CN103187508A

CN103187508A - Led圆片级芯片尺寸封装结构及封装工艺

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Publication number: CN103187508A
Application number: CN2011104576721A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 陈照辉; 周圣军; 王恺
Original assignee: 刘胜
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN103187508B

Abstract

LED圆片级芯片尺寸封装结构及封装工艺，包括：硅基片、LED圆片、键合层和LED外延层，绝缘层、反射层、焊盘、荧光粉层及透镜，其特征在于所述硅片上设有通孔，硅基片的背面沉积有一层绝缘层，通孔内填充有金属实现垂直电互连，在硅基片正面设有焊盘及反射层，硅基片背面设有电极，LED外延层上设有n与p电极，在n与p电极上设有键合层，LED圆片与带通孔的硅基片键合，LED圆片上涂覆荧光粉层，在LED圆片上设有透镜阵列或硅胶保护层。本发明的优点是封装后缩小了LED的尺寸，通过导电垂直互连结构及工艺实现电热分离，提高LED器件的散热能力，通过旋涂工艺，印刷工艺实现了LED的保型涂覆，提高了LED封装的一致性。

Description

LED圆片级芯片尺寸封装结构及封装工艺

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及制造工艺，特别涉及一种LED圆片级芯片尺寸封装结构及工艺方法。

背景技术

与传统光源相比，作为第四代光源的LED具有高效节能、高亮、长寿、环保等优点，在照明、显示等领域扮演着越来越重要的角色。目前，LED封装技术呈现出多元化的发展趋势。传统的封装技术使用引线框架对一个个单独的芯片进行封装，封装效率低、产品的一致性差，而且存在热界面多而导致散热不良。而借助于IC工艺中的硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技术对LED芯片进行系统级封装，便于LED器件与电路的集成，可以提高LED封装的集成度与产品的一致性，提高器件的性能，同时降低器件的成本，在LED封装领域中具有重要的意义和巨大的市场潜力。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种LED圆片级芯片尺寸封装结构及工艺方法。

本发明包括：硅基片、LED圆片、键合层和LED外延层，绝缘层、反射层、焊盘、荧光粉层及透镜，其特征在于所述硅基片上设有通孔，硅基片的背面沉积有一层绝缘层，通孔内填充有金属实现垂直电互连，在硅基片正面设有焊盘及反射层，硅基片背面设有电极，LED外延层上设有n与p电极，在n与p电极上设有键合层，LED圆片与带通孔的硅基片键合，LED圆片上涂覆荧光粉层，在LED圆片上设有透镜阵列或硅胶保护层。

所述硅基片为2inch或更大尺寸，厚度在100-500um。硅基片的通孔为垂直通孔，其形状为圆形或方形，通孔内填充的金属为圆管或方管，其直径为5um到100um，或者填充金属的形状为方柱或方台或方管，其尺寸为为5um到100um，间距在5-500um，或者在通孔内填充高分子材料。

所述绝缘层为SiO₂或SiN_x，在绝缘层上沉积粘附层，阻挡层，种子层，粘附层为Ni、Ti、Ta，阻挡层为Ta，种子层为Cu。反射层为金属Ag、Au，焊盘为Au。

所述LED外延层通过ICP刻蚀工艺，暴露出n型GaN；通过沉积工艺形成绝缘层将n型GaN与p型GaN分隔，n电极与p电极为两块式或分布式，经沉积工艺沉积欧姆接触层等电极结构、焊盘，欧姆接触层为Cr、Ti、Pt、Ti、Pd等，焊盘的为Au。

所述键合层的键合层金属为Au、Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn，Cu、Au-Sn，键合层设置在LED外延层上或者硅基片上。

发光二极管LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，依次包含以下步骤：

A.在硅基片刻蚀通孔结构；

B.刻蚀通孔后的在硅基片表面沉积绝缘层，通过填充金属实现垂直电互连，填充金属的工艺可以采用电镀，化学气相沉积工艺；

C.通过溅射或沉积工艺在硅基片正面形成焊盘及反射层；

D.通过溅射或沉积工艺在硅基片背面形成电极结构；

E.通过刻蚀暴露出LED外延层的n与p电极，在n与p电极上形成键合层，通过圆片键合工艺将LED圆片与带通孔的硅基片键合，键合工艺为热压键合、超声热压键合、回流工艺；

F.通过旋涂或印刷工艺在键合好的LED圆片上涂覆荧光粉层；

G.通过自流成型工艺或注塑工艺在LED圆片上形成透镜阵列或硅胶保护层；

H.通过切片工艺将圆片分割成单个LED封装结构。

E步骤中：将LED圆片与带通孔的硅基片键合后，还可以对LED圆片的蓝宝石衬底进行减薄，采用的工艺为ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削加化学机械抛光(CMP)工艺，减薄工艺在LED圆片与带通孔圆硅片键合完成之后进行，或者在刻蚀制作LED外延层焊盘之前进行蓝宝石衬底的减薄，利用圆片键合工艺将LED圆片键合到一个临时衬底上，临时衬底可以为硅片、铜片，通过ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削加化学机械抛光(CMP)工艺进行蓝宝石衬底减薄，直到暴露出n型GaN外延层。

所述步骤F通过旋涂工艺在LED圆片表面形成荧光粉层，其材料为荧光粉硅胶混合物或荧光粉玻璃。

所述步骤G通过自流成型工艺或注塑工艺在荧光粉层上形成透镜阵列，透镜的形状为半球形或自由曲面。

所述步骤G还可以通过旋涂工艺荧光粉层上形成硅胶保护层，通过压模工艺在硅胶保护层上形成微结构。

所述步骤H通过切片工艺将圆片分割成单个LED封装结构，其结构尺寸可以为0.5mm×0.5mm、1mm×1mm、2mm×2mm、5mm×5mm、10mm×10mm、20mm×20mm、或任意尺寸。

本发明的优点是封装后缩小了LED的尺寸，可以满足大功率LED封装结构尺寸要求苛刻的场合，通过圆片级工艺实现LED封装，提高了LED封装的生产效率，通过导电垂直互连结构及工艺实现电热分离，采用热导率高的硅片进行封装，克服了散热不良的问题，提高LED器件的散热能力；通过旋涂工艺，印刷工艺实现了LED的保型涂覆，提高了LED封装的一致性。本发明提供一种工艺简单、低成本和高可靠性LED圆片级芯片尺寸封装结构及其工艺方法。

附图说明

图1本发明LED圆片级芯片尺寸封装结构的剖面图；

图2本发明LED圆片级芯片尺寸封装结构阵列的俯视图；

图3、图3a本发明LED圆片级芯片尺寸封装背面电极结构图；

图4本发明LED采用平面透镜圆片级芯片尺寸封装结构的剖面图；

图5本发明LED采用平面透镜(三角形微结构)圆片级芯片尺寸封装结构的俯视图；

图6本发明LED采用平面透镜(方形微结构)圆片级芯片尺寸封装结构的剖面图；

图7本发明LED圆片级芯片尺寸封装结构(自由曲面透镜)的剖面图；

图8本发明LED圆片键合层制作工艺步骤示意图；

图9本发明LED圆片键合层分布示意图；

图10本发明LED圆片键合层分布示意图；

图11本发明带有垂直互连通孔的硅基板制作工艺步骤示意图；

图12本发明LED圆片尺寸封装圆片键合工艺；

图13本发明LED圆片键合层(正负极交错形式)制作工艺步骤示意图；

图14本发明LED圆片键合层(正负极交错形式)分布示意图；

图15本发明硅基片(垂直通孔填实工艺)制作工艺步骤示意图；

图16本发明硅基片(斜通孔未填实工艺)制作工艺步骤示意图；

图17本发明硅基片(斜通孔填实工艺)制作工艺步骤示意图；

图18本发明硅基片(垂直通孔填冲高分子缓冲材料工艺)制作工艺步骤示意图；

图19本发明硅基片(斜通孔填冲高分子缓冲材料工艺)制作工艺步骤示意图。

图中：1硅基片，2通孔，3电镀铜，4焊盘，5键合层，6n型GaN，7p型GaN，8多量子阱，9绝缘层，10蓝宝石衬底，11荧光粉层，12球面透镜，13平面透镜，14三角形微结构，15方形微结构，16自由曲面透镜，17高分子填充材料。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

制作LED圆片键合层结构：在LED外延层上光刻显影，将设计好的电极图形转移到LED外延层上，利用干法刻蚀工艺刻蚀GaN，刻蚀深度为n型GaN7和多量子阱8的厚度的总和，暴露图n型GaN6，在n型GaN6与p型GaN7间制作绝缘层，金属化n型GaN6与p型GaN7，焊盘4包括Ni、Ag、Au、ITO等金属。光刻、显影、制作键合层5，制作方法可以包括沉积，印刷，电镀等工艺。键合层5材料可以包括：Sn-Ag、Sn、Ag、Au、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn、Au-Sn等金属。如图8所示。键合层5的形状可以为正负极整体两块，如图9所示，也可以为分布式，如图10所示。

制作带垂直电极结构的硅基片：硅基片1为2inch或更大尺寸，厚度在100-500um，光刻，显影，通过DRIE工艺在硅片1刻蚀出垂直通孔2，孔的形状可以为圆形或方形；其直径为5um到100um，间距在10-500um。通过热氧化或PECVD工艺形成绝缘层，绝缘层为SiO₂或SiN_x，通过溅射或沉积工艺形成粘附层，阻挡层，种子层。通过电镀工艺填充互连金属铜或采用沉积工艺填充钨或者其它高导电率的金属形成垂直导电互连结构。填充金属不完全填充满通孔3，通过沉积工艺形成通过沉积工艺形成黏附层、焊盘4及反射层。黏附层可以为金属Ni，Ti，焊盘4可以为金属Au，反射层的金属可以为Ag，如图11所示。并制作硅基板背部用于表面贴装的电极结构4，如图3、图3a所示。

LED圆片与硅基片键合工艺：制作带垂直电极结构的硅基片与制作好键合层的LED圆片利用圆片热压键合工艺完成键合，如图12所示。

利用旋涂工艺在蓝宝石10上制作荧光粉层11。如图1所示。利用模具成型工艺或自由成型工艺在荧光粉11层上制作微透镜12。如图1所示。

利用切片工艺将圆片分开形成LED圆片级芯片尺寸封装模块，如图1、2所示。

实施例二

实施例二与实施例一相同，所不同的是在于蓝宝石上得荧光分层为采用印刷工艺形成的，且其工艺步骤在所有工艺之前。

实施例三

实施例三与实施例一相同，所不同的是在于LED圆片与硅基片键合工艺采用回流工艺实现。

实施例四

实施例四与实施例一相同，所不同的是在于所形成的微透镜为平面透镜13，且在其上制作了可以提高取光效率的三角形微结构14、方形微结构15。其结构形式可以为三角形整列，圆形整列，四边形整列15，五边形整列，六边形整列。其边长及间距满足一定的要求。如图4、图5、图6所示。

实施例五

实施例五与实施例一相同，所不同的是在于所形成的微透镜为自由曲面透镜16，可以满足具体照明场合对光斑分布的要求。

实施例六

实施例六与实施例一相同，所不同的是在于所制作连接LED外延层n型GaN与p型GaN的键合层为交叉分布，如图13、图14所示，以提高LED外延层多量子阱的电流注入效率，提高电流分布的均匀性。

实施例七

实施例七与实施例一相同，所不同的是在于所制作的垂直互连通孔2内填充满了电镀铜3，如图15所示。

实施例八

实施例八与实施例一相同，所不同的是在于所制作的互连通孔2为倒梯形结构，其中的金属层为电镀铜3，如图16所示。也可以完全填充满通孔，如图17所示。

实施例九

实施例九与实施例一相同，所不同的是在于所制作的垂直或倒梯形结构的互连通孔2中只填充一薄层电镀铜3，在电镀铜3中填充高分子材料17以缓冲金属层与硅之间热失配导致的应力，如图18、图19所示。

实施列十

实施例十与实施例一相同，所不同的是在于LED外延层与带导电通孔硅基片1完成键合工艺后，对蓝宝石衬底10进行减薄，可以采用的工艺包括ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削加化学机械抛光(CMP)工艺。

实施列十一

实施例十一与实施例一相同，所不同的是在于在刻蚀制作LED外延层键合层5之前进行蓝宝石衬底10的减薄，首先利用圆片键合工艺将LED圆片键合到一个临时衬底上，通过ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削+化学机械抛光(CMP)工艺等进行蓝宝石衬底10的减薄，直到暴露出n型GaN6外延层。刻蚀n型GaN6和多量子阱结构直到暴露出p型GaN7，然后制作绝缘层，金属化n型GaN6与p型GaN7，制作焊盘结构。

Claims

1.一种LED圆片级芯片尺寸封装结构，包括：硅基片、LED圆片、键合层和LED外延层，绝缘层、反射层、焊盘、荧光粉层及透镜，其特征在于所述硅基片上设有通孔，硅基片的背面沉积有一层绝缘层，通孔内填充有金属实现垂直电互连，在硅基片正面设有焊盘及反射层，硅基片背面设有电极，LED外延层上设有n与p电极，在n与p电极上设有键合层，LED圆片与设有通孔的硅基片键合，LED圆片上涂覆有荧光粉层，在LED圆片上设有透镜阵列或硅胶保护层。

2.根据权利要求1所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构，其特征在于所述硅基片为2inch或更大尺寸，厚度在100-500um。

3.根据权利要求1所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构，其特征在于所述硅基片的通孔为垂直通孔，其形状为圆形或方形，通孔内填充金属，其直径为5um到100um，间距在5-500um，或者填充形状为圆管或方管的金属，其尺寸为5um到100um，间距在5-500um，或者在金属管中填充高分子材料。

4.根据权利要求1所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构，其特征在于所述绝缘层为SiO₂或SiN_x，在绝缘层上沉积粘附层，阻挡层，种子层，粘附层为Ni、Ti、Ta，阻挡层为Ta，种子层为Cu，W，反射层为金属Ag、Au，焊盘为Au。

5.根据权利要求1所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构，其特征在于所述LED外延层通过ICP刻蚀工艺，暴露出n型GaN；通过沉积工艺形成绝缘层将n型GaN与p型GaN分隔，n电极与p电极为两块式或分布式，经沉积工艺沉积电极内的欧姆接触层、焊盘，欧姆接触层为Cr、Ti、Pt、Ti、Pd，焊盘金属为Au。

6.根据权利要求1所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构，其特征在于所述键合层的金属为Au、Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn，Cu、Au-Sn，键合层选择设置在LED外延层或硅基片上。

7.一种发光二极管LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于依次包含以下步骤：

A.在硅基片刻蚀通孔结构；

B.刻蚀通孔后的在硅基片背面沉积绝缘层，通过填充金属实现垂直电互连，填充金属的工艺可以采用电镀，化学气相沉积工艺；

C.通过溅射或沉积工艺在硅基片正面形成焊盘及反射层；

D.通过溅射或沉积工艺在硅基片背面形成电极结构；

E.通过刻蚀暴露出LED外延层的n与p电极，在n与p电极上形成键合层，通过圆片键合工艺将LED圆片与带通孔的硅基片键合；

F.通过旋涂或印刷工艺在键合好的LED圆片上涂覆荧光粉层；

H.通过切片工艺将LED圆片分割成单个LED封装结构。

8.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述E步骤中将LED圆片与带通孔的硅基片键合后还包含对LED圆片的蓝宝石衬底进行减薄，可以采用的工艺为ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削加化学机械抛光(CMP)工艺，减薄工艺在LED圆片与带通孔圆硅片键合完成之后进行。

9.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述E步骤中在刻蚀制作LED外延层之前进行蓝宝石衬底的减薄，利用圆片键合工艺将LED圆片键合到一个临时衬底上，临时衬底可以为硅片或铜片，通过ICP刻蚀，激光剥离，机械磨削加化学机械抛光(CMP)工艺进行蓝宝石衬底减薄，直到暴露出n型GaN外延层。

10.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述步骤F通过旋涂工艺在LED圆片表面形成荧光粉层，其材料为荧光粉硅胶混合物，或者采用键合工艺在LED圆片表面键合荧光粉玻璃。

11.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述步骤G通过自流成型工艺或注塑工艺在荧光粉层上形成透镜阵列，透镜的形状为半球形或自由曲面。

12.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述步骤G还通过旋涂工艺在荧光粉层上形成硅胶保护层，通过压模工艺在硅胶保护层上形成微结构。

13.根据权利要求7所述的LED圆片级芯片尺寸封装结构的封装工艺，其特征在于所述步骤H通过切片工艺将圆片分割成单个LED封装结构，其结构尺寸可以为0.5mm×0.5mm、1mm×1mm、2mm×2mm、5mm×5mm 10mm×10mm、20mm×20mm。