CN107331759A - 免有机胶的晶圆级封装方法和led倒装芯片封装体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种免有机胶的晶圆级封装方法和LED倒装芯片封装体，该封装方法以低温键合的方式将具有荧光粉层的玻璃直接键合到LED倒装芯片的出光面上，使得整个LED封装体免除了有机胶的封装，避免了因有机胶所倒装的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装领域，具体是涉及一种免有机胶的晶圆级封装方法和由该封装方法获得的LED倒装芯片封装体。
背景技术
如今白光LED封装不管是何种结构(直插式LED、表贴式LED、COB LED、CSP LED)，均需有机胶进行灌封保护，而有机灌封胶(比如硅胶和环氧树脂)在照明产品使用过程中，在光辐射下，其主要的C-H，H-N、Si-H、C-Cl等键会吸收光子能量，在超过一定使用时间后，均会发生物理性质上的变化，从而导致胶体变脆、开裂和发黄等现象，光源发生色温、色坐标偏移、变暗，最终死灯。而采用免有机胶封装，如无机材料封装，其键合加工温度极高(>1000℃)，因而既保证高力学强度键合、又保证键合温度不使芯片受损的免有机胶封装方法，一直是LED封装的难题。
发明内容
本发明旨在提供免有机胶的晶圆级封装方法和LED倒装芯片封装体，提供一种低温键合的方法，以解决现有的LED封装均需有机胶灌封保护以及无机材料封装时其键合加工温度过高倒装芯片受损的问题。
具体方案如下：
一种免有机胶的晶圆级封装方法，包括以下步骤，
S1、准备平板状的硅酸盐玻璃和LED倒装芯片晶圆；
S2、在玻璃的一个表面上形成荧光粉层，以该表面对应的另一个表面为待键合面；
S3、在LED倒装芯片晶圆的出光面上形成SiO2钝化层；
S4、将完成步骤S2后的玻璃的待键合面与钝化层直接键合，使得玻璃直接固定至LED倒装芯片晶圆的出光面上；
S5、切割，将完成步骤S4后的固定有玻璃的LED倒装芯片晶圆切割成对应尺寸的LED倒装芯片封装体。
优选的，步骤S2中在玻璃内形成荧光粉层的方法包括以下步骤，
S21、制作荧光粉和挥发性有机溶剂混合而成的混合液；
S22、将步骤S21中制成的混合液均匀喷涂在玻璃的其中一个表面上；
S23、将步骤S22中喷涂有混合液的玻璃加热至其软化温度，并保温一定时间，以使位于玻璃表面上的荧光粉沉降至玻璃内。
优选的，所述挥发性有机溶剂为丙酮或四氢呋喃。
优选的，步骤S4中的直接键合方法包括以下步骤，
S41、利用表面活化技术使玻璃的待键合面和钝化层活化；
S42、将经过步骤S41处理后玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使玻璃直接与钝化层键合，从而使玻璃直接固定到LED倒装芯片上。
优选的，步骤S41中的表面活化技术包括以下步骤，
S411、清洗，对LED倒装芯片晶圆以及玻璃进行清洗，以LED倒装芯片晶圆以及玻璃上的污染物，并使得LED倒装芯片晶圆的钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性；
S412、活化，将经过步骤S411处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放入活化液中，以使玻璃的待键合面和LED倒装芯片晶圆的钝化层活化。
优选的，所述活化液包括NH3·H2O、H2O2和H2O，所述活化液中NH3·H2O、H2O2和H2O的体积比为6:(1-12):(1-50)，其中NH3·H2O和H2O2的质量百分比浓度分别为28％和30％，活化时的反应温度为80℃-130℃，反应时间为1分钟-40分钟。
优选的，所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃,清洗完成后用去离子水冲洗；
(2)、配制体积比为(0.1-10):1的H2SO4和H2O2混合的清洗液，其中H2SO4和H2O2的质量百分比浓度分别为98％和30％，将经过步骤(1)处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放置到清洗液中，将清洗液加热到80℃-130℃，在清洗液中清洗1分钟-30分钟，然后再用去离子水冲洗。
优选的，所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(a)、将LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃放入等离子处理仪内，用O2等离子体轰击钝化层表面和玻璃的待键合面，使得钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性。
本发明还提供了一种LED倒装芯片封装体，包括LED倒装芯片和平板状的硅酸盐玻璃，所述LED倒装芯片的出光面上具有SiO2钝化层，所述玻璃的一面上具有荧光粉层，另一面为待键合面，所述待键合面与钝化层直接键合，以使玻璃直接固定至LED倒装芯片上。
本发明提供的免有机胶的晶圆级封装方法和LED倒装芯片封装体与现有技术相比较具有以下有益效果：
1、本发明提供的免有机胶的晶圆级封装方法中荧光粉以加热沉降的方向沉降至玻璃中，形成一层荧光粉层，可通过时间来控制其沉降的程度，沉降荧光粉的玻璃，荧光粉不会在使用过程中发生沉降，光色一致性好，耐高温，并且玻璃基材不会发生黄变、脆变等问题，寿命长，透光率高，材料便宜，透光性高，热辐射系数大，有利于散热。
2、本发明提供的免有机胶的晶圆级封装方法使用低温直接键合工艺，将玻璃和芯片晶圆片直接发生键合，玻璃与芯片界面形成了Si-O-Si键合，避免高温键合对芯片的损害。
3、本发明提供的免有机胶的晶圆级封装方法通过晶圆级封装白光LED，可缩短后道的应用封装工序，应用端可以直接将封装体进行贴片应用，形成不同的封装产品，如COB封装LED、表贴式SMD LED、仿流明大功率LED等，免除了点有机荧光粉胶等工艺，并且避免了因有机荧光粉胶带来的低良品率、较差的一致性、低寿命等缺陷。
附图说明
图1示出了荧光粉在玻璃中沉降过程的示意图。
图2示出了键合后的分子结构示意图。
图3示出了LED倒装芯片封装体的示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
本发明提供了一种免有机胶的晶圆级封装方法，该方法包括以下步骤，
S1、准备平板状的硅酸盐玻璃和LED倒装芯片晶圆，其中LED倒装芯片晶圆为已经在晶圆上的外延层上经过芯片工艺形成电极等工艺，但并未进行预裂和切割的晶圆；
S2、在玻璃的一个表面上形成荧光粉层，以该表面对应的另一个表面为待键合面；
S3、在LED倒装芯片晶圆的出光面上形成SiO2钝化层；
S4、将完成步骤S2后的玻璃的待键合面与钝化层直接键合，使得玻璃直接固定至LED倒装芯片晶圆的出光面上；
S5、切割，将完成步骤S4后的固定有玻璃的LED倒装芯片晶圆切割成对应尺寸的LED倒装芯片封装体。
其中步骤S2中在玻璃内形成荧光粉层的方法包括以下步骤，
S21、制作荧光粉和挥发性有机溶剂混合而成的混合液；
S22、将步骤S21中制成的混合液均匀喷涂在玻璃的其中一个表面上；
S23、将步骤S22中喷涂有混合液的玻璃加热至其软化温度，并保温一定时间，以使位于玻璃表面上的荧光粉沉降至玻璃内。
优选的，其中所述挥发性有机溶剂为沸点在50℃-250℃，其在室温下的饱和蒸汽压超过133.32Pa的有机溶剂，优选丙酮或四氢呋喃。
优选的，步骤S4中的直接键合方法包括以下步骤，
S41、利用表面活化技术使玻璃的待键合面和钝化层活化；
S42、将经过步骤S41处理后玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使玻璃直接与钝化层键合，从而使玻璃直接固定到LED倒装芯片上。
优选的，步骤S41中的表面活化技术包括以下步骤，
S411、清洗，对LED倒装芯片晶圆以及玻璃进行清洗，以LED倒装芯片晶圆以及玻璃上的污染物，并使得LED倒装芯片晶圆的钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性；
S412、活化，将经过步骤S411处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放入活化液中，以使玻璃的待键合面和LED倒装芯片晶圆的钝化层活化。
优选的，所述活化液包括NH3·H2O、H2O2和H2O，所述活化液中NH3·H2O、H2O2和H2O的体积比为6:(1-12):(1-50)，其中NH3·H2O和H2O2的质量百分比浓度分别为28％和30％，活化时的反应温度为80℃-130℃，反应时间为1分钟-40分钟。
优选的，所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃,清洗完成后用去离子水冲洗；
(2)、配制体积比为(0.1-10):1的H2SO4和H2O2混合的清洗液，其中H2SO4和H2O2的质量百分比浓度分别为98％和30％，将经过步骤(1)处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放置到清洗液中，将清洗液加热到80℃-130℃，在清洗液中清洗1分钟-30分钟，然后再用去离子水冲洗。
优选的，所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(a)、将LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃放入等离子处理仪内，用O2等离子体轰击钝化层表面和玻璃的待键合面，使得钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性。
参考图1，其中玻璃内形成荧光粉层的过程如下，将荧光粉和易挥发的有机溶剂混合形成混合液3，利用喷涂设备将混合液3均匀的喷涂到玻璃1的表面上，在玻璃1的表面上荧光粉层，然后将玻璃加热至其软化温度，并并保温一定时间，由于重力和分子热运动，荧光粉会逐渐的沉降至玻璃内，从而在玻璃内形成荧光粉层2，而通过时间可以控制荧光粉沉降的程度。
参考图2，低温键合的具体原理如下，清洗和活化步骤作用是为了在界面上形成水分子桥连。用活化液处理后的SiO2表面发生水解反应，硅氧键(Si-O-Si)会被界面的水分解，Si-O-Si+H-OH→Si-OH+OH-Si。反应后的表面会形成大量氢氧基团，当两界面贴到一起后就会依靠氢键使水分子重新排列，形成水分子桥。在真空热压处理时，界面处的硅氧基团发生脱水聚合反应Si-OH+HO-Si→Si-O-Si+H2O随着热压时间的延长，所有的水分子都从界面蒸发排出，所有的硅醇键都会慢慢转变为连接两个表面的硅氧键，形成了化学键键合，从而使得玻璃和钝化层键合在一起。
实例1
1、采用丙酮作为载体将黄粉、红粉荧光粉均匀喷涂于5英寸钠钙硅酸盐玻璃基板表面，加热至软化温度700℃-720℃，保温5分钟。
2、采用磁控溅射在4英寸未预裂的LED倒装芯片晶圆的出光面形成一层1μm厚的SiO2钝化层。
3、等离子清洗或超声清洗倒装晶圆片和待键合的钠钙硅酸盐玻璃5分钟，用去离子水冲洗1-5分钟。
4、配制体积比例为4:1的H2SO4和H2O2溶液，其中H2SO4和H2O2的质量百分比浓度分别为98％和30％，溶液温度为110℃，清洗时间15分钟，进行二次清洗待键合材料，然后再用去离子水清洗5分钟。
5、配制一定体积比的活化液NH3·H2O：H2O2：H2O＝6：3：1，其中NH3·H2O和H2O2的质量百分比浓度分别为28％和30％，将待键合物料放入其中，加热至100℃，反应时间5分钟，然后冷却至室温，再用去离子水清洗3分钟。
6、活化后玻璃的待键合面与LED倒装芯片晶圆的钝化层贴合在一起，放入相应的治具，放入真空热压设备中热压，(真空热压设备的参数设定：压力0.4kg、时间9h、真空度-96kpa、温度130℃)，然后冷却到室温，完成产品制作。
7、将键合好荧光玻璃的晶圆片电极面朝上贴在蓝膜上，采用划片机对电极面切割成25mil×25mil芯片单元，最后再经过转膜、测试分选、编带。
实例2
1、采用四氢呋喃作为载体将黄粉、红粉荧光粉均匀喷涂于7英寸硼硅酸盐玻璃基板表面，加热至软化温度800-900℃，保温10分钟。
2、利用MOCVD(化学气相淀积)在6英寸未预裂的LED倒装芯片晶圆的出光面形成一层1μm厚SiO2钝化层。
3、等离子清洗或超声清洗倒装晶圆片和待键合的硼硅酸盐玻璃5分钟，用去离子水冲洗1-5分钟。
4、将玻璃以及LED倒装芯片晶圆放入等离子处理仪，使用O2等离子体轰击待键合的LED倒装芯片晶圆的钝化层和硼硅酸盐玻璃的待键合面，(等离子处理仪的参数设定：真空室真空度抽至0.1Pa，通入氧气，处理压强20Pa，5分钟，处理功率40W)。
5、配制一定体积比的活化液NH3·H2O：H2O2：H2O＝1：1：5，将等离子活化后的组件放入其中，加热115℃，15分钟；然后冷却至室温，再用去离子水清洗5分钟。完成活化，使芯片表面和石英玻璃表面形成一层水膜。
6、活化后的LED倒装芯片晶圆的钝化层和硼硅酸盐玻璃的待键合面贴合在一起，放入相应的治具，放入真空热压设备中热压(真空热压设备参数设定：压力0.5kg、时间7h、真空度-97kpa、温度250℃)，然后冷却到室温，完成产品制作。
7、将键合好荧光玻璃的晶圆片电极面朝上贴在蓝膜上，采用划片机对电极面切割成40mil×40mil芯片单元，最后再经过转膜、测试分选、编带。
实施例2
本发明还提供了一种LED倒装芯片封装体，包括LED倒装芯片4和平板状的硅酸盐玻璃1，所述LED倒装芯片的出光面上具有SiO2钝化层5，所述玻璃的一面上具有荧光粉层2，另一面为待键合面，所述待键合面与钝化层直接键合，以使玻璃直接固定至LED倒装芯片上。该封装体通过直接键合的方式将具有荧光粉层的玻璃直接固定至LED倒装芯片上，玻璃中的荧光粉不会在使用过程中发生沉降，光色一致性好，耐高温，并且玻璃基材不会发生黄变、脆变等问题，寿命长，透光率高，材料便宜，透光性高，热辐射系数大，有利于散热，而且免除了点有机荧光粉胶等工艺，并且避免了因有机荧光粉胶带来的低良品率、较差的一致性、低寿命等缺陷。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、准备平板状的硅酸盐玻璃和LED倒装芯片晶圆；
S2、在玻璃的一个表面上形成荧光粉层，以该表面对应的另一个表面为待键合面；
S3、在LED倒装芯片晶圆的出光面上形成SiO2钝化层；
S4、将完成步骤S2后的玻璃的待键合面与钝化层直接键合，使得玻璃直接固定至LED倒装芯片晶圆的出光面上；
S5、切割，将完成步骤S4后的固定有玻璃的LED倒装芯片晶圆切割成对应尺寸的LED倒装芯片封装体。
2.根据权利要求1所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：步骤S2中在玻璃上形成荧光粉层的方法包括以下步骤，
S21、制作荧光粉和挥发性有机溶剂混合而成的混合液；
S22、将步骤S21中制成的混合液均匀喷涂在玻璃的其中一个表面上；
S23、将步骤S22中喷涂有混合液的玻璃加热至其软化温度，并保温一定时间，以使位于玻璃表面上的荧光粉沉降至玻璃内。
3.根据权利要求2所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：所述挥发性有机溶剂为丙酮或四氢呋喃。
4.根据权利要求1所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：步骤S4中的直接键合方法包括以下步骤，
S41、利用表面活化技术使玻璃的待键合面和钝化层活化；
S42、将经过步骤S41处理后玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使玻璃直接与钝化层键合，从而使玻璃直接固定到LED倒装芯片上。
5.根据权利要求4所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：步骤S41中的表面活化技术包括以下步骤，
S411、清洗，对LED倒装芯片晶圆以及玻璃进行清洗，以LED倒装芯片晶圆以及玻璃上的污染物，并使得LED倒装芯片晶圆的钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性；
S412、活化，将经过步骤S411处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放入活化液中，以使玻璃的待键合面和LED倒装芯片晶圆的钝化层活化。
6.根据权利要求5所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：所述活化液包括NH3.H2O、H2O2和H2O，所述活化液中NH3.H2O、H2O2和H2O的体积比为6:(1-12):(1-50)，其中NH3.H2O和H2O2的质量百分比浓度分别为28％和30％，活化时的反应温度为80℃-130℃，反应时间为1分钟-40分钟。
7.根据权利要求5所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃,清洗完成后用去离子水冲洗；
(2)、配制体积比为(0.1-10):1的H2SO4和H2O2混合的清洗液，其中H2SO4和H2O2的质量百分比浓度分别为98％和30％，将经过步骤(1)处理后的LED倒装芯片晶圆和玻璃放置到清洗液中，将清洗液加热到80℃-130℃，在清洗液中清洗1分钟-30分钟，然后再用去离子水冲洗。
8.根据权利要求5所述的免有机胶的晶圆级封装方法，其特征在于：所述步骤S411中的清洗步骤包括以下步骤，
(a)、将LED倒装芯片晶圆和待键合的玻璃放入等离子处理仪内，用O2等离子体轰击钝化层表面和玻璃的待键合面，使得钝化层和玻璃的待键合面具有亲水性。
9.一种LED倒装芯片封装体，其特征在于：包括LED倒装芯片和平板状的硅酸盐玻璃，所述LED倒装芯片的出光面上具有SiO2钝化层，所述玻璃的一面上具有荧光粉层，另一面为待键合面，所述待键合面与钝化层直接键合，以使玻璃直接固定至LED倒装芯片上。
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