CN103296174A

CN103296174A - 一种led倒装芯片的圆片级封装结构、方法及产品

Info

Publication number: CN103296174A
Application number: CN2013101608912A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 吕植成; 汪学方; 袁娇娇; 刘孝刚; 杨亮; 陈飞; 方靖; 曹斌
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN103296174B

Abstract

本发明公开了一种LED倒装芯片的圆片级封装结构、方法及产品，包括LED倒装芯片、硅基板、透镜、印刷电路板和热沉；硅基板正面加工有放置芯片的凹腔，凹腔底部的长度与芯片的长度相同；硅基板的反面加工有两组通孔，两通孔与凹腔相连通；在凹腔和两通孔的表面沉积有绝缘层；凹腔表面的绝缘层上沉积有散热金属层和反光金属层；两通孔内填充有金属体，通孔内的金属体与凹腔表面的散热金属层相接；凹腔内底部的两金属层存在一开口，用于将该金属层隔离为两部分；硅基板的反面沉积有绝缘层，该绝缘层表面布线用于电极连接的金属层；凹腔内涂覆有荧光粉，凹腔的外围加工有用于固定透镜的环形定位腔。本发明能够提高LED出光效率、加强散热能力且完成自对准。

Description

一种LED倒装芯片的圆片级封装结构、方法及产品

技术领域

本发明属于集成电路或分立器件封装技术领域，具体涉及一种LED倒装芯片的圆片级封装结构、方法及产品。

背景技术

近几年来，大功率LED的应用由于GaN基LED效率的提高而引起很多关注。随着照明技术的发展，大功率白光LED将是未来照明的核心。尽管如此，蓝宝石衬底的GaN-LED墙上插座的效率在350mA时只有40％，这意味着有60％的能量转化成了热量。另外，多芯片大功率LED还要通过键合封装进光器件里。最早发展起来的功率型LED芯片是正装结构的，这种结构存在较严重的缺点：(1)蓝宝石的导热性较差，使得有源层的热量不能及时散出，PN结温度很高；衬底会吸收有源区的发光，只能通过增加金属反射层来缓解。(2)由于两个电极在同一侧，不可避免地存在相互影响，使得输入电流的均匀性较差，电光转换效率降低。这种正装芯片不能满足大功率LED封装要求。2001年，LumiLeds公司研制出了倒装(Flip to Chip)结构的芯片。该结构将芯片通过焊料倒装在高导热系数的衬底上，衬底材料目前一般使用Si或者AlN。其优势在于热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接经传导率更高的Si或陶瓷衬底传到金属底座，大大降低了热量由PN结到粘接层的热阻，提高了LED芯片可承受的电功率。

传统的将倒装芯片直接贴装在基板上的封装方法容易使侧边发出的光散失，从而降低出光效率。传统的贴片式封装方法的另一个缺点是荧光粉涂覆难以控制。传统的贴片式封装方法每一片都需要对准，时间上的浪费使得整个封装成本提高，且对准时出现的误差也会降低封装质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种LED倒装芯片的圆片级封装结构、方法及产品，其目的在于，提高LED出光效率，加强散热能力，完成自对准。

一种LED倒装芯片的圆片级封装结构，包括

LED倒装芯片，其表面加工有两个电极；

硅基板，其正面加工有用于放置LED倒装芯片的凹腔，凹腔作为反光杯用于收集并反射LED倒装芯片侧面发出的光，凹腔底部的长度与LED倒装芯片的长度相同；其反面加工有两组通孔，两通孔与凹腔相连通；在凹腔和两通孔的表面沉积有绝缘层；凹腔表面的绝缘层上依次沉积有散热金属层和反光金属层；两通孔内填充有用于导电和散热的金属体，通孔内的金属体与凹腔表面的散热金属层相接；凹腔内底部的两金属层存在一开口，用于将该金属层隔离为两部分，该两部分别对应于LED倒装芯片的两电极；硅基板的反面还沉积有绝缘层，该绝缘层表面布线用于电极连接的金属层；凹腔内涂覆有荧光粉，凹腔的外围加工有用于固定透镜的环形定位腔；

透镜，固定于硅基板的环形定位腔内；

印刷电路板，与硅基板的两通孔外侧的布线金属层键合；

热沉，与硅基板的两通孔之间的布线金属层键合。

进一步地，所述环形定位的截面为X形且X形的下部分开口大于上部分开口。

进一步地，所述散热金属层由粘附层和热传导层构成，热传导层通过粘附层粘附于凹腔表面的绝缘层；所述反光金属层由镍粘附层和反光层构成，反光层通过镍粘附层粘附于散热金属层上。

进一步地，所述粘附层采用钛或铬等金属，所述热传导层采用铜，所述反光层采用银或金。

进一步地，所述绝缘层采用氮化硅。

一种LED倒装芯片的圆片级封装方法，具体为：

(1)通过热氧化方法在硅基板上下表面制作二氧化硅氧化层，使用光刻胶遮盖硅基板上不需要制作凹腔和通孔的表面，利用干法刻蚀工艺刻蚀没有被光刻胶遮盖的表面，去除待制作凹腔部分和通孔部分表面的氧化层；

(2)利用湿法腐蚀在硅基板上没有氧化层的部分制作凹腔和通孔；

(3)利用低压化学气相沉积在凹腔和通孔表面制作绝缘层；

(4)在凹腔的绝缘层表面沉积散热金属层，电镀加厚上下表面的热传导层并填满通孔；在散热金属层表面沉积金属反光层，利用光刻和腐蚀的方法在散热金属层和金属反光层上制作开口，以将该两金属层隔离为两部分；

(5)利用点焊料和回流的方式将LED倒装芯片焊接到硅基板凹腔底部的金属反光层上，芯片的电极开口与硅基板凹腔内底部的金属层开口对齐；

(6)凹腔内涂覆荧光粉胶并利用丝网印刷的方式使荧光粉胶与凹腔上表面平齐；

(7)利用压膜制造封装半球形硅胶透镜，压膜时在反面抽真空，将硅胶注入透镜定位腔中；

(8)将印刷电路板固定在专用的热沉上面，利用键合方式将硅基板的两通孔外侧的布线金属层与印刷电路板键合，同时将硅基板的两通孔之间的布线金属层与热沉键合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明通过凹腔反射提高LED出光效率，通过与热沉连接的金属层加强散热能力；通过使凹腔底部的长度和宽度与芯片相等实现自对准效果。进一步地，环形定位腔优选截面为“x”型的腔体且下腔大于上腔，这样当透镜受到垂直拉力时，下面凹腔的硅胶不会通过上下腔体的中间连接部分，从而保证透镜不会因为拉力作用脱落；当透镜受到横向剪切力的时候，剪切力转化为腔体内的硅胶对腔体内壁的压力，使透镜不致滑移。

附图说明

图1为本发明圆片级封装结构示意图；

图2为硅基板制作有凹腔和通孔的裸硅基体的剖视图；

图3为凹腔和通孔表面沉积有绝缘层的剖面图；

图4为制作完成了的硅基板的剖面图；

图5为将芯片封装到硅基板上的剖面图；

图6为封装完成的整个结构的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明一种LED倒装芯片的圆片级封装结构，包括LED倒装芯片1、硅基板2、透镜3、印刷电路板4和热沉5。

LED倒装芯片1表面加工有两个电极101和102；硅基板2的正面加工有用于放置LED倒装芯片1的平滑凹腔201，凹腔作为反光杯，用于收集并反射芯片侧面发出的光；硅基板2的反面加工有两组平滑的通孔202和203，两通孔与凹腔201相连通；在凹腔201和通孔202，203表面沉积有绝缘层205，凹腔201表面的绝缘层上依次沉积有散热金属层210和反光金属层211，两通孔202和203内填充有用于导电和散热的金属体206，由于两通孔与凹腔201相连通，因此通孔内的金属体206与凹腔表面的金属层210相接；凹腔底部的两金属层存在一开口212，用于将金属层隔离为两部分，该开口212正好与LED倒装芯片1的开口位置相对应，这样隔离得到的两部分金属层可分别对应于LED倒装芯片1的两电极；硅基板2反面也沉积有绝缘层，绝缘层表面布线用于电极连接的金属层207。荧光粉均匀涂覆于凹腔内，顶面与凹腔底面平齐，用于将凹腔反射的蓝光转变为黄光。凹腔201的外围加工有用于固定透镜的环形定位腔301。

电流依次通过印刷电路板4、硅基板反面通孔两侧的布线金属层、通孔内部填充的金属体和凹腔底面的金属层到达芯片的电极上，激发二极管发光。

作为上述结构的一种较佳实施方式，所述硅基板利用硅晶圆制作而成。在硅基板加工凹腔和通孔时，应沿其硅晶圆晶向腐蚀，这样就能保证凹腔和通孔平滑，有利于后续的绝缘层和金属层沉积。例如，采用100晶向的硅晶圆，硅基板的凹腔、双面腔和通孔都呈倒梯形，梯形斜边与水平方向夹角为54.74°。

作为上述结构的一种较佳实施方式，凹腔、双面腔和硅通孔表面沉积的绝缘层为氮化硅、二氧化硅等等。

作为上述结构的一种较佳实施方式，凹腔201表面的散热金属层210依次由粘附层和热传导层构成，热传导层通过粘附层粘附于凹腔表面的绝缘层，粘附层可采用钛、铬等金属，热传导层可采用铜。凹腔201表面的反光金属层211由镍粘附层和反光层构成，反光金属层211通过镍粘附层粘附于散热金属层210上，反光层可采用银、金等金属。因为凹腔底部的长度与LED倒装芯片的长度相同，芯片按照正确的方向放入凹腔中可以不需要对准而使芯片达到要求的位置，

作为上述结构的一种较佳实施方式，通孔内的金属体206可采用铜。

作为上述结构的一种较佳实施方式，LED倒装芯片通过焊料回流的方式粘结在硅基板凹腔的金属层表面。

作为上述结构的一种较佳实施方式，环形定位腔301优选截面为“x”型的腔体且下腔大于上腔，这样当透镜受到垂直拉力时，下面凹腔的硅胶不会通过上下腔体的中间连接部分，从而保证透镜不会因为拉力作用脱落；当透镜受到横向剪切力的时候，剪切力转化为腔体内的硅胶对腔体内壁的压力，使透镜不致滑移。

作为上述结构的一种较佳实施方式，硅基板反面的布线金属层依次为钛和铜，两通孔两侧的布线金属层键合到印刷电路板5上，用于电极连接，两通孔之间的布线金属层直接键合到热沉上，用于散热，热沉材料可采用铜。

基于上述圆片级封装结构，本发明还提供了一种LED倒装芯片的圆片级封装方法的一个较佳实施例，具体为：

(1)在硅片上制作图形：通过热氧化在硅片上下表面制作二氧化硅氧化层，光刻使光刻胶遮盖不需要制作凹槽和通孔的表面，利用干法刻蚀工艺刻蚀没有被光刻胶遮盖的表面，去除凹腔部分和通孔部分表面的氧化层。

(2)利用湿法腐蚀制作凹槽和通孔，没有氧化层的部分被腐蚀成凹槽或通孔，剖面图如图2所示。

(3)利用低压化学气相沉积(LPCVD)在凹槽和孔壁上制作绝缘层，如图3所示。绝缘层一般使用氮化硅和二氧化硅，由于硅片表面覆有二氧化硅薄膜，在制作凹腔和通孔后凹腔和通孔表面没有二氧化硅，而硅晶圆表面其他部分的二氧化硅还存在，如果继续热氧化生长二氧化硅作为绝缘层会引起龟裂，所以这里优选氮化硅作为绝缘层。

(4)在绝缘层表面沉积钛层和铜层分别作为粘附层和铜种子层，电镀加厚上下表面的铜层并填满通孔，具体电镀过程分为三步：首先对上表面的凹槽表面进行电镀，然后反面电镀通孔，最后对下表面进行电镀。在凹槽金属层表面沉积银薄层，利用光刻和腐蚀的方法制作出开口，以将两金属层隔离为两部分。这样，硅基板下表面利用光刻和和腐蚀的方法制作出两个通电电极和中间的导热金属层，硅基板到此制作完成，如图4所示。

(5)利用点焊料和回流的方式将芯片焊接到硅基板凹腔表面的银薄层上，芯片的电极开口与硅基板表面的金属层开口对齐。点荧光粉胶并利用丝网印刷的方式使荧光粉胶与凹腔上表面平齐。利用压膜制造封装半球形硅胶透镜，压膜时在反面抽真空，将硅胶注入透镜定位腔中，如图5所示。

(10)利用紧固螺钉将印刷电路板固定在专用的热沉上面，利用键合方式将硅基板的两个连接电极与印刷电路板连接，同时将硅基板的导热金属层与热沉连接，如图6所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LED倒装芯片的圆片级封装结构，包括

LED倒装芯片，其表面加工有两个电极；

透镜，固定于硅基板的环形定位腔内；

印刷电路板，与硅基板的两通孔外侧的布线金属层键合；

热沉，与硅基板的两通孔之间的布线金属层键合。

2.根据权利要求1所述的LED倒装芯片的圆片级封装结构，其特征在于，所述环形定位的截面为X形且X形的下部分开口大于上部分开口。

3.根据权利要求1或2所述的LED倒装芯片的圆片级封装结构，其特征在于，所述散热金属层由粘附层和热传导层构成，热传导层通过粘附层粘附于凹腔表面的绝缘层；所述反光金属层由镍粘附层和反光层构成，反光层通过镍粘附层粘附于散热金属层上。

4.根据权利要求3所述的LED倒装芯片的圆片级封装结构，其特征在于，所述粘附层采用钛或铬等金属，所述热传导层采用铜，所述反光层采用银或金。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的LED倒装芯片的圆片级封装结构，其特征在于，所述绝缘层采用氮化硅。

6.一种LED倒装芯片的圆片级封装方法，具体为：

（1）通过热氧化方法在硅基板上下表面制作二氧化硅氧化层，使用光刻胶遮盖硅基板上不需要制作凹腔和通孔的表面，利用干法刻蚀工艺刻蚀没有被光刻胶遮盖的表面，去除待制作凹腔部分和通孔部分表面的氧化层；

（2）利用湿法腐蚀在硅基板上没有氧化层的部分制作凹腔和通孔；

（3）利用低压化学气相沉积在凹腔和通孔表面制作绝缘层；

（4）在凹腔的绝缘层表面沉积散热金属层，电镀加厚上下表面的热传导层并填满通孔；在散热金属层表面沉积金属反光层，利用光刻和腐蚀的方法在散热金属层和金属反光层上制作开口，以将该两金属层隔离为两部分；

（5）利用点焊料和回流的方式将LED倒装芯片焊接到硅基板凹腔底部的金属反光层上，芯片的电极开口与硅基板凹腔内底部的金属层开口对齐；

（6）凹腔内涂覆荧光粉胶并利用丝网印刷的方式使荧光粉胶与凹腔上表面平齐；

（7）利用压膜制造封装半球形硅胶透镜，压膜时在反面抽真空，将硅胶注入透镜定位腔中；

（8）将印刷电路板固定在专用的热沉上面，利用键合方式将硅基板的两通孔外侧的布线金属层与印刷电路板键合，同时将硅基板的两通孔之间的布线金属层与热沉键合。

7.根据权利要求6所述的一种LED倒装芯片的圆片级封装方法，其特征在于，所述环形定位的截面为X形且X形的下部分开口大于上部分开口。

8.根据权利要求6或7所述的一种LED倒装芯片的圆片级封装方法，其特征在于，所述散热金属层由粘附层和热传导层构成，热传导层通过粘附层粘附于凹腔表面的绝缘层；所述反光金属层由镍粘附层和反光层构成，反光层通过镍粘附层粘附于散热金属层上；所述粘附层采用钛或铬等金属，所述热传导层采用铜，所述反光层采用银或金。

9.根据权利要求6或7所述的一种LED倒装芯片的圆片级封装方法，其特征在于，所述绝缘层采用氮化硅。

10.一种产品，其特征在于，按照权利要求6～9中任意一项权利要求所述的LED倒装芯片的圆片级封装方法制备得到的产品。