CN106252471A - 一种多i/o倒装led芯片阵列凸点封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，包括倒装LED芯片的电极的阵列凸点，电极的阵列凸点最小单元为2Pin×2Pin阵列，成四角或三角形分布。阵列凸点包括铺设于芯片功能层表面的钝化层、覆盖电极窗口并嵌入电极窗口内和铺设于芯片功能层上的金属化层、铺设于芯片表面钝化层上并包围金属化层形成预留有阻焊窗口的阻焊层图形、于阻焊窗口内填充嵌有高于阻焊窗口的阵列焊料凸点。该封装结构保证回流过程中形成一个稳定的平面结构，保证P/N结的均匀馈电、减少连接缺陷、降低接触电阻和热阻，提升了工艺稳定性和封装良品率，可实现多芯片、多组合的程序化驱动控制和多样化阵列芯片产品，后续封装工艺更简单、效率更高、成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED封装结构及其封装方法，尤其是一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构及其封装方法。
背景技术
由于照明用LED电流密度及功率密度不断增加，传统的正装封装方式高热阻、电极电流分布不均匀、引线键合封装效率低等问题逐渐成为大功率LED发展和普及推广的瓶颈。随着倒装焊技术的推出，LED 芯片与线路板的连接可以省去了金线键合而采用焊料或导电胶封装，被称为“无金线封装”，也叫做“免封装”。中国发明专利CN1787242中公开了一种倒装LED芯片的封装方法，利用厚Cu及Au凸点把倒装焊芯片与Al印刷电路板直接焊接键合，这种双凸点结构的倒装LED共面性差，影响了键合的稳定性和键合质量；Cu作为凸点无法抵挡无铅锡基焊料（高锡焊料）的浸蚀，连接可靠性大幅度降低；采用纯金作为凸点材料，使得凸点制备成本明显升高。近年来，工业界普遍采用Au80Sn20的共晶金基焊料代替纯Au作为倒装封装的连接材料。但金锡合金共晶熔点高，不适用于塑封结构；必须采用热压焊接而不能采用普通的回流焊，从而导致封装工艺复杂，封装成本仍然很高。此外，传统的LED芯片只有一个P-N结和两个电极，使得单颗LED芯片上不能仅仅植入两个焊料凸点而失去固晶的共面稳定性，也不能实现多个P-N结的多I/O LED芯片阵列。
随着LED器件功率的不断增加，多芯片、多管脚的LED集成电路发光器件已经成为新一代LED器件的发展方向，其最佳的结构形式就是多I/O阵列形式的倒装LED芯片集成，并有望成为今后LED照明组件的基本发光器件。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中已有大功率LED及倒装LED中存在的缺点和不足，提供一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构，该多I/O倒装LED阵列凸点封装结构能实现倒装LED的大规模制造，将LED单芯片的倒装电极分解成LED芯片阵列凸点结构，最小单元为2Pin×2Pin阵列，有利于保证回流过程中形成一个稳定的平面结构，进一步降低贴装对准难度；将大的电极分割为小的多I/O阵列结构，可实现多芯片、多组合的程序化驱动控制，同时保证P/N结的均匀馈电、减少连接缺陷、降低接触电阻和热阻；提升了工艺稳定性和封装良品率，可实现多芯片、多组合的程序化驱动控制和多样化阵列芯片产品，后续封装工艺更简单、效率更高、成本更低，更适用于大规模工业生产。
本发明解决其技术问题所采用技术方案为：一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，单颗倒装LED芯片的电极为阵列凸点；所述的阵列凸点包括铺设于芯片功能层表面的钝化层、覆盖电极窗口并嵌入电极窗口内和铺设于芯片功能层上的金属化层、铺设于芯片表面金属化层上并包围金属化层形成预留有阻焊窗口的阻焊层图形、于阻焊窗口内填充嵌有高于阻焊窗口的阵列焊料凸点，金属化层位于阵列焊料凸点的下方。本发明采用蒸镀、电镀和化学镀方法制作三层以上的金属化层，并对金属化层的各层材料进行优化组合，进一步简化制备工艺、降低制备成本，提高焊盘耐受焊料或焊膏的溶（熔）蚀。金属化层能与阵列焊料凸点形成良好的冶金结合，扩散阻挡层能有效的防止多次回流及高温时效下焊料溶（熔）蚀。在金属化层上设置了阻焊窗口，该阻焊窗口可以在不减小电极面积的情况下约束阵列焊料凸点回流的区域，阻焊窗口能够约束阵列焊料凸点的形成，防止阵列焊料凸点回流时焊料外溢形成缺陷。阻焊窗口还能保证阵列焊料凸点在回流过程中形成较规则的、高度统一的半球形或椭球形，使得阵列焊料凸点的使用更加精确可控，有效阵列阻止焊料凸点的爬壁，避免因阵列焊料凸点的爬壁而导致的功能层失效或者漏电，提升了工艺稳定性和封装的良品率。
此方式是把单个LED倒装芯片的倒装电极分解成LED倒装芯片阵列（多个电极）凸点结构，该倒装LED芯片的电极的阵列凸点最小单元为2Pin×2Pin阵列；具有一个P/N节的倒装LED芯片的P电极分割为2个阵列凸点， N电极分割为2个阵列凸点，构成一个含有4个阵列凸点的阵列结构。或者是，具有一个P/N节的倒装LED芯片的一个电极分割为2个阵列凸点，另一个电极不分割形成1个阵列凸点，构成含有3个阵列凸点的阵列结构。该2Pin×2Pin阵列的LED倒装芯片是单个P/N结构成的一颗LED芯片，其P电极做成两个或多个并联（或串联）的阵列凸点，N电极也做成两个或多个并联（或串联）的阵列凸点。
又或者是，于具有二个P/N节的倒装LED芯片的2个P电极和2个N电极上均种植4个阵列焊料凸点构成4个I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构。 该阵列凸点于倒装LED芯片表面成四角或三角形分布。该2Pin×2Pin阵列的LED倒装芯片是两个独立的P/N结，四个电极分别植入阵列凸点构成2个分立的发光二极管，即每个P(或N)电极做成两个或多个并联（或串联）的阵列凸点；同理，该2Pin×2Pin阵列的倒装LED芯片也可以是三个或更多个独立的P/N结，每个P(或N)电极做成三个或多个并联（或串联）的阵列凸点构成三个或多个分立的发光二极管。
进一步的，所述的金属化层由Cr/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Ag/Ti/Pt（Au）组成多层金属复合结构；所述的金属化层表面还设有位于阻焊窗口底部的扩散阻挡层，扩散阻挡层由Ni（P）金属结构组成,扩散阻挡层的尺寸大于倒装LED芯片的电极尺寸。
进一步的，所述的阻焊窗口呈圆形或椭圆形，阻焊层图形的尺寸小于扩散阻挡层尺寸。在扩散阻挡层上印刷阻焊层图形。阻焊窗口呈圆形、椭圆形等，覆盖于扩散阻挡层表面边缘，阻焊窗口的中心部分露出阵列焊料凸点植入的焊盘位置。
进一步的，所述的阵列焊料凸点为含铅焊料或无铅锡基焊料或锡基焊料或铟基焊料或鉍基或金基焊料的任一种；所述的阵列焊料凸点呈圆球形或方形或椭圆球形。无铅锡基焊料如采用SAC305或SAC105，SAC0307等。该阵列凸点具有制备工艺简单、制备效率高、凸点一致性好的优点；本发明的焊料凸点的材质选用，其成本远低于Au80Sn20的焊料凸点材质。
另外，本发明还涉及一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构的封装方法，该封装方法的步骤为：
（1）在电极窗口表面采用蒸镀、电镀和化学镀的方法形成多层金属层结构的金属化层，然后在金属化层表面覆盖扩散阻挡层；
（2）再在扩散阻挡层表面外缘四周印刷制作阻焊层图形并形成阻焊窗口，阻焊窗口约束阵列焊料凸点的形成，防止阵列焊料凸点回流时焊料外溢形成缺陷；
（3）采用电喷印或印刷焊膏回流或激光焊球植入或电镀阵列焊料凸点的形成方法在阻焊窗口上形成阵列焊料凸点。
进一步的，该封装方法中的步骤（1）中的扩散阻挡层覆盖于金属化层表面上采用两种方式；当封装倒装LED芯片为小电流和小功率时，扩散阻挡层采用溅射或真空蒸镀方式设于金属化层上；当封装倒装LED芯片为大电流和大功率时，扩散阻挡层采用电镀或化学镀增厚的方式设于金属化层上。
另外，电极窗口的形成方式为：于芯片功能层及蓝宝石衬底顶面上采用蒸镀、电镀和化学镀的方法设置芯片表面钝化层，对应倒装LED芯片的电极位置不设置芯片表面钝化层形成电极窗口。
本发明的多I/O倒装LED阵列凸点封装结构的封装方式可以在后续的封装流程上根据所需的产品规格灵活的设计切割尺寸，而且还可以选择直接进行晶圆级封装（CSP），可以在倒装LED芯片上按需求裁切后直接进行荧光粉涂覆、阵列焊料凸点喷印及回流等工序。与传统热压工艺相比、该倒装LED芯片后续封装工艺更简单、效率更高、成本更低，更适用于大规模工业生产。
本发明的有益效果为：本发明的多I/O倒装LED阵列凸点封装结构能实现倒装LED的大规模制造，将LED单芯片的倒装电极分解成LED芯片阵列凸点结构，最小单元为2Pin×2Pin阵列，有利于保证回流过程中形成一个稳定的平面结构，进一步降低贴装对准难度；将大的电极分割为小的多I/O阵列结构，可实现多芯片、多组合的程序化驱动控制，同时保证P/N结的均匀馈电、减少连接缺陷、降低接触电阻和热阻；大规模倒装多I/O阵列凸点结构，有利于提升了工艺稳定性和封装良品率，后续封装工艺更简单、效率更高、成本更低，更适用于大规模工业生产。
附图说明
下面结合附图，并通过参考下面的详细描述，将更容易理解本发明并了解其优点和特征，附图用于说明本发明，而非限制本发明；表示结构的附图可能并非按比例绘制；并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号：
图1为本发明中的倒装LED芯片阵列的阵列凸点的封装结构剖面图；
图2为本发明实施例1的一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构的示意图；
图3为本发明实施例1的一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构的剖面图；
图4为本发明实施例2的一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构的示意图；
图5为本发明实施例3的一种多I/O倒装LED阵列凸点封装结构的示意图。
具体实施方式
图1是倒装LED芯片的阵列凸点封装结构剖面图，构成阵列的各个部分如图所示，包括芯片功能层及蓝宝石衬底1，铺设于倒装LED芯片功能层表面的钝化层2，覆盖电极窗口并嵌入电极窗口内和铺设于芯片功能层上的金属化层3、铺设于芯片表面钝化层上并包围金属化层形成预留有阻焊窗口的阻焊层图形4、于阻焊窗口内填充嵌有高于阻焊窗口的阵列焊料凸点5。本发明采用蒸镀、电镀和化学镀方法制作三层以上的金属化层，并对金属化层的各层材料进行优化组合，进一步简化制备工艺、降低制备成本，提高焊盘耐受焊料或焊膏的溶（熔）蚀。金属化层能与阵列焊料凸点形成良好的冶金结合，扩散阻挡层能有效的防止多次回流及高温时效下焊料溶（熔）蚀。在金属化层上设置了阻焊窗口，该阻焊窗口可以在不减小电极面积的情况下约束阵列焊料凸点回流的区域，阻焊窗口能够约束阵列焊料凸点的形成，防止阵列焊料凸点回流时焊料外溢形成缺陷。阻焊窗口还能保证阵列焊料凸点在回流过程中形成较规则的、高度统一的半球形或椭球形，使得阵列焊料凸点的使用更加精确可控，有效阵列阻止焊料凸点的爬壁，避免因阵列焊料凸点的爬壁而导致的功能层失效或者漏电，提升了工艺稳定性和封装的良品率。
该金属化层表面还设有位于阻焊窗口底部的扩散阻挡层。
该阵列凸点组成的单元为2Pin，该金属化层由Cr/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Ag/Ti/Pt（Au）组成多层金属复合结构，扩散阻挡层由Ni（P）金属结构组成，扩散阻挡层的尺寸大于倒装LED芯片基材的电极尺寸。
该阻焊窗口呈圆形或椭圆形，阻焊层尺寸小于扩散阻挡层尺寸。在扩散阻挡层上印刷阻焊层图形。阻焊窗口呈圆形、椭圆形等，覆盖于扩散阻挡层表面边缘，阻焊窗口的中心部分露出焊料凸点植入的焊盘位置。该阵列焊料凸点呈圆球形。
该阵列焊料凸点为含铅焊料或无铅锡基焊料或锡基焊料或铟基焊料或鉍基焊料的任一种。无铅锡基焊料如采用SAC305或SAC105，SAC0307等。该阵列凸点具有制备工艺简单、制备效率高、凸点一致性好的优点；本发明的阵列焊料凸点的材质选用，其成本远低于Au80Sn20的焊料凸点材质。
另外，本实施例1还涉及一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构的封装方法，该封装方法的步骤为：
（1）在电极窗口表面采用蒸镀、电镀和化学镀的方法形成多层金属层结构的金属化层，然后在金属化层表面覆盖扩散阻挡层；
（2）再在扩散阻挡层表面外缘四周印刷制作阻焊层图形并形成阻焊窗口，阻焊窗口约束阵列焊料凸点的形成，防止阵列焊料凸点回流时焊料外溢形成缺陷；
（3）采用电喷印或印刷焊膏回流或激光焊球植入或电镀阵列焊料凸点的形成方法在阻焊窗口上形成阵列焊料凸点。
实施例1
本实施例1是在图1的基础上进行改造的，不同点在于，本实施例2是采用单位为2Pin×2Pin的倒装LED芯片阵列凸点封装结构。具体如下：
如图2和图3所示，本实施例1中，倒装LED芯片阵列凸点封装结构一侧的2Pin是倒装LED芯片的P电极，另一侧的2Pin是倒装LED芯片的N电极，构成1个分立的发光二极管，将P电极分割为2个阵列凸点，而N电极分割为2个阵列凸点构成一个4个阵列凸点的阵列结构；或者只把倒装LED芯片的一个电极分割为2个阵列凸点，另一个电极不分割保留1个阵列凸点，构成含有3个阵列凸点的阵列结构。
如图2和图3所示，本实施例1中，倒装LED芯片阵列凸点封装结构也可是一侧的2Pin是倒装LED芯片的P电极，另一侧的2Pin是倒装LED芯片的N电极，构成2个分立的发光二极管，上面种植4个阵列焊料凸点构成多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构。图2和图3中的1是芯片功能层及蓝宝石衬底，2是芯片表面钝化层，3是金属化层，4是阻焊层图形， 5是阵列焊料凸点。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上进行改造的，不同点在于，本实施例2是采用单位为2Pin×4Pin的倒装LED芯片阵列凸点封装结构。具体如下：
如图4所示，倒装LED芯片阵列凸点封装结构采用单位为2Pin×4Pin（2个最小单元）。同一颗倒装LED芯片上（2个P/N节）形成如实施例1所述的6个或8个阵列焊料凸点的阵列凸点结构；或者一个P/N节均匀分布如实施例1所述的4个阵列焊料凸点，另外一个P/N节分布如实施例1所述的3个阵列焊料凸点，同一颗LED芯片上（2个P/N节）合并形成7个阵列焊料凸点的阵列凸点结构。
实施例3
本实施例3是在实施例1和2的基础上进行改造的，不同点在于：如图5所示，该实施例4为大规模多I/O倒装LED阵列凸点封装结构（多个最小单元），在整个晶圆上可制作成周期性重复的结构（最小单元为2Pin×2Pin），所有阵列焊料凸点（最小单元为4个阵列焊料凸点）大小一致均匀分布在金属化层上；或者一个最小单元上的N（或p）电极为1个大的阵列焊料凸点，P（或N）电极为2个小的阵列焊料凸点，所有阵列焊料凸点（最小单元为3个阵列焊料凸点）分布在金属化层上；或者是上述两种最小单元的任意组合。然后根据需要的阵列大小进行选择性切割和劈裂，形成所需大小的阵列结构。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，其特征在于，单颗倒装LED芯片的电极为阵列凸点；所述的阵列凸点包括铺设于芯片功能层表面的钝化层、覆盖电极窗口并嵌入电极窗口内和铺设于芯片功能层上的金属化层、铺设于金属化层上并包围金属化层形成预留有阻焊窗口的阻焊层图形、于阻焊窗口内填充嵌有高于阻焊窗口的阵列焊料凸点，金属化层位于阵列焊料凸点的下方。
2.根据权利要求1所述的多I/O倒装LED阵列凸点封装结构，其特征在于，倒装LED芯片的电极的阵列凸点最小单元为2Pin×2Pin阵列；具有一个P/N节的倒装LED芯片的P电极分割为2个阵列凸点， N电极分割为2个阵列凸点，构成一个含有4个阵列凸点的阵列结构。
3.根据权利要求1所述的多I/O倒装LED阵列凸点封装结构，其特征在于，倒装LED芯片的电极的阵列凸点最小单元为2Pin×2Pin阵列；具有一个P/N节的倒装LED芯片的一个电极分割为2个阵列凸点，另一个电极不分割形成1个阵列凸点，构成含有3个阵列凸点的阵列结构。
4.根据权利要求1所述的多I/O倒装LED阵列凸点封装结构，其特征在于，倒装LED芯片的电极的阵列凸点最小单元为2Pin×2Pin阵列；于具有二个P/N节的倒装LED芯片的2个P电极和2个N电极上均种植4个阵列焊料凸点构成4个I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，其特征在于，所述的阵列凸点于倒装LED芯片表面成四角或三角形分布。
6.根据权利要求5所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，其特征在于，所述的金属化层由Cr/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Al/Ti/Pt（Au）或Ni/Ag/Ti/Pt（Au）组成多层金属复合结构；所述的金属化层表面还设有位于阻焊窗口底部的扩散阻挡层，扩散阻挡层由Ni（P）金属结构组成,扩散阻挡层的尺寸大于倒装LED芯片的电极尺寸。
7.根据权利要求6所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，其特征在于，所述的阻焊窗口呈圆形或椭圆形，阻焊层图形的尺寸小于扩散阻挡层尺寸。
8.根据权利要求7所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构，其特征在于，所述的阵列焊料凸点为含铅焊料或无铅锡基焊料或锡基焊料或铟基焊料或鉍基或金基焊料的任一种；所述的阵列焊料凸点呈圆球形或方形或椭圆球形。
9.根据权利要求1的多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构的封装方法，其特征在于，该封装方法的步骤为：
（1）在电极窗口表面采用蒸镀、电镀和化学镀的方法形成多层金属层结构的金属化层，然后在金属化层表面覆盖扩散阻挡层；
（2）再在扩散阻挡层表面外缘四周印刷制作阻焊层图形并形成阻焊窗口，阻焊窗口约束阵列焊料凸点的形成，防止阵列焊料凸点回流时焊料外溢形成缺陷；
（3）采用电喷印或印刷焊膏回流或激光焊球植入或电镀阵列焊料凸点的形成方法在阻焊窗口上形成阵列焊料凸点。
10.根据权利要求9所述的一种多I/O倒装LED芯片阵列凸点封装结构的封装方法，其特征在于，步骤（1）中的扩散阻挡层覆盖于金属化层表面上采用两种方式；当封装倒装LED芯片为小电流和小功率时，扩散阻挡层采用溅射或真空蒸镀方式设于金属化层上；当封装倒装LED芯片为大电流和大功率时，扩散阻挡层采用电镀或化学镀增厚的方式设于金属化层上。
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