发光二极管芯片固晶方法、固晶的发光二极管及芯片结构

摘要

一种发光二极管芯片固晶方法、固晶的发光二极管及芯片结构，发光二极管芯片的固晶方法，适于将发光二极管芯片固晶于一基体上。发光二极管芯片具有第一金属薄膜层。芯片结构包括有一芯片及一固晶材料层，固晶材料层设置于芯片的一侧面上。固晶方法包含形成第二金属薄膜层于基体表面；形成固晶材料层于第二金属薄膜层；置放发光二极管芯片于固晶材料层并使第一金属薄膜层与固晶材料层接触；以一液固反应温度加热固晶材料层一预固时间，以形成第一介金属层及第二介金属层；以及以一固固反应温度加热固晶材料层一固化时间，以进行固固反应。上述液固反应温度及固固反应温度均低于110℃，且固固反应后的第一、二介金属层的熔点高于200℃。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管芯片(chip)的固晶方法(bonding method)及发光二极管以及芯片结构，尤其涉及一种能低温固晶并得到高温的介金属层的固晶方法及具有此固晶结构的发光二极管以及芯片结构。

背景技术

将发光二极管(LED，Light Emitting Diode)芯片粘着于导线架上的技术已发展多年，依固晶材质的不同，大致上分为二类。第一类为高分子导电胶材，第二类为金属焊接材料。

前述第一类可见于中国台湾公告第463394号专利“芯片式发光二极管及其制造方法”。其主要是于一金属基板表面镀银，经蚀刻后形成多个线架，该线架于一端粘晶，并通过打线连接至相对另端，经进行封胶后并进行切割即构成一芯片式发光二极管，其裸露于底部的线架即构成电气接点。此种做法，若在接合过程中未能均匀涂胶，将使得晶粒无法被固定在预定的位置，进而影响发光效率。其次，此类固晶方式，由于此高分子材料耐热性极差，在高温环境下操作时，银胶接合层将较易劣化。再者，此高分子材料导热不佳，LED晶粒也将因其难以导热(银胶热导系数仅1W/M-K)而无法得到良好的散热效果。LED晶粒的寿命与光电较换效率也随之下降。

前述第二类可见于中国台湾公开第200840079号专利申请案“发光二极管封装的固晶材料与方法”。该专利申请案所采用的固晶方法主要是利用基板的金属材质而采用共晶接合。在封装结构的金属基座的上表面首先涂布一层适当范围的共晶接着材料。接着，将发光二极管晶粒设置于基座的共晶接着材料上。完成的成品再经由热板、烤箱或隧道炉提供适当温度而完成共晶接合。此技术采用共晶接着材料，其所形成的接合层为金属材料，故在散热性及耐热性都较银胶为佳。此专利技术所采用的部分共晶接着材料的熔点较高，使得在接合时容易在LED晶粒残留热应力，而损坏晶粒。而另一部分的共晶接着材料虽为低熔点合金，此类接着材料在接合完成后，若LED使用于70-80度的环境时，接合层将产生软化现象，其接点可靠度大打折扣。

除了上述技术外，美国公开第2007/0141749号专利申请案提出了在固晶工艺中，导入超音波，以超音波使接合表面离子化，借以降低加热温度，减少热应力。此方式的需增加超音波设备，制造成本提升，同时，若超音波动操作不当，可能直接震动到LED晶粒，造成晶粒裂片。

现有将芯片结构结合于导线架或印刷电路板等基体的固晶技术已发展多年，目前常用的固晶方式大致上分为两类，其中一类是以高分子导电胶材(例如银胶)将芯片结构黏着于基体上，之后再送入空气炉内进行热固化烘烤，使高分子导电胶材产生固化，进而使芯片结构固定于基体。然而，这种以高分子导电胶材进行固晶的方式，若在接合过程中未能均匀涂胶，将使芯片结构无法被固定在预定的位置，进而影响固晶后成品的良率。此外，由于高分子导电胶材的耐热性差，当芯片结构在高温环境下操作时，高分子导电胶材容易产生劣化，导致芯片结构不适于在高温环境下使用。再者，由于高分子导电胶材的导热性不佳，使芯片结构无法得到良好的散热效果，进而造成芯片结构的使用效能下降，并大幅缩短芯片结构的使用寿命。

另一类固晶方式则是以金属焊接材料替换高分子导电胶材的使用。采用金属焊接材料的固晶方式，是在基体或芯片结构表面预先设置如锡(Sn)、金锡(AuSn)、锡铅(SnPb)等金属焊接材料，并提供适当的助焊剂(flux)。接着，将芯片结构设置于基体上，再经由热板、烤箱或隧道提供烘烤温度(约为摄氏300度(℃)的高温)，使芯片结构借由金属焊接材料共晶接合于基体上。由于此技术是采用金属材料做为芯片结构及基体之间的接合介质，因此在散热性及耐热性都较高分子导电胶材为佳。然而，由于金属焊接材料具有较高的熔点，容易在共晶接合的过程中于芯片结构上残留热应力，而损坏芯片结构。

为了解决残留热应力的问题，有业者在固晶工艺中导入超音波设备，借由超音波将芯片结构与基体之间的接合表面离子化，借以降低加热温度及热应力。惟此方式需增加超音波设备，导致制造成本增加。同时，在共晶接合的过程中若操作不当，将使超音波直接震动到芯片结构，而造成芯片结构碎裂。虽然另可工艺使用具有低熔点特性的金属焊接材料来克服上述残留热应力的问题。然而，当芯片结构于70～80℃的环境中操作时，这种低熔点金属焊接材料容易产生软化现象，进而造成芯片结构与基体之间接点的可靠度大打折扣。

发明内容

基于上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提出一种发光二极管芯片的固晶方法及应用此固晶方法的发光二极管，本发明的固晶方法可以在110度的低温下完成固晶，并使固晶完成的接合合金具有高于200度的熔点，因此，得以解决上述各种方法的缺点及问题。

鉴于以上的问题，本发明所要解决的技术问题还在于提供一种芯片结构，借以改进现有芯片结构在接合于基体后，由于高分子导电胶材的耐热性及导热性差，造成芯片结构的效能降低及使用寿命缩短的问题；以及金属焊接材料的使用，所导致芯片结构在固晶过程中容易残留热应力以及固晶接合后，芯片结构及基体之间接点可靠度降低的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种发光二极管芯片的固晶方法，依据发光二极管(LED)芯片的固晶方法的一实施例，此固晶方法适于结合LED芯片及基体。LED芯片具有第一金属薄膜层，固晶方法包含：形成第二金属薄膜层于基体的表面；形成固晶材料层于第二金属薄膜层，固晶材料的熔点低于摄氏110度；置放LED芯片于固晶材料层上，使第一金属薄膜层接触固晶材料；以一液固反应温度加热固晶材料层一预固时间，以于该第一金属薄膜层及该固晶材料层之间形成一第一介金属层，并于该固晶材料层及该第二金薄膜层之间形成一第二介金属层；以及以一固固反应温度加热固晶材料层一固化时间，以进行一固固反应，固固反应后的第一介金属层及第二介金属层的熔点高于200度。

依据一实施例，前述的液固反应温度等于或高于该固晶材料熔点。固固反应温度低于该固晶材料熔点。前述第一金属薄膜层的材料及第二金属薄膜层的材料可为金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或镍(Ni)。固晶材料层的材料可为铋铟、铋铟锌、铋铟锡及铋铟锡锌。第一介金属层及第二介金属层的材料可选自于由铜铟锌(Cu-In-Sn)介金属、镍铟锌(Ni-In-Sn)介金属、镍铋(Ni-Bi)介金属、金铟(Au-In)介金属、银铟(Ag-In)介金属、银锌(Ag-Sn)介金属及金铋(Au-Bi)介金属所构成的群组。

其中，以该固固反应温度加热该固晶材料层，以进行该固固反应的步骤为：以该固固反应温度加热该固晶材料层，以进行该固固反应，直到该固晶材料与该第一金属薄膜层及该第二金薄膜层的该固固反应完毕。

其中，该液固反应温度为摄氏85度，该预固时间为0.1秒到1秒。

其中，该固固反应温度为摄氏40度到80度，该固化时间为30分钟到3小时。

为了实现上述目的，本发明还提供一种发光二极管，依据发光二极管的一实施例，发光二极管包含依序迭置的基体、第二金属薄膜层、第二介金属层、第一介金属层、第一金属薄膜层及发光二极管芯片。第一金属薄膜层的材料及第二金属薄膜层的材料可为金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或镍(Ni)。介金属层的材质可以铜铟锌(Cu-In-Sn)、镍铟锌(Ni-In-Sn)、镍铋(Ni-Bi)、金铟(Au-In)、银铟(Ag-In)、银锌(Ag-Sn)或金铋(Au-Bi)介金属。

其中，上述发光二极管还包含一中介层，被夹置于该第一介金属层与该第二介金属层之间，该中介层的材料选自于由锡、铋、铟及锌所组成的群组。

依据上述固晶方法的实施例，可以将LED芯片在低于110度的温度先行预固化(液固反应)约0.1至1秒。其后，再于低于80度的温度进行约30分钟到3小时的固固反应，以完成将LED芯片及基体固晶的程序。由于所有固晶程序均在低温下进行，故无热应力产生于LED芯片中。其次，借此固晶方法完成的发光二极管，在LED芯片与基体间的接合材质为金属材质，其导热与散热效果佳。再者，因所生成的介金属化合物具有高于200度的熔点温度，因此，此发光二极管即便工作在70到80度的环境下，也不致会有接合合金软化的问题。

为了实现上述目的，本发明还提供一种芯片结构，其包括有一芯片及一固晶材料层，固晶材料层设置于芯片的一表面，且固晶材料层的组成材料是选自于由铋铟(Bi-In)、铋铟锌(Bi-In-Zn)、铋铟锡(Bi-In-Sn)及铋铟锌锡(Bi-In-Zn-Sn)所组成的群组中至少其中之一。

本发明的功效在于，依据上述固晶方法的实施例及固晶后的LED结构可知，在固晶工艺时，可以用低温及短的时间将LED芯片预固于基体，且不致有对位偏移的问题。其后再用更低的温度进行固固反应。反应后的第一介金属层及第二介金属层具有高熔点(大于200度)。因此，固晶后的LED即便长时间被操作于80度以上的温度时，仍不致使第一介金属层及第二介金属层软化，进而影响其对位精确度。再者，由于工艺中所使用的温度均低于100度，故在固晶过程，LED芯片及其它零组件(如基体、塑料反射杯等)不会有热应力残留或集中问题。得到具有良好可靠度的LED。最后，由于预固程序可采用激光加热方式进行，因此预固时间缩短相当多。再加上固固时间则可采批量作业。使得本固晶方法可以有相对于现有技术高出许多的产出(Throughput)。

依据上述芯片结构的实施例，将芯片结构固晶于导线架或印刷电路板等基体的过程中，借由固晶材料层所具有的低熔点特性，让芯片结构可在低温环境下与基体接合，可避免芯片结构在固晶过程中产生热应力集中或是在固晶完成后残留热应力，所导致芯片结构破裂损坏的情形发生。并且，在固晶程序完成后，借由固晶材料层于芯片结构与基板之间所产生的高熔点介金属层，使芯片结构与基体之间具有良好的接点可靠度，并且在高温环境中长时间的使用下，仍能维持良好的运作效能。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的发光二极管(LED)芯片的固晶方法一实施例的流程示意图；

图2A为本发明的固晶方法一实施例的LED芯片的结构示意图；

图2B为本发明的固晶方法一实施例的基体的结构示意图；

图2C为本发明的固晶方法一实施例的进行步骤S52的基体的结构示意图；

图2D为本发明的固晶方法一实施例的步骤S54的结构示意图；

图2E为本发明的固晶方法一实施例的步骤S56的LED结构示意图；

图2F为本发明的固晶方法一实施例的步骤S58的LED结构示意图；

图2G为本发明的固晶方法一实施例的步骤S58的另一LED结构示意图；

图3为依据本发明的固晶方法一实施例中的固晶材料层与第一金属薄膜层接合的合金分析图；

图4为本发明芯片结构的第一实施例的剖面示意图；

图5为本发明芯片结构的第一实施例的设置于基体的剖面示意图；

图6为本发明芯片结构的第一实施例的共晶接合于基体的剖面示意图；

图7为本发明芯片结构的第二实施例的剖面示意图；

图8为本发明芯片结构的第三实施例的剖面示意图；以及

图9为本发明芯片结构的第四实施例的剖面示意图。

其中，附图标记：

10         LED芯片

12         第一金属薄膜层

20         基体

22         第二金属薄膜层

30         固晶材料层

32，32’   第一介金属层

34，34’   第二介金属层

36         中介层

100        芯片

110        基板

120        金属层

130        半导体结构

131        N型半导体层

132        发光材料层

133        P型半导体层

140        金属凸块

200        固晶材料层

300        基体

310        金属层

400        第一介金属层

500        第二介金属层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

首先，请参阅图1、图2A及图2B。图1为依据本发明的发光二极管(LED)芯片的固晶方法一实施例的流程示意图。图2A为依据本发明的固晶方法一实施例的LED芯片的结构示意图。图2B为依据本发明的固晶方法一实施例的基体的结构示意图。

此LED芯片的固晶方法适于结合LED芯片10及基体20。LED芯片10可以是具有p-i-n结构的LED，例如但不限于氮化镓(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)或其任意组合。

LED芯片10所发出的光线的光谱可以是任何可见光光谱(380nm(纳米)到760nm)，或其它光谱。LED芯片10型态可为水平式结构(Saphhire base)、垂直式结构(Thin-GaN LED)与覆晶(Flip-Chip)型态。

LED芯片10具有第一金属薄膜层12。第一金属薄膜层12的材料可以是金、银、铜与镍。第一金属薄膜层12可藉由电镀、溅镀或蒸镀等方式镀于LED芯片10的表面。第一金属薄膜层12的厚度可以是但不限于0.2um(微米)到2.0微米。例如厚度为0.5um(微米)到1.0微米。

前述具有第一金属薄膜层12的LED芯片10通常并非是直接在切割好的芯片上镀第一金属薄膜层12，而是先在LED芯片背面，以上述电镀等方式镀上第一金属薄膜层12后，接着再将芯片经过切割、分光等步骤而完成的。

前述的基体20可以是导线架、印刷电路板、具有塑料反射杯的基材、或陶瓷基板。基体20的材质可以是铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、镍(Ni)的纯元素或添加少量其它元素的合金。基体20的材质也可以是硅(Si)、氮化铝(AlN)或低温共烧多层陶瓷(LTCC，Low-Temperature Cofired Ceramics)。

关于LED芯片10的固晶方法请再参照图1并搭配图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、阅览之。从图中可以见悉，LED芯片10固晶方法包含：

步骤S50：形成第二金属薄膜层22于基体20的表面；(请见于图2B)

步骤S52：形成固晶材料层30于第二金属薄膜层22，固晶材料层30的熔点低于摄氏100度；(请见于图2C)

步骤S54：置放LED芯片10于固晶材料层30上，使第一金属薄膜层12接触固晶材料层30；(请见于图2D)

步骤S56：以一液固反应温度加热固晶材料层30一预固时间，以于第一金属薄膜层12及该固晶材料层30之间形成第一介金属层32，及于该固晶材料层30及第二金薄膜层22之间形成第二介金属层34；以及(请见于图2E)

步骤S58：以一固固反应温度加热固晶材料层30一固化时间，以进行一固固反应，固固反应后的第一介金属层32’及第二介金属层34’的熔点高于200度(请见于图2F)。

关于步骤S50，请见于图2B。其中，第二金属薄膜层22可采用电镀、溅镀或蒸镀等工艺而被形成于基体20上。第二金属薄膜层22的材料可以是金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或镍(Ni)。第二金属薄膜层22的厚度可以是但不限于0.2um(微米)到2.0um。例如厚度为0.5um到1.0um。

接续步骤S50之后，请参见图2C，步骤S52可藉由电镀、蒸镀或溅镀的方式于第二金属薄膜层22上形成一固晶材料层30。此固晶材料层30的材质可以是铋铟(Bi-In)、铋铟锡(Bi-In-Sn)、铋铟锡锌(Bi-In-Sn-Zn)与铋铟锌(Bi-In-Zn)。其中，Bi-In(铋铟)的熔点约为110度、Bi-25In-18Sn(铋铟锡)的熔点约为82度，Bi-20In-30Sn-3Zn(铋铟锡锌)的熔点约为90度，Bi-33In-0.5Zn(铋铟锌)的熔点约为110度。固晶材料层30的厚度可以是但不限于0.2um(微米)到2.0um。例如厚度为0.5um到1.0um。其中，需要说明的是：Bi-25In-18Sn表示原子数的比，即Bi-In-Sn原子数比值为1∶25∶18，并且本申请中其它合金的类似表示方法表示相同的含义。

其次，请参考图2D。步骤S54是将LED芯片10置放于固晶材料层30上，并使第一金属薄膜层12接触固晶材料层30。即如图2D所示。

接着，则进行步骤S56的以一液固反应温度加热固晶材料层30一预固时间，以分别于第一金属薄膜层12、固晶材料层30及第二金薄膜层22之间形成第一介金属层32及第二介金属层34(请见于图2E)。其中，此液固反应温度可以是等于或高于固晶材料层30的熔化温度。若固晶材料层30的材质为铋铟锡，则液固反应温度可以是82度或以上。加热的方式可以采用激光加热、热风加热、红外线加热、热压接合、或超声波辅助热压接合。

加热的位置则可以是直接将环境温度提高到液固反应温度，也可以直接加热于固晶材料层30或直接加热于基体20再热传导至固晶材料层30。例如但不限于以激光直接加热于基体20底部(即加热于图2E示的基体20的下方)。

加热的时间(预固时间)则可以是但不限于0.1秒到2秒，例如0.2秒到1秒。此加热的时间可视液固反应情形而适当调整。加热时间可以是当第一金属薄膜层12、固晶材料层30及第二金薄膜层22之间分别形成了第一介金属层32及第二介金属层34时所花的时间。此被形成的第一介金属层32及第二介金属层34的厚度可以是在非常薄的状态下即视为完成了步骤S56的动作。意即，只要在第一金属薄膜层12、固晶材料层30及第二金薄膜层22之间有形成了第一介金属层32及第二介金属层34即具有接合的效果，即可停止步骤S56而继续进行下一步骤(S58)。当然，若在工艺中，增加预固时间，使更多的第一介金属层32及第二介金属层34被形成，也属可实施的方式。

步骤S56的加热动作也可称为是预固程序。其目的在于将LED芯片10与基体20依当前的对位关系(Alignment)进行预先固定，以利后续工艺的进行。由于此预固程序的温度可以是等于或略高于固晶材料层30的熔点，且预固的时间可以相当短，故前述对位关系将能有效被维持，且不会对LED芯片10产生有任何类似热应力的影响。

关于所形成的第一介金属层32及第二介金属层34的材质与第一金属薄膜层12及第二金薄膜层22有关，请容后详述。

最后，进行步骤S58的以一固固反应温度加热固晶材料层30一固化时间，以进行一固固反应。此固固反应温度可低于固晶材料层30的熔点，可以是但不限于40度到80度。前述固化时间可以依固固反应温度而调整。例如，当固固反应温度较高时，固化时间可以较短。当固固反应温度较低时，固化时间可以较长。固化时间可以是30分钟到3小时。

固固反应的目的在于让固晶材料层30的合金元素与第一金属薄膜层12及第二金属薄膜层22的元素相互扩散。固固反应时间的决定可以是让大部分的固晶材料层30中的合金元素完成扩散所需的时间。

步骤S58的执行，在实际应用阶段，可以采用批次作业的方式进行。意即，集合完成了步骤S56的多个半成品，统一以热风式、烤箱、红外线加热或热板加热方式进行步骤S58。

由于步骤S58的固固反应温度低于固晶材料层30的熔点，故对于步骤S56已完成的对位关系，并不致会有影响。

步骤S58后所形成的发光二极管的结构，有几种可能。第一种发光二极管的结构请见于图2F。从图中可以见悉，发光二极管包含依序迭置的基体20、第二金属薄膜层22、第二介金属层34’、第一介金属层32’、第一金属薄膜层12以及LED芯片10。其中第一金属薄膜层12及第二金属薄膜层22的材料选自于由金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)及镍(Ni)所构成群组。前述二个介金属层32’，34’的材质包含Cu-In-Sn(铜铟锌)介金属(熔点至少400℃以上)、Ni-In-Sn(镍铟锌)介金属(熔点约700℃以上)、Ni-Bi(镍铋)介金属(熔点至少400℃以上)、Au-In(金铟)介金属(熔点至少400℃以上)、Ag-In(银铟)介金属(熔点至少250℃以上)、Ag-Sn(银锌)介金属(熔点至少450℃以上)与Au-Bi(金铋)介金属(熔点至少350℃以上)。

其次，必须说明的是在预固程序所形成的第一介金属层32及第二介金属层34(即图2E所示)与固固反应后的第一介金属层32’及第二介金属层34’的材质可能并不相同。在预固程序时，虽然液固反应温度有达到固晶材料层30的熔点，但是由于步骤S56所执行的时间仅需在第一介金属层32及第二介金属层34形成后即可停止，因此，固晶材料层30中的部分合金元素并未产生扩散。举例来说，通常固晶材料层30中若含有铟，则铟较容易在液固反应时先扩散而形成介金属层。

以下兹列出三个例子显示图2E所示的LED在固晶程序中步骤S54、S56到S58的第二金属薄膜层22、第二介金属层34’、第一介金属层32’、及第一金属薄膜层12的材质。

[图2ELED结构实施例一]

[图2ELED结构实施例二]

[图2ELED结构实施例三]

  层别  步骤S54  步骤S56  步骤S58  第一金属薄膜层  Cu  Cu  Cu  第一介金属层  无  Cu-In-Sn介金属。  Cu-In-Sn介金属。  固晶材料层  Bi-In-Sn  Bi-In-Sn  无  第二介金属层  无  Cu-In-Sn介金属。  Cu-In-Sn介金属。  第二金属薄膜层  Cu  Cu  Cu

以前述图2ELED结构实施例一中的第一介金属层32’与第二介金属层34’的熔点均高于200度以上。即便LED未来长时间被操作在80度以上的温度，接合介质也无软化的问题，而能持续维持工艺中的对位关系，得到良好的出光效率。

关于步骤S58后所形成的发光二极管的另一种结构请见于图2G。从图中可以见悉，发光二极管包含依序迭置的基体20、第二金属薄膜层22、第二介金属层34’、中介层36、第一介金属层32’、第一金属薄膜层12以及LED芯片10。该中介层36的材料选自于由锡、铋、铟及锌所组成的群组。并且，中介层36的材质与固晶材料层30、第二介金属层34’、及第一介金属层32’的材质有关。若固晶材料层30的材质为铋铟锡，则中介层36的材质即可能为锡(Sn)。也就是在固固反应后，固晶材料层30仅留下锡(Sn)。

由于锡(Sn)的熔点约为230度，也高于200度，能够达到上述不会于LED使用中软化的目的。也就是说，固晶材料层30在经过固固反应之后，有可能会被反应而消失，也有可能会残留而形成中介层36。关于铋铟锡与银的结合状态，请参阅图3。图3为依据本发明的固晶方法一实施例中的固晶材料层30与第一金属薄膜层12接合的合金分析图。此实验是将Bi-25In-18Sn的铋铟锡合金设置于银板上，施以85度的温度一段时间后，再进行合金分析所得到的合金分析图。图中可以看出，铋铟锡与银板间形成了Ag2In的接合层。借此可以得知，本发明所使用的固晶材料层30可与银在低温形成接合层。

依据上述固晶方法的实施例及固晶后的LED结构可知，在固晶工艺时，可以用低温及短的时间将LED芯片10预固于基体20，且不致有对位偏移的问题。其后再用更低的温度进行固固反应。反应后的第一介金属层32’及第二介金属层34’具有高熔点(大于200度)。因此，固晶后的LED即便长时间被操作于80度以上的温度时，仍不致使第一介金属层32’及第二介金属层34’软化，进而影响其对位精确度。再者，由于工艺中所使用的温度均低于100度，故在固晶过程，LED芯片10及其它零组件(如基体20、塑料反射杯等)不会有热应力残留或集中问题。得到具有良好可靠度的LED。最后，由于预固程序可采用激光加热方式进行，因此预固时间缩短相当多。再加上固固时间则可采批量作业。使得本固晶方法可以有相对于现有技术高出许多的产出(Throughput)。

请参阅图4所示，为本发明提供的芯片结构的第一实施例的剖面示意图，其包括有一芯片100及一固晶材料层200。芯片100具有一基板110、一金属层120及一半导体结构130。基板110的组成材料可以是但不局限于蓝宝石(sapphire)、金(Au)、银(Ag)、钼(Mo)、镍(Ni)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、铜(Cu)、氮化铝(AlN)、砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)等，在本实施例中是以蓝宝石基板做为举例说明，但并不以此为限。金属层120及半导体结构130分别设置于基板110的相对二侧面，金属层120的组成材料可以是但不局限于金、银、铜、镍及上述金属的合金等金属材料，半导体结构130具有一N型半导体层131、一发光材料层132及一P型半导体层133，发光材料层132介于N型半导体层131及P型半导体层133之间，而构成P-I-N形式的半导体结构130，且半导体结构130以N型半导体层131接触于基板110，使芯片100构成一具有蓝宝石基板的发光二极管(LED，light emitting diode)芯片。

其中，N型半导体层131及P型半导体层133可以是但不局限于N型及P型的氮化镓(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。

固晶材料层200设置于金属层120相对基板110的另一侧表面，固晶材料层200的组成材料是选自于由铋铟(Bi-In)、铋铟锌(Bi-In-Zn)、铋铟锡(Bi-In-Sn)及铋铟锌锡(Bi-In-Zn-Sn)等具有低熔点特性的金属材料所组成的群组中至少其中之一。例如铋铟以及铋-33铟-0.5锌(Bi-33In-0.5Zn)的熔点约为110℃、铋-25铟-18锡(Bi-25In-18Sn)的熔点约为82℃以及铋-20铟-30锌-3锡(Bi-20In-30Zn-3Sn)的熔点约为90℃。固晶材料层200可借由电镀、溅镀或蒸镀等方式镀于金属层120表面，而在金属层120表面形成厚度介于0.2～5.0微米(μm)的固晶材料层200。在另一实施例中，其固晶材料层200的厚度介于2.0～3.5微米(μm)。

因此，在芯片结构固晶于导线架或印刷电路板等基体的操作过程中，可借由固晶材料层200在低于120℃的环境下结合于基体上，而不会在芯片结构中残留热应力，并可避免芯片结构产生结构崩解而毁坏。

请参阅图5所示，在固晶程序中，芯片结构是以固晶材料层200接触于基体300上，基体300可以是导线架、印刷电路板、具有塑料反射杯的基座等。基体300的材质可以是铜、铝、铁(Fe)、镍(Ni)的纯元素或添加少量其它元素的合金。此外，基体300的材质也可以是硅、氮化铝或低温共烧多层陶瓷(LTCC，Low-Temperature Cofired Ceramics)等。并且，在基体300表面具有另一金属层310，金属层310的组成材料可以是但不局限于金、银、铜及镍等容易与铋、铟、锡等元素形成高熔点介金属化合物的金属。因此，当基体300由金、银、铜或镍所组成时，可省略金属层310的设置。

请同时参阅图5和图6，当芯片结构以固晶材料层200接触于基体300的金属层310后，在一预定时间内提供一适当的液固反应温度。此液固反应温度可以是等于或高于固晶材料层200的熔化温度，例如82℃或以上，使固晶材料层200与芯片100的金属层120以及基体300的金属层310之间产生介金属化合物，而预固于基体300上，可避免芯片结构在基体300上产生对位偏移的问题。之后，再于一固化时间内提供一固固反应温度，此固固反应温度可低于固晶材料层200的熔化温度，例如介于40～80℃之间，使固晶材料层200分别与二金属层120、310之间形成一第一介金属层400及一第二介金属层500。

举例而言，当二金属层120、310的组成材料分别为银和金时，在固晶材料层200与金属层120之间，即形成由银-铟(Ag-In)及银-锡(Ag-Sn)等高熔点介金属化合物所组成的第一介金属层400；以及在固晶材料层200与金属层310之间，形成由金-铋(Au-Bi)及金-锡(Au-Sn)等高熔点介金属化合物所组成的第二介金属层500。其中，银-铟介金属化合物的熔点至少约250℃以上，银-锡介金属化合物的熔点至少约450℃以上，金-铋介金属化合物的熔点至少约350℃以上，而金-锡介金属化合物的熔点则至少约250℃以上。

并且，在固晶程序完成后，固晶材料层200可能部分残留于第一介金属层400及第二介金属层500之间，或者是被完全反应而消失，使芯片结构借由第一介金属层400及第二介金属层500稳固的结合于基体300上。同时，由于所形成的第一介金属层400及第二介金属层500具有高熔点(至少大于200℃)的特性，让芯片结构即便于在高温环境中使用，例如芯片结构长时间在80℃的操作温度下运作，第一介金属层400及第二介金属层500也不会出现软化的现象，可确保芯片结构与基体300之间维持稳定的对位关系及接点可靠度，而得到良好的运作效能。

若进一步将本发明所揭露的芯片结构与现有使用高分子导电胶材以及金属焊接材料进行固晶程序的芯片结构进行比较，如下表四及表五所示，表四是在电流700毫安(mA)、功率2.5瓦(W)的条件下测试芯片结构的使用寿命；表五则是比较不同芯片结构的固晶温度、固晶强度、耐热温度以及使用寿命。

表四

表五

由上表四及表五所呈现的结果可发现，相较于现有芯片结构，本发明所揭露的芯片结构同时具有低固晶温度、高固晶强度、高耐热度以及高使用寿命等特性，使本发明所揭露的芯片结构可在低温环境下与基体接合，以避免芯片结构因残留热应力的问题而损坏，同时在接合过程中无需添加任何的助焊剂，并且在长时间的高温环境下使用，亦能维持良好的可靠度及使用寿命。

此外，在本发明所揭露的芯片结构中，固晶材料层除了如第一实施例设置于具有蓝宝石基板的发光二极管芯片外，在本发明的其它实例中，亦可应用于不同类型的芯片上。例如图7所示，在本发明第二实施例所揭露的芯片结构中，其所使用的芯片100为集成电路(IC，integrated circuit)芯片，并于芯片100中具有一接触于固晶材料层200的金属层120；或者是如图8所示，为本发明第三实施例所揭露的芯片结构，其芯片100的基板110以硅、碳化硅或铜等材料所组成，且半导体结构130是以P型半导体层133接触于基板110，而构成垂直式发光二极管芯片(Vertical LED)。同时，当芯片100的基板110为铜基板时，固晶材料层200可以电镀、溅镀或蒸镀等方式直接设置于基板110表面，而省略金属层120的设置。

例如图9所示，为本发明第四实施例所揭露的芯片结构，其芯片100中以二金属凸块(bump)140设置于金属材质的基板110上，使半导体结构130悬置于基板110上方，而构成覆晶式发光二极管(Flip-Chip LED)。并由于基板110为金属材料所组成，因此可选择性的在基板110上设置金属层120，或者是省略金属层120的设置，使固晶材料层200直接设置于基板110相对于半导体结构130的另一侧面上。此仅为基板110、金属层120与固晶材料层200之间所采用的设置方式不同，但并非用以限制本发明。

本发明芯片结构的功效在于，芯片结构中设置有铋-铟、铋-铟-锡、铋-铟-锌或铋-铟-锡-锌等材料所组成的固晶材料层，使芯片结构可在低温环境下将芯片结合于导线架或印刷电路板等基体上，可避免芯片结构在固晶完成后残留热应力，而造成芯片结构破裂损坏。同时，在固晶完成后，借由固晶材料层于芯片结构及基体之间所产生的高熔点介金属层，让芯片结构可长时间在高温环境下运作，并能维持良好的接点可靠度及运作效能。

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。