CN108766962A - 固态光源发光系统集成封装结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态光源发光系统集成封装结构及制作方法，所述封装结构包括光源驱动芯片、固态发光光源芯片和透镜，所述光源驱动芯片与透镜之间通过填充件连接，所述填充件的内侧具有反射面，且填充件在光源驱动芯片与透镜之间形成空腔，所述固态发光光源芯片贴装在光源驱动芯片的背面，且固态发光光源芯片位于空腔内。本发明采用晶圆级堆叠结构，将固态发光光源芯片贴装于光源驱动芯片背面，缩短了电流传输路径，减少了功率损耗，并且提高了组装精度，可以达到微米精度，使得固态光源发光系统的产品一致性和稳定性都获得提高，同时大大提升了封装工艺的吞吐量，可大幅度降低封装制造成本。

Description

固态光源发光系统集成封装结构及制作方法

技术领域

本发明涉及一种发光系统集成封装结构，尤其是一种固态光源发光系统集成封装结构及制作方法，属于发光系统封装领域。

背景技术

现在的固态发光照明技术，光源主要是发光二极管，简称LED,大量用做照明和显示屏等的光源。

系统主要功能结构包括以下三个方面：

1)固态光源，通常是发光二极管，LED(Light Emitting Diode)，现在镭射二极管，LD(Laser Diode)，在侦测类设备上作为光源上使用的情形也比较常见。

2)电源驱动芯片，给固态电源供电并执行开关功能；

3)光效调整镜头，通常为塑料镜头，调整光源的光照分布

现在的系统设计中，以上三个部分独立供货，在设计和加工阶段需要在电路板分别预留空间进行焊接和安装，不利于提前确认照明效果，而且占用的线路板面积过大。

通过电源驱动芯片来为固态光源提供电源发光。而这分别封装成芯片元器件，再电路板上进行连接。为调整光效，还需要在电路板上的光源封装体上方再罩上一个或者数个塑胶透镜。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种固态光源发光系统集成封装结构，该封装结构采用晶圆级堆叠结构，将固态发光光源芯片贴装于光源驱动芯片背面，缩短了电流传输路径，减少了功率损耗，并且提高了组装精度，可以达到微米精度，使得固态光源发光系统的产品一致性和稳定性都获得提高，同时大大提升了封装工艺的吞吐量，可大幅度降低封装制造成本。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述封装结构的制作方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种固态光源发光系统集成封装结构，包括光源驱动芯片、固态发光光源芯片和透镜，所述光源驱动芯片与透镜之间通过填充件连接，所述填充件的内侧具有反射面，且填充件在光源驱动芯片与透镜之间形成空腔，所述固态发光光源芯片贴装在光源驱动芯片的背面，且固态发光光源芯片位于空腔内。

进一步的，所述光源驱动芯片包括驱动芯片本体，所述驱动芯片本体上设有贯穿孔，所述贯穿孔用于将固态发光光源芯片的电源输入/输出端子连接在驱动芯片本体的背面，所述驱动芯片本体的背面设有金属垫，所述金属垫用于连接固态发光光源芯片，所述驱动芯片本体的正面设有第一凸块，所述第一凸块上设有锡帽。

进一步的，所述固态发光光源芯片包括光源芯片本体，所述光源芯片本体具有发光面，光源芯片本体在与发光面相反的一面设有第二凸块。

进一步的，所述固态发光光源芯片的表面设有光源保护胶。

进一步的，所述填充件分别通过粘合剂与透镜、光源驱动芯片连接。

进一步的，所述粘合剂采用环氧树脂或聚酰亚胺材料。

进一步的，所述填充件包括基体，所述基体的内侧具有反射面，基体的上表面和反射面沉积有金属层，所述金属层上镀有反光层。

进一步的，所述基体的材料采用耐高温的玻璃、环氧树脂、聚酰亚胺或硅胶。

进一步的，所述透镜包括透光玻璃，所述透光玻璃上涂布胶体并进行压合。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种上述封装结构的制作方法，所述方法包括透镜的加工、填充件的加工、光源驱动芯片的加工、固态发光光源芯片的加工以及固态光源发光系统的封装；

所述固态光源发光系统的封装，具体包括：

将固态发光光源芯片贴装到光源驱动芯片晶圆背面的光源驱动芯片位置处，形成第一半成品；

将印刷粘合剂的填充件对准压合在第一半成品上，并进行固化，形成第二半成品；

在第三半成品的固态发光光源芯片上添加光源保护胶，形成第三半成品；

在第三半成品上表面印刷粘合剂，形成第四半成品；

将透镜压合到第四半成品上，并进行固化，形成第五半成品；

将第五半成品切割成单个成品，进行质量检查和测试，选出好的成品。

进一步的，所述透镜的加工，具体包括：

准备晶圆形状的透光玻璃，并清洁透光玻璃表面；

在透光玻璃上涂布流体胶水；

将模具压合到涂布流体胶水后的透光玻璃表面，并固化流体胶水形成胶体；

将模具从透光玻璃和胶体表面脱离。

进一步的，所述填充件的加工，具体包括：

准备填充件的基体材料；

使用模具将基体压制成晶圆形状，并压出相关反射面；

在基体的上表面和反射面进行金属沉积，并在最后一层镀银，增加反光性，最终形成反光层；

在基体的下表面印刷粘合剂。

进一步的，所述光源驱动芯片的加工，具体包括：

制作光源驱动芯片的晶圆；

在驱动芯片本体上制作贯穿孔，将固态发光光源芯片用的电源输入/输出端子贯穿到驱动芯片本体的背面，并驱动芯片本体的背面制作金属垫，以连接固态发光光源芯片，同时在驱动芯片本体的正面制作第一凸块，以及在第一凸块上制作锡帽；

对光源驱动芯片晶圆上的光源驱动芯片进行晶圆级测试，选出好的光源驱动芯片。

进一步的，所述固态发光光源芯片的加工，具体包括：

在固态发光光源芯片晶圆上制作发光面，在与发光面相反的一面制作第二凸块；

将制作第二凸块后的固态发光光源芯片晶圆进行切割，分为一颗颗的固态发光光源芯片，并进行测试，选出好的固态发光光源芯片。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用晶圆级堆叠结构，将固态发光光源芯片贴装于光源驱动芯片背面，缩短了电流传输路径，减少了功率损耗，并且提高了组装精度，可以达到微米精度，使得固态光源发光系统的产品一致性和稳定性都获得提高，同时大大提升了封装工艺的吞吐量，可大幅度降低封装制造成本，通过集成封装，减少了使用的封装材料种类和数量，有利于降低材料成本。

2、本发明实现了芯片级封装，使得固态光源发光系统在线路板上的占用面积仅为光源驱动芯片晶圆的裸芯片尺寸，大大缩小了占用线路板的面积，并且将透镜集成到封装结构中，降低了整个封装结构的高度，适合对于器件大小敏感的应用场合，特别是在移动终端上。

3、本发明的透镜采用玻璃与胶体(如耐高温的环氧树脂、硅胶)结合的方法，实现了传统塑料透镜易加工性(因为透光性要求，业界通用的塑料镜头为PMMA，不耐高温，在无铅回流焊炉中会软化)和玻璃透镜的稳定性(但是加工困难，特别是非球面)的优势结合，通过晶圆级纳米压印工艺实现了大吞吐量的高精度且耐高温的透镜，使得整个集成封装结构可以直接在线路板上进行焊接，仅采用现在通用的表面贴装回流焊工艺即可。

4、本发明将固态光源发光系统所需的光源、驱动芯片、光效调整透镜集成在一个封装结构中，简化了后续应用时加工流程：整个封装结构被集成到一个元件当中，取代了现有光源驱动芯片和固态发光光源芯片要分别焊接到线路板上，在安装透镜结构的繁琐流程，同时也取消了透镜固定结构；整个封装结构被集成到一个元件当中，在后续生产之前，可以单独进行电性能和光效测试，避免原来的分立结构要焊接到设备电路板上才能进行测试的弊端，减少产品不良和重工的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的固态光源发光系统集成封装结构示意图。

图2为本发明实施例的光源驱动芯片结构示意图。

图3为本发明实施例的固态发光光源芯片结构示意图。

图4为本发明实施例的填充件结构示意图。

图5为本发明实施例的透镜结构示意图。

图6为本发明实施例的制作封装结构时第一半成品示意图。

图7为本发明实施例的制作封装结构时第二半成品示意图。

图8为本发明实施例的制作封装结构时第三半成品示意图。

图9为本发明实施例的制作封装结构时第四半成品示意图。

图10为本发明实施例的制作封装结构时第五半成品示意图。

其中，1-光源驱动芯片，11-驱动芯片本体，12-贯穿孔，13-金属垫，14-第一凸块，15-锡帽，2-固态发光光源芯片，21-光源芯片本体，22-发光面，23-第二凸块，3-透镜，31-透光玻璃，32-胶体，4-填充件，41-基体，42-反射面，43-反光层，5-空腔，6-第一粘合剂，7-第二粘合剂，8-光源保护胶。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1～图5所示，本实施例提供了一种固态光源发光系统集成封装结构，该封装结构包括光源驱动芯片1、固态发光光源芯片2和透镜3，光源驱动芯片1与透镜3之间通过填充件4连接，填充件4在光源驱动芯片1与透镜3之间形成空腔5，固态发光光源芯片2贴装在光源驱动芯片1的背面，且固态发光光源芯片2位于空腔5内。

所述光源驱动芯片1用于控制固态发光光源芯片2的电流、电压，调整固态发光光源芯片2的发光强度，其包括驱动芯片本体11，驱动芯片本体11上设有贯穿孔12，具体地，贯穿孔12使用晶圆贯穿孔工艺在驱动芯片本体11上制作，该贯穿孔12用于将固态发光光源芯片2的电源输入/输出端子连接在驱动芯片本体11的背面，驱动芯片本体的背面设有金属垫13，金属垫13用于连接固态发光光源芯片2，同时驱动芯片本体11的正面设有第一凸块14，该第一凸块14上设有锡帽15，优选地，第一凸块14采用铜材料制成，第一凸块14和锡帽15构成后续应用时在设备的线路板焊接用的端子，利用第一凸块14和锡帽15组成大块的焊接凸块，形成导热路径，增加导热能力。

所述固态发光光源芯片2可以采用LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)光源发光，也可以采用固态激光光源发光，如DFB(Distributed Feed Back，分布式反馈)光源、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)光源等，也就是说固态发光光源芯片2可以采用LED发光光源芯片，也可以采用激光二极管(或激光二极管阵列)发光光源芯片，本实施例采用蓝光LED发光光源芯片，并且图3中示出的是覆晶结构的蓝光LED发光光源芯片，其包括光源芯片本体21，光源芯片本体21具有发光面22，光源芯片本体21在与发光面22相反的一面设有第二凸块23，第二凸块23构成固态发光光源芯片2的电源输入/输出端子。

所述透镜3为晶圆形状，用于调整照明效果，包括但不限于光锥角，光强分布等，该透镜3根据固态发光光源芯片2的使用环境和要求，可以采用不同的晶圆级光学器件，包括DOE(diffractive optical element，衍射光学元件)、ROE(Refractive optical element，折射光学元件)、光栅等，都可以使用相同的晶圆级光学加工工艺实现；本实施例采用了菲涅耳透镜的形式进行说明，其包括透光玻璃31，透光玻璃31优选采用超白高透光玻璃，在透光玻璃31上涂布胶体32并进行压合，具体地，使用精密加工模具进行压合，胶体32可以使用环氧树脂、硅胶等。

所述填充件4用于配合透镜3调整光照效果，其包括基体41，基体41的材料可以采用耐高温的环氧树脂、聚酰亚胺或硅胶，其内侧具有反射面42，该反射面42可以为平面、锥面、抛物面、球面或者非球面，以最大效率使得固态发光光源芯片2发出的光从上表面发射出去，基体41的上表面和反射面42沉积有金属层，金属层采用铜、镍、铝等金属制成，在金属层的最后一层上镀银，增加反光性，并最终形成反光层43。

进一步地，本实施例的封装结构还包括第一粘合剂6和第二粘合剂7，第一粘合剂6和第二粘合剂7可分别印刷在基体41的上、下表面，通过第一粘合剂6可使填充件4与光源驱动芯片1进行对准压合，通过第二粘合剂7可使填充件4与透镜3进行对准压合，第一粘合剂6和第二粘合剂7可以采用环氧树脂、聚酰亚胺等材料。

为了保护固态发光光源芯片2，本实施例的封装结构还包括光源保护胶8，所述光源保护胶8设置在固态发光光源芯片2的表面，针对使用蓝光或者紫外LED来制造白色光源时，还可以在里面添加荧光粉，以产生其他颜色的光，进而混成白光，荧光粉为市面通用的材料，可以根据LED芯片类型进行调整，如果使用激光二极管(或激光二极管阵列)来制造光源时，则不需要添加荧光粉。

本实施例还提供了一种上述封装结构的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)透镜的加工

本实施例具体说明了一种晶圆级透镜加工工艺，晶圆级透镜为在透光玻璃上压印胶体，使胶体形成透镜形状，可以是球面镜、非球面镜、菲涅耳透镜等折射光学元件，也可以是衍射型光学元件，以菲涅耳透镜进行说明，选用超白高透光玻璃，以及可固化的胶体，如环氧树脂、硅胶等，经模具压合形成菲涅耳透镜的齿形。

1.1)模具准备

根据菲涅耳透镜的齿形设计，机械加工模具，作为原始模具；根据光学设计的要求，可以使用不同等级的加工精度，如微米级或者纳米级机械加工。

根据生产要求，可以直接使用原始模具进行压印(在模具加工时其齿形和菲涅耳透镜的齿形相反)，也可以使用原始模具(此时原始模具的齿形和菲涅耳透镜的齿形相同)来加工生产模具用于压印透镜；生产模具可以在原始模具表面进行电铸来制造，形成反相的齿形。

模具上每个单透镜的尺寸和光源驱动芯片晶圆的裸芯片尺寸相同(包括切割道尺寸)；每片模具根据光源驱动芯片晶圆尺寸的不同，可以包含不同数量的单透镜；用于生产的模具，其压印表面要进行脱模处理，在压合喷涂低于微米厚度的涂层，避免脱模黏连。

1.2)玻璃准备及清洁

根据光源驱动芯片的尺寸，准备类似尺寸的超白透光玻璃，并清洁玻璃表面，透光玻璃的尺寸可以比光源驱动芯片的尺寸稍大一些。

1.3)玻璃上涂布流体胶水

使用点胶、喷涂或旋转喷涂的方式将流体胶水涂布到透光玻璃表面。

根据选用流体胶水的不同，也可以在透光玻璃表面涂覆一层底涂层(此底涂层在加工过程中始终为薄层状，不参与齿形的形成)，以增强形成透镜齿形的流体胶水在玻璃-胶体结构上的粘合强度。

1.4)模具压合

将模具压合到涂布流体胶水后的透光玻璃表面，为便在压合时形成气泡或者空洞，此压合过程需要在真空下进行。

1.5)流体胶水固化

根据流体胶水的固化类型，可以使用紫外或加热使胶水固化，形成稳定的齿形，针对菲涅耳透镜以外的透镜，则为各种曲面。

1.6)脱模

流体胶水固化后成为胶体，将模具从透光玻璃和胶体表面脱离。

2)填充件的加工

本实施例具体说明了一种晶圆级填充件及其反射面的加工工艺，基体的材料可以使用玻璃，但是由于玻璃在加工曲面反射面时比较困难，因此只有在加工平面反射面时才会考虑，因此本实施例提供了一种通用的填充件和反射面加工方法。

2.1)准备填充件的基体材料

使用耐高温的环氧树脂、聚酰亚胺或者硅胶。

2.2)模具压制

使用模具将基体压制成晶圆形状，并压出相关反射面，其晶圆尺寸与透镜的晶圆尺寸相同。

2.3)金属沉积

在基体的上表面和反射面进行金属沉积，沉积的金属包括铜、镍、铝等，并在最后一层镀银，增加反光性，最终形成反光层。

2.4)在基体的下表面印刷第一粘合剂

3)光源驱动芯片的加工

使用标准(本技术领域通用的)芯片加工工艺(扩散、光刻工艺)制作光源驱动芯片的晶圆，然后使用芯片光刻工艺(photolithography)类似的工艺来制作驱动芯片本体(wafer substrate)的贯穿孔(through silicon vis，TSV)。

具体地，制作光源驱动芯片的晶圆，在驱动芯片本体上制作贯穿孔，将固态发光光源芯片用的电源输入/输出端子贯穿到驱动芯片本体的背面，并驱动芯片本体的背面制作金属垫，以连接固态发光光源芯片，同时在驱动芯片本体的正面制作第一凸块，以及在第一凸块上制作锡帽，第一凸块和锡帽构成后续应用时在设备的线路板焊接用的端子。

对光源驱动芯片晶圆上的光源驱动芯片进行晶圆级测试，选出好的光源驱动芯片(known good die，KGD)。

4)固态发光光源芯片的加工

固态发光光源芯片可以为LED发光光源芯片，也可以为固态激光光源芯片，本实施例采用的是覆晶结构的LED发光光源芯片。

在固态发光光源芯片晶圆上制作发光面，在与发光面相反的一面制作第二凸块。

将制作第二凸块后的固态发光光源芯片晶圆进行切割，分为一颗颗的固态发光光源芯片，并进行测试，选出好的固态发光光源芯片。

5)固态光源发光系统的封装

本实施例的系统级封装以光源驱动芯片的晶圆(已经做好相关连接)为基础来进行封装。

5.1)将挑选好的固态发光光源芯片贴装到光源驱动芯片晶圆背面的光源驱动芯片位置处，形成第一半成品，如图6所示。

贴装工艺可以选择共晶焊接(eutectic bonding)、焊料焊接等。

5.2)将印刷第一粘合剂的填充件对准压合在第一半成品上，并进行烘烤固化，形成第二半成品，如图7所示。

5.3)在第三半成品的固态发光光源芯片上添加光源保护胶，根据需要加入荧光粉，形成第三半成品，如图8所示。

5.4)在第三半成品上表面印刷第二粘合剂，形成第四半成品，如图9所示。

5.5)将透镜压合到第四半成品上，并进行烘烤固化或紫外固化，形成第五半成品，如图10所示。

5.6)将第五半成品切割成六个成品，进行质量检查和测试，选出好的成品，如图1所示。

综上所述，本发明缩小了固态光源发光系统在线路板上的面积，由于将固态发光光源芯片、光源驱动芯片以及透镜通过系统级半导体封装方法集成到一起，整个封装体的焊接面积可以做到和驱动芯片的裸芯片一般大小，减少了器件在线路板上的面积；简化了线路板封装生产流程，将原来的固态发光光源芯片封装体与光源驱动芯片封装体的焊接，以及透镜与透镜固定结构的安装，简化为固态光源发光系统封装结构的焊接过程；整个固态光源发光系统封装结构在焊接到线路板之前可以单独进行电性能和光效的测试，提前筛选好的产品(发光系统封装体)，再进行焊接，避免由于原来的单独元件焊接和组装过程中造成的不良品重工，减少生产浪费；整个固态光源发光系统通过晶圆级封装形成，整个流程的精度可以达到微米级，有效保证了整个固态光源发光系统封装结构的电性能和光效的一致性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本发明专利的说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明专利的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明专利的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：包括光源驱动芯片、固态发光光源芯片和透镜，所述光源驱动芯片与透镜之间通过填充件连接，所述填充件的内侧具有反射面，且填充件在光源驱动芯片与透镜之间形成空腔，所述固态发光光源芯片贴装在光源驱动芯片的背面，且固态发光光源芯片位于空腔内。

2.根据权利要求1所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述光源驱动芯片包括驱动芯片本体，所述驱动芯片本体上设有贯穿孔，所述贯穿孔用于将固态发光光源芯片的电源输入/输出端子连接在驱动芯片本体的背面，所述驱动芯片本体的背面设有金属垫，所述金属垫用于连接固态发光光源芯片，所述驱动芯片本体的正面设有第一凸块，所述第一凸块上设有锡帽。

3.根据权利要求1所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述固态发光光源芯片包括光源芯片本体，所述光源芯片本体具有发光面，光源芯片本体在与发光面相反的一面设有第二凸块。

4.根据权利要求1所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述固态发光光源芯片的表面设有光源保护胶。

5.根据权利要求1所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述填充件分别通过粘合剂与透镜、光源驱动芯片连接。

6.根据权利要求5所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述粘合剂采用环氧树脂或聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述填充件包括基体，所述基体的内侧具有反射面，基体的上表面和反射面沉积有金属层，所述金属层上镀有反光层。

8.根据权利要求7所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述基体的材料采用耐高温的玻璃、环氧树脂、聚酰亚胺或硅胶。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种固态光源发光系统集成封装结构，其特征在于：所述透镜包括透光玻璃，所述透光玻璃上涂布胶体并进行压合。

10.一种权利要求1-9任一项所述封装结构的制作方法，其特征在于：所述方法包括透镜的加工、填充件的加工、光源驱动芯片的加工、固态发光光源芯片的加工以及固态光源发光系统的封装；

所述固态光源发光系统的封装，具体包括：

将固态发光光源芯片贴装到光源驱动芯片晶圆背面的光源驱动芯片位置处，形成第一半成品；

将印刷粘合剂的填充件对准压合在第一半成品上，并进行固化，形成第二半成品；

在第三半成品的固态发光光源芯片上添加光源保护胶，形成第三半成品；

在第三半成品上表面印刷粘合剂，形成第四半成品；

将透镜压合到第四半成品上，并进行固化，形成第五半成品；

将第五半成品切割成单个成品，进行质量检查和测试，选出好的成品。