CN106410011A - 一种倒装芯片的3d打印封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：利用计算机设计LED器件的三维数字模型，对LED器件进行程序编排，并通过分层切片处理后，导入3D打印机，由计算机控制各层的打印；S2：用吸嘴吸附倒装芯片，固定在反射杯下；S3：3D打印焊料层和散热基板，所述的散热基板中设有与芯片电极连接的引出电路，还可进一步包括步骤S4：填充荧光粉。本发明相对于普通封装，不需要固晶焊线和共晶焊，提高封装良率，不需要购买支架和PCB板或COB板，降低了封装成本，缩短封装研发周期，增加封装外形多样化，促进LED薄型化和小型化。

Description

一种倒装芯片的3D打印封装方法

技术领域

本发明涉及LED封装技术领域，尤其是一种倒装芯片的3D打印封装方法。

背景技术

现有倒装芯片，其剖面结构如图1所示，具体封装方法按如下步骤进行：S1：制作芯片（2），芯片（2）的外延层上制作有反射层、多层绝缘层，并通过金属扩展层将非对称电极制作成两个对称电极；S2：利用共晶焊或锡膏焊等方式以焊料层（7）连接芯片电极（3）和引出电路（9），使倒装芯片（2）固定在散热基板（6）上；S3：在电极下方填充材料（8）；S4：填充荧光粉（10）。由于倒装芯片形状的局限性，其存在如下的问题：1、对于倒装芯片，为提升共晶的准度，一般都用多层绝缘的方法，将内部的非对称电极做成对称电极，方便共晶，但由于绝缘层材料的导热能力不好，这种方式增加了热阻；2、由于倒装芯片无法看到背面形态，底部只能使用平面进行固晶，要求所封装的基板必须是平整的，且所采用的共晶焊方法还会产生焊接不均匀、空焊、虚焊等问题；3、倒装芯片固晶的时候看不到电极面的图案，只能从背面的轮廓确定位置，而且芯片也会遮挡住基板，所以很难对准，共晶焊精准度较差，倒装焊接的精度低；4、光路较差，当光型不好时，封装后，点光源从芯片直接扩大到灯珠或者COB板，再加上灯具整体效果并不是很好。

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术，节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率；能做到很高的精度和复杂程度；可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具；可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，直接制造零件或模具，有效的缩短产品研发周期；3D打印成型时间短，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；能打印出组装好的产品，大大降低了组装成本，可挑战大规模生产方式，因此本发明探索一种将3D打印技术应用于倒装芯片的封装当中，以解决现有倒装芯片封装工艺的相应问题。

发明内容

针对现有技术的不足，和3D打印技术的优势，本发明提供一种倒装芯片的3D打印封装方法，增加封装设计多样化，能高精度做出外部电路，不需要固晶焊线和共晶焊，不需要购买支架和PCB板或COB板，缩短封装研发周期，促进LED薄型化和小型化。

本发明的技术方案为：一种倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：利用计算机设计LED器件的三维数字模型，对LED器件进行程序编排，并通过分层切片处理后，导入3D打印机，由计算机控制各层的打印；

S2：用吸嘴吸附倒装芯片，固定在反射杯下；

S3：3D打印焊料层和散热基板，所述的散热基板中设有与芯片电极连接的引出电路。

所述的倒装芯片的3D打印封装方法，还包括步骤S4：填充荧光粉。

所述引出电路和焊料层均由导电材料制成，散热基板由绝缘材料制成或是能导电但与引出电路之间有绝缘层。

所述焊料层、散热基板和引出电路的打印方法，既可以是各材料层逐层打印，也可以是先逐层打印好散热基板，然后将焊料层和引出电路的导电材料填充进空洞。

所述倒装芯片包括衬底和设置在衬底上的芯片外延层，所述的芯片外延层包括依次设置的N型层、发光层、P型层和反射层（银镜），外延层上部分蚀刻至N型层的台面，P型层和N型层的交界处设有绝缘层，芯片电极包括N电极和P电极，N电极制作在N型层上，P电极制作在反射层上并与P型层连接。

所述倒装芯片的N型层、发光层和P型层用MOCVD法形成，反射层用溅射镀膜形成，N型层的蚀刻用ICP法，芯片电极采用蒸发镀膜形成。

所述倒装芯片可以为单颗芯片、多颗芯片或为芯片集成器件。

所述倒装芯片用普通的倒装芯片结构，反射杯用现有反射杯。

所述3D打印技术为电子束快速成型、激光数字成型等技术，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，且3D打印的精度要求在10um以上。

本发明相对现有倒装芯片封装技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明直接用3D打印技术打印散热基板和焊料层层，不需要购买支架和PCB板或COB板，直接封装成型，减少制模和封装的成本；

2、3D打印技术精度高，使得芯片设计自由度变高，直接根据芯片设计好内部线路，3D打印好基板就可以了，可减少倒装芯片绝缘层和对称电极这两道工序，使得芯片更薄且减少芯片制造成本，加上导热不佳的绝缘层材料减少，因而散热能力好，减少了热阻；

3、可用3D打印技术精准固晶，解决现有封装方法无法看到焊接面导致的空焊、虚焊、焊接填充不全等问题，提高封装良率；

4、现有封装方法，仅能将芯片固定在平面的PCB板上或平底的支架上，因为这些带弧度的形状，并不适合现有封装产量产，而通过3D打印技术，可以充分设计出最适合该芯片的灯罩；或从芯片开始就改变它的光路，如将芯片固定在弧状的反射杯中，光路可控，从而具有更高的亮度利用和更好的出光效果；

5、可用3D打印技术逐层打印焊料层和引出电路，使得芯片和基板的热膨胀系数逐渐变化，解决一般封装材料由于材料单一而导致芯片电极和PCB板或COB板之间热膨胀系数差异较大，从而产生如下问题：1）材料之间热膨胀系数不匹配；2）弯曲变形可能造成失效；3）跌落/冲击/机械振动造成失效；4）静态负荷，如散热片工作产生的热量导致失效；5）需要提高热循环寿命和解决热失配问题。

附图说明

图1为现有倒装芯片封装的剖面示意图。

图2为本发明实施例的剖面示意图。

图中，1-吸嘴，2-倒装芯片，3-芯片电极，4-反射杯，6-散热基板，7-焊料层，8-填充材料，9-引出电路，10-荧光粉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图2所示，本发明实施例的剖面示意图。具体实施方法，按如下步骤进行：

S1：利用计算机设计LED器件的三维数字模型，对LED器件的尺寸和材料参数进行程序编排，并通过分层切片处理后，导入3D打印机，由计算机控制各层的打印；

S2：用吸嘴（1）吸附倒装芯片（2），固定在反射杯（4）下；

S3：3D打印焊料层（7）和散热基板（6），所述的散热基板（6）中设有与芯片电极（3）连接的引出电路，各材料层由3D打印机自下而上逐层打印出来。

S4：填充荧光粉。

其中，所述倒装芯片（2）包括衬底和设置在衬底上的芯片外延层，所述的芯片外延层包括依次设置的N型层、发光层、P型层和反射层，外延层上部分蚀刻至N型层的台面，P型层和N型层的交界处设有绝缘层，芯片电极包括N电极和P电极，N电极制作在N型层上，P电极制作在反射层上并与P型层连接。

其中，所述倒装芯片（2）的N型层、发光层和P型层用MOCVD法形成，反射层（银镜）用溅射镀膜形成，N型层的蚀刻用ICP法，芯片电极采用蒸发镀膜形成。

其中，所述倒装芯片（2）可以为单颗芯片、多颗芯片或为芯片集成器件。

其中，所述步骤S2中，倒装芯片用具有多层绝缘层（两层以上）的普通倒装芯片结构，反射杯（4）用现有反射杯（4）。

其中，所述步骤S3中，引出电路由导电材料制成（通常为金属材料），散热基板（6）和引出电路之间必须是绝缘的，散热基板（6）由绝缘材料制成或是能导电但与引出电路之间有绝缘层，基板需保证内部电路和外部电路连通以及散热这两种功能，绝缘材料可以为环氧树脂或其他绝缘材料，能保证绝缘和消除热失配即可，焊料层为导电材料制成，且可以使用与引出电路相同的导电材质。

其中，所述步骤S3中，焊料层（7）可以采用Au、Al、Ag、Cu、Sn、Sb等金属，或采用AuGe、AuSn、AuSi、Snln、SnAg、SnBi等多种合金，其作用为固晶、连接电路和热传导。

其中，所述步骤S3中，焊料层（7）、散热基板（6）和引出电路按所用的材料不同则打印方法也不同，既可以同时逐层打印，也可以先逐层打印好基板，然后将金属填充进空洞，另外，采用活泼金属时需进行氮气保护；焊料层可以为渐变的成分，以调节材料的热膨胀系数，减小热失配。

其中，所述步骤S3中，散热基板可以为陶瓷、塑料、有机胶、金属等材质，基板的组成可以不单一。

其中，所述的焊料层、引出电路和散热板的制作采用分层实体制造法、激光烧结法、熔丝沉积成型法中的一种或多种，其中散热基板还可根据材质的类型，使用三维印刷成型法或紫外线成型法。

1、分层实体制造法（LOM——Laminated Object Manufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（金属箔、塑料膜、陶瓷膜）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的片材用激光切割出工件的内外轮廓，切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，组成三维工件，可以用作基板；

2、当精度不高的时候（芯片尺寸较大，且只有两个电极时），可用熔丝沉积成型（FDM——Fused Deposition Modeling）法，该方法使用丝状材料（金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件；

3、精度较高时，用激光烧结法（DMLS）加热金属或其它粉末使其凝固成型；

4、三维印刷成型法：在平铺的陶瓷粉上的特定区域沉积有机粘结剂，每建成一层，在顶部继续添加陶瓷粉和粘结剂，直到整个模型完工，之后模型将会被送入炉中加热，这样粘结剂就会被固化。出炉后，扫掉外层的陶瓷粉末，即完工，被清理掉的陶瓷粉还可以用于下一个模具的制造；

5、紫外线成型法：可通过紫外线固化的塑料聚合物的液滴喷射出来，然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化，3D打印不需要很贵的模具，大量的治具或者后期处理；根据有机胶种类，选取热风吹扫或紫外光固化方式对打印出来的薄层进行同步固化。

其中，所述步骤S3中，焊料层、散热基板和引出电路不是完全分开打印的，因为引出电路可以嵌入散热基板中，所以逐层打印即可。

本发明对于不同的3D打印方法采用相应的3D打印设备，如采用熔丝沉积成型法时，3D打印机主要包括与控制模块连接的xyz轴运动平台和喷头，这些设备的构成可以参见申请号201410387682.6、申请号201310262450.3、特别是申请号201310279938.7等中国专利文献的记载，由于3D打印的基本方法已日趋成熟，本文在此不作详细介绍。

本发明用3D打印技术自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为LED器件，所述的LED器件包括直接制成的灯珠、COB、灯具等LED成型器件，从而有效的缩短产品研发周期，另外它降低了封装成本，可以挑战大规模生产方式，所以本发明对设计和研发有不可限量的作用。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和实施方式，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：利用计算机设计LED器件的三维数字模型，对LED器件进行程序编排，并通过分层切片处理后，导入3D打印机，由计算机控制各层的打印；S2：用吸嘴吸附倒装芯片，固定在反射杯下；S3：3D打印焊料层和散热基板，所述的散热基板中设有与芯片电极连接的引出电路。

2.根据权利要求1所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述引出电路和焊料层均由导电材料制成，散热基板由绝缘材料制成或是能导电但与引出电路之间有绝缘层。

3.根据权利要求2所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述焊料层、散热基板和引出电路既可以是各材料层逐层打印，也可以是先逐层打印好散热基板，然后将焊料层和引出电路的导电材料填充进空洞。

4. 根据权利要求1或2或3所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述倒装芯片包括衬底和设置在衬底上的芯片外延层，所述的芯片外延层包括依次设置的N型层、发光层、P型层和反射层，外延层上部分蚀刻至N型层的台面，P型层和N型层的交界处设有绝缘层，芯片电极包括N电极和P电极，N电极制作在N型层上，P电极制作在反射层上并与P型层连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述散热基板的材质为陶瓷、塑料、有机胶、金属中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述的焊料层、引出电路和散热板的制作采用分层实体制造法、激光烧结法、熔丝沉积成型法的一种或多种方法。

7.根据权利要求6或所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述的分层实体制作法，其过程是以片材为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的片材用激光切割出工件的内外轮廓，切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起而使LED器件成型。

8.根据权利要求6或所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述的熔丝沉积成型法使用丝状材料为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成LED器件。

9.根据权利要求1或所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述的散热基板为陶瓷基板，采用三维印刷成型法制成，其过程为在平铺的陶瓷粉上的特定区域沉积有机粘结剂，每建成一层，在顶部继续添加陶瓷粉和粘结剂，直到整个模型完工，之后模型将会被送入炉中加热，这样粘结剂就会被固化。

10.根据权利要求1或所述的倒装芯片的3D打印封装方法，其特征在于：所述的散热基板为塑料基板或有机胶基板，采用紫外线成型法制成，其过程为：将可通过紫外线固化的塑料聚合物或有机胶的液滴喷射出来，然后被集成在打印头上的强紫外线灯进行同步固化。