发光二极管的晶圆级芯片构装的结构及其构装方法

摘要

本发明揭露一种发光二极管晶圆级芯片构装的结构及其构装方法。发光二极管芯片构装的载体基板具填充有导热材质的导热通道，用以将发光二极管所产生的热能传导至载体基板。连结此具有导热通道的载体基板与发光二极管，因而形成晶圆级芯片构装。该结构用以将发光二极管所产生的热能有效地加以传导并减少构装所占的面积。由于晶圆级芯片构装层级较接近热源的部分，从此构装层级进行散热设计，不但效果最显著而且成本也最少。

说明书

技术领域

本发明有关于一种发光二极管的构装，特别是有关一种发光二极管的晶圆级芯片构装(wafer-level chip scale packaging，WL-CSP)，用以加强其导热效率。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能把电能直接转换成光能的发光元件，其发光原理与传统光源不同，具有工作电压低、耗电量小、反应速度快等优点，再加上重量轻、成本低和可大量生产等特性，广泛地应用在电子、通讯和消费性电子产品等各种领域，已成为日常生活不可或缺的重要元件。

传统半导体构装(packaging)材料主要的功能，在避免芯片和内部导体受到物理的、化学的损坏，以达到对整个半导体元件或电路保护的作用。随着半导体构装技术的演进，半导体构装材料也从过去单纯的保护芯片的需求，演进到提高半导体电性功能及更高可信赖性(reliability)要求的重要一环。

随着技术的进步，发光二极管的可发光度越来越高，其产生的热能也越来越高。温度越高，发光二极管的性能会因热而降低，半导体特性也会因而产生亮度衰减，更严重会造成元件的烧坏。传统的发光二极管构装技术，在形成发光二极管矩阵时，无法有效地解决热的问题。传统对于热的解决，通常是在印刷电路板(PCB)层级或系统层级中找寻较佳的散热设计，然而仍无法有效的解决热的传导问题；美国专利第6,498,355号(题为”High Flux LED Array”)揭露几种发光二极管的电路与散热构装，如图1A至图1C所示。

于图1A中，发光二极管4倒置(flip)于印刷电路板(PCB)及金属板6上面；其中，印刷电路板包含介电层10及其上面的导线层8。发光二极管4所产生的热通过导热接触端(thermal contact)20及导热材质24而传导至金属板6；另外，印刷电路板(8、10)中设有通孔(via)12，其内填充有导热材质以辅助散热。

图1B显示另一种发光二极管的散热构装。与图1A不同的是，发光二极管28与印刷电路板(8、10)之间具有一个次基板(submount)30；此次基板30内有电源导电通孔40，用以让发光二极管28的电源端电性连接至导线层8。与图1A相同的是，发光二极管28所产生的热通过导热接触端(thermal contact)46及导热材质24而传导至金属板6；另外，印刷电路板(8、10)中设有通孔(via)12以辅助散热。

图1C显示另一种发光二极管的散热构装。与图1B不同的是，发光二极管28的电源端并非经由电源导电通孔，而是通过引线(wirebond)5电性连接至导线层8。与图1A和图1B相同的是，发光二极管28所产生的热通过导热接触端(thermal contact)46及导热材质24而传导至金属板6；另外，印刷电路板(8、10)中设有通孔(via)12以辅助散热。

上述散热构装的缺点在于构装所占的面积远大于发光二极管的实际面积。即使散热效果再好，载板单位面积内所能容纳的发光二极管数量会因构装所需的面积受到限制，而无法彰显其散热构装的优点。

鉴于上述传统散热构装的缺点，有必要提出一种新的散热构装结构和方法，有效地散热且增加发光二极管在单位面积的数量，进而增加单位面积的发光亮度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种发光二极管的晶圆级芯片构装方法及其形成的结构，用以将发光二极管所产生的热能有效地加以传导并减少构装所占的面积。由于晶圆级芯片构装(chip scale packaging)层级较接近热源的部分，从此构装层级进行散热设计，不但效果最显著而且成本也最少。

根据上述的目的，本发明揭露一种发光二极管的晶圆级芯片构装方法及结构。于本发明的一实施例中，芯片构装(CSP)的载体(carrier)基板具有填充导热材质的导热通道(through hole)；该载体基板的上连结一发光二极管芯片，其正电极及负电极连接于载体基板的正面。藉此，发光二极管芯片所产生的热得以通过导热通道而传导到连接端(package-to-board connections)，并进一步传导至印刷电路板或导电金属片。

根据本发明另一实施例，本发明提供一种发光二极管的晶圆级芯片构装制程。首先，提供一载体(carrier)基板与发光二极管芯片，并形成导热通道于载体基板内。填充导热材质于导热通道内；最后，连接发光二极管芯片的正电极及负电极于载体基板的正面。

附图说明

图1A至图1C显示传统发光二极管的电路与散热构装。

图2A至图2E的剖面图显示依据本发明实施例的发光二极管晶圆级芯片构装的构装方法及其结构。

图3A及图3B显示从载体基板底面(或正面)的俯视图，可以看到正电源通道、导热通道、负电源通道、及填充通道的端面形状及其整体分布情形。

图4A至图4E的剖面图显示依据本发明另一实施例的发光二极管晶圆级芯片构装的构装方法及其结构。

图5A至图5E的剖面图显示依据本发明又一实施例的发光二极管晶圆级芯片构装的构装方法及其结构。

图6A至图6B显示发光二极管晶圆级芯片构装的一种应用装置例。

图6C至图6D显示发光二极管晶圆级芯片构装的另一种应用装置例。

图中符号说明：

4        发光二极管

5        引线(wire bond)

6        金属板

8        导线层

10       介电层

12       通孔(via)

20       导热接触端(thermal contact)

24       导热材质

28       发光二极管

30       次基板(submount)

40       电源导电通孔

46       导热接触端(thermal contact)

110      载体(carrier)基板

111      导热通道(through hole或thermal via)

111P     正电源通道

111N     负电源通道

112      导热材质(thermally conductive material)

114      凸块(bump)

115      插脚(pin)

116      填充通道(fill channel)

117      导热介电材质

118      发光二极管

118P     正电极

118N     负电极

120      锡球

122      导热区

322      导热介电材质/导热区

422      导热区

50       构装好的发光二极管

52       印刷电路板

54       填充有导热材质的通孔(via)

56P      正电源端

56N      负电源端

552      金属片(块)(plate/block)

556P     正电源端

556N     负电源端

58P、58N 电绝缘层

具体实施方式

本发明一些实施例的详细描述如下，然而，除了该详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行。亦即，本发明的范围不受已提出的实施例的限制，而应以本发明提出的申请专利范围为准。当本发明的实施例图式中的各元件或结构在描述说明时，不应以此作为有限定的认知，即如下的说明未特别强调数目上的限制时，本发明的精神与应用范围可推及多数个元件或结构并存的结构上。

图2A至图2E的剖面图显示依据本发明实施例的发光二极管晶圆级芯片构装(chip scale packaging)的构装方法及其结构。首先，如图2A所示，准备一载体(carrier)基板(业界一般称为submount或substrate)110，并于其内部形成至少一导热通道(through hole或thermalvia)111；为了增加导热效果，可以形成多个导热通道111。此导热通道111的形成方法，可以使用传统的钻孔(drilling)技术，例如蚀刻或激光技术。接着，填充导热材质(thermally conductive material)112于这些导热通道111中；导热材质112一般使用导电金属，例如铜或银。这些填充有导热材质112的导热通道111主要用以传导发光二极管(LED)所产生的热(详后面描述及图式)。

如图2B所示，形成封装至板的连接端(package-to-boardconnections，以下简称连接端)，例如凸块(bump)114于载体基板110的底面；每一凸块114与导热通道111的端面相接触。此连接端也可以用插脚(pins)、银胶(silver paste)、锡胶(solder paste)等来替代。在本实施例中，更于载体基板110中形成一或多个填充通道(fill channel)116，例如使用传统的蚀刻或激光技术。这些填充通道116用于后续步骤中，用以从载体基板110的底面注射或填充以导热材质。填充通道116的内径可以比导热通道111小，也可以比导热通道111大。图2B中的凸块114形成与填充通道116的形成，其先后顺序可以交换，并不会影响后续的构装制程。

于图2C中，将已形成有发光二极管118元件的晶粒(chip)，通过锡球120，将发光二极管118的正电极(P)118P及负电极(N)118N分别与载体基板110正面予以固着。其中，发光二极管118的正电极(/正电源)118P与负电极(/负电源)118N皆位于同一面。与正电极118P和负电极118N相对应的锡球120数目，分别至少为一；通常，锡球120的数目并不仅有两个。在附图中，发光二极管118的结构仅为一示意图，本发明的发光二极管晶圆级芯片构装(chip scalepackaging)并不限定发光二极管的结构、材质，一般或特殊的发光二极管都可以适用于本发明所揭露的构装中；因此，本说明书将不会针对发光二极管作进一步说明。图3A显示从载体基板110底面(或正面)的俯视图，可以看到正电极(源)通道111P、导热通道111、负电极(源)通道111N、及填充通道116的端面形状及其整体分布情形(layout)。对于此种分布作法，每一个正电源通道111P、导热通道111、负电源通道111N、或填充通道116呈柱状(column)的。图3B显示另一种分布作法，其正电源通道111P、导热通道111、或负电源通道111N呈区块状(block)。

将发光二极管118与载体基板110结合后，形成如图2D所示的剖面结构。接着，自载体基板110底面的填充通道116入口，注射或填入导热的介电材质(thermally conductive dielectric material)117；导热介电材质117可以使用一般的导热介电材质，例如环氧树脂(epoxyresin)或聚亚醯胺(polyimide，PI)。此注射或填入的导热介电材质117从填充通道116的另一端开口(亦即位于载体基板110正面的开口)溢出，填满发光二极管118与载体基板110所形成的空间里，因而形成一导热区122。此导热区122可以帮助将发光二极管118所产生的热，有效传导至填充有导热材质112的导热通道111及凸块114。值得注意的是，导热122的形成方法并不限定于本实施例的作法；甚至，也可以不需形成此种导热区。

图2E  示另一种剖面结构，其使用插脚-孔洞(pin-through-hole)的方式，以插脚115来代替前述的凸块114。

图4A至图4E的剖面图显示依据本发明另一实施例的发光二极管晶圆级芯片构装(chip scale packaging)的构装方法及其结构；与前一实施例(图2A至图2E)相同的部分使用相同的元件符号。首先，于载体基板110的导热通道111中填充导热材质(thermally conductivematerial)112(图4A)；然而，与前一实施例不同的地方为，载体基板110中并没有形成填充通道(fill channel)(图2B的116)；取而代之的是，在形成凸块114之前(或之后)，于载体基板110的正面涂布导热介电材质(thermally conductive dielectric material)322(图4B)。当发光二极管118与载体基板110进行结合(图4C)，则发光二极管118与载体基板110所形成的空间里即可形成导热区322(图4D)。图4E显示另一种剖面结构，其使用插脚-孔洞(pin-through-hole)的方式，以插脚115来代替前述的凸块114。

图5A至图5E的剖面图显示依据本发明又一实施例的发光二极管晶圆级芯片构装(chip scale packaging)的构装方法及其结构；与第一实施例(图2A至图2E)相同的部分使用相同的元件符号。首先，于载体基板110的导热通道111中填充导热材质(thermally conductivematerial)112(图5A)。与第一实施例不同的地方为，在形成凸块114(图5B)之前(或之后)，载体基板110中并没有形成填充通道(fillchannel)(图2B的116)。取而代之的是，在结合发光二极管118与载体基板110(图5C)之后，以导热介电材质(thermally conductivedielectric material)进行习知的底部填胶(underfill)，因而于发光二极管118与载体基板110所形成的空间里形成导热区422(图5D)。第五E图显示另一种剖面结构，其使用插脚-孔洞(pin-through-hole)的方式，以插脚115来代替前述的凸块114。

前述各种实施例所形成的发光二极管晶圆级芯片构装(chip scalepackaging)，可以应用于各种的发光二极管装置中，图6A-图6B及图6C-图6D显示其中的两种应用情形。如图6A至图6B所示，构装好的发光二极管50通过凸块114与一印刷电路板(PCB)52表面的接触垫(pad)互相结合，再连结至印刷电路板52中填充有导热材质的通孔(via)54；甚至，还可以再加上散热器(heat sink)(未显示于图式中)用以将热作进一步传导。构装好的发光二极管50的正电源通道111P通过凸块114电性连结至正电源端56P，而负电源通道111N则是通过凸块114电性连结至负电源端56N；这两个电源端可以位于印刷电路板52的不同层或不同区域。第六B图显示另一种剖面结构，其使用插脚-孔洞(pin-through-hole)的方式，以插脚115来代替前述的凸块114。

图6C至图6D显示另一种发光二极管装置的应用例。构装好的发光二极管50通过凸块114与一金属片(块)(plate/block)552接触；甚至，还可以再加上散热器(heat sink)(未显示于图式中)用以将热作进一步传导。构装好的发光二极管50的正电源通道111P通过凸块114电性连结至正电源端556P，而负电源通道111N则是通过凸块114电性连结至负电源端556N；这两个电源端位于金属片552的不同区域，且这些区域分别由电绝缘层58P、58N(例如氧化层)所隔离开来。图6D显示另一种剖面结构，其使用插脚-孔洞(pin-through-hole)的方式，以插脚115来代替前述的凸块114。

上述本发明的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此技艺的人士能了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即凡其它未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效的各种改变或修饰都涵盖在本发明所揭露的范围内，均应包含在所述的申请专利范围内。