CN102084505B - 用于倒装芯片led的底部填充工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于LED(10，12)的底部填充技术使用压缩模制(50)以同时封装安装在基座晶片(22)上的倒装芯片LED管芯阵列。该模制工艺使得液体或软化的底部填充材料(41)填充LED管芯与基座晶片之间的间隙。然后，例如通过固化硬化底部填充材料。使用微珠喷砂(58)移除LED管芯顶部和侧面的固化的底部填充材料(54)。然后，通过激光剥离(60)从所有LED管芯移除露出的生长衬底(12)，并且底部填料在剥离工艺期间支撑每个LED管芯的易碎的外延层(10)。然后，对基座晶片单一化。这种同时针对许多LED的晶片级处理大大地减少了制造时间，并且多种多样的材料可以用于底部填充，因为可以容许大范围的粘度。

Description

用于倒装芯片LED的底部填充工艺
技术领域
本发明涉及倒装芯片发光二极管(LED)，并且特别地涉及用于在LED芯片及其基座(submount)之间的间隙中提供电介质底部填充材料的工艺。 
背景技术
现有技术图1示出了安装在基座晶片22的一部分上的常规LED 10倒装芯片。在倒装芯片中，在与生长衬底12侧相对的LED管芯的相同侧上形成n和p接触。 
在图1中，LED 10由包括生长在诸如蓝宝石衬底的生长衬底12上的n层、有源层和p层的半导体外延层形成。在一个实例中，外延层是基于GaN的，并且有源层发射蓝色光。任何其他类型的倒装芯片LED可应用于本发明。 
电接触p层的金属电极14在LED 10上形成，并且电接触n层的金属电极16在LED 10上形成。在一个实例中，这些电极是金凸块，其超声焊接到陶瓷基座晶片22上的阳极和阴极金属焊盘18和20。基座晶片22具有通往底部金属焊盘26和28以便结合到印刷电路板的传导通路24。许多LED安装在基座晶片22上并且将在以后被单一化(singulate)以形成单独的多个LED/基座。 
LED的进一步的细节可以见诸受让人的美国专利No.6649440和No.6274399以及美国专利公开US2006/0281203A1和US2005/0269582A1，所有这些文献通过引用合并于此。 
然后，在LED 10之下和周围注入底部填充材料30以填充LED 10与基座晶片22之间的空气间隙。底部填充材料30典型地为液体环氧树脂，其之后被固化以变硬。硬化的底部填料提供了结构支撑并且保护芯片不受污染。底部填充材料30由喷嘴32在相对较高的压力下注射以填充LED 10与基座晶片22之间的窄间隙，该喷嘴在注射底部填充材料30的同时围绕LED 10移动。在实际的器件中，底部填料可以比图中所示更远地横向延伸。 
LED 10/衬底12顶部上和周围的任何过多的底部填充材料30(例如环氧树脂)可以通过微珠喷砂来移除。 
在固化和微珠喷砂底部填充材料30之后，然后使用激光剥离工艺(未示出)移除生长衬底12。激光器(例如受激准分子激光器)的光子能量被选择成高于LED材料的带隙并且低于蓝宝石衬底的吸收边(例如介于3.44eV与6eV之间)。来自激光器的通过蓝宝石的脉冲在LED材料的前100nm内被转化成热能。产生的温度超过1000℃，并且使镓和氮分离。得到的高气压将衬底从外延层推离以从这些层释放衬底，并且然后简单地从LED结构移除该松开的衬底。底部填充有助于防止薄LED层在高压下破裂。 
生长衬底12可以改为通过诸如反应离子蚀刻(RIE)之类的蚀刻或者研磨移除。根据LED和衬底的类型，可以使用其他的技术。在一个实例中，衬底是基于Si的，并且衬底与LED层之间的绝缘材料通过湿蚀刻技术蚀刻掉以移除衬底。 
在任何其他的晶片级工艺之后，然后锯切基座晶片22或者对其划片且折断以使多个LED/基座单一化。然后，可以将基座焊接到印刷电路板。 
现有技术底部填充技术的问题包括以下方面。 
提供精确数量的底部填充材料以便仅仅在薄LED层之下和周围填充是困难且耗时的。在多个LED被单一化之前，顺序地在安装在基座晶片上的LED阵列上执行底部填充工艺。根据每个LED的尺寸和密度，可能存在安装在单个基座晶片上的500-4000个LED。根据LED的数量，使用单个移动喷嘴在所述阵列中的每个LED下注射底部填充材料可能花费10-40分钟。 
另一个问题在于，必须针对适当的粘度、热膨胀、LED的长寿命期间的可靠性、电介质特性、热传导率、污染防护和其他因素仔细地选择底部填充材料的特性。如果粘度太高，那么在LED之下注射底部填料以填充所有空隙所需的压力可能损坏LED。空隙必须被消除，因为在LED/基座变热时任何空气将膨胀并且将LED推离基座。此外，由于在激光剥离工艺期间，空隙区域并不支撑LED，因而激光剥离工艺期间LED上的向下应力可能使LED破裂。 
底部填料的热膨胀是极为重要的，因为在将已单一化的LED/基座 焊接到印刷电路板时，LED经历焊料回流过程。这样的温度可能是265℃。对于环氧树脂而言，焊料回流温度高于典型的185℃玻璃转变温度，所述环氧树脂是典型的底部填充材料。由于涉及环氧树脂，因而玻璃转变温度(Tg)是环氧树脂变软的温度。在玻璃转变温度以上，环氧树脂热膨胀显著地升高，在LED上造成向上的压力，从而导致LED的破裂或剥离。 
所需要的是一种改进的用于底部填充LED的技术，其避免上述问题和材料限制。 
发明内容
描述了一种用于LED的底部填充技术，其中使用了压缩模制。该工艺在任何衬底剥离工艺之前执行。安装在基座晶片上的LED被放置在模具中。该模具至少围绕基座晶片的周界来密封，并且在模具内产生真空。模具可以是铝，其具有与基座晶片上的每个LED对准的分开的腔体。在一个实施例中，存在将每个腔体互连到真空源以及互连到至少一个液体材料入口的流体通道。 
然后，在压力下将诸如液体聚酰亚胺的任何适当底部填充材料施加到模具的入口，并且真空和液体材料压力的组合使得材料完全填充LED所在的模具中的腔体。一旦材料填充了模具，则不存在空隙。 
每个模具腔体的尺寸使得液体材料将每个LED与其生长衬底一起完全封装。 
然后，通过热量或UV光固化液体材料以使底部填充材料硬化，并且从基座晶片释放模具。在释放模具之后，可以执行更高温度的后固化。 
在另一个实施例中，液体底部填充材料可以首先填充具有外围凸起密封的模具，并且然后将基座晶片放置在模具上，使得LED浸没在底部填充材料中。在压缩之下，液体材料填充每个LED之下的所有空隙。空气通过密封与一定量的底部填充材料一起被挤出。然后，将材料固化，并且将模具从基座晶片释放。由于这种模制工艺不依赖于在压力下在模具入口处的液体材料注射，因而存在很少的损坏易碎的LED的可能性。 
在另一个实施例中，用来填充模具的底部填充材料不是液体，而 是粉末或小片。然后，在模具中加热固体材料以便熔化或软化它，使得它可以符合模具并且封装LED。使用压缩来模制软化的材料并且使得它流入每个LED之下的空隙中。将底部填充材料作为固体处理具有各种益处。这种使用初始时为固体的底部填充材料的压缩模制大大地增加了可能的底部填充材料的数目。可以用于该工艺的材料之一是环氧树脂模制化合物的粉末。 
在从模具移除基座晶片之后，整个基座晶片经受微珠喷砂工艺以蚀刻掉底部填充材料，直到露出所有生长衬底。然后，使用激光剥离工艺或者其他适当工艺移除衬底。在该工艺期间，底部填料支撑薄LED。 
在移除了生长衬底之后，可以减薄LED以便改善光提取。然后，可以使LED表面粗糙化以便通过减少内部反射的次数进一步改善光提取。 
然后，可以在LED上模制透镜和/或可以执行其他晶片级处理技术。 
然后，使用锯切、划片且折断或者任何其他技术对LED/基座单一化。 
通过使用上面的方法，广泛得多的各种材料可以用于底部填充，因为可以容许广泛得多的粘度范围。当使用现有技术喷嘴时，所述材料只能具有窄的粘度范围。可以与当前工艺一起使用的优选的底部填充材料是聚酰亚胺，其具有在焊料回流温度附近或以上的玻璃转变温度，从而在最坏情况的条件下聚酰亚胺存在非常少的热膨胀。 
此外，由于基座晶片上的所有LED(例如500-4000个LED)同时被底部填充，因而底部填充工艺时间可以缩减至仅仅数分钟。 
附图说明
图1为安装在基座上的现有技术倒装芯片LED的截面图，其中在LED底部通过小的喷嘴在压力下散布LED底部填充材料。 
图2示出了由LED阵列(例如500-4000个LED)聚集的基座晶片的简化部分。 
图3A示出了用来利用底部填充材料封装基座晶片上的所有LED的晶片级注射模制工艺。 
图3B示出了用来利用底部填充材料封装基座晶片上的所有LED的不使用注射的可替换类型的晶片级模制工艺。 
图4示出了从图3A或图3B的模具移除之后晶片上的LED。 
图5示出了通过微珠喷砂移除图4的底部填充材料的上面部分。 
图6示出了用于从LED移除生长衬底的激光剥离技术。 
图7为在减薄LED之后并且在单一化LED/基座之后安装在基座上的单个LED的截面图。基座被示为焊接到印刷电路板。 
相同或者等同的元件使用相同的数字来标记。 
具体实施方式
作为初步事项，在生长衬底上形成常规LED。在所使用的实例中，LED为用于产生蓝色光的基于GaN的LED，例如AlInGaN或InGaNLED。典型地，使用常规技术在蓝宝石生长衬底上生长相对较厚的n型GaN层。相对较厚的GaN层典型地包括低温成核层以及一个或多个附加层以便为n型覆层和有源层提供低缺陷晶格结构。然后，在厚的n型层上形成一个或多个n型覆层，其后是有源层、一个或多个p型覆层和p型接触层(用于金属化)。 
对于倒装芯片而言，蚀刻掉p层和有源层的部分以露出n层用于金属化。通过这种方式，p接触和n接触处于芯片的相同侧并且可以直接电附接到基座接触焊盘。来自n金属接触的电流起初横向流经n层。 
可以在本发明中使用的其他类型的LED包括AlInGaP LED，其可以产生红色到黄色范围的光。 
本发明中用作实例的倒装芯片LED是图1的LED结构，其包括半导体LED 10、其生长衬底12及其电极14/16，其中该LED安装在基座晶片22上。 
图2为其上安装了LED阵列的基座晶片22的简化图示。单个基座晶片22上可能存在500-4000个LED。LED在这里也称为LED管芯。 
代替将喷嘴放置在每个LED的底部用以在阵列中每个LED之下注射底部填充材料的是，执行晶片级模制工艺。 
图3A示出了一种类型的用于为每个LED产生底部填料的适当的注射模制工艺。模具36具有限定模制工艺之后硬化的底部填充材料的形状的腔体38。模具36可以由铝形成。模具36具有周界密封37，其 在模具36与晶片22对准并且被压抵在晶片22时密封抵住基座晶片22。 
模具36具有至少一个用于注射液体底部填充材料41(例如聚酰亚胺)的入口40以及至少一个连接到真空源的出口42。一旦模具36密封抵住晶片22，在模具36内形成真空，并且通过入口40注射底部填充材料41。底部填充材料41通过真空和材料41的注射压力的帮助经由腔体之间的通道44流入所有腔体38中。真空移除了模具36中几乎所有的空气。最终，包括LED之下的所有空隙在内，整个模具36将用底部填充材料41填充。 
然后，加热模具36以固化液体底部填充材料。固化期间模具36的温度为大约150℃。可替换地，可以使用透明模具并且可以利用UV光固化底部填充材料。 
图3B示出了可替换的晶片级模制工艺，其不使用底部填充材料的压力注射。在图3B中，模具48具有首先在大气压下用液体底部填充材料41填充的腔体50。使基座晶片22靠抵模具48，从而使LED浸没在每个腔体50中的底部填充材料中。晶片22和模具48挤压在一起以迫使底部填充材料填充所有空隙。周界密封53允许实现高的压力，同时允许在底部填充材料填充空隙时所有的空气逸出。也可以通过在密封53周围使用真空源在晶片22与模具48之间抽出真空。 
然后，加热模具48以固化液体底部填充材料。可替换地，可以使用透明模具并且可以利用UV光固化底部填充材料。 
然后，从晶片22移除图3A或图3B的模具，得到图4的结构，其具有封装每个LED的过量的硬化底部填充材料54。取决于模具，也可能在每个LED之间的晶片22表面上存在硬化的底部填充材料的薄层。 
然后，可以使晶片22经受大约250℃的后固化温度以另外地使底部填充材料硬化。对于环氧树脂模制化合物或者聚酰亚胺底部填料，其玻璃转变温度(Tg)介于260-300℃之间，因此小于Tg的后固化温度是优选的，以便限制底部填料的任何热膨胀。 
在另一个实施例中，用来填充模具的底部填充材料不是液体，而是粉末或小片。然后，在图3A或图3B的模具中加热该固体材料以使之熔化或软化。使用压缩来使得软化的材料呈模具的形状并且在封装 LED的同时填充LED之下的空隙。然后，如果必要的话，固化或冷却熔化或软化的材料以使得它再次为固体。某些材料在加热和压缩工艺之后自动地硬化。将底部填充材料作为固体处理具有各种益处。此外，一些可以用于底部填料的适当材料在固化之前在室温下不是液体，因此加热模具中的固体材料且之后进行压缩大大地增加了可以用作底部填料的可能材料的数目。一种可以使用的适当固体聚合物是粉末形式的环氧树脂模制化合物。 
为了执行激光剥离工艺以移除生长衬底12，必须首先移除生长衬底12上的底部填充材料54。如果通过研磨或另一机械蚀刻工艺移除生长衬底12，那么这种研磨可以用来同时移除过量的底部填充材料54。 
图5示出了通过利用高速微珠58对晶片22的整个表面进行喷砂而移除过量的底部填充材料54。在一个实施例中，微珠58具有1-20微米之间的直径并且由NaHCO3形成。微珠58由空气在大约100psi或更小的压力下通过喷嘴加速。喷嘴可以是大的，以便在没有喷嘴移动的情况下从晶片22的所有部分或大部分蚀刻底部填充材料54，或者可以使用更小的喷嘴以便一次仅从少数LED蚀刻掉底部填充材料54，其后将喷嘴移到晶片22上的下一个位置。使用微珠移除任何种类的过量材料是已知的工艺。底部填充材料54被蚀刻，使得其顶表面与LED半导体层的边缘相交，以便确保整个LED在衬底激光剥离工艺期间由底部填料支撑。 
图6示出了前面描述的激光剥离工艺。激光脉冲由箭头60表示。在激光剥离期间，GaN表面吸收热量，使得表面层分解成Ga和N2。N2压力将蓝宝石衬底推离LED。在生长衬底12在剥离工艺期间变得脱离半导体LED层之后，它们通过例如粘合片或者某种其他适当工艺而被移除。 
然后，通过例如RIE或机械蚀刻来减薄所露出的LED层，因为露出的顶层是相对厚的n层，并且表面已经被激光剥离工艺破坏。然后，可以使得到的顶表面粗糙化以便提高光提取效率。 
也可以在LED阵列安装在基座晶片22上时对LED阵列执行其他的晶片级工艺。一种这样的工艺可以是在与图3A或图3B所示类似的单模具工艺中在每个LED上过模制透镜。Grigoriy Basin等人的题为 Overmolded Lens Over LED Die的专利公开US2006/0105485中描述了晶片级透镜模制工艺的细节，该专利公开已转让给本受让人并且通过引用结合于此。 
然后，对基座晶片22单一化以形成单独的多个LED/基座。图7示出了焊接到印刷电路板64上的焊盘的单个LED/基座。 
由于在使用本文描述的底部填充模制工艺时存在适当的大范围粘度的液体底部填充材料，因而可以基本上与其粘度无关地选择底部填充材料。基于其热膨胀系数、使用容易性以及在LED所经受的所有温度下的可靠性，可以主要选择电介质底部填充材料。聚酰亚胺是优选的底部填料，其具有远远优于环氧树脂的质量。 
尽管已经示出并描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员应当明显的是，可以在其更宽广的方面在不脱离本发明的情况下做出若干变化和修改，并且因此所附权利要求应当将落入本发明的真实精神和范围中的所有这样的变化和修改包含在其范围内。 

Claims (12)

1.一种用于制造发光器件的方法，包括：
在基座(22)上提供倒装芯片发光二极管(LED)管芯(10，12)，LED管芯与基座之间存在间隙，LED管芯具有面向基座的底表面以及与底表面相对的顶表面；
在LED管芯上模制底部填充材料(41，54)，使得该底部填充材料封装LED管芯并且基本上完全填充LED管芯与基座之间的间隙；以及
移除(58)至少在LED管芯的顶表面之上的底部填充材料(54)，
其中LED管芯包括在生长衬底(12)上生长的外延层(10)，其中生长衬底的表面是LED管芯的顶表面，该方法还包括在LED管芯之上模制底部填充材料(41，54)之后从外延层移除生长衬底。
2.权利要求1的方法，其中在移除底部填充材料(54)的步骤之后通过激光剥离技术(60)从外延层移除衬底(12)。
3.权利要求1的方法，其中移除底部填充材料(54)包括使用微珠喷砂(58)移除底部填充材料。
4.权利要求1的方法，其中移除底部填充材料(54)包括通过蚀刻移除底部填充材料。
5.权利要求1的方法，其中在LED管芯(10，12)之上模制底部填充材料(41，54)包括：
在模具(50)中提供固体底部填充材料；
加热模具以熔化或软化底部填充材料；
相对于模具将LED管芯(10，12)放置在基座(22)上以压缩熔化或软化的底部填充材料并且封装LED管芯；以及
冷却底部填充材料。
6.权利要求1的方法，其中在LED管芯(10，12)之上模制底部填充材料(41，54)包括：
相对于模具(36)将LED管芯(10，12)放置在基座(22)上；
在基座(22)与模具腔体(38)之间产生显著的真空；
在压力下利用液体底部填充材料(41)填充模具腔体以封装LED管芯；以及
固化底部填充材料。
7.权利要求1的方法，其中在LED管芯(10，12)之上模制底部填充材料(41，54)包括：
利用软化的底部填充材料(41)填充模具腔体(50)；
将LED管芯浸没到软化的底部填充材料中；以及
固化底部填充材料。
8.权利要求1的方法，其中在基座(22)上提供LED管芯(10，12)包括在基座晶片(22)上提供多个LED管芯，基座晶片具有结合到所述多个LED管芯的相应电极(14，16)的电极(18，20)，每个LED管芯在该LED管芯与基座晶片之间具有间隙，并且其中模制底部填充材料(41，54)的步骤在所有LED管芯上同时执行。
9.权利要求8的方法，还包括在移除底部填充材料(54)的步骤之后，对基座晶片(22)单一化以分离安装在其相应基座部分上的LED管芯(10)。
10.权利要求1的方法，其中底部填充材料(41，54)是聚合物。
11.权利要求1的方法，其中底部填充材料(41，54)是环氧树脂模制化合物。
12.一种用于制造发光器件的方法，包括：
在基座(22)上提供倒装芯片发光二极管(LED)管芯(10，12)，LED管芯与基座之间存在间隙，LED管芯具有面向基座的底表面以及与底表面相对的顶表面；
在LED管芯之上模制底部填充材料(41，54)，使得该底部填充材料封装LED管芯并且基本上完全填充LED管芯与基座之间的间隙；以及
移除(58)至少在LED管芯顶表面之上的底部填充材料(54)，
其中LED管芯(10，12)包括在生长衬底(12)上生长的外延层(10)，其中生长衬底的表面是LED管芯的顶表面，其中移除底部填充材料(54)包括移除底部填充材料以完全露出生长衬底的所有侧表面。
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