TWI443880B - 發光二極體之晶粒黏著方法 - Google Patents

Description

發光二極體之晶粒黏著方法

本發明係關於一種發光二極體之晶粒黏著方法，特別是一種簡單製程且具有低熱阻，能提供較佳散熱效果的發光二極體之晶粒黏著方法。

現有發光二極體元件之製作方式，係先提供一發光二極體[LED]晶粒，接著將該發光二極體晶粒固定於一矽基板之表面塗佈銀膠，藉由銀膠黏著固定發光二極體晶粒，再將該固定完成的發光二極體晶粒連同矽基板另結合於塗佈有銀膠的一熱承載座上，接著以打線連接或軟銲連接之方式，使該發光二極體晶粒與電極端相互連通，再用透明塑膠外殼進行構裝，使之成為一發光二極體元件；再使用該發光二極體元件之熱承載座固定於塗佈有導熱膏的另一電路板上(如PCB電路板或陶瓷電路板)，該發光二極體元件之電極端以軟銲接合方式連通於電路板之電路端；並將其含有發光二極體元件之電路板，以導熱膏構裝於散熱鰭片上而完成。

然而，上述習知發光二極體之晶粒黏著方法，其導熱之效果有限，必須於該發光二極體晶粒與基板之間能有效地提高散熱效果，故於各層之表面額外塗佈如銀膠、導熱膏等具散熱效果之黏著劑，如此，該層層堆疊之結構係容易具有較高的熱阻而降低整體的熱傳導效率，甚至增加該LED晶粒黏著於基板過程的繁瑣而提高成本的負擔。

再者，習用銀膠或導熱膏的黏著均容易因LED晶粒長時間所散發的熱及紫外線影響，而造成該銀膠或導熱膏老化脫落之現象。如此，習知發光二極體晶粒之封裝方法不僅嚴重影響LED晶粒的熱傳導效果而導致散熱性不佳，甚至可能進一步造成LED的損害而降低LED的使用壽命。

如中華民國公開第200729536號「一種發光二極體封裝之晶片黏著材料」係包含一發光二極體晶片，該晶片係以錫合金為黏著材料作電性偶合於承載體上。如此，係能夠以錫合金有內收縮的內聚力(Cohesive Force)，使得該晶片得以黏著於錫合金之上，進而避免傳統銀膠之固晶方式所造成晶粒出光面積縮小甚至因銀膠碰觸P-N架接介面層而造成漏電、缺亮等問題，進一步增加LED晶片發光亮度及晶粒黏著可靠度。

然而，上述專利案以錫合金作為黏著該發光二極體晶粒與基板之材料時，該發光二極體屬於難以潤濕材料且不容易潤濕接合，又因，該錫合金不具有活性成份，只能接合一般具有高潤濕性金屬材料的接合，對於潤濕性差金屬材料(如鋁合金、鎂合金、鈦合金)或不具潤濕性的陶瓷、晶片、石墨或碳纖材料，則難於潤濕接合，。使得該發光二極體晶粒的表面必須經過一道金屬化處理，使LED晶片表面具有一層金屬層，才能用傳統錫合金接合成功，又因此金屬化層相當薄，容易再接合過程中耗損脫落，以致於該發光二極體與基板之間的結合強度明顯不足。

再者，該錫合金作為黏著材料，因容易受限於該錫合金本身鈍性金屬不具活性之特性，而僅能選擇具有高潤濕性的金屬材質之基板供該發光二極體晶粒結合，如此，當該錫合金應用潤濕性差之基板，如玻璃、陶瓷等非金屬材質之基板，或表面經過陽極處理或微弧處理形成一具有陶瓷層之鋁基板時，係使得該錫合金無法接合成功而造成銲接效果不佳之情形；為改善銲接不佳之情形係必須再於該不具有潤濕性的材質之基板上披覆一金屬層再進行黏合，惟當該發光二極體晶粒與基板之間進行接合時，會造成不具潤濕性之基板上之披覆金屬層耗損，或熱應力造成剝離，而造成銲接效果不佳之情形。其二，因重覆堆疊該金屬層時，卻反而提升界面熱阻抗係數而降低熱傳導效率。如此，該錫合金係無法將該發光二極體晶粒直接黏著於不同材質之基板而導致使用裕度不佳之情形。

有鑑於上述缺點，本發明之發光二極體晶粒之封裝方法確實仍有加以改善之必要。

本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種發光二極體之晶粒黏著方法，其係能將活性銲料加熱至該活性銲料熔點以上，使該活性銲料呈現熔化狀態，並以擾動方式破壞活性銲料之氧化層，並促進活性成份擴散至接合表面層，使活性元素與接合材料發生接合反應，以提升發光二極體晶粒與基板之間的結合強度。

本發明之次一目的係提供一種發光二極體之晶粒黏著方法，係能夠使該發光二極體晶粒直接結合於不同材質之基板，以提升該發光二極體的使用裕度。

本發明之再一目的係提供一種發光二極體之晶粒黏著方法，係能夠降低該發光二極體與基板之間的界面熱阻抗係數，而提升熱傳導效率。

為達到前述發明目的，本發明之發光二極體之晶粒黏著方法，係包含：一前處理步驟，係加熱一活性銲料達到該活性銲料熔點以上，使得該活性銲料呈現熔化態，其中該活性銲料係由一銲料添加至少一活性元素所組成；其一，係於擾動方式將該熔化狀態之活性銲料塗覆於一基板，使得該基板形成一具有熔融活性銲料之電路線及銲點、固晶點；另外，係同時對該發光二極體晶粒，利用上述方法，進行製作一發光二極體晶粒之兩端銲點及固晶點；再將一發光二極體晶粒放置於該基板銲點及固晶點，以降溫固化後黏合於該基板之表面。

本發明之發光二極體之晶粒黏著方法，還可以於該前處理步驟中係同時對該基板進行預熱及擾動，以活化該基板之表面；且於前處理步驟中較佳係以超音波輔助擾動方式以增加活性銲料之活性成份與不具潤濕性之基板和晶片反應接合，同時能擾動熔化活性銲料之表層保護用之氧化膜，使熔化活性銲料的表面呈現一乾淨、新鮮表層，並促進活性成份擴散至表面。

本發明之發光二極體之晶粒黏著方法，更可以先於該基板二端熔融之活性銲料所形成的電路線、銲點及固晶點上，另用電鍍或無電鍍方式，在活性銲料層增加一導電金屬，或於該導電金屬表面再增加一金屬阻絕層，以將該發光二極體晶粒之銲腳分別固定於該阻絕層之表面；甚至於 操作該黏合步驟之同時另操作一輔助黏合步驟，該輔助黏合步驟係將該前處理步驟所活化的活性銲料塗佈於該發光二極體晶粒與基板之間而形成一散熱層，該散熱層與該基板二端所形成的熔融銲點係不互相接觸。

在本發明之一實施例中，該活性銲料選自錫基合金、鉍基合金、銦基合金或其他銲錫合金，並加入0.01~2重量%之稀土族元素(Re)，其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)及「鑭系元素」，其中「鑭系元素」包括：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)釓(Gd)鋱(Td)、鏑Dy、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)，但在產業的利用上，稀土族元素通常係以混合物的形態存在，常見之稀土族元素混合物通常係由：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)以及極少量的鐵、磷、硫或矽所組成。

在本發明之一實施例中，該錫基合金、鉍基合金或銦基合金混摻有6重量%以下之至少一種活性成分，其選自包含4重量%以下之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其組合；以及其餘重量為稀土族元素，該稀土族元件選自其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)及「鑭系元素」或其組合。

該活性銲料較佳係為混合有活性元素及微量稀土元素的錫基合金、銦基合金；特別係指錫-3.5 銀-0.5 銅-4 鈦(0.2%混合稀土)、錫-0.7 銀-0.7 銅-4 鈦(0.2%混合稀土)、銦-48 錫-4 鈦(0.2%混合稀土)、銦-4 鈦(0.2%混合稀土)或錫-58 鉍-4 鈦(0.2%混合稀土)。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1及2圖所示，本發明第一實施例之發光二極體之晶粒黏著方法係包含一前處理步驟S1及一黏合步驟S2。

該前處理步驟S1係加熱使活性銲料呈現熔融狀態，並以擾動方式去除一活性銲料表層的氧化膜，使得該活性銲料呈現新鮮活化態，其中該活性銲料係由一銲料添加至少一活性元素所組成。更詳言之，該銲料係選自錫基合金、鉍基合金、銦基合金或其他銲錫合金，並加入0.01~2重量%之稀土族元素(Re)，其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)及「鑭系元素」，其中「鑭系元素」包括：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)釓(Gd)鋱(Td)、鏑Dy、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)，但在產業的利用上，稀土族元素通常係以混合物的形態存在，常見之稀土族元素混合物通常係由：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)以及極少量的鐵、磷、硫或矽所組成。

在本發明之一實施例中，該錫基合金、鉍基合金或銦基合金混摻有6重量%以下之至少一種活性成分，其選自包含4重量%以下之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其組合；以及其餘重量為稀土族元素，該稀土族元件選自其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y) 及「鑭系元素」或其組合。

該接合基板係可以選擇為金屬基板(如鋁、銅…等)或非金屬基板(如陶瓷、玻璃、氮化鋁、氧化鋯…等)；甚至，該基板還可以直接選擇為一散熱座，以於後續黏著步驟S2中，將該活性銲料塗覆於該散熱座後，直接與一發光二極體晶粒2黏合。

因此，於該前處理步驟S1中必須先破壞該活性銲料表面所產生的一層極薄氧化膜，才能夠使該活性銲料維持較佳的新鮮活化態，並促進活性銲料之活性元素擴散至熔融活性銲料之表層。舉例而言，本實施例係以超音波震盪方式能加速擾動該活性銲料，以破壞該活性銲料表層的極之氧化膜，並促進熔融活性銲料內之活性元素和稀土元素擴散到表層，進而呈現活化態的活性銲料；甚至，可同時對該接合基板1進行震盪，藉以提升於後續黏合步驟S2中的接合效率和接合強度。

該黏合步驟S2係於該基板1之加熱至該活性銲料之熔點溫度以上25℃，並利用該熔融活性銲料3，使得該基板1具有活性銲料之金屬電路線及二個接點端以上，再將一發光二極體晶粒2之二端銲腳分別放置於該基板1二個接點端的熔融銲點3上，使該發光二極體晶粒2經該熔融銲點3降溫固化後黏合於該基板1之表面。更詳言之，本發明係將該前處理步驟S1及黏合步驟S2之加熱至熔點以上之5℃~75℃，使得該活性銲料均勻形成熔融態而能夠於該基板1之二端各自形成該熔融銲點3。如此，係可以將該發光二極體晶粒2之二端銲腳分別放置於該基板1二端 的熔融銲點3上，而使該發光二極體晶粒2緊密貼覆於該基板1之表面，接著使該發光二極體晶粒2於該熔融銲點3降溫至活性銲料之熔點以下5℃~25℃而固化後能夠黏合於該基板1之表面。本發明較佳係選擇以超音波輔助軟銲方式於該基板1與發光二極體晶粒2之間，在超音波震動過程中，將將熔融活性銲料且直接塗佈接合於該基板1上或是活性接合該發光二極體晶粒2於該基板1上，而能夠待該活性銲料凝固後將該基板1與發光二極體晶粒2緊密黏合，且該基板1之熔點係高於該活性銲料之熔點，藉以避免加熱過程對該基板1造成額外的損害。

舉例而言，本實施例係於具有高導熱性之氧化陶瓷基板1二端接點塗覆具有高熔點的活性銲料，使得該活性銲料於高於熔點以上之5℃~75℃時轉為熔融態。此時，係將該發光二極體晶粒2之二端銲腳放置於該基板1二端接點之熔融銲點3上，使得該活性銲料中的活性元素及稀土元素能夠與活化後的氧化陶瓷基板1表面產生新的反應層，並於該發光二極體晶粒完全接合完成後，並於後降溫至該熔融銲點3之熔點5℃~75℃後，而使得該熔融焊點3固化以穩固結合該發光二極體晶粒2於該氧化陶瓷基板1之表面。如此，該活性銲料不僅能夠於該發光二極體晶粒2與氧化陶瓷基板1間生成新的接合反應層，以提高二者間的接合強度及效率；該活性銲料接合氧化陶瓷基板1與發光二極體晶粒2後，能有效地降低該發光二極體晶粒2與氧化陶瓷基板1接合界面的熱阻抗係數，達到提升熱傳導效率且增加散熱效果之功效。

以上述方法完成該發光二極體晶粒2之黏著且進行應用時，係可以選擇於該發光二極體晶粒2之表面以打線方式連接二電極；或者，還可以選擇以覆晶結合之方式於該發光二極體晶粒2與基板1黏合之接點端面形成二電極，且使該二電極接觸該活性焊料以導通二電極，藉此該發光二極體晶粒2係能夠於該二電極電性連接外部電源後形成通路而發光。

如上所述，本發明係能夠以均勻熔融態的活性銲料黏合該發光二極體晶粒2於基板1之表面，使得該活性銲料中的活性元素可以與基板1及該發光二極體晶粒2形成新的接合反應層，藉此提升該發光二極體晶粒2於該基板1表面的結合強度；甚至透過本發明對該活性銲料與基板1表面進行超音波輔助接合之技術，使得該活性銲料中的活性元素能夠快速擴散至接合處，並與基板1之表面接合反應層，藉以提升該發光二極體晶粒2結合於基板1表面之效率。再且，本發明更可以利用該活性銲料直接將該發光二極體晶粒2黏合於具有高導熱性材質之基板1，使得經本發明之方法所黏合完成的發光二極體不僅不會有如習知層層堆疊之結構而能夠具有較低熱阻，並本接合活性銲料為高導熱金屬材料進而降低該二者接合界面間的熱阻抗係數，能快速將該發光二極體晶粒2所產生的熱傳導至該基板1之外，藉此增加熱傳導效率而達到較佳的散熱效果；更能避免該發光二極體晶粒2長時間使用產生高溫現象，進而達到延長該發光二極體使用壽命之功效。

再者，請參照第3圖所示，本發明還可以於該基板1 二端熔融之活性銲料所形成的熔融銲點3上黏合一導電金屬4，以增加該活性銲料連接該發光二極體晶粒2的導電及導熱效果，其中該導電金屬4較佳係選擇為銅、鎳、錫或其化合物等；並且於該導電金屬4表面以各式方法(如濺鍍、塗佈…等)形成一阻絕層5，藉以避免該發光二極體晶粒2進行黏著時與該導電金屬4產生過量之介金屬化合物，而降低接合強度。如此，本發明係能夠以該活性銲料於上述方法的應用下，再依不同需求任意結合各種物件，使得本發明可以產生如結合強度、導電性、導熱性等功效上的增進。

另外，請參照第4及5圖所示，係為本發明之第二實施例，本實施例與第一實施例具有相同之前處理步驟S1及黏合步驟S2，於本實施例當中，該發光二極體之晶粒黏著方法還可以於操作該黏合步驟S2之同時另操作一輔助黏合步驟S2’，該輔助黏合步驟S2’係選擇以上述方法將該經由前處理步驟S1活化的活性銲料塗佈於該發光二極體晶粒2與基板1之間而形成一散熱層6，更佳者係避免該散熱層4與該基板1二端所形成的熔融銲點3相接觸，以防止該熔融銲點3作為電極導通時造成短路，且於該黏合步驟S2中同樣以活性軟銲接合之方式使該活性銲料形成熔融態而與該發光二極體晶粒2及基板1產生高強度之接合反應層，藉此利用該活性銲料所形成之散熱層6提供較佳的熱傳導效果。其中，該散熱層6較佳係選擇為該活性銲料相同之成份，如上所述該散熱層6係可以選自由錫基合金、鉍基合金、銦基合金、銲錫合金、活性元素及稀土 元素所組成之群組。

舉例而言，本實施例係於具有高導熱性之氧化陶瓷基板二端塗覆高熔點之活性銲料的同時，另於該發光二極體2與氧化陶瓷基板1之間塗覆低熔點之活性銲料以形成該散熱層6，使得加熱溫度高於低熔點之活性銲料的熔點5~25℃時位於內側作為散熱層6之活性銲料先轉為熔融態，且繼續升溫至高熔點之之活性銲料的熔點5~50℃時，該基板1二端接點之活性銲料接著轉為熔融態，並於該發光二極體晶粒2之表面貼覆於該散熱層6及該發光二極體晶粒2之二端銲腳貼覆於熔融銲點3後降溫至高熔點之活性銲料的熔點5~25℃，使得該熔融銲點3先行固化而穩固接合該發光二極體晶粒2之二端銲腳，再繼續降溫至該散熱層6固化以完成該發光二極體晶粒2與氧化陶瓷基板1之黏著。藉此，係能夠利用高熔點之熔融銲點3先行固化之特性，將該發光二極體晶粒2之二端銲腳穩固結合於該氧化陶瓷基板1上，以防止該發光二極體晶粒2於黏合過程產生形變之可能。其中，該散熱層6與熔融銲點3所選用的活性銲料亦可以具有相同之熔點，藉以同樣達到如上所述防止該發光二極體晶粒2於黏合過程產生形變之功效。

此外，請參照第6及7圖所示，係為本發明之第二實施例，本實施例與第一實施例具有相同之前處理步驟S1及黏合步驟S2，於本實施例當中，該發光二極體之晶粒黏著方法還可以於該黏合步驟S2之前，另操作一成膜步驟S20，該成膜步驟S20係將該基板1浸漬於一具有改質材 之電解液中且通入電壓，使得該基板1之表面形成一氧化膜7。更詳言之，本實施例係可以選擇以陽極處理、硬式陽極處理或微弧氧化處理等方式，使得該鋁基板1之表面能夠形成該氧化膜7，且該氧化膜7係為一非導電絕緣層，可直接在藉該鋁基板1之表面上，直接製作活性銲料之電路圖案形成具有絕緣膜。其中，該改質材係選擇為三氧化二鋁、氮化鋁…等，如此，更可以提升本發明之發光二極體晶粒2的熱擴散效率，使得本發明具有較佳的散熱效果。

本發明之發光二極體之晶粒黏著方法係能夠使該發光二極體結合於不同材質之基板，藉以達到提升該發光二極體使用裕度之功效。

本發明發光二極體之晶粒黏著方法係能夠減少層層堆疊的結構設計，以減低熱阻而提升熱傳導效率，進而達到增加該發光二極體晶粒使用壽命之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧基板

2‧‧‧發光二極體晶粒

3‧‧‧熔融銲點

4‧‧‧導電金屬層

5‧‧‧阻絕層

6‧‧‧散熱層

7‧‧‧氧化膜

S1‧‧‧前處理步驟

S2‧‧‧黏合步驟

S2’‧‧‧輔助黏合步驟

S20‧‧‧成膜步驟

第1圖：本發明第一實施例之操作流程圖。

第2圖：本發明第一實施例之剖面結構示意圖一。

第3圖：本發明第一實施例之剖面結構示意圖二。

第4圖：本發明第二實施例之操作流程圖。

第5圖：本發明第二實施例之剖面結構示意圖。

第6圖：本發明第三實施例之操作流程圖。

第7圖：本發明第三實施例之剖面結構示意圖。

S1．．．前處理步驟

S2．．．黏合步驟

Claims (15)

1. 一種發光二極體之晶粒黏著方法，係包含：一前處理步驟，係加熱一活性銲料達到該活性銲料熔點以上，使得該活性銲料呈現熔化態，其中該活性銲料係由一銲料添加至少一活性元素所組成；一黏合步驟，係於一基板之二端塗覆該活性銲料且加熱至該活性銲料之熔點溫度以上，使得該基板之二端各自形成一熔融銲點，再將一發光二極體晶粒之二端銲腳分別放置於該基板二端的熔融銲點，使該發光二極體晶粒經該熔融銲點降溫固化後黏合於該基板之表面；其中，該活性銲料係為錫-3.5 銀-0.5 銅-4 鈦(0.2%混合稀土)、錫-0.7 銀-0.7 銅-4 鈦(0.2%混合稀土)、銦-48 錫-4 鈦(0.2%混合稀土)、銦-4 鈦(0.2%混合稀土)或錫-58 鉍-4 鈦(0.2%混合稀土)，且該混合稀土係為鈰混合鎵、鑭混合鎵或鎦混合鎵。
2. 依申請專利範圍第1項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，於該前處理步驟中係同時對該基板進行預熱及擾動，以活化該基板之表面。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該活性元素之活性係高於錫元素之活性。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該活性元素係為鈦、釩、鎂、鋰或鋯。
5. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，於該前處理步驟中係以超音波輔助擾動方式， 以增加該活性銲料之活性成份與不具潤濕性之基板和發光二極體晶粒反應接合，且同時擾動熔化該活性銲料表層保護用之氧化膜。
6. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，該黏合步驟之同時另操作一輔助黏合步驟，該輔助黏合步驟係將該前處理步驟所活化的活性銲料塗佈於該發光二極體晶粒與基板之間而形成一散熱層，該散熱層與該基板二端所形成的熔融銲點係不互相接觸。
7. 依申請專利範圍第6項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該散熱層所選用之活性銲料熔點係低於或相等於該熔融銲點所選用之活性銲料熔點。
8. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中先於該基板二端熔融之活性銲料所形成的熔融銲點上，以電鍍或無電鍍方式，另黏合一導電金屬後，再於該導電金屬表面結合一阻絕層，以將該發光二極體晶粒之銲腳分別固定於該阻絕層之表面。
9. 依申請專利範圍第8項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該導電金屬係為銅、鎳、錫或其化合物。
10. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，於該黏合步驟之前另操作一成膜步驟，該成膜步驟係將該基板浸漬於一具有改質材之電解液中且通入電壓，使得該基板之表面形成一氧化膜。
11. 依申請專利範圍第10項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該改質材係選擇為三氧化二鋁或氮化鋁。
12. 依申請專利範圍第10項所述之發光二極體之晶粒黏著 方法，其中該電解液為硫酸、鉻酸或磷酸。
13. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該發光二極體晶粒表面係以打線方式連接二電極。
14. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該發光二極體晶粒與基板黏合之端面係形成二電極，且使該二電極接觸該活性焊料以導通二電極。
15. 依申請專利範圍第1或2項所述之發光二極體之晶粒黏著方法，其中該基板之材質係為鋁、銅、氧化鋯、陶瓷、玻璃或氮化鋁。