CN107527979A - 一种紫外led封装方法及封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外LED封装结构及封装方法，其中封装结构包括封装支架、紫外倒装芯片和石英玻璃，所述紫外倒装芯片的出光面上具有一钝化层，所述石英玻璃与该钝化层键合，使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上，以解决现有紫外LED封装存在光取出率低以及可靠性差的问题，本发明还提供了该封装结构的封装方法。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装领域，尤其是涉及紫外LED的封装方法及封装结构。
背景技术
紫外LED尤其是深紫外(200nm-280nm)LED的封装是LED制造领域中难题之一。紫外光的波长短，能量大，传统的有机固晶胶、有机灌封胶在紫外光辐射下，其主要的C-H，H-N、Si-H、C-Cl等键会吸收紫外光能量，发生断裂，因而导致短期使用就易发生有机胶的黄变、老化和脆化，LED器件的可靠性和寿命均难以满足紫外LED的封装需求。
目前紫外LED尤其是深紫外LED，只能采用无胶封装，具体结构如附图图1所示，其中10为紫外芯片，12为基板，13为陶瓷围挡，14为石英玻璃，15为金丝，该结构摒弃了有机灌封胶，但是芯片到石英玻璃出光面之间，没有任何封装材料，只有空气作为介质。光线从紫外LED的出光面射出，直接进入空气，由于芯片折射率(Nchip≈1.8～2.4)大于空气折射率(Nair＝1)，部分光线在界面发生全反射，造成光损失；然后光线从空气射入顶端的石英玻璃再射到外部空气中，会再次发生部分光线全反射而使得光线损耗，因此这种结构的光线取出率较低。另外该结构导致了产品整体厚度较高，装配步骤较为繁琐、石英玻璃和陶瓷基板的贴合存在可靠性隐患。
发明内容
本发明旨在提供一种紫外LED封装方法及其封装结构，以解决现有紫外LED封装存在光取出率低以及可靠性差的问题。
具体方案如下：
一种紫外LED封装结构，包括封装支架、紫外倒装芯片和石英玻璃，紫外倒装芯片固定安装在封装支架上，并且紫外倒装芯片的两个电极分别与封装支架上的两个电极相电连接，所述紫外倒装芯片的出光面上具有一钝化层，所述石英玻璃与该钝化层键合，使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上。
优选的，所述钝化层为SiO2钝化层。
优选的，所述钝化层的厚度为1μm-10μm。
优选的，所述封装支架为陶瓷支架，所述封装支架的周缘设有围挡，所述围挡的高度不小于紫外倒装芯片的厚度。
本发明还提供了一种紫外LED封装结构的封装方法，包括以下步骤，
S1、在紫外倒装芯片的出光面上形成一钝化层；
S2、将紫外倒装芯片固晶在封装支架上，并且使紫外倒装芯片的两个电极分别与封装支架上的两个电极相电连接；
S3、利用活化技术使石英玻璃的待键合面和钝化层都活化；
S4、将经过步骤S3处理后石英玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使石英玻璃直接与钝化层键合，从而使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上。
优选的，步骤S3中的活化技术包括以下步骤，
S31、清洗，对固晶后的封装支架以及石英玻璃进行清洗，以清除封装支架以及石英玻璃上的污染物，并使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性；
S32、活化，将经过步骤S31处理后的封装支架和石英玻璃放入活化液中，以使石英玻璃的待键合面和紫外倒装芯片的钝化层活化。
优选的，所述活化液包括NH3.H2O、H2O2和H2O。
优选的，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1min-40min。
优选的，所述步骤S31中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗固晶后的封装支架和待键合的石英玻璃,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)处理后的封装支架和石英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1min-30min，然后再用去离子水冲洗。
优选的，所述步骤S31中的清洗步骤包括以下步骤，
(a)、将固晶后的封装支架和待键合的石英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石英玻璃的待键合面，使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性。
本发明提供的一种紫外LED封装方法及其封装结构与现有技术相比较具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种紫外LED封装结构采用紫外倒装芯片，并且在紫外倒装芯片的出光面上形成一钝化层，石英玻璃通过键合的方式直接与钝化层相键合，从而使得石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片的出光面上，石英玻璃和紫外倒装芯片之间无其他低折射率的填充介质或空气，紫外芯片出射的光线直接射入到石英玻璃中，因此出光效率可大幅提高。另外由于石英玻璃的通过键合的方式直接与钝化层相键合，因此石英玻璃和紫外芯片的之间键合强度高，具有很好的机械强度，满足UV，尤其是深紫外LED封装应用。
2、本发明提供的一种紫外LED封装结构的封装方法先采用物理或者化学的方法对钝化层以及石英玻璃的待键合面进行清洗，使紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性，然后通过活化剂进行活化，在外力作用下使石英玻璃直接与钝化层键合，整个工艺过程操作简单，便于规模化生产。
附图说明
图1示出了现有的紫外LED封装结构示意图。
图2示出了实施例1中的紫外LED封装结构示意图。
图3示出了键合后的分子结构示意图。
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
如图2所示，本发明提供的一种紫外LED封装结构包括封装支架2、紫外倒装芯片3和石英玻璃4，紫外倒装芯片3固定安装在封装支架上，并且紫外倒装芯片的两个电极3a和3b分别与封装支架上的两个电极2a和2b相电连接，所述紫外倒装芯片3的出光面上具有一钝化层5，所述石英玻璃4与该钝化层5键合，使石英玻璃4直接固定到紫外倒装芯片3上。其中石英玻璃通过键合的方式直接与钝化层相键合，从而使得石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片的出光面上，石英玻璃和紫外倒装芯片之间无其他低折射率的填充介质或空气，紫外芯片出射的光线直接射入到石英玻璃中，因此出光效率可大幅提高。
作为钝化层的一个优选方案，所述钝化层为SiO2钝化层。进一步优选SiO2钝化层的厚度为1μm-10μm。
作为封装支架的一个优选方案，参考图2，所述封装支架2为陶瓷支架，所述封装支架的周缘设有围挡20，所述围挡的高度不小于紫外倒装芯片的厚度，即紫外倒装芯片3固定在围挡20所围成的区域内。
实施例2
本发明还提供了一种紫外LED封装结构的封装方法，包括以下步骤，
S1、在紫外倒装芯片的出光面上形成一钝化层；
S2、将紫外倒装芯片固晶在封装支架上，并且使紫外倒装芯片的两个电极分别与封装支架上的两个电极相电连接；
S3、利用活化技术使石英玻璃的待键合面和钝化层都活化；
S4、将经过步骤S3处理后石英玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使石英玻璃直接与钝化层键合，从而使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上。
优选的，其中步骤S3中的活化技术包括以下步骤，
S31、清洗，对固晶后的封装支架以及石英玻璃进行清洗，以清除封装支架以及石英玻璃上的污染物，并使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性；
S32、活化，将经过步骤S31处理后的封装支架和石英玻璃放入活化液中，以使石英玻璃的待键合面和紫外倒装芯片的钝化层活化。
其中活化液包括NH3.H2O、H2O2和H2O。优选的，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1min-40min。
进一步优选的，所述步骤S31中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗固晶后的封装支架和待键合的石英玻璃,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)处理后的封装支架和石英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1min-30min，然后再用去离子水冲洗。
另外，步骤S31除了上述的化学清洗方法，还可以用物理清理的方法，包括以下步骤，将固晶后的封装支架和待键合的石英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石英玻璃的待键合面，使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性，氧等离子体可以有效地与表面上的有机污染物发生反应，生成例如二氧化碳这种简单的产物，在伴随着清洁的过程，氧等离子体可以在圆片表面生成一层薄薄的氧化层，从而使圆片表面变得具有亲水性，而亲水性的表面更易吸附氢氧基团，从而提高圆片键合能力。等离子体活化法，不采用化学试剂清洗，且增大了表面活化能，更利于后道的直接键合过程。
参考图3，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，从而使得石英玻璃和钝化层键合在一起。
实验1
1、在倒装芯片表面形成一层1μm-10μm厚的SiO2钝化层，其中钝化层的厚度根据所需的键合力以及透光率来调整，钝化层的形成可以用磁控溅射、PVD、蒸镀等方式实现。
2、采用无铅锡膏(或者其它金属固晶材料，也可以用助焊直接将倒装紫外芯片与封装支架上的金属线路固定)将紫外倒装芯片固晶于布有金属线路的陶瓷封装支架上，然后通过回流焊工艺，完成固晶步骤。
3、等离子清洗或超声清洗，固晶后的陶瓷封装支架和待键合的石英玻璃，清洗完成后用去离子水冲洗，其中等离子清洗或超声清洗的清洗时间根据陶瓷封装支架和待键合的石英玻璃上的异物数量以及结合力来调整，同样的，去离子水冲洗的时间也根据清洗后异物数量以及结合力来调整。
4、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％，即市售的分析纯浓度，将清洗液加热至80℃-130℃，在清洗液中进行二次清洗1min-30min，然后再用去离子水冲洗，其中H2SO4与H2O2的比例、二次清洗的温度以及时间根据实际的清洗效果来调整。
5、配制活化液，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％，即市售的分析纯浓度，将经过二次清洗的封装支架以及石英玻璃放入其中，加热至80℃-130℃，反应时间为1min-40min，然后冷却至室温，再用去离子水清洗，其中活化液中NH3.H2O、H2O2、H2O的比例、反应的温度和反应的时间根据活化的实际效果来调整。
6、将活化后的石英玻璃的待键合面与倒装紫外芯片上的钝化面贴合在一起，放入真空热压设备中(热压设备的参数设定：压力0.5kg、时间10h、真空度-97kpa、温度150℃)，然后冷却到室温，完成产品制作，其中可以借助治具来固定活化后的石英玻璃和倒装紫外芯片，使石英玻璃的待键合面与倒装紫外芯片上的钝化面贴合在一起，真空热压设备也可以用其它具有相同效果的压合设备来替代，真空热压设备的参数也可以根据实际的键合效果来调整。
其中清洗液和活化液中各物质的比例以及反应条件详见表1。
表1
对表1中的中各物质的比例以及反应条件所获得的产品进行检测，其键合界面之间无空洞，石英玻璃和芯片的键合强度可达4MPa以上，具有很好的机械强度，满足紫外，尤其是深紫外LED封装应用。
实验2
1、在倒装芯片表面形成一层1μm-10μm厚的SiO2钝化层，其中钝化层的厚度根据所需的键合力以及透光率来调整，钝化层的形成可以用磁控溅射、PVD、蒸镀等方式实现。
2、采用无铅锡膏(或者其它金属固晶材料，也可以用助焊直接将倒装紫外芯片与封装支架上的金属线路固定)将紫外倒装芯片固晶于布有金属线路的陶瓷封装支架上，然后通过回流焊工艺，完成固晶步骤。
3、将固晶后的陶瓷支架和石英玻璃放入等离子处理仪，使用O2等离子体轰击SiO2钝化层和石英玻璃的待键合面，(等离子处理仪参数设定：真空室真空度抽至0.1Pa，通入氧气，处理压强20Pa，5min，处理功率50W)，其中等离子处理仪参数设定可以根据实际的处理效果来调整。
4、配制活化液，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％，，将经过二次清洗的封装支架以及石英玻璃放入其中，加热至80℃-130℃，反应时间为1min-40min，然后冷却至室温，再用去离子水清洗，其中活化液中NH3.H2O、H2O2、H2O的比例、反应的温度和反应的时间根据活化的实际效果来调整。
5、将活化后的石英玻璃的待键合面与倒装紫外芯片上的钝化面贴合在一起，放入真空热压设备中(热压设备的参数设定：压力0.6kg、时间8h、真空度-98kpa、温度250℃)，然后冷却到室温，完成产品制作，其中可以借助治具来固定活化后的石英玻璃和倒装紫外芯片，使石英玻璃的待键合面与倒装紫外芯片上的钝化面贴合在一起，真空热压设备也可以用其它具有相同效果的压合设备来替代，真空热压设备的参数也可以根据实际的键合效果来调整。
其中活化液中各物质的比例以及反应条件详见表2。
表2
对表2中的中各物质的比例以及反应条件所获得的产品进行检测，其键合界面之间无空洞，石英玻璃和芯片的键合强度可达4MPa以上，具有很好的机械强度，满足紫外，尤其是深紫外LED封装应用。
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 (10)
1.一种紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、在紫外倒装芯片的出光面上形成一钝化层；
S2、将紫外倒装芯片固晶在封装支架上，并且使紫外倒装芯片的两个电极分别与封装支架上的两个电极相电连接；
S3、利用活化技术使石英玻璃的待键合面和钝化层都活化；
S4、将经过步骤S3处理后石英玻璃的待键合面和钝化层相贴合，在外力作用下使石英玻璃直接与钝化层键合，从而使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上。
2.根据权利要求1所述的紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：步骤S3中的活化技术包括以下步骤，
S31、清洗，对固晶后的封装支架以及石英玻璃进行清洗，以清除封装支架以及石英玻璃上的污染物，并使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性；
S32、活化，将经过步骤S31处理后的封装支架和石英玻璃放入活化液中，以使石英玻璃的待键合面和紫外倒装芯片的钝化层活化。
3.根据权利要求2所述的紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：所述活化液包括NH3.H2O、H2O2和H2O。
4.根据权利要求3所述的紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：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1min-40min。
5.根据权利要求2所述的紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：所述步骤S31中的清洗步骤包括以下步骤，
(1)、用等离子清洗或超声清洗固晶后的封装支架和待键合的石英玻璃,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)处理后的封装支架和石英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1min-30min，然后再用去离子水冲洗。
6.根据权利要求2所述的紫外LED封装结构的封装方法，其特征在于：所述步骤S31中的清洗步骤包括以下步骤，
(a)、将固晶后的封装支架和待键合的石英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石英玻璃的待键合面，使得紫外倒装芯片的钝化层和石英玻璃的待键合面具有亲水性。
7.一种紫外LED封装结构，包括封装支架、紫外倒装芯片和石英玻璃，紫外倒装芯片固定安装在封装支架上，并且紫外倒装芯片的两个电极分别与封装支架上的两个电极相电连接，其特征在于：所述紫外倒装芯片的出光面上具有一钝化层，所述石英玻璃与该钝化层键合，使石英玻璃直接固定到紫外倒装芯片上。
8.根据权利要求7所述的紫外LED封装结构，其特征在于：所述钝化层为SiO2钝化层。
9.根据权利要求8所述的紫外LED封装结构，其特征在于：所述钝化层的厚度为1μm-10μm。
10.根据权利要求7所述的紫外LED封装结构，其特征在于：所述封装支架为陶瓷支架，所述封装支架的周缘设有围挡，所述围挡的高度不小于紫外倒装芯片的厚度。
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