一種基於矽基板的led表面貼片式封裝結構及其封裝方法
2023-09-20 02:01:35
專利名稱：一種基於矽基板的led表面貼片式封裝結構及其封裝方法
技術領域：
本發明屬於發光器件的製造領域，涉及一種基於矽基板的LED封裝結構及其封裝 方法
背景技術：
發光二極體(LED)光源具有高效率、長壽命、不含Hg等有害物質的優點。隨著LED 技術的迅猛發展，LED的亮度、壽命等性能都得到了極大的提升，使得LED的應用領域越來 越廣泛，從路燈等室外照明到裝飾燈等室內照明，均紛紛使用或更換成LED作為光源。LED表面貼裝型(SMD)的封裝結構由於其應用方便和體積小等優勢已經成為了主 要的封裝形式。請參閱圖1，其是現有技術中常用的LED表面貼裝結構，包括一封裝支架100 和一通過固晶工藝貼裝在封裝支架100內的LED晶片200。封裝支架100表面設置有金屬 引線500，在LED晶片200兩側的金屬引線500上設置有電極400，LED晶片200的正負電 極通過金線300分別與封裝支架100上的電極400電連接。通過螢光粉塗敷和封膠工藝在 LED晶片200的上方填充灌封膠體600，從而完成對LED晶片200的封裝。然而，目前這種 LED表面貼裝結構存在以下問題由於封裝支架100是採用金屬支架為基板，再以射出塑膠 凹槽或模鑄成型方式封膠後並切割而成，因此其耐溫性不佳、散熱性不夠理想，微型化不易 製作。此外，由於採用了將LED晶片200上表面裝貼及採用金線300連接電極的結構，而金 線連接失效往往是LED生產和使用過程中出現最多的失效模式。另外，上表面裝貼的LED 晶片200通過藍寶石散熱，其散熱效果不佳。為了解決上述封裝支架結構存在的問題，一個較好的方法是採用矽基板直接作為 LED晶片的封裝基板。目前基於矽基板的SMD結構的產品還未能在實際中大量銷售和應用， 只是有相關的專利報導。他們大多採用的都是將矽片上表面挖一個深的凹槽，再在凹槽內 挖通孔，將上表面凹槽內的電極連到下表面，形成SMD的封裝形式；LED晶片被埋入到矽凹 槽中，封裝時在凹槽中填充螢光粉和封膠；而且普遍採用的是正裝晶片打金線連接。部分也 採用了倒裝晶片的結構。請參閱圖2，該封裝結構包括一矽基板10、一 LED晶片20和封裝 膠體30。其中該矽基板10的上表面具有一深凹槽，LED晶片20倒裝在該矽基板10的深凹 槽內。LED晶片20的正負電極對應的矽基板10的凹槽內設有通孔50，通孔50對應的矽基 板10的下表面具有導電焊盤60，LED晶片20通過通孔50內設的引線與導電焊盤60電連 接。該封裝膠體30是通過在深凹槽內填充螢光粉和封膠而形成。這種結構由於需要在矽 片的上表面挖大的深凹槽，需要對矽片進行長時間腐蝕，工藝複雜且成本較高；同時由於凹 槽很深，從而在其內部布線難度增加，特別是如果採用倒裝晶片，需要在凹槽內的電極上制 作金屬凸點，其工藝難度較大；再者由於矽基板上表面有深的凹槽，不容易在矽基板上集成 LED的外圍電路(如靜電保護電路、驅動電路等)，其應用前景上也受到限制；此外，受凹槽 大小限制，凹槽內放置的晶片數目受限，不易實現多晶片模組。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的缺點與不足，提供一種散熱性能好、工藝簡 單、低成本、品質可控的LED表面貼裝結構。同時，本發明還提供了所述LED封裝結構的封裝方法。一種基於矽基板的LED表面貼片式封裝結構，包括矽基板、LED晶片、圓環凸壁和 透鏡。所述矽基板的上表面為一平面結構，無凹槽，一氧化層覆蓋在矽基板的上表面，分別 用以連接正負電極的二金屬電極層設置在該氧化層的上表面且相互絕緣，所述金屬電極層 的上表面分別設置有金屬凸點；金屬電極層下方對應的矽基板分別設有貫穿矽基板的通 孔；一絕緣層覆蓋所述通孔的內壁以及矽基板的部分下表面；一金屬連接層覆蓋在通孔內 的絕緣層表面；兩個導電金屬焊盤分別設置在矽基板下表面並通過絕緣層與矽基板絕緣， 該導電金屬焊盤的位置與通孔位置對應，並通過通孔內的金屬連接層與矽基板上表面的金 屬電極層電連接；一導熱金屬焊盤設置在矽基板下表面二導電金屬焊盤之間，其與矽基板 之間無絕緣層。所述LED晶片倒裝在該矽基板上，正負極分別與二金屬凸點連接。所述圓 環凸壁設置在矽基板的上表面形成包圍區域，所述LED晶片設置在該包圍區域內。所述透 鏡是通過圓環凸壁的表面張力限制作用使得液態的膠體直接成形而成，使得LED晶片及其 內的金屬電極層與外界隔離。一種基於矽基板的LED表面貼片式封裝方法，包括如下步驟步驟Sl 在藍寶石襯底上生長有多層氮化鎵的外延圓片，經過光刻、刻蝕、金屬層 沉積和鈍化層保護等系列工藝步驟，在LED晶片上形成P電極和N電極，以及電極上的金屬 焊盤；步驟S2 在一矽基板上，首先通過熱氧化工藝在矽基板的上表面形成一氧化層， 然後通過蒸發、濺射或電鍍工藝在氧化層的表面形成金屬電極層，再通過光刻、腐蝕或剝離 工藝將金屬層形成對應於LED晶片的圖形和連線，最後通過電鍍、蒸發或金屬線植球方法 在金屬電極層的上表面形成金屬凸點；步驟S3 在基板下表面形成通孔位置的圖形，然後通過對矽基板進行幹法刻蝕或 溼法腐蝕，形成貫穿矽基板及其上表面的氧化層的通孔；接著在通孔的內側和矽基板下表 面形成一層絕緣層；最後在通孔內側的絕緣層表面形成金屬連接層、在矽基板下表面的絕 緣層上形成導電金屬焊盤，以及在二導電金屬焊盤之間的矽基板下表面形成導熱金屬焊 盤，所述導熱金屬焊盤與矽基板之間無絕緣層；步驟S4 將LED晶片倒裝在所述矽基板上，並使LED晶片上P電極和N電極對應 的金屬焊盤分別與矽基板上的金屬凸點連接。進一步，在所述步驟S4之前還包括步驟在矽基板的上表面塗布一介質層，然後 用曝光和顯影形成圓環凸壁。進一步，在所述步驟S4之後還包括步驟在所述的圓環凸壁內的矽基板上方進行 點膠，點膠後烘烤固化形成透鏡。相對於現有技術，本發明的封裝結構散熱效果好、體積小；同時無金線封裝使得該 結構具有高的可靠性。直接在矽基板的表面倒裝LED晶片而節省了在矽片表面挖深凹槽的 步驟，降低了工藝成本和工藝難度，同時可容易地在矽片上表面進行LED晶片的排布，可以 隨意方便地實現多晶片模組連接及封裝。採用在矽片上表面做圓環凸壁的方法，實現了直接通過封裝點膠形成較好的透鏡，比傳統的鑄模透鏡成本更低。為了能更清晰的理解本發明，以下將結合
闡述本發明的具體實施方式
。
圖1是現有技術中常用的LED表面貼裝結構示意圖。圖2是現有技術中矽基板作為LED晶片的封裝基板的封裝結構示意圖。圖3本發明基於矽基板的LED封裝結構的剖面示意圖。圖4是圖3所示的俯視圖。圖5是圖3所示的仰視圖。
具體實施例方式請同時參閱圖3、圖4和圖5，其分別是本發明基於矽基板的LED封裝結構的剖面 示意圖、俯視圖及仰視圖。該LED封裝結構包括矽基板1、LED晶片2和透鏡12。具體的， 該矽基板1的上表面為一平面結構，無凹槽。一氧化層5覆蓋在矽基板1的上表面。分別 用以連接正負電極的二金屬電極層4設置在該氧化層5的上表面且相互絕緣。金屬電極層 4的上表面分別設置有金屬凸點3。LED晶片2倒裝在該矽基板1上，LED晶片2的正負極 分別與二金屬凸點3連接，從而與金屬電極層4電連接。在LED晶片2兩側的金屬電極層 4下方對應的矽基板1分別設有貫穿其上下表面的通孔6，通孔6的內壁以及矽基板1的下 表面覆蓋一絕緣層7。一金屬連接層8覆蓋在通孔6內的絕緣層7表面。兩個導電金屬焊 盤9分別設置在矽基板1下表面並通過絕緣層7與矽基板1絕緣，該導電金屬焊盤9的位 置與通孔6位置對應，其通過通孔6內的金屬連接層8與矽基板1上表面的金屬電極層4 電連接。一導熱金屬焊盤10設置兩個導電金屬焊盤9之間，並在LED晶片2正下方對應的 矽基板1的下表面，且導熱金屬焊盤10與矽基板1之間無絕緣層。LED晶片2的上表面塗 覆有一螢光粉層13。在矽基板1上表面兩個通孔6的兩側設置有一圓環凸壁11，其為透鏡 12提供一個限制空間，透鏡12使LED晶片2及其內的金屬布線與外界隔離。具體的，所述的金屬凸點3的材料可以為鉛、錫、金、鎳、銅、鋁、銦中單一的材料、 多層材料或者合金。所述導電金屬焊盤9和導熱金屬焊盤10的材料可以為鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鎘、 釩、鉬等中單一的材料、多層材料或者合金。所述圓環凸壁11的高度為IOum 500um之間。所述圓環凸壁11所採用的材料 可以是金屬、氧化物、氮化物、聚醯亞胺(Polyimide)或可固化後永久使用的光刻膠等。所述透鏡12的材料為透明的樹脂或矽膠；也可以是混合有顆粒狀螢光粉的樹脂 或矽膠；或者是由兩層材料組成第一層是混有螢光粉的膠體或螢光粉固體薄片，第二層 是透明的樹脂或矽膠。所述絕緣層7可以是聚醯亞胺(Polyimide)、氧化矽、氮化矽、可固化後永久使用 的光刻膠等。以下詳細說明本發明的LED封裝結構的製造步驟步驟Sl 製造LED晶片2。具體地，在藍寶石襯底上生長有多層氮化鎵的外延圓 片，經過光刻、刻蝕、金屬層沉積和鈍化層保護等系列工藝步驟，在LED晶片上形成P電極和N電極，以及電極上的金屬焊盤。該圓片經研磨拋光後切割成單粒的LED晶片2。步驟S2 在矽基板1上形成氧化層5、金屬電極層4和金屬凸點3。具體地，在矽 基板1上，首先通過半導體生產的熱氧化工藝在矽基板圓片的上表面形成一定厚度的氧化 層5。然後通過蒸發、濺射或電鍍等工藝在氧化層5的表面形成金屬電極層4，再通過光刻、 腐蝕或剝離等工藝將金屬層4形成對應於LED晶片的圖形和連線。最後通過電鍍、蒸發或 金屬線植球等方式在成金屬電極層4的上表面形成金屬凸點3。步驟S3 在矽基板1形成通孔6。具體地，將矽片進行下表面研磨，研磨到所需要 的厚度。然後在矽片下表面進行介質層沉積、塗膠、曝光、顯影、腐蝕等工藝，形成通孔位置 的圖形。接著通過介質層或光刻膠作為掩蔽層，對矽進行幹法刻蝕或溼法腐蝕，從而腐蝕出 通孔6。所述通孔6貫穿矽基板1上表面的氧化層5。步驟S4 形成通孔6內側表面和矽基板1下表面的絕緣層7。具體地，通過電鍍方 式或噴塗方式在通孔6內和矽基板1下表面形成一層絕緣層。通過曝光顯影開出通孔內與 矽片上表面金屬的連接開孔，同時矽片下表面對應導熱金屬焊盤10的位置絕緣層也被去 除，保留兩個導電金屬焊盤9處的絕緣層。步驟S5:形成金屬連接層8、導電金屬焊盤9和導熱金屬焊盤10。具體地，通過電 鍍、化學鍍等方式在通孔6內的絕緣層7表面形成金屬連接層8以及在矽基板1的下表面的 絕緣層7上形成導電金屬焊盤9，在矽基板1的下表面LED晶片2對應處形成導熱金屬焊盤 10。導電金屬焊盤9通過金屬連接層8實現與矽基板1上表面的金屬電極層4的電連接。步驟S6 形成圓環凸壁11。具體地，在矽基板1的上表面塗布一介質層，該介質層 可以用聚醯亞胺(Polyimide)或可固化後永久使用的光刻膠等，塗布後用曝光和顯影形成 所需厚度的圓環凸壁11。步驟S7 將LED晶片2倒裝焊接在矽基板1的正表面。通過自動化的倒裝焊設備 將一個個的LED晶片2倒裝焊接在矽片上表面上，倒裝焊過程實際是金屬凸點3同LED芯 片2的P電極和N電極的金屬焊盤的鍵合過程，可以採用回流焊的方式或是用加熱後加超 聲波的邦定工藝。步驟S8 在LED晶片2表面塗敷螢光粉層13。將螢光粉顆粒先混入膠中製成螢光 膠，然後進行塗敷，塗敷方式可以是噴塗、刷塗或滴膠等方式。步驟S9 形成透鏡12。在圓環凸壁11內的矽基板1上方進行點膠，點膠量根據芯 片尺寸和膠的粘稠度決定，使得圓環凸壁11外側高度的表面張力能夠限制住膠不會向外 延伸，同時由於表面張力的作用，適當膠量能使膠的向上凸起接近半球狀，點膠後烘烤固化 即形成透鏡12。相對於現有技術，本發明直接在矽基板的表面倒裝LED晶片而節省了在矽片表面 挖深凹槽的步驟，降低了工藝成本和工藝難度。矽基板上表面沒有了凹槽，可容易地實現在 矽基板表面集成LED的外圍電路，如抗靜電保護電路、LED恆流驅動電路等，同時可容易地 在矽片上表面進行LED晶片的排布，可以隨意方便地實現多晶片模組連接及封裝。採用在 矽片上表面做圓環凸壁的方法，實現了一致的封裝點膠，並形成較好的透鏡，比傳統的鑄模 透鏡成本更低。發明的封裝結構，可方便在整個矽圓片上完成所有封裝工序後再做切割，實 現晶圓級的LED封裝，降低封裝的成本。此外，本發明採用一層矽作為封裝基板，將LED芯 片產生的熱直接通過矽導出，熱阻比較小。採用倒裝焊工藝將LED直接通過金屬凸點連接到矽基板上，相對於正裝LED產品通過藍寶石散熱，具有更好的散熱效果。整個封裝結構中 沒有一根金線，減少了由於金線連接失效造成的可靠性問題。整個封裝結構體積比較小，有 利於LED (特別是大功率LED)及其模組的結構小型化，方便後面的燈具產品的二次光學設 計。此外，本發明的基於矽基板的LED封裝結構還可具有多種實施方式。如可以無需 在LED晶片的上表面單獨設置一螢光粉層，而是直接用透明的樹脂膠或矽膠點膠形成透 鏡，封裝成藍光LED ；或者將螢光粉顆粒與灌封膠均勻混合，然後直接在矽片表面的圓環內 晶片上面點膠，並烘烤固化形成透鏡。或者先在LED晶片表面貼上已製作好的螢光粉固體 薄片，然後再用透明的灌封膠在矽片表面的圓環內點膠形成透鏡。本發明並不局限於上述實施方式，如果對本發明的各種改動或變形不脫離本發明 的精神和範圍，倘若這些改動和變形屬於本發明的權利要求和等同技術範圍之內，則本發 明也意圖包含這些改動和變形。
權利要求
1.一種基於矽基板的LED表面貼片式封裝結構，其特徵在於包括——矽基板，所述矽基板的上表面為一平面結構，無凹槽，一氧化層覆蓋在矽基板的上 表面，分別用以連接正負電極的二金屬電極層設置在該氧化層的上表面且相互絕緣，所述 金屬電極層的上表面分別設置有金屬凸點；金屬電極層下方對應的矽基板分別設有貫穿矽 基板的通孔；一絕緣層覆蓋所述通孔的內壁以及矽基板的部分下表面；一金屬連接層覆蓋 在通孔內的絕緣層表面；兩個導電金屬焊盤分別設置在矽基板下表面並通過絕緣層與矽基 板絕緣，該導電金屬焊盤的位置與通孔位置對應，並通過通孔內的金屬連接層與矽基板上 表面的金屬電極層電連接；一導熱金屬焊盤設置在矽基板下表面二導電金屬焊盤之間，其 與矽基板之間無絕緣層；——LED晶片，其倒裝在該矽基板上，正負極分別與二金屬凸點連接；——圓環凸壁，設置在矽基板的上表面形成包圍區域，所述LED晶片設置在該包圍區域內；——透鏡，其通過圓環凸壁的表面張力限制作用使得液態的膠體直接成形而成，使得 LED晶片及其內的金屬電極層與外界隔離。
2.根據權利要求1所述的LED封裝結構，其特徵在於所述圓環凸壁的高度為IOum 500um之間。
3.根據權利要求1所述的LED封裝結構，其特徵在於所述圓環凸壁所採用的材料是 金屬、氧化物、氮化物、聚醯亞胺或可固化後永久使用的光刻膠。
4.一種基於矽基板的LED表面貼片式封裝方法，其特徵在於包括如下步驟步驟Sl 在藍寶石襯底上生長有多層氮化鎵的外延圓片，經過光刻、刻蝕、金屬層沉積 和鈍化層保護等系列工藝步驟，在LED晶片上形成P電極和N電極，以及電極上的金屬焊 盤；步驟S2 在一矽基板上，首先通過熱氧化工藝在矽基板的上表面形成一氧化層，然後 通過蒸發、濺射或電鍍工藝在氧化層的表面形成金屬電極層，再通過光刻、腐蝕或剝離工藝 將金屬層形成對應於LED晶片的圖形和連線，最後通過電鍍、蒸發或金屬線植球方法在金 屬電極層的上表面形成金屬凸點；步驟S3 在基板下表面形成通孔位置的圖形，然後通過對矽基板進行幹法刻蝕或溼法 腐蝕，形成貫穿矽基板及其上表面的氧化層的通孔；接著在通孔的內側和矽基板下表面形 成一層絕緣層；最後在通孔內側的絕緣層表面形成金屬連接層、在矽基板下表面的絕緣層 上形成導電金屬焊盤，以及在二導電金屬焊盤之間的矽基板下表面形成導熱金屬焊盤，所 述導熱金屬焊盤與矽基板之間無絕緣層；步驟S4 將LED晶片倒裝在所述矽基板上，並使LED晶片上P電極和N電極對應的金 屬焊盤分別與矽基板上的金屬凸點連接。
5.根據權利要求4所述的封裝方法，其特徵在於在所述步驟S4之前還包括步驟在 矽基板的上表面塗布一介質層，然後用曝光和顯影形成圓環凸壁。
6.根據權利要求5所述的封裝方法，其特徵在於在所述步驟S4之後還包括步驟在 所述的圓環凸壁內的矽基板上方進行點膠，點膠後烘烤固化形成透鏡。
全文摘要
一種基於矽基板的LED表面貼片式封裝結構，包括矽基板、LED晶片、圓環凸壁和透鏡。矽基板的上表面為平面結構。一氧化層覆蓋在矽基板上表面，金屬電極層設置在氧化層的上表面，金屬電極層的上表面設置有金屬凸點。金屬電極層下方設有貫穿矽基板的通孔。一絕緣層覆蓋通孔的內壁以及矽基板的部分下表面。一金屬連接層覆蓋通孔內絕緣層表面。兩個導電金屬焊盤分別設置在矽基板下表面並與矽基板絕緣。一導熱金屬焊盤設置在矽基板下表面。LED晶片倒裝在矽基板上。圓環凸壁和透鏡使LED晶片及其內的金屬電極層與外界隔離。本發明的結構具有散熱效果好、體積小的優點；同時無金線封裝使得該結構具有高可靠性，且實現了晶圓級的大生產封裝，使得封裝成本降低。
文檔編號H01L33/58GK101997074SQ20101024338
公開日2011年3月30日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者侯宇, 周玉剛, 曾照明, 肖國偉, 陳海英 申請人:晶科電子(廣州)有限公司