CN104538529A - 一种低成本的led封装结构及其晶圆级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本的LED封装结构及其晶圆级封装方法，属于半导体封装技术领域。其LED芯片（1）的出光面（11）设置正负电极，该LED芯片（1）倒装于基座（2），其出光面（11）面向基座（2），所述基座（2）的中央开设一中空的型腔（20），该型腔（20）的内侧设置厚度比基座（2）薄的凸块，该凸块分别与LED芯片（1）的正负电极连接，所述基座（2）由彼此绝缘的若干个子基座构成，各子基座与各凸块一一对应，且分别为一体结构，所述基座（2）的上表面设置透光元件（6），该基座（2）的下表面设置若干个输入/输出端（25）。上述LED封装结构采用晶圆级封装工艺完成，简化并减薄了LED封装结构，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本的LED封装结构及其晶圆级封装方法，属于半导体封装技术领域。
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED）的发光元件芯片是通过PN结形成发光源来发射各种颜色的光的半导体器件。传统的LED封装结构将LED芯片1设置于基座中央，如图1所示，LED芯片1通过金线11将其电极信息引至固定于基座的引脚3，金属引脚3再与转接板连接，而基座包括位于LED芯片四周的塑料基座22和嵌于塑料基座中央的内嵌基座21，内嵌基座21一般采用铜块，内嵌基座21的顶端固定LED芯片1，并将LED芯片1工作过程中产生的热从下导出。传统的LED封装结构的结构复杂，其高度在3～5毫米，限制了LED封装结构的应用空间；同时，传统的LED封装结构采用单颗芯片封装方法，工艺复杂且大量且大块采用铜质的内嵌基座21，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服当前LED封装结构和方法的不足，提供一种结构简单、减薄LED封装结构、降低生产成本的低成本的LED封装结构及其晶圆级封装方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种低成本的LED封装结构，其包括LED芯片，所述LED芯片的出光面设置正负电极及其电路图案，所述LED芯片倒装于基座，其出光面面向基座，所述基座的中央开设一中空的型腔，所述型腔的内侧设置厚度比基座薄的凸块，所述凸块的上表面与基座的上表面齐平，所述凸块分别与LED芯片的正负电极连接，
所述基座由彼此绝缘的若干个子基座构成，各子基座与各凸块一一对应，且分别为一体结构，所述基座的上表面设置透光元件，所述基座的下表面设置若干个输入/输出端，在LED芯片的背面和基座的另一面覆盖保护层、并形成露出输入/输出端的保护层开口，在输入/输出端 可以设置连接件。
本发明所述LED芯片的正负电极设置于出光面的临近边缘处。
本发明所述型腔的尺寸不小于LED芯片的尺寸。
本发明各所述凸块的高度h2一致，其高度h2的范围为15～25微米。
本发明所述透光元件的出光面设置光学膜或光学结构。
本发明所述连接件为焊球/焊块或顶端设置有焊球的金属微柱。
本发明所述型腔内、于LED芯片的上方设置填充物。
本发明所述填充物的下表面与LED芯片的出光面的间距为h3, h3的范围为0≤h3<各所述凸块的高度。
本发明一种低成本的LED封装结构的晶圆级封装方法，包括步骤：
取透光元件，并对透光元件进行表面处理，所述表面处理包括化学清洗、抛光或减薄处理及在透光元件的出光面设置光学膜或光学结构；
对完成表面处理的透光元件的非出光面采用晶圆级工艺复数次依次通过溅射金属种子层、光刻工艺塑造光刻图形开口、电镀工艺于光刻图形开口内电镀金属形成基座和凸块，并在基座的表面设置输入/输出端，所述基座由若干个彼此绝缘的子基座构成，所述子基座与凸块一一对应并分别为一体结构；
采用C2W方式（芯片倒装到晶圆方式）将LED芯片倒装于基座的型腔内，LED芯片的正负电极与上述凸块对应连接，LED芯片的出光面朝向基座；
在LED芯片的背面和基座的另一面覆盖保护层、并形成露出输入/输出端的保护层开口；
在输入/输出端设置连接件；
将上述采用晶圆级封装工艺完成的LED封装结构沿切割线进行切割，形成独立的单体。
本发明在采用C2W方式将LED芯片倒装于基座的型腔内之前还包括步骤：在所述型腔内填充填充物，所述填充物的高度不超过上述凸块的高度，所述填充物包括但不限于荧光物质。
相比与现有方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用正负电极置于出光面的 LED芯片，并将LED芯片倒装至基座，使LED芯片的光从基座中央中空的型腔内出射，使LED封装结构简洁，可靠性高；型腔内可以设置荧光物质，可以获得诸如白光的LED封装结构；
2、本发明采用加工工艺成熟的晶圆级封装工艺，通过结构的巧妙设计，简化并减薄了LED封装结构，整个LED封装结构的厚度小于1微米，节约了玻璃、荧光粉涂层、镀层及绝缘层等的用量，降低了生产成本；同时，LED封装结构可以直接SMT在PCB板上，后期工艺成本也可进一步降低。
附图说明
图1为传统LED封装结构的剖面示意图；
图2为本发明一种低成本的LED封装结构的封装方法的流程图；
图3为本发明一种低成本的LED封装结构的示意图；
图4A至图4D为图3的实施例一的A-A剖面示意图；
图5为图3的实施例二的A-A剖面示意图；
图6为图5的变形；
图7至图13为图6的一种低成本的LED封装结构的封装方法的流程示意图；
图中：
LED芯片1
出光面11
电极Ⅰ131
电极Ⅱ132
电极Ⅲ133
基座2
型腔20
缝Ⅰ201
缝Ⅱ202
缝Ⅲ203
子基座Ⅰ21
子基座Ⅱ22
子基座Ⅲ23
凸块Ⅰ211
凸块Ⅱ221
凸块Ⅲ231
填充物24
输入/输出端25
荧光物质3
保护层4
保护层开口41
连接件5
透光元件6
切割线7。
具体实施方式
参见图2，本发明一种低成本的LED封装结构的封装方法的工艺流程如下：
S1：取透光元件，并对透光元件进行表面处理；
S2：在透光元件的一面采用晶圆级工艺形成带有型腔的基座及凸块，并在基座的表面设置输入/输出端；
S3：采用C2W方式将LED芯片倒装于基座的型腔内，LED芯片的出光面朝向基座；
S4：在LED芯片的背面和基座的另一面覆盖保护层，在输入/输出端设置连接件；
S5：将上述通过晶圆级封装工艺完成的LED封装结构沿切割线进行切割，形成独立的单体。
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。
实施例一，参见图3和图4A、图4B、图4C、图4D
本发明一种低成本的LED封装结构，其LED芯片1的出光面11设置正负电极及其匹配的电路图案，其中正负电极在出光面11的临近边缘处。如图3所示，正电极为电极Ⅰ131，位于LED芯片1左侧中部；负电极为电极Ⅱ132、电极Ⅲ133，电极Ⅱ132位于LED芯片1的右上角，电极Ⅲ133位于LED芯片1的右下角。
基座2优选采用导电性好、散热快的金属铜制作，但不限于铜，如图4A所示，基座2的厚度h1，厚度h1范围：50～80微米。基座2的中央开设一中空的型腔20，型腔20的横截面形状包括但不限于圆形、四边形、六边形等多边形，通常型腔20横截面形状与LED芯片1的一致，但该型腔20的尺寸比LED芯片1的尺寸略大。型腔20的内侧设置厚度比基座2薄的凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231，凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231的高度一致，其高度h2的优选在20微米左右，具体地，高度h2的范围为15～25微米。凸块Ⅰ211设置于型腔20的左侧中部，凸块Ⅱ221设置于型腔20的右上角，凸块Ⅲ231设置于型腔20的右下角。基座2由彼此绝缘的子基座Ⅰ21、子基座Ⅱ22、子基座Ⅲ23构成，以与LED芯片1的正负电极数匹配。子基座Ⅰ21与子基座Ⅱ22之间的间隙为缝Ⅰ201，子基座Ⅱ22与子基座Ⅲ23之间的间隙为缝Ⅱ202，子基座Ⅰ21与子基座Ⅲ23之间的间隙为缝Ⅲ203。其中子基座Ⅰ21位于左侧，呈[状，其与凸块Ⅰ211为一体结构；子基座Ⅱ22位于右上侧，呈﹁状，其与凸块Ⅱ221为一体结构；子基座Ⅲ23位于右下侧，呈﹂状，其与凸块Ⅲ231为一体结构。凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231的上表面与基座2的上表面齐平。
LED芯片1与基座2连接，LED芯片1的出光面11面向基座2。其中，LED芯片1的电极Ⅰ131与凸块Ⅰ211对应连接，LED芯片1的电极Ⅱ132与凸块Ⅱ221对应连接， LED芯片1的电极Ⅲ133与凸块Ⅲ231对应连接。可选地，电极Ⅰ131、电极Ⅱ132、电极Ⅲ133与凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231可以分别仅部分连接，只需满足电信的可靠连通。因基座2的中央的型腔20为中空的开放区域，LED芯片1的出光面11发出的光线可以通过该型腔20从基座2出射，基座2能够阻挡或折转侧光，以改善光线方向性，提高出光率。型腔20的中空的开放区域内及缝Ⅰ201、缝Ⅱ202、缝Ⅲ203也可填充透光性能优良的填充剂24，如图4B所示，该填充剂24包括但不限于硅胶、环氧树脂等。
基座2的上表面设置透光元件6，透光元件6的厚度h4范围为300～400微米，其材质可是普通玻璃、光学玻璃、有机玻璃等，既可使光透出本LED封装结构，又能保护LED芯片1免于落灰、划伤等，并根据需要设计透光元件6的出光面，以调节出光角度、雾度、出光率等参数，如透光元件6的出光面设置光学透镜等光学结构61, 如图4C所示；或设置厚度小于1微米的增透膜62等光学膜，如图4D所示，以提高出光率。
基座2的下表面设置输入/输出端25，如图3所示，输入/输出端25的个数和位置根据实际需要设置。保护层4覆盖LED芯片1的背面和基座2的下表面，缝Ⅰ201、缝Ⅱ202、缝Ⅲ203也由保护层4来填充，并形成露出输入/输出端25的保护层开口41，如图4所示。在输入/输出端25 可以设置连接件5，连接件5包括但不限于焊球/焊块、顶端设置有焊球的金属微柱等，以方便其与具有电性线路的基板连接，如PCB板。
实施例二，参见图5和图6
该实施例与实施例一的封装结构基本相同，区别在于如下：
根据用于形成LED芯片1的化合物半导体材料的不同，该LED芯片1可以发射蓝色光、绿色光或红色光。而且，LED芯片1也可以发射没有颜色的紫外（UV）光。日常生活中，人们更多的是使用白光。为了获得白光，可以选择发蓝色光的LED芯片1，并在LED芯片1的出光面11的上方设置荧光物质3，如图5所示，荧光物质3填充于型腔20内、并覆盖透光元件6于型腔20内的裸露面，荧光物质3的下表面与LED芯片1的出光面11的间距为h3，0≤h3<各所述凸块的高度h2。一般地，荧光物质3略薄于凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231的厚度。当h3=0时，荧光物质3设置于LED芯片1的出光面11的表面，如图6所示，荧光物质3填满LED芯片1至透光元件6之间的空间，LED芯片1的出光面11在倒装后与荧光物质3接触，进一步稳固了荧光物质3，增强了整个LED封装结构的可靠性，同时也降低了涂覆荧光物质3的工艺。缝Ⅰ201、缝Ⅱ202、缝Ⅲ203也由荧光物质3来部分填充。
荧光物质3如：黄色荧光粉，通过蓝光激发黄色荧光粉发出黄光，进而与LED芯片1所发的部分蓝光混合获得白光，或者使用黄色荧光粉与少量红色荧光粉的混合来获得暖白光，白光或暖白光LED的封装结构。
本发明图6所述实施例的一种低成本的LED封装结构的晶圆级封装方法，参见图7至图13，包括步骤：
参见图7，取透光元件6，并对透光元件6进行表面处理，表面处理包括化学清洗、抛光或减薄处理，以去除透光元件6表面的颗粒及加工过程造成的污染，提高透光元件6与成形于其表面的物质（如金属、荧光物质3）的结合力，同时获得满足厚度要求的透光元件6；表面处理还包括在透光元件6的出光面设置光学膜或光学结构。
参见图8A至图8D，在透光元件6的非出光面依次通过溅射金属种子层、光刻工艺塑造光刻图形开口、电镀工艺于光刻图形开口内电镀金属（如金属铜）形成子基座Ⅰ21’、子基座Ⅱ22’、子基座Ⅲ23’和凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231，再通过抛磨使子基座Ⅰ21’、子基座Ⅱ22’、子基座Ⅲ23’的高度与凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231的高度一致，如图8A、8B所示，其中图8A为图8B的B-B剖视图；再在子基座Ⅰ21’、子基座Ⅱ22’、子基座Ⅲ23’的表面依次通过光刻工艺塑造光刻图形开口、电镀工艺于光刻图形开口内电镀金属（如金属铜）形成子基座Ⅰ21”、子基座Ⅱ22”、子基座Ⅲ23”，如图8C、8D所示，其中图8C为图8D的B-B剖视图，子基座Ⅰ21’与子基座Ⅰ21”构成子基座Ⅰ21、子基座Ⅱ22’ 与子基座Ⅱ22” 构成子基座Ⅱ22、子基座Ⅲ23’ 与子基座Ⅲ23”构成子基座Ⅲ23，通过控制光刻工艺塑造的光刻图形开口的高度可以控制基座2和凸块的高度；在子基座Ⅰ21”、子基座Ⅱ22”、子基座Ⅲ23”的表面设置输入/输出端25。
参见图9，型腔20内填充荧光物质3，荧光物质3的高度不超过凸块的高度，缝Ⅰ201、缝Ⅱ202、缝Ⅲ203内会有部分荧光物质3，后续覆盖保护层4时会进一步填充缝Ⅰ201、缝Ⅱ202、缝Ⅲ203。
参见图10，采用C2W方式（芯片倒装到晶圆方式）将LED芯片1倒装于基座2的型腔20内，因为凸块位置在基座设计时与LED芯片1的电极位置对应设计，因此电极Ⅰ131、电极Ⅱ132、电极Ⅲ133分别与凸块Ⅰ211、凸块Ⅱ221、凸块Ⅲ231焊连，LED芯片1的出光面11朝向基座2。
参见图11，在LED芯片1的背面和基座2的另一面覆盖保护层4、并形成露出输入/输出端25的保护层开口41。
参见图12，在输入/输出端25 可以设置连接件5，连接件5包括但不限于焊球/焊块、顶端设置有焊球的金属微柱等。
参见图13，将上述采用晶圆级封装工艺完成的LED封装结构沿切割线进行切割，形成独立的单体。
本发明一种低成本的LED封装结构及其晶圆级封装方法不限于上述优选实施例，彼此绝缘的子基座的个数与形状可以根据实际需要增加或改变，通常子基座的个数与LED芯片1的正负电极个数一致，同样地，凸块的个数与形状也可以根据实际需要增加或改变。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)
1.一种低成本的LED封装结构，其包括LED芯片（1），
其特征在于：所述LED芯片（1）的出光面（11）设置正负电极及其电路图案，所述LED芯片（1）倒装于基座（2），其出光面（11）面向基座（2），所述基座（2）的中央开设一中空的型腔（20），所述型腔（20）的内侧设置厚度比基座（2）薄的凸块，所述凸块的上表面与基座（2）的上表面齐平，所述凸块分别与LED芯片（1）的正负电极连接，
所述基座（2）由彼此绝缘的若干个子基座构成，各子基座与各凸块一一对应，且分别为一体结构，所述基座（2）的上表面设置透光元件（6），所述基座（2）的下表面设置若干个输入/输出端（25），在LED芯片（1）的背面和基座（2）的另一面覆盖保护层（4）、并形成露出输入/输出端（25）的保护层开口（41），在输入/输出端（25）可以设置连接件（5）。
2.根据权利要求1所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述LED芯片（1）的正负电极设置于出光面（11）的临近边缘处。
3.根据权利要求1所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述型腔（20）的尺寸不小于LED芯片（1）的尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：各所述凸块的高度h2一致，其高度h2的范围为15～25微米。
5.根据权利要求1所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述透光元件（6）的出光面设置光学膜或光学结构。
6.根据权利要求1所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述连接件（5）为焊球/焊块或顶端设置有焊球的金属微柱。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述型腔（20）内、于LED芯片（1）的上方设置填充物。
8.根据权利要求7所述的一种低成本的LED封装结构，其特征在于：所述填充物的下表面与LED芯片（1）的出光面（11）的间距为h3， h3的范围为0≤h3<各所述凸块的高度。
9.一种低成本的LED封装结构的晶圆级封装方法，包括步骤：
取透光元件（6），并对透光元件（6）进行表面处理，所述表面处理包括化学清洗、抛光或减薄处理及在透光元件（6）的出光面设置光学膜或光学结构；
对完成表面处理的透光元件（6）的非出光面采用晶圆级工艺复数次依次通过溅射金属种子层、光刻工艺塑造光刻图形开口、电镀工艺于光刻图形开口内电镀金属形成基座（2）和凸块，并在基座（2）的表面设置输入/输出端（25），所述基座（2）由若干个彼此绝缘的子基座构成，所述子基座与凸块一一对应并分别为一体结构；
采用C2W方式（芯片倒装到晶圆方式）将LED芯片（1）倒装于基座（2）的型腔（20）内，LED芯片（1）的正负电极与上述凸块对应连接，LED芯片（1）的出光面（11）朝向基座（2）；
在LED芯片（1）的背面和基座（2）的另一面覆盖保护层（4）、并形成露出输入/输出端（25）的保护层开口（41）；
在输入/输出端（25）设置连接件（5）；
将上述采用晶圆级封装工艺完成的LED封装结构沿切割线进行切割，形成独立的单体。
10.根据权利要求9所述的一种低成本的LED封装结构的晶圆级封装方法，其特征在于：在采用C2W方式将LED芯片（1）倒装于基座（2）的型腔（20）内之前还包括步骤：在所述型腔（20）内填充填充物，所述填充物的高度不超过上述凸块的高度，所述填充物包括但不限于荧光物质。
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