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CN101997074A - 一种基于硅基板的led表面贴片式封装结构及其封装方法 - Google Patents

一种基于硅基板的led表面贴片式封装结构及其封装方法 Download PDF

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CN101997074A
CN101997074A CN201010243383.7A CN201010243383A CN101997074A CN 101997074 A CN101997074 A CN 101997074A CN 201010243383 A CN201010243383 A CN 201010243383A CN 101997074 A CN101997074 A CN 101997074A
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陈海英
周玉刚
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APT (GUANGZHOU) ELECTRONICS Ltd
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Abstract

一种基于硅基板的LED表面贴片式封装结构，包括硅基板、LED芯片、圆环凸壁和透镜。硅基板的上表面为平面结构。一氧化层覆盖在硅基板上表面，金属电极层设置在氧化层的上表面，金属电极层的上表面设置有金属凸点。金属电极层下方设有贯穿硅基板的通孔。一绝缘层覆盖通孔的内壁以及硅基板的部分下表面。一金属连接层覆盖通孔内绝缘层表面。两个导电金属焊盘分别设置在硅基板下表面并与硅基板绝缘。一导热金属焊盘设置在硅基板下表面。LED芯片倒装在硅基板上。圆环凸壁和透镜使LED芯片及其内的金属电极层与外界隔离。本发明的结构具有散热效果好、体积小的优点；同时无金线封装使得该结构具有高可靠性，且实现了晶圆级的大生产封装，使得封装成本降低。

Description

一种基于硅基板的LED表面贴片式封装结构及其封装方法
技术领域
本发明属于发光器件的制造领域，涉及一种基于硅基板的LED封装结构及其封装方法
背景技术
发光二极管(LED)光源具有高效率、长寿命、不含Hg等有害物质的优点。随着LED技术的迅猛发展，LED的亮度、寿命等性能都得到了极大的提升，使得LED的应用领域越来越广泛，从路灯等室外照明到装饰灯等室内照明，均纷纷使用或更换成LED作为光源。
LED表面贴装型(SMD)的封装结构由于其应用方便和体积小等优势已经成为了主要的封装形式。请参阅图1，其是现有技术中常用的LED表面贴装结构，包括一封装支架100和一通过固晶工艺贴装在封装支架100内的LED芯片200。封装支架100表面设置有金属引线500，在LED芯片200两侧的金属引线500上设置有电极400，LED芯片200的正负电极通过金线300分别与封装支架100上的电极400电连接。通过荧光粉涂敷和封胶工艺在LED芯片200的上方填充灌封胶体600，从而完成对LED芯片200的封装。然而，目前这种LED表面贴装结构存在以下问题：由于封装支架100是采用金属支架为基板，再以射出塑胶凹槽或模铸成型方式封胶后并切割而成，因此其耐温性不佳、散热性不够理想，微型化不易制作。此外，由于采用了将LED芯片200上表面装贴及采用金线300连接电极的结构，而金线连接失效往往是LED生产和使用过程中出现最多的失效模式。另外，上表面装贴的LED芯片200通过蓝宝石散热，其散热效果不佳。
为了解决上述封装支架结构存在的问题，一个较好的方法是采用硅基板直接作为LED芯片的封装基板。目前基于硅基板的SMD结构的产品还未能在实际中大量销售和应用，只是有相关的专利报道。他们大多采用的都是将硅片上表面挖一个深的凹槽，再在凹槽内挖通孔，将上表面凹槽内的电极连到下表面，形成SMD的封装形式；LED芯片被埋入到硅凹槽中，封装时在凹槽中填充荧光粉和封胶；而且普遍采用的是正装芯片打金线连接。部分也采用了倒装芯片的结构。请参阅图2，该封装结构包括一硅基板10、一LED芯片20和封装胶体30。其中该硅基板10的上表面具有一深凹槽，LED芯片20倒装在该硅基板10的深凹槽内。LED芯片20的正负电极对应的硅基板10的凹槽内设有通孔50，通孔50对应的硅基板10的下表面具有导电焊盘60，LED芯片20通过通孔50内设的引线与导电焊盘60电连接。该封装胶体30是通过在深凹槽内填充荧光粉和封胶而形成。这种结构由于需要在硅片的上表面挖大的深凹槽，需要对硅片进行长时间腐蚀，工艺复杂且成本较高；同时由于凹槽很深，从而在其内部布线难度增加，特别是如果采用倒装芯片，需要在凹槽内的电极上制作金属凸点，其工艺难度较大；再者由于硅基板上表面有深的凹槽，不容易在硅基板上集成LED的外围电路(如静电保护电路、驱动电路等)，其应用前景上也受到限制；此外，受凹槽大小限制，凹槽内放置的芯片数目受限，不易实现多芯片模组。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种散热性能好、工艺简单、低成本、品质可控的LED表面贴装结构。
同时，本发明还提供了所述LED封装结构的封装方法。
一种基于硅基板的LED表面贴片式封装结构，包括硅基板、LED芯片、圆环凸壁和透镜。所述硅基板的上表面为一平面结构，无凹槽，一氧化层覆盖在硅基板的上表面，分别用以连接正负电极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且相互绝缘，所述金属电极层的上表面分别设置有金属凸点；金属电极层下方对应的硅基板分别设有贯穿硅基板的通孔；一绝缘层覆盖所述通孔的内壁以及硅基板的部分下表面；一金属连接层覆盖在通孔内的绝缘层表面；两个导电金属焊盘分别设置在硅基板下表面并通过绝缘层与硅基板绝缘，该导电金属焊盘的位置与通孔位置对应，并通过通孔内的金属连接层与硅基板上表面的金属电极层电连接；一导热金属焊盘设置在硅基板下表面二导电金属焊盘之间，其与硅基板之间无绝缘层。所述LED芯片倒装在该硅基板上，正负极分别与二金属凸点连接。所述圆环凸壁设置在硅基板的上表面形成包围区域，所述LED芯片设置在该包围区域内。所述透镜是通过圆环凸壁的表面张力限制作用使得液态的胶体直接成形而成，使得LED芯片及其内的金属电极层与外界隔离。
一种基于硅基板的LED表面贴片式封装方法，包括如下步骤：
步骤S1：在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极和N电极，以及电极上的金属焊盘；
步骤S2：在一硅基板上，首先通过热氧化工艺在硅基板的上表面形成一氧化层，然后通过蒸发、溅射或电镀工艺在氧化层的表面形成金属电极层，再通过光刻、腐蚀或剥离工艺将金属层形成对应于LED芯片的图形和连线，最后通过电镀、蒸发或金属线植球方法在金属电极层的上表面形成金属凸点；
步骤S3：在基板下表面形成通孔位置的图形，然后通过对硅基板进行干法刻蚀或湿法腐蚀，形成贯穿硅基板及其上表面的氧化层的通孔；接着在通孔的内侧和硅基板下表面形成一层绝缘层；最后在通孔内侧的绝缘层表面形成金属连接层、在硅基板下表面的绝缘层上形成导电金属焊盘，以及在二导电金属焊盘之间的硅基板下表面形成导热金属焊盘，所述导热金属焊盘与硅基板之间无绝缘层；
步骤S4：将LED芯片倒装在所述硅基板上，并使LED芯片上P电极和N电极对应的金属焊盘分别与硅基板上的金属凸点连接。
进一步，在所述步骤S4之前还包括步骤：在硅基板的上表面涂布一介质层，然后用曝光和显影形成圆环凸壁。
进一步，在所述步骤S4之后还包括步骤：在所述的圆环凸壁内的硅基板上方进行点胶，点胶后烘烤固化形成透镜。
相对于现有技术，本发明的封装结构散热效果好、体积小；同时无金线封装使得该结构具有高的可靠性。直接在硅基板的表面倒装LED芯片而节省了在硅片表面挖深凹槽的步骤，降低了工艺成本和工艺难度，同时可容易地在硅片上表面进行LED芯片的排布，可以随意方便地实现多芯片模组连接及封装。采用在硅片上表面做圆环凸壁的方法，实现了直接通过封装点胶形成较好的透镜，比传统的铸模透镜成本更低。
为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。
附图说明
图1是现有技术中常用的LED表面贴装结构示意图。
图2是现有技术中硅基板作为LED芯片的封装基板的封装结构示意图。
图3本发明基于硅基板的LED封装结构的剖面示意图。
图4是图3所示的俯视图。
图5是图3所示的仰视图。
具体实施方式
请同时参阅图3、图4和图5，其分别是本发明基于硅基板的LED封装结构的剖面示意图、俯视图及仰视图。该LED封装结构包括硅基板1、LED芯片2和透镜12。具体的，该硅基板1的上表面为一平面结构，无凹槽。一氧化层5覆盖在硅基板1的上表面。分别用以连接正负电极的二金属电极层4设置在该氧化层5的上表面且相互绝缘。金属电极层4的上表面分别设置有金属凸点3。LED芯片2倒装在该硅基板1上，LED芯片2的正负极分别与二金属凸点3连接，从而与金属电极层4电连接。在LED芯片2两侧的金属电极层4下方对应的硅基板1分别设有贯穿其上下表面的通孔6，通孔6的内壁以及硅基板1的下表面覆盖一绝缘层7。一金属连接层8覆盖在通孔6内的绝缘层7表面。两个导电金属焊盘9分别设置在硅基板1下表面并通过绝缘层7与硅基板1绝缘，该导电金属焊盘9的位置与通孔6位置对应，其通过通孔6内的金属连接层8与硅基板1上表面的金属电极层4电连接。一导热金属焊盘10设置两个导电金属焊盘9之间，并在LED芯片2正下方对应的硅基板1的下表面，且导热金属焊盘10与硅基板1之间无绝缘层。LED芯片2的上表面涂覆有一荧光粉层13。在硅基板1上表面两个通孔6的两侧设置有一圆环凸壁11，其为透镜12提供一个限制空间，透镜12使LED芯片2及其内的金属布线与外界隔离。
具体的，所述的金属凸点3的材料可以为铅、锡、金、镍、铜、铝、铟中单一的材料、多层材料或者合金。
所述导电金属焊盘9和导热金属焊盘10的材料可以为镍、金、银、铝、钛、钨、镉、钒、铂等中单一的材料、多层材料或者合金。
所述圆环凸壁11的高度为10um～500um之间。所述圆环凸壁11所采用的材料可以是金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺(Polyimide)或可固化后永久使用的光刻胶等。
所述透镜12的材料为透明的树脂或硅胶；也可以是混合有颗粒状荧光粉的树脂或硅胶；或者是由两层材料组成：第一层是混有荧光粉的胶体或荧光粉固体薄片，第二层是透明的树脂或硅胶。
所述绝缘层7可以是聚酰亚胺(Polyimide)、氧化硅、氮化硅、可固化后永久使用的光刻胶等。
以下详细说明本发明的LED封装结构的制造步骤：
步骤S1：制造LED芯片2。具体地，在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极和N电极，以及电极上的金属焊盘。该圆片经研磨抛光后切割成单粒的LED芯片2。
步骤S2：在硅基板1上形成氧化层5、金属电极层4和金属凸点3。具体地，在硅基板1上，首先通过半导体生产的热氧化工艺在硅基板圆片的上表面形成一定厚度的氧化层5。然后通过蒸发、溅射或电镀等工艺在氧化层5的表面形成金属电极层4，再通过光刻、腐蚀或剥离等工艺将金属层4形成对应于LED芯片的图形和连线。最后通过电镀、蒸发或金属线植球等方式在成金属电极层4的上表面形成金属凸点3。
步骤S3：在硅基板1形成通孔6。具体地，将硅片进行下表面研磨，研磨到所需要的厚度。然后在硅片下表面进行介质层沉积、涂胶、曝光、显影、腐蚀等工艺，形成通孔位置的图形。接着通过介质层或光刻胶作为掩蔽层，对硅进行干法刻蚀或湿法腐蚀，从而腐蚀出通孔6。所述通孔6贯穿硅基板1上表面的氧化层5。
步骤S4：形成通孔6内侧表面和硅基板1下表面的绝缘层7。具体地，通过电镀方式或喷涂方式在通孔6内和硅基板1下表面形成一层绝缘层。通过曝光显影开出通孔内与硅片上表面金属的连接开孔，同时硅片下表面对应导热金属焊盘10的位置绝缘层也被去除，保留两个导电金属焊盘9处的绝缘层。
步骤S5：形成金属连接层8、导电金属焊盘9和导热金属焊盘10。具体地，通过电镀、化学镀等方式在通孔6内的绝缘层7表面形成金属连接层8以及在硅基板1的下表面的绝缘层7上形成导电金属焊盘9，在硅基板1的下表面LED芯片2对应处形成导热金属焊盘10。导电金属焊盘9通过金属连接层8实现与硅基板1上表面的金属电极层4的电连接。
步骤S6：形成圆环凸壁11。具体地，在硅基板1的上表面涂布一介质层，该介质层可以用聚酰亚胺(Polyimide)或可固化后永久使用的光刻胶等，涂布后用曝光和显影形成所需厚度的圆环凸壁11。
步骤S7：将LED芯片2倒装焊接在硅基板1的正表面。通过自动化的倒装焊设备将一个个的LED芯片2倒装焊接在硅片上表面上，倒装焊过程实际是金属凸点3同LED芯片2的P电极和N电极的金属焊盘的键合过程，可以采用回流焊的方式或是用加热后加超声波的邦定工艺。
步骤S8：在LED芯片2表面涂敷荧光粉层13。将荧光粉颗粒先混入胶中制成荧光胶，然后进行涂敷，涂敷方式可以是喷涂、刷涂或滴胶等方式。
步骤S9：形成透镜12。在圆环凸壁11内的硅基板1上方进行点胶，点胶量根据芯片尺寸和胶的粘稠度决定，使得圆环凸壁11外侧高度的表面张力能够限制住胶不会向外延伸，同时由于表面张力的作用，适当胶量能使胶的向上凸起接近半球状，点胶后烘烤固化即形成透镜12。
相对于现有技术，本发明直接在硅基板的表面倒装LED芯片而节省了在硅片表面挖深凹槽的步骤，降低了工艺成本和工艺难度。硅基板上表面没有了凹槽，可容易地实现在硅基板表面集成LED的外围电路，如抗静电保护电路、LED恒流驱动电路等，同时可容易地在硅片上表面进行LED芯片的排布，可以随意方便地实现多芯片模组连接及封装。采用在硅片上表面做圆环凸壁的方法，实现了一致的封装点胶，并形成较好的透镜，比传统的铸模透镜成本更低。发明的封装结构，可方便在整个硅圆片上完成所有封装工序后再做切割，实现晶圆级的LED封装，降低封装的成本。此外，本发明采用一层硅作为封装基板，将LED芯片产生的热直接通过硅导出，热阻比较小。采用倒装焊工艺将LED直接通过金属凸点连接到硅基板上，相对于正装LED产品通过蓝宝石散热，具有更好的散热效果。整个封装结构中没有一根金线，减少了由于金线连接失效造成的可靠性问题。整个封装结构体积比较小，有利于LED(特别是大功率LED)及其模组的结构小型化，方便后面的灯具产品的二次光学设计。
此外，本发明的基于硅基板的LED封装结构还可具有多种实施方式。如可以无需在LED芯片的上表面单独设置一荧光粉层，而是直接用透明的树脂胶或硅胶点胶形成透镜，封装成蓝光LED；或者将荧光粉颗粒与灌封胶均匀混合，然后直接在硅片表面的圆环内芯片上面点胶，并烘烤固化形成透镜。或者先在LED芯片表面贴上已制作好的荧光粉固体薄片，然后再用透明的灌封胶在硅片表面的圆环内点胶形成透镜。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (6)

1.一种基于硅基板的LED表面贴片式封装结构，其特征在于：包括
——硅基板，所述硅基板的上表面为一平面结构，无凹槽，一氧化层覆盖在硅基板的上表面，分别用以连接正负电极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且相互绝缘，所述金属电极层的上表面分别设置有金属凸点；金属电极层下方对应的硅基板分别设有贯穿硅基板的通孔；一绝缘层覆盖所述通孔的内壁以及硅基板的部分下表面；一金属连接层覆盖在通孔内的绝缘层表面；两个导电金属焊盘分别设置在硅基板下表面并通过绝缘层与硅基板绝缘，该导电金属焊盘的位置与通孔位置对应，并通过通孔内的金属连接层与硅基板上表面的金属电极层电连接；一导热金属焊盘设置在硅基板下表面二导电金属焊盘之间，其与硅基板之间无绝缘层；
——LED芯片，其倒装在该硅基板上，正负极分别与二金属凸点连接；
——圆环凸壁，设置在硅基板的上表面形成包围区域，所述LED芯片设置在该包围区域内；
——透镜，其通过圆环凸壁的表面张力限制作用使得液态的胶体直接成形而成，使得LED芯片及其内的金属电极层与外界隔离。
2.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于：所述圆环凸壁的高度为10um～500um之间。
3.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于：所述圆环凸壁所采用的材料是金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺或可固化后永久使用的光刻胶。
4.一种基于硅基板的LED表面贴片式封装方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极和N电极，以及电极上的金属焊盘；
步骤S2：在一硅基板上，首先通过热氧化工艺在硅基板的上表面形成一氧化层，然后通过蒸发、溅射或电镀工艺在氧化层的表面形成金属电极层，再通过光刻、腐蚀或剥离工艺将金属层形成对应于LED芯片的图形和连线，最后通过电镀、蒸发或金属线植球方法在金属电极层的上表面形成金属凸点；
步骤S3：在基板下表面形成通孔位置的图形，然后通过对硅基板进行干法刻蚀或湿法腐蚀，形成贯穿硅基板及其上表面的氧化层的通孔；接着在通孔的内侧和硅基板下表面形成一层绝缘层；最后在通孔内侧的绝缘层表面形成金属连接层、在硅基板下表面的绝缘层上形成导电金属焊盘，以及在二导电金属焊盘之间的硅基板下表面形成导热金属焊盘，所述导热金属焊盘与硅基板之间无绝缘层；
步骤S4：将LED芯片倒装在所述硅基板上，并使LED芯片上P电极和N电极对应的金属焊盘分别与硅基板上的金属凸点连接。
5.根据权利要求4所述的封装方法，其特征在于：在所述步骤S4之前还包括步骤：在硅基板的上表面涂布一介质层，然后用曝光和显影形成圆环凸壁。
6.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于：在所述步骤S4之后还包括步骤：在所述的圆环凸壁内的硅基板上方进行点胶，点胶后烘烤固化形成透镜。
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