结构310间的透明 绝缘层330上。如图9所示，进行玻璃胶粘结法的固晶工艺将多个蓝光二极 管360分别与各凹杯结构310底部的各金属凸块340接合，并且利用超音波 焊线接合方式将各蓝光二极管360分别藉由导线370与电极350电性连接。 最后，如图IO所示，将对应于各蓝光二极管360的波长范围的萤光粉混合 并加入一封胶材料，然后进行一封胶工艺于凹杯结构上形成一萤光体结构 380，即完成一白光发光二极管封装结构，其中封胶工艺为成型工艺或点胶 工艺。请参考图11至图16，图11至图16为本发明另一优选实施例制作一白 光发光二极管封装结构的方法示意图。为了简化说明，与上述相同的工艺方 法，将不于本实施例中详述。如图ll所示，首先提供一晶圓400,例如一硅 晶圆，并进行一蚀刻工艺于晶圓400的上表面形成多个具有斜边的阵列式凹 杯结构410。如图12所示，进行溅镀、蒸镀或化学沉积等工艺于具有凹杯结构410的晶圆400的上表面形成一反射层420。如图13所示，接着，进行賊 镀、蒸镀或化学沉积等工艺于反射层420上形成一透明绝缘层430。如图14 所示，然后，利用沉积或电镀等方法，并配合光刻蚀刻或举离法形成一导电 图层440于透明绝缘层430上。如图15所示，随后进行覆晶接合(Flip chip) 将各蓝光二极管450分别与各凹杯结构410底部的导电图层440接合。最后， 如图16所示，将对应于各蓝光二极管450的波长范围的萤光粉混合并加入 一封胶材料，然后进行一封胶工艺于凹杯结构上形成一萤光体结构460，即 完成一 白光发光二极管封装结构。综而言之，本发明的白光发光二极管封装结构具有不同波长的蓝光二极 管并设置于具有阵列式凹杯结构的硅质基板，且配合加入相对应于不同波长 的蓝光二极管的萤光粉，使得白光发光二极管包含有较宽波长分布范围的蓝 光与黄光，并且藉由电镀或沉积等微机电工艺或半导体工艺制作出可混合不 同波长的蓝光二极管的白光发光二极管封装结构，因而具有高演色性与色调 丰富性的特性。以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1. 一种具有硅质基板的白光发光二极管封装结构，其包含有一硅质基板，该硅质基板的上表面具有多个凹杯结构；一反射层，覆盖于该硅质基板的上表面；一透明绝缘层，覆盖于该反射层上；多个金属凸块，设置于各该凹杯结构内的该透明绝缘层上；多个电极，设置于相邻的各该凹杯结构之间；多个蓝光二极管，所述蓝光二极管具有多个不同的波长范围，并分别设置于各该凹杯结构中的该金属凸块上，且所述蓝光二极管电连接至所述电极；以及一萤光体结构，覆盖于该硅质基板的所述凹杯结构上，该萤光体结构包含有多种萤光粉与一封胶材料，且各该种萤光粉是分别用来将各该具有不同波长范围的蓝光二极管所发出的蓝光转化为黄光。
2. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中各该凹杯结构的上视 图形是为几何图形。
3. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中所述凹杯结构是呈阵 列方式排列。
4. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中相邻的各该凹杯结构 之间距小于IO微米。
5. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中所迷蓝光二极管的波 长范围包含有450 ± 5nm、 460 ± 5nm或470 ± 5nm三种规格。
6. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中该萤光体结构是为一 平顶金字塔形状，且该平顶金字塔形状的上表面是为平坦的，侧壁为倾斜的。
7. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中各该凹杯结构的侧壁 是为倾斜的。
8. 如权利要求1的白光发光二极管封装结构，其中该反射层是为金属或 光学镀膜。
9. 一种制作具有硅质基板的白光发光二极管封装结构的方法，其包含有提供一晶圓，并利用 一蚀刻工艺于该晶圆的上表面形成多个凹杯结构；形成一反射层于该晶圆的上表面； 形成一透明绝缘层于该反射层上；形成多个金属凸块于各该凹杯结构底部的该透明绝缘层上及多个电极 于相邻的各该凹杯结构间的该透明绝缘层上；将多个蓝光二极管分别与各该凹杯结构底部的各该金属凸块接合，并且 将多个蓝光二极管分别与各该电极电性连接，其中所述蓝光二极管具有不同 的波长范围；以及将对应各等蓝光二极管的波长范围的萤光粉混合并加入一封胶材料，然 后利用一封胶工艺于所述凹杯结构上形成一萤光体结构。
10. 如权利要求9的方法，其中各该凹杯结构是具有倾斜的侧壁。
11. 如权利要求IO的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用反应离子蚀刻技术。
12. 如权利要求10的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用交替蚀刻法的等离子体离子蚀刻技术。
13. 如权利要求10的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜側壁的该蚀刻 工艺包含有使用氢氧化钾溶液为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
14. 如权利要求10的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用氢氧化四曱基铵为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
15. 如权利要求IO的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用乙二胺邻苯二纷为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
16. 如权利要求9的方法，其中该反射层是利用溅镀、蒸镀或化学沉积 方式形成于该晶圓上。
17. 如权利要求9的方法，其中该透明绝缘层是利用溅镀、蒸镀或化学 沉积方式形成于该晶圓上。
18. 如权利要求9的方法，其中所述金属凸块是利用举离法形成于该透 明绝缘层上。
19. 如权利要求9的方法，其中所述金属凸块是利用电镀法形成于该透 明绝缘层上。
20. 如权利要求9的方法，其中所述蓝光二极管是利用玻璃胶粘结法与 所述金属凸块接合。
21. 如权利要求9的方法，其中该封胶工艺是为一成型工艺。
22. 如权利要求9的方法，其中该封胶工艺是为一点胶工艺。
23. —种制作具有硅质基板的白光发光二极管封装结构的方法，其包含有提供一晶圓，并利用 一蚀刻工艺于该晶圆的上表面形成多个凹杯结构； 形成一反射层于该晶圓的上表面； 形成一透明绝缘层于该反射层上； 形成一导电图层于该透明绝缘层上；将多个蓝光二极管分别与各该凹杯结构底部的该导电图层接合，其中所 述蓝光二极管具有不同的波长范围；以及将对应各等蓝光二极管的波长范围的萤光粉混合并加入一封胶材料，然 后利用一封胶工艺于所述凹杯结构上形成一萤光体结构。
24. 如;K利要求23的方法，其中各该凹杯结构是具有倾斜的側壁。
25. 如权利要求24的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用反应离子蚀刻技术。
26. 如权利要求24的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用交替蚀刻法的等离子体离子蚀刻技术。
27. 如权利要求24的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用氢氧化钾溶液为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
28. 如权利要求24的方法，其中制作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用氢氧化四曱基铵为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
29. 如权利要求24的方法，其中射作所述凹杯结构的倾斜侧壁的该蚀刻 工艺包含有使用乙二胺邻苯二酚为蚀刻液的一湿式蚀刻工艺。
30. 如权利要求23的方法，其中该反射层是利用溅镀、蒸镀或化学沉积 方式形成于该晶圓上。
31. 如权利要求23的方法，其中该透明绝缘层是利用賊镀、蒸镀或化学 沉积方式形成于该晶圓上。
32. 如权利要求23的方法，其中该导电图层是利用举离法形成于该透明 绝缘层上。
33. 如权利要求23的方法，其中该导电图层是利用电镀法形成于该透明 绝缘层上。
34. 如权利要求23的方法，其中所述蓝光二极管是利用覆晶接合方式与该导电图层接合。
35. 如权利要求23的方法，其中该封胶工艺是为一成型工艺。
36. 如权利要求23的方法，其中该封胶工艺是为一点胶工艺。
全文摘要
本发明涉及一种白光发光二极管封装结构，包含一硅质基板、多个凹杯结构设于硅质基板的上表面、多个蓝光二极管分别设置于各凹杯结构内，以及一荧光体结构覆盖于硅质基板的凹杯结构上。上述蓝光二极管具有多个不同的波长范围，而荧光体结构包含有多种荧光粉与一封胶材料，且各种荧光粉是分别用来将各该具有不同波长范围的蓝光二极管所发出的蓝光转化为黄光。
文档编号H01L23/28GK101246879SQ20071008492
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月16日 优先权日2007年2月16日
发明者张宏达, 林弘毅 申请人:探微科技股份有限公司