CN103579477A - 基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法 - Google Patents

基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装技术及其制造工艺。本发光二极管包括：倒装LED芯片、基板、荧光胶层三大部分组成。针对当前大功率LED存在的散热缺陷，提供一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装技术及其制造工艺，通过刻蚀技术或者激光技术分别在倒装LED芯片及硅基板上制作出盲孔电极、通孔焊盘，分别实现倒装发光二极管芯片、通孔基板，通过阻焊层形状的设计，可方便实现倒装芯片与通孔基板的自对位，而且本发明无需金丝键合，不仅工艺简单、成本低，而且此技术通过通孔提高了散热性能，提高了LED芯片封装的可靠性。

Description

基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法
技术领域
本发明涉及一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，属于芯片封装技术领域。
背景技术
LED作为新一代照明光源，具有发光效率高、寿命长、绿色环保三大优势，伴随着外延、封装技术的不断提高，已经逐步应用于普通照明领域。目前大部分的LED失效并不是LED芯片本身失效，而是封装的金丝焊点接触不良、脱落、冷热膨胀断裂等原因造成的。伴随着高集成封装趋势的发展，对可靠性的要求也越来越高，因此如何提高LED封装器件的可靠性，是一个非常困难但是又必须去解决的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法。倒装发光二极管芯片通过通孔技术实现正负电极共面，然后与带有阻焊层的通孔基板实现自对位金属互连，无需金丝键合，结构紧凑，工艺简单，有利于在大规模晶片级封装的开展。本发明不仅通过通孔提高了散热性能，而且克服了金丝低可靠性的缺陷。
为达到上述目的，本发明的构思是：针对当前大功率LED对金丝的过度依赖，但是金丝的缺陷又是LED可靠性的主要失效方式之一，通过通孔技术，将n型电极引至与p型电极共面，然后与带有阻焊层的通孔基板实现自对位互连，无须金丝；最后可以直接把荧光层（陶瓷荧光晶片）与芯片表面粘结在一起，提高出光均匀性；实现结构紧凑的倒装LED器件封装。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其工艺步骤如下：
1）在蓝宝石衬底上依次生长n型GaN、发光层、p型GaN、ITO电流扩展层、反光层，完成发光二极管芯片制作；
2）通过刻蚀技术或者激光技术分别在发光二极管芯片上制作盲孔，在硅基板上制作通孔；然后通过物理化学气相沉积法分别在芯片的盲孔周壁上制作芯片绝缘层，在硅基板的通孔周壁上制作基板绝缘层，将芯片盲孔底面的芯片绝缘层通过等离子刻蚀法刻蚀掉，露出n型GaN，再通过蒸镀法分别在芯片的盲孔的芯片绝缘层内制作n电极金属导柱、p电极金属导柱，在硅基板通孔的基板绝缘层内制作基板电极金属导柱；
3）通过蒸镀技术分别在芯片电极表面制作n电极焊盘、p电极焊盘，在硅基板表面制作基板上表面金属线路层、背面正电极焊盘、散热焊盘、背面负电极焊盘；
4）通过丝网印刷技术在基板上表面金属线路层上进行阻焊层的制作，然后将发光二极管芯片、硅基板切割成所需要的尺寸；
5）通过丝网在硅基板上表面金属线路层上进行锡膏印刷，将发光二极管芯片倒装放置在该锡膏上，然后进行回流焊接工艺，完成倒装发光二极管芯片与硅基板的互连；其中n型GaN与p型GaN分别通过n电极金属导柱、p电极金属导柱与n电极焊盘、p电极焊盘连接；n电极焊盘、p电极焊盘与硅基板上的基板上表面金属线路层连接在一起；基板上表面金属线路层通过基板电极金属导柱连接至硅基板的背面正电极焊盘、背面负电极焊盘；
6）将荧光层与蓝宝石衬底粘结在一起；
7）灌封胶灌封完成整个发光二极管器件的封装。
对所述的蓝宝石衬底通过减薄并进行表面微结构制作，微结构的尺寸为：直径50-550nm、间距200-1600nm、高度50-300nm。
所述p电极焊盘与n电极焊盘之间有20~150μm的分离槽。
所述的倒装发光二极管芯片的ITO电流扩展层下面有一层金属反光层，该反光层是金属银或铝，反光层下面有一层芯片绝缘层，该绝缘层是SiO2，在该芯片绝缘层上通过蒸镀技术制作n电极焊盘、p电极焊盘，该n电极焊盘、p电极焊盘的金属是Au或Ag或Sn或Au80Sn20，厚度为0.5μm~4μm，在蒸镀该金属前先蒸镀一层镍。
通过等离子刻蚀技术或蚀刻技术或激光技术在硅基板的通孔的基板绝缘层内制作基板电极金属导柱，在基板上表面金属线路层上除需要与倒装发光二极管芯片互连的位置外的地方进行阻焊层的制作，该阻焊层是具有高反光率的线路板，用白色油墨或进行一层金属Al的蒸镀作为阻焊层，同时实现高反射率的目的。
所述的基板上表面金属线路层上没有阻焊层的形状尺寸，比倒装LED芯片尺寸大4%~10%，以实现回流焊接时倒装发光二极管芯片的焊接位置不偏移。
所述的基板上表面金属线路层是金属锡或Au镀层或Ag镀层，在该镀层的底部是一层金属阻挡层镍/铜，其中金属层的厚度为35μm~100μm之间。
所述的硅基板为陶瓷基板，不需要制作基板绝缘层。
所述的荧光层是采用预先用模具制作相应尺寸的荧光胶，或采用透明陶瓷技术制作的陶瓷荧光晶片，并在荧光胶或荧光晶片上表面进行粗化处理成纳米或微米级微结构，然后通过高反射率的硅胶连接，粘结于减薄的蓝宝石衬底上。
所述的互连锡膏焊料熔点在270度以上，通过丝网印刷的方法印在基板上表面金属线路层上印刷焊料，在回流焊接时，预热温度180度~200度超过30S的时间，峰值285度时间在10S~20S。
本发明与现有的芯片结构相比具有显而易见的突出实质性特点和进步：
本发明无须金丝键合、自主对位实现金属互连、荧光层均匀、尺寸结构紧凑，提高了发光二级管的可靠性和出光均匀性，将倒装发光二极管芯片与有通孔的硅基板（陶瓷基板）直接通过自对位回流技术互连（共晶键合）在一起，结构紧凑、工艺简单、可靠性高。
附图说明
图1是本发明发光二极管器件截面图。
图2是本发明基板俯视图。
图3是本发明基板底面图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，图2，图3，一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其工艺步骤如下：
1）在蓝宝石衬底7上依次生长n型GaN6、发光层5、p型GaN4、ITO电流扩展层3、反光层2，完成发光二极管芯片制作；
2）通过刻蚀技术或者激光技术分别在发光二极管芯片上制作盲孔，在硅基板18上制作通孔；然后通过物理化学气相沉淀法分别在芯片的盲孔周壁上制作芯片绝缘层1，在硅基板18的通孔周壁上制作基板绝缘层15，将芯片盲孔底面的芯片绝缘层1通过等离子刻蚀法刻蚀掉，露出n型GaN6，再通过蒸镀法分别在芯片的盲孔的芯片绝缘层1内制作n电极金属导柱10、p电极金属导柱11，在硅基板18的通孔的基板绝缘层15内制作基板电极金属导柱16；
3）通过蒸镀技术分别在芯片电极表面制作n电极焊盘8、p电极焊盘9，在硅基板18表面制作基板上表面金属线路层14、背面正电极焊盘17、散热焊盘19、背面负电极焊盘20；
4）通过丝网印刷技术在基板上表面金属线路层14上进行阻焊层13的制作，然后将发光二极管芯片、硅基板18切割成所需要的尺寸；
5）通过丝网在硅基板18上表面金属线路层14上进行锡膏印刷，将发光二极管芯片倒装放置在该锡膏上，然后进行回流焊接工艺，完成倒装发光二极管芯片与硅基板18的互连；其中n型GaN6与p型GaN4分别通过n电极金属导柱10、p电极金属导柱11与n电极焊盘8、p电极焊盘9连接；n电极焊盘8、p电极焊盘9与硅基板18上的基板上表面金属线路层14连接在一起；基板上表面金属线路层14通过基板电极金属导柱16连接至硅基板18的背面正电极焊盘17、背面负电极焊盘20；
6）将荧光层12与蓝宝石衬底7粘结在一起；
7）灌封胶灌封完成整个发光二极管器件的封装。
对所述的蓝宝石衬底7通过减薄并进行表面微结构制作，微结构的尺寸为：直径50-550nm、间距200-1600nm、高度50-300nm。
所述p电极焊盘9与n电极焊盘8之间有20~150μm的分离槽。
所述的倒装发光二极管芯片的ITO电流扩展层3下面有一层金属反光层2，该反光层2是金属银或铝，反光层2下面有一层芯片绝缘层1，该绝缘层是SiO2，在该芯片绝缘层1上通过蒸镀技术制作n电极焊盘8、p电极焊盘9，该n电极焊盘8、p电极焊盘9的金属是Au或Ag或Sn或Au80Sn20，厚度为0.5μm~4μm，在蒸镀该金属前先蒸镀一层镍。
通过等离子刻蚀技术或蚀刻技术或激光技术在硅基板18的通孔的基板绝缘层15内制作基板电极金属导柱16，在基板上表面金属线路层14上除需要与倒装发光二极管芯片互连的位置外的地方进行阻焊层13的制作，该阻焊层13是具有高反光率的线路板，用白色油墨或进行一层金属Al的蒸镀作为阻焊层13，同时实现高反射率的目的。
所述的基板上表面金属线路层14上没有阻焊层13的形状尺寸比倒装LED芯片尺寸大4%~10%，以实现回流焊接时倒装发光二极管芯片的焊接位置不偏移。
所述的基板上表面金属线路层14是金属锡或Au镀层或Ag镀层，在该镀层的底部是一层金属阻挡层镍/铜，其中金属层的厚度为35μm~100μm之间。
所述的硅基板18为陶瓷基板，不需要制作基板绝缘层15。
所述的荧光层12是采用预先用模具制作相应尺寸的荧光胶，或采用透明陶瓷技术制作的陶瓷荧光晶片，并在荧光胶或荧光晶片上表面进行粗化处理成纳米或微米级微结构，然后通过高反射率的硅胶连接粘结与减薄的蓝宝石衬底7上。
所述的互连锡膏焊料熔点在270度以上，通过丝网印刷的方法，在基板上表面金属线路层14上印刷焊料，在回流焊接时，预热温度180度~200度超过30S的时间，峰值285度时间在10S~20S。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，区别在于把硅基板18更换为陶瓷基材的基板，如氧化铝基板、AlN基板，在实施例一中对于硅基板18金属化前的基板绝缘层15制作工艺不再需要，其他均一致。 

Claims (10)

1. 一种基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，其工艺步骤如下：
1）在蓝宝石衬底（7）上依次生长n型GaN（6）、发光层（5）、p型GaN（4）、ITO电流扩展层（3）、反光层（2），完成发光二极管芯片制作；
2）通过刻蚀技术或者激光技术分别在发光二极管芯片上制作盲孔，在硅基板（18）上制作通孔；然后通过物理化学气相沉淀法分别在芯片的盲孔周壁上制作芯片绝缘层（1），在硅基板（18）的通孔周壁上制作基板绝缘层（15），将芯片盲孔底面的芯片绝缘层（1）通过等离子刻蚀法刻蚀掉，露出n型GaN（6）；再通过蒸镀法分别在芯片的盲孔的芯片绝缘层（1）内制作n电极金属导柱（10）、p电极金属导柱（11），在硅基板（18）的通孔的基板绝缘层（15）内制作基板电极金属导柱（16）；
3）通过蒸镀技术分别在芯片电极表面制作n电极焊盘（8）、p电极焊盘（9），在硅基板（18）表面制作基板上表面金属线路层（14）、背面正电极焊盘（17）、散热焊盘（19）、背面负电极焊盘（20）；
4）通过丝网印刷技术在基板上表面金属线路层（14）上进行阻焊层（13）的制作，然后将发光二极管芯片、硅基板（18）切割成所需要的尺寸；
5）通过丝网在硅基板（18）上表面金属线路层（14）上进行锡膏印刷，将发光二极管芯片倒装放置在该锡膏上，然后进行回流焊接工艺，完成倒装发光二极管芯片与硅基板（18）的互连；其中n型GaN（6）与p型GaN（4）分别通过n电极金属导柱（10）、p电极金属导柱（11）与n电极焊盘（8）、p电极焊盘（9）连接；n电极焊盘（8）、p电极焊盘（9）与硅基板（18）上的基板上表面金属线路层（14）连接在一起；基板上表面金属线路层（14）通过基板电极金属导柱（16）连接至硅基板（18）的背面正电极焊盘（17）、背面负电极焊盘（20）；
6）将荧光层（12）与蓝宝石衬底（7）粘结在一起；
7）灌封胶灌封完成整个发光二极管器件的封装。
2.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，对所述的蓝宝石衬底（7）通过减薄并进行表面微结构制作，微结构的尺寸为：直径50-550nm、间距200-1600nm、高度50-300nm。
3.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述p电极焊盘（9）与n电极焊盘（8）之间有20~150μm的分离槽。
4.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的倒装发光二极管芯片的ITO电流扩展层（3）下面有一层金属反光层（2），该反光层（2）是金属银或铝，反光层（2）下面有一层芯片绝缘层（1），该绝缘层是SiO2，在该芯片绝缘层（1）上通过蒸镀技术制作n电极焊盘（8）、p电极焊盘（9），该n电极焊盘（8）、p电极焊盘（9）的金属是Au或Ag或Sn或Au80Sn20，厚度为0.5μm~4μm，在蒸镀该金属前先蒸镀一层镍。
5.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，通过等离子刻蚀技术或蚀刻技术或激光技术在硅基板（18）的通孔的基板绝缘层（15）内制作基板电极金属导柱（16），在基板上表面金属线路层（14）上除需要与倒装发光二极管芯片互连的位置外的地方进行阻焊层（13）的制作，该阻焊层（13）是具有高反光率的线路板用白色油墨，或进行一层金属Al的蒸镀作为阻焊层（13），同时实现高反射率的目的。
6.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的基板上表面金属线路层（14）上没有阻焊层（13），且形状尺寸比倒装LED芯片尺寸大4%~10%，以实现回流焊接时倒装发光二极管芯片的焊接位置不偏移。
7.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的基板上表面金属线路层（14）是金属锡、Au或Ag镀层，在该镀层的底部是一层金属阻挡层镍/铜，其中金属层的厚度为35μm~100μm之间。
8.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的硅基板（18）为陶瓷基板，不需要制作基板绝缘层（15）。
9.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的荧光层（12）是采用预先用模具制作好的相应尺寸的荧光胶，或采用透明陶瓷技术制作的陶瓷荧光晶片，并在荧光胶或荧光晶片上表面进行粗化，处理成纳米或微米级微结构，然后通过高反射率的硅胶连接粘结与减薄的蓝宝石衬底（7）上。
10.根据权利要求1所述的基于通孔技术的倒装发光二极管芯片封装方法，其特征在于，所述的互连锡膏焊料熔点在270度以上，通过丝网印刷的方法，在基板上表面金属线路层（14）上印刷焊料，在回流焊接时，预热温度180度~200度超过30S的时间，峰值285度时间在10S~20S。
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