专利名称:光学芯片的封装构造及其制造方法
光学芯片的封装构造及其制造方法
技术领域:
本发明涉及一种光学芯片的封装构造及其制造方法,特别是关于一种具有导电通 孔的光学芯片的封装构造及其制造方法。
背景技术:
随着生活品质提高及环保意识抬头,绿色资源的开发及使用越来越广泛,其中的 一项重点项目即为各种发光二极管(light emitting diode,LED)于照明上的应用,由于发 光二极管具有省电及长寿命等优势,因此与发光二极管相关的技术不断被研发及改良,以 提升光取出效率(light extraction efficiency)、改善散热效率及延长使用寿命等。上述 改良除了与发光二极管芯片本身的半导体材料有关之外,亦与发光二极管芯片的封装方式 存在极大的相关性。请参照图1、2及3所示,其揭示3种现有发光二极管芯片的封装构造。如图1所示,一种现有发光二极管芯片的封装构造包含一基板11、一电路层12、一 黏着层13、一光学芯片14、至少二导线15及一透光封装材料16。所述基板11的正面形成 所述电路层12,所述光学芯片14利用所述黏着层13固定于所述基板11上。所述光学芯片 14的光学表面(亦即发光表面)朝上并具有焊垫(未标示),其利用所述导线15电性连接 至所述电路层12。最后,利用所述透光封装材料16包覆保护所述光学芯片14及导线15等 部位,即可完成封装制程。如图2所示,另一种现有发光二极管芯片的封装构造包含一第一引脚21、一第二 引脚22、一黏着层23、一光学芯片24、至少二导线25、一透光封装材料26及一萤光填充材 料27。所述第一引脚21的顶面凹陷形成一杯状凹部211,使所述光学芯片24利用所述黏 着层23固定于所述杯状凹部211内。所述杯状凹部211的其余空间则利用所述萤光填充 材料27加以填满。所述光学芯片24的光学表面(亦即发光表面)朝上并具有焊垫(未标 示),其利用所述导线25电性连接至所述第一引脚21及第二引脚22。最后,利用所述透光 封装材料26包覆保护所述光学芯片24、导线25及萤光填充材料27等部位,即可完成封装 制程。如图3所示,再一种现有发光二极管芯片的封装构造包含一基板31、二导电端32、 二凸块33 (bump)、一光学芯片34、二电极35及一透光封装材料36。所述基板31的二侧端 形成所述导电端32,所述光学芯片34的光学表面(亦即发光表面)朝下并具有焊垫(未标 示),其形成所述电极35,并利用所述凸块33电性连接至所述导电端32。最后,利用所述透 光封装材料36包覆保护所述光学芯片34及凸块33等部位,即可完成封装制程。然而,图1至3的发光二极管芯片的封装构造在实际使用上仍具有下述问题,例 如图1及2的光学芯片14、24是利用所述导线15、25导入电源,但所述导线15、25的一部 分位于所述光学芯片14、24的二侧上方,会阻挡光线向外发射及影响光取出效率。再者,图 1及2的光学芯片14、24是利用所述黏着层13、23分别固定在所述基板11或第一引脚21 上,但是所述黏着层13、23的导热效果较差,会影响所述光学芯片14、24将产生的热能传递至所述基板11或第一引脚21的散热效率。当所述光学芯片14、24产生的热能无法有效驱 散时,将会影响所述光学芯片14、24的光学表面的半导体材料的发光效率。因此,考量散热 因素,图1及2的封装构造通常仅适用在封装功率在1瓦特(w)以下的发光二极管芯片。另 一方面,虽然图3的倒装芯片式的光学芯片34没有设置导线,且所述光学芯片34产生的热 能可通过所述电极35及凸块33传递至所述导电端32及基板31,而具有相对较高的散热效 率。但是,由于所述光学芯片34的光学表面朝下,故所述光学芯片34的光学表面产生的光 线必需先投射至所述电极35或基板31上,接着才能反射数次向外射出;或者,光线必需向 上穿透所述光学芯片34,接着才能反射数次向外射出,因此图3的倒装芯片式封装构造仍 会造成所述光学芯片34的光取出效率相对低落。故,有必要提供一种光学芯片的封装构造及其制造方法,以解决现有技术所存在 的问题。
发明内容本发明的主要目的在于提供一种光学芯片的封装构造及其制造方法,其是利用导 电通孔(via)电性连接光学表面及背面,以便使电源线路布局位于背面而避免影响光学表 面朝上发光,进而提升光取出效率。本发明的次要目的在于提供一种光学芯片的封装构造及其制造方法,其是利用导 电通孔电性连接光学表面及背面,以便使背面朝下并通过导电金属球将热能迅速导出,进 而提升散热效率,并延长使用寿命。本发明的另一目的在于提供一种光学芯片的封装构造及其制造方法,其是利用导 电通孔电性连接光学表面及背面,并搭配使用透明盖板,使得整体封装构造的尺寸能缩小 到晶圆级的芯片尺寸封装(wafer level chip scale package,WLCSP),进而有利于封装构 造的微型化(miniaturization)。为达上述目的,本发明提供一种光学芯片的封装构造,其包含一光学芯片及至少 二导电金属球。所述光学芯片具有一光学表面、一背面及至少二导电通孔,所述光学表面朝 上,而所述背面朝下。所述导电通孔贯穿所述光学芯片,所述导电通孔的一第一端电性连接 所述光学表面,及其一第二端连接至所述背面。所述导电金属球电性连接至所述导电通孔
的第二端。在本发明的一实施例中,所述背面更包含一再分布层(re-distribution layer, RDL),所述再分布层电性连接所述导电通孔的所述第二端及所述导电金属球。在本发明的一实施例中,所述光学芯片利用所述导电金属球结合于一基板上。所 述基板上具有一透光封装材料,以包覆所述光学芯片及导电金属球。在本发明的一实施例中,所述光学芯片的所述光学表面上另设有一萤光填充材料 层。所述萤光填充材料层上另设有一透明盖板。所述透明盖板选自玻璃盖板。在本发明的一实施例中,所述光学芯片的所述光学表面上另设有一具有一凹陷部 的透明盖板,且所述凹陷部内填入一萤光填充材料。所述透明盖板选自玻璃盖板。在本发明的一实施例中,所述导电金属球选自锡凸块(solder-containingbump)、 金凸块(gold-containing bump)或锡球(solder ball)。所述光学芯片是发光二极管芯 片。
另一方面,本发明提供一种光学芯片的封装构造的制造方法,其包含步骤提供一 光学晶圆,包含数个光学芯片,其中所述光学芯片具有一光学表面及一背面;在所述光学晶 圆的所述光学芯片上分别形成至少二导电通孔,其中所述导电通孔贯穿所述光学芯片,所 述导电通孔包含一电性连接所述光学表面的第一端,及一连接至所述背面的第二端;在所 述光学晶圆的各所述光学芯片的所述背面分别形成至少二导电金属球,所述导电金属球分 别电性连接至所述导电通孔的第二端;及切割所述光学晶圆,以分离所述光学芯片。在本发明的一实施例中,在形成所述导电金属球之前,另在所述光学晶圆的所述 光学芯片的所述背面形成一再分布层(re-distribution layer, RDL),且所述再分布层是 电性连接所述导电通孔的所述第二端及所述导电金属球。在本发明的一实施例中,在分离所述光学芯片之后,利用所述导电金属球将所述 光学芯片固设于复数个对应基板上。所述基板具有一透光封装材料,以包覆所述光学芯片 及导电金属球。在本发明的一实施例中,在形成所述导电金属球之前,另在所述光学芯片的所述 光学表面上依序设置一萤光填充材料层及一透明盖板。所述透明盖板选自玻璃盖板。在本发明的一实施例中,在形成所述导电金属球之前,另在所述光学芯片的所述 光学表面上设置一具有一凹陷部的透明盖板,其中所述凹陷部内填入一萤光填充材料。所 述透明盖板选自玻璃盖板。在本发明的一实施例中,所述导电金属球选自锡凸块、金凸块或锡球。所述光学芯 片是发光二极管芯片。
图1 现有发光二极管芯片的封装构造的示意图。图2 另一现有发光二极管芯片的封装构造的示意图。图3 再一现有发光二极管芯片的封装构造的示意图。图4A、4B、4C、4D、4E、4F及4G 本发明第一实施例的光学芯片的封装构造的制造方 法的示意图。图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G及5H 本发明第二实施例的光学芯片的封装构造的制
造方法的示意图。图6A、6B、6C、6D、6E、6F及6G 本发明第三实施例的光学芯片的封装构造的制造方
法的示意图。
具体实施方式为让本发明上述目的、特征及优点更明显易懂,下文特举本发明较佳实施例,并配 合附图,作详细说明如下 请参照图4A、4B、4C、4D、4E、4F及4G所示,本发明第一实施例的光学芯片的封装构 造的制造方法主要包含下列步骤提供一光学晶圆4,其包含数个光学芯片40,其中所述光 学芯片40具有一光学表面41及一背面42 ;在所述光学晶圆4的所述光学芯片40分别形 成至少二导电通孔43,其中所述导电通孔43贯穿所述光学芯片40,所述导电通孔43的一 第一端电性连接所述光学表面41,及其一第二端连接至所述背面42 ;在所述光学晶圆4的
5各所述光学芯片40的背面42分别形成至少二导电金属球44,所述导电金属球44分别电性 连接至所述导电通孔43的第二端;及切割所述光学晶圆4,以分离所述光学芯片40。请参照图4A所示,本发明第一实施例的光学芯片的封装构造的制造方法第一步 骤是提供一光学晶圆4,其包含数个光学芯片40,其中所述光学芯片40分别具有一光学表 面41及一背面42。在本步骤中,所述光学晶圆4所包含的光学芯片40优选是选自发光二 极芯片(LED chip)、有机发光二极芯片(OLED chip)或高分子发光二极芯片(PLED chip) 等光学芯片。依实际需求,所述光学晶圆4的基材可选自硅(Si)、氮化镓(GaN)或其他半导 体基材。所述光学芯片40的光学表面41是指具有光学半导体材料并可产生光学反应的表 面,其可选自单层或多层的光学表面,并可依电致发光(electro-luminescent)或光致发 光(photo-luminescent)原理产生至少一种色光。在本发明中,并不限定所述光学晶圆4 的基材种类或所述光学表面41的层数及其产生色光的颜色。再者,所述背面42是指所述 光学芯片40不具光学半导体材料的另一表面,所述背面42通常裸露所述光学晶圆4的基 材。请参照图4B及4C所示,本发明第一实施例的光学芯片的封装构造的制造方法第 二步骤是在所述光学晶圆4的各所述光学芯片40分别形成至少二导电通孔43,其中所述 导电通孔43贯穿所述光学芯片40,所述导电通孔43具有一电性连接所述光学表面41的 第一端,及一连接至所述背面42的第二端。在本步骤中,本发明是选择以晶圆通孔(wafer through hole,WTH)技术(亦称为贯穿硅晶通孔技术,through silicon via, TSV)处理所 述光学晶圆4的各光学芯片40。上述晶圆通孔技术可选择利用激光钻孔、机械钻孔或者光 刻胶(photo-resist)搭配蚀刻等方式先形成贯穿所述光学表面41及背面42的通孔,接着 再利用电镀(electroplating)、无电镀(electroless plating)或印刷(printing)等方式 将铜或其他导电金属填入所述通孔中,藉此形成所述导电通孔43 (throughvia)。所述导电 通孔43的第一端电性连接所述光学表面41,及其第二端连接至所述背面42,并裸露于所述 背面42。如图4C所示,在本步骤之后及第三步骤之前,本发明优选是选择在所述光学晶圆 4的光学芯片40的背面42预先形成一再分布层420 (re-distributionlayer, RDL),所述再 分布层420包含至少二焊垫,并可选择形成一绝缘层421。所述再分布层420的焊垫对应结 合于所述导电通孔43的第二端,所述绝缘层421则覆盖所述焊垫的周缘及所述焊垫421以 外的其他区域。请参照图4D所示,本发明第一实施例的光学芯片的封装构造的制造方法第三步 骤是在所述光学晶圆4的各所述光学芯片40的背面42分别形成至少二导电金属球44, 所述导电金属球44分别电性连接至所述导电通孔43的第二端。在本步骤中,所述导电金 属球44可选择通过所述再分布层420的焊垫而间接电性连接至所述导电通孔43的第二 端;或者,若未设置所述再分布层420,所述导电金属球44则可直接电性连接至所述导电 通孔43的第二端。再者,在本步骤中,所述导电金属球可选自含有锡材料或锡合金的锡 凸块(solder-containing bump)、锡球(solder ball)或含有金材料或金合金的金凸块 (gold-containing bump)。本发明是可利用现有的电镀或印刷制程搭配回流焊(reflow) 制程,而直接在所述光学晶圆4的各光学芯片40的背面42形成所述导电金属球44(亦即 锡凸块);或者,利用金线打线(wire bonding)及扯断的方式,直接在所述光学晶圆4的各
6光学芯片40的背面42形成所述导电金属球44 (亦即含金凸块);或者,亦可先预制所述导 电金属球44,再将其焊接至所述光学晶圆4的各光学芯片40的背面42 (亦即锡球)。当所 述导电金属球44选自锡凸块时,通常需要预先形成至少一球底金属层(未绘示)于所述再 分布层420的焊垫上或所述导电通孔43的第二端上,以增加结合强度。在本实施例中,亦 可能另外存在某些导电金属球44未与所述导电通孔43的第二端电性连接,此时所述些导 电金属球44仍可用以支撑所述光学芯片40或导出所述光学芯片40的热能。请参照图4E及4F所示,本发明第一实施例的光学芯片的封装构造的制造方法第 四步骤是切割所述光学晶圆4,以分离所述光学芯片40。在本步骤中,本发明是可选择利 用机械切割、激光切割或水刀切割等方式切割所述光学晶圆4,以分离(singulating)所述 光学芯片40。在切割之后,各所述光学芯片40皆具有所述光学表面41、背面42及至少二 导电通孔43,所述光学表面41朝上,而所述背面42朝下。所述导电通孔43贯穿所述光学 芯片40,所述导电通孔43的第一端电性连接所述光学表面41,及其第二端连接至所述背面 42。所述导电金属球44电性连接至所述导电通孔43的第二端。如此,所述导电金属球44 可将一外部电源通过所述导电通孔43而导引至各光学芯片40的光学表面41,以产生光学 反应(例如产生特定色光)。请参照图4G所示,在分离所述光学芯片40之后,本发明第一实施例可选择进一步 利用所述导电金属球44将所述光学芯片40分别固设于复数个对应基板45上。所述基板 45是一封装用印刷电路板,且优选是选自一杯状基板,但并不限于此。当所述基板45选自 杯状基板时,所述基板45填满一透光封装材料46,以包覆保护所述光学芯片40及导电金属 球44。必要时,所述透光封装材料46可选择混掺萤光粉,以改变所述光学芯片40产生的 色光的颜色。如此,即完成本实施例的光学芯片40的封装制程。当所述基板45及导电金 属球44导入一外部电源时,外部电源可通过所述导电通孔43而导引至所述光学芯片40的 光学表面41,以产生光学反应(例如产生特定色光)。同时,在产生光学反应期间造成的热 能,则可通过所述导电金属球44 (及导电通孔43)导出至所述基板45。请参照图5A、5B、5C、5D、5E、5F及5G所示,本发明第二实施例的光学芯片的封装构 造及其制造方法是相似于本发明第一实施例,但所述第二实施例的光学芯片的封装构造的 制造方法是包含下列步骤提供一光学晶圆5,其包含数个光学芯片50,其中所述光学芯片 50具有一光学表面51及一背面52 ;在所述光学晶圆5的各所述光学芯片50分别形成至少 二导电通孔53,其中所述导电通孔53贯穿所述光学芯片50,所述导电通孔53具有一电性 连接所述光学表面51的第一端,及一连接至所述背面52的第二端;在所述光学芯片50的 光学表面51上依序设置一萤光填充材料层54及一透明盖板55 ;在所述光学晶圆5的各所 述光学芯片50的背面52分别形成至少二导电金属球56,所述导电金属球56分别电性连 接至所述导电通孔53的第二端;及切割所述光学晶圆5,以分离所述光学芯片50。再者,如 图5C所示,在第二步骤之后及第三步骤之前,本发明优选是选择在所述光学晶圆5的光学 芯片50的背面52预先形成一再分布层520,其同样包含至少二焊垫,并可选择形成一绝缘 层521。如图5D所示,所述萤光填充材料层54是由萤光粉及黏着剂混合而成,本发明并不 限定其混合比例。所述萤光填充材料层54用以改变所述光学芯片50产生的色光的颜色。 如图5E所示,所述透明盖板55优选是选自玻璃盖板。请参照图5G所示,在分离所述光学芯片50之后,各光学芯片50的光学表面51上
7皆具有所述萤光填充材料层54及透明盖板55,所述透明盖板55具有保护作用,因此可取代 透光封装材料。此时,已完成本实施例的光学芯片50的封装制程。再者,如图5H所示,在 组装时,本发明第二实施例可直接利用所述导电金属球56将所述光学芯片50固设于数个 对应电路板57上。当所述电路板57及导电金属球56导入一外部电源时,外部电源可通过 所述导电通孔53而导引至所述光学芯片50的光学表面51,以产生光学反应(例如产生特 定色光)。同时,在产生光学反应期间造成的热能,则可通过所述导电金属球56(及导电通 孔53)导出至所述电路板57。请参照图6A、6B、6C、6D、6E、6F及6G所示,本发明第三实施例的光学芯片的封装构 造及其制造方法是相似于本发明第一及二实施例,但所述第三实施例的光学芯片的封装构 造的制造方法是包含下列步骤提供一光学晶圆6,其包含数个光学芯片60,其中所述光学 芯片60具有一光学表面61及一背面62 ;在所述光学晶圆6的各所述光学芯片60分别形 成至少二导电通孔63,其中所述导电通孔63贯穿所述光学芯片60,所述导电通孔63具有 一电性连接所述光学表面61的第一端,及一连接至所述背面62的第二端;在所述光学芯片 60的光学表面61上设置一透明盖板64,其具有一凹陷部641,所述凹陷部641内具有一萤 光填充材料65 ;在所述光学晶圆6的各所述光学芯片60的背面62分别形成至少二导电金 属球66,所述导电金属球66分别电性连接至所述导电通孔63的第二端;及切割所述光学 晶圆6,以分离所述光学芯片60。再者,如图6C所示,在第二步骤之后及第三步骤之前,本 发明优选是选择在所述光学晶圆6的光学芯片60的背面62预先形成一再分布层620,其同 样包含至少二焊垫,并可选择形成一绝缘层621。如图6D所示,所述透明盖板64优选是选 自玻璃盖板,且所述透明盖板64优选是利用一黏着层(未绘示)结合在所述光学表面61 上。所述凹陷部641是可形成各种形成,例如矩形、圆形、弧形或其他几何形状。所述萤光 填充材料65是由萤光粉及黏着剂混合而成,本发明并不限定其混合比例。所述萤光填充材 料层65用以改变所述光学芯片60产生的色光的颜色。请参照图6F所示,在分离所述光学芯片60之后,各光学芯片60的光学表面61上 皆具有所述萤光填充材料65及透明盖板64,所述透明盖板64具有保护作用,因此可取代透 光封装材料。此时,已完成本实施例的光学芯片60的封装制程。再者,如图6G所示,在组 装时,本发明第三实施例可直接利用所述导电金属球66将所述光学芯片60固设于数个对 应电路板67上。当所述电路板67及导电金属球66导入一外部电源时,外部电源可通过所 述导电通孔63而导引至所述光学芯片60的光学表面61,以产生光学反应(例如产生特定 色光)。同时,在产生光学反应期间造成的热能,则可通过所述导电金属球66 (及导电通孔 63)导出至所述电路板67。如上所述,相较于现有发光二极管芯片的封装构造常因设置导线或以倒装芯片方 式封装而影响光取出效率,或者因设置黏着层而影响散热效率等缺点,图4至6的本发明利 用所述导电通孔43、53、63电性连接所述光学表面41、51、61及背面42、52、62,以便使电源 线路布局位于所述背面42、52、62而有效的避免影响所述光学表面41、51、61朝上发光,故 有利于提升光取出效率。再者,由于所述光学芯片40、50、60的背面42、52、62朝下,因此 可方便利用所述导电金属球44、56、66将热能迅速导出,故有利于提升散热效率,并能延长 使用寿命。由于本发明具有较高的散热效率,因此不但适用在封装功率在1瓦特(w)以下 的发光二极管芯片,且亦适用在封装功率在1瓦特(w)以上的发光二极管芯片。另外,当
8所述光学芯片40、50、60搭配使用所述透明盖板55、64时,所述透明盖板55、64可取代透 光封装材料,因此使得整体封装构造的尺寸能缩小到晶圆级的芯片尺寸封装(wafer level chipscale package,WLCSP),进而有利于封装构造的微型化(miniaturization)。
本发明已由上述相关实施例加以描述,然而上述实施例仅为实施本发明的范例。 必需指出的是,已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地,包含于权利要求书的精神 及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
权利要求
一种光学芯片的封装构造,其特征在于所述光学芯片的封装构造包含一光学芯片,具有一光学表面、一背面及至少二导电通孔,其中所述导电通孔贯穿所述光学芯片,且所述导电通孔的一第一端电性连接所述光学表面;及至少二导电金属球,电性连接至所述导电通孔的一第二端。
2.如权利要求1所述的光学芯片的封装构造,其特征在于所述背面更包含一再分布 层,且所述再分布层电性连接所述导电通孔的所述第二端及所述导电金属球。
3.如权利要求1所述的光学芯片的封装构造,其特征在于所述光学芯片利用所述导 电金属球结合于一基板上,所述基板上具有一透光封装材料,以包覆所述光学芯片及所述 导电金属球。
4.如权利要求1所述的光学芯片的封装构造,其特征在于所述光学芯片的所述光学 表面上另设有一萤光填充材料层,所述萤光填充材料层上另设有一透明盖板。
5.如权利要求1所述的光学芯片的封装构造,其特征在于所述光学芯片的所述光学 表面上另设有一具有一凹陷部的透明盖板,且所述凹陷部内填入一萤光填充材料。
6.如权利要求1所述的光学芯片的封装构造,其特征在于所述光学芯片是发光二极 管芯片。
7.一种光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于所述光学芯片的封装构造的制 造方法包含提供一光学晶圆,包含数个光学芯片,其中所述光学芯片具有一光学表面及一背面;在所述光学晶圆的所述光学芯片上分别形成至少二导电通孔,其中所述导电通孔贯穿 所述光学芯片,且所述导电通孔包含一电性连接所述光学表面的第一端,及一连接至所述 背面的第二端;在所述光学晶圆的各所述光学芯片的所述背面分别形成至少二导电金属球,所述导电 金属球分别电性连接至所述导电通孔的所述第二端;及切割所述光学晶圆,以分离所述光学芯片。
8.如权利要求7所述的光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于在形成所述导 电金属球之前,另在所述光学晶圆的所述光学芯片的所述背面形成一再分布层,且所述再 分布层是电性连接所述导电通孔的所述第二端及所述导电金属球。
9.如权利要求7所述的光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于在分离所述光 学芯片之后,利用所述导电金属球将所述光学芯片固设于复数个对应基板上,所述基板具 有一透光封装材料,以包覆所述光学芯片及导电金属球。
10.如权利要求7所述的光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于在形成所述导 电金属球之前,另在所述光学芯片的所述光学表面上设置一萤光填充材料层,所述萤光填 充材料层上另设置一透明盖板。
11.如权利要求7所述的光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于在形成所述导 电金属球之前,另在所述光学芯片的所述光学表面上设置一具有一凹陷部的透明盖板,其 中所述凹陷部内填入一萤光填充材料。
12.如权利要求7所述的光学芯片的封装构造的制造方法,其特征在于所述光学芯片 是发光二极管芯片。
全文摘要
本发明公开一种光学芯片的封装构造及其制造方法。所述封装构造包含一光学芯片及至少二导电金属球。所述光学芯片具有一光学表面、一背面及至少二导电通孔,所述光学表面朝上,而所述背面朝下。所述导电通孔贯穿所述光学芯片,所述导电通孔的一第一端电性连接所述光学表面,及其一第二端连接至所述背面。所述导电金属球电性连接至所述导电通孔的第二端。
文档编号H01L21/60GK101924169SQ200910150830
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月16日 优先权日2009年6月16日
发明者余国宠, 高仁杰 申请人:日月光半导体制造股份有限公司