CN107039574A - 无衬底芯片封装led及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种无衬底芯片封装LED及其制作工艺，包括以下步骤：A.将倒装芯片通过P电极和N电极固晶于LED基板上；B.将步骤A中固晶后的倒装芯片的蓝宝石衬底进行剥离；C.在剥离了蓝宝石衬底的GaN外延层的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层，随后通过高温将荧光粉涂层固化。无衬底芯片封装LED发光效率高，亮度大，散热性良好，有效延长使用寿命，且在制作过程中有效解决剥离蓝宝石衬底时外延层刚性支承问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED领域，尤指一种无衬底芯片封装LED及其制作工艺。
背景技术
LED发展趋势是无焊线无封装，所谓无焊线就是采用倒装结构芯片，直接焊接在基板上。倒装芯片的结构是电极和发光层在透明蓝宝石衬底的底部，与正装芯片（平行结构）相反，这样热量可以直接从基板导走，不必通过绝热的蓝宝石衬底，而且电流分布更加均匀，使得芯片可以在更大的电流密度下使用，更免去了焊线的成本和断线的隐患。倒装芯片结构包括无色透明蓝宝石衬底，厚度约120-250um；生长在蓝宝石衬底上的GaN外延层，这是一个多层结构，芯片的发光层就在其中，整个外延层厚度仅5-10um；电极，两个电极分别为P和N，镀在外延层上，通电后外延层中的发光层就发光，因蓝宝石是无色透明的，所以发光可以毫无阻碍的透过蓝宝石发出来。
所谓无封装是指事先涂敷了荧光粉的倒装芯片，也称作(CSP = Chip ScalePackage)，即芯片级封装。因为蓝宝石衬底是透明晶体，倒装芯片是五面出光，所以荧光粉必须涂敷在上表面和四个侧面，同时底部的电极区域不得被硅胶和荧光粉污染。目前荧光粉的涂敷结构如下：
采用硅胶荧光粉压制而成，五面出光，光效高，但是顶部和四周的色温一致性控制较差，德豪润达的CSP也是以这种为主。
采用周围二氧化钛保护再覆荧光膜，只有顶部一个发光面，光的一致性和指向性很好，但是损失了四周的光输出，光效会偏低。目前三星主要采用以此技术为主，但是也在开发德豪润达的第一种技术。德豪润达也在开发三星这种技术产品。
采用荧光膜全覆盖，再加透明硅胶固定成型，也是五面出光，光效高，光品质稍差，此款主要是飞利浦采用。
再有一种方法就是目前在车灯LED以及2525、3535、5050等陶瓷基板LED中采用的喷粉方式。
无论上述哪种制备方法，共同的特点就是：
芯片表面荧光粉与基板之间都隔着120-250um厚的蓝宝石衬底，而蓝宝石是隔热材料，LED在点亮时，荧光粉吸收芯片发出的蓝光转换成黄光或绿光或红光或上述几种颜色的组合，根据荧光粉的种类而不同，荧光粉在发光的同时会产生大量的热，而蓝宝石衬底的阻挡了荧光粉产生的热量向基板的有效传导，造成了荧光粉温度很高，大大降低了发光效率，同时，过高的温度加速了硅胶的老化，特别是在高密度大功率的情况下，问题更加严重；
在射灯投光灯及车灯等配有聚光的光学系统的应用中，真正高效利用的是LED的正面出光，在单颗CSP中，LED越厚侧面占的面积越大，侧面出光的很大一部分是损失掉了;
蓝宝石衬底本身是厚度均匀表面表面光洁的无色透明晶体，折射率高于硅胶，光线在蓝宝石衬底与硅胶界面处会发生全反射，对出光有很大影响。
可以看到，上述这些问题都蓝宝石衬底造成的，蓝宝石作为GaN外延层（发光层）的衬底在外延生长过程中是必不可少的，同时也是外延层的刚性支承。蓝宝石衬底是可以剥离的，蓝宝石衬底的剥离是一个很成熟的技术，芯片生产厂家在制作另外一种芯片——垂直结构芯片时，要把绝缘的蓝宝石衬底换成导电衬底，必须将蓝宝石衬底剥离，采用的办法是先将导电衬底贴合到外延层上，再用激光剥离技术或其它方法将背面的蓝宝石衬底剥离。而对于倒装芯片则都是带着蓝宝石衬底一起封装成LED，不做衬底剥离，原因是：
发光外延层厚度只有5um左右，极为脆弱，一碰就碎，衬底剥离后失去支撑无法拾取、分选、运输、包装，封装厂也无法固晶；
蓝宝石本身是透明的，对出光有影响但不大，本身又极为坚硬，无论拾取、分选、运输、包装、固晶都可以承受很大的压力和冲击，封装厂使用极为方便；
激光剥离需要专门的设备，严格的条件，封装厂一般不具备；
衬底剥离通常都是整张外延片剥离，而封装厂拿到的芯片已经是切割成单颗的了。
从上述分析，将倒装芯片的衬底剥离做成无衬底LED是具有很大优点的，目前已有的办法是：
中国发明专利（申请号：201510719701.5）和中国实用新型专利（申请号：201520850711.8）中，将衬底剥离的倒装芯片加装保护层，等于用一个保护层替代蓝宝石做为一个临时的支承以便拾取和使用，这个保护层是临时的，而且是易于去除的。封装厂在固晶后要将保护层去除，只剩下无衬底的外延层。这两个专利解决的是蓝宝石剥离后外延层的搬运问题，简单说就是芯片厂先将蓝宝石衬底剥离，然后换上可以用简单溶剂清洗掉的保护层，有了保护层，芯片就可以像正常芯片一样分选包装运输固晶，封装厂或使用者在固晶后用溶液洗掉保护层就得到没有衬底的外延层。这个发明专利题目是无衬底LED芯片封装方法，实际上并没有谈及封装，临时的保护层不含荧光粉且在封装前又被除去了，仅剩下外延层，也更谈不上是芯片级封装了。本质就是给剥离掉衬底的外延层加了一个临时包装以便于操作。
中国发明专利（申请号CN201410355924.3）是在芯片制备工艺中将电极做到芯片侧面，从而免除了衬底，但这没有解决芯片的运输使用问题；
中国发明专利（申请号CN201210561072.4）主要论述的芯片制作工艺的改进，使得无论什么衬底都能做出倒装结构，同时也讲述了衬底剥离后的处理，采用的办法是先将蓝宝石或其它衬底剥离，再将已经制备好的混有荧光粉的陶瓷板或玻璃板贴合上去，替代原有的衬底做为永久支撑同时也能发出白光。但存在两个问题：
无论是陶瓷板还是玻璃板，与芯片贴合时都用胶粘连，专利中提到用硅胶、UV胶或环氧树脂，而这层胶等于在陶瓷板或玻璃板与外延层之间增加了一层介质，由于折射率的不同，光线在这层介质中依然会发生全反射，实际上与剥离前的蓝宝石衬底的作用一样，并没有消除由衬底带来的光损失，只是把蓝宝石换成了胶水；
陶瓷板或玻璃板是个平板，只能覆盖在芯片的表面，当整个外延片被切割成单个芯片后，单颗芯片外延层的侧面也就是切割面没有覆盖陶瓷或玻璃，也无法覆盖，外延层发出的蓝光会从侧面泄漏出来，结果就是芯片的表面发出白光而四周的侧面发出蓝光，这在应用上是不行的。
还有一种方案是在外延层的电极那一面涂敷环氧树脂做为支承，再将电极引出来，然后把另一面的蓝宝石衬底剥离，但环氧树脂也是绝热材料，等于把绝热的蓝宝石换成了环氧树脂，区别就是从外延层的上表面移到下表面，不仅荧光粉的导热不良问题依然存在，还使本来不存在导热不良问题的外延层增加了一个热阻；
上述这些专利的一个共同点就是：蓝宝石衬底的剥离都是在芯片切割之前也就是在整张外延片的阶段完成，由芯片厂在芯片出厂前完成。
发明内容
为解决上述问题之一，本发明提供一种无衬底芯片封装LED，其发光效率高，亮度大，散热性良好，有效延长使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无衬底芯片封装LED，包括无衬底倒装芯片、荧光粉涂层、LED基板，所述无衬底倒装芯片包括GaN外延层、P电极、N电极，其中所述P电极、N电极镀在GaN外延层的底表面上，所述荧光粉涂层覆盖固定在GaN外延层的上表面以及侧表面上，无衬底倒装芯片通过将P电极和N电极封装固定在LED基板表面并与LED基板电导通。
为解决上述问题之二，本发明提供一种无衬底芯片封装LED的制作工艺，其工艺简单，有效解决剥离蓝宝石衬底时GaN外延层刚性支承问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无衬底芯片封装LED的制作工艺，包括以下步骤：
A. 倒装芯片通过P电极和N电极固晶于LED基板上；
B. 将步骤A中固晶后的倒装芯片的蓝宝石衬底进行剥离；
C. 在剥离了蓝宝石衬底的GaN外延层的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层，随后通过高温将荧光粉涂层固化。
本发明的有益效果在于：
1.蓝宝石衬底的剥离是在倒装芯片固晶到LED基板上之后进行，不是在倒装芯片出厂前在整张GaN外延片阶段进行的，封装厂采用目前常规出厂的已切割分选好的倒装芯片即可，不需要芯片厂特制，大大简化了无衬底LED的封装工艺；
2.蓝宝石衬底被剥离，涂敷在GaN外延层上的不是临时的不含荧光粉的保护层，而是含有荧光粉的可以把GaN外延层发出的蓝光转化成白光的荧光粉涂层；
3.荧光粉涂层直接涂敷在GaN外延层上，使用中荧光粉产生的热量可以直接通过薄薄的GaN外延层传导到LED基板上，不再经过厚厚的绝热的蓝宝石衬底，大大降低了荧光粉涂层的温度，同时也降低了硅胶或环氧树脂的温度，提高光通量和使用寿命；
4.荧光粉涂层与GaN外延层直接粘合，与粘贴陶瓷片或玻璃片相比中间不需要过渡层也不需要额外的胶来粘连，从根本上去除了额外的胶粘层带来的光损失；
5.荧光粉涂层不仅涂敷在外延层的上表面，还覆盖了GaN外延层的四周侧面，不再有蓝光泄漏，颜色均匀一致；
6.荧光粉涂层的颗粒度中间值大约在5-25um之间，增加荧光粉在硅胶或环氧树脂中的浓度就可以把荧光粉涂层做到几十甚至十几微米薄，大大降低了LED的厚度，可以做成超薄的LED；
7.超薄LED的侧面出光比例极小，不仅提高了实际亮度也大大有利于光学设计。
附图说明
图1 是无衬底芯片封装LED的结构示意图；
图2 是无衬底倒装芯片固晶示意图；
图3 是无衬底倒装芯片剥离蓝宝石衬底示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明关于一种无衬底芯片封装LED，包括无衬底倒装芯片、荧光粉涂层5、LED基板1，所述无衬底倒装芯片包括GaN外延层2、P电极3、N电极4，其中所述P电极3、N电极4镀在GaN外延层2的底表面上，所述荧光粉涂层5覆盖固定在GaN外延层2的上表面以及侧表面上，无衬底倒装芯片通过将P电极3和N电极4封装固定在LED基板1表面并与LED基板1电导通，其中LED基板1为陶瓷基板或铝基板或铜基板。
作为本发明较优的实施方式，无衬底倒装芯片整体的长宽尺寸为100um到3mm。
作为本发明较优的实施方式，荧光粉涂层5通过荧光粉与硅胶或环氧树脂混合而成，其中荧光粉的中心粒度在5um-25um。
作为本发明较优的实施方式，荧光粉涂层5的厚度从10um到500um；
作为本发明较优的实施方式，所述荧光粉涂层5固化后在常温的硬度在邵氏60A以上。
一种无衬底芯片封装LED的制作工艺，包括以下步骤：
A. 如图2所示，将倒装芯片通过P电极3和N电极4固晶于LED基板1上；
B. 如图3所示，将步骤A中固晶后的倒装芯片的蓝宝石衬底6进行剥离；
C. 在剥离了蓝宝石衬底6的GaN外延层2的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层5，随后通过高温将荧光粉涂层5固化如图1所示。
作为本发明较优的实施方式，步骤C中，蓝宝石衬底6的剥离方法包括激光剥离、湿法腐蚀剥离或机械研磨剥离。
作为本发明较优的实施方式，步骤B中，倒装芯片固晶的方法包括焊锡或共晶焊。
具体地，蓝宝石衬底6的剥离是在倒装芯片固晶在LED基板1上之后、在涂敷荧光粉涂层5之前进行的；蓝宝石衬底6的剥离不仅限于激光剥离；倒装芯片的具体形状不限，长宽尺寸从100um到3mm；倒装芯片的发光可以是蓝色（主波长440~480nm），也可以是蓝紫色或近紫外（主波长350~440nm），也可以是远紫外（220~350nm）;荧光粉涂层5是可以被蓝光或蓝紫光/紫外光有效激发的发蓝色/黄色/绿色/橙色/红色/红外光的荧光粉，以及上述荧光粉中的两种或多种混合；两种或多种荧光粉涂层可以混合使用，也可以分层涂敷；荧光粉涂层5的涂敷可以是刮涂，也可以是热压，也可以是喷涂；荧光粉涂层5的涂敷也可以是事先做好荧光粉胶膜，在蓝宝石衬底6剥离后将荧光粉涂层5胶膜热压上去；两种或多种荧光粉涂层5可以分立涂敷，即按一定的区域分别涂敷组成不同的色彩；必要时荧光粉涂层5中可以混合一定比例的漫反射材料；荧光粉涂层5可以是无机材料或有机材料；荧光粉涂层5可以与硅胶混合涂敷，也可以与环氧树脂混合涂敷；本申请涉及的LED倒装芯片无衬底封装不仅针对单颗LED，也包括整版固晶封装，最后分割成单个LED，单个LED可以是单芯片也可以是多芯片。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种无衬底芯片封装LED，其特征在于，包括无衬底倒装芯片、荧光粉涂层、LED基板，所述无衬底倒装芯片包括GaN外延层、P电极、N电极，其中所述P电极、N电极镀在GaN外延层的底表面上，所述荧光粉涂层覆盖固定在GaN外延层的上表面以及侧表面上，无衬底倒装芯片通过将P电极和N电极封装固定在LED基板表面并与LED基板电导通。
2.根据权利要求1所述的无衬底芯片封装LED，其特征在于，无衬底倒装芯片整体的长宽尺寸为100um到3mm。
3.根据权利要求1所述的无衬底芯片封装LED，其特征在于：荧光粉涂层通过荧光粉与硅胶或环氧树脂混合而成，其中荧光粉的中心粒度在5um-25um。
4.根据权利要求1所述的无衬底芯片封装LED，其特征在于：荧光粉涂层的厚度从10um到500um。
5.根据权利要求1所述的无衬底芯片封装LED，其特征在于：所述荧光粉涂层固化后在常温的硬度在邵氏60A以上。
6.根据权利要求1所述的无衬底芯片封装LED，其特征在于：所述基板为陶瓷基板或铝基板或铜基板。
7.一种如权利要求1所述的无衬底芯片封装LED的制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：
A.倒装芯片通过P电极和N电极固晶于LED基板上；
B.将步骤A中固晶后的倒装芯片的蓝宝石衬底进行剥离；
C.在剥离了蓝宝石衬底的GaN外延层的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层，随后通过高温将荧光粉涂层固化。
8.根据权利要求7所述的无衬底芯片封装LED的制作工艺，其特征在于，步骤C中，蓝宝石衬底的剥离方法包括激光剥离、湿法腐蚀剥离或机械研磨剥离。
9.根据权利要求7所述的无衬底芯片封装LED的制作工艺，其特征在于，步骤B中，倒装芯片固晶的方法包括焊锡或共晶焊。
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