CN101350321A - 直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，在支架内，单一芯片或者多芯片是通过金属凸点直接倒装于支架上。本发明省略了芯片固晶，金线键合的步骤，从而降低了制造成本，提高了制造的效率；降低了热阻，解决了功率型芯片的散热问题，解决了小尺寸的LED封装中焊盘和引线的挡光问题，大幅度提高了LED的出光效率，实现了LED封装尺寸的进一步小型化，满足市场日益对小型化封装的要求。

Description

直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管的制造组装领域，尤其是一种直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法。
背景技术
传统的氮化镓基(GaN)发光二极管(LED)的结构，是在蓝宝石(sapphire)基板上形成多层氮化镓的外延晶体层制成。如图1-1和图1-2所示，在LED芯片1的P型区域及N型区域上，分别形成金属电极：P电极2与N电极3。传统发光二极管LED通常的组装方法是，将LED芯片用界面导热材料(TIM)4贴装固定在封装支架5内，通过金线6键合(Wire Bonding)连接LED器件上的金属电极2、金属电极3与封装支架的焊盘7。其中，LED芯片的金属电极向上，固定放置在一基板上。金线键合(Wire Bonding)完成后，使用高透明的树脂将LED芯片包封起来，以保护发光器件和封装结构。如果是使用表面粘着型支架，支架的焊盘7则跟支架外部的电极8通过金属连接导通。
传统的侧面出光SMD支架内封装的蓝光LED芯片1，如图4-1和图4-2所示，芯片1上用金线6键合的焊盘就占了芯片很大的面积，而且需要留打线的空间，所以芯片也只能占支架内很小部分的面积，这种情况下，单颗LED灯亮度提高的空间就很小，而且焊盘面积和金线都阻碍出光，影响了LED发光的亮度。
随着市场对发光二极管LED性能要求的不断提高，应用范围的不断扩大，上述的传统LED在制造和封装上存在许多缺陷就成为限制LED应用的瓶颈。对于功率型芯片的封装，最大的缺陷是大功率芯片的散热问题。LED芯片的功率越大，传统芯片封装结构的散热问题就越突出。因为界面导热材料4的导热参数受到限制。对于小尺寸LED的封装，最大的缺陷就是LED的出光受限。焊接金线需要一定尺寸的焊盘，焊盘面积和金线都阻碍出光，而且随着LED尺寸越来越小，焊盘和金线的影响越来越显著，从而制约LED的进一步小型化，无法满足市场的需求。对于多芯片LED的封装，无论是功率型和普通功率型，键合的金线数量的增加以及多个焊点的可靠性都成为多芯片组装发展的制约。
发明内容
本发明的目的是针对以上所述传统的发光二极管LED存在的不足，提供一种直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，实现了单一芯片或者多芯片，直接倒装于支架内，省略了固晶和焊线的步骤，大大降低了封装制造的成本，同时提高了多芯片模组的可靠性，解决了功率型芯片的散热问题。
一种直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，最少一个发光二极管芯片是通过金属凸点直接安装于支架内。
所述的金属凸点可以是制造在发光二极管芯片的P、N电极上，然后发光二极管芯片的P、N电极直接与支架内对应于P、N电极的金属焊盘倒装连接；或者金属凸点是制造在支架上，然后发光二极管芯片通过P、N电极的金属焊盘直接与金属凸点倒装连接。
所述的金属凸点可以通过电镀工艺或者机械栽植的方式形成；金属凸点的材料可以为铅、锡、金、铜中单一的材料或者共晶合金；P、N电极的金属焊盘的材料可以为镍、金、银、铝、钛、钨、镉等中单一的材料、多层材料或者合金，焊盘的厚度为0.5～10微米。
所述的金属凸点同金属焊盘的键合过程可以是用回流焊的方式或是用加热后加超声波的邦定工艺。
所述的支架可以包括表面粘着型(SMD)、直插式支架、侧面出光(Side View)的支架、正面出光的支架、单芯片支架、多芯片支架；支架的材料可以是树脂、金属或者陶瓷。
所述的发光二极管芯片可以是单一的一个；
所述的发光二极管芯片可以是两个及两个以上；
所述的发光二极管芯片可以是不同尺寸、不同颜色芯片的组合。
所述的发光二极管芯片可以是红、绿、蓝(RGB)全彩显示用的多芯片组合；或者双色或单色的芯片模组。
所述的红色芯片可以是通过金线键合的形式连接，而蓝光、绿光芯片是通过倒装不打线的形式组装于支架内。
本发明倒装焊发光二极管芯片的方法具有以下的优点：1、发光二极管芯片直接通过金属凸点同支架连接，实现了单一芯片或者多芯片，直接倒装于支架内，省略了固晶和焊线的步骤，大大降低了封装制造成本，同时提高了多芯片模组的可靠性。2、本发明实现的全金属导热通道，降低了热阻，对于功率型芯片，解决了功率型芯片的散热问题。3、发光二极管芯片直接通过金属凸点同支架连接，省略了固晶和焊线，解决了小尺寸的LED封装中焊盘和引线的挡光问题，大幅度提高了LED的出光效率，实现了LED封装尺寸的进一步小型化，满足市场日益对小型化封装的要求。
附图说明
图1-1为传统LED封装于SMD支架的剖面结构示意图；
图1-2为传统LED芯片组装于SMD支架的俯视结构示意图；
图2-1为本发明LED芯片直接组装于SMD支架的剖面结构示意图；
图2-2为本发明LED芯片直接组装于SMD支架的仰视结构示意图；
图3-1为本发明红绿蓝直接组装于陶瓷SMD支架上，红色芯片还需要一根金线键合的剖面结构示意图；
图3-2为本发明红绿蓝直接组装于陶瓷SMD支架上，红色芯片不需要一根金线键合剖面结构示意图；
图4-1为传统芯片封装于侧面出光SMD支架内的剖面结构示意图；
图4-2为传统芯片封装于侧面出光SMD支架内的俯视结构示意图；
图4-3为本发明倒装芯片直接组装于侧面出光SMD支架内的剖面结构示意图；
图4-4为本发明倒装芯片直接组装于侧面出光SMD支架内的仰视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
本发明直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法是应用多种芯片组装(Multi-Chip Module Assembly)技术和倒装焊技术(Flip-Chip Technology)，将一个或者多个发光二极管芯片1直接倒装于支架5内，省略了固晶和焊线的步骤，大大降低了封装制造成本，而且大大的提高了多芯片模组的可靠性。如图2-1和图2-2所示，LED芯片经过刻蚀，金属层沉积，钝化层的保护等一系列步骤，将P电极2和N电极3制作出来，然后把LED芯片翻转，通过倒装的技术，把LED芯片倒装焊接在支架5上面，连接LED芯片1和支架5的相应电极焊盘7的是金属凸点9。表面粘着型支架5的焊盘7则跟支架5外部的电极8通过金属连接导通。金属凸点9可以是制作在支架5的焊盘之上，也可是制作于LED芯片的P电极2和N电极3上。金属凸点9同金属焊盘的键合过程，可以是回流焊的方式，也可以是加热后加超声波的邦定(TS-Bonding)过程，要求金属凸点在加热之后同金属焊盘有很好浸润。加热后加超声波的邦定(TS-Bonding)工艺是把超声波和压力加载于金属凸点9上，利用超声波的能量把金属凸点9焊接于对应的金属焊盘上。
金属凸点9的材料为铅，锡，金等，可以是单一材料，也可以是共晶合金；金属凸点9材料的加工工艺，可以是电镀工艺，也可以是机械栽植的方式。机械栽植的方式是用金线键合的原理，在P、N电极上形成金球，然后剪断金线，留一段在P、N电极上，由这段金线作为倒装过程中连接支架5的金属凸点9。P、N电极的金属焊盘的材料为镍，金，银、铝等，可以是上述单一材料，也可以是上述多层材料或者合金。焊盘的厚度在0.5～10微米之间，最优值是2微米。支架5材料可以是树脂，也可以是陶瓷，金属。
本发明改进LED器件制造工艺，以及对应倒装焊LED芯片要求的封装支架制造和组装，从而降低了制造成本，提高了制造的效率；适用于多种LED芯片，包括不同芯片尺寸、不同波长的LED芯片、金线键合的传统LED芯片、倒装焊IED芯片。
以下通过一个陶瓷支架的多芯片实施实例和一个侧面出光单芯片的实例详细的说明本发明直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法。
实施方案1：
针对本发明所采用的技术、方法和设计，现使用红绿蓝三色芯片用的表面粘着型上出光支架，支架材料是导热陶瓷。如图3-2和图3-2所示，LED芯片用三种：蓝光芯片11和绿光芯片12是氮化镓基的，红光芯片13是四元芯片。蓝光同绿光的芯片采用倒装芯片技术，P电极和N电极在同一侧；红光芯片采用的是常规的芯片，P电极在上，N电极在下面，在本实施方案中，红光芯片还是需要固晶，然后在P电极上需要键合一根金线6同支架5的焊盘7相连。蓝光和绿光的芯片都通过倒装技术，直接倒装于支架5对应的金属凸点9上。
制作步骤如下：
第一步，设计和制造全彩用SMD支架。所用支架的外型尺寸，反光杯口尺寸都跟目前市场上的常用的SMD支架类似，SMD的支架的金属引脚8也同常规SMD支架相同，不同点就是支架里面金属焊盘的尺寸和排布改变，在焊盘上面通过电镀或者机械栽植的工艺把用于连接蓝光、绿光和支架焊盘的金属凸点9制作到支架5上的焊盘上。金属凸点9的材料是铅锡合金，也可以是金球。
第二步就是倒装芯片的制造。芯片的制造过程包括氮化镓刻蚀，P区2和N区3电极材料的制造，最后形成的P区和N区的接触电极高度相同，在同一侧。芯片的P区2和N区3的电极材料可以是Ni/Au，厚度为100nm/500nm。芯片的P区N区电极同支架的P区N区相对应。
第三步就是先将红光LED芯片13通过固晶和金线6键合的方式组装于支架5内。
第四步就是利用倒装邦定机台(TS-Bonding)把蓝光、绿光芯片倒装焊于支架5对应的焊盘7上。倒装邦定机台(TS-Bonding)可以是ASM公司生产的倒装邦定机台(TS-Bonding)。
通过上述步骤，实现了主要利用倒装焊的方式把红绿蓝三个芯片组装于支架5内，同传统的全彩SMD LED比较，省略了蓝光和绿光芯片的固晶、金线键合的步骤，把原先的五根金线，减少到一根。由于目前红光还是利用传统的上下电极芯片，所以沿用传统的固晶方式，还需要在红光芯片的P电极同支架的正极之间连接的一根金线6，如图3-1所示。红光芯片13也可以通过金属凸点9跟支架5焊盘7连接，省略掉红光芯片的固晶、金线键合的情形如图3-2所示。
实施方案2：
针对本发明所采用的技术、方法和设计，现使用单芯片用表面粘着型侧面出光支架5，如图4-3、4-4所示，支架材料是聚对苯二酰对苯二胺(PPA)，一种支架常用的白色树脂材料。芯片为氮化镓基蓝光LED芯片，蓝光芯片表面涂敷黄光荧光粉，形成白光。该方案适用于背光用小型侧面出光的LED。市场对LED的封装尺寸要求越来越小，而亮度需求越来越亮。这样在支架的物理尺寸不能进一步减小的前提下，芯片方面的提高就非常重要。
制作步骤如下：
第一步，设计和制造侧面出光SMD支架5。所用支架5的外型尺寸，杯口尺寸都跟目前市场上的SMD支架类似，不同点就是里面焊盘的尺寸有所改变，以跟芯片的P区、N区的金属层配合。跟目前支架的工艺不同点就是在焊盘上面通过电镀的工艺把用于连接蓝光芯片1和支架5的焊盘7的金属凸点9制作到支架5上的焊盘7上。这里的金属凸点9的材料是金球。
第二步就是倒装芯片的制造。芯片的制造过程包括氮化镓刻蚀，P区2和N区3电极材料的制造，最后形成的P区和N区的接触电极高度相同，在同一侧。芯片的P区2和N区3的电极材料可以是Ni/Au，厚度为100nm/500nm。芯片的P区N区电极同支架的P区N区相对应。
第三步就是利用倒装邦定机台(TS-Bonding)把蓝光芯片1倒装焊于支架5对应的金属凸点9上。倒装邦定机台(TS-Bonding)可以是ASM公司生产的倒装邦定机台(TS-Bonding)。
第四步就是荧光粉的涂敷，本涂敷工艺同目前业界的工艺完全相同。
通过上述步骤，实现了把蓝光芯片直接组装于支架内，同传统的侧面出门SMD LED比较，省略了蓝光芯片的固晶、金线键合的步骤，芯片的面积可以占据支架的大部分有效面积；大大降低了成本。倒装芯片同传统相关的金线键合的LED芯片相比，例如同样用12mil的芯片，由于把LED芯片P区接触层不会阻挡出光，出光面积可以提高10％。同样是封装传统12mil芯片的支架，可以封装芯片面积大一倍的倒装芯片，可大大提高单颗LED灯的亮度。当然在支架物理尺寸允许的情况下，用倒装芯片可以很容易实现更小型化的LED封装。
以上所述仅为本发明中两个实施举例，并非限定本发明实施范围。凡按照本发明权利要求保护范围所作的相似变化和修饰，均为本发明内容所涵盖。

Claims (10)

1、一种直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：在支架内，最少一个发光二极管芯片是通过金属凸点直接倒装于支架上。
2、如权利要求1所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的金属凸点是制造在发光二极管芯片的P、N电极上，然后发光二极管芯片的P、N电极直接与支架内对应于P、N电极的金属焊盘倒装连接；或者金属凸点是制造在支架上，然后光二极管芯片的P、N电极的金属焊盘直接与金属凸点倒装连接。
3、如权利要求2所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的金属凸点通过电镀工艺或者机械栽植的方式形成，金属凸点的材料为铅、锡、金中单一的材料或者共晶合金；P、N电极的金属焊盘的材料为镍、金、银、铝中单一的材料、多层材料或者合金，焊盘的厚度为0.5～10微米。
4、如权利要求2所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的金属凸点同金属焊盘的键合过程是用回流焊的方式或是加热后加超声波的邦定工艺。
5、如权利要求1所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的支架包括表面粘着型、直插式支架、侧面出光的支架、正面出光的支架、单芯片支架、多芯片支架；支架的材料是树脂、金属或者陶瓷。
6、如权利要求1所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的发光二极管芯片是单一一个芯片。
7、如权利要求1所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的发光二极管芯片是两个或者两个以上。
8、如权利要求7所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的发光二极管芯片是不同尺寸、不同颜色芯片的组合。
9、如权利要求7所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的发光二极管芯片是红、绿、蓝(RGB)全彩显示用的多芯片组合、双色芯片模组或者单色的芯片模组。
10、如权利要求9或8所述的直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述的红色芯片是通过金线键合的形式连接，而蓝光、绿光芯片是通过倒装不打线的形式组装于支架内。
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