TWI858929B

TWI858929B - 發光二極體封裝結構及其製造方法

Info

Publication number: TWI858929B
Application number: TW112136175A
Authority: TW
Inventors: 洪浩恩; 吳思翰; 賴致瑋; 施建宇; 潘明彥
Original assignee: 同欣電子工業股份有限公司
Priority date: 2023-09-22
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2024-10-11

Abstract

本發明公開一種發光二極體封裝結構及其製造方法。發光二極體封裝結構包括基板、導電結構、第一金層、第二金層、發光二極體晶片及封裝層。基板具有相對的第一表面與第二表面。導電結構包括電性連接的第一導電結構與第二導電結構。第一導電結構設置於第一表面，第二導電結構設置於第二表面。第一金層設置於第一導電結構上，第一金層的厚度大於1微米。第二金層設置於第二導電結構上，第二金層完整覆蓋第二導電結構。發光二極體晶片設置於第一金層上。封裝層設置於第一表面，並包覆第一導電結構、第一金層及發光二極體晶片。

Description

發光二極體封裝結構及其製造方法

本發明涉及一種發光二極體封裝結構及其製造方法，特別是涉及一種用於高功率車用照明的發光二極體封裝結構及其製造方法。

在現有技術中，直接電鍍銅（direct plated copper，DPC）陶瓷基板是一種應用廣泛的基板。DPC陶瓷基板兼具陶瓷的散熱特性以及金屬的導體特性，特別適用於半導體封裝結構中。

在DPC陶瓷基板的製程中，通過電鍍、濺鍍及曝光顯影的步驟，可於陶瓷基板上形成線寬間距小的圖案化線路。並且，圖案化線路與陶瓷基板之間的結合力佳，使得封裝結構具有較高的信賴性。

然而，現有的封裝結構在設計上仍有不足之處。例如，部分的導電線路會暴露於外界空氣中，露出的導電線路容易因外界的水氣或氧氣而氧化、腐蝕，進而負面影響封裝結構的信賴性。

另外，進行金-金連接（gold-gold interconnection，GGI）製程時，若導電線路上金層的厚度過薄，發光二極體晶片與金層之間的結合力不足，反而會降低封裝結構的信賴性。

故，如何通過結構設計的改良，來提升封裝結構的信賴性，克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種發光二極體封裝結構及其製造方法。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種發光二極體封裝結構。發光二極體封裝結構包括基板、導電結構、第一金層、第二金層、發光二極體晶片及封裝層。基板具有相對的第一表面與第二表面。導電結構包括電性連接的第一導電結構與第二導電結構。第一導電結構設置於第一表面，第二導電結構設置於第二表面。第一金層設置於第一導電結構上，第一金層的厚度大於1微米。第二金層設置於第二導電結構上，第二金層完整覆蓋第二導電結構。發光二極體晶片設置於第一金層上。封裝層設置於第一表面，並包覆第一導電結構、第一金層及發光二極體晶片。

於一些實施例中，第二金層的厚度小於1微米。

於一些實施例中，第一金層與第一導電結構之間設置有一鎳層。

於一些實施例中，第二金層與第二導電結構之間設置有一鎳層。

於一些實施例中，第二金層與鎳層之間進一步設置有一鈀層。

於一些實施例中，基板與導電結構之間設置有一導電層。

於一些實施例中，發光二極體晶片通過一金連接件與第一金層連接。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種發光二極體封裝結構的製造方法。發光二極體封裝結構的製造方法包括下列步驟：於一基板上形成至少一貫穿孔，貫穿孔連通基板相對的一第一表面與一第二表面。於基板上設置一導電結構，導電結構包括設置於第一表面的一第一導電結構以及設置於第二表面的一第二導電結構。進行一電鍍製程，於第一導電結構上形成一第一金層，第一金層的厚度大於1微米。進行一化學鍍製程，於第二導電結構上形成一第二金層，第二金層完整覆蓋第二導電結構。將一發光二極體晶片設置於第一金層上。於第一表面上設置一封裝層。

於一些實施例中，在設置導電結構之前進行一濺鍍製程，於第一表面、第二表面及貫穿孔的孔壁設置一導電層。

於一些實施例中，在形成第二金層後，進行一金-金連接製程，使發光二極體晶片通過一金連接件設置於第一金層上。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的發光二極體封裝結構及其製造方法，其能通過“第一金層的厚度大於1微米”以及“第二金層完整覆蓋第二導電結構”的技術方案，以提升發光二極體封裝結構的信賴性。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“發光二極體封裝結構及其製造方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

為了克服現有封裝結構的缺陷，本發明提供一種發光二極體封裝結構。在本發明的發光二極體封裝結構中，導電結構不會與外界接觸，因此，導電結構不會因外界的氧氣或水氣而氧化。在後續製程中，導電結構也不會受腐蝕。

並且，在本發明的發光二極體封裝結構中，發光二極體晶片可通過金-金連接（gold-gold interconnection，GGI）製程設置於導電結構上。由於純金本身具有良好的導電與導熱特性，故可應用於高功率車燈的發光二極體晶片。

請參閱圖1所示，本發明的發光二極體封裝結構包括：一基板1、一導電結構2、一第一金層3、一第二金層4、一發光二極體晶片5以及一封裝層6。

基板1具有相對的一第一表面11與一第二表面12。第一表面11可用於承載電子元件（例如：發光二極體晶片5）。第二表面12可用於焊錫固定，以與一外部電路連接。

基板1的材料是陶瓷材料。例如：基板1的材料可以是氮化鋁、氧化鈹、氧化鋁、碳化矽或氮化矽，但本發明不以此為限。

根據導電結構2的配置設計，基板1上可形成有至少一貫穿孔10（如圖2所示），貫穿孔10可連通第一表面11與第二表面12。

請參閱圖1所示，導電結構2設置於基板1上。於一示範實施例中，導電結構2是由貫穿孔10內延伸設置於第一表面11與第二表面12，換句話說，導電結構2可鑲嵌於基板1上。因此，導電結構2可電性連通第一表面11與第二表面12上的電子元件。

為方便說明，將導電結構2區分為一第一導電結構21、一第二導電結構22與一第三導電結構23，但實際上，第一導電結構21、第二導電結構22與第三導電結構23是一體成型。

導電結構2延伸設置至第一表面11的部分稱為第一導電結構21，第一導電結構21於第一表面11上形成一圖案化結構。導電結構2延伸設置至第二表面12的部分稱為第二導電結構22，第二導電結構22於第二表面12上形成另一圖案化結構。導電結構2設置於貫穿孔10內的部分稱為第三導電結構23。也就是說，第三導電結構23的兩端分別連接第一導電結構21以及第二導電結構22。

導電結構2可以通過直接電鍍銅（direct plated copper，DPC）製程或是填充導電膏的方式設置於基板1上，但本發明不以此為限。

為了增加導電結構2與基板1之的結合力，可於導電結構2與基板1之間設置一導電層2A。舉例來說，導電層2A可以是鈦銅合金。

請參閱圖3所示，導電層2A可形成於貫穿孔10的孔壁、第一表面11、第二表面12以及基板1的側壁。值得說明的是，由於製程中還會進行曝光顯影的步驟，最終僅有部分的導電層2A會保留於成品中。舉例來說，在圖1所示的發光二極體封裝結構中，僅位於導電結構2與基板1之間的導電層2A被保留。

請參閱圖1所示，第一金層3設置於第一導電結構21上。於本發明中，第一金層3的厚度大於1微米。據此，第一金層3有利於後續設置發光二極體晶片5。於一示範實施例中，第一金層3覆蓋於第一導電結構21的上表面，但並未覆蓋第一導電結構21的側表面。然而，本發明不以此為限。

由於第一金層3的厚度大於1微米，故第一金層3可與金連接件5A之間具有良好的結合力。如此一來，發光二極體晶片5可通過金-金連接製程設置於第一導電結構21上，還可適用於高功率車燈的發光二極體晶片。此處的金連接件5A可以是金球，但本發明不以此為限。

在金-金連接製程中，若第一金層3的厚度小於1微米，第一金層3與金連接件5A之間的結合力不足，發光二極體封裝結構的信賴性會因此降低。

為了避免第一導電結構21中的銅原子遷移（migration）或擴散（diffusion）至第一金層3中，可於第一金層3與第一導電結構21之間設置一鎳層3A，作為障蔽層。鎳層3A的厚度可以為2.5微米至7.5微米，第一金層3的厚度可為1微米至2微米，且大於1微米。然而，本發明不限於此。

請參閱圖1所示，第二金層4設置於第二導電結構22上。於本發明中，第二金層4完整覆蓋第二導電結構22，即，第二金層4設置於第二導電結構22的上表面及側表面，以防止第二導電結構22暴露於外界環境或於製程中受腐蝕。因此，第二金層4的設置除了可方便與外部電路連接之外，還可達到保護第二導電結構22的效果。

於一示範實施例中，第二金層4的厚度可以小於1微米。若第二金層4的厚度大於1微米，除了成本會上升之外，也會使表面貼焊技術（Surface Mount Technology，SMT）的熔點上升，進而導致銲錫熔融不完全，增加發生焊接缺陷的風險。

為了避免第二導電結構22的銅原子遷移或擴散至第二金層4，可於第二金層4與第二導電結構22之間設置一鎳層4A，作為障蔽層。類似的，為了避免鎳層4A中的鎳原子遷移或擴散至第二金層4，可進一步於第二金層4與鎳層4A之間設置一鈀層4B，作為障蔽層。

於一示範實施例中，當第二導電結構22上設置有鎳層4A與第二金層4時，鎳層4A的厚度可以為2.5微米至7.5微米，第二金層4的厚度可以為0.025微米至0.0625微米。於另一示範實施例中，當第二導電結構22上設置有鎳層4A、鈀層4B與第二金層4時，鎳層4A的厚度可以為2.5微米至7.5微米，鈀層4B的厚度可以為0.05微米至0.15微米，第二金層4的厚度可以為0.05微米至0.15微米。

請參閱圖1所示，封裝層6設置於第一表面11，並包覆第一導電結構21、第一金層3及發光二極體晶片5，以防止第一導電結構21、第一金層3及發光二極體晶片5與外界接觸。

封裝層6可通過模塑製程形成，但本發明不以此為限。封裝層6的材料可以是矽膠。

請合併參閱圖2至圖11，本發明的發光二極體封裝結構的製造方法可包括下列步驟S1至S6，但其僅用於輔助說明本發明的其中一實施態樣，非用於限制本發明。

在步驟S1中，於基板1上形成至少一貫穿孔10，貫穿孔10連通第一表面11與第二表面12（如圖2所示）。於一示範實施例中，基板1是氮化鋁基板，貫穿孔10是通過一雷射鑽孔製程所形成。

如前所述，為了提升導電結構2與基板1之間的結合力，可進行一濺鍍製程，於第一表面11、第二表面12、基板1的側面以及貫穿孔10的孔壁上設置導電層2A（如圖3所示）。於一示範實施例中，導電層2A是鈦銅合金。

接著，於第一表面11及第二表面12上各自覆蓋一乾膜光阻F1（dry film photoresist）（如圖4所示），並進行一曝光顯影製程。通過光罩上的圖案化設計，部分的乾膜光阻F1會被蝕刻。剩餘的乾膜光阻F1與基板1之間形成一階梯式結構（如圖5所示）。

在步驟S2中，於基板1上設置導電結構2。具體來說，導電結構2填補於貫穿孔10中，並設置於階梯式結構上。導電結構2於第一表面11上形成第一導電結構21，於第二表面12上形成第二導電結構22。於一示範實施例中，導電結構2（第一導電結構21與第二導電結構22）的上表面與乾膜光阻F1的上表面齊平（如圖6所示）。

在步驟S3中，進行一電鍍製程，於第一導電結構21上形成第一金層3。為了防止第二導電結構22受電鍍製程影響，在電鍍製程前，覆蓋另一乾膜光阻F2於第二導電結構22上（如圖7所示）。

在電鍍製程中，先進行一脫脂（degreasing）步驟，使用酸性藥水洗去第一導電結構21上的部分氧化物及汙染，以降低第一導電結構21的表面張力。在脫脂步驟後，依序以熱水、去離子水清洗第一導電結構21。

接著，進行一微蝕刻（micro etching）步驟，使用過硫酸鈉（Na ₂S ₂O ₈）與硫酸洗去第一導電結構21上的氧化物，並使第一導電結構21的表面粗糙化。表面粗糙化後的第一導電結構21，可與鎳層3A具有較佳的密著性。在微蝕刻步驟後，以去離子水清洗第一導電結構21。

接著，進行一酸洗（acid dipping）步驟，以硫酸去除第一導電結構21上的氧化物。在酸洗步驟後，以去離子水清洗第一導電結構21。

接著，進行一預電鍍鎳（nickel pre-plating）步驟，於第一導電結構21的表面先形成一緻密的薄鎳層，以利於後續步驟。

接著，進行一電鍍鎳（nickel electroplating）步驟。在電鍍鎳步驟中，將第一導電結構21與一鎳金屬塊浸泡於一電解液中，第一導電結構21作為陰極，鎳金屬塊作為陽極。

據此，鎳層3A形成於第一導電結構21上。鎳層3A的厚度可通過電鍍時的電流密度及時間決定。於一示範實施例中，鎳層3A的厚度為5微米。在電鍍鎳步驟後，以去離子水清洗鎳層3A。

接著，進行一預電鍍金（gold pre-plating）步驟，於鎳層3A的表面先形成一緻密的薄金層，以利於後續步驟。

接著，進行一電鍍金（gold electroplating）步驟。在電鍍金步驟中，將第一導電結構21（陰極）與白金鈦鋼（陽極）浸泡於一電解液中，電解液中含有氰化亞金鉀（K[Au(CN) ₂]）。

據此，第一金層3形成於鎳層3A上。第一金層3的厚度可通過電鍍時的電流密度及時間決定。於一示範實施例中，第一金層3的厚度大於1微米（例如：1.1微米）。在電鍍金步驟後，以去離子水清洗第一金層3。

接著，進行一蝕刻步驟，以去除乾膜光阻F1、F2以及部分的導電層2A，僅保留位於基板1與導電結構2之間的導電層2A（如圖8所示）。

在步驟S4中，進行一化學鍍（chemical plating）製程，於第二導電結構22上形成第二金層4。為了防止第一導電結構21受化學鍍製程影響，在化學鍍製程前，覆蓋一防鍍膠帶F3於第一導電結構21上（如圖9所示）。

值得說明的是，化學鍍是利用化學鍍液中的強還原劑，達到電子轉移（氧化還原）的效果。通過電子的轉移，進而獲得沉積的金屬層。當被鍍基板的表面都被金屬覆蓋後，被鍍基板無法再被氧化，故化學鍍的厚度具有一定的限制。由於化學鍍的作用並無區域性限制，金屬鍍層可完整覆蓋被鍍基材，即，金屬鍍層可完整覆蓋第二導電結構22。

在化學鍍製程中，進行如前所述的脫脂步驟，去除第二導電結構22上的部分氧化物及汙染。在脫脂步驟後，依序以熱水、去離子水清洗第二導電結構22。

接著，依序進行如前所述的微蝕刻步驟以及酸洗步驟，並分別於微蝕刻步驟以及酸洗步驟後，以去離子水清洗第二導電結構22。

接著，進行一預浸（pre-dipping）步驟，將第二導電結構22浸於硫酸中，使第二導電結構22表面維持一無氧狀態。

接著，進行一活化（activation）步驟。將無氧狀態下的第二導電結構22，浸於硫酸鈀與硫酸的混合溶液中。通過化學置換反應（exchange reaction），混合溶液中的鈀離子可附著於第二導電結構22的表面形成鈀金屬。鈀金屬可於後續步驟中作為觸媒，促進鎳金屬的沉積。在活化步驟後，以去離子水清洗第二導電結構22。

接著，進行一後浸（post-dipping）步驟，將第二導電結構22浸於一表面處理液中，以鈍化（passivation）附著於第二導電結構22上的鈀金屬。於一示範實施例中，表面處理液是ACCEMULTA ^®WHE-5。在後浸步驟後，以去離子水清洗第二導電結構22。

接著，進行一化學鍍鎳（nickel chemical plating）步驟。將第二導電結構22浸於一第一化學鍍液中，以形成鎳層4A（如圖10所示）。第一化學鍍液中包括硫酸鎳、次磷酸二氫鈉、錯合劑以及氫氧化鈉。其中，硫酸鎳用於提供鎳離子，次磷酸二氫鈉作為還原劑還原鎳離子，錯合劑可避免氫氧化鎳的生成，氫氧化鈉用於維持第一化學鍍液的酸鹼值。

於一示範實施例中，鎳層4A的厚度為5微米。在化學鍍鎳步驟後，以去離子水清洗鎳層4A。

接著，進行一化學鍍鈀（palladium chemical plating）步驟。將鎳層4A浸於一第二化學鍍液中，以形成鈀層4B（如圖10所示）。第二化學鍍液中包括二氯四氨鈀（Pd(NH ₃) ₄Cl ₂）以及次磷酸鈉（NaH ₂PO ₂）（還原劑）。於一示範實施例中，鈀層4B的厚度為0.1微米。在化學鍍鈀步驟後，以去離子水清洗鈀層4B。

接著，進行一化學置換金（gold chemical exchanging）步驟。將鈀層4B浸於一第三化學鍍液中，以形成第二金層4（如圖10所示）。第三化學鍍液中包括氰化亞金鉀（K[Au(CN) ₂]）、有機酸以及還原劑。於一示範實施例中，第二金層4的厚度為0.1微米。在化學置換金步驟後，先回收金離子後，再以去離子水清洗第二金層4，並可去除覆蓋於第一表面1的防鍍膠帶F3。

值得注意的是，上述化學鍍鈀步驟可選擇性進行。也就是說，可省略化學鍍鈀步驟，於化學鍍鎳步驟後直接進行化學置換金步驟。

在步驟S5中，將發光二極體晶片5設置於第一金層3上（如圖11所示）。於一示範實施例中，進行金-金連接製程，發光二極體晶片5通過金連接件5A設置於第一金層3上，並可與第一導電結構21電性連接。

在步驟S6中，進行一模塑步驟，於第一表面11設置封裝層6（如圖1所示）。封裝層6包覆第一導電結構21、第一金層3以及發光二極體晶片5，以阻隔外界。

根據上述步驟S1至S6，第一金層3是通過電鍍製程所形成，第一金層3的厚度大於1微米，故可與金連接件5A具有良好的結合力。第二金層4是通過化學鍍製程所形成，第二金層4完整覆蓋第二導電結構22，故可防止第二導電結構22與外界接觸而氧化或受腐蝕。因此，本發明的發光二極體封裝結構可具有良好的信賴性。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的發光二極體封裝結構及其製造方法，其能通過“第一金層3的厚度大於1微米”以及“第二金層4完整覆蓋第二導電結構22”的技術方案，以提升發光二極體封裝結構的信賴性。

更進一步來說，設置於第一金層3與第一導電結構21之間的鎳層3A作為阻障層，可防止第一導電結構21中的銅原子擴散至第一金層3，而影響第一金層3的純度。類似的，設置於第二金層4與第二導電結構22之間的鎳層4A作為阻障層，可防止第二導電結構22中的銅原子擴散至第二金層4。另外，設置於鎳層4A與第二金層4之間的鈀層4B，在銲錫時可與錫金屬形成介面金屬共化物，進而提升焊錫後的結合效果。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:基板 11:第一表面 12:第二表面 10:貫穿孔 2:導電結構 21:第一導電結構 22:第二導電結構 23:第三導電結構 2A:導電層 3:第一金層 3A:鎳層 4:第二金層 4A:鎳層 4B:鈀層 5:發光二極體晶片 5A:金連接件 6:封裝體 F1:乾膜光阻 F2:乾膜光阻 F3:防鍍膠帶

圖1為本發明發光二極體封裝結構的側視示意圖。

圖2至圖11為本發明發光二極體封裝結構的製造方法的步驟示意圖。

1:基板

11:第一表面

12:第二表面

2:導電結構

21:第一導電結構

22:第二導電結構

23:第三導電結構

2A:導電層

3:第一金層

3A:鎳層

4:第二金層

4A:鎳層

4B:鈀層

5:發光二極體晶片

5A:金連接件

6:封裝體

Claims

一種發光二極體封裝結構，其包括：一基板，其具有相對的一第一表面與一第二表面，並且所述基板形成有可連通所述第一表面與所述第二表面的至少一貫穿孔；一導電結構，其由所述貫穿孔內延伸設置於所述第一表面與所述第二表面，所述導電結構包括電性連接的一第一導電結構與一第二導電結構，所述第一導電結構設置於所述第一表面，所述第二導電結構設置於所述第二表面；一第一金層，其設置於所述第一導電結構上，所述第一金層的厚度大於1微米；一第二金層，其設置於所述第二導電結構上，所述第二金層完整覆蓋所述第二導電結構，並且接觸於所述第二表面；一發光二極體晶片，其設置於所述第一金層上；以及一封裝層，其設置於所述第一表面，並包覆所述第一導電結構、所述第一金層及所述發光二極體晶片。
如請求項1所述的發光二極體封裝結構，其中，所述第二金層的厚度小於1微米。
如請求項1所述的發光二極體封裝結構，其中，所述第一金層與所述第一導電結構之間設置有一鎳層。
如請求項1所述的發光二極體封裝結構，其中，所述第二金層與所述第二導電結構之間設置有一鎳層。
如請求項4所述的發光二極體封裝結構，其中，所述第二金層與所述鎳層之間進一步設置有一鈀層。
如請求項1所述的發光二極體封裝結構，其中，所述基板與所述導電結構之間設置有一導電層。
如請求項1所述的發光二極體封裝結構，其中，所述發光二極體晶片通過一金連接件與所述第一金層連接。
一種發光二極體封裝結構的製造方法，其包括：於一基板上形成至少一貫穿孔，所述貫穿孔連通所述基板相對的一第一表面與一第二表面；於所述基板上設置一導電結構，所述導電結構由所述貫穿孔內延伸設置於所述第一表面與所述第二表面，所述導電結構包括設置於所述第一表面的一第一導電結構以及設置於所述第二表面的一第二導電結構；進行一電鍍製程，於所述第一導電結構上形成一第一金層，所述第一金層的厚度大於1微米；進行一化學鍍製程，於所述第二導電結構上形成一第二金層，所述第二金層完整覆蓋所述第二導電結構，並且接觸於所述第二表面；將一發光二極體晶片設置於所述第一金層上；以及於所述第一表面上設置一封裝層，以包覆所述第一導電結構、所述第一金層以及所述發光二極體晶片。
如請求項8所述的製造方法，進一步包括：在設置所述導電結構之前進行一濺鍍製程，於所述第一表面、所述第二表面及所述貫穿孔的孔壁設置一導電層。
如請求項8所述的製造方法，其中，在形成所述第二金層後，進行一金-金連接製程，使所述發光二極體晶片通過一金連接件設置於所述第一金層上。