CN104094424B - 形成芯片级led封装的模制透镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
描述了同时包封LED管芯、在LED管芯上方形成透镜并且形成用于所述管芯的芯片级封装的晶片级工艺。LED管芯（16A,B）的阵列被固定至临时性的支撑结构（14）的粘合表面。然后，使支撑结构抵靠模具（32）。然后，诸如透明的硅树脂的单一模制材料（40）包封每个LED管芯的顶表面和侧表面并在每个LED管芯的顶表面上方形成透镜（44）。模制材料不覆盖LED管芯的底部电极（26，28）的底表面，从而允许所述电极直接地接合至诸如PCB的衬底（60）的衬垫（56，58）。然后，临时性的支撑衬底在模制工艺之后被移除，并且模制材料被单一化以分离出各封装。
Description
技术领域
本发明涉及加工发光二极管（LED），并且尤其涉及形成芯片级LED封装的方法。
背景技术
一般的倒装芯片LED具有位于LED的底表面上的反射性p和n接触，并且这些接触直接地连接到比LED管芯大得多的刚性底座（submount）上的接合衬垫。由LED产生的光主要是通过LED表面的顶表面发射。这样，不存在阻挡光的顶部接触，并且无需引线接合。
在制造期间，底座晶片被LED管芯阵列占据。形成在LED管芯的底表面上的电极接合至底座晶片的顶表面上的衬垫，并且这些衬垫通向底座晶片的底表面上的更加坚固的衬垫以用于接合至印刷电路板。然后，底座晶片上的LED管芯在晶片上被成批地进一步加工。这种晶片级的加工可以可选地将生长衬底从LED管芯的顶表面移除、在LED管芯上方沉积磷光体、包封LED管芯、并在每个LED的上方形成透镜。最后，底座晶片通过例如锯切被单一化，以形成单独的封装的各LED。
晶片级加工是有效的。然而，机械地支撑薄且脆弱的LED管芯的底座晶片或者其它支撑层增加了成本。而且，为了避免破损、金属毛刺和其它问题，用于诸如陶瓷的或者金属的一般支撑层的单一化工艺是相当复杂的。
需要的是不会遭受上述缺陷影响的LED封装技术。
发明内容
描述了同时包封LED管芯、在LED管芯上方形成透镜并形成用于LED管芯的芯片级封装的晶片级工艺。芯片级封装在面积上通常仅比芯片自身稍大。
虽然在示例中利用倒装芯片LED描述了本发明，但是，任何类型的LED可利用本发明，例如，具有顶部引线接合电极的LED。
首先，在本发明的一个实施例中，在蓝宝石生长衬底上形成半导体LED的阵列。这样的LED可以是常规的。然后，这些LED被单一化以形成LED管芯。LED管芯被临时性地固定到具有粘合表面的支撑结构，而不是如同现有技术方法中的那样在底座晶片上安装LED管芯。该支撑结构可以为任何尺寸，并且LED管芯可以以任何布置来放置，例如按列和行布置或者交错地布置。
然后，可在LED管芯上执行常规的晶片级加工，例如可选地通过利用激光剥离工艺或者其它手段移除蓝宝石衬底、薄化和粗糙化所露出的n型层以增加光提取以及在LED管芯的上方沉积磷光体。在另一实施例中，为了增加光提取（减小TIR），蓝宝石衬底被留下并且被图案化。这种工艺可以是常规的，并且可执行另外的晶片级工艺。
然后，使支撑结构与模具接触，该模具包含硅树脂或者具有所期望的用于LED管芯的包封和透镜特性的其它适当材料。模具被形成为使得硅树脂在每个LED管芯的上方形成透镜，同时还形成包围每个LED管芯的刚性结构。LED管芯的（多个）底部电极未被硅树脂覆盖，这是因为LED管芯的底表面被固定至支撑结构。
然后，硅树脂被固化，并且支撑结构从模具上方移除。然后，从固化的硅树脂移除支撑结构。然后，所得结构被单一化。单一化是通过劈开硅树脂而容易地完成的。利用单一的一体化模制材料，单一的模制步骤包封每个LED管芯、在每个LED管芯上方形成透镜并且形成用于每个LED管芯的芯片级封装。所得到的封装的LED管芯可使其（多个）底部电极（例如，超声地或者通过焊接）接合至任何适当的结构，诸如结合至印刷电路板或者其它衬底的衬垫。
附图说明
图1为大体示出不同LED的各区域的LED晶片的简化俯视图。
图2为临时性的支撑衬底的简化俯视图，该支撑衬底具有固定至其上的单一化的LED管芯的阵列。
图3为沿着图2中的线3-3的截面图，其示出安装在支撑结构上的两个LED管芯。
图4示例说明抵靠包含硅树脂的模具的支撑结构，其中LED管芯被浸入在用于包封的硅树脂中，而硅树脂还形成透镜和用于LED管芯的芯片级封装。
图5示例说明从模具移除之后并且支撑结构从固化的硅树脂移除之后的包封的LED管芯。
图6示例说明从模具移除之后的一种类型的LED管芯的配置。
图7示例说明从模具移除之后的用来增加LED管芯的封装密度的交错型的LED管芯的配置。
图8示例说明透镜如何可以为非对称的。
图9示例说明被单一化的LED，其底部电极被接合至诸如印刷电路板的衬底的衬垫。
图10示例说明具有底部反射层的图5的结构。
相同或者等同的元件被标注有相同的附图标记。
具体实施方式
图1是包含数千个LED区域12的常规LED晶片10的俯视图。LED区域12表示单一化之后的LED管芯。在所用的示例中，LED为用于产生蓝色光的基于GaN的LED，例如AlInGaN或者InGaN LED。一般地，利用常规的技术在蓝宝石生长衬底上生长相对厚的n型GaN层。相对厚的GaN层一般包括低温成核层和一个或多个另外的层，以便为n型覆层和有源层提供低缺陷的晶格结构。然后，一个或多个n型覆层形成在厚的n型层的上方，接着是有源层、一个或多个p型覆层以及p型接触层（用于金属化）。
对于倒装芯片而言，p层和有源层的一部分被蚀刻掉，从而露出n层以用于金属化。这样，p接触和n接触位于芯片的同一侧。来自于n金属接触的电流最初横向地流过n层。LED底部电极一般是由反射性金属形成。
可用于本发明的其它类型的LED包括可产生红色至黄色范围内的光的AlInGaPLED。还可以使用非倒装芯片LED。
利用诸如化学机械抛光、蚀刻、激光剥离或者其它工艺的常规工艺，可将蓝宝石生长衬底从晶片10移除。然后，为了增加光提取，露出的半导体层可以被粗糙化。在另一实施例中，生长衬底被留下并被图案化以增加光提取。磷光体可被沉积在LED的发光表面上方。
当位于晶片10中时，LED被测试性能并且被分类（拣选）。
然后，利用常规的工艺单一化晶片10以分离出独立的各LED。
然后，常规的抓取和放置机器将独立的各LED管芯定位在临时性的支撑结构上，如图2所示。图2是在其上定位LED管芯16的支撑结构14的俯视图。
支撑结构14可以为任何的尺寸和形状。在一个实施例中，支撑结构14具有粘性表面或者其它类型的粘合表面，其中LED管芯的电极面向粘合表面。支撑结构14可为薄的、可伸展的粘性膜。粘合表面可以为在施加热量、UV、溶解器或者利用另一技术时变成非粘合性的可释放层。支撑结构16上的LED管芯16的间距（pitch）足以允许在每个LED管芯16的上方形成透镜。
图3是沿着图2的线3-3的LED管芯16和支撑结构14的简化截面图。示例性的LED管芯16A和16B（被称为LED 16）一般包括外延生长的半导体N型层18、半导体有源层20和半导体P型层24。对于倒装芯片而言，P型层24和有源层20的一部分被蚀刻掉以露出N型层18，并且N电极26被沉积以接触N型层18。P电极28接触P型层24。在另一实施例中，为了更加均匀的电流散布，LED电极26/28被分布为LED管芯的底表面上的点。在图3中生长衬底被示出为从N型层18的上方移除，但是取而代之的是，其也可处于原位。
在一个实施例中，LED为AlInGaN并且发射蓝色至琥珀色的光。
磷光体层可至少存在于N型层18的表面的上方，以将蓝色光转换为例如白色光。
然后，执行图4中所示的模制工艺。模具32具有与每个LED管芯16上方的透镜的期望形状相对应的凹口34。优选地，模具32由金属形成。如果必要的话，模具32可采用薄的释放层或者可具有非粘性表面，以防止固化的模制材料粘至模具。模具32还具有侧壁36，侧壁充当抵靠支撑结构14的外围的密封装置，并且还用作间隔件从而对LED管芯16侧面周围的模制材料进行模制以包封LED管芯。模具32可包括劈开结构37，其减少了在单一化期间对透镜造成损伤的任何可能性。
在图4中，模具凹口34以及侧壁36之间的区域已经填有可热固化的液态透镜材料40。透镜材料40可以为诸如硅树脂、环氧树脂或者硅树脂/环氧树脂混合物之类的任何适当的光学透明材料。混合物可被用来实现匹配的热膨胀系数（CTE）。硅树脂和环氧树脂具有足够高的折射率（大于1.4）以极大地改善从AlInGaN或者AlInGaP LED的光提取，以及充当透镜。一种类型的硅树脂具有1.76的折射率。
在支撑结构14的外围和模具侧壁36之间形成真空密封，使得每个LED管芯16被插入液态透镜材料40中，并且透镜材料40处于压缩状态。
然后，模具32被加热至大约150摄氏度（或者其它适当的温度），持续一段时间以硬化透镜材料40。现在，LED管芯16被硬化的透镜材料40机械地耦合到一起，并且能够作为单个的单元来处理。
然后，支撑结构14与模具32分离，这样就从模具32移除了包封的LED管芯16。然后，通过例如将固化的透镜材料40从支撑结构14拉离或者从透镜材料40释放粘合层，将包封的LED管芯16从支撑结构14释放。支撑结构14可被再利用。
在另一实施例中，透镜材料40灌输有磷光体或者其它波长材料，以将蓝色光转换为另一颜色，包括白色光。漫射颗粒也可被灌输至透镜材料40中。
一个或者多个另外的硅树脂透镜可被模制在透镜材料40的上方以对发射进行成形（shape）。
图5示例说明了所得到的具有位于每个LED管芯16上方的模制透镜44的结构。在一个实施例中，模制透镜44的直径在1mm至5mm之间。透镜44可以为任何尺寸或形状。用透镜材料40包封LED管芯16，并且对于与包封物和透镜形成一体的每个管芯16，透镜材料40形成芯片级封装。LED电极26/28通过封装的底部露出，使得它们可（例如，超声地或者通过焊接）接合至衬底或者印刷电路板的衬垫。图5中示出的用于两个管芯16的芯片级封装将沿着虚线46被分割。可通过劈开而不是锯切来分割封装。劈开只是沿着分割线向下施加刀口。这样形成严格受控的切口并且不会导致废弃的粉末。
在一个实施例中，透镜44是半球形的。在其它的实施例中，透镜44可为任何形状，例如边发射的透镜、菲涅耳透镜等等。
虽然透镜44被示出为与LED管芯16的顶表面大约齐平，但是透镜44可延伸至顶表面下方。将封装连接在一起的透镜材料40的厚度可以为能够在硬化的硅树脂的情形中实现容易的分离的任何厚度。
因此，利用一种类型的材料（诸如硅树脂）、采用单一模制步骤形成封装、包封物以及透镜。对于封装而言，不需要另外的支撑结构，诸如引线框、散热器或者塑料壳体之类，从而极大地减少了封装的成本。可选地，一个或多个另外的硅树脂透镜可被模制在透镜44的上方，或者利用粘合剂附接，以对发射进行成形。
图6和7示例说明了在分割之前的LED管芯16的各种可能布置。支撑结构14上的LED管芯16的布置可提供最大的封装密度。图6示例说明了与图2类似的行列布置。这提供了容易的单一化，因为单一化线是直的。图7示例说明了交错的布置，这提供了增加的封装密度，因为半球形透镜44周围的空间更少。单一化要求更加复杂的切口。
图8示例说明了模制透镜50可以为非对称的或者任何其它形状以实现期望的发射图案。
图9示例说明了单一化的封装54，该封装具有被接合至衬底60或者印刷电路板的金属衬垫56/58的LED管芯电极26/28。衬垫56/58最终被电气耦合以从电源传导电流。在一个实施例中，整个封装54的宽度和长度的尺寸小于管芯16自身的相应尺寸的三倍。典型的管芯16的尺寸大致为1×1 mm或者更小，从而导致整个封装54小于3×3 mm。在另一实施例中，封装54小于LED管芯16的尺寸的两倍。
在将LED封装54焊接到衬底（例如，FR4、MCPCB、陶瓷等）上时，管芯16周围区域的反射系数（通过透明的硅树脂包封物）将取决于其所接合/焊接到的衬底。为了改善反射系数，可执行下面的可选工艺步骤，这导致具有底部反射层64的图10的结构。在将管芯16放置到图3中的支撑结构14（其可为可伸展的粘性膜）上之后，灌输有反射性TiO2颗粒的硅树脂（或者溶胶凝胶）被分配在衬底14的表面上方而没有分配在管芯16上方，并且被固化。可利用简单的丝网印刷工艺，其中丝网包括掩模。期望的是与管芯16的侧面接触。在图4的模制步骤之后，硅树脂/TiO2反射层64（图10）将粘附至硅树脂透镜44的底部，并且能够与透镜44一起从衬底14释放。然后，反射层64将成为封装54的一部分，从而有效地增加了（管芯16四周的）封装的反射系数，而不依赖于任何客户衬底的反射系数。
在LED管芯16的阵列上形成透镜的替代性的非模制方法是通过在支撑衬底14上的每个管芯16上方分配硅树脂滴。通过在管芯16上方利用触变性的硅树脂材料并且提供低粘性（例如，特氟隆）衬底14表面，在分配之后，硅树脂的表面张力将自然地形成圆顶型形状。然后，硅树脂被固化以硬化透镜。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是在本发明的更宽的方面中可作出改变和修正而不脱离本发明，这对本领域技术人员而言将是显然的，因此，所附的权利要求在它们的范围内将涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修正。
Claims (15)
1.一种封装的发光二极管（LED）管芯，包括：
LED管芯，包括N型层、有源层、P型层和所述LED管芯的底表面上的至少一个金属电极以及多个侧表面，
其中所述至少一个金属电极具有顶表面和与所述顶表面相对的底表面，
其中所述至少一个金属电极的顶表面设置在所述LED管芯的底表面上；以及
用于LED管芯的封装，包括至少包封所述LED管芯的顶表面和至少一个侧表面并形成所述LED管芯的顶表面上方的透镜的一体的模制材料，所述模制材料不覆盖所述至少一个金属电极的底表面，
其中在形成所述透镜而所述LED管芯被所述模制材料包封后，所述至少一个金属电极的底表面露出以用于接合到另一电极，
其中所述模制材料仅接触所述LED管芯，不接触任何其它结构，并且
其中所述模制材料沿着所述LED管芯的多个侧表面延伸并且具有向下延伸至所述LED管芯的底表面的基部。
2.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述模制材料是形成在所述管芯上方的唯一透镜。
3.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述封装和LED管芯具有宽度和长度尺寸，其中所述封装的宽度和长度尺寸小于所述LED管芯的相应宽度和长度尺寸的三倍。
4.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，还包括所述封装的底表面上的反射层。
5.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述透镜形成第一透镜，所述封装的管芯还包括所述第一透镜上方的至少一个第二透镜。
6.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述透镜基本上是半球形的。
7.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述封装的管芯不包含引线框，使得所述至少一个金属电极配置成接合至支撑结构的金属衬垫。
8.如权利要求1所述的封装的发光二极管管芯，其中所述模制材料包含劈开结构，该劈开结构形成厚度减小的部分以用于单一化所述封装的管芯。
9.一种制造封装的发光二极管（LED）管芯的方法，包括：
形成多个LED管芯，每个LED管芯包括N型层、有源层、P型层和每个LED管芯的底表面上的至少一个金属电极，每个LED管芯具有顶表面以及多个侧表面；
其中所述至少一个金属电极具有顶表面和与所述顶表面相对的底表面，
其中所述至少一个金属电极的顶表面形成在所述LED管芯的底表面上；以及
在临时性的支撑结构上安装所述多个LED管芯；
在所述LED管芯的上方模制一体的材料，所述一体的材料至少包封所述LED管芯的顶表面和侧表面并形成每个LED管芯的顶表面上方的透镜，所述一体的材料不覆盖所述至少一个金属电极的底表面；
固化所述一体的材料，以将所述LED管芯机械地连接到一起；
从所述支撑衬底移除所述LED管芯和一体的材料；以及
单一化所述一体的材料从而单一化所述LED管芯，以形成独立的封装的各LED管芯。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述一体的材料中灌输有磷光体。
11.如权利要求9所述的方法，还包括在所述临时性的支撑结构上安装所述多个LED管芯的步骤之后，在所述临时性的支撑衬底上形成反射层，其中在从所述支撑衬底移除所述LED管芯和一体的材料的步骤期间，所述一体的材料粘附至所述反射层，从而导致具有所述反射层的封装的LED管芯。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述封装的管芯不包含引线框，使得所述至少一个金属电极配置成接合至支撑结构的金属衬垫。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述一体的材料形成所述管芯上方的唯一透镜。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述透镜为第一透镜，所述方法还包括在所述第一透镜上方模制至少一个第二透镜。
15.如权利要求9所述的方法，其中每个封装的LED管芯具有宽度和长度尺寸，其中所述封装的LED管芯的宽度和长度尺寸小于所述LED管芯的相应宽度和长度尺寸的三倍。
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