CN103258940B - 一种全固态白光发光二极管的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态白光发光二极管的封装方法。该包括如下步骤：提供蓝宝石外延片，在其背面键合固态荧光材料形成晶圆片，对所述晶圆片进行减薄抛光，在半导体层上制作电极，将制备好的晶圆片进行划片切割制成芯片，在支撑基板上加工电极金属层，将芯片采用覆晶工艺焊接在支撑基板上形成发光二极管，本发明采用了无介质或者高折射率介质键合工艺将固态荧光材料和蓝宝石外延片直接键合成晶圆片后再进行后续加工，由于固态荧光材料和蓝宝石外延片之间为介质或者高折射率介质膜，因此减小了全反射损耗，此外先键合后切割的工艺简化了加工工艺，提高了成品率。

Description

一种全固态白光发光二极管的封装方法

技术领域

本发明涉及发光二极管的封装技术领域，具体涉及一种全固态白光发光二极管的封装方法。

背景技术

作为一种节能、绿色环保光源，LED 被称为是继白炽灯、荧光灯和高压放电灯之后的第四代光源，随着人们对 III-V 族化合物材料的深入研究以及金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长技术的日趋成熟，已经开发出了超高亮大功率 LED，特别是高亮GaN 蓝光LED 的问世，结合高转换效率的钇铝石榴石荧光粉(YAG：Ce3+)制得了双基色白光 LED，使LED 快步走向照明领域。目前商用化的白光 LED 已达到100lm/w，Cree 公司的实验室水平已达到了 276lm/w。

LED以 III-V 族化合物半导体（如 GaAs、GaP 或 GaN等）材料为衬底，在同一半导体中，一半掺入 III族元素形成 P 型材料，另一半掺入 V 族元素形成 N 型材料，电子由N 区向 P 区扩散，空穴由 P 区向 N 区扩散，在两半之间的边界上形成PN 结，同时产生一个势垒阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态，当 PN 结外加一个正向偏置电压时，PN 结势垒降低，N 区电子向 P 区注入，电子和空穴在 PN 结处相遇复合并将多余的能量以光子的形式释放出来。出射光子的频率由半导体禁带宽度决定，因此，采用禁带宽度不同的材料制得的 LED，所发的光波长不同，LED 所发出的光为窄带单色光，因此单个 LED 芯片是无法得到白光的。

根据对可见光的研究，人的眼睛所能看到的白光可以由两种或两种以上的单色光混合而成。基于这一原理，有三种方法得到白光 LED，第一种是在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光；第二种在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光；第三种是在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光（370nm－380nm）或紫光（380nm－410nm）来激发荧光粉，从而实现白光发射。

虽然实现白光 LED 器件的封装工艺已经实现了商业化，但是封装出的大功率白光 LED器件的热稳定性能不是很好。因为荧光粉封装白光 LED 需要环氧树脂或者硅胶固定蓝光芯片，同时减小了芯片和粉体之间的空气气孔，但是环氧树脂或者硅胶是有机物，所以在蓝光芯片的温度升高时，特别是大功率 LED 器件封装，有机物很容易在温度升高时发生化学反应，导致反应后的有机物的透过率下降，其后果是大功率 LED 器件的使用寿命被大打折扣，而且他们的流明效率也会呈现指数性的下降，还会由于有机物的热分解对环境造成一定的损害。甚至由于 PN 结的温度太高，热量来不及散失，容易造成荧光粉的热稳定性下降，器件的发光强度在温度升高时呈现指数式下降。

此外，荧光粉的涂敷方式以点胶机点胶的方式为主，具体流程是将荧光粉与环氧树脂或者硅胶混合后涂覆到LED芯片的表面，以上这种点胶涂覆的方式在实际生产控制中存在较多的问题，比如点胶的过程中随着时间的变化涂敷的胶量在逐渐变化引起的光色和色温一致性难以控制等诸多问题。

业界为了克服传统荧光粉封装方式的缺点，例如采用更高精度和带有补偿功能的点胶机来控制荧光粉涂覆的一致性，研发新型胶体封装材料来克服胶体变质黄变等等方法，但是普遍难以在根本上解决以上问题，为了克服传统封装中的种种缺陷，出现了将荧光稀土离子掺入固态透明材料中制成荧光片代替荧光粉与环氧树脂，硅胶混合的封装工艺，例如专利200910265306.9中所利用到的固态透明材料通常由ＡＲＴＯＮ、ＣＯＣ、ＣＯＰ、ＰＭＭＡ和光学玻璃其中任一种材料成型的透明基材进行荧光粉镀膜形成；进行封装时，将荧光片用硅胶粘合到LED芯片上，例如专利200910213747. 4中采用荧光粉预成型片与LED芯片胶合的方式来改进荧光粉的涂布均匀性问题，但是这种封装方法在荧光层与LED芯片之间还是存在有硅胶层，而硅胶层的折射率为1.5,低于LED芯片折射率2.4，造成了较高的全反射损耗，很大一部分光无法从芯片中出射而被芯片吸收转化为热量，并且将荧光粉预成型片切割成与芯片等大小的工艺较为复杂，芯片的粘合工艺也要求很高的加工精度，直接或者间接增加了封装成本，影响了成品率。

LED 的制造流程一般包括上游的晶片外延生长，中游的电极制作、切割和测试分选，以及下游的固晶，焊线，胶合等。LED产品的完整制造流程是，首先进行晶片外延生长，在一块加热至适当温度的衬底（主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，将气态物质有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜制备成外延片，目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）；然后在外延片上制造电极后切割成芯片；最后将分选测试好的芯片固定在基板上，焊上电极引线，将荧光材料粘合到芯片表面完成一个LED产品的封装。为了改进固态荧光材料封装方法中的问题，发明将第三步中的荧光材料粘合工序提前到晶片外延生长之前并且实现了荧光材料与LED芯片的直接键合或者高折射率介质膜键合，避免了低折射率的胶水带来的全反射损失，同时将LED的下游封装制程有机融合入上游和中游的制程，简化了制造工艺，大大节约了封装成本，提高了成品率。

发明内容

本发明为了解决传统固态荧光材料封装中存在的问题，采用了无介质或者高折射率介质膜键合工艺将固态荧光材料和蓝宝石外延片直接键合成晶圆片后再进行后续加工，由于固态荧光材料和蓝宝石外延片之间为无介质或者高折射率介质膜，因此减小了全反射损耗，此外先键合后切割分选的工艺简化了现有的先切割后粘合的封装工艺，减小了加工难度，提高了成品率。

本发明是采用以下技术方案实现的：全固态白光发光二极管的封装方法，包括如下步骤:

（1）提供蓝宝石衬底，在其背面键合固态荧光材料形成晶圆片，在晶圆片上的蓝宝石表面外延生长半导体结构形成外延片，半导体外延结构的材料为III-V族材料，由Al、Ga、N、P、In组成的二元或者三元化合物；固态荧光材料是在透明基质材料中掺入稀土离子构成的，构成透明基质的材料可以是透明陶瓷，块体陶瓷，玻璃陶瓷，发光玻璃，有机玻璃，亚克力，聚碳酸酯，透明基质材料的折射率大于1.6；掺入的稀土离子可以是Ce³⁺，Eu²⁺，Bi³⁺，Tb³⁺，Mn²⁺中的一种或其组合；键合方式可以是无介质的直接接触键合或者有高折射率介质的介质键合，高折射率介质折射率大于1.6，高折射率介质厚度小于1µm，键合方法可以是热压键合，超声键合，冷压键合，深化光胶，激光熔接，化学键合中的一种或其组合，蓝宝石衬底表面与固态荧光材料接触面可以镀制对可见光增透，紫外光高反的光学硬质薄膜。

（2）对所述晶圆片进行减薄抛光，减薄后厚度为50~3000µm。

（3）在半导体层上制作电极，电极材料选用Ni, Al, Ag, Cr, Pt, Au中的一种或其组合。

（4）将制备好的晶圆片进行划片切割制成芯片；

（5）在芯片侧面采用溅射镀膜，蒸发镀膜或者溶胶凝胶法制作可见光反射膜；

（6）在支撑基板上加工电极金属层，材料选用Ni, Al, Ag, Cr, Pt, Au中的一种或其组合，将芯片采用覆晶工艺焊接在支撑基板上，完成发光二极管的制程。

附图说明

图1为本发明的全固态白光发光二极管无介质键合外延片剖面图，其中11为荧光材料，12为蓝宝石衬底，13为n型半导体，14为p型半导体。

图2为本发明的无介质键合的全固态白光发光二极管结构示意图，其中101为固态荧光材料，102为蓝宝石衬底，103为n型半导体，104为p型半导体,105为p电极，106为n电极，107为p电极金属层，108为n电极金属层，109为支撑基底。

图3为本发明高折射率介质膜键合全固态白光发光二极管的外延片剖面图，其中21为荧光材料，22为高折射率介质膜，23为蓝宝石衬底，24为n型半导体，25为p型半导体。

图4为本发明高折射率介质膜键合全固态白光发光二极管的结构示意图，其中201为固态荧光材料，202为高折射率介质膜，203为蓝宝石衬底，204为n型半导体，205为p型半导体,206为p电极，207为n电极，208为p电极金属层，209为n电极金属层，210为支撑基底。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种发光二极管的制作方法，其步骤如下:

先提供蓝宝石长衬底12，在其背面上通过高温超声键合上Ce3+：YAG陶瓷片11形成晶圆片，在其蓝宝石面上外延生长发光半导体结构，其至上而下包含n型半导体层13，p型半导体层14，将外延片减薄至100µm，晶圆片结构剖面图如图1所示。

利用覆晶封装完成发光二极管的制程，具体工艺如下:提供一支撑基板109，其上分布上n电极金属层108和P电极金属层107，在n型半导体层103上制作n电极106，在P型半导体层104上制作p电极105，将n电极106和p电极105分别与支撑基板上的n电极金属层108和p电极金属层107键合。

依上述工艺制备的发光二极管结构，如图2所示，从下至上依次包括:最底层为支撑基板109，形成于基板上的n电极金属层108和P电极金属层107，分别与n电极金属层108和p电极金属层107连接的n电极106及p电极105，发光外延结构依序为P型半导体层104， n型半导体层103，蓝宝石衬底102，固态荧光层101。

实施例2

一种发光二极管的制作方法，其步骤如下:

先提供蓝宝石长衬底23和掺铈玻璃21，在蓝宝石衬底23和掺铈玻璃21的一个表面上镀上高折射率介质膜22，通过真空热压键合使高折射率介质膜22键合在一块从而形成晶圆片，在晶圆片的蓝宝石衬底面上外延生长半导体结构，其至上而下包含n型半导体层24，p型半导体层25，将外延片减薄抛光至100µm，外延片结构剖面图如图3所示。

利用覆晶封装完成发光二极管的制程，具体工艺如下:提供一支撑基板210，其上分布上n电极金属层209和P电极金属层208，在n型半导体层204上制作n电极207，在P型半导体层208上制作p电极206，将n电极207和p电极206分别与支撑基板上的n电极金属层209和p电极金属层208键合。

依上述工艺制备的发光二极管结构，如图4所示，从下至上依次包括:最底层为支撑基板210，形成于基板上的n电极金属层209和P电极金属层208，分别与n电极金属层209和p电极金属层208连接的n电极207及p电极206，发光外延结构依序为P型半导体层205， n型半导体层204，蓝宝石衬底203，高折射率介质膜202，固态荧光层201。

Claims (8)

1.全固态白光发光二极管的封装方法，包括如下步骤:

(1)提供一蓝宝石衬底，在其背面键合固态荧光材料形成晶圆片，所述固态荧光材料是由透明基质材料中掺入稀土离子构成的，且透明基质材料的折射率大于1.6，在晶圆片上蓝宝石表面进行外延生长半导体结构形成外延片；

(2)对所述外延片进行减薄抛光；

(3)在半导体层上制作电极；

(4)将制备好的外延片进行划片、裂片制成芯片；

(5)在芯片侧面制作可见光反射膜；

(6)在支撑基板上加工电极金属层，将芯片采用覆晶工艺焊接在支撑基板上，完成发光二极管的制程。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述半导体外延结构的材料为III-V族材料，由Al、Ga、N、P、In组成的二元或者三元化合物。

3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述构成固态荧光材料是的透明基质的材料可以是透明陶瓷，块体陶瓷，玻璃陶瓷，发光玻璃，有机玻璃，亚克力，聚碳酸酯，掺入的稀土离子可以是Ce3+，Eu2+，Bi3+，Tb3+，Mn2+中的一种或其组合。

4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述外延片减薄后厚度为50～3000μm。

5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述蓝宝石外延片与固态荧光材料的键合方式可以是无介质的直接接触键合或者有高折射率介质膜的介质键合，键合方法可以是热压键合，超声键合，冷压键合，深化光胶，激光熔接，化学键合中的一种或其组合，所述高折射率介质膜折射率大于1.6。

6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述蓝宝石衬底表面与固态荧光材料接触面可以镀制对可见光增透，紫外光高反的光学硬质薄膜。

7.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述半导体层上的电极材料和支撑基板电极金属层材料选用Ni，Al，Ag，Cr，Pt，Au中的一种或其组合。

8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于:所述芯片侧面制作可见光反射膜的方法可以是溅射镀膜，蒸发镀膜，溶胶凝胶法镀膜。