CN104851961A - 发光器件的芯片级封装方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种发光器件的芯片级封装方法，包括步骤：将至少一个倒装发光器件等距离排列在转换基膜上，所述倒装发光器件的主出光面背离所述转换基膜；在所述转换基膜上的倒装发光器件之间和/或周围形成围坝；分别在所述倒装发光器件和转换基膜上涂覆封装胶；待所述封装胶固化到无流动性时去除所述围坝；待所述封装胶完全固化后切割所述封装胶；去除所述转换基膜，倒膜后得到芯片级封装结构。本发明还公开了一种发光器件的芯片级封装结构。本发明在大大简化芯片的封装工艺步骤、节省芯片的支撑基板、降低成本及更加方便用户提高工作效率等方面具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，具体地，是涉及一种发光器件的芯片级封装方法及封装结构。
背景技术
从LED的封装形式的发展来看，早期以子弹头型封装体为主。随着市场的需求，不同形式的封装支架相继出现。例如，目前市场上最为普遍使用的表面黏着型(Suface-mount devices,SMD)及大功率的集成封装型等。
上述这些封装中使用的LED芯片基本上是正装结构，其封装过程涉及到了在支架中固晶、打线、点胶。然后以其为载体贴在灯具的载板上。从散热角度来看，从芯片、支架到灯具载板的系统热阻较大，影响LED的光效和光衰。
新型倒装结构LED(flip-chip LED)的出现，将倒装LED芯片的P,N电极焊盘直接焊接到灯具的载板上。这样，减小了正装结构LED中蓝宝石衬底引起的热阻，省去了支架、固晶焊料等，进一步降低了系统热阻，提高了LED的可靠性和大电流使用下的承载能力。从光学角度来看，这种封装，减小了传统封装架构中因反射杯对光的多次反射产生的光损耗，同时具有更大的发光角度，为LCD背光，灯具业提供了更大的弹性设计空间。因此，与正装芯片相比倒装芯片在大电流使用，减少生产环节和降低成本等方面具有明显优势。
目前倒装结构LED芯片的芯片级封装，一种方式是将LED芯片制作完成之后，倒装排列在尺寸较小的支撑基板(submount)上，接着覆盖封装胶或荧光粉胶，待胶固化之后切割切割成带有支撑基板的倒装结构LED芯片，即所谓芯片级封装(Chip Scale Package,CSP)，如Cree公司的美国专利US8232564B2中所披露的倒装LED芯片。这种封装方法需要额外的支撑基板，增加了制作流程和成本，同时也增加了热阻，不利于芯片散热；此外，支撑基板也增加了封装后芯片的体积，不利于实现产品小型化。
另一种方式是在倒装结构LED芯片的蓝宝石面及四个侧面涂覆封装胶或荧光胶，无支撑基板的芯片级封装，显然，其制程、成本、热阻等更优于前一种。
但是，如何实现无支撑基板而只对该发光器件进行封装，以及如何解决荧光胶或封装胶胶与蓝宝石衬底之间的粘附性等问题，而不影响芯片的可靠性，成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种发光器件的芯片级封装方法，包括：
将至少一个倒装发光器件等距离排列在转换基膜上，所述倒装发光器件的主出光面背离所述转换基膜，其中，所述转换基膜为表面具有一定粘度耐高温材料的转换基膜，用于粘附所述倒装发光器件；
在所述转换基膜上的倒装发光器件之间和/或周围形成围坝；
分别在所述倒装发光器件和转换基膜上涂覆封装胶，所述封装胶为光固化胶、热固化胶或热固化与光固化结合的封装胶中的一种；
待所述封装胶固化到无流动性时去除所述围坝；
待所述封装胶完全固化后切割所述封装胶；
去除所述转换基膜，倒膜后得到芯片级封装结构。
优选地，所述围坝的材料为塑料膜或光敏感型胶。
优选地，所述封装胶，进一步为，有机硅型封装胶或树脂型封装胶，其中，
当所述封装胶为有机硅型封装胶或树脂型封装胶时，所述转换基膜的粘度在1-100gf/25mm之间。
优选地，所述转换基膜为蓝膜、白膜或UV膜。
优选地，当所述转换基膜为UV膜时，所述转换基膜经紫外光照射后粘度在1-100gf/25mm之间。
优选地，所述倒装发光器件的主出光面覆盖一层连接所述封装胶与主出光面之间的介质膜。
优选地，所述介质膜的透射率大于等于70％，厚度在50nm至200nm之间，该介质膜由氧化物或氮化物组成。
优选地，所述切割所述封装胶后，所述倒装发光器件上方的封装胶厚度d＝(w-r)/2，其中，w为所述倒装发光器件之间的距离，r为切割刀宽度。
本发明还公开了一种应用上述任一所述的发光器件的芯片级封装方法制成的芯片级封装结构。
与现有技术相比，本申请所述的发光器件的芯片级封装方法及结构，达到了如下效果：
1)本发明采用塑料膜作为支撑和排列芯片的转换基膜，直接对芯片进行封装，大大简化芯片的封装工艺步骤，同时节省了将芯片转移到其他支撑基板所需材料成本，对于降低芯片封装成本具有重要意义，此外还解决了荧光胶或封装胶与蓝宝石衬底之间的粘附性的问题；
2)与现有技术相比，本发明省去了通常封装时要用的芯片支撑基板或支架，而只对该发光器件进行封装，降低了系统热阻，提高了发光器件的过载能力；
3)与现有技术相比不但简化了制程还使产品小型化，降低了成本，方便终端用户，提高了生产效率，并拓宽了应用范围；
4)由于设置了围坝，限制了封装胶的高度，切割后，在芯片级封装结构周围的封装胶厚度一致，以使得发光器件发出的光与经荧光粉转化后的光在各个方向上混光均匀，保证了色温均匀性。
本发明在大大简化芯片的封装工艺步骤、节省芯片的支撑基板、降低成本及更加方便用户提高工作效率等方面具有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例一和二所述的倒装发光器件阵列在转换基膜上的剖视图；
图2A和2B分别为实施例一所述的倒装发光器件阵列涂覆透明封装胶和混有发光转换材料的封装胶后的剖视图；
图3为实施例一所述的倒装发光器件阵列涂覆封装胶后的切割位置示意图；
图4为完成切割切割并去除转换基膜的芯片级封装结构剖视图；
图5为将所述芯片级封装结构倒装在支撑基板上的结构剖视图；
图6为本发明的实施例三所述的在芯片周围形成围坝的示意图；
图7A和7B分别为图6所示芯片和围坝的俯视图；
图8A和8B为周围具有围坝的倒装发光器件阵列上涂覆透明封装胶和混有发光转换材料的封装胶后的剖视图；
图9为实施例四中所述的在发光器件衬底上形成介质薄膜的示意图；
图10为实施例一所述的发光器件的芯片级封装方法流程图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例一：
如图10所示，为本实施例提供的一种发光器件的芯片级封装方法，用于不需要转换为白光的发光器件的封装，包括步骤：
步骤101：将至少一个倒装发光器件等距离排列在转换基膜上，所述倒装发光器件的主出光面背离所述转换基膜，其中，所述转换基膜的表面具有一定粘度而且耐高温，用于粘附所述倒装发光器件；本发明中的等距离是指多个倒装发光器件在x轴和y轴方向的排列距离均相等。这里的转换基膜至少需要耐150℃高温，具体依照转换基膜的性质而定。步骤102：在所述转换基膜上的倒装发光器件之间和/或周围形成围坝；步骤102中设置围坝的好处是有利于控制封装胶的厚度，在涂覆封装胶时，按照设置的围坝的高度来添加封装胶，涂胶更均匀。本发明中的倒装发光器件是处于某一波段的发光器件。
步骤103：分别在所述倒装发光器件和转换基膜上涂覆封装胶，所述封装胶为光固化封装胶、热固化封装胶或光固化与热固化结合的封装胶；
步骤104：待所述封装胶固化到无流动性时去除所述围坝；
步骤105：待所述封装胶固化，后切割所述封装胶；
步骤106：去除所述转换基膜，倒膜后得到芯片级结构。
本发明中的发光器件包含发光二极管(LED)在内的具有发光有源区的半导体器件，所述发光器件的主出光面上无需引出电极或引线。所述半导体器件发光波长不限于蓝光，还可以包括整个可见光波段、紫外和红外波段，或者由前述波段的光组成的混合光。本实施例以发光二极管为例说明本发明的芯片级封装方法和封装结构。
倒装结构的LED芯片(即倒装发光器件)包含衬底10、第一半导体层11、有源区12和第二半导体层13，第二电极14和第一电极15分别与第二半导体层13和第一半导体层11电连接。所述第一半导体层11和第二半导体层13的导电类型相反。第一电极15和第二电极14可以包含多层或单层，其中包含由反射率较高的导电材料层，如由Ag、Ru、Al等高反射率金属组成的导电层,或高透射导电膜与高反射多层介质膜组成的复合光学膜，本发明不对倒装发光器件的结构做具体限定，具体依实际情况而定。
优选地，所述转换基膜为蓝膜、白膜或UV膜。当所述转换基膜为UV膜时，所述转换基膜经紫外光照射后粘度在1-100gf/25mm之间，优选在20-80gf/25mm之间。
所述封装胶，进一步为，有机硅型封装胶或树脂型封装胶，其中，
当所述封装胶为有机硅型封装胶或树脂型封装胶时，所述转换基膜的粘度在1-100gf/25mm之间。
优选地，所述围坝的材料为塑料膜或光敏感型胶。本实施例中的所述围坝是网格状或方框形的塑料贴膜。这里围坝的高度等于切割后封装胶的高度，即围坝高度等于倒装发光器件之间的距离减去切割刀厚度后除以2，即围坝的高度在排列了倒装发光器件之后就可以计算出来的。
此外，还可在所述倒装发光器件的主出光面覆盖一层连接所述封装胶与主出光面之间的介质膜，用于提高封装胶与主出光面的粘附性，所述介质膜的透射率大于等于70％。
优选地，所述介质膜，进一步由氧化物或氮化物组成，这里所述的介质膜是与所述封装胶粘附性比较好的氧化物或氮化物。本实施例中介质膜为氧化硅的介质膜，厚度优选在50nm至200nm之间。
步骤103中，所述切割所述封装胶后，所述倒装发光器件上方的封装胶厚度d＝(w-r)/2，其中，w为所述倒装发光器件之间的距离，r为切割刀宽度，从图3中可以看到切割位置，切割后封装胶的厚度约等于切割分离后四周的厚度。由于本发明中的倒装发光器件在x轴和y轴方向上均是等距离排列，所以在x轴和y轴方向上w均一致。切割后，在芯片级封装结构周围的封装胶厚度一致，以使得LED芯片发出的光与经荧光粉转化后的光在各个方向上混光均匀，保证其色温均匀性。
本发明还提供一种应用上述任一的发光器件的芯片级封装方法制成的芯片级封装结构，图4中为根据上述方法后得到的芯片级封装结构剖视图，转换基膜30被从LED芯片表面分离后，暴露第一电极15和第二电极14的表面。图5为将图4中的芯片级封装结构倒装在支撑基板上的结构剖视图。将芯片级封装结构安装在电路板或支架70内，所述芯片级封装结构的第一电极15和第二电极14通过焊接、粘接等方式与电路板或支架70上对应的电极焊盘71和72固定并电连接。
实施例二：
在实施例一的基础上，结合图1至图5以及图10对本发明进行详细说明：
倒装结构的LED芯片包含衬底10、第一半导体层11、有源区12和第二半导体层13，第二电极14和第一电极15分别与第二半导体层13和第一半导体层11电连接。所述第一半导体层11和第二半导体层13的导电类型相反。第一电极15和第二电极14可以包含多层或单层，其中包含由反射率较高的导电材料层，如由Ag、Ru、Al等高反射率金属组成的导电层,或高透射导电膜与高反射多层介质膜组成的复合光学膜。
多个倒装LED结构LED芯片1、2、3以一定的间隔20排列在起着过渡作用的转换基膜30上，图1中仅示出了三个倒装结构LED芯片，事实上可以是任意个，例如为了提高产率和降低成本，LED芯片1、2、3可以排满整个转换基膜30。所述转换基膜30可以是表面有粘性塑料膜，即用于进行芯片倒膜的蓝膜、白膜，或者UV膜；所述转换基膜30具有如下特性：粘度适中，抗高温，在180度下数分钟不起皱；厚度为几十微米或大于100微米的膜厚；所述转换基膜30易实现芯片的倒膜，即芯片容易被翻转到另一粘度更高的蓝膜或白膜上；所述转换基膜30在其有粘性的一面涂覆上混有荧光粉的封装胶(简称荧光胶)后，荧光胶可以固化。当然这里的转换基膜30也可以是一种具有上述特性的经过紫外光照射后粘度适度的高温紫外膜，本发明不做具体限定。
如图2A和2B所示，在转换基膜30和LED芯片1、2、3上涂覆封装胶50，或涂覆混合有某波段光的转换材料55的封装胶50。封装胶可以是光固化或热固化的高光学性能及物理性能胶，可以是有机硅型或树脂型。当采用有机硅型封装胶时，上述转换基膜30的粘度在1-100gf/25mm之间；若转换基膜30采用UV膜，则该膜经UV照射后粘度在1-100gf/25mm之间，优选在20-80gf/25mm之间。当采用树脂型封装胶时，转换基膜30的粘度也在1-100gf/25mm之间。有机硅型封装胶的固化性能会受到转换基膜30上的粘附层的影响，即被所述粘附层“毒化”后难于固化。因此，对转换基膜30有上述要求。总之，本发明中所述转换基膜的组分和粘性材料的量不会导致封装胶无法固化。
本发明采用塑料膜作为支撑和排列芯片的转换基膜，直接对芯片进行封装，大大简化芯片的封装工艺步骤，同时节省了将芯片转移到其他支撑基板所需材料成本，对于降低芯片封装成本具有重要意义。
待固化后沿着图3所示的箭头方向切割切割。封装胶50在LED芯片1、2、3上方的厚度D与切割分离后其四周的厚度(约(w-r)/2)大致相当，以使得LED芯片1-3发出的光与经荧光粉55转化后的光在各个方向上混光均匀，保证其色温均匀性，w为LED芯片1至3在转换基膜30上沿着x和y方向的摆放间距，r为切割刀的厚度。色温的控制依胶和荧光粉的配比和最终封装胶的厚度来确定，这里不做具体限定。
所采用的封装胶50，在转换基膜30上固化后具有合适的硬度，硬度不低于70shore，易于利用机械方法切割，不崩边并具有目前通用LED封装胶的品质要求。此外，这里的封装胶尤其要具有焊锡耐热性，所涂胶膜无剥离。
应用上述方法得到了芯片级封装结构，图4为封装好后完成切割分离的芯片级封装结构。所述转换基膜30被从LED芯片1、2、3表面分离，暴露第一电极15和第二电极14的表面。
如图5所示，将芯片级封装结构安装在电路板或支架70内，所述芯片级封装结构的第一电极15和第二电极14通过焊接、粘接等方式与电路板或支架70上对应的电极焊盘71和72固定并电连接。
实施例三：
在实施例一和二的基础上，结合图6至图8B，提供了另一个实施例：
如图6所示，在实施例二的基础上，在所述转换基膜上的倒装发光器件之间和/或周围形成围坝。
具体地：在多个倒装LED结构LED芯片1、2、3以一定的间隔20排列在转换基膜30上之后，在LED芯片1-3的周围形成“围坝”80。围坝80可以采用贴膜方式或其它形成，可以是一个只分布在所有芯片或部分芯片周围的大的围坝80(如图7A所示)也可是多个网格状(如图7B所示)结构，但要求围坝80高度均匀一致。
将调配好的封装胶50在围坝内均匀涂敷，并保证无气泡。通过所述围坝80将涂覆在LED芯片1-3上方和周围的封装胶50分隔开来。围坝80的高度超过LED芯片1的厚度，使得采用封装胶50封装LED芯片1时，覆盖在LED芯片1上方的封装胶厚度与侧壁的厚度相当，如图8A所示，以使得整个芯片沿各个发光面发出的光色温和/或亮度均匀。胶的固化采用热固化和紫外光固化相结合的方式，保证固化后具有一定的硬度和韧性，便于切割。
如图8B所示，所述封装胶50中可以混有波长转换材料55，如荧光粉。
封装胶50适度固化后去除围坝80，再依封装胶50的硬度和韧性二次调整固化条件，之后进行倒膜，切割，形成单个的芯片级封装结构。
采用围坝80要避免封装胶侵入芯片与转换基膜之间，沾污芯片表面的电极层。
实施例四：
在实施例一至实施例三中提供的芯片级封装方法的基础上，本实施例中为增加封装胶50与所述衬底10表面的粘附性，进一步在衬底10的表面先形成一层对可见光有高透射率的介质薄膜16，如图9所示。所述介质薄膜16由氧化硅等组成，与封装胶50和衬底10都有良好的粘附性。所述介质薄膜16的厚度保证其对可见光具有至少70％以上的透射率，优选在90％以上。厚度在几到几微米之间，优选在50nm-200nm之内。所述介质薄膜16可以是单层膜，也可以是多层膜，可以通过气相沉积、溅射或旋涂等方式形成。
与现有技术相比，本发明所述的发光器件的芯片级封装方法及结构，达到了如下效果：
1)本发明采用塑料膜作为支撑和排列芯片的转换基膜，直接对芯片进行封装，大大简化芯片的封装工艺步骤，同时节省了将芯片转移到其他支撑基板所需材料成本，对于降低芯片封装成本具有重要意义，此外还解决了荧光胶或封装胶与蓝宝石衬底之间的粘附性的问题；
2)与现有技术相比，本发明省去了通常封装时要用的芯片支撑基板或支架，而只对该发光器件进行封装，降低了系统热阻；
3)与现有技术相比不但简化了制程还使产品小型化，降低了成本，方便终端用户，提高了生产效率，并拓宽了应用范围；
4)由于设置了围坝，限制了封装胶的高度，切割后，在芯片级封装结构周围的封装胶厚度一致，以使得LED芯片发出的光与经荧光粉转化后的光在各个方向上混光均匀，保证了色温均匀性。
由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，包括：
将至少一个倒装发光器件等距离排列在转换基膜上，所述倒装发光器件的主出光面背离所述转换基膜，其中，所述转换基膜的表面具有一定粘度而且耐高温，用于粘附所述倒装发光器件；
在所述转换基膜上的倒装发光器件之间和/或周围形成围坝；
分别在所述倒装发光器件和转换基膜上涂覆封装胶，所述封装胶为光固化胶、热固化胶或热固化与光固化结合的封装胶中的一种；
待所述封装胶固化到无流动性时去除所述围坝；
待所述封装胶完全固化后切割所述封装胶；
去除所述转换基膜，倒膜后得到芯片级封装结构。
2.根据权利要求1所述的发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述围坝的材料为塑料膜或光敏感型胶。
3.根据权利要求1所述的发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述封装胶，进一步为，有机硅型封装胶或树脂型封装胶，其中，
当所述封装胶为有机硅型封装胶或树脂型封装胶时，所述转换基膜的粘度在1-100gf/25mm之间。
4.根据权利要求1所述的发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述转换基膜为蓝膜、白膜或UV膜。
5.根据权利要求4所述的发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，当所述转换基膜为UV膜时，所述转换基膜经紫外光照射后粘度在1-100gf/25mm之间。
6.根据权利要求1所述发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述倒装发光器件的主出光面覆盖一层连接所述封装胶与主出光面之间的介质膜。
7.根据权利要求6所述发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述介质膜的透射率大于等于70％，厚度在50nm至200nm之间，该介质膜由氧化物或氮化物组成。
8.根据权利要求1所述发光器件的芯片级封装方法，其特征在于，所述切割所述封装胶后，所述倒装发光器件上方的封装胶厚度d＝(w-r)/2，其中，w为所述倒装发光器件之间的距离，r为切割刀宽度。
9.一种应用权利要求1至8中任一所述的发光器件的芯片级封装方法制成的芯片级封装结构。
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