低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法

摘要

本发明公开了一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，包括以下步骤：将一第一金属层形成于一基板的一第一表面，该基板的一第二表面上则提供有一发光二极管磊晶结构；将一第二金属层形成于一基体上，该第二金属层的材质不同于该第一金属层；施加一压力于该基板与该基体上，使得该第一金属层与该第二金属层产生塑性变形而初步结合在一起；以及将该基板与基体置入一高温炉内加热，而且该第一金属层与该第二金属层在界面处进行固态扩散以形成一扩散合金层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，尤其涉及一种利用金/银界面具有快速扩散的物理特性，来达成低温固晶接合的目标，以避免不同基材因热膨胀系数(CTE)不同所造成的热应力问题的低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法。

背景技术

由于发光二极管具有体积小、发光效率高、寿命长与色彩变化丰富等优点，可预期地发光二极管的应用将会越来越多。一般来说，发光二极管裸晶需经过固晶、打线、封胶及商品分类等封装步骤，方能将芯片商品化至客户端。现有的固晶材质可分为两大类，第一类为高分子导电胶材，第二类则为金属焊接材料。

现有发光二极管的固晶方法，是先使用高分子导电胶材(如导电银胶)将发光二极管芯片粘着于导线架上，并以150℃的温度加热1.5小时以上，使导电银胶热固成型，进而将发光二极管芯片固定于导线架上。举例来说，图1为中国台湾专利公告编号第463394号“芯片式发光二极管及其制造方法”的横截面示意图。在图1中，该专利使用高分子导电胶材(如导电银胶)10，将晶粒11与基板12(导线架或印刷电路板)进行连接，并送入空气炉内进行热固化烘烤。此方式虽简便，但若在接合过程中无法均匀的涂胶，将使晶粒无法固定在应固定的位置，而影响发光效率。另外，在高温的操作环境下，由于高分子胶质材料导热耐热性极差，银胶接合层在长时间使用下将易劣化，导致发光二极管芯片无法确实与导线架接合。另外，发光二极管也将因银胶难以导热(银胶热导系数仅1W/M-K)而无法确实散热，造成寿命减少与光电转化效率下降等现象。

另外，发光二极管芯片也可通过一金属焊接材料，将发光二极管芯片固定于导线架上，使得接合层散热性与耐热性都因此而有所提升。举例来说，图2所示中国台湾专利公开编号第200840079号“发光二极管封装的固晶材料与方法”的横截面示意图。在图2中，该专利是于基板22表面上涂布一层适当范围的共晶接着材料20。后续再将发光二极管晶粒21设置于基板22表面上的共晶接着材料20上，后续再经热板、烤箱或空气炉加热而完成共晶结合。共晶接合材料20可为锡(Sn)、铟(In)、铟锡(InSn)、金锡(AuSn)、金硅(AuSi)、锡铅(SnPb)、铅(Pb)、金锗(AuGe)等，由于接合层为金属材料，散热性与耐热性均优于高分子导电胶。但相较于银胶固晶，其固晶设备较为复杂昂贵(固晶机台需外加温控系统与加压系统)，产能也较低。然而，若使用高熔点的金属焊接材料，如金锡(AuSn)、金硅(AuSi)、锡银(SnAg)、锡(Sn)等，发光二极管芯片将因接合温过高而易产生破坏(因热膨胀系数差造成的热应力)。若改以低熔点的金属，如铟(In)、铟银(InAg)、铟金(InAu)、铋锡(BiSn)等，做为焊接材料，虽然接合温度降低，但在一般的工作环境下(约70-80℃)，由于接合层熔点较低，接合层材料将因原子的快速扩散，而有软化或介金属化合物(intermetallic compound)过度成长的现象产生，导致接点可靠度将因此而大幅下降。

因此，有鉴于现有技术的发光二极管固晶接合缺点，本发明提出一种在低温下即可完成接合，并具有高接合强度、高散热性、元件操作时不易软(劣)化、且同时兼具反射作用的固晶方法。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，其利用金/银界面具有快速扩散的物理特性，来达成低温固晶接合的目标，以避免不同基材因热膨胀系数不同所造成的热应力问题。

本发明的另一目的在于提供一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，其在低温下即可完成接合，并具有高接合强度、高散热性、组件操作时不易软(劣)化、且同时兼具反射作用。

本发明的又一目的在于提供一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，其接合产能不仅高于传统银胶接合，固晶机台也与传统银胶固晶机台相容不需更改而提高成本。

为实现上述目的，本发明提供一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法包括以下步骤：将一第一金属层形成于一基板的一第一表面，该基板的一第二表面上则提供有一发光二极管磊晶结构；将一第二金属层形成于一基体上，该第二金属层的材质不同于该第一金属层；施加一压力于该基板与该基体上，使得该第一金属层与该第二金属层产生塑性变形而初步结合在一起；以及将该基板与基体置入一高温炉内加热，而且该第一金属层与该第二金属层在界面处进行固态扩散以形成一扩散合金层。

附图说明

图1为中国台湾专利公告编号第463394号“芯片式发光二极管及其制造方法”的横截面示意图；

图2为中国台湾专利公开编号第200840079号“发光二极管封装的固晶材料与方法”的横截面示意图；

图3为金-银相图；

图4为本发明一具体实施例的低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法的横截面示意图；

图5为本发明的低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法所形成的结构的横截面示意图；以及

图6为本发明的种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法所形成的扩散银金合金层的原子比例图。

其中，附图标记：

10：高分子导电胶材        11：晶粒

12：基板                  20：共晶接着材料

21：发光二极管晶粒        22：基板

41：银层                  41’：银层

42：基板                  43：发光二极管磊晶结构

44：金层                  44’：金层

45：基体                  46：辅助粘性胶体

47：扩散银金合金层

具体实施方式

为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，兹配合附图详细说明如后。

有鉴于现有技术的发光二极管固晶接合缺点，本发明主要利用金/银界面具有快速扩散的特性，来达成低温固晶接合的目标，如此将可避免不同基材因热膨胀系数(CTE)不同所造成的热应力问题。由于金/银接合层主要键结为金属键，且由图3的金-银相图可知，扩散形成的固溶体熔点至少高达1200K以上，此接合结构将具有高接合强度、高散热性及可耐操作高温等特性。以面积为1mm²芯片为例，银胶接合热阻约10.34℃/W，Ag/Au接合热阻仅0.345℃/W。再者，反应残余的金属层(例如，银)可作为发光二极管底部的反射层，将往底部的光线，重新反射回出光面，进一步提升发光二极管的发光效率。

在本发明的一具体实施例中，将以Ag/Au材料系统为例，而不以其为限，来达到高效能固晶接合的效果。图4为本发明一具体实施例的横截面示意图。

因此，本发明的方法包括下列步骤：

首先，以电镀、蒸镀、溅镀或其它金属形成方式将一银层41形成于一基板42的一第一表面，该基板42的一第二表面上则提供有一发光二极管磊晶结构43。在一具体实施例中，银层41的厚度约为0.5-1.0μm。在一具体实施例中，该基板42为一可进行磊晶成长的基板，可包括蓝宝石(Sapphire)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)等材料。在一具体实施例中，该发光二极管磊晶结构43具有一p-i-n结构。在一具体实施例中，该p-i-n结构包含氮化镓(GaN)、氮化镓铟(GaInN)、磷化铝铟镓(AlInGaP)与氮化铝铟镓(AlInGaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化镓铟砷(GaInAsN)、磷氮化镓铟(GaInPN)或其组合。在一具体实施例中，该发光二极管磊晶结构43所产生的光谱范围落在紫外光与红外光光谱之间。在一具体实施例中，该发光二极管磊晶结构43与该基板42结合以形成一发光二极管芯片，该发光二极管芯片可为水平式结构或垂直式结构。本实施例虽以上述银层41、基板42与发光二极管磊晶结构43作为说明，但本领域技术人员当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。

同时，以电镀、蒸镀、溅镀或其它金属形成方式将一金层44形成于一基体45上。在一具体实施例中，金层44厚度约0.2-0.5μm。在一具体实施例中，该基体45是由铜合金所制成。在一具体实施例中，基体45可为铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、镍(Ni)等元素或其合金。在一具体实施例中，基体45可包含硅(Si)、氮化铝(AlN)或陶瓷。在一具体实施例中，基体45可为导线架、印刷电路板或低温共烧多层陶瓷(LTCC)。本实施例虽以上述基体45与金层44作为说明，但本领域技术人员，当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。

接着，为增加初步接合的效果，可在加热接合前使用一辅助粘性胶体46将该基板42加压固定在该基体45上。并在加热后，使得该辅助粘性胶体挥发以使得银层41与金层44在界面处进行反应。要说明的是，在一实施例中，施加压力于基板42与基体45上即可使银层41与金层44在界面处产生塑性变形而初步结合在一起，然而，在另一具体实施例中，可以使用辅助粘性胶体46来增加初步接合的效果。简单来说，辅助粘性胶体46并非一定要使用的。在一具体实施例中，初步接合方式可为单纯施压法、热压法或超音波辅助热压法，其中所施的压力为50gf-200gf，温度为25℃-200℃，时间为1秒至3秒。在一具体实施例中，辅助粘性胶体46包含活性助焊剂、中性助焊剂、免洗型助焊剂或其它加热后可挥发的助焊剂。本实施例虽以上述辅助粘性胶体46作为说明，但本领域技术人员，当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。

接着，将加压固定的该基板42与基体45置入一高温炉(图中未示)内加热，以使该辅助粘性胶体46挥发，而且该银层41与该金层44在银金界面处进行扩散以形成固态扩散的扩散银金合金层47，以形成图5所示的结构。在一具体实施例中，加热方式可为热风式、红外线加热或热板加热。在一具体实施例中，高温炉的温度可设定为100℃，并且进行加热约一个小时。或者，高温炉的温度可设定为150℃，并且进行加热约30分钟。在其它实施例中，高温炉温度可为100～300℃，其加热时间可为30分钟～3小时。本实施例虽以上述高温炉的温度作为说明，但本领域技术人员，当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。

在图5中，原来的银层41与金层44因为进行扩散作用，而产生扩散银金合金层47以及残余的银层41’与金层44’。反应残余的银层41’可作为发光二极管底部的反射层，将往底部的光线，重新反射回出光面，进一步提升发光二极管的发光效率。

图6为本发明的一种低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法所形成的扩散银金合金层47的原子比例图。其中，曲线代表金，曲线代表银，本发明的低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法确实可行。

另外，本发明不仅可与传统银胶固晶机台兼容，更因为金/银具有快速扩散的特性，相较于传统银胶接合，本发明明显具有更高的性能及产能。

另外，本发明实施例中，为增进银层41与基板42之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未式)包夹于该银层41与基板42之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。类似地，本发明实施例中，为增进金层44与基体45之间的粘着效果，可使用一辅助粘着金属层(图中未式)包夹于该金层44与基体45之间，该辅助粘着金属层可包含镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、钛(Ti)或其它可增进粘着的纯金属或合金。

另外，本发明实施例中，为增进发光二极管的底部反射率，可使用一反射金属层(图中未式)包夹于该银层41与基板42之间，该反射金属层可包含金(Au)、银(Ag)或其它可增进底部反射的纯金属或合金。

本实施例虽以上述银层41与金层44作为说明，但本领域技术人员，当明了任何达到等同功能的变化均属本发明的范围。举例来说，该银层41可以用金(Au)取代，而该金层44可以用银取代。则此时反应残余的金层41’可作为发光二极管底部的反射层。或者，该银层41可以用金取代，而该金层44可以用铜(Cu)取代。则此时反应残余的金层41’可作为发光二极管底部的反射层。或者，该银层41可以用铜取代，而该金层44则不更动。则此时反应残余的铜层41’可作为发光二极管底部的反射层。

本发明不仅可与传统银胶固晶机台兼容，更因为金/银具有快速扩散的特性，而相较于传统银胶接合，本发明明显具有更高的产能(加热时间短)。

综上所述，本发明提供的低温形成反射性发光二极管固晶接合结构的方法，其利用金/银界面具有快速扩散的物理特性，来达成低温固晶接合的目标，以避免不同基材因热膨胀系数(CTE)不同所造成的热应力问题。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。