CN104037305A - 一种低热阻的晶圆级led封装方法及其封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低热阻的晶圆级LED封装方法及其封装结构，属于半导体封装技术领域。其在硅基本体（1）的正面通过金属凸块（42）设置倒装的LED芯片（4），背面设置由导电电极（21）和散热体（22）构成的热电分离电极组件，散热体（22）设置于LED芯片（4）的正下方，而硅通孔（11）设置于LED芯片（4）的垂直区域之外，芯片电极（41）经硅通孔（11）通过金属布线反射层（3）与导电电极（21）实现电气连通。本发明通过设计有利于LED芯片散热的倒装封装基板和热电分离结构，提升了LED芯片到封装体外引脚的散热性能，显著降低了封装结构的热阻；同时采用圆片级的封装方式，实现批量加工，降低了封装工艺的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种低热阻的晶圆级LED封装方法及其封装结构，属于半导体封装技术领域。
背景技术
大功率LED在照明、汽车电子、显示等领域有诸多应用，但大功率LED产品在实际应用中最为关注的是产品寿命与发光效率，即单位功率的流明数。影响LED产品寿命与发光效率的主要因素除芯片本身外，主要在于封装结构的设计，尤其是LED芯片发光面产生的热（约占输入功率的25%）如何通过封装结构传出封装体外，成为大功率LED封装性能表现优劣的关键。如图1所示，传统的大功率LED芯片采用正装结构，LED 芯片4置于光学透镜1内，封装是通过引线键合的方式（电极引线2）将外加电流（或电压）加载给LED芯片4，这种封装结构的不足在于LED芯片4发光面在蓝宝石基体上，如图2所示，其散热通道中蓝宝石、蓝宝石与陶瓷基板（或预包封引线框架基板）（基板3）之间的界面材料均会成为其散热通路的主要障碍，其热阻值在8-15℃/W（差异源于基板导热系数的不同），从而导致LED芯片4结点处温升较大，降低了LED芯片的发光效率，同时减小了LED芯片本身的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述LED芯片的封装结构的不足，提供一种带有热电分离电极组件的低热阻的晶圆级LED的封装方法及其封装结构，以提升LED芯片到封装体外的散热性能。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种低热阻的晶圆级LED封装方法，包括如下工艺流程：
取上下表面均带有绝缘层Ⅱ的硅晶圆片，并在硅晶圆片的一表面顺次通过溅射金属种子层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、在光刻胶开口内电镀导电金属形成热电分离电极组件的阵列，所述热电分离电极组件包括导电电极和散热体；
将硅晶圆片的完成热电分离电极组件的一面与圆片载体通过键合胶临时键合，并将硅晶圆片的另一面减薄，形成减薄面；
在硅晶圆片的减薄面依次通过光刻工艺、干法刻蚀工艺对硅晶圆片和绝缘层Ⅱ进行刻蚀，形成底部露出导电电极的表面的硅通孔；
在硅通孔内和硅晶圆片的减薄面沉积绝缘层Ⅰ，并于硅通孔的底部通过激光开口工艺或干法刻蚀工艺开设绝缘层Ⅰ开口；
在绝缘层Ⅰ的表面形成选择性不连续的金属布线反射层和金属布线反射层的输入/输出端，并在所述金属布线反射层的输入/输出端设置金属凸块；
LED芯片通过金属凸块倒装于对应的金属布线反射层，所述芯片电极与金属布线反射层的输入/输出端通过金属凸块实现电气连通；
采用点胶的方式点树脂，包封LED芯片和及其所属的金属布线反射层，并使树脂的出光面呈凸面；
通过拆键合方法去除圆片载体和键合胶，并将上述硅晶圆片贴装至划片膜上，再沿划片道切割成带有热电分离电极组件的晶圆级LED封装结构的单体。
本发明所述热电分离电极组件的材质为铜。
本发明所述热电分离电极组件的形成还包括步骤：在所述热电分离电极组件的表面化学镀镍/金或化学镀锡。
本发明所述金属布线反射层通过单次或多次的顺次溅射金属层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、刻蚀金属层、去除剩余光刻胶后成形，所述金属层为银层或铝层。
本发明所述导电电极与硅通孔一对一设置。
本发明一个所述导电电极对应同侧的两个或两个以上硅通孔。
本发明所述金属凸块的材质为铜，其两端设有锡层或锡合金层。
本发明一种低热阻的晶圆级LED封装结构，其包括硅基本体和LED芯片，所述硅基本体的下表面设置绝缘层Ⅱ，所述硅基本体的正面设置若干个贯穿硅基本体的硅通孔，所示硅通孔的内壁和硅基本体的上表面设置绝缘层Ⅰ，并于硅通孔的下端口形成绝缘层Ⅰ开口，所述LED芯片带有若干个芯片电极，所述LED芯片 倒装于硅基本体的正面，
所述硅通孔设置于LED芯片的垂直区域之外，且其上端口不小于其下端口，所述绝缘层Ⅰ的表面设置金属布线反射层并于LED芯片的垂直区域之内设置若干个金属布线反射层的输入/输出端，所述金属布线反射层的输入/输出端的表面设置金属凸块，所述LED芯片通过金属凸块与金属布线反射层固连，所述金属布线反射层于相邻所述芯片电极之间选择性断开，
所述绝缘层Ⅱ的表面设置热电分离电极组件，所述热电分离电极组件包括若干个导电电极和散热体，所述导电电极覆盖硅通孔的下端口,所述金属布线反射层在硅通孔底部向下延伸，并通过绝缘层Ⅰ开口与对应的导电电极连接，所述散热体设置于LED芯片的正下方，且与相邻的导电电极隔离，
还包括树脂，所述树脂位于硅基本体的上方并覆盖LED芯片和金属布线反射层，其外表面呈凸面。
本发明所述热电分离电极组件的表面设置镍/金层或锡层。
本发明所述金属布线反射层为局部设有布线层的银层或铝层。
本发明的有益效果是：
本发明通过设计有利于LED芯片散热的倒装封装基板和热电分离结构，提升了LED芯片到封装体外引脚的散热性能，显著降低了封装结构的热阻；同时采用圆片级的封装方式，实现批量加工，降低了封装工艺的成本。
附图说明
图1为传统正装LED芯片的封装结构的剖面示意图；
图2为传统LED芯片结构的剖面示意图；
图3为本发明一种低热阻的晶圆级LED封装结构的实施例的剖面示意图；
图4为图3的LED芯片与硅通孔位置关系的正面的示意图（图3为图4的A-A剖面示意图）；
图5为图3的热电分离电极组件与硅通孔位置关系的背面的示意图；
图6与图7为本发明一种低热阻的晶圆级LED封装方法的流程示意图；
图8为本发明一种低热阻的晶圆级LED封装结构的实施例的变形的剖面示意图；
其中，硅基本体1
硅通孔11
绝缘层Ⅰ12
绝缘层Ⅰ开口121
绝缘层Ⅱ13
导电电极21
散热体22
金属布线反射层3
金属布线反射层的输入/输出端31
凹坑32
LED芯片4
芯片电极41
金属凸块42
荧光物质43
树脂5；
硅晶圆片10
圆片载体60
键合胶61
划片膜70
划片道701。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。
实施例，参见图3至图5
本发明一种低热阻的晶圆级LED封装结构，LED芯片4带有两个芯片电极41。在硅基本体1的正面设置4个贯穿硅基本体1的硅通孔11，硅通孔11的上端口不小于其下端口。硅通孔11设置于LED芯片4的垂直区域之外，如图4所示。硅通孔11的内壁和硅基本体1的上表面设置绝缘层Ⅰ12，并于硅通孔11的下端口形成绝缘层Ⅰ开口121，绝缘层Ⅰ12通常为氧化硅薄膜。绝缘层Ⅰ12的表面设置金属布线反射层3，并设置金属布线反射层的输入/输出端31，以确定LED芯片4的固定位置。金属布线反射层3的材质为局部设有再布线层的银层或铝层，其具有电气连通功能，同时具有反射光线的功能。
金属布线反射层的输入/输出端31的表面设置金属凸块42，LED芯片4通过金属凸块42与金属布线反射层3固连，LED芯片4的芯片电极41与金属布线反射层的输入/输出端31之间通过金属凸块42实现电气连通。金属凸块42的材质为铜，以充分利用金属铜的导电性。金属凸块42的上端与芯片电极41之间、金属凸块42的下端与金属布线反射层的输入/输出端31之间均有焊锡层或锡银等低熔点锡基合金层，使金属凸块42为复合层结构，以利于LED芯片4倒装固定。此两处的焊锡层或锡基合金层未示出。金属布线反射层3于相邻芯片电极41之间选择性断开。
硅基本体1的下表面设置绝缘层Ⅱ13，绝缘层Ⅱ13通常为硅基本体1自带的氧化膜，通常也为氧化硅薄膜。绝缘层Ⅱ13的表面设置热电分离电极组件，热电分离电极组件由两个导电电极21和一个散热体22构成。左侧的导电电极21覆盖左侧的两个硅通孔11的下端口，右侧的导电电极21覆盖右侧的两个硅通孔11的下端口。金属布线反射层3在硅通孔11底部向下延伸，并通过绝缘层Ⅰ开口121与对应的导电电极21连接。散热体22设置于LED芯片4的正下方，且与相邻的导电电极21隔离，如图5所示，散热体22占据较大的覆盖面积，其可以是一整体，也可以由若干个小散热体组成，以利于将LED芯片4工作产生的热及时导出。
硅基本体1的上方采用点胶的方式点硅胶、光学树脂等树脂5，树脂5包封LED芯片4和金属布线反射层3，固化后形成外表面呈凸面，优选凸透镜状，如图3所示。
实际加工过程中，往往出现金属布线反射层3于硅通孔11内形成凹坑32，因为采用圆片级工艺，硅通孔11的口径很小，凹坑32很浅，可忽略其影响，或用树脂5填充，不影响LED的整体出光效果。
参见图6和图7，本发明一种低热阻的晶圆级LED封装方法，包括如下工艺流程：
如图6之图A所示，取上下表面均带有绝缘层Ⅱ13的硅晶圆片10，并在硅晶圆片10的一表面设置热电分离电极组件的阵列，热电分离电极组件包括导电电极21和散热体22。热电分离电极组件通过在绝缘层Ⅱ13上溅射金属种子层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、在光刻胶开口内电镀金属铜形成。在完成的热电分离电极组件的表面还可以化学镀镍/金或化学镀锡，图中未示出，以防止金属铜表面氧化，或满足焊接可靠性的要求。
如图6之图B所示，将硅晶圆片10的完成热电分离电极组件的一面与圆片载体60通过键合胶61临时键合，并将硅晶圆片10的另一面减薄，形成减薄面。
如图6之图C所示，在硅晶圆片10的减薄面依次通过光刻工艺、干法刻蚀工艺对硅晶圆片10和绝缘层Ⅱ13进行刻蚀，形成底部露出导电电极21的表面的硅通孔11。
如图6之图D所示，在硅通孔11内和硅晶圆片10的减薄面沉积绝缘层Ⅰ12，并于硅通孔11的底部通过激光开口工艺或干法刻蚀工艺开设绝缘层Ⅰ开口121。
如图6之图E所示，在绝缘层Ⅰ12的表面形成选择性不连续的金属布线反射层3和金属布线反射层的输入/输出端31，金属布线反射层3通过顺次在绝缘层Ⅰ12的表面溅射银层或铝层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、刻蚀银层或铝层、去除剩余光刻胶后成形。必要的时候，可重复上述步骤形成多层布线的银层或铝层，以提高金属布线反射层3的光反射效果。在金属布线反射层的输入/输出端31设置金属凸块42，金属凸块42的材质为铜/锡或铜/锡银复合层结构，其通过晶圆级凸块工艺成形。
如图7之图F所示，采用点胶的方式点树脂5，包封LED芯片4和及其所属的金属布线反射层3，并使树脂5的出光面呈凸面，优选凸透镜状。
如图7之图G所示，通过拆键合方法去除圆片载体60和键合胶61，并将上述硅晶圆片10贴装至划片膜70上。
如图7之图H所示，沿划片道701切割成带有热电分离电极组件的晶圆级LED封装结构的单体。
通过选择发蓝色光的LED芯片4，并在LED芯片4的发光面涂覆黄色的荧光物质43，通过蓝光激发黄色荧光物质获得白光，可以形成晶圆级白光大功率LED，如图8所示。荧光物质43可以整面喷涂于LED芯片4的发光面或使用网版遮掩喷涂于LED芯片4的发光面，再通过晶圆级测试色温、补粉等工艺获得预初设计的晶圆级白光大功率LED。
本发明一种低热阻的晶圆级LED封装方法及其封装结构，通过设计有利于LED芯片散热的倒装封装基板和热电分离结构，提升了LED芯片到封装体外引脚的散热性能，显著降低了封装结构的热阻，经实验检测数据显示，其热阻值小于5℃/W，降低了LED芯片工作结点温度，从而提升了LED芯片的发光效率，同时也提高了LED封装产品的可靠性。
同时本发明的封装方法采用圆片级的封装方式，实现批量加工，降低了封装工艺的成本。
本发明一种低热阻的晶圆级LED封装方法及其封装结构不限于上述优选实施例，如通过设计硅通孔11的个数及其排布方式，可以实现重新排布LED芯片4的输入/输出，硅通孔11的个数根据实际需要确定，其纵切面呈倒梯形或开口向上的喇叭形；导电电极21与硅通孔11可以一对一设置；一个导电电极21也可以同侧覆盖两个以上硅通孔11；LEDRGB芯片4可以带有不止两个芯片电极41，LED芯片4也可以不止一个，通过RGB混光也可以获得白光。
因此，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低热阻的晶圆级LED封装方法，包括如下工艺流程：
取上下表面均带有绝缘层Ⅱ（13）的硅晶圆片（10），并在硅晶圆片（10）的一表面顺次通过溅射金属种子层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、在光刻胶开口内电镀导电金属形成热电分离电极组件的阵列，所述热电分离电极组件包括导电电极（21）和散热体（22）；
将硅晶圆片（10）的完成热电分离电极组件的一面与圆片载体（60）通过键合胶（61）临时键合，并将硅晶圆片（10）的另一面减薄，形成减薄面；
在硅晶圆片（10）的减薄面依次通过光刻工艺、干法刻蚀工艺对硅晶圆片（10）和绝缘层Ⅱ（13）进行刻蚀，形成底部露出导电电极（21）的表面的硅通孔（11）；
在硅通孔（11）内和硅晶圆片（10）的减薄面沉积绝缘层Ⅰ（12），并于硅通孔（11）的底部通过激光开口工艺或干法刻蚀工艺开设绝缘层Ⅰ开口（121）；
在绝缘层Ⅰ（12）的表面形成选择性不连续的金属布线反射层（3）和金属布线反射层的输入/输出端（31），并在所述金属布线反射层的输入/输出端（31）设置金属凸块（42）；
LED芯片（4）通过金属凸块（42）倒装于对应的金属布线反射层（3），所述芯片电极（41）与金属布线反射层的输入/输出端（31）通过金属凸块（42）实现电气连通；
采用点胶的方式点树脂（5），包封LED芯片（4）和及其所属的金属布线反射层（3），并使树脂（5）的出光面呈凸面；
通过拆键合方法去除圆片载体（60）和键合胶（61），并将上述硅晶圆片（10）贴装至划片膜（70）上，再沿划片道（701）切割成带有热电分离电极组件的晶圆级LED封装结构的单体。
2.根据权利要求1所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：所述热电分离电极组件的材质为铜。
3.根据权利要求2所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：所述热电分离电极组件的形成还包括步骤：在所述热电分离电极组件的表面化学镀镍/金或化学镀锡。
4.根据权利要求3所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：所述金属布线反射层（3）通过单次或多次的顺次溅射金属层、通过光刻工艺形成光刻胶开口图形、刻蚀金属层、去除剩余光刻胶后成形，所述金属层为银层或铝层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：所述导电电极（21）与硅通孔（11）一对一设置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：一个所述导电电极（21）对应同侧的两个或两个以上硅通孔（11）。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的一种低热阻的晶圆级LED封装方法，其特征在于：所述金属凸块（42）的材质为铜，其两端设有锡层或锡合金层。
8.一种低热阻的晶圆级LED封装结构，其包括硅基本体（1）和LED芯片（4），所述硅基本体（1）的下表面设置绝缘层Ⅱ（13），所述硅基本体（1）的正面设置若干个贯穿硅基本体（1）的硅通孔（11），所示硅通孔（11）的内壁和硅基本体（1）的上表面设置绝缘层Ⅰ（12），并于硅通孔（11）的下端口形成绝缘层Ⅰ开口（121），所述LED芯片（4）带有若干个芯片电极（41），所述LED芯片（4） 倒装于硅基本体（1）的正面，
其特征在于：所述硅通孔（11）设置于LED芯片（4）的垂直区域之外，且其上端口不小于其下端口，
所述绝缘层Ⅰ（12）的表面设置金属布线反射层（3）并于LED芯片（4）的垂直区域之内设置若干个金属布线反射层的输入/输出端（31），所述金属布线反射层的输入/输出端（31）的表面设置金属凸块（42），所述LED芯片（4）通过金属凸块（42）与金属布线反射层（3）固连，所述金属布线反射层（3）于相邻所述芯片电极（41）之间选择性断开，
所述绝缘层Ⅱ（13）的表面设置热电分离电极组件，所述热电分离电极组件包括若干个导电电极（21）和散热体（22），所述导电电极（21）覆盖硅通孔（11）的下端口，所述金属布线反射层（3）在硅通孔（11）底部向下延伸，并通过绝缘层Ⅰ开口（121）与对应的导电电极（21）连接，所述散热体（22）设置于LED芯片（4）的正下方，且与相邻的导电电极（21）隔离，
还包括树脂（5），所述树脂（5）位于硅基本体（1）的上方并覆盖LED芯片（4）和金属布线反射层（3），其外表面呈凸面。
9.根据权利要求8所述的一种低热阻的晶圆级LED封装结构，其特征在于：所述热电分离电极组件的表面设置镍/金层或锡层。
10.根据权利要求8所述的一种低热阻的晶圆级LED封装结构，其特征在于：所述金属布线反射层（3）为局部设有布线层的银层或铝层。
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