CN104576888A - Led封装器件、衬底及其晶圆级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于LED芯片晶圆级封装的衬底、封装方法及LED封装器件。其衬底包括第一基板和第二基板，所述第一基板其上开设有贯通的凹孔，所述凹孔其侧壁为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，凹孔侧壁层叠有一反光层；第二基板顶部和第一基板的底部粘结，第二基板其和第一基板的凹孔位置对应的表面开设有至少两个通孔，且通孔内填充有金属，第二基板其顶部表面层叠有反光层，第二基板其反光层和第一基板的凹孔位置对应的反光层部分分离为两个反光层区域，且每个反光层区域表面各层叠有一共晶键合层，每一反光层区域表面的共晶键合层均分别和第二基板的至少一个所述通孔位置对应。本发明提供的衬底，可大大简化荧光层的涂覆工艺。
Description
技术领域
本发明涉及大功率白光LED封装技术领域，特别涉及一种LED封装器件的晶圆级封装方法，及所用的衬底，和封装获得的LED封装器件。
背景技术
大功率LED作为第四代电光源具有体积小、安全、低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，因而被称为“绿色照明光源”。有望取代传统的白炽灯、荧光灯等而成为21世纪的新一代光源，具有很大的经济和社会意义。随着对绿色节能的大力倡导，LED逐渐走进了人们的视线，并且在短时间内飞速发展。
传统的以硅晶圆为封装基板的LED封装工艺，先将整块晶圆切割成独立器件，然后对每个独立的芯片进行封装和测试，成为单元式封装方式。传统的封装技术，获得的LED出光效率低、散热效率差。LED封装过程中最重要的就是荧光粉的涂覆工艺以及基板的散热设计。传统封装分布式的荧光粉涂覆技术，不仅发光效率低，散热性差，涂覆的荧光粉量也较大，无形中提高了LED的价格。目前的封装工艺多为单个封装。类似IC芯片的晶圆级封装还有待研究。因此，提供一种简单高效的LED封装方法非常有必要。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，提供一种用于LED芯片晶圆级封装的衬底、封装方法及LED封装器件。本发明提供的衬底，可大大简化LED封装器件其荧光层的涂覆工艺，同时有利于反光层的制作。所提供的封装方法工艺操作简便，可控性强；所制得的LED封装器件出光效率高，散热性能良好。
本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：
本发明提供一种用于LED芯片晶圆级封装的衬底，包括第一基板和第二基板，所述第一基板其上开设有贯通的凹孔，所述凹孔其侧壁为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，凹孔侧壁层叠有一反光层；第二基板顶部和第一基板的底部粘结，第二基板其和第一基板的凹孔位置对应的表面开设有至少两个通孔，且通孔内填充有金属，第二基板其顶部表面层叠有反光层，第二基板其反光层和第一基板的凹孔位置对应的反光层部分分离为两个反光层区域，且每个反光层区域表面各层叠有一共晶键合层，每一反光层区域表面的共 晶键合层均分别和第二基板的至少一个所述通孔位置对应。
进一步的，所述第一基板其凹孔的数量为至少两个；和/或，所述第一基板和所述第二基板为硅基板；和/或，第二基板其通孔内填充的金属为Cu。
优选的，第一基板其位于相邻凹孔之间的表面开设有用于限制在第一基板表面制备透镜时所用的硅胶的流动范围的凹槽。
本发明第二方面提供一种LED封装器件，包括衬底、LED芯片、荧光层、基透镜和二次透镜所述衬底包括第一基板和第二基板，所述第一基板其上开设有贯通的凹孔，所述凹孔其侧壁为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，凹孔侧壁层叠有一反光层；第二基板顶部和第一基板底部粘结，第二基板其和第一基板的凹孔位置对应的表面开设有至少两个通孔，且通孔内填充有金属，所述第二基板其顶部表面层叠有反光层，第二基板其反光层和第一基板的凹孔位置对应的反光层部分分离为两个反光层区域，且每个反光层区域表面各层叠有一共晶键合层，每一反光层区域表面的共晶键合层均分别和第二基板的至少一个所述通孔位置对应；所述LED芯片设于衬底的第一基板的凹孔内，且所述LED芯片和位于同一凹孔所在区域内的两个共晶键合层相连接；所述荧光层填充于衬底的第一基板的凹孔内，且包覆所述LED芯片；所述基透镜设于衬底的第一基板顶部表面且至少覆盖所述凹孔；所述二次透镜层叠于基透镜上表面。
优选的，所述基透镜其高宽比为1:5～1:10；和/或，所述第一基板和所述第二基板为硅基板；和/或，第二基板其通孔内填充的金属为Cu。
优选的，所述二次透镜其为半球透镜或大致呈半球透镜。
优选的，所述二次透镜其在竖直方向上的投影至少覆盖所述凹孔所在的区域；和/或，所述二次透镜其半球直径所在的圆为凹孔的侧壁的外切圆。
本发明第三方面提供一种LED封装器件的晶圆级封装方法，包括如下步骤，
1)第一基板的制作：准备一基板，通过化学腐蚀在基板上形成贯通的凹孔，且凹孔的侧壁呈斜面，凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度；在凹孔侧壁层叠一反光层；
2)第二基板的制作：准备一基板，在基板上开设至少两个盲孔，在盲孔内电镀填充金属；通过刻蚀基板表面使所述盲孔成为填充有金属的通孔；在基板顶部表面蒸镀反光层，在反光层上表面蒸镀共晶键合层；在共晶键合层、反光层上进行光刻以使它们均各自分离成至少两个部分，且每个部分均分别和至少一个所述通孔的位置相对应；
3)基板组装以获得衬底：将第一基板的底部和第二基板的顶部通过胶黏剂粘合获得衬底，该衬底其第二基板的两个分离的共晶键合层部分位于第一基板的同一凹孔所在的区域内；
4)共晶键合：将LED芯片置于第一基板的凹孔内，且通过共晶键合将LED芯片和位于 凹孔区域内的两个分离的共晶键合层相连接；
5)荧光粉涂覆：将荧光粉和硅胶混合、脱泡，获得荧光胶，用点胶机将荧光胶点入第一基板的凹孔内，使其充满所述凹孔，经固化后获得荧光粉层；
6)基透镜制作：用点胶机将硅胶点于填充有荧光粉层的第一基板上表面，之后固化获得基透镜，所述基透镜至少覆盖第一基板的凹孔。
7)二次透镜制作：用点胶机将硅胶点于基透镜上表面，经固化获得层叠于基透镜上表面的二次透镜。
进一步的，步骤1)中，所述第一基板其形成的凹孔的数量为至少两个；步骤3)中，将第一基板和第二基板粘合形成衬底后，还具有在第一基板其位于两个相邻凹孔之间的表面进行切割以形成用于限制在步骤6)时制备基透镜所用硅胶的流动范围的凹槽的操作。
优选的，凹孔其深度和LED芯片的厚度相比要高出150～250μm。和/或，制备第一、第二基板时所用的基板为硅基板；和/或，制备第二基板时，盲孔内填充的金属为Cu。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1)相比于传统的一体式基板制作工艺，本发明提出了新的组装式基板，该组装式基板(衬底)可避免单一基板制作过程中无法在凹孔中进行光刻的缺点，本发明的衬底可便于在凹孔内形成良好的内反光层。凹孔其侧壁设为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，该凹孔结构极大地简化了荧光粉的涂覆工艺。
2)优选在衬底第一基板的相邻凹孔之间开设凹槽，用于限制制备基透镜时所用硅胶的流动范围，本发明利用凹槽来限制基透镜的弧度，之后在固化后的基透镜上二次点胶形成二次透镜。由于表面张力的作用，二次透镜可形成良好的圆弧形。本发明的衬底结构，在制备透镜时，与现有的注塑成形工艺相比，本发明的工艺操作更为简便，可控性强，制得的产品出光效率高。
3)本发明提供的LED封装器件的晶圆级封装方法，其利用特殊结构的衬底进行封装，操作工艺简便，可控性强，工作效率高，且可有效降低封装成本。进一步将衬底的材质优选为硅衬底，并优选在衬底的第二基板的通孔内填充Cu金属，所制得的LED封装器件将具有更佳的散热性能好和更高的出光效率。
附图说明
图1是LED封装器件的结构示意图；
图2～图3是第一基板的制备各步骤示意图；
图4～图5是第二基板的制备各步骤示意图；
图6是衬底的一种结构示意图；
图7是LED封装器件的晶圆级封装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1(LED封装器件实施例)
参见图1，为本发明提供的LED封装器件结构示意图。本发明提供的LED封装器件包括衬底1、LED芯片2、荧光层3、基透镜4和二次透镜5。其中，衬底1为第一基板11和第二基板12组装而成。第一基板11其上开设有贯通的凹孔112(或称之为凹坑)，该凹孔112其侧壁具有一定坡度，呈斜面，凹孔112的底部开口小于凹孔的顶部开口，凹孔112的纵剖面呈梯形。凹孔112的大小根据LED芯片2的尺寸确定，凹孔112宽度越大，侧边对光的阻挡作用越弱，出光效率越高。但凹孔的宽度也应控制在一定的范围内，以保证基板有一定的机械强度。本发明优选的，将凹孔112顶部开口的宽度优选为LED芯片2宽度的3倍左右(例如2.5～3.5倍左右)。凹孔112的深度优选为比LED芯片2的厚度高出200μm左右(例如高出150～250μm左右)。
在凹孔112侧壁层叠有反光层113，该反光层113其优选为一层Ag或Al的薄膜。第二基板12其顶部表面和第一基板11的底部表面通过胶黏剂粘结在一起。和第一基板11的凹孔112所在区域相对应的第二基板12的表面，开设有至少两个通孔121，并且在通孔121内填充有金属122，该金属优选为Cu金属。通孔121的高宽比优选为3:1～5:1。
第二基板12的顶部表面层叠有反光层123，第二基板12其反光层123和第一基板11的凹孔112位置相对应的反光层部分分离为两个部分，在位于同一凹孔112所在区域内的两个分离的反光层表面各层叠有一共晶键合层124，即，在同一凹孔112所在区域内，具有两个互相分离的共晶键合层124，从而防止正负极的相连造成短路。位于同一凹孔112所在区域内的共晶键合层124均分别至少和第二基板12的至少一个通孔121位置相对应。
LED芯片2设于衬底1的第一基板11的凹孔112内，而且LED芯片2和位于同一凹孔112区域内的两个分离的共晶键合层124通过共晶键合而连接，一般采用Ni/Au作为共晶键合层。在第一基板11的凹孔112内填充有荧光层3，且该荧光层3包覆LED芯片2。在衬底1的第一基板11顶部表面设有基透镜4，该基透镜4其至少覆盖了第一基板11的凹孔112所在的区域。基透镜4的高宽比优选为1:5～1:10。
在基透镜4上表面层叠有二次透镜5，该二次透镜5优选为半球透镜或大致呈半球透镜 (或称之为类半球透镜)，优选的，该二次透镜5其在竖直方向上的投影至少覆盖了第一基板11的凹孔112所在的区域，较为优选的，二次透镜5其半球直径大于凹孔112的顶部开口宽度。更为优选的，二次透镜5其半球直径所在的圆优选为凹孔112的侧壁的外切圆。
本发明提供的LED封装器件，其衬底的第一基板和第二基板的材质优选采用硅基板。
实施例2(衬底实施例)
参见图6，本发明提供一种用于LED芯片晶圆级封装的衬底1。该衬底1为第一基板11和第二基板12组装而成。
第一基板11其上开设有贯通的凹孔112(或称之为凹坑)，该凹孔112其侧壁111具有一定坡度，呈斜面，凹孔112的底部开口小于凹孔112的顶部开口，凹孔112的纵剖面呈梯形。凹孔112的大小根据LED芯片的尺寸确定，凹孔112宽度越大，侧边对光的阻挡作用越弱，出光效率越高。但凹孔的宽度也应控制在一定的范围内，以保证基板有一定的机械强度。本发明优选的，将凹孔112顶部开口的宽度优选为LED芯片2宽度的3倍左右(2.5～3.5倍)。凹孔112的深度优选为比LED芯片2的厚度高出200μm左右(约为150～250μm)。在凹孔侧壁111层叠有反光层113，该反光层113其优选为一层Ag或Al的薄膜。
第二基板12其顶部表面和第一基板11的底部表面通过胶黏剂粘结在一起。和第一基板11的凹孔112所在区域相对应的第二基板12的表面，开设有至少两个通孔121，并且在通孔121内填充有金属122，该金属优选为Cu。通孔121的高宽比优选为3:1～5:1。
第二基板12的顶部表面层叠有反光层123，第二基板12其反光层123和第一基板11的凹孔112位置相对应的反光层部分分离为两个部分，在位于同一凹孔112所在区域内的两个分离的反光层表面各层叠有一共晶键合层124，即，在同一凹孔112所在区域内，具有两个互相分离的共晶键合层124，从而防止正负极的相连造成短路。位于同一凹孔112所在区域内的共晶键合层124均至少分别和第二基板12的至少一个通孔121位置相对应。
第一基板11其上的凹孔112数量可以有多个，例如两个或两个以上。参见图6，优选的，在第一基板11的位于相邻两凹孔112之间的表面开设有凹槽114，该凹槽114用于限制在第一基板11表面制备透镜时所用的硅胶的流动范围，从而达到限制透镜的弧度的作用。
实施例3(LED封装器件的晶圆级封装方法实施例)
实施例1的LED封装器件可通过如下方法进行制备，其主要步骤如下：
1)第一基板11的制作：参见图2～3，准备一硅基板11，通过化学腐蚀在硅基板上形成贯通的凹孔112，且凹孔112的侧壁111呈斜面，凹孔112底部开口的宽度小于凹孔112顶部 开口的宽度；凹孔112其深度和LED芯片的厚度相比要高出约200μm左右(例如150～250μm)，以保证后续良好的荧光粉涂覆。如果凹孔112过深，荧光粉涂覆层厚度增加，将不利于出光和散热；如果凹孔过浅，为实现白光所需的荧光粉浓度将增加，这样很难保证出光的均匀性。
之后，利用溅射、热蒸镀等工艺在凹孔112侧壁111层叠一反光层113，该反光层113其材质可为Ag或Al的薄膜；
2)第二基板12的制作：参见图4～5，准备一硅基板12，在硅基板12上开设至少两个盲孔，通过电镀的方式在盲孔内填充Cu金属122；通过化学抛光刻蚀硅基板表面使所述盲孔成为填充有Cu金属的通孔121；在硅基板12顶部表面蒸镀反光层123，在反光层123上表面蒸镀共晶键合层124；考虑到制作工艺的限制，通孔121的高宽比优选为3:1～5:1。在共晶键合层、反光层上利用光刻工艺定义反光层123和共晶键合层124的蒸镀区域，以使它们均分离成两个部分，且每个部分均和至少一个所述通孔121的位置相对应，从而以防止正负极的相连造成短路。一般采用Ni/Au作为共晶键合层。共晶键合层金属的选择与芯片正负极共晶键合金属的选择有关。
3)基板组装以获得衬底：将第一基板11的底部和第二基板12的顶部通过胶黏剂粘合获得衬底，胶黏剂优选采用高温胶黏剂，具体可选择无机胶黏剂或有机胶黏剂。该衬底其第二基板12的两个分离的共晶键合层124位于第一基板的同一凹孔112所在的区域内。
在实际操作中，如果步骤1)中，第一基板其形成的凹孔112的数量为两个或两个以上，则在该步骤3)中，还进行如下操作：在第一衬底其位于相邻两个凹孔112之间的表面用金刚刀进行切割，以形成用于限制后续步骤在制备基透镜4时所用硅胶的流动范围的凹槽114，该凹槽114其深度具体如200微米，其宽具体如3微米。该凹槽114用于限制后续制备的透镜的形状。
4)共晶键合：将LED芯片2置于第一基板11的凹孔112内，通过共晶键合技术将LED芯片2和位于凹孔112区域内的两个分离的共晶键合层124相连接；在实际操作中，若是金锡共晶键合，可采用280℃的键合温度，以及1N的键合压力，可实现良好的共晶键合。
5)荧光粉涂覆：将荧光粉和硅胶按照质量比1:3的比例混合，然后放入脱泡机脱泡，获得荧光胶。荧光粉的具体用量由所需色温以及凹孔的尺寸共同决定。之后用点胶机将荧光胶点入第一基板11的凹孔112内，并用刮板将多余的胶刮掉，保证荧光粉覆盖凹孔112并无溢出。之后放入80℃的炉子中固化1小时，获得荧光粉层3；
6)基透镜4制作：将配好的硅胶脱泡后，用点胶机将硅胶点于填充有荧光粉层3的第一基板11上表面，之后在80℃下固化1小时，获得基透镜4，所述基透镜4至少覆盖第一基板 11的凹孔112所在区域。如在步骤3)中，在相邻的凹孔112之间开设有用于限制在制备基透镜4时所用硅胶的流动范围的凹槽114，那么在步骤6)制备基透镜时，所点的硅胶其流动范围将会仅限于凹槽114所限定的边界内。
7)二次透镜5制作：用点胶机将混合脱泡好的硅胶点于基透镜4上表面，并在150℃下固化2～3小时。控制胶量，使得二次透镜5能形成直径大于凹孔112顶部开口宽度的半球透镜(或大致呈半球透镜)。二次透镜5其在竖直方向上的投影至少覆盖了凹孔3所在的区域。
图7所示为一种按照如上步骤制得的样品，该样品其衬底上形成有至少两个凹孔112，相邻凹孔112之间开设了用于限制在制备基透镜4时所用硅胶的流动范围的凹槽114。利用上述方法，可便于批量封装出多个LED封装器件，最后经过切割衬底就可获得单个的LED封装器件。
本发明其技术方案是在现有技术的基础上进行改进而获得的，文中未特别说明之处均为本领域的公知常识或常规手段，在此不再一一赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种用于LED芯片晶圆级封装的衬底，其特征在于，包括第一基板和第二基板，
所述第一基板其上开设有贯通的凹孔，所述凹孔其侧壁为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，凹孔侧壁层叠有一反光层；
第二基板顶部和第一基板的底部粘结，第二基板其和第一基板的凹孔位置对应的表面开设有至少两个通孔，且通孔内填充有金属，第二基板其顶部表面层叠有反光层，第二基板其反光层和第一基板的凹孔位置对应的反光层部分分离为两个反光层区域，且每个反光层区域表面各层叠有一共晶键合层，每一反光层区域表面的共晶键合层均分别和第二基板的至少一个所述通孔位置对应。
2.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述第一基板其凹孔的数量为至少两个；和/或，所述第一基板和所述第二基板为硅基板；和/或，第二基板其通孔内填充的金属为Cu。
3.根据权利要求2所述的衬底，其特征在于，第一基板其位于相邻凹孔之间的表面开设有用于限制在第一基板表面制备透镜时所用的硅胶的流动范围的凹槽。
4.一种LED封装器件，其特征在于，包括衬底、LED芯片、荧光层、基透镜和二次透镜
所述衬底包括第一基板和第二基板，所述第一基板其上开设有贯通的凹孔，所述凹孔其侧壁为斜面，且凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度，凹孔侧壁层叠有一反光层；第二基板顶部和第一基板底部粘结，第二基板其和第一基板的凹孔位置对应的表面开设有至少两个通孔，且通孔内填充有金属，所述第二基板其顶部表面层叠有反光层，第二基板其反光层和第一基板的凹孔位置对应的反光层部分分离为两个反光层区域，且每个反光层区域表面各层叠有一共晶键合层，每一反光层区域表面的共晶键合层均分别和第二基板的至少一个所述通孔位置对应；
所述LED芯片设于衬底的第一基板的凹孔内，且所述LED芯片和位于同一凹孔所在区域内的两个共晶键合层相连接；
所述荧光层填充于衬底的第一基板的凹孔内，且包覆所述LED芯片；
所述基透镜设于衬底的第一基板顶部表面且至少覆盖所述凹孔；
所述二次透镜层叠于基透镜上表面。
5.根据权利要求4所述的LED封装器件，其特征在于，所述基透镜其高宽比为1:5～1:10；和/或，所述第一基板和所述第二基板为硅基板；和/或，第二基板其通孔内填充的金属为Cu。
6.根据权利要求4所述的LED封装器件，其特征在于，所述二次透镜其为半球透镜或大致呈半球透镜。
7.根据权利要求6所述的LED封装器件，其特征在于，所述二次透镜其在竖直方向上的投影至少覆盖所述凹孔所在的区域；和/或，所述二次透镜其半球直径所在的圆为凹孔的侧壁的外切圆。
8.一种LED封装器件的晶圆级封装方法，其特征在于，包括如下步骤，
1)第一基板的制作：准备一基板，通过化学腐蚀在基板上形成贯通的凹孔，且凹孔的侧壁呈斜面，凹孔底部开口的宽度小于凹孔顶部开口的宽度；在凹孔侧壁层叠一反光层；
2)第二基板的制作：准备一基板，在基板上开设至少两个盲孔，在盲孔内电镀填充金属；通过刻蚀基板表面使所述盲孔成为填充有金属的通孔；在基板顶部表面蒸镀反光层，在反光层上表面蒸镀共晶键合层；在共晶键合层、反光层上进行光刻以使它们均各自分离成至少两个部分，且每个部分均分别和至少一个所述通孔的位置相对应；
3)基板组装以获得衬底：将第一基板的底部和第二基板的顶部通过胶黏剂粘合获得衬底，该衬底其第二基板的两个分离的共晶键合层部分位于第一基板的同一凹孔所在的区域内；
4)共晶键合：将LED芯片置于第一基板的凹孔内，且通过共晶键合将LED芯片和位于凹孔区域内的两个分离的共晶键合层相连接；
5)荧光粉涂覆：将荧光粉和硅胶混合、脱泡，获得荧光胶，用点胶机将荧光胶点入第一基板的凹孔内，使其充满所述凹孔，经固化后获得荧光粉层；
6)基透镜制作：用点胶机将硅胶点于填充有荧光粉层的第一基板上表面，之后固化获得基透镜，所述基透镜至少覆盖第一基板的凹孔；
7)二次透镜制作：用点胶机将硅胶点于基透镜上表面，经固化获得层叠于基透镜上表面的二次透镜。
9.根据权利要求8所述的晶圆级封装方法，其特征在于，步骤1)中，所述第一基板其形成的凹孔的数量为至少两个；步骤3)中，将第一基板和第二基板粘合形成衬底后，还具有在第一基板其位于两个相邻凹孔之间的表面进行切割以形成用于限制在步骤6)时制备基透镜所用硅胶的流动范围的凹槽的操作。
10.根据权利要求8所述的晶圆级封装方法，其特征在于，凹孔其深度和LED芯片的厚度相比要高出150～250μm；和/或，制备第一、第二基板时所用的基板为硅基板；和/或，制备第二基板时，盲孔内填充的金属为Cu。
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