CN115302397A - 一种芯片研磨设备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片研磨设备及其应用。其中，芯片研磨设备包括研磨盘以及与所述研磨盘相适配的芯片按压组件；芯片按压组件包括多个按压针以及与按压针一一配合的多个套管，按压针的一端露出套管用于固定所述芯片，套管内充有压力介质，通过调节压力介质的压力使按压针在套管内滑动。研磨芯片时，待研磨的芯片固定在按压针的下端并放置于研磨盘的曲面研磨区上进行研磨。本发明还公开了所述芯片研磨设备在研磨LED芯片出光面中的应用。本发明的研磨设备按压针的长度可根据曲面的形状伸缩，且可以保持不同按压针上的压力分布均匀，使芯片表面研磨形成的曲面与研磨盘曲面端面更好地贴合，减少因压力差导致的芯片表面弧度差。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，尤其是涉及一种芯片研磨设备及其应用。
背景技术
随着科学技术特别是材料、微电子信息、光学技术的发展，LED(发光二极管)产品的应用越来越广泛，具有很好的发展前景。在实际工业和生活中，LED主要应用在信息显示电子仪器、设备和家用电器等信息数码显示，城市交通信号灯、中大尺寸的LED背光源、半导体室内和室外照明、安全照明和特种照明、汽车内外灯和转向灯等等这些方面都有广泛应用。LED产业是朝阳、环保和节能产业，我国已经是世界最大的生产基地，其在上游外延和芯片产业也已经初具规模。
液晶电视使用的背光模组分成直下式背光和侧入式背光，直下式背光是LED灯条位于液晶面板正下方，通过扩散板和膜片等光学材料将LED发出点光源转化为均匀的面光源而让电视获得无灯影等良好的显示画面。在这里能让LED光源转化为均匀面光源，有两个主要因素影响：一是扩散板和膜片的光学结构对光源的折射和反射原理；另一个是LED本身的发光角度，发光角度越大越有利于显示效果。
目前在MOCVD(金属有机化学气相沉积)内完成LED外延磊晶得到wafer圆片，wafer圆片通过蚀刻/蒸镀等设备生长成带有发光层、P层、N层等的各级外延层后，经芯片前段完成P极、N极及发光区等工艺制备，最后进入LED芯片后端研磨减薄和抛光工艺等过程完成。在MOCVD生长完成wafer圆片时候，wafer呈现非常光滑的表面，此时决定了后续制作的芯片其出光面是一平表面，芯片封装为LED封装体后光源发光角度只能通过支架设计或外部光学透镜方式提升LED发光角度。由于制作过程忽略了光学出光设计，造成目前芯片都是平行从发光面出射。
为获得更多出光角度的LED芯片，现有技术中在对LED芯片完成P极、N极等工艺制备后对发光区ITO(氧化铟锡)进行平面改善为圆弧状的光学出光面。使得原来从发光区ITO平面出射的光线折射较更大，芯片发光角度明显增大。附图1中即为LED芯片改善为弧形光学出光面前后的发光角度对比。
具体地，现有技术中，专利号为ZL201910665453.9，专利名称为：一种LED芯片的研磨结构、研磨方法及LED芯片，公开了一种制备具有弧面出光面LED芯片的装置及方法。在该专利公开的技术方案中，压力作用在芯片条上，让研磨盘的研磨剂对LED平面出光面形成弧形的出光面进而增大芯片出光角度。但是，该技术方案芯片条上每处芯片承受力有所差异，最后形成的出光面弧度会有所差异，特别是芯片条两端的芯片差异较明显；并且由于压力的不同，导致芯片条上每处芯片最后形成的出光面弧度存在较大差异。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决的首要技术问题在于在芯片研磨过程中如何均匀地施加力使芯片表面形成的曲面与研磨盘曲面端面更好地贴合，减少因压力差导致的芯片表面弧度差。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案。
本发明的第一部分首先提供一种芯片研磨设备，包括：研磨盘以及与所述研磨盘相适配的芯片按压组件。
其中，所述芯片按压组件包括至少一个按压针，所述按压针也称pin针，以及与按压针一一配合的套管按压针至少部分置于套管中，套管内充有压力介质，通过调节压力介质的压力使按压针在套管内滑动，使按压针的一端露出所述套管，并将套管内的介质压力施加于按压针上。其中，按压组件与研磨盘的对向设置，所述对向设置，具体地是按压组件中按压针远离套管的一端指向研磨盘的方向，特别是，按压针远离套管的一端指向研磨端面的方向；同时，研磨盘也朝向按压组件的方向，特别是，研磨端面朝向按压针在套管内一端所指向的方向。
本发明中，所述压力介质是用来作为传递压力的介质；当使用气压推动按压针滑动时，压力介质为气体；当使用液压推动按压针滑动时，压力介质为液体。
芯片研磨设备在使用时，待研磨的芯片固定于按压针上远离套管的一端，通过在套管中施加压力将按压针推出使芯片待研磨面与研磨盘接触，进一步通过芯片与研磨盘相对运动实现对芯片研磨。
在本发明优选的实施方式中，所述按压针具有柱体结构，按压针的柱体外壁与套管的内壁相互配合，更优选地，所述柱形结构为圆柱体结构或类似于圆柱体的结构。所述类似于圆柱体的结构，包括但不限于选自，具有端部是半球型的圆柱体，具有端部是针状的圆柱体，具有端部是球型的圆柱体。
本发明中，优选地，按压针的直径，特别是按压针远离套管一端的端部直径与待研磨芯片的大小相关，使得待研磨芯片能固定于按压针的一端。更优选地，按压针直径为0.5mm～1mm。
在本发明中，芯片按压组件包括至少一个按压针，优选地，所述按压针的数量不少于两个，更优选地按压针的数量不少于三个；多个按压针均匀地分布于待研磨芯片的表面。
本发明中，所述套管是由刚性材料制备，是具有刚性结构的刚性空心管。在具体的实施方式中，可选地，套管是空心钢管。套管内放置按压针，刚性管保证针和连接套管能稳定的上下移动进行按压芯片模块。
所述研磨设备进一步包括压力控制器。在可选的实施方式中，套管通过压力介质传输管与压力介质泵连接，压力控制器通过控制压力介质泵进而控制压力介质的压力。其中，每个套管内压力介质的压力各自独立地由压力控制器控制。所述压力控制器包括压力参数设定部件，优选地，所述压力参数设定部件设置于研磨设备上。
所述研磨盘的朝向按压针一侧的端面为研磨区，也称为研磨端面，优选地，是呈曲面状的曲面研磨区，所述曲面研磨区用于与所述芯片的待研磨面相接触；所述研磨盘的中心设置有轴孔，研磨盘以经过所述轴孔的直线的中心轴进行旋转，当所述研磨盘处于旋转状态时，所述曲面研磨区对所述芯片进行研磨，并将所述芯片的待研磨面研磨成与所述曲面研磨区相适配的曲面。
本发明所述中心轴是研磨盘的立体结构能基于该中心轴所在的直线构成轴对称。具体地，基于该中心轴所在的直线做任意平面，所述平面切割研磨盘所形成的平面形状以该中心轴所在的直线轴对称。在中心轴穿过研磨盘立体结构的线段上选取任一点做与中心轴垂直的平面，该平面切割研磨盘所形成的平面形状以该点为中心，中心对称。
一种确定中心轴所在直线的方法是：在研磨盘的研磨区上任选一点，在该点上做基于该点在研磨区表面上所在微元的垂线；在空间中基于研磨盘的中心点以及上述垂线可以确定一个平面。重复上述步骤，在研磨区中再选取另外的任意一点，做出经过该点的研磨面的垂线，并进一步通过该垂线与研磨盘中心点确定另一个平面。两个平面相交得到一条直线，则该直线即为中心轴所在的直线。如果两个平面重合，那么再重复上述步骤，直到获得的平面与之前得到的平面相交为止。
本发明中研磨盘的曲面研磨区，所述曲面不限于球面状，还包括凸、凹、S或U形等多种形式设计的研磨盘，最后能够实现实际应用中所要求的LED芯片不同形状的出光面。优选地，所述曲面选自凹球面、凹非球面、凸球面、凸非球面、S型曲面或U型曲面。当曲面为球面时，优选地，球面曲率半径为4米～6米。
本发明中，研磨盘不限于锡Sn和铋Bi合金材料，还包括陶瓷、其他铁铝等制品；研磨剂不限于金刚石，还包括Sic、氧化锆等硬度强的材料。
本发明中，所述研磨设备可进一步包括芯片缓冲件，所述芯片缓冲件设置于待研磨芯片与按压针之间，用于在研磨时带来缓冲，以免芯片损害。具体地，所述待研磨芯片通过芯片缓冲件固定于按压针远离套管的一端。在本发明优选的实施方式中，所述芯片缓冲件选自软性胶皮、软性胶条或软性胶块的一种或其组合。
本发明中，所述研磨设备进一步包括润滑溶剂喷涂组件，所述润滑剂喷涂组件包括至少一个喷嘴，喷嘴设置于研磨盘朝向按压组件的端面一侧，用于将起润滑作用的溶剂喷洒于研磨盘上；优选地，所述润滑溶剂喷涂组件进一步包括喷涂控制器，所述喷涂控制器用于设定喷嘴喷洒时间以及每两次喷洒之间的时间间隔。
本发明进一步提供一种使用本发明第一部分所述芯片研磨设备在研磨LED芯片出光面中的应用。其中，LED芯片固定于按压针上远离套管的一端，并通过套管内的其他推动至芯片与研磨盘接触，所述研磨盘通过朝向按压针一侧的端面对所述LED芯片的出光面进行研磨，并将所述LED芯片的出光面研磨成曲面。
需要指出，适用于研磨的芯片不限于LED芯片，还包括各种IC、二极管或三极管等所具有和LED芯片相同制备工艺的产品。
本发明中，所述研磨盘的端面是指研磨盘两端的面，可以将研磨盘近似理解为一个圆柱体，端面是该圆柱体两端的面。需要指出端面并非研磨盘侧壁所在的曲面。
本发明进一步提供一种使用上述芯片研磨设备研磨芯片的方法，包括以下步骤：
(1)将待研磨固定在芯片按压组件按压针的下端；
(2)通过调节套管内的压力介质的压力使按压针推出，使所述芯片的待研磨面与所述曲面研磨区相接触；
(3)开启研磨盘以预设转速转动，将所述芯片的待研磨面研磨成与所述曲面研磨区相适配的曲面。
优选地，在步骤(1)中，所述按压针的下端与芯片之间设置有软性胶皮，所述芯片固定在所述软性胶皮上，所述软性胶皮具有粘性。
在上述方法中，一个优选的实施例是对LED芯片的出光面进行研磨。此时，在步骤(1)中所述切割后的芯片，优选地为经过减薄的外延片切割成宽度为单个LED芯片的条形LED芯片。
本发明的最后一部分还提供了基于上述第一部分所述的芯片研磨设备通过所述研磨方法制备得到的芯片。基于本发明的研磨设备可以减少因压力差导致的芯片表面弧度差，赋予了待研磨芯片，特别是LED芯片出光面，新的结构特征。因此，具备新的结构特征的研磨后的芯片也在本专利的保护范围中。
此外，本发明基于ZL201910665453.9的技术方案对其改进，该专利的技术信息也以引用的形式引入本专利中，亦可作为对本专利非做出创造性贡献的技术特征的描述和解释。
对于LED芯片而言，使用本发明的技术效果在于，改变LED芯片的出光表面的形状增大了光线的发散角度，分散光线过于集中带来的眩光效果，有利用应用于直下式LED背光产品或照明产品的设计中。
附图说明
图1：弧形出光面的LED芯片光线发射图。
图2：本专利与现有研磨工艺对比。
图3：多按压针研磨设备示意图。
图4：按压针固定于胶皮上LED芯片示意图。
图5：弧面芯片研磨侧视示意图、俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种LED芯片的研磨设备，包括：研磨盘和芯片按压组件；芯片按压组件包括6个按压针以及与按压针一一配合的6个套管，如图4所示，所述按压组件与所述研磨盘相适配。所述按压针具有圆柱型结构，直径为0.5mm，按压针与套管的内壁相互配合且可滑动，按压针部分置于套管中，套管内的压力介质为气体，压力介质将按压针从套管的下端部分推出，并将套管内的气压施加于按压针上。按压针的下端用于固定待研磨的LED芯片。研磨盘朝向按压针一侧的端面设置有曲面研磨区，所述曲面研磨区用于与所述LED芯片的出光面相接触。
在研磨开始前，将LED芯片条放置于软性胶皮上，软性胶皮作用在于对按压针和芯片之间的压力缓冲和均匀分配压力的效果。将待研磨的LED芯片条通过软性胶皮固定在多个按压针的下端，多个按压针均匀地分布并固定在LED芯片条上，将固定有LED芯片条的按压针放置在呈曲面状的曲面研磨区上。芯片需要研磨的出光面向下接触研磨盘，研磨设备上面有喷嘴，在研磨前通过设置喷嘴速度，设置每隔一定时间喷射起润滑作用的醇类等有机溶剂。
对于本实施例中使用的软性胶皮，所述LED芯片固定在所述软性胶皮上，所述软性胶皮具有一定的粘性。在研磨时，软性胶皮可以带来缓冲，以免LED芯片损害。
通过压力参数设定部件设置套管中的气压，进一步控制按压针的压力，压力通过按压针的针头均匀作用于软性胶皮上。套管中气压的参数和研磨时间可根据以下方法获得，预设一条初始的芯片条通过调节气压参数和研磨时间达到对初始芯片条呈现于研磨盘的球面半径一致。
具体地，研磨之前对初始的芯片条进行测试每粒芯片被研磨表面的弧度大小，预先设定每粒芯片施加相同气压力和固定初始研磨时间比如30秒，30秒后再测试研磨后的每粒芯片的被研磨弧度尺寸，计算30秒时间内的每粒芯片研磨量，然后根据研磨量的比例进行相同反比例的调整套管的气压力大小，以最后保证再此研磨盘上后续芯片条能达到研磨的球面半径一致。
研磨设备设备设有转动的台面，台面中心有转动轴，研磨盘安装在转轴上，研磨盘的中心轴与转动轴同轴进行匀速转动，其转速通过设备显示屏进行调节。一般研磨速度需要慢速度，控制在每分钟1转以下；研磨盘呈现一定球面状，其球面曲率半径控制在4米到6米之间。研磨盘主要有锡Sn和铋Bi等合金材料组成，研磨盘覆盖有一层厚度在微米级别以下的金刚石研磨剂，研磨剂大小控制在100nm以下进行对芯片的精细研磨以保证研磨后的出光面光滑有最佳的出光效果。具体研磨设备结构如图3所示。
开始研磨时，控制所述研磨盘进行旋转，在旋转时，所述曲面研磨区对所述LED芯片的出光面进行研磨，并将所述LED芯片的出光面研磨成与所述曲面研磨区相适配的曲面。这样，研磨后的LED芯片的出光面为曲面，当曲面研磨区为凸形曲面时，那么研磨后的LED芯片的出光面则为凹形曲面，具有聚光的作用；当曲面研磨区为凹形曲面时，那么研磨后的LED芯片的出光面则为凸形曲面，具有发散光的作用，增大了发光角度。
研磨后的LED芯片经清洗后，通过激光划片、裂片最终得到的LED芯片。
本实施例中，LED芯片不限于正装芯片和倒装芯片；正装芯片依次为：ITO和保护层、P-GaN层、多量子阱发光层、N-GaN层、衬底层；所述ITO和保护层为出光面。倒装芯片依次为：衬底层、P-GaN层、多量子阱发光层、N-GaN层、ITO和保护层；所述衬底层为出光面。
在实际研磨中，随着研磨盘使用时间变长，研磨剂效果也会下降，因此还需要每隔一定时间监控芯片条的出光面的弧形状况进行加长研磨时间或更换研磨盘。研磨颗粒可选地为金刚石或其他硬度大的研磨颗粒。
本专利通过套管一一对应按压针，通过调节压力介质的压力不同而能让芯片条上每处芯片最后形成的出光面弧度差异减小。本发明的实施例，研磨盘不限于凹形曲面和凸形曲面，还可以为S或多边形等多种形状，能够实现实际应用中所要求的LED芯片不同形状的出光面。本实施例中，圆柱形的按压针与套管的内壁相互配合且可滑动，套管内的气体将按压针从套管的下端部分推出，按压针的长度可根据曲面的形状伸缩，并且由于特定的结构，其可以保持不同按压针上的压力分布均匀。因此，本实施例更适于多种形状，特别是不规则形状的研磨盘的研磨需求。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种芯片研磨设备，其特征在于，包括：研磨盘以及与所述研磨盘相适配的芯片按压组件；其中，研磨盘与按压组件对向设置；所述芯片按压组件包括至少一个按压针以及与按压针一一配合的套管，所述按压针至少部分置于套管中，按压针的一端露出套管用于固定所述芯片，套管内充有压力介质，通过调节压力介质的压力使按压针在套管内滑动。
2.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述按压针的数量不少于两个；优选地，所述按压针具有柱体结构，按压针的柱体外壁与套管的内壁相互配合，更优选地，所述柱体结构为圆柱体结构或类似于圆柱体的结构；所述按压针直径为0.5mm～1mm。
3.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述套管为刚性空心管；所述压力介质为气体或液体。
4.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述研磨设备进一步包括压力控制器，其中，每个套管内压力介质的压力各自独立地由压力控制器控制；优选地，所述压力控制器进一步包括压力参数设定部件，更优选地，所述压力参数设定部件设置于研磨设备上。
5.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述研磨盘朝向按压针一侧的端面具有呈曲面状的曲面研磨区，所述曲面研磨区与所述芯片的待研磨面相接触；所述研磨盘的中心设置有轴孔，研磨盘以经过所述轴孔的中心轴进行旋转，当所述研磨盘处于旋转状态时，所述曲面研磨区对所述芯片进行研磨，并将所述芯片的待研磨面研磨成与所述曲面研磨区相适配的曲面；优选地，所述曲面状选自凹球面、凹非球面、凸球面、凸非球面、S型曲面或U型曲面，更优选地，当曲面状为凹球面或凸球面时，球面曲率半径为4米～6米。
6.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述研磨设备进一步包括芯片缓冲件，待研磨芯片通过芯片缓冲件固定于按压针远离套管的一端，优选地，所述芯片缓冲件选自软性胶皮、软性胶条或软性胶块的一种或其组合。
7.根据权利要求1所述的芯片研磨设备，其特征在于，所述研磨设备进一步包括润滑溶剂喷涂组件，所述润滑剂喷涂组件包括至少一个喷嘴，喷嘴设置于研磨盘朝向按压组件的端面一侧，用于将起润滑作用的溶剂喷洒于研磨盘上；优选地，所述润滑溶剂喷涂组件进一步包括喷涂控制器，所述喷涂控制器用于设定喷嘴喷洒时间以及每两次喷洒之间的时间间隔。
8.根据权利要求1-7任一项所述的芯片研磨设备在研磨LED芯片出光面中的应用。
9.一种使用权利要求1-7任一项所述的芯片研磨设备研磨芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待研磨芯片固定在芯片按压组件按压针的下端；
(2)通过调节套管内的压力介质的压力使按压针推出，使所述芯片的待研磨面与所述曲面研磨区相接触；
(3)开启研磨盘以预设转速转动，将所述芯片的待研磨面研磨成与所述曲面研磨区相适配的曲面。
10.根据权利要求9所述的研磨芯片的方法，其特征在于：
步骤(1)中，所述按压针的下端与芯片之间设置有芯片缓冲件，所述芯片固定在所述芯片缓冲件上，优选地，所述芯片缓冲件为软性胶皮、软性胶条或软性胶块的一种或其组合，更优选地，芯片缓冲件具有粘性。
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