专利名称：光电元件的封装结构和其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光电元件的封装结构和其制造方法，特别是涉及一种使用硅衬底的发光二极管(LED)的封装结构和其制造方法。
技术背景由于光电元件中发光二极管(light emitting diode; LED)有体积小、发 光效率高和寿命长等优点，因此被认为是下一代绿色节能照明的最佳光源。 另外，液晶显示器的快速发展和全彩屏幕的流行趋势使得白光发光二极管除 了应用于指示灯和大型显示屏幕等用途外，更深入应用于广大的消费性电子 产品，例如手机和个人数字助理(PDA)。目前，有关发光二极管的研发重点在于光的取出效益以及散热的速度。 在光的取出效益中，可以在外延阶段、裸片制造阶段或封装阶段分别进行改 善。而关于散热方面，目前主要是在封装阶段予以改进，通过封装结构或材 料的改善来增进散热效率。发光二极管的封装目前有许多方式，其中使用反射杯的发光二极管元 件，可通过提升反射率以有效增加元件的发光效率。同时，如果反射杯有较 佳的设计，同时也能有效提升发光二极管元件的散热效率。目前朝这方面改 善的技术有美国专利第6,562,643号、第6,268,660号以及美国专利公开申请 2004/0218390。另外， 一种现有技术(如美国专利第6,531,328号所揭示)主 要是使用硅衬底80作为封装的基材。在硅衬底80上使用微机电(MEMS) 的工艺制造反射杯81，其结构如图1所示。绝缘层82以及金属层83依序包 覆硅衬底80，其中金属层83同时作为电极831和832。发光二极管84以打 线方式电连接于反射杯81内，并且使用环氧树脂85覆盖并保护反射杯81 内的发光二极管84。形成如图1所示的结构的工艺步骤(如图2中标号S91 S96所示)包 括首先提供硅衬底，然后以湿式蚀刻的方式在硅衬底上形成反射腔。接着，
在硅衬底的另一面以干式蚀刻的方式形成电极的介层孔。之后，以热氧化法 或氮化方式形成一层氧化硅层或氮化硅层来包覆所述硅衬底。然后，以电镀 的方式形成导体层来包覆所述硅衬底。最后，以激光处理的方式在反射腔上 形成金属反射层而在另一面形成电极。然而，这样的设计具有一些缺点。首先，反射层金属与电极属于同一种 材料，目前没有一种金属可以同时满足良好的反射率且可适用于后续的焊接 工艺。再者，对于不同波长的发光二极管，不同的金属会有不同的反射率， 这表示电极的材料也会随之改变。优选的电极材料以焊锡为主，但焊锡并不适用于可见光的反光材料。好的反射材料(例如金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、 铂(Pt))并不适合作为电极材料。另外，底部介层孔的蚀刻采用干式蚀刻，其蚀刻后的轮廓(profile)的 后续工艺的弹性空间较低。再者，需要使用激光处理反射金属层，因此工艺 成本较高。综上所述，市场上急切需要一种可靠且工艺简易的高功率光电元件或发 光二极管元件，使得能够改善上述常规发光二极管元件的各种缺点。发明内容本发明提供一种光电元件的封装结构和其制造方法，可使用硅衬底作为 封装的衬底以增加散热效率，且可使用成熟的微机电工艺完成。本发明提供一种对于反射金属层与电极可选择不同材质的光电元件，其 中反射金属层可以针对特定光线的波长进行选择而不会影响电极材质的选 择，因而可以各自选择最佳材料。本发明可使用湿式蚀刻形成底部的电极介层孔，对于后续的工艺窗口 (process window )较为充裕。本发明提供一种用绝缘层来保护反射金属层的光电元件，避免金属层产 生氧化、硫化或与其它化学物质发生反应。而且，所述绝缘层的厚度可以调 整为对特定光线进行建设性干涉。为实现上述目的，本发明揭示一种光电元件的封装结构，其包括具有第 一表面与第二表面的硅基材。所述第一表面与所述第二表面相对，且所述第一表面具有反射腔，所述第二表面具有至少两个与所述反射腔相连通的电极 介层孔。第一绝缘层包覆所述硅基材的所述第一表面与所述第二表面。而且， 反射层设于所述反射腔表面，且第二绝缘层覆盖所述反射层。第一导电层设 于所述第二绝缘层表面；第二导电层设于所述第一绝缘层表面，并位于所述 电极介层孔内，并与所述第一导电层相连接。裸片固定于所述反射腔内，并 电连接于所述第一导电层。所述第一绝缘层优选地为氧化硅，且所述第二绝缘层优选地为二氧化 硅、氮化硅或氮氧化硅。所述反射层优选地为铝、银、金、锡、铜或铂，其厚度介于300A到20，000A 之间。所述第一导电层优选地延伸到所述第一绝缘层，并与所述第二导电层相 连接，且二者均为可焊接的材料，例如银、镍/金、钛/金、钛/镍/金、钛/铜/ 镍/金、钛钨/铜/镍/金或铬/铜/镍/金。本发明进一步包括填入所述反射腔内的封胶层。所述裸片通过多个凸块而与所述第一导电层电连接，或通过多个金属导 线而与所述第一导电层电连接。本发明进一步揭示一种光电元件的封装结构，其包括具有第一表面与第 二表面的硅基材。所述第一表面与所述第二表面相对，且所述第一表面具有 反射腔，所述第二表面具有至少两个与所述反射腔相连通的电极介层孔。第 一绝缘层包覆所述硅基材的所述第一表面与所述第二表面。而且，金属层设 于所述反射腔内，并包括反射区和导电区，且第二绝缘层覆盖所述反射区。 导电层设于所述第二表面，并与所述金属层的导电区相连接。裸片固定于所 述反射腔内，并电连接于所述导电区。所述金属层优选地为铝、银、金、锡、铜或铂。所述导电层与所述金属 层中的所述导电区相连接，且每一个导电层为可焊接的材料，例如银、镍/ 金、钛/金、钛/镍/金、钛/铜/镍/金、钛钩/铜/镍/金或铬/铜/镍/金。本发明还提供一种光电元件的制造方法，提供硅基材，并于所述硅基材 的第一表面形成至少一反射腔。之后，于所述硅基材的第二表面形成多个电 极介层孔并穿透所述硅衬底到达所述反射腔，其中所述第二表面与所述第一 表面相对。再形成第一绝缘层以包覆所述硅基材。接着，将反射层覆盖于所 述反射腔上，且在所述反射层上形成第二绝缘层。再者，在所述第二绝缘层
上形成第一导电层，且在所述第二表面上并在所述两个电极介层孔内均形成 第二导电层，其中所述第二导电层与所述第一导电层相连接。将裸片固定于 所述反射腔内，并电连接于所述第一导电层。所述第一绝缘层优选地为由热氧化法所形成的氧化硅层，且所述第二绝 缘层优选地为由气相沉积所形成的二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅层。所述第一导电层与所述第二导电层优选地通过电镀、蒸镀或化学镀而形 成，且所述第一导电层与所述第二导电层相连接。所述裸片优选地以倒装芯片方式固定于所述反射腔内，或通过打线方式 而与所述第一导电层电连接。本发明进一步包括在所述反射腔和所述电极介层孔内填封胶层的步骤。本发明还提供一种光电元件的制造方法，提供硅基材，并于所述硅基材 的第一表面形成至少一反射腔。之后，于所述硅基材的第二表面形成多个电 极介层孔并穿透所述硅衬底到达所述反射腔，其中所述第二表面与所述第一 表面相对。再形成第一绝缘层以包覆所述硅基材。接着，将金属层覆盖在所 述反射腔上，其中所述金属层包括反射区和导电区，且在所述反射区上形成 第二绝缘层。再者，在所述第二绝缘层上形成导电层，且在所述第二表面下 并在所述两个电极介层孔内形成导电层，其中所述导电层与所述导电区相连 接。将裸片固定于所述反射腔内，并电连接于所述导电区。所述金属层与所述导电层优选地通过电镀、蒸镀或化学镀而形成。本发明可使用成熟的微机电工艺完成，其反射金属层与电极可以各自选 择最佳材料，其电极介层孔对于后续的工艺窗口较为充裕。
图1是现有的发光二极管的封装结构的示意图；图2显示形成如图1的结构的工艺流程图；图3a 图3n是本发明光电元件的制造方法的步骤示意图；图4a 图4c是本发明另一实施例光电元件的制造方法的步骤示意图；图5是本发明另一实施例光电元件的封装结构的示意图；以及图6是本发明另一实施例光电元件的封装结构的示意图。
具体实施方式
图3a 图3n是本发明光电元件的制造方法的步骤示意图。如图3a所示， 硅基材11具有第一表面111与第二表面112，在图中第一表面111是上表面， 而第二表面112是下表面。硅基材11可以是五英寸、六英寸、八英寸或十 二英寸等高阻率硅芯片，其阻率大于800Q/cm，并可使用<100>的晶体取向 表面(crystal orientation surface)的硅芯片。另外，硅原子依据不同的结晶 方式，又可区分成单晶硅、多晶硅和非晶硅。使用硅衬底11的优点就是散 热佳，且可以进行成熟的半导体工艺或微机电工艺。如图3b所示，在硅衬底11上覆盖介电材料层(dielectric layer)12和13(或 绝缘层)，此步骤可以利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)的方式进行 沉积。介电材料层12和13的选择可为非等向性蚀刻剂的介电材料即可，非 等向性蚀刻剂为强碱，例如氢氧化钾(KOH; Potassium hydroxide)、 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide) 、 EDP(Ethylenediamine pyrocatochol) 或N2H4等。介电材料层12和13可使用氮化硅(silicon nitride; Si3N4)、 二 氧化硅和氮氧化硅等。在本实施例中，介电材料层12和13使用氮化硅。接 着实施如图3c所示的下一步骤，在介电材料层12和13上分别覆盖图案化 的光致抗蚀剂(photoresist)层14和15。如图3d所示，将没有覆盖光致抗蚀剂层14和15处的介电材料层12和 13以蚀刻方式去除，然后再移除光致抗蚀剂层14和15。如此就能将没有覆 盖介电材料层12的第一表面111以蚀刻方式形成反射腔(reflective opening)16，如图3e所示。并再将没有覆盖介电材料层13的第二表面112 以蚀刻方式形成电极介层孔17和18。如图3e 图3f所示，移去剩余的介电材料层12和13，而原本的硅衬底 11又可分为基部11B和杯座部IIA。如果介电材料层12和13为氮化硅，那 么可以使用经加热的磷酸(phosphoric acid)来进行剥除。在基部11B和杯座部 11A周围分别形成第一绝缘层21A和21B，在本实施例中选择使用二氧化硅 (Si02)作为第一绝缘层21A和21B。将基部IIB和杯座部IIA暴露在高温 且含氧环境里一段时间后，可以在基部11B和杯座部11A的硅材料的表面生 长一层与硅附着性良好且介电性能符合要求的第一绝缘层21A和21B，例如 二氧化硅。
以下两个化学反应式描述硅在氧或水蒸气中的氧化反应1. 干式氧化(dry oxidation)Si(固体)+ 02(气体)一Si02(固体)2. 湿式氧化(wet oxidation)Si(固体)+ 2H20(气体)一Si02(固体)+ 2H2(气体)在本实施例中，第一绝缘层21A和21B是以湿式氧化方式来生长的热氧 化物，反应工艺温度介于90(TC到IIOO"C。因所需反应时间较短，所形成的 厚度介于30A到10,000A之间。如图3h 图3i所示，在第一绝缘层21A和21B的表面分别披覆上反射 层22A和22B，此步骤可以利用物理气相沉积技术(PVD)进行沉积。然后在 反射层22A和22B上方覆盖第二绝缘层23A和23B，可以利用等离子辅助 化学气相沉积(PECVD)方式沉积钝化层(passivation)以作为所述第二绝缘 层23A和23B，例如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅(Silicon-Oxy-Nitride; SiOxNy)，其主要功能是形成保护层，可防止反射层22A和22B中的金属被 氧化。氮氧化硅是一种性能介于二氧化硅与氮化硅之间的介电材料，其特性是 应力的大小较氮化硅为缓和，且对水气和杂质的阻挡能力较二氧化硅为理 想，所以是常见的保护层材料。虽然氧化硅可以低压化学气相沉积(LPCVD) 方式沉积，并在温度高于850'C以上的环境中形成。但是为了使得用作防护 层的氮氧化硅的工艺温度能够低于40(TC(以避免影响已经在硅基材上的金 属层)，在现有氮氧化硅的沉积工艺中，都是以等离子辅助化学气相沉积的方 式来进行的。如图3j 图3k所示，再形成导电层121和122，其中导电层121和122 (即权利要求中的第一导电层)分别设于第二绝缘层23A和23B的表面，或 延伸到第一绝缘层22A和22B的表面。导电层121和122材料可以选择为可 焊接的材料，并依据后续封装工艺不同而选择适合的材料，例如银(Ag)、 镍/金(Ni/Au)、钛/金(Ti/Au)、钛/镍/金(Ti/Ni/Ag)、钛/铜/镍/金(Ti/Cu/Ni/Au)、 钛钨/铜/镍/金(TiW/Cu/Ni/Au)或铬/铜/镍/金(Cr/Cu/Ni/Au)等。导电层121 和122的图案转移可利用光刻工艺(即图案转移以蚀刻方式形成)或举离 (lift-off)工艺的方式来形成，而导电层121和122的形成方式可以使用电
镀、蒸镀或化学镀。反射层22A和22B的目的主要是用来增加光电元件的亮度。反射层22A 和22B的材料可以选择与导电层121和122相同或不同的材料，如果反射层 22A和22B选择与导电层121和122相同的材料，那么可以使用Al/Ni/Au。 反之，如果反射层22A和22B选择与导电层121和122不同的材料，那么可 以用铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、锡(Sn)、铜(Cu)或钼(Pt)等金属， 依光线波长的不同而选择所需的材料,且反射层22A和22B的厚度介于300A 到20,000A之间。在下半部的第一绝缘层21A和21B上形成背部电极131和132 (即权利 要求中的第二导电层)，其中电极131电连接导电层121，且电极132电连接 导电层122，此电极131和132的材料可以选择为可焊接的材料，或一般导 电性佳的材料皆可，例如Ag、 Ni/Au、 Ti/Au、 Ti/Ni/Ag、 Ti/Cu/Ni/Au、 TiW/Cu/Ni/Au、 Cr/Cu/Ni/Au等，电极131和132的图案转移可利用光刻工 艺(即图案转移以蚀刻方式形成)或举离工艺的方式来形成，而电极131和 132的形成方式可以使用电镀、蒸镀或化学镀。如图31所示，光电半导体的裸片31A固定于所述反射腔16内的导电层 122，并通过打线接合(wire bonding)的方式电连接于导电层121和122， 即通过金属导线35而与导电层121和122电性相连。如图3m 图3n所示，可先用胶带19将电极介层孔17和18粘住，在 反射腔16、电极介层孔17和18内形成封胶层32。待封胶层32固化后，再 将胶带19移除。最后，切割基部11B以形成独立单体的光电元件33A。除了打线接合的方式，还可采用倒装芯片接合(flip-chip)的方式使裸 片31B固定并与导电层121和122电连接，如图4a所示。接着，如图4b 图4c所示，先用胶带19将电极介层孔17和18粘住，在反射腔16、电极介 层孔17和18内形成封胶层32。待封胶层32固化后，再将胶带19移除。最 后，切割基部11B以形成独立单体的光电元件33B，其中裸片31B通过凸块 34而与导电层121和122电连接。前述实施例将导电层121、 122与反射层22A、 22B在不同步骤中沉积附 着，然而可以在同一沉积步骤中形成，如图5和图6所示，其中图5显示打 线接合型式的封装结构，且图6显示倒装芯片接合型式的封装结构。图5和 图6中的导电层121'、 122'与反射层22A'在同一沉积步骤中形成，即所选用 的材料也相同。本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍 可基于本发明的教示和揭示内容而作出种种不背离本发明精神的替换和修 饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背 离本发明的替换和修饰，并由所附权利要求书所涵盖。
权利要求
1. 一种光电元件的封装结构，其特征在于包括硅基材，其具有第一表面与第二表面，其中所述第一表面具有反射腔，且所述第二表面具有与所述反射腔连通的多个电极介层孔；第一绝缘层，其包覆所述第一表面与所述第二表面；反射层，其设于所述反射腔内；第二绝缘层，其设于所述反射层上；第一导电层，其设于所述第二绝缘层表面；第二导电层，其设于所述第一绝缘层表面，并位于所述电极介层孔内；以及裸片，其固定于所述反射腔内，并电连接于所述第一导电层。
2. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述第一绝 缘层的材料是氧化硅，而所述第二绝缘层的材料是二氧化硅、氮化硅或氮氧 化硅。
3. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述反射层 的材料是铝、银、金、锡、铜或铂，所述反射层的厚度介于300A到20,000A之间。
4. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述第一导 电层延伸到所述第一绝缘层，并与所述第二导电层相连接。
5. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述第一导 电层与所述第二导电层为可焊接的材料，所述第一导电层与所述第二导电层 的材料是银、镍/金、钛/金、钛/镍/金、钛/铜/镍/金、钛鸨/铜/镍/金或铬/铜/ 镍/金。
6. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于进一步包括 填入所述反射腔内的封胶层。
7. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述裸片通 过多个凸块而与所述第一导电层电连接。
8. 根据权利要求1所述的光电元件的封装结构，其特征在于所述裸片通 过多个金属导线而与所述第一导电层电连接。
9. 一种制造光电元件封装结构的方法，其特征在于包括下列步骤提供硅基材；于所述硅基材的第一表面形成至少一个反射腔；于所述硅基材的第二表面形成多个电极介层孔，其中所述电极介层孔穿 透所述硅衬底到达所述反射腔；形成第一绝缘层以包覆所述硅基材； 在所述反射腔内覆盖反射层； 在所述反射层上形成第二绝缘层； 在所述第二绝缘层上形成第一导电层；在所述第二表面上且在所述两个电极介层孔内均形成第二导电层；以及 将裸片固定在所述反射腔内，并电连接所述裸片与所述第一导电层。
10. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述第一绝缘层是由热氧化法所形成的氧化硅层。
11. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述第二绝缘层是由气相沉积所形成的二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅层。
12. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述第一导电层与所述第二导电层是通过电镀、蒸镀或化学镀而形成的。
13. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述第一导电层与所述第二导电层相连接。
14. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述裸片以倒装芯片方式而固定在所述反射腔内。
15. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于所 述裸片通过打线方式而与所述第一导电层电连接。
16. 根据权利要求9所述的制造光电元件封装结构的方法，其特征在于进 一步包括在所述反射腔和所述电极介层孔内填封胶层的步骤。
全文摘要
本发明揭示一种光电元件的封装结构及其制造方法，其封装结构包括具有第一表面与第二表面的硅基材。所述第一表面与所述第二表面相对，且所述第一表面具有反射腔，所述第二表面具有至少两个与所述反射腔相连通的电极介层孔。第一绝缘层包覆所述硅基材的所述第一表面与所述第二表面。而且，反射层设于所述反射腔表面，且第二绝缘层覆盖所述反射层。第一导电层设于所述第二绝缘层和所述第一绝缘层表面，且第二导电层设于所述第二表面并与所述第一导电层相连接。裸片固定于所述反射腔内，并电连接于所述第一导电层。本发明可使用成熟的微机电工艺完成，其反射金属层与电极可以各自选择最佳材料，其电极介层孔对于后续的工艺窗口较为充裕。
文档编号H01L33/00GK101399305SQ20071015239
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年9月29日
发明者曾坚信, 曾文良, 陈隆欣 申请人:先进开发光电股份有限公司