一種增強光源特性的發光二極體的簡式封裝技術

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 一種增強光源特性的發光二極體的簡式封裝技術 A Simple Package Technique of Light Emitting Diode for Enhancing Illuminant Quality. 研究生：林育中撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十六年六月.

(2) I.

(3) II.

(4) 致謝這兩年來的研究生活，讓我從中收穫不少，很慶幸能在西子灣這個依山傍海，空氣清新的地方做研究，每當煩悶，只要往外看看一望無際的海洋，就能使身心更加的舒展，頭腦也變的清晰許多。非常感謝我的指導教授，朱安國博士，在這兩年來不僅給予我細心的照顧與教誨，更讓我懂得獨立思考、做實驗應有的態度與正確處理事情的方法，這些是書本上學不到的瑰寶，使我對研究所後的生涯，有更充分的準備。感謝啟璋、宗新、智豪、于鈺等學長們，帶我們熟悉實驗室與儀器的操作，也感謝昭源學長、世龍、光輝、志昇、楚茵、志尚等同學們在實驗與生活的上的幫助，此外，也感謝俊穎、士育、睿達、弘勳等學弟們在實驗上的幫忙及分擔實驗室雜務，使我的研究無後顧之憂。感謝我的朋友以及最支持我的家人與女友。最後，僅將本篇論文獻給我最愛的父母。. III.

(5) 摘要本論文的目的是對發光二極體(Light emitting diode)進行封裝，以產生出一具有低半功率角(Half intensity angle)的光源，以及一均勻度可媲美冷陰極射線管(Cold cathode fluorescent lamp)的線光源，並探討高功率發光二極體(Power led)在不同次黏著基台(Sub-mount)下的散熱特性。我們利用濕蝕刻技術，在矽晶圓上面蝕刻出一穿孔的 V 型槽 (V-groove)，並利用熱蒸鍍機(Thermal coater)在 V 型槽上鍍上一層金屬當反射層，之後在一已定義出電極的矽散熱基板上黏上發光二極體，再利用打線技術(Wire bonding)將發光二極體的正負極分別接到電路的兩端，然後將兩者以 UV 膠進行接和，即完成模組的製作。本研究以光學模擬軟體 Lighttools 對此結構進行光學分析，透過光學模擬我們可以得到一半功率角為 36 度的光源，及均勻度為 84.8 % 的六顆發光二極體做成的三公分長的線光源。而實際成型的元件經光電檢測器(Photo-detector)量測後，光源的半功率角為 38 度，六顆發光二極體做成的三公分長的線光源的均勻度為 84.82 %。我們並提出一供高功率發光二極體用的散熱 submount，其結構為在 Si V 型槽內以電鍍法填滿銅，期望利用矽與銅的高熱傳導係數，有效率的將熱能傳導至底下的引線架(Case)與散熱板(Board)。我們將實驗分為三組進行，分別為使用 Case 及此散熱 sub-mount(Si+Cu)、使用 Case 及矽散熱基板(Si)及僅使用 Case，之後用熱像儀(Thermal-imager)進行量測，量測結果為在輸入功率為一瓦的情況下，其熱阻分別為 34.7 W/mk、 19.4 W/mk 及 13 W/mk。歸納得知，由於本散熱 sub-mount 具有最高的厚度(800µm)，反而阻滯了熱傳導的效率，所以比起其他組而言，擁有較高的熱阻。. IV.

(6) ABSTRACT The purpose of this thesis is to fabricate an LED module with low half intensity angle(HIA) ,and to use this module to form a line source with optical performance comparable to that of a CCFL .In addition ,heat dissipation of the LED module on different sub-mounts is also investigated . The LED modules were formed by first etching a through si via on silicon substrate using wet etching technology for light confining .Then a thin layer of metal was deposited on to the via to reflect the lights emitted from the LED .The LED die was attached to the Si sub-mount with electrodes ,and the connections between the LED and the Si sub-mount were completed by wire bonding .Finally ,the LED modules were obtained by positioning the Si substrates onto the Si sub-mounts using UV epoxy . The optical performance of the LED module was simulated by Lighttools .For the si substrate with a thickness of 400 µm ,a simulated HIA of 36 o was obtained .Using six-LED package ,a 3-cm line source with 84.8% output uniformity was simulated .On the other hand ,the measured HIA of a LED module ,and the uniformity of 3-cm line source are 38 o and 84.8% ,respectively. The. thermal. investigated. .The. resistance. of. the. different. structures. si of. sub-mounts the. were. sub-mount. also were. proposed ,namely ,LED to Copper case ,LED to Si sub-mount to Copper case ,and LED to Si sub-mount with Copper filled via to Copper case .The estimated thermal resistance of the sub-mounts are 13 W/mk、19.4 W/mk and 34.7 W/mk .We believe that the large thermal resistance of the Si V.

(7) sub-mount with Copper filled via is primarily caused by 800 µm thick substrate .. VI.

(8) 目錄第一章. 導論. 1. 第二章. 結構特性與模擬分析. 6. 2-1 點光源模擬. 6. 2-2 線光源模擬. 12. 2-3 背光模組模擬. 21. 第三章. 第四章. 第五章. 第六章. 元件之製作. 26. 3-1 矽 V 型槽製作流程. 26. 3-2 基板製作流程. 34. 3-3 點光源與線光源封裝. 40. 量測與分析. 47. 4-1 點光源之光學特性量測. 47. 4-2 線光源之光學特性量測. 51. 功率型發光二極體散熱技術. 55. 5-1 功率型發光二極體散熱基板之基本結構. 58. 5-2 散熱基板之製作流程. 60. 5-3 散熱元件量測結果與分析. 66. 結論. 70. 參考文獻. VII.

(9) 圖目錄第一章. 導論. 圖 1-1 發光二極體的發展第二章. 1. 結構特性與模擬分析. 圖 2-1 Lighttools 裡的元件. 6. 圖 2-2 用來聚光的矽 V 型槽. 7. 圖 2-3 元件的建立. 7. 圖 2-4 發光型態與模擬結果. 8. 圖 2-5 光強度圖與半功率旋角. 8. 圖 2-6 各元件的參數. 9. 圖 2-7 各元件的模擬結果. 10. 圖 2-8 擬真模擬結果. 11. 圖 2-9 長方形矽Ｖ型槽. 12. 圖 2-10 線光源模擬. 12. 圖 2-11 線光源均勻度計算的距離. 13. 圖 2-12 四吋矽晶片，發光二極體間距 2mm 的均勻度圖. 14. 圖 2-13 四吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖. 14. 圖 2-14 四吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖. 15. 圖 2-15 四吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖. 15. VIII.

(10) 圖 2-16 四吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖. 16. 圖 2-17 六吋矽晶片，發光二極體間距 2mm 的均勻度圖. 16. 圖 2-18 六吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖. 17. 圖 2-19 六吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖. 17. 圖 2-20 六吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖. 18. 圖 2-21 六吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖. 18. 圖 2-22 八吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖. 19. 圖 2-23 八吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖. 19. 圖 2-24 八吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖. 20. 圖 2-25 八吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖. 20. 圖 2-26 傳統的 CCFL 背光模組. 22. 圖 2-27 CCFL 的參數設定. 23. 圖 2-28 CCFL 背光模組的模擬結果. 23. 圖 2-29 以 CCFL 當背光源的背光模組. 24. 圖 2-30 線光源的參數設定. 25. 圖 2-31 LED 背光模組的模擬結果. 25. 第三章. 元件之製作. 圖 3-1 矽 V 型槽的製作流程圖. 26. 圖 3-2 矽晶片清洗流程圖. 28. IX.

(11) 圖 3-3 成長二氧化矽系統架設圖. 29. 圖 3-4 高溫二氧化矽成長參數圖. 29. 圖 3-5 矽 V 型槽製作流程示意圖. 33. 圖 3-6 PC 板基板製作流程圖. 34. 圖 3-7 矽基板製作流程圖. 35. 圖 3-8 矽基板製作流程示意圖. 39. 圖 3-9 PC 板基板(左圖)與矽基板(右圖). 39. 圖 3-10 點光源所使用的 LED. 40. 圖 3-11 V 槽底端開口設計. 41. 圖 3-12 V 槽頂端開口設計. 42. 圖 3-13 左為 V 型槽蝕刻後的矽晶片；右為切割後的元件. 42. 圖 3-14 LOCTAI DS-9000 點膠機. 42. 圖 3-15 矽 V 型槽與 LED 打線圖. 43. 圖 3-16 點光源元件圖. 43. 圖 3-17 線光源使用的 LED. 44. 圖 3-18 左為長 V 型槽蝕刻後的矽晶片；右為切割後的元件 45 圖 3-19 長型矽 V 型槽與 LED 打線圖. 46. 圖 3-20 線光源元件圖. 46. 圖 3-21 線光源元件圖(2). 46. X.

(12) 第四章. 量測與分析. 圖 4-1 1mm × 1mm 光電檢測器. 47. 圖 4-2 半導體參數分析儀 HP 4155. 48. 圖 4-3 半功率角量測示意圖. 48. 圖 4-4 量測距離計算圖. 49. 圖 4-5 未上矽 V 型槽的 LED 光場量測圖. 49. 圖 4-6 上 V 型槽後的點光源光場量測圖. 50. 圖 4-7 三公分五顆 LED 線光源光強度變化圖. 52. 圖 4-8 三公分五顆 LED 線光源均勻度圖. 52. 圖 4-9 三公分六顆 LED 線光源光強度變化圖. 53. 圖 4-10 三公分六顆 LED 線光源均勻度圖. 53. 圖 4-11 三公分七顆 LED 線光源光強度變化圖. 54. 第五章. 功率型發光二極體散熱技術. 圖 5-1 介面溫度跟發光強度變化圖. 56. 圖 5-2 介面溫度跟生命周期變化圖. 57. 圖 5-3 散熱基板基本結構. 58. 圖 5-4 Power LED 散熱流程圖. 59. 圖 5-5 散熱基板製作流程示意圖. 64. XI.

(13) 圖 5-6 Board(左圖) and Case(右圖). 64. 圖 5-7 1mm Power LED. 65. 圖 5-8 LED 打線圖. 65. 圖 5-9 完成的元件圖. 65. 圖 5-10 電流源 LDX-3525. 66. 圖 5-11 熱像儀 IRI4010. 67. 圖 5-12 量測的熱影像圖. 67. 圖 5-13 LED 溫度量測結果. 68. XII.

(14) 第一章導論隨著近幾年來環保意識的抬頭、油價上漲與能源的短缺，發光二極體(Light-emitting diode)以其環保及節能的優勢，廣獲各界的關注，並挾其眾多的優點被視為有望成為繼第一代光源:油燈、第二代光源:愛迪生發明的電燈、第三代光源:熒光燈，之後的第四代光源: 半導體固體照明。圖 1-1 為可見光發展史[1]，從圖中我們可得知紅光 LED 自 1970 年左右起光功率一直在升高，而藍光 LED 則是自 1992 後才開始快速攀升。. 圖 1-1 發光二極體的發展 1.

(15) 發光二極體的優勢有：發光效率高：自從第一颗商業用的發光二極體被採用之後，發光二極體的亮度以每隔 18 ~ 24 個月提升一倍[2]，目前發光二極體的發光效率已達 70 lm/w，在2008年裡將達 100 lm/w，比起白熾燈泡的 15 lm/w，發光二極體擁有極高的發光效率，且已可媲美一般日光燈的發光效率約 60 至 100 lm/w，在可見的將來效率更會進一步增長。基於節約能源訴求，目前除了歐盟與美國國會均已進行階段性禁止白炙燈泡的使用外，目前已經有加拿大宣佈2010年全面禁用白炙燈泡，而美國加州在內的部份州，也要在2012年禁止白熾燈泡，而澳洲則宣佈在2010年全面禁止販售白炙燈泡。壽命長：比起白熾燈一千個小時的壽命和一般燈管約一萬至兩萬個小時的壽命，LED的壽命可長達十萬個小時，並且有繼續提升的淺力。低耗電：發光二極體為直流驅動，驅動電壓低，且電光轉換效率接近100%，相同照明效果之下比起傳統燈源更源節能；美國聯邦能源部 DOE (Department of energy)在2002年預估，如果將美國境內的燈源全替換成 150 lm/w 的LED燈源，將可以減少美國全國 50 %的電力損耗，也能大大的減少汞的使用和 CO2 的排放[3]。. 體積小:一般發光二極體的大小約 10 mil(250µm)，即使是高功 2.

(16) 率發光二極體(Power LED)體積也不過 40 mil(約1mm)，體積小意謂著更容易應用於各式的封裝。反應速率快:比起白熾燈反應速率約 0.2 秒和螢光燈需要數秒的反應時間，LED的反應時間只需要約 100 ns(10-7秒)，因此LED 可以很好的應用在車燈，如此快的反應速率能大大的減低後車追撞的機率。環保:比起一般含汞的日光燈，LED具有不含汞的優勢，歐盟已從2006年7月1號起，實施電子電機設備中危害物質禁用令 RoHS ( Restriction of the use of certain hazardous substance in EEE )，今後含汞的電子電機設備禁止在歐盟會員國的市場中出售，而且相對於白熾燈，LED照明無紅外線與紫外線，沒有熱量且無輻射，為冷光源，可以安全觸摸。不過LED晶片並不易於使用，還需經過封裝的步驟，才可成為方便使用的燈具商品，而在本論文中，我們提出一種封裝結構，製程簡易，經由此封裝後，能得到低發散角的光源，低發散角的光源能應用在如醫學治療(皮膚治療所使用的光源)、材料固化和感測或安全監視器[3]，而封裝後，能將發光角度較大的光反射聚集於光源前方，可以得到更大的光通量，且可更改封裝的樣式來得到亮度均勻的線光源。而在目前高功率發光二極體(Power LED)的快速發展下，LED光. 3.

(17) 源的散熱問題越來越被重視，目前大部分是將 LED 黏到 Silicon sub-mount上，再利用金屬層將LED的熱傳導出去，如利用矽基板上鍍上一層Cu/Metal/CU層，一方面可傳導熱，一方面也可減低熱應力 [4]和利用濕蝕刻技術蝕刻出Si V-groove，爾後將LED放置到V-groove 上再利用錫球當電極，也能將熱應力減小[5]；此外也有利用乾蝕刻技術，在矽基板上挖出長方形溝槽，填滿銅後，再鍍上一層鋁來幫助散熱[6]，而溝槽裡也可填滿銀，並搭配不同的溝槽大小與數目來降低熱阻[7]。本論文也提出供 Power LED 用的散熱封裝技術，經由熱管理(Thermal manager)，來降低熱阻(Thermal resistence)，使LED在安全的接面溫度(Junction temperature)下使用，以期能減少因熱所造成元件的不穩定，與使用壽命和亮度的衰減。本論文架構共分五個部份：第一章導論：介紹發光二極體的優點與其他光源的比較以及進行封裝的動機。第二章結構特性與模擬分析:解析本論文的的封裝結構，並用光學模擬軟體 lighttools 對封裝結構進行模擬與分析。第三章元件製作:介紹點光源與線光源的詳細製作流程與最後的封裝流程及元件的實體照片。第四章量測與分析:介紹半功率角(Half intensity angel)，. 4.

(18) 與均勻度的量測儀器與量測方法，並將量測的結果與模擬的結果進行比較與分析。第五章功率型發光二極體散熱技術:介紹 Power LED 的散熱技術與散熱基板的製作流程，及熱阻的量測與分析。第六章結論:對於本研究進行討論、歸納與分析。. 5.

(19) 第二章. 結構特性與模擬分析. 在本章節中，我們以光學模擬軟體 Lighttools 來對我們的結構進行模擬與分析。在ㄧ些應用中，如醫學治療(皮膚治療所使用的光源)、材料固化和感測或安全監視器，輸出的光源除了需要高的光取出效率，還需要低的光發散角，所以我們的結構是製造一矽V型槽來聚光，並可藉由調整Ｖ型槽的高度或透鏡的搭配，來獲得多種發散角的光源。此章分為三小節，分別為點光源、線光源、及將我們的線光源放進背光模組中進行模擬。 (一) 點光源模擬首先我們先在 Lighttools 的三 D 環境中，創造出我們要的元件，分別為發光二極體光源、Ｖ型槽、Ｖ型實心體及半圓球體。. 圖 2-1 Lighttools 裡的元件. 6.

(20) 發光二極體大小為 250 µm × 250 µm × 50 µm，中心波長 460 nm，發藍光。Ｖ型槽為模擬我們所蝕刻出來的 Si V-groove，並在表面鍍上 100 nm 的銀，V 型實心體為模擬螢光粉，折射率為 1.5，半圓球體為模擬透鏡，折射率為 1.5。我們先以矽 V 型槽和發光二極體的組合做光學的模擬，矽Ｖ型槽的高度設定為 500µm，模擬後可得到其發光型態與其最高光強度到光強度為一半的角度，如圖 2-5。之後，我們調整矽 V 型槽的高度，並搭配填入螢光粉與透鏡的使用，來觀察半功率旋角的變化，如圖 2-6 與圖 2-7。. (111) Si 54.74o. LED chip. (100) Si Top view. Side view. 圖 2-2 用來聚光的矽 V 型槽. A C. A = 931 µm B = 220 µm C = 500 µm. Air B. 圖 2-3 元件的建立. 7.

(21) 圖 2-4 發光型態與模擬結果 θ1/2 = 28.1o. 圖 2-5 光強度圖與半功率旋角. 8.

(22) Basic LED radiation cell A Air. C. B A (µ µm). B (µ µm). C (µ µm). 0. 931. 220. 500. 1. 790. 220. 400. 2. 649. 220. 300. 3. 507. 220. 200. 4. 366. 220. 100. LED radiation cell/polymer filling A t C. polymer B. 5. A (µ µm). B (µ µm). C (µ µm). Polymer index. 931. 220. 500. 1.5. Lensed LED radiation cell Lens Polymer. 6. A (µ µm). B (µ µm). C (µ µm). Polymer + lens. 931. 220. 500. 1.5. 圖 2-6 各元件的參數 9.

(23) θ1/2 = 30o. θ1/2 = 28o. 00. 1. θ1/2 = 34o. θ1/2 = 32o. 3. 2. θ1/2 = 37o. 4. θ1/2 = 52o. 5. θ1/2 = 18o. 6. 圖 2-7 各元件的模擬結果. 10.

(24) 接著，我們用較偏於我們實際要做的元件尺寸做為參數，我們要用的是發光二極體長寬為 250µm × 250µm ，厚度為 100µm，所使用的是三吋矽晶片，所以 V 型槽高度設定為 400µm，底部開口設定為 250µm × 250µm，並將光線數由原本的五千條改變為十萬條光線去進行模擬，而我們所得到的半功率旋角為 36 o。. θ1/2= 36o. 圖 2-8 擬真模擬結果. 11.

(25) (二) 線光源模擬在此節中，我們將原本正方形的矽 V 型槽設計成長方形，而發光二極體也由正方形的改變為長條型(side view)的發光二極體，藉此集中縱向的光線，並讓橫向的光線充分混光，將多顆發光二極體的點光源演變成一條混光均勻的線性光源。. Si via. Si via LED. LED. Si. Top view. Si. Si via. Si via. Si. Si. LED. LED. Side view 圖 2-9 長方形矽Ｖ型槽. distance t LED. LED. LED. LED. LED. 圖 2-10 線光源模擬. 12. LED.

(26) 接著，我們改變發光二極體的間距，矽晶片的厚度與接收器的距離，來得到均勻度的變化圖與最佳的均勻度。我們用的厚度分別為 4 吋矽晶片，厚度為 525µm；六吋矽晶片，厚度為 625µm；八吋矽晶片，厚度為 725µm。我們在元件的上方放置一接收器模擬為我們量測時所使用的光電檢測器( Photo-diode )，而我們均勻度的計算方式是在光源的上方取一段距離，再將此段距離中所得到的最小光強度值除以最大光強度值即為我們所得的均勻度，而我們所取的距離如圖 2-12，在光源左側兩顆 LED 混光的中間到光源右側兩顆 LED 混光的中間極為我們所取的距離，模擬結果如圖 2-13 至圖 2-25。圖片的 x 軸為接收器到線光源的距離，y 軸為均勻度。使用光線參數為每顆發光二極體發出 35 萬條光線。. Distance. LED. LED. LED. LED. LED. LED. 圖 2-11 線光源均勻度計算的距離從模擬的結果，我們可以得知發光二極體之間的間距越小，我們可以得到越高的均勻度且能在離光源越近的高度就能混光均勻，. 13.

(27) 但也意味著同樣長的線光源中，得放置更多得發光二極體，意味著成. Uniformity ( % ). 本增高，而我們的線光源最好的均勻度可達約 90 %。 90 89 88 87 86 85 84 83 82 1. 1.2. 1.4. 1.6. 1.8. 2. 2.2. 2.4. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-12 四吋矽晶片，發光二極體間距 2mm 的均勻度圖最佳均勻度為 89 % ，接收器高度為 2 cm。. Uniformity ( % ). 89 88 87 86 85 84 83 82 1.7. 1.9. 2.1. 2.3. 2.5. 2.7. 2.9. 3.1. 3.3. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-13 四吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖最佳均勻度為 88.4 %，接收器高度為 3 cm。 14.

(28) Uniformity ( % ). 88 86 84 82 80 78 76 2.3. 2.8. 3.3. 3.8. 4.3. Reciever Alititude ( mm ). 圖 2-14 四吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖. Uniformity ( % ). 最佳均勻度為 86.95 %，接收器高度為 3.7 cm。. 86 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 3. 3.5. 4. 4.5. 5. 5.5. 6. 6.5. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-15 四吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖最佳均勻度為 84.76 %，接收器高度為 5.2 cm。. 15.

(29) Uniformity ( % ). 84 82 80 78 76 74 72 3.7. 4.2. 4.7. 5.2. 5.7. 6.2. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-16 四吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖最佳均勻度為 81.96 %，接收器高度為 6 cm。. 90 Uniformity ( % ). 89 88 87 86 85 84 83 82 0.8. 1. 1.2. 1.4. 1.6. 1.8. 2. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-17 六吋矽晶片，發光二極體間距 2mm 的均勻度圖最佳均勻度為 89.51 %，接收器高度為 1.8 cm。. 16. 2.2.

(30) Uniformity ( % ). 89 88 87 86 85 84 83 82 81 1.8. 2.3. 2.8. 3.3. 3.8. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-18 六吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖最佳均勻度為 87.03 %，接收器高度為 3.3 cm。. 88 Uniformity ( % ). 86 84 82 80 78 76 2. 2.5. 3. 3.5. 4. Riceiver Altitude ( mm ). 圖 2-19 六吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖最佳均勻度為 86.86 %，接收器高度為 3.7 cm。. 17. 4.5.

(31) 84 Uniformity ( % ). 82 80 78 76 74 72 70 2.5. 3. 3.5. 4. 4.5. 5. 5.5. 6. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-20 六吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖最佳均勻度為 84.82 %，接收器高度為 5.1 cm。. 86 Uniformity ( % ). 84 82 80 78 76 74 4. 4.5. 5. 5.5. 6. 6.5. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-21 六吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖最佳均勻度為 84.21 %，接收器高度為 5.7 cm。. 18. 7.

(32) Uniformity ( % ). 90 89 88 87 86 85 84 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-22 八吋矽晶片，發光二極體間距 3mm 的均勻度圖最佳均勻度為 89.55 %，接收器高度為 2.7 cm。. Uniformity ( % ). 90 85 80 75 70 65 1.8. 2.3. 2.8. 3.3. 3.8. 4.3. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-23 八吋矽晶片，發光二極體間距 4mm 的均勻度圖最佳均勻度為 87.28 %，接收器高度為 3.6 cm。. 19. 4.8.

(33) 86. Uniformity ( % ). 85 84 83 82 81 80 79 78 3. 3.5. 4. 4.5. 5. 5.5. 6. 6.5. 7. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-24 八吋矽晶片，發光二極體間距 5mm 的均勻度圖最佳均勻度為 85.09 %，接收器高度為 4.3 cm。. 86 Uniformity ( % ). 84 82 80 78 76 74 72 3.5. 4. 4.5. 5. 5.5. 6. 6.5. Receiver Altitude ( mm ). 圖 2-25 八吋矽晶片，發光二極體間距 6mm 的均勻度圖最佳均勻度為 83.56 %，接收器高度為 5.6 cm。. 20. 7.

(34) (三) 背光模組模擬發光二極體目前一項重要的應用就是當做液晶平面顯示器的背光源，液晶顯示器的背光源傳統是用冷陰極管( Cold cathode fluorescent lamps )，而目前發光二極體背光源正挾其眾多的優勢漸漸取代 CCFL，有望成為未來液晶顯示器背光源的主流；2007 採用發光二極體當背光源的筆記型電腦滲透率已達 5 %，知名金融機構麥格理證券預估 2008 LED 背光源筆記型電腦滲透率將達 15 %，到 2010 年將達到 41 %的比重。 LED 背光源對比 CCFL 一項重要的優勢就是可以達到無汞化的要求，歐盟自 2006 年 7 月 1 號起，實施電子電機設備中危害物質禁用令 RoHS ( Restriction of the use of certain hazardous substance in EEE )，今後含汞的電子電機設備禁止在歐盟會員國的市場中出售， CCFL 因此無法銷售至歐盟會員國，未來也許美、日等先進國家也會跟進，LED 背光源將在這場綠色供應鏈競賽中，佔據領先位置。我們的 LED 線光源是由眾多長條狀的發光二極體所組成，於是 LED 線光源就能實現光源的平面化。平面化的光源不僅擁有極佳的亮度均勻度，且不需要複雜的光路設計，這樣一來就能使的液晶顯示器的厚度進一步縮小，且有更高的穩定性。而在發光壽命方面的比較，. 21.

(35) CCFL 平均發光壽命約為 3 萬個小時，而現階段白光 LED 的發光壽命已達 10 萬個小時，且還有繼續上升的空間。在色彩表現方面，CCFL 同樣不及 LED 背光源，CCFL 只能達到 NTSC 色彩區域的 78 %，而 LED 則可超越 NTSC 色彩區域的 100 %。在此節中，我們將我們所做的線光源放進背光模組中進行模擬，並跟 CCFL 背光源做比較，圖 2-25 是傳統採用 CCFL 當背光源的背光模組，此背光模組的導光板厚度受限於 CCFL 的厚度與為求高均勻度的光路設計的引響，無法做的太薄，在此模擬中，我們所使用是 lighttools 軟體中內建的背光模組參數，CCFL 的長度為 3 cm，半徑為 1.5 cm，導光板長寬為 3 cm × 4 cm，厚度為 5 mm，CCFL 的發光數目為 210 萬條光線。. 圖 2-26 傳統的 CCFL 背光模組 22.

(36) Side view. Top view 圖 2-27 CCFL 的參數設定 W/6. W/2. W/6. L/6. L/2. L/6. Uniformity: Imin/Imax = 86.2% 圖 2-28 CCFL 背光模組的模擬結果. 23.

(37) 接著，我們將 CCFL 換成我們的 LED 線光源，由於 LED 背光源厚度較小，且不需要複雜的光路設計，所以我們可以大大的縮減導光板的厚度，LED 線光源的參數設定為長 3 cm，厚度為 1.35 mm，我們分別改變 LED 數量，5 顆、6 顆、7 顆，去做模擬觀察均勻度的變化，每顆 LED 發出的光線數量為 35 萬條光線，導光板長寬為 3 cm × 4 cm，厚度為 1.35 mm。均勻度的算法為業界所用的九點量測法，找出顯示器上的九個位置的亮度如圖 2-28，再以最小亮度除以最大亮度所得到的數值，即為亮度均勻度。從模擬的結果可得知，LED 線光源的均勻度可媲美 CCFL 背光源，並可大大的縮減導光板的厚度。. 圖 2-29 以 CCFL 當背光源的背光模組. 24.

(38) Side view. Top view 圖 2-30 線光源的參數設定. 5 LEDs. Uniformity: 86.7%. 6 LEDs. 7 LEDs. 86.3%. 87.3%. 圖 2-31 LED 背光模組的模擬結果. 25.

(39) 第三章元件之製作在這一個章節中，我們將詳細說明此元件的製作過程。第一節將介紹矽Ｖ型槽的製作過程，第二節將介紹基板的製作流程，第三節將介紹點光源與線光源的封裝。 3-1. 矽 V 型槽製作流程. 晶圓切割. 晶圓清洗. 成長 Termal oxide. 黃光微影. SiO₂濕蝕刻. V-groove 濕蝕刻圖 3-1 矽 V 型槽的製作流程圖. 26.

(40) ( 一 ) 晶圓切割利用鑽石刀，以手動的方式將 < 1 0 0 > 的矽晶圓切成正方形的形狀，正方形的每個邊皆為 ( 1 0 0 ) 。點光源元件我們用的是三吋矽晶圓，厚度 395µm，切成 2.7mm × 2.7mm 的矽晶片；線光源元件我們用的是四吋矽晶圓，厚度 525µm，切成 3.6mm × 3.6mm 的矽晶片。 ( 二 ) 晶圓清洗將切好的矽晶片以一般清洗矽晶圓之流程，流程圖如圖 3-2 所示；清洗流程中，丙酮主要是將矽晶片表面的有機物質、金屬物質以及灰塵清洗掉；但由於水並不能溶解丙酮，所以用異丙醇溶解矽晶片表面的殘存丙酮，且異丙醇也有類似丙酮的效果，只是比較差一點；最後再用去離子水把矽晶片的表面殘存異丙醇給沖洗乾淨。用震盪器及升溫，主要是使得清洗過程更加完全。最後用氮氣把表面水分吹乾，再用烤箱將矽晶片表面水分烘乾。. 27.

(41) 圖 3-2 矽晶片清洗流程圖. ( 三 ) 成長 Thermal oxide 將清洗乾淨的矽晶片放入石英爐管，將爐管內的溫度加熱至 1030℃，並在溫度達 800℃時通入氧氣，而後氧氣與矽晶片表面反應成長一層約 2000 Å 的 Thermal oxide ，成長時間為 8 個小時，系統架設如圖 3-3。成長參數如圖 3-4 所示。. 28.

(42) Si wafer Gas. Dry O2. 圖 3-3 成長二氧化矽系統架設圖. 圖 3-4 高溫二氧化矽成長參數圖 ( 四 ) 黃光微影將已經成長 Thermal oxide 的矽晶片清洗乾淨，清洗流程如圖 3-2，之後利用光阻塗鋪機分兩段轉速在長有 Thermal oxide 的晶片上塗鋪光阻 AZ-4210，兩階段參數如下：第一階段：慢轉速 500 rpm，時間 10 秒。第二階段：快轉速 5000 rpm，時間 40 秒。. 29.

(43) 將鋪好光阻的晶片置於 Hot plate 軟烤，溫度為 100℃，時間為 90 秒，軟烤的目的是去除光阻內溶劑以增加光阻與晶片表面的附著力。將軟烤完的晶片，利用光罩對準機 I-line 曝光，曝光時間為 18 秒，曝光的過程中，晶片對準的角度必須準確，不準確的方向將造成蝕刻時，其將向外擴伸，直至邊碰觸<110>的方向，造成undercut過大[8]，所以我們以晶片自然斷截面<110>的方向與光罩對準做<100><-100> 的切邊平行之對準，再進行曝光。之後把 AZ400K 型的顯影液與水以1：4 的比例混合，然後將曝光完的矽晶片置入其中顯影約 35 秒。將試片用去離子水沖洗乾淨，再用氮氣吹乾。接著將顯完影的矽晶片放到 Hot plate上進行硬烤，溫度為120℃，時間為120秒，使光阻硬化，圖形確立。之後，為了防止在下一步驟濕蝕刻時，對背面的二氧化矽造成損害，我們在矽晶片背面貼上 UV tab 保護二氧化矽，等到濕蝕刻進行完畢後，在用 UV 光對 UV tab 進行照射，即可輕易將 UV tab 卸除。（五）二氧化矽之濕蝕刻首先，我們先調製 SiO2 的濕蝕刻液 BOE (Buffer oxide etch) ，BOE 為氟化胺(NH4F)及氫氟酸(HF)的混合溶液，調配方法為將 70 克固體氟化胺取出，倒入 135 c.c.的去離子水，之後再將 12 c.c.濃度. 30.

(44) 為 49%的氫氟酸溶液倒入。然後將我們的 sample 放進 BOE 溶液中浸泡，浸泡時間為五分三十秒，蝕刻速率約為 400 Å/min。 (六) 矽 V 型槽濕蝕刻首先，我們先調製矽的濕蝕刻溶液 EDP (Ethylenediamine– pyrocatechol)，EDP 為鄰苯二酚(C6H6O2)與無水乙二胺 (NH2CH2NH2CH2)的混合溶液，條配方法為取出固體 C6H6O2 45 克，並倒入去離子水 120 c.c.，之後再倒入無水乙二胺 255 c.c.並將溶液溫度加溫至 110℃，上述為一倍量的蝕刻溶液，在本實驗進行時我們使用的是兩倍量的蝕刻溶液溶液，目的是為了得到更好的蝕刻速率與減少因蝕刻液的不足所造成的(1,1,1)面上的缺陷。然後將我們 sample 放進 EDP 溶液中浸泡，並在蝕刻過程中，通入氮氣，目的是為了防止矽氧化，由於矽在<1 1 1>有最緻密的晶格密度，其次為<1 0 0>，而<1 1 0>的晶格密度最小，於是蝕刻速率以 <1 1 0>速度最快，其次為<1 0 0>，而<1 1 1>的蝕刻速率最慢，而<1 0 0>與<1 1 1>方向夾角為 54.74 度，因此蝕刻形狀成 V 字型，之後將 sample 浸泡至矽晶片蝕刻穿了為止，浸泡時間為 7 小時 30 分鐘，蝕刻速率約為 50 µm/min。. 31.

(45) 至此，我們便完成了矽 V 型槽的製作，不過由於在 EDP 蝕刻過程中，表面的 SiO2 會遭蝕刻液汙染，且造成表面的不平整，於是我們在 V 型槽蝕刻成型後，會在將 sample 浸泡至 BOE 溶液中約 10 分鐘，將表面的 SiO2 全部去除，之後再重新成長一次 Thermal oxide，成長曲線如圖 3-4 。整體流程示意圖，如圖 3-5。【1】清洗矽晶片Ｓi 【2】成長 Thermal oxide SiO2 Ｓi 【3】光阻塗鋪. 光阻 Sio2. Ｓi. Sio2. 【4】黃光微影光阻 Sio2. Ｓi Sio2. UV tape. 【5】SiO2 濕蝕刻光阻 Sio2. Sio2. Ｓi Sio2 32. UV tape.

(46) 【6】光阻、UV tab 去除 Sio2. Sio2. Ｓi Sio2. 【7】矽 V 型槽蝕刻 54.74 o Sio2. Sio2. Si. Si. Sio2. Sio2. 【8】SiO2 去除. Si. Si. 【9】成長 Thermal oxide Sio2. Sio2. Si. Si. 圖 3-5 矽 V 型槽製作流程示意圖. 33.

(47) 3-2. 基板製作流程在此節中，我們將分別介紹 PC 板基板和矽基板的製作流程。. PC 板清洗. 黃光微影. 銅濕蝕刻. PC 板切割. LED 黏著. 電極打線. 圖 3-6 PC 板基板製作流程圖. 34.

(48) 矽晶片切割. 矽晶片清洗. Thermal oxide 成長. 鉻、金熱蒸鍍. 黃光微影. 鉻、金濕蝕刻. 矽基板切割. 黏著圖 3-7LED 矽基板製作流程圖. 電極打線圖 3-7 矽基板製作流程圖. 35.

(49) 3-2-1 PC 板基板製作流程 (一) PC 板清洗我們所用的 PC 板為 1mm 厚，銅箔厚度為 17µm，其餘厚度為壓克力板。將 PC 板用刀片切成 4 cm × 4 cm ，用去離子水沖洗約兩分鐘，之後以氮氣槍吹乾。 (二) 黃光微影此部分同上一節黃光微影的部分。 (三) 銅濕蝕刻將已硬烤完的 sample 置於氯化鐵(FeCl3)溶液中，直到銅被蝕刻完畢，露出壓克力的顏色為止，過程約四分鐘。 (四) PC 板切割將已蝕刻完畢的 sample 置於切割機中以軟刀沿著切割線切割。 (五) LED 粘著在 PC 板上塗上一層銀膠，並將 LED 粘著在 PC 板上面，之後將 sample 置於 Hot plate 上，溫度為 140℃，烤 40 分鐘。 (六) 電極打線利用金線打線機，將 LED 的正負極分別接到 PC 板兩端的銅箔。. 36.

(50) 3-2-2 矽基板製作流程 (一) 矽晶片切割，(二) 矽晶片清洗，(三) 成長 Thermal oxide 的部分同此章第一節的部分。 (四) 鉻、金熱蒸鍍用熱蒸鍍機(Thermal coater)將鉻(Cr)以 0.3 Å/sec 的速率蒸鍍到成長好 Thermal oxide 的 sample 上，蒸鍍厚度為 300 Å，之後在不破壞真空的情況下，接著蒸鍍金(Au)，蒸鍍速率為 0.4 Å/sec 厚度為 3000 Å。 (五) 黃光微影此部分同第一節黃光微影的部分。 (六) 鉻、金濕蝕刻首先，先調配金的蝕刻液，碘化鉀與碘的混和溶液。取出固體碘化鉀 8 克，接著倒入固體碘 2 克，之後倒入去離子水 80 ml。將硬烤完的 sample 置於調好得蝕刻液中，直到金被蝕刻完畢，蝕刻速率為 48 Å /sec，蝕刻時間為 1 分 20 秒。之後將 sample 以去離子水清洗乾淨後，將之置於 Cr 7T 的溶液中繼續進行 Cr 蝕刻，蝕刻速率為 35 Å /sec，蝕刻時間為 10 秒。 (七) 矽基板切割，(八) LED 粘著，(九)電極打線，同 3-2-1 的部分。. 37.

(51) 【1】清洗矽晶片Ｓi. 【2】成長 Thermal oxide SiO2 Ｓi 【3】鉻、金熱蒸鍍 Au Cr. Sio2. Ｓi Sio2. 【4】光阻塗鋪. 光阻 Au Cr Sio2. Ｓi Sio2. 【5】黃光微影. 光阻 Au Cr Sio2. Ｓi Sio2. 【6】鉻、金濕蝕刻 Au Cr. Sio2. Ｓi Sio2. 38. Au Cr.

(52) 【7】光阻去除 Au Cr. Sio2. Au Cr. Ｓi Sio2. 【7】LED 粘著 Au Cr. LED Sio2. Au Cr. Ｓi. Sio2. 【8】電極打線 Au Cr. LED Sio2. Au Cr. Ｓi. Sio2. 圖 3-8 矽基板製作流程示意圖. 圖 3-9 PC 板基板(左圖)與矽基板(右圖). 39.

(53) 3-3 點光源與線光源之封裝在本節中，我們將詳細討論點光源與線光源的封裝形式，所使用的 LED 種類，V 槽的開口設計，與元件的實際圖片。 3-3-1 點光源封裝在點光源的元件製作中，我們所使用的是三吋矽晶片，厚度為 395µm，並切成 2.7mm × 2.7mm 的大小；而我們所使用的發光二極體為 Toyoda Gosei 的 E1c96 Series 的 LED (E1c96-OB0F1-A0)，長寬為 250µm × 250µm，厚度為 100µm，藍光，波長為 470 nm，DC forward current 為 20 mA，最低驅動電壓為 2.8 V，最低亮度 30 mcd。. 圖 3-10 點光源所使用的 LED. 40.

(54) 而在光罩設計中，LED 的邊長為 250µm，電路的銅箔寬度設計為 100µm，正負即各一條，再加上 140µm 的緩衝空間，減低封裝的難易度，我們 V 型槽底端開口為 590µm × 590µm，V 型槽高度為 395µm，夾角為 54.74 o，於是上端開口為 1150µm × 1150µm。之後，相繼完成矽 V 型槽與基板的製作後，我們利用點膠機 LOCTAI DS-9000 將 UV 膠點至 V 型槽與基板的接合處，之後在顯微鏡底下，確認 LED 位於 V 型槽中央後，用 UV 光照射元件一分鐘，便可完成元件的製作。. Cu. Cu. PC Board. Cu. 圖 3-11 V 槽底端開口設計. 41.

(55) 圖 3-12 V 槽頂端開口設計. 圖 3-13 左為 V 型槽蝕刻後的矽晶片；右為切割後的元件. 圖 3-14 LOCTAI DS-9000 點膠機 42.

(56) LED. Wire bond. 250 m. PCB Cu wire Si mold. 圖 3-15 矽 V 型槽與 LED 打線圖. 圖 3-16 點光源元件圖. 43.

(57) 3-3-2 線光源封裝在點光源的元件製作中，我們所使用的是四吋矽晶片，厚度為 535µm，並切成 3.6mm × 3.6mm 的大小。而我們所使用的發光二極體為晶元光電的 GaN Venus 系列 side view application 的 LED (ES-CEBLV10A S15Y)，長寬為 255µm × 470µm，厚度為 100µm，藍光，波長為 460 nm，DC forward current 為 20 mA，最低驅動電壓為 2.8 V，最低亮度 125 mcd。. 圖 3-17 線光源使用的 LED. 44.

(58) 而在光罩設計中，我們要設計的是一條三公分線光源，且分別設計成一條光源上有四顆、五顆、六顆 LED 的線光源，LED 的長為 255µm，加上 120µm 的緩衝空間，減低封裝的難易度，我們 V 型槽底端開口長為 375µm，V 型槽高度為 535µm，夾角為 54.74 o，於是上端開口長為 1135µm。兩個 V 槽的間隔設計為 50µm ，之後再分別依 LED 數目設計上端開口的寬，分別為 4236µm(七顆 LED)， 4950µm(六顆 LED)，5950µm(五颗 LED)，之後，相繼完成矽 V 型槽與基板的製作後，我們利用點膠機 LOCTAI DS-9000 將 UV 膠點至 V 型槽與基板的接合處，之後在顯微鏡底下，確認 LED 位於 V 型槽中央後，用 UV 光照射元件一分鐘，便可完成元件的製作。. 圖 3-18 左為長 V 型槽蝕刻後的矽晶片；右為切割後的元件. 45.

(59) LED. 圖 3-19 長型矽 V 型槽與 LED 打線圖. 圖 3-20 線光源元件圖. 圖 3-21 線光源元件圖(2). 46.

(60) 第四章量測與分析在本章節中，我們將詳細討論點光源與線光源的量測方法與量測過程，在第一節中我們將討論點光源的量測，第二節將討論線光源的量測。 4-1 點光源量測 LED 的半功率角(Half-intensity angle)定義為仰角零度時，由 LED 的幾何中心點算起相對光強度為 50% 的兩點間，所張之角度。量測方式為將一光電檢測器(Photo-detector)置於我們點光源 LED 中心位置的前方，設定為 0 度，而光電檢測器接到半導體參數分析儀 HP 4155 上，便可將光電檢測器所量到的光強度轉變為光電流由 HP 4155 顯示出光電流數值，之後將點光源由 -90 度轉至 +90 度，而我們每轉 1 度即記錄一次量測到的光強度，之後便可得到待測光源的輻射空間分布圖，接著依照定義便可算出待測光源的半功率角。圖 4-3 為半功率角量測示意圖。. 圖 4-1 1mm × 1mm 光電檢測器 47.

(61) 圖 4-2 半導體參數分析儀 HP 4155. +90 度半功率角 HP 4155. LED 點光源 -90 度. Photo detector. 圖 4-3 半功率角量測示意圖而我們用的光電檢測器面積為為 1mm × 1mm，而我們希望量測到的角度誤差在 1 度以內，於是我們的量測距離為 1mm / tan 1◦ = 57.3mm = 5.73cm。. 48.

(62) Photo detector. LED . Photo detector. 圖 4-4 量測距離計算圖首先我們先量測 LED 的光場圖，之後在量測加上矽 V 型槽的光場圖，去觀察半功率角的變化，量測距離為 5.73cm，量測電壓為 3.1V，每隔一度量測一次。我們量測到還沒上矽 V 型槽的 LED 0 度角光電流值為 3.2 nA，而在正 53 度的光電流值為 1.6 nA，負 53 度的光電流值為 1.58 nA，所以半功率角為 53 度。. 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -2. -1.5. -1. -0.5. 0. 0.5. 1. 1.5. 圖 4-5 未上矽 V 型槽的 LED 光場量測圖 49. 2.

(63) 接著，我們將矽型槽跟基板做封裝後，繼續量測光源的光場，我們量測到 0 度角的地方的光電流為 4.3 nA，正 38 度角的光電流為 2.13 nA，負 39 度角的光電流為 2.12 nA，所以半功率旋角約為 38 度。而我們在第二章模擬的點光源半功率角為 36 度，圖 4-6 為實際量測與模擬的光場比較圖，實線部分為模擬的光場，藍點構成的曲線為我們實際量測到的結果。. θ1/2 = 38o Simulation results. Measurement results. 圖 4-6 上 V 型槽後的點光源光場量測圖. 50.

(64) 4-2 線光源量測均勻度的定義為量測螢幕表面或平面發光體表面上亮度變化的程度，若 Lmin 及 Lmax 分別為量測的最小及最大亮度值，均勻度則為 Lmin / Lmax 。我們一樣將光電檢測器接到半導體參數分析儀上，然後將光電檢測器固定於線光源最左邊的中心位置，之後將線光源由右往左移動，每隔一段距離量測一次，之後再取最左邊兩顆 LED 的中間到最右邊兩顆 LED 的中間的距離，將距離中的最低亮度除以最高亮度即為線光源的均勻度。我們分別將有五顆、六顆、七顆的三公分長線光源分別量測其均勻度值，用 1mm × 1mm 的 photo detector 當接收器，量測電壓為 3 V 定電壓源，每 1mm 量測一點，我們可以得到五顆 LED 的線光源最高均勻度為 80.4 %，六顆 LED 的線光源最高均勻度為 84.82 %，七顆 LED 的的線光源最高均勻度為 87 %，如圖 4-8、圖 4-10、圖 4-12。圖 4-9、圖 4-11、圖 4-13 則為不同的接收器高度下所量測到的光強度變化曲線圖。而我們在第二章模擬的線光源均勻度則為五顆 LED 的線光源最高均勻度為 81.96 %，六顆 LED 的線光源最高均勻度為 84.76 %，七顆 LED 的的線光源最高均勻度為 86.95 %。. 51.

(65) -. 1.6. 6 (mm) 6.5 7 7.5 8 8.5 9. 光強度 ( µA ). 1.4 1.2 1. 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 水平間距 ( mm ) 圖 4-7 三公分五顆 LED 線光源光強度變化圖 (不同曲線代表著不同的接收器距離，接收器距離的單位: mm ). 85. Uniformity ( % ). 80 75 70 65 60 55 5.5. 6. 6.5. 7. 7.5. 8. 8.5. Reciever altitude ( mm ). 圖 4-8 三公分五顆 LED 線光源均勻度圖 52. 9. 9.5.

(66) 光強度 ( µA ). 2.5 5 6 (mm) 6.5 7. 2 1.5 1 0.5 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 水平間距 ( mm ). 圖 4-9 三公分六顆 LED 線光源光強度變化圖 (不同曲線代表著不同的接收器距離，接收器距離的單位: mm ). 90. Uniformity ( % ). 85. 80. 75. 70. 65 4.5. 5. 5.5. 6. 6.5. Receiver Altitude ( mm ). 圖 4-10 三公分六顆 LED 線光源均勻度圖. 53. 7. 7.5.

(67) Uniformity ( % ). 35 4mm 5mm. 30 25 20 15 10 5 0 0. 10. 20. 30. 40. Receiiver Altitude ( mm ). 圖 4-11 三公分七顆 LED 線光源光強度變化圖 (不同曲線代表著不同的接收器距離，接收器距離的單位: mm ). 54.

(68) 第五章高功率型發光二極體散熱技術在前幾章中小功率型(10mil)的 LED 封裝，我們著重的是光場與均勻度，由於所使用的 LED 數目並不多，所以 LED 產生的熱並不會影響我們的元件結構。而在目前 LED 的應用中，諸如顯示器中的背光源、路燈、投影機，一個元件中所含的 LED 數目極多，所產生的熱相當可觀，若無法有效將熱能傳導置其他處，將導致元件的不穩定性與不可恢復的衰敗。而從實際應用角度來看，組裝容易、體積相對較小的高功率型發光二極體(High power LED，定義為功率大於 1 瓦的 LED)在大部分的照明應用中將漸漸取代傳統的小功率發光二極體，為了滿足照明的需要，一個發光模組中，須集中多個小功率 LED 才能達到設計的要求，而在一個元件中放置大量的 LED 之後，為了平衡各個 LED 之間的電流電壓關係，必須設計複雜的供電電路，造成散熱不易，而 Power LED 的功率大於多個小功率 LED 的功率總和，相對之下，設計的供電電路較為簡單，散熱也較為容易。而近幾年隨著高功率型發光二極體與高亮度發光二極體(High brightness LED，定義為發光效率大於 8 lm/w 的 LED)的發展，LED 所產生的大量的熱越來越成為在封裝設計必須解決的問題。. 55.

(69) 雖然 LED 本身為冷光源，發射出來的光並不具有熱能，但在我們輸入給 LED 的功率中，只有約 20 %的功率轉變為光，剩下的 80 % 便轉變成熱，這些熱若無法排除，便會積存在 LED 中，導致 LED 的介面溫度(Junction temperature)升高，越高的 Junction temperature 將導致 LED 的生命週期(Life cycle)與光強度(Light intensity)更為縮減，如圖 5-1、圖 5-2[9]，在 LED 的衰敗原因中，有 70 %皆是由於過高的 junction temperature 所導致，一般認為 LED 的使用溫度不該超過 125. Light Intensity (lm). ℃。. 圖 5-1 介面溫度跟發光強度變化圖. 56.

(70) 圖 5-2 介面溫度跟生命周期變化圖. 而 LED 介面溫度上升，還會導致 LED 顏色的變化，當介面溫度上升 10℃時，LED 波常會往長波長飄移 1 nm，造成發光的均勻性與一致性變差。所以在本章中，我們提出一種可以用來供 Power LED 散熱用的基板(sub-mount)，使 LED 能在安全的接面溫度下運作。在第一節，我們將介紹散熱基板的基本結構與散熱方式；第二節則是介紹散熱基板的製作流程；第三節我們將做好的元件以溫度感測器實際量測 LED 的介面溫度，並對量測結果做分析與討論。. 57.

(71) 5-1 功率型發光二極體散熱基板之基本結構在本節中，我們提出一散熱基板結構如圖 5-3。. ＬＥＤ. 電極 Si. Ｃｕ. 圖 5-3 散熱基板基本結構. 我們將一矽晶片，蝕刻出一 V 型槽，但並不將矽全部蝕刻完，留下約 20 µm 至 30 µm 的厚度，之後利用電鍍技術，成長一層銅將 V 槽填滿，便能完成散熱基板的製作。我們期望利用散熱基板中矽與銅的高熱傳導係數 (Thermal conductivity，Silicon = 125 ~ 150，Copper = 398 W/mk)，將 LED 所產生的熱能有效率的傳導至引線架(Case) (TTI-9218M，一詮)，而後再傳導至散熱板(Board) (TTI-ALB9218，一詮)，之後再利用對流或傳導將熱能傳至周圍的環境(Ambient)中，如圖 5-4。. 58.

(72) LED active area. t Al2O3. Ag paste. d. Sub. Chip/sub-mount to Case. Case to Board. Board to Ambient. 圖 5-4 Power LED 散熱流程圖. 59.

(73) 5-2 散熱基板之製作流程本次製程用的矽晶片為三吋雙面拋光矽晶片，用雙面拋光是因為兩面都要做製程，我們在正面要做電極，背面要蝕刻 V 型槽與電鍍銅，矽晶片的厚度為 395µm，切片大小為 2.7µm × 2.7µm。此次製程的前段步驟(一) 晶圓切割，(二) 晶圓清洗，(三) 成長 Thermal oxide，(四) 黃光微影，（五）二氧化矽之濕蝕刻，(六) 矽 V 型槽濕蝕刻，皆與 3-1 節一樣，不同的是我們在矽 V 型槽濕蝕蝕刻並不會把矽蝕刻完畢，而是保留約 20µm ~ 30µm 厚度的矽，之後用 BOE 溶液將剩下的 SiO2 清除乾淨，在重新將 sample 擺進高溫爐管裡，再成長一次 Thermal oxide。接著在正面進行(七) 鉻、金熱蒸鍍，(八) 鉻、金濕蝕刻，此兩步驟也與 3-2 節一樣。此後我們將 sample 翻面再進行: (九) 鉻、金熱蒸鍍: 為了讓下一步驟電鍍能順利的進行，我們利用熱蒸鍍機將鉻 (Cr)以 0.3 Å/sec 的速率蒸鍍到 sample 背面的 V 型槽上，蒸鍍厚度為 2000 Å，之後在不破壞真空的情況下，接著蒸鍍金(Au)，蒸鍍速率為 0.4 Å/sec，厚度為 1000 Å。. 60.

(74) (十) 電鍍銅: 我們將 sample 用導電膠帶固定於電鍍液中進行電鍍，電鍍時間約為四小時，電鍍的銅厚度約為 400µm。 (十一) 晶片切割將電鍍銅的 sample 置於切割機中以軟刀沿著切割線切割，切成 3.3cm × 3.3cm 的 submount。 (十二) LED 粘著. 在 PC 板上塗上一層銀膠，並將 Power LED(45mil,460nm,ES-CADBV45B,晶元光電)粘著在 PC 板上面，之後將 sample 置於 Hot Plate 上，溫度為 140℃，烤 40 分鐘。此步驟比較要注意的是，從文獻[10]中，我們可以知道用來接合的材料可能會產生大量的熱阻，而這些熱阻可能會主宰最終整個元件的熱阻值，在 LED 黏著中，因為我們使用的接合材料為銀膠，熱傳導係數只有 0.62 W/mk(對比銅的熱傳導係數為 398 W/mk)，銀膠厚度若控制不當，會造成整個元件的熱阻飆升，所以我們塗上的銀膠盡量控制在少量，並在將 sample 置於 140℃的 Hot Plate 上時，先輕壓 sample 約三分鐘之後，再熱烤 40 分鐘。. 61.

(75) (十三) 引線架、散熱板接合將做好的 sub-mount 用銀膠黏著至 Case 上，再之後將 Case 黏著至 Sub-mount 上，要注意的是此處用的銀膠仍會引響整個元件的熱阻值，所以銀膠也須盡可能的少量。 (十四) 電極打線利用打線機將金線打至兩端的電極，而因為我們此處使用的引線架上鍍有銀，所以我們直接將金線從 LED 上打至引線架上。至此完成整個元件的製作。【1】清洗矽晶片Ｓi 【2】成長 Thermal oxide SiO2 Ｓi 【3】黃光微影光阻 Sio2. Ｓi. UV Tape. 【4】SiO2 濕蝕刻光阻 Sio2. Ｓi UV tape 62.

(76) 【5】光阻、UV Tab 去除 Sio2. Ｓi. 【6】矽 V 型槽蝕刻. 54.74 o Sio2. Ｓi Sio2. 【7】SiO2 去除Ｓi. 【8】成長 Thermal oxide. Ｓi. Sio2 Sio2. 【9】鉻、金熱蒸鍍. Ｓi Ｃr. Sio2 Sio2. Au. 【10】黃光微影. Ｓi. Sio2 Sio2. Cr. Au 63.

(77) 【10】電鍍銅 Cu. Ｓi Cr. Sio2 Sio2. Au. 【11】LED 黏著. Cr. Ｓi. LED. Au. Sio2 Sio2. Cu. 【12】電極打線. Cr. Ｓi. LED. Au. Sio2 Sio2. Cu. 圖 5-5 散熱基板製作流程示意圖. 圖 5-6 Board(左圖) and Case(右圖). 64.

(78) 圖 5-7 1mm Power LED. 圖 5-8 LED 打線圖. 圖 5-9 完成的元件圖 65.

(79) 5-3 散熱元件量測結果與分析在本節中，我們將做好的元件接到電流源 LDX-3525，之後依序通入電流 250 mA、300 mA、350 mA、400 mA，再利用熱像儀 IRI4010 量測 LED 的溫度，並紀錄下來(Si+Cu 組)。我們另外準備兩組 sample 做為對照組，分別為只將 LED 黏到 Case (Bare 組)和 Board 和另一組將 LED 黏到 si sub-mount 再黏到 Case 和 Board(Si 組)，si sub-mount 的長寬為 3.3cm × 3.3cm，厚度為 395µm。量測完溫度之後，再將結果代入熱阻的計算公式: Rth = ( Tj – Ta )/P Rth : 熱阻. Tj : LED 的溫度 Ta:環境溫度 P: 輸入功率. 之後再將各組的熱阻進行比較與分析，量測結果如圖 5-12。. 圖 5-10 電流源 LDX-3525. 66.

(80) 圖 5-11 熱像儀 IRI4010. 圖 5-12 量測的熱影像圖. 67.

(81) Bare. I (A). V (V). P (W). LED chip (℃). Ambient (℃). ΔT. Rth. 0.25. 3.22. 0.805. 36.3. 27. 9.3. 11.5528. 0.3. 3.28. 0.984. 39.3. 27. 12.3. 12.5. 0.35. 3.347. 1.17145. 42.2. 27. 15.2. 12.97537. 0.4. 3.41. 1.364. 45.9. 27. 18.9. 13.8563. 0.25. 3.152. 0.788. 41.3. 27. 14.3. 18.14721. 0.3. 3.215. 0.9645. 46. 27. 19. 19.69933. 0.35. 3.27. 1.1445. 49.2. 27. 22.2. 19.39712. 0.4. 3.325. 1.33. 54.3. 27. 27.3. 20.52632. 0.25. 3.112. 0.778. 51.5. 27. 24.5. 31.491. 0.3. 3.177. 0.9531. 58.6. 27. 31.6. 33.15497. 0.35. 3.225. 1.12875. 66.2. 27. 39.2. 34.72868. 0.4. 3.279. 1.3116. 73.5. 27. 46.5. 35.45288. Si. Si+Cu. 圖 5-13 LED 溫度量測結果從量測結果我們可以得知，在輸出功率約為 1 Watt 的情況下， Si+Cu 組的熱阻值最高，為 34.7 W/mk，其次為 Si 組，熱阻值為 19.4 W/mk，最後為 Bare 組，熱阻值為 13 W/mk。造成此結果的原因我們推估有三： (一) Submount 的厚度:由於 Si+Cu 組的 submonut 具有最高的厚度 800µm (Si 400µm，Cu 400µm)，相較於 Si 組(400µm)與 Bare 組 (無 submount)，熱傳導的路徑較遠，導致阻滯了熱傳導的效率，於是造成了較差的熱傳導效率。 68.

(82) (二) 銀膠的用量:我們知道用來接合的銀膠，若其厚度控制不當，將會導致整個元件的熱阻飆升，而在此三組 sample 中，Bare 組用的銀膠量最少(一層)，其次為 Si 組、Si+Cu 組(兩層)，越多層的銀膠將導致越高的熱組值。 (三) Submount 與 Case 的面積過於接近，Submount 面積為 3.3cm × 3.3cm，Case 的面積為 3.8cm × 3.8cm，由於面積過於接近，使得 Submount 無法有效扮演將眾多小支流的熱量傳導至大支流熱量的角色，在 Si+Cu 組與 Si 組中，Case 的功用幾乎可等同於 Submount。. 69.

(83) 第六章結論在本論文中，我們利用光學模擬軟體 Lighttools 成功對我們提出的結構進行光學分析，並能藉著調整元件的參數與球透鏡的搭配來得到不同發光角度的光源，且將模擬的結構變化成線光源的形式，去預估所能得到的均勻度。在模擬中，我們的光源的半功率角為 36 度，而六顆發光二極體做成的三公分長的線光源的均勻度為 84.76%。接著我們成功的按照模擬中的結構實際的將元件製作出來，而我們量測實際的元件所得到的結果為，我們的光源的半功率角為 38 度，而六顆發光二極體做成的三公分長的線光源的均勻度為 84.82%。而我們也成功的製做出供高功率發光二極體用的散熱基板，我們將量測分為三組進行，分別為將 LED 黏至本散熱基板(Si+Cu)、矽散熱基板(Si)、不黏基板(Bare LED)，再分別黏接到 Case 與 Submount 上，之後用熱像儀進行量測，量測結果為在輸入功率為一瓦的情況下，Si+Cu 組的熱阻為 34.7 W/mk、Si 組的熱阻為 19.4 W/mk、Bare 組的熱阻為 13 W/mk。我們將 Si+Cu 組的熱組較高的原因歸納為以下三項，使用了較多量的銀膠、sub-mount 的厚度過厚、sub-mount 與 Case 的面積過於接近，使得 case 的功用等同於 sub-mount。而未來製程方面的改善，可以在 sub-mount 的背面鍍一層金錫合金，利用 die bonding 的技術做接合，則可避免銀膠的使用；並可使用厚度較薄的. 70.

(84) 矽晶圓並在電鍍完銅後，將 V 型槽外的銅利用研磨技術磨掉，值到露出矽晶片的表面為止，則可大大的減低 sub-mount 的厚度；接著也可將 sub-mount 的面積，在光罩設計時進一步的縮小或將 case 換成其他面積較大的產品。則可進一步的減低整個元件的熱阻。. 71.

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