CN103050586A - 切割采用陶瓷衬底的发光元件封装件以及多层物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切割发光元件封装件的方法和一种切割多层物体的方法，所述切割发光元件封装件的方法包括步骤：制备陶瓷衬底，该陶瓷衬底的一个表面上装配了多个发光元件芯片并且形成有覆盖所述多个发光元件芯片的透光材料层；通过使用机械切割方法沿着切割线部分地除去所述多个发光元件芯片之间的所述透光材料层；以及通过使用激光切割方法沿着所述切割线对所述陶瓷衬底进行切割来将各个发光元件封装件分开。

Description

切割采用陶瓷衬底的发光元件封装件以及多层物体的方法
技术领域
本公开涉及切割采用陶瓷衬底的发光元件封装件的方法和切割多层物体的方法。
背景技术
诸如发光二极管（LED）的发光元件芯片是通过使用化合物半导体的PN结形成发光源来发射各种颜色的光的半导体元件。LED寿命长、尺寸小、重量轻和光的方向性强，并且可以在低电压下工作。此外，LED对于冲击和振动可以是鲁棒的，不需要预热时间或复杂的操作，可以以各种形式封装，因此可以具有各种用途。
诸如LED的发光元件芯片被封装在金属引线框架和模塑框架（mold frame）上，因此制造为发光元件封装件。
由于已经开发了大功率LED产品，因此需要能够有效地辐射在操作期间产生的热的封装件。与使用引线框架和模塑框架的封装件相比，使用在其上形成有金属图案的陶瓷衬底的封装件具有极佳的热辐射性能，因此被用来封装大功率LED。在封装工艺之后，需要将多个LED封装件分成单个的切割工艺。使用刀片锯切方法（即，使用旋转刀轮的切割方法）来执行所述切割工艺。然而，由于陶瓷衬底不容易切割，因此该切割工艺的生产能力降低，所以必须使用大量刀片锯切装置来增加生产率。
发明内容
提供了对采用陶瓷衬底的发光元件封装件进行切割的方法以增加切割工艺的生产能力，以及切割多层物体的方法。
另外的方面将在随后的描述中在某种程度上进行阐述，并且通过该描述在某种程度上将变得显而易见，或者可以通过所呈现的实施例的实践而获知。
根据本发明的一方面，一种切割发光元件封装件的方法，该方法包括步骤：制备陶瓷衬底，该陶瓷衬底的一个表面上装配了多个发光元件芯片并且形成有覆盖所述多个发光元件芯片的透光材料层；通过使用机械切割方法，沿着切割线部分地除去所述多个发光元件芯片之间的所述透光材料层；以及通过使用激光切割方法沿着所述切割线对所述陶瓷衬底进行切割，来将各个发光元件封装件分开。
所述机械切割方法可以包括刀片锯切方法、喷水方法和喷雾方法中的一种。
所述激光切割方法可以是通过将大功率激光束照射到所述陶瓷衬底上来对所述陶瓷衬底进行切割的完全切割方法。所述大功率激光束可以穿过通过部分除去所述透光材料层所形成的凹槽照射到所述陶瓷衬底上。所述大功率激光束可以照射到与所述陶瓷衬底的所述表面相反的所述陶瓷衬底的相反表面上。
将各个发光元件封装件分开的步骤可以包括：通过沿着所述切割线将激光束照射到所述陶瓷衬底上，在所述陶瓷衬底上形成划线；以及通过向所述陶瓷衬底施加机械冲击沿着所述划线对所述陶瓷衬底进行切割，来将各个发光元件封装件分开。
所述划线可以形成在所述陶瓷衬底的所述表面上，或者形成在与所述陶瓷衬底的所述表面相反的所述陶瓷衬底的相反表面上。
所述透光材料层可以包括透光硅层。
根据本发明的另一方面，一种切割多层物体的方法，该方法包括步骤：制备包括第一材料层和叠置在所述第一材料层上的第二材料层的物体，由与用于形成所述第一材料层的材料不同的材料形成所述第二材料层；通过使用机械切割方法，沿着切割线部分地除去所述第二材料层；以及通过使用激光切割方法，沿着所述切割线对所述第一材料层进行切割。
所述激光切割方法可以是通过将大功率激光束照射到所述第一材料层上来对所述第一材料层进行切割的完全切割方法。
对所述第一材料层进行切割的步骤可以包括：通过沿着所述切割线将激光束照射到所述第一材料层上，在所述第一材料层上形成划线；以及通过向所述第一材料层施加机械冲击，沿着所述划线对所述第一材料层进行切割。
所述第一材料层可以是在其上形成有电路图案的陶瓷衬底，并且所述第一材料层的一个表面上装配有发光元件芯片，并且所述第二材料层是形成为覆盖所述发光元件芯片的透光材料层。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将变得显而易见并且更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例通过使用切割方法制造的发光元件封装件的截面图；
图2是根据本发明另一个实施例通过使用切割方法制造的发光元件封装件的截面图；
图3是根据本发明另一个实施例通过使用切割方法制造的发光元件封装件的截面图；
图4是根据本发明另一个实施例通过使用切割方法制造的发光元件封装件的截面图；
图5是示出了在陶瓷衬底上装配多个发光元件芯片然后形成透光保护层的截面图；
图6是示出了通过使用刀片锯切方法部分除去透光保护层的截面图；
图7是示出了通过使用激光完全切割方法穿过凹槽将激光束照射到陶瓷衬底上对陶瓷衬底进行切割的截面图；
图8是示出了通过使用激光完全切割方法将激光束从与所述凹槽相反的一侧照射到陶瓷衬底上对陶瓷衬底进行切割的截面图；
图9是示出了通过使用激光划线方法在陶瓷衬底上形成划线的透视图；以及
图10是示出了通过使用断裂刀片沿着划线对陶瓷衬底进行切割的透视图。
具体实施方式
现在将详细参考各实施例，在附图中示出了各实施例的示例，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。就这点而言，当前的实施例可以具有不同的形式，并且不应当解释为限于在此的描述。因此，下面通过参考附图描述实施例仅为了解释本说明书的各个方面。
图1是根据本发明一个实施例通过使用切割方法制造的发光元件封装件1的截面图。参考图1，发光元件封装件1可以包括陶瓷衬底10、装配在陶瓷衬底10上的发光元件芯片20以及覆盖发光元件芯片20的透光材料层30。
发光元件芯片20例如可以是发光二极管（LED）芯片。根据用于形成LED芯片的化合物半导体材料，该LED芯片可以发射蓝色光、绿色光或红色光。例如，蓝色LED芯片可以包括有源层，该有源层具有通过交替GaN和I nGaN而形成的多个量子阱层的结构，并且可以在有源层上方和下方形成由化合物半导体AlXGaYNZ形成的P型和N型盖层。而且，LED芯片也可以发射没有颜色的紫外（UV）光。尽管在上面的描述中发光元件芯片20是LED芯片，但是当前的实施例不限于此。例如，发光元件芯片20也可以是UV光电二极管芯片、激光二极管芯片或者有机LED（OLED）芯片。
陶瓷衬底10例如由具有极佳散热和电绝缘性能的氧化铝（Al2O3）或AIN形成，电路图案40形成在陶瓷衬底10上。电路图案40例如可以包括分别形成在陶瓷衬底10的表面13和相反表面12上的第一电路图案41和第二电路图案42。第一电路图案41和第二电路图案42可以通过穿透陶瓷衬底10的通孔43彼此连接。例如，由于通孔43中填充了导电材料44，所以第一电路图案41和第二电路图案42可以彼此连接。可以通过使用印刷方法、电镀方法等在陶瓷衬底10的表面13和相反表面12上形成导电材料层，来形成第一电路图案41和第二电路图案42。第一电路图案41可以包括分别与发光元件芯片20的阳极（未示出）和阴极（未示出）相对应的两个图案。透光材料层30覆盖并保护发光元件芯片20。另外，透光材料层30可以对从发光元件芯片20发射的光的方向性或颜色进行调整。可以由透射从发光元件芯片20发射的光的透光材料（例如，透光硅）来形成透光材料层30。尽管在图1中透光材料层30是平坦的，但是本发明不限于此。透光材料层30也可以具有各种形状。
为了调整光的方向性，如图2中所示，透光材料层30a可以具有透镜的形状。根据发光元件封装件1的应用领域，透光材料层30a可以具有各种形状，例如，凹透镜和凸透镜。
为了调整光的颜色，透光材料层30或30a可以包括荧光粉。可以根据所需的颜色适当地选择荧光粉。荧光粉可以分散在用于形成透光材料层30或30a的透光材料中。
尽管在上述描述中透光材料层是单层，但是本发明不限于此。例如，透光材料层可以是包括荧光粉层和保护层的双层，所述荧光粉层包括用于对从发光元件芯片20发射的光的颜色进行调整的荧光粉，所述保护层覆盖该荧光粉层和发光元件芯片20。保护层也可以具有透镜的形状。可替换地，根据发光元件封装件1的应用领域，透光材料层可以具有包括三层或更多层的多层结构。
尽管在图1中发光元件芯片20的阳极和阴极直接电连接到在陶瓷衬底10的表面13上形成的第一电路图案41，但是本发明不限于此。如图3所示，发光元件芯片20可以直接装配在陶瓷衬底10的表面13上，阳极和阴极可以经由导线51和52连接到第一电路图案41。同样，尽管未在任何图中示出，阳极和阴极中的一个可以直接电连接到第一电路图案41，而阳极和阴极中的另一个可以经由导线连接到第一电路图案41。
此外，如图4所示，也可以采用包括凹腔11的陶瓷衬底10。发光元件芯片20装配在腔11的底部上。腔11的侧面可以向上倾斜使得从发光元件芯片20发射的光可以向外传播，从而可以增大光效率。腔11的侧面可以是反射表面。
根据上述发光元件封装件1，具有良好散热性能的陶瓷衬底10可以增加散热面积，从而可以有效地散发大功率发光元件封装件1工作期间产生的热。
如图5所示，通过下列步骤制造发光元件封装件1：将多个发光元件芯片20装配在陶瓷衬底10上；在发光元件芯片20和陶瓷衬底10上形成透光材料层30；然后对各发光元件芯片20之间的透光材料层30和陶瓷衬底10进行切割。通常，使用利用刀轮的机械切割方法来执行切割工艺。然而，由于陶瓷衬底10特别难于切割，所以上述方法需要较长的切割时间并具生产速度很低。此外，在需要时（因为刀轮坏了）更换刀轮是昂贵的，并且在切割工艺期间产生的碎片会导致发光元件封装件1的产率降低。
可以考虑用激光切割方法代替机械切割方法。使用激光束的切割工艺可以获得很高的切割速度，但是仅能切割单一材料。即，由于激光束的波长带需要能够被待切割物体吸收，所以如果该物体包含多个不同的材料层，则该物体不能被切割或者切割速度会降低。此外，如果激光束的波长带必须根据材料层改变，则切割装置会具有复杂的结构并且切割速度会降低。
由于使用陶瓷衬底10的发光元件封装件1是通过对透光材料层30和陶瓷衬底10进行切割获得的，因此如果激光束设置为用于对陶瓷衬底10进行切割的条件，则透光材料层30可能烧焦或熔化，因此其形状或物理性能会改变。当透光材料层30具有如图5中虚线所示的透镜形状时也会发生上述问题。
为了解决以上问题并获得较高的切割速度，根据本发明一个实施例，一种对发光元件封装件1进行切割的方法包括步骤：在执行激光切割工艺前使用机械切割方法对透光材料层30进行切割，以暴露陶瓷衬底10，然后使用激光束对陶瓷衬底10进行切割。
如图6所示，首先使用机械切割装置，例如刀轮100，沿着各发光元件芯片20之间的切割线C对透光材料层30进行切割。因此，部分去除透光材料层30，以沿着切割线C形成凹槽110。凹槽110的深度足以暴露陶瓷衬底10，并且凹槽110可以稍微侵入陶瓷衬底10中。
机械切割装置不限于刀轮100，而是也可以是用于对于透光材料层30进行切割的任何机械切割装置，例如，喷水切割装置（water-jetcutting device）或者喷雾切割装置（aerosol-jet cutting device）。由于透光材料层30由透光树脂材料形成，可以容易地对透光材料层30进行切割，因此即使通过使用机械切割工艺也能够获得较高的切割速度。
然后，如图7所示，通过将大功率激光束L穿过凹槽110照射到陶瓷衬底10上，可以对陶瓷衬底10进行切割。激光束L的波长带调整成允许激光束L的能量被吸收到陶瓷衬底10中。可以使用所谓的完全切割方法（full-cutting method）来执行激光切割工艺，完全切割方法通过使用大功率激光束L熔化并蒸发陶瓷衬底10。
例如，如果陶瓷衬底10具有0.5mm的厚度且透光材料层30由厚度为约0.1mm的硅形成，则可以通过使用刀片锯切方法或喷水切割方法以大约200mm/s的速度对透光材料层30进行切割，并且可以通过使用激光完全切割方法以大约60mm/s的速度对陶瓷衬底10进行切割。因此，由于通过使用机械切割工艺对透光材料层30进行切割的速度不影响通过使用激光完全切割方法对陶瓷衬底10进行切割的速度，所以总的切割速度以及激光完全切割速度都可以提高。考虑通过使用刀片锯切方法对整个发光元件封装件1进行切割的速度是大约10mm/s，根据本发明一个实施例的切割方法的速度几乎可以是一般切割方法的速度的六倍。此外，考虑相同的切割速度，切割设备的成本可以降低。
在形成凹槽110后，如图8所示，可以翻转陶瓷彻底10，并且可以通过将激光束L照射到陶瓷衬底10的未形成透光材料层30的相反表面12上对陶瓷衬底10进行切割。上述工艺可以减少激光完全切割工艺中激光束L的热对透光材料层30的影响，因此可以减少透光材料层30的损伤或变形。
为了在形成凹槽110后对陶瓷衬底10进行切割，也可以执行图9和图10所示的激光划线和断裂工艺。激光划线工艺是指通过将波长带能够被陶瓷衬底10吸收的（即，波长带是非透射的）激光束L照射到陶瓷衬底10的光入射表面（例如，表面13或相反表面12）上，在陶瓷衬底10上形成划线S的工艺。断裂工艺是指通过向陶瓷衬底10施加物理冲击沿着划线S分割陶瓷衬底10的工艺。
在如图6所示形成凹槽110后，翻转陶瓷衬底10并将激光束L照射到作为陶瓷衬底10的光入射表面的相反表面12上。激光束L的焦点形成在相反表面12上。激光束L可以在相反表面12上形成一个或多个束斑F。如果形成了多个束斑F，则束斑F可以在沿着加工方向的线上对齐，加工方向即为激光束L和陶瓷衬底10的相对运动方向。此外，束斑F可以彼此间隔开，或者可以彼此部分交叠。束斑F可以具有圆形形状或主轴沿着加工方向的椭圆形形状。
激光束L沿着切割线C照射到陶瓷衬底10的相反表面12上。激光束L的能量可以设置为仅局部加热并且不熔化或蒸发陶瓷衬底10。被激光束L局部加热的陶瓷衬底10的相反表面12的部分，即束斑F通过的部分，由于温度升高而趋向膨胀。然而，束斑F周围的区域未被加热因此阻碍膨胀。因此，在束斑F通过的部分的径向方向上局部发生压应力，在与该径向方向垂直的方向上发生张应力。将激光束L的能量控制成防止所述张应力大于陶瓷衬底10的断裂阈值。如果陶瓷衬底10在束斑F通过后冷却，则发生收缩。在这种情况下，张应力被放大，因此在陶瓷衬底10的相反表面12中产生裂缝。该裂缝从陶瓷衬底10的相反表面12延伸到小于陶瓷衬底10的总厚度的预定厚度。因此，如图9所示，通过将激光束L沿着切割线C照射到陶瓷衬底10的相反表面12上可以形成划线S。
尽管在上面的描述中陶瓷衬底10的相反表面12在束斑F通过以后自然冷却，但在某些情况下，可以将冷却流体喷洒到陶瓷衬底10的相反表面12上束斑F通过的地方。此外，在照射激光束L之前，可以在陶瓷衬底10的相反表面12内形成表示划线S的起点的切口形状的凹槽A。
尽管在以上工艺中激光束L照射到作为光入射表面的陶瓷衬底10的相反表面12上，但是陶瓷衬底10的表面13也可以用作光入射表面。在这种情况下，激光束L穿过凹槽110照射到陶瓷衬底10的表面13上。然而，如果将相反表面12用作光入射表面，则可以减少热对透光材料层30和发光元件芯片20的影响。
即使在形成划线S后，陶瓷衬底10也没有沿着划线S被分割。相应地，执行沿着划线S使陶瓷衬底10断裂的断裂工艺。参考图10，如果通过使用断裂刀片120按压陶瓷衬底10的表面13，表面13与上面形成了划线S的相反表面12相反，则形成划线S的裂缝在陶瓷衬底10的厚度方向上延伸，因而陶瓷衬底10沿着划线S被分割。可替换地，断裂刀片120可以按压陶瓷衬底10的相反表面12。
即使在陶瓷衬底10的表面13上形成划线S时，也可以通过使用断裂刀片120按压陶瓷衬底10的相反表面12或表面13，并且裂缝可以沿着陶瓷衬底10的厚度方向延伸，由此沿着划线S分割陶瓷衬底10。
通过执行上述激光划线和断裂工艺可以完成发光元件封装件1的制造。根据测试结果，通过使用刀片锯切方法对整个发光元件封装件1进行切割的切割速度为大约320sec/Frame，而通过使用刀片锯切方法形成凹槽110的工艺的速度是大约35sec/Frame，激光划线工艺的速度是大约35sec/Frame，以及断裂工艺的速度是大约53sec/Frame。因此，同时执行这些工艺时的切割速度取决于执行断裂工艺所花费的时间，在这种情况下，与使用刀片锯切方法切割整个发光元件封装件1的情况相比，可以期望生产能力增加五倍。此外，考虑相同的切割速度，切割设备的成本可以降低。
尽管在上述描述中切割了包括陶瓷衬底10和透光材料层30的发光元件封装件1，但是本发明不限于此。例如，本发明也可以应用于对多层物体进行切割的工艺，该多层物体包括可以使用激光束切割的第一材料层和叠置在第一材料层上的第二材料层，由与形成第一材料层的材料不同的材料形成第二材料层并且用于切割第一材料层的激光束能够使得第二材料层熔化、烧焦或变形。更具体地，可以通过使用机械切割方法，例如刀片锯切方法、喷水方法或喷雾方法，沿着切割线对第二材料层进行切割以暴露第一材料层，然后可以通过使用激光切割方法，例如激光完全切割方法或者激光划线和断裂方法，对第一材料层进行切割。在这种情况下，如上所述，光入射表面可以是所述第一材料层的其上形成了第二材料层的表面，或者是第一材料层的相反表面。
应当理解，在此描述的示例性实施例应当视为仅仅是为了描述而不是为了限制。每个实施例中特征或方面的描述通常应当被考虑为可以用于其他实施例中其他类似特征或方面。

Claims (13)

1.一种切割发光元件封装件的方法，该方法包括步骤：
制备陶瓷衬底，该陶瓷衬底的一个表面上装配了多个发光元件芯片并且形成有覆盖所述多个发光元件芯片的透光材料层；
通过使用机械切割方法沿着切割线部分地除去所述多个发光元件芯片之间的所述透光材料层；以及
通过使用激光切割方法沿着所述切割线对所述陶瓷衬底进行切割来将各个发光元件封装件分开。
2.权利要求1所述的方法，其中所述机械切割方法包括刀片锯切方法、喷水方法和喷雾方法中的一种。
3.权利要求1所述的方法，其中所述激光切割方法是通过将大功率激光束照射到所述陶瓷衬底上来对所述陶瓷衬底进行切割的完全切割方法。
4.权利要求3所述的方法，其中所述大功率激光束穿过通过部分除去所述透光材料层所形成的凹槽照射到所述陶瓷衬底上。
5.权利要求3所述的方法，其中所述大功率激光束照射到与所述陶瓷衬底的所述表面相反的所述陶瓷衬底的相反表面上。
6.权利要求1所述的方法，其中将各个发光元件封装件分开的步骤包括：
通过沿着所述切割线将激光束照射到所述陶瓷衬底上，在所述陶瓷衬底上形成划线；以及
通过向所述陶瓷衬底施加机械冲击沿着所述划线对所述陶瓷衬底进行切割，来将各个发光元件封装件分开。
7.权利要求6所述的方法，其中所述划线形成在所述陶瓷衬底的所述表面上。
8.权利要求6所述的方法，其中所述划线形成在与所述陶瓷衬底的所述表面相反的所述陶瓷衬底的相反表面上。
9.权利要求1所述的方法，其中所述透光材料层包括透光硅层。
10.一种切割多层物体的方法，该方法包括步骤：
制备包括第一材料层和叠置在所述第一材料层上的第二材料层的物体，由与用于形成所述第一材料层的材料不同的材料形成所述第二材料层；
通过使用机械切割方法，沿着切割线部分地除去所述第二材料层；以及
通过使用激光切割方法，沿着所述切割线对所述第一材料层进行切割。
11.权利要求10所述的方法，其中所述激光切割方法是通过将大功率激光束照射到所述第一材料层上来对所述第一材料层进行切割的完全切割方法。
12.权利要求10所述的方法，其中对所述第一材料层进行切割的步骤包括：
通过沿着所述切割线将激光束照射到所述第一材料层上，在所述第一材料层上形成划线；以及
通过向所述第一材料层施加机械冲击，沿着所述划线对所述第一材料层进行切割。
13.权利要求10所述的方法，其中所述第一材料层是在其上形成有电路图案的陶瓷衬底，并且所述第一材料层的一个表面上装配有发光元件芯片，并且
其中所述第二材料层是形成为覆盖所述发光元件芯片的透光材料层。
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