CN105378949A - 具有圆顶的芯片级发光器件封装 - Google Patents

具有圆顶的芯片级发光器件封装 Download PDF

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Abstract

发光器件（LED）被制造在具有提供对每个LED的结构支承的一个或多个厚金属层的晶圆基板上。在个体LED之间的芯片间隔或小道不包括这个金属，且晶圆可容易被切片/切割成分割的自支承LED。因为这些器件是自支承的，单独的支承底座是不要求的。在分割之前，可在晶圆级应用另外的工艺；在分割之后，这些自支承LED可被拾取并放置在中间基板上用于如所要求的进一步处理。在本发明的实施例中，在晶圆级处或当发光器件位于中间基板上时在发光器件之上形成保护性光学圆顶。

Description

具有圆顶的芯片级发光器件封装
技术领域
本发明涉及发光器件的领域，且特别是涉及用于生产具有光学圆顶的芯片级发光器件的方法。
背景技术
薄膜发光器件（包括薄膜倒装芯片器件）照惯例被测试、分割（切割）、然后一般经由拾取和放置工艺被附着到底座，拾取和放置工艺将数百个发光裸片附着到底座。底座提供支承个体的发光裸片所需的结构和允许外部电源耦合到发光裸片的电路。底座也允许随后的工艺（例如层压和封装）同时应用于在底座上的所有器件，明显减小制造成本。在这样的处理之后，具有完成的发光器件的底座随后被切片/切割（“分割”）以产生可放置在灯中、附着到印刷电路板等的个体发光器件。
然而，在底座上的发光器件的分割被底座所提供的结构支承阻碍。切片装置必须能够切穿底座，且足够厚和/或坚硬以通过层压工艺在结构上支承一组发光器件的底座比非结构基板更难以切片。
发明内容
提供完成的发光器件而不要求必须被切片的结构上支承底座将是有利的。
为了更好地处理这些忧虑中的一个或多个，在本发明的实施例中，LED被制造在具有向每个LED提供结构支承的一个或多个厚金属层的晶圆基板上。在个体LED之间的芯片间隔或小道不包括这个金属，且晶圆可容易被切片/切割成分割的自支承LED。因为这些器件是自支承的，单独的支承底座是不要求的。在分割之前，可在晶圆级应用另外的工艺；在分割之后，这些自支承LED可被拾取和放置在中间基板上用于如所要求的进一步处理。在本发明的实施方式中，在晶圆级处或在发光器件位于中间基板上的同时，在发光器件之上形成保护性光学圆顶。
附图说明
更详细地且作为例子参考附图解释本发明，其中：
图1A-1E图示自支承发光器件的示例制造。
图2A-2B图示在晶圆级处的自支承发光器件的示例封装。
图3A-3E图示位于中间基板上的自支承发光器件的示例封装。
图4A-4F图示用于形成自支承发光器件的封装的示例模塑过程。
图5图示用于制造封装的自支承发光器件的示例流程图。
在全部附图中，相同的参考数字指示相似或对应的特征或功能。附图为了说明性目的被包括且并不意欲限制本发明的范围。
具体实施方式
在下面的描述中，为了解释而不是限制的目的，阐述了特定的细节，例如特定的体系结构、接口、技术等，以便提供对本发明的概念的彻底理解。然而对本领域中的技术人员将明显，可在偏离这些特定细节的其它实施例中实践本发明。以相似的方式，本描述的文本针对如在附图中图示的示例实施例，且并不意欲在权利要求中明确包括的限制之外限制所主张的发明。为了简单和清楚的目的，公知的器件、电路和方法的详细描述被省略以便不以不必要的细节使本发明的描述模糊。
图1A-1E图示自支承发光器件的示例制造，如在AlexanderNickel、JimLei、AnneliMunkholm、GrigoriyBasin、SalAkram和StefanoSchiaffino的2011年12月8日提交的并通过引用被全部并入本文的共同未决的美国专利申请61/568297“FORMINGTHICKMETALLAYERSONASEMICONDUCTORLIGHTEMITTINGDEVICE”（代理档案号2011P00972）中公开的。
如图1A所示，发光结构20在基板40上形成。基板40可以是晶圆，其上形成数百或数千个发光结构。发光结构20可包括例如夹在n型区和p型区之间的有源层，且基板40可由蓝宝石、SiC、Si、GaN或复合基板组成。金属焊盘84和86提供到n型和p型区的电接触，并由间隙89分离，间隙89可填充有绝缘材料，例如电介质、硅的氧化物或氮化物、空气或周围气体。可使用在本领域中常见的各种技术中的任一种形成具有附随的焊盘84和86的发光结构20。
在本发明的实施例中，厚金属层在焊盘84、86之上形成。为了便于这些厚金属层的形成，两个基层22、24可在焊盘84、86之上形成。基层22可以是导电粘附层，并可包括例如Ti、W和合金（例如TiW）。基层24可以是种晶层，其上可形成厚金属层。例如，如果厚金属层通过铜镀形成，则种晶层24可以是铜。
基层22、24可被形成以覆盖半导体器件的晶圆的整个表面，并随后被蚀刻以使焊盘电隔离，或它们可被图案化以隔离发光结构20的区，如下面进一步详述的。
可在选定图案中施加可移除的材料26例如光致抗蚀剂以提供不同的区，其上形成厚金属层。如所示，可移除的材料可与在焊盘84、86之间的间隙89重合。这个可移除的材料也可放置在个体的发光结构20之间的区（“芯片间隔”或“小道”）中。
在图1B中，厚金属层28、30可在由可移除的材料26所界定的区中形成；如所示，金属层28在焊盘86之上，且金属层30在焊盘84之上。这些层28、30的厚度可以在一些实施例中大于50微米且在一些实施例中大于100微米。
其它技术可用于形成厚金属元件以支承发光结构20并向这些结构的每个焊盘84、86提供导电性。在2012年6月7日提交的并通过引用并入本文的JipuLei、StefanoSchiaffino、AlexanderNickel、MooiGuanNg、GrigoriyBasin和SalAkram的共同未决的美国专利申请61/656691“CHIPSCALELIGHTEMITTINGDEVICEWITHMETALPILLARSINAMOLDINGCOMPOUNDFORMEDATWAFERLEVEL”（代理档案号2012PF00450）中公开了在焊盘84、86上的多个柱的创建和将这些柱嵌在模塑复合物中。柱提供机械支承和导电性，同时模复合物防止在柱结构中的扭曲。
导电基层22、24将这些厚金属层28、30分别电耦合到焊盘84和86。可选地，基层22、24中的任一个或两个可直接耦合到发光元件20，提供作为连接器焊盘和基/种晶层的双重角色；类似地，焊盘84和86可包括种晶材料，消除了对基层22、24的需要。
在这个示例实施例中，导电基层22、24越过整个晶圆40延伸，并因此创建在所有发光元件的所有焊盘84、86当中的导电路径。
在图1C中，可移除的材料26被移除，暴露在焊盘84、86之间的区中和在晶圆上的器件之间的芯片间隔中的基层22、24。可通过常规蚀刻来移除基层22、24的被暴露区，在焊盘86、84的顶上产生电隔离的厚金属区28、30。
本领域中的技术人员将认识到，如果导电基层22、24被图案化以只位于焊盘84、86的顶上，则移除和蚀刻过程不需要被执行。同样，图案化导电基层22、24可允许在发光元件的组内的连接。
在图1D中，如果材料26被移除，则电绝缘材料33可在晶圆之上形成，提供在厚金属区28、30之间和在晶圆上的个体发光器件之间的支承。这个材料33可以是反射性的，以减小可指向这个材料的光的吸收。这个材料33可被施加在晶圆的整个表面之上，然后使用常规技术（例如微珠喷砂、飞切、用刀片切割或化学机械抛光）被刨平或蚀刻以暴露金属区28、30。如果层22、24被图案化且材料26不需要被移除，则材料26形成所示材料33。
如在图1D中所示的，金属接触焊盘36、38可在厚金属层28、30上形成以例如通过回流焊接促进到结构（例如PC板）的连接。接触焊盘36和38可以例如是金微凸块或焊料，并可通过任何适当的技术（包括例如电镀或丝网印刷）来形成。
基板40可被移除，暴露发光结构20的表面，当器件100经由焊盘36、38被外部供电时，光将从该表面被发射。将发光结构20的发光表面粗糙化以增强光的提取，从而提高光输出效率。在替代方案中，基板40对由发光结构20发射的光可以是透明的，并可保持在适当的位置上。基板40可包括便于将光从发光结构20提取到基板40内的特征；例如基板40可以是图案化蓝宝石基板（PSS），其上生长发光结构20。
如图1E所示，可使用例如激光划线和切割来分割个体的器件100。特别值得注意的是，因为厚金属区28、30不延伸到在器件100之间的芯片间隔内，可使用常规半导体切割技术。
当基板40被移除时，每个个体器件100将具有足够的结构整体性以是自支承的用于随后的工艺，且特别是在利用保护性光学材料（例如透明圆顶）的器件100的封装期间是自支承的，如在图2A-2B、图3A-3E和图4A-4E中图示的。
图2A-2B图示在晶圆级处的自支承发光器件的示例封装。在这些和随后的图中，发光元件20、厚金属层28、30、绝缘材料33和焊盘84、86的每个自支承结构被提及为发光器件100。
图2A图示在发光器件100之上的半球形圆顶210的示例形成，同时这些器件100在晶圆级处；也就是说，在同时形成的发光元件20之前，而厚金属层28、30彼此分离。这些圆顶210意欲提供对发光器件的保护以及由发光器件100产生的光到在每个圆顶210之外的区的光学耦合。在一些实施例中，使用透明环氧树脂、硅树脂、玻璃或提供在发光器件和在圆顶210外部的区之间的光学耦合的其它材料来形成圆顶。在一些实施例中，包括圆顶210的材料包括将从发光器件100发射的一些或所有光转换成不同的波长（颜色）的一种或多种波长转换材料，例如磷光体。在其它实施例中，在形成圆顶210之前，可在发光元件20上形成一层波长转换材料。圆顶210也可包括提供不同的光学或其它功能（例如改变波长转换材料的表观颜色）的多层材料。
虽然这些圆顶210的形成很好地适合于在包括发光元件100的晶圆之上的透镜的“原位”模塑，其中圆顶210的材料以流体形式被应用，然后在模具内变硬，但是用于形成这些圆顶的其它技术是本领域中的技术人员可采用的。例如，相邻圆顶210的预先形成（预先模塑）的薄片可形成，并接着被对齐并粘附到包括发光元件100的晶圆。
在形成这些半球形圆顶210之后，可使用常规切片/切割技术（包括例如机械锯切或切割、激光切割等，取决于包括在发光元件20之间的绝缘材料33和沿着这些过道/小道的任何残留的模塑材料210的材料）沿着所指示的切割线220分割具有光学圆顶210的个体的发光器件100。
如上面提到的，因为提供支承的厚金属层28、30不在分离个体器件100的芯片间隔/小道内延伸，用于分割器件100的工艺和工具不经历当分割在结构上支承底座上的器件时常规工艺和工具经历的机械磨损和应力。
图2B图示封装发光器件100的圆顶的示例替代形状212。在这个例子中，圆顶212在剖面上是梯形的，且与图2A的半球形圆顶210比较将通常提供更准直的光输出。一般，圆顶212的剖面对应于截锥形透镜，虽然其它三维形状可提供梯形剖面，包括截顶金字塔等。用于形成圆顶212的工艺和材料类似于用于形成圆顶210的上述工艺和材料。
本领域中的技术人员将认识到，封装圆顶可具有各种形状中的任一个，每个具有不同的光学特性。例如，可在每个发光器件100之上模塑菲涅尔透镜以进一步准直从发光器件100输出的光。在一些实施例中，可在每个发光器件100之上形成指向侧面的透镜以提供实质上正交于器件100的发光表面的平面的光输出。本领域中的技术人员将认识到，可在发光器件100之上形成的圆顶的形成中实现各种光学效应中的任一个。
在一些应用中，在晶圆级处的每个发光元件100的光学封装的形成可能不是可行的。在一些应用中，使光学封装210、212与发光元件100的晶圆级组对齐所需的精度可超过发光器件生产者的能力或成本预期。在其它应用中，期望光输出特性可能在与晶圆上的每个发光器件100相关的有限区域中是不可实现的。
在这样的应用等中，对于封装光学圆顶的形成提供每器件更多面积可能是合乎需要的。相应地，自支承器件100可从晶圆分割，然后放置在提供额外的区域的中间基板上。
图3A-3E示出位于中间基板301例如常规切割带上的自支承发光器件100的示例封装。
在图3A的例子中，封装每个发光器件100的圆顶310是连续成形的膜的部分，例如在基板301上的多个器件100的同时大规模模塑的结果或在基板301上的多个器件100上的成形元件310的预先形成的薄片的应用。替代地，器件100可位于可移动基板301上，适当地间隔开以便于在每个发光器件周围形成元件310，并以装配线方式穿过封装装置。这样的装置可为每个器件100应用快速固化悬浮液的模塑作为光学元件310，或为每个器件100固定预先形成的圆顶作为光学元件310。
在一些实施例中，为了提高封装的器件100的光输出效率，反射层330可被施加到每个圆顶310的底表面。这个反射层330将否则将穿过圆顶的底部逸出的任何光反射回到期望光输出表面（在这个例子中的圆顶310的上半球形表面）。
如同圆顶210一样，圆顶310（和随后描述的圆顶312-318及450）可包括处于各种形状（如上面详述的）的任一个的各种材料中的任一种。
图3B-3E图示可在器件100之上被形成为圆顶的各种形状。虽然被示为单一元件，在器件100之上的特定形状的形成优选地在器件100在中间基板301（未在图3B-3E中示出）上的同时出现。
图3B图示通常与截锥形状相关的圆顶312的梯形剖面。如所示，反射层330在器件100之外的悬垂表面周围延伸。
图3C图示通常与光学封装的圆柱形状或立方形状相关的圆顶314的矩形剖面。
图3D图示圆顶316的“截顶子弹”剖面，其可对应于具有朝着顶部减小的半径的圆柱形状或具有圆形上角或边缘的立方形状。
图3C和3D的剖面的优点是，它们提供扁平垂直段314A和316A，其便于在印刷电路板或器件100附着于的其它类型的固定装置上的器件100的随后操纵、放置和对齐。
本领域中的技术人员将认识到，封装圆顶的形状实质上对本发明的原理不重要，且取决于封装器件100的预期应用。例如，图3E图示特征形状的组合以实现特定的优点。如上面提到的，扁平垂直表面318A便于封装器件100的操纵、放置和对齐，且通常与截锥形状相关的梯形剖面318B比通常半球形剖面提供更准直的光输出。
图4A-4E图示用于形成安装在中间基板上的自支承发光器件100的封装的示例模塑工艺，中间基板形成与上模具420匹配的下模具410，上模具420形成在每个发光器件100之上的光学元件。
如图4A所示，模具410包括槽415，自支承器件100可放置在槽415内。优选地，器件100可在位于晶圆上的同时被测试，且只有正确运行的器件100将放置到模具410的槽415内。因为槽415被成形为接受器件100且器件100当放置在这些槽415内时是自支承的，所以不需要将器件100粘附到模具410或以其它方式支承器件在槽415中的这个放置，从而避免将器件附着到模具410和从模具410分离器件100的成本。
对应的模具420与模具410对齐，并被成形为允许特别成形的封装光学元件（在这种情况下是具有半球形剖面的元件（在图4B-4E中的450））的形成。在形成封装光学元件的材料（图4B的450）被放置在基板410和模具420之间的空间内之前或之后，将模具420耦合到模具410。在下文中，使用常规技术来固化/凝固封装材料450。
可选地，如果反射涂层将被施加到封装材料450的底表面且在封装材料凝固之后，模具410可被移除，如在图4B中所示的，暴露封装材料450的底表面。如在图4C中所示的，模具410或类似的模具可被涂覆有发粘的反射涂层，然后重新插入在发光器件100之间留下的间隙内，以用这个反射涂层460涂覆材料450的底表面，如在图4D中所示的。模具410被适当地涂覆或以其它方式制备以确保反射涂层460从模具410释放，保留在材料450的底表面上。
在图4E处，模具410、420可被移除（在图4B或图4D中所示的步骤之后，取决于反射涂层是否被施加到封装材料450的底表面）。移除模具410、420暴露由在发光器件100之间的模具410、420产生的区/芯片间隔/小道（在下文中“芯片间隔”）。可选地，根据用于分割发光器件100的技术，模具410可被维持在适当的地方，对分割工艺提供在这些芯片间隔中的支承表面。
各种技术中的任一种（包括机械锯切或切割、激光切割、蚀刻等）可用于分割/切割器件100。因为分割只需要切穿在芯片间隔中的任何残留的封装材料450和可选地施加的反射涂层460，在分割装置上的应力和磨损将是最小的。当分割后，提供具有可选的反射悬垂部分460的个体封装450的自支承器件100，如图4F所示。
图5图示用于制造封装的自支承发光器件的示例流程图。
在510，形成常规发光结构，在该结构的同一表面上具有N和P触头。
在这些N和P触头上，在530，形成厚金属层，在所形成的层之间具有绝缘材料。如果必要，在520，将种晶层施加到N和P触头以便于厚金属层的形成。
厚金属层可包括任何导电材料和优选地呈现高导热率以耗散由发光结构产生的热的材料。适当的材料包括例如铜、镍、金、钯、镍铜合金或其它金属和合金。
在540，在这些厚金属柱上形成焊盘以便于到发光器件100的外部连接。根据用于形成厚金属层的材料，焊盘可以只是焊盘在金属层之间的前面提到的绝缘材料之外的延伸部分，或它们可以是被选择来满足特定的要求（例如提供非氧化材料的要求）的材料（例如金）作为外部触头。每个焊盘可占据比对应的厚金属层的表面积更大或更小的表面积，取决于对器件的特定应用的尺寸要求。
如果器件的期望封装超过在晶圆级处可获得的尺寸，器件在550被分割并放置在中间基板上。
在560，器件在处于晶圆上或在中间基板上的同时被封装。在封装之后，器件在570被分割，如上面详述的。特别值得注意的是，不考虑封装是否发生在晶圆或中间基板上，这个分割并不要求穿过支承底座的切片/切割，从而实质上减小在用于执行分割的装置上的应力和磨损。
虽然在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，这样的图示和描述应被考虑为说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
例如，可能在实施例中操作本发明，其中封装包括在中间基板上的一组发光器件之上的预先形成的薄片的施加，其中这组发光器件基于常见的发光特性被选择，且预先形成的薄片基于这个常见的发光特性被选择。HaryantoChandra的2008年7月3日发布的并通过引用并入本文的美国专利7344952“LaminatingEncapsulantFilmContainingPhosphorOverLEDs”公开了用于将磷光体膜层压到底座上的一组发光器件的技术。预先形成具有变化的波长转换属性的各种磷光体膜。发光裸片被测试并基于它们的光输出特性被分类（“放入箱中”），且具有类似特性的裸片附着到底座。在下文中，选择特定的磷光体膜以被应用到在底座上的具有类似特性的裸片，使得发光裸片的特定光发射和选定磷光体膜的波长转换的组合提供期望复合光输出。通过使一组类似地运转的光发射裸片与基于该组的特定特性选择的磷光体复合物成对，复合光输出的变化实质上减小了。
此外，虽然示例实施例示出在每个N和P触头之上的单个厚金属层，本领域中的技术人员将认识到这个厚金属层可包括多个个体的厚金属柱，以及可形成不耦合到N和P触头的其它厚金属层，如在JipuLei等人的上面一弄的共同未决的申请中公开的那样。
从附图、本公开和所附权利要求的研究中，对所公开的实施例的其它变型可被本领域中的技术人员在实践所主张的发明时理解和实现。在权利要求中，词“包括”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一种”并不排除复数。某些措施在相互不同的从属权利要求中被叙述的简单事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。在权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在第一基板上形成多个自支承发光器件，每个自支承发光器件包括具有至少50微米的厚度的厚金属层以提供这个自支承，
移除所述第一基板，
封装所述多个自支承发光器件以形成多个封装的自支承发光器件，以及
分割所述多个封装的自支承发光器件以提供个体封装的自支承发光器件。
2.如权利要求1所述的方法，包括在封装之前分割所述多个自支承发光器件以及将所述多个自支承发光元件放置在中间基板上，以及在提供所述多个个体封装的自支承发光器件之前移除所述中间基板。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述中间基板包括切片/锯切带。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述中间基板包括用于接纳所述自支承发光器件的槽。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述多个自支承发光器件的放置包括基于公共发光特性来选择所述多个自支承发光器件。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述封装包括基于所述公共发光特性选择预先形成的薄片，以及将所述预先形成的薄片施加在所述多个自支承发光器件之上。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述封装包括在每个自支承器件之上形成环氧树脂、硅树脂和玻璃中的至少一个的封装结构。
8.如权利要求7所述的方法，包括提供在所述自支承发光器件和所述封装结构之间的波长转换材料层。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述封装包括形成包括在每个自支承发光器件之上的波长转换材料的结构。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述封装包括将所述预先形成的薄片施加在所述多个自支承发光器件之上。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述多个自支承发光器件的所述封装包括形成多个半球形圆顶。
12.一种发光器件，包括：
发光结构，其包括在n型层和p型层之间的有源层并包括发光表面；
电耦合到所述n型层的至少第一焊盘和电连接到所述p型层的第二焊盘；
厚金属层，其构建在所述第一焊盘和第二焊盘上；以及
光学结构，其封装所述发光结构；
其中所述厚金属层具有至少50微米的厚度。
13.如权利要求12所述的发光器件，其中所述光学结构包括半球形剖面。
14.如权利要求12所述的发光器件，其中所述光学结构包括梯形剖面。
15.如权利要求12所述的发光器件，其中所述光学结构包括准直器。
16.如权利要求12所述的发光器件，其中在所述发光结构的范围之外的所述光学结构的表面包括反射涂层。
17.如权利要求12所述的发光器件，其中所述光学结构包括波长转换材料。
18.如权利要求12所述的发光器件，其中所述光学结构包括在垂直于所述发光表面的平面的平面中的扁平外表面。
19.如权利要求12所述的发光器件，包括在所述发光结构和所述光学结构之间的波长转换材料层。
20.如权利要求19所述的发光器件，其中所述波长转换材料层是预先形成的层压材料。
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