CN114937662B - 一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于3D打印技术的micro‑LED封装工艺，属于半导体封装的技术领，该工艺利用3D打印机在PCB基板上打印镜面反射铝层、焊盘、焊线、围坝、荧光胶结构与光学透镜，通过打印焊线将内外侧的焊盘一一相连，在此基础上，镜面反射铝层表面打印固晶胶，将micro‑LED芯片阵列排布，放入烤箱固化，再分别打印用于连接micro‑LED芯片与内排的焊盘的焊线，之后打印包围micro‑LED芯片的围坝，打印填充micro‑LED芯片与围坝之间空隙的荧光胶结构，最后打印覆盖在micro‑LED芯片芯片上的光学透镜，完成micro‑LED芯片的封装工艺。本工艺简化了传统的封装工艺流程，降低了制造成本，提高封装效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体封装的技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺。
背景技术
多光子光刻是一种3D打印技术，主要是利用飞秒激光脉冲和双光子吸收，能够显著提高3D打印精度，其原理是通过三维软件制造高分辨率的三维结构，通过纳米级精密移动台，使打印焦点在光敏物质中移动，因为双光子吸收属于三阶非线性光学效应，只有在激光焦点处才会有双光子聚合，焦点照射的位置，光敏物质变性、固化，因此能够打印任意的高精度物体。推动了3D打印技术向小型化，高精度方向发展达到了微米级别的打印精度，通过打印光刻胶等材料，使得打印光学透镜成为可能。
Micro-LED是尺寸缩小到微米级的发光二极管芯片组成的发光阵列，相较于当前广泛使用的LED具有亮度更高、功耗低等优势，同时还具备可提供更大的信道带宽，对于4G、5G技术需要使用的频率更高，同时可见光的波段有更快的传输速率的能力，因此在可见光通信领域具有巨大的发展潜力。
micro-LED的制备包括芯片制作、封装等工艺流程，传统的封装工艺多采用正装结构，将micro-LED芯片排列在PCB基板表面，micro-LED芯片之间通过金线相互连接，形成电路连通。发明人发现，传统封装工艺利用焊线机焊金线，经常会出现金线材料聚集于芯片衬底的表面、金线键合困难的问题；同时为了提高micro-LED的出光效率，通常使用带有半球形透镜的封装结构，使整个封装工艺流程变得繁琐。
发明内容
为了解决焊线问题，提高封装效率、有效减少工艺复杂度，本申请提供一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺。
本申请提供的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺采用如下的技术方案：
一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，包括如下步骤：
步骤1：对micro-LED芯片的封装结构进行三维建模，输出三维建模文件；
步骤2：根据三维建模文件，利用3D打印机在PCB基板中央打印一层镜面反射铝层；
步骤3：在PCB基板上，围绕镜面反射铝层的周边打印内外两排焊盘；
步骤4：利用3D打印机打印焊线，根据三维建模文件将内外两排焊盘一一相连，形成连通的电路；
步骤5：利用3D打印机在镜面反射铝层表面打印一层固晶胶；
步骤6：将micro-LED芯片在镜面反射铝层上按照nxn的阵列方式排布，排列好后将PCB基板放入烤箱内，完成micro-LED芯片与PCB基板的固定；
步骤7：利用3D打印机打印连接线路，将micro-LED芯片上的电极与PCB基板上距离中央较近的内侧焊盘连接；
步骤8：在镜面反射铝层外围打印围坝；
步骤9：将荧光粉与有机硅胶混合，经过搅拌和脱泡后，打印至围坝圈内，填充围坝的内圈，打印出荧光胶结构；
步骤10：在荧光胶结构表面打印光学透镜，完成micro-LED芯片的封装。
通过采用上述技术方案，利用3D打印技术对micro-LED芯片封装结构进行整体建模，分别打印出封装所需材料，最终完成micro-LED芯片的封装。上述封装工艺由于使用高精度的3D打印机，能够最大程度缩小材料尺寸，增大间隔空间，增强芯片的散热能力，且能够解决金线键合困难的问题。在保证micro-LED芯片性能的条件下，简化封装的工艺流程，降低制造成本，提高封装效率。
优选的，所述步骤2中，镜面反射铝层由镜面反射铝制成，3D打印机为金属烧结3D打印机。
通过采用上述技术方案，镜面反射铝层起到镜面反射的作用，提高micro-LED的发光亮度，实现功耗低的优点。
优选的，所述步骤5中，打印的固晶胶材料包括含银的环氧树脂，3D打印机为双光子微纳3D打印机。
通过采用上述技术方案，含银的环氧树脂作为micro-LED芯片固定的胶粘剂，具有较好的固定性能，可靠性较好，双光子微纳3D打印机具有精度高、打印效率高的优点，设备与选材的结合，有利于micro-LED芯片达成良好的固定效果。
优选的，所述步骤6中，烤箱烘烤温度为150℃，烘烤时间为20min。
通过采用上述技术方案，在上述烘烤温度和烘烤时间下，有效的完成micro-LED芯片与PCB基板之间的固化。
优选的，所述步骤8中，打印围坝的材料为有机硅。
通过采用上述技术方案，有机硅具有优良的耐候性、电气绝缘性，使封装形成的micro-LED产品具有良好的光学性能和可靠性。
优选的，所述步骤8中，围坝的形状为正方形的框体，围坝的侧面与PCB基板之间的夹角为90°至130°。
优选的，步骤9，荧光粉的材料为铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮/氧化物荧光粉、钨/钼酸盐荧光粉、硫化物荧光粉、磷酸盐荧光粉、硼酸盐荧光粉其中一种或多种，荧光粉与有机硅胶的配置比例为1：3。
通过采用上述技术方案，有机硅胶具有透明性，与荧光粉混合后，保证micro-LED芯片可以透过荧光胶层发光，且有机硅胶具有优良的耐候性和电气绝缘性。
优选的，所述步骤9中，荧光胶结构表面形状为半球状。
优选的，所述步骤10中，打印的光学透镜覆盖于荧光胶结构表面，光学透镜的表面形状为半球状。
通过采用上述技术方案，有利于micro-LED芯片光源发散性更广，提高能耗，增加光亮度。
优选的，所述步骤10中，打印光学透镜的材料为硅胶、光学级聚甲基丙烯酸甲酯、光学级聚碳酸酯、光学玻璃材料其中一种。
通过采用上述技术方案，增强micro-LED芯片光源折射，使封装后的micro-LED产品具有优良的亮度，使用的材料具有稳定性、寿命长、无影像烙印等优点。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本工艺使用高精度的3D打印机，能够最大程度缩小材料尺寸，增大间隔空间，增强芯片的散热能力，且能够解决金线键合困难的问题。在保证micro-LED芯片性能的条件下，简化封装的工艺流程，降低制造成本，提高封装效率。
2.打印的光学透镜覆盖于荧光胶结构表面，光学透镜的表面形状为半球状，有利于micro-LED芯片光源发散性更广，提高能耗，增加光亮度。
附图说明
图1是本发明实施例的工艺流程图。
图2是本发明实施例对应打印出的micro-LED芯片封装结构上的PCB基板、焊盘、焊线和镜面反射铝层的平面示意图。
图3是本发明实施例对应打印出的micro-LED芯片封装结构的剖面示意图。
附图标记说明：200、PCB基板；210、镜面反射铝层；220、焊盘；310、micro-LED芯片；320、荧光胶结构；330、围坝；340、光学透镜。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺。参照图1至图3，该工艺包括以下步骤：
步骤1：使用三维建模软件对micro-LED芯片310的封装结构进行三维建模，封装结构如图2和图3所示，三维建模软件可以为Solidworks、3DsMAX、UG、PROE、CATIA、AutoCAD，本实施例选用Solidworks，三维建模文件选为STL文件。
步骤2：利用金属烧结3D打印机，导入三维建模文件，在操作面板中选择铝为打印材料，待打印机工作平台预热结束后，点击加工按钮，打印机根据建模文件在PCB基板200中央打印一层镜面反射铝层210；镜面反射铝层210的尺寸为2mm×2mm，厚度为0.01-0.5mm，在本实施例中，厚度选择为0.3mm。
步骤3：在金属烧结3D打印机的操作面板中选择铜为打印材料，待打印机工作平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件在PCB基板200四侧周边分别打印内外两排焊盘220，内外两排焊盘220均围绕于镜面反射铝层210的周侧设置，每排分布于镜面反射铝层210的每一边焊盘220数量为8个，四边共64个焊盘220，每一个焊盘220尺寸为0.3mm×0.3mm，厚度为0.01-0.5mm，材料可以为银、金、铜、铝、铁、锡或其中一种或多种合金，在本实施例中，厚度选用0.2mm，材料选用金属铝材料。
步骤4：打印焊线，焊线材料可以是银、金、铜、铝、铁、锡或其中一种或多种合金，本实施例选用焊线材料为铜材料，在金属烧结3D打印机的操作面板中选择铜为打印焊线的材料，待3D打印机的工作平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件将PCB基板200上靠内一排的焊盘220与靠外一排的焊盘220通过焊线一一相连，形成连通的电路。
步骤5：利用双光子3D打印机，导入步骤1的三维建模文件，在双光子3D打印机的操作面板中选择含银的环氧树脂作为打印材料，双光子3D打印机的型号可以为Altraspin 3D打印机、Nanoscribe双光子微纳3D打印机；
待双光子3D打印机的工作平台预热结束后，点击加工按钮，双光子3D打印机根据三维建模文件在镜面反射铝层210表面打印一层固晶胶，固晶胶作为胶黏剂，用于粘接micro-LED芯片310与镜面反射铝层210；固晶胶打印的尺寸形状为边长10-500um的正方形，在本实施例中，边长尺寸为80um。
步骤6：将micro-LED芯片310在镜面反射铝层210上按照nxn的阵列方式排布，相邻两个micro-LED芯片310之间直线间距为0.5mm，n值范围为1-20，在本实施例中，n值取4；
micro-LED芯片310的基本结构依次为衬底、n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层、p-GaN外延层；
将4x4排列好后将PCB基板200放入到烤箱中，烘烤温度设置为150℃，烘烤时间设置为20min，完成micro-LED芯片310与PCB基板200之间的固化。
步骤7：在金属烧结3D打印机的操作面板中选择金为打印材料，待金属烧结3D打印机的工作平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件打印连接线路，将micro-LED芯片310上的电极与PCB基板200上距离中央较近的内侧焊盘220连接；打印焊线的宽度为1mil，厚度为100nm。
步骤8：利用双光子3D打印机，导入三维建模文件，在双光子3D打印机的操作面板中选择有机硅为打印材料，待3D打印机的工作平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件在镜面反射铝层210的最外围打印一圈围坝330，围坝330的形状为正方形框体，围坝330的内圈直径为4mm，厚度为0.3mm，高度为0.5mm，围坝330侧面与PCB基板200之间的夹角可为90°至135°，在本实施例中，围坝330侧面与PCB基板200表面相互垂直。
步骤9：将荧光粉与液态硅胶以1：3的比例混合，使用高速离心机搅拌均匀、脱泡后，加入到双光子3D打印机内，荧光粉的材料可以为铝酸盐荧光粉，硅酸盐荧光粉，氮/氧化物荧光粉，钨/钼酸盐荧光粉，硫化物荧光粉，磷酸盐荧光粉，硼酸盐荧光粉其中一种或多种，本实施例优选硅酸盐荧光粉；
利用双光子3D打印机，导入三维建模文件，在打印机的操作面板中选择荧光胶为打印材料，待平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件将荧光粉与液态硅胶的混合液打印至围坝330的内圈，充分填满围坝330的内圈，且打印出的荧光胶结构320表面形状为半球状，半球表面的直径为4mm，高度为1mm。
步骤10：打印光学透镜340，光学透镜340的材料可以为硅胶、光学级聚甲基丙烯酸甲酯、光学级聚碳酸酯、光学玻璃材料其中一种，本实施例优选光学级聚甲基丙烯酸甲酯，利用双光子3D打印机，导入三维建模文件，在3D打印机的操作面板中选择光学级聚甲基丙烯酸甲酯为打印材料，待工作平台预热结束后，点击加工按钮，3D打印机根据建模文件在半球状表面的荧光胶结构320表面打印光学透镜340，光学透镜340覆盖荧光胶结构320的表面，透镜厚度为0.1-5mm，在本实施例中，厚度选为2mm，打印完成后取出，即完成micro-LED的封装。
本申请实施例一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺的实施原理为：利用3D打印机在PCB基板200上打印镜面反射铝层210、焊盘220、焊线、围坝330、荧光胶结构320与光学透镜340，通过打印焊线将内外侧的焊盘220一一相连，在此基础上，镜面反射铝层210表面打印固晶胶，将micro-LED芯片310阵列排布，放入烤箱固化，再分别打印用于连接micro-LED芯片310与内排的焊盘220的焊线，之后打印包围micro-LED芯片310的围坝330，打印填充micro-LED芯片310与围坝330之间空隙的荧光胶结构320，最后打印覆盖在micro-LED芯片310芯片上的光学透镜340，完成micro-LED芯片310的封装工艺。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对micro-LED芯片(310)的封装结构进行三维建模，输出三维建模文件；
步骤2：根据三维建模文件，利用3D打印机在PCB基板(200)中央打印一层镜面反射铝层（210）；
步骤3：在PCB基板(200)上，围绕镜面反射铝层（210）的周边打印内外两排焊盘(220)；
步骤4：利用3D打印机打印焊线，根据三维建模文件将内外两排焊盘(220)一一相连，形成连通的电路；
步骤5：利用3D打印机在镜面反射铝层（210）表面打印一层固晶胶；
步骤6：将micro-LED芯片(310)在镜面反射铝层（210）上按照nXn的阵列方式排布，排列好后将PCB基板(200)放入烤箱内，完成micro-LED芯片(310)与PCB基板(200)的固定；
步骤7：利用3D打印机打印连接线路，将micro-LED芯片(310)上的电极与PCB基板(200)上距离中央较近的内侧焊盘(220)连接；
步骤8：在镜面反射铝层（210）外围打印围坝(330)，所述围坝(330)的形状为正方形的框体，所述围坝(330)的侧面与PCB基板(200)之间的夹角为90°至130°。
2.步骤9：将荧光粉与有机硅胶混合，经过搅拌和脱泡后，打印至围坝(330)圈内，填充围坝(330)的内圈，打印出荧光胶结构(320)，荧光胶结构(320)表面形状为半球状；
步骤10：在荧光胶结构(320)表面打印光学透镜(340)，打印的光学透镜(340)覆盖于荧光胶结构(320)表面，光学透镜(340)的表面形状为半球状，完成micro-LED芯片(310)的封装。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤2中，镜面反射铝层（210）由镜面反射铝制成，3D打印机为金属烧结3D打印机。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤5中，打印的固晶胶材料包括含银的环氧树脂，3D打印机为双光子微纳3D打印机。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤6中，烤箱烘烤温度为150℃，烘烤时间为20min。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤8中，打印围坝(330)的材料为有机硅。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤9中，荧光粉的材料为铝酸盐荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮/氧化物荧光粉、钨/钼酸盐荧光粉、硫化物荧光粉、磷酸盐荧光粉、硼酸盐荧光粉其中一种或多种，荧光粉与有机硅胶的配置比例为1：3。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的micro-LED封装工艺，其特征在于：所述步骤10中，打印光学透镜(340)的材料为硅胶、光学级聚甲基丙烯酸甲酯、光学级聚碳酸酯、光学玻璃材料其中一种。
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