CN103633237A - 一种led封装结构及其圆片级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED封装结构及其圆片级封装方法，属于半导体封装技术领域。其包括硅基本体（110）和LED芯片（200），硅基本体（110）的正面设置不连续的金属反光层（410、420），硅通孔（111）内设置不连续的金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820），电极(210)、金属栅(311)、金属反光层（410）、金属层Ⅰ（810）电气连接，电极(220)、金属栅(312)、金属反光层（420）、金属层Ⅱ（820）实现电气连接；还包括金属层Ⅲ（830），金属层Ⅲ（830）位于硅基本体（110）的背面的绝缘层Ⅱ（520）的表面且位于金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）之间。本发明封装结构依靠圆片级封装技术获得全角度出光的LED封装结构，且能够降低热阻、提高可靠性、使出光角度不受限、并且能降低设计和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED封装结构及其圆片级封装方法，属于半导体封装技术领域。
背景技术
一般的，发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED，下同）的封装有多种封装形式。早期的，采用引线框为基板进行封装，将LED芯片通过导热膏（或导电胶）贴装至引线框上，通过引线键合的方式实现电流加载从而使其发光；随着技术进步，一些新的、高性能的基板材料出现，在大功率LED的应用中起到了引领作用，如陶瓷基板、AlN基板等。但作为商用化的产品而言，现有的LED封装技术还存在如下问题：①热阻高。由于LED芯片发光是通过电子复合过程所激发，因而在产生光的同时产生大量的热。众所周知，热的产生反过来影响着电转化为光的效率，降低了LED本身的发光性能。②LED芯片通过贴装工艺与金属层连接，由于LED芯片的自身重量越来越轻，其电极与焊锡的润湿力常存在不平衡，在回流时就可能发生的漂移、立碑或旋转等不良连接方式，影响LED封装的可靠性； 
出光角度受限。现有的LED灯珠，其LED芯片坐落于下凹的反光杯罩内, 出光角度最大不超过150度，受限的出光角度导致LED灯珠使用范围受限，在某些需要超大角度甚至全角度的场合，必须辅以二次光学设计结构；由于出光角度大小不一致，二次光学设计结构需要考虑具体的出光角度有针对性地进行设计，不仅增加了二次光学设计难度，而且增加了LED结构的复杂性，同时，设计和制造成本也相应增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够降低热阻、提高可靠性、使出光角度不受限、并且能降低设计和制造成本的LED封装结构及其圆片级封装方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种圆片级LED封装方法，包括如下工艺步骤：
提供一带有绝缘层Ⅰ的硅圆片，在绝缘层Ⅰ的表面形成金属反光层；
在金属反光层的表面形成金属栅，再在金属栅的表面电镀金属连接层；
将带有电极的LED芯片倒装固定至金属连接层上；
将透光层键合至LED芯片的上方；
依次利用光刻、刻蚀工艺，在硅圆片的背面形成硅通孔；
在硅圆片的背面沉积绝缘层Ⅱ，再在硅通孔内，依次通过光刻、刻蚀的方式形成贯穿绝缘层Ⅰ和绝缘层Ⅱ的绝缘层开口；
依次通过溅射、光刻、电镀的方式，在绝缘层Ⅱ的表面形成金属层Ⅰ、金属层Ⅱ和金属层Ⅲ，其中金属层Ⅰ与金属层Ⅱ分别通过绝缘层开口与金属反光层连接，金属层Ⅲ设置于金属层Ⅰ、金属层Ⅱ之间；
将完成封装的硅圆片切割成单颗独立的封装体。
进一步地，通过如下步骤在绝缘层Ⅰ的表面形成金属反光层：
在绝缘层Ⅰ的表面通过溅射形成金属反光层；
在金属反光层的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，刻蚀金属反光层，形成金属反光层。
进一步地，在金属反光层的表面形成金属栅，包括步骤：
在金属反光层的表面对应倒装LED芯片处溅射金属种子层；
在金属种子层的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，电镀若干个条状金属柱/块；
用去胶工艺去除光刻胶图形和无效区域的金属种子层。
进一步地，将带有电极的LED芯片倒装固定至金属连接层上之后还包括步骤：
在LED芯片与金属反光层的间隙填充填充剂。
进一步地，将透光层键合至LED芯片上方之前包括步骤：
在LED芯片表面喷涂荧光粉胶层；
在完成荧光粉胶层的封装结构上印刷粘合剂Ⅰ，并固化和整平粘合剂Ⅰ；
再利用旋转涂胶的方式涂上粘合剂Ⅱ，与透光层键合，然后固化粘合剂Ⅱ。
进一步地，利用光刻、刻蚀工艺形成硅通孔之前包括步骤：
硅圆片的背面进行减薄处理，至硅圆片的厚度不超过200um。
本发明一种圆片级LED封装方法形成的LED封装结构，包括背面开设若干个硅通孔的硅基本体和带有电极的LED芯片，所述硅基本体的正面设置绝缘层Ⅰ，所述硅通孔的内壁设置绝缘层Ⅱ，
所述绝缘层Ⅰ的表面设置不连续的金属反光层，所述硅通孔的顶部设置贯穿绝缘层Ⅰ和绝缘层Ⅱ的绝缘层开口，所述绝缘层Ⅱ的表面设置不连续的金属层Ⅰ、金属层Ⅱ，所述金属层Ⅰ、金属层Ⅱ一端分别通过绝缘层开口与金属反光层连接，另一端沿硅通孔向外延展至硅基本体的背面并向相反方向延展，所述LED芯片通过金属栅倒装至金属反光层，并设置填充剂，所述电极、金属栅、金属反光层、金属层Ⅰ实现电气连接，所述电极、金属栅、金属反光层、金属层Ⅱ实现电气连接，所述LED芯片的***涂覆荧光粉胶层；
还包括金属层Ⅲ，所述金属层Ⅲ位于硅基本体的背面的绝缘层Ⅱ的表面且位于金属层Ⅰ、金属层Ⅱ之间，所述金属层Ⅲ与金属层Ⅰ、金属层Ⅱ均不连接；
在LED芯片的上方通过粘合剂设置透光层。
可选地，所述金属栅包括若干个平行排列的条状金属块/柱。
可选地，所述金属栅材质为铜，其高度为5-15um。
可选地，所述LED芯片通过金属连接层与金属栅连接，所述金属连接层材质为锡或锡合金，其高度为8-20um。
本发明结构旨在通过圆片级封装方式提升LED灯珠的出光性能、散热性能，降低设计和封装成本。
本发明有益效果是：
1、LED芯片落座于平展的反射层上，四周无遮挡，LED光线能够全角度出射；
2、针对实际使用需要的LED出光角度，后续的二次光学设计结构均可在LED光线全角度出射的基础上加以优化；
3、LED芯片通过金属栅结构与金属反光层实现倒装连接，提升了倒装工艺的稳定性和可操作性；
4、特意设置于硅基本体背面的大比例的金属层快速地传导LED芯片工作时产生的热，有效地降低LED封装结构的热阻，有助于提升LED性能；
5、圆片级封装的芯片设计和封装设计可以统一考虑、同时进行，有助于提高设计效率，减少设计费用；
6、圆片级封装从芯片制造、封装到产品发往用户的整个过程中，中间环节大大减少，缩短了周期，有助于成本的降低。
附图说明
图1为本发明一种圆片级LED封装方法的流程图；
图2为本发明一种LED封装结构的实施例的示意图；
图3为图2的实施例的金属栅与LED芯片的位置关系示意图；
图4为图2的实施例的LED芯片与金属层的位置关系示意图；
图5为图2的实施例的LED芯片与金属层的位置关系示意图；
图6至图19为图2实施例的圆片级LED封装方法的示意图；
图中：硅圆片100、101、102
硅基本体110
硅通孔111
LED芯片200
电极210、220
光刻胶图形301
金属栅311、312
金属连接层321、322
金属反光层400、410、420
光刻胶图形401
绝缘层Ⅰ510、510’
绝缘层Ⅱ520
绝缘层开口501、502
填充剂610
粘合剂620
粘合剂Ⅰ621
粘合剂Ⅱ622
荧光粉胶层630
透光层700
凸起801
金属层Ⅰ810
金属层Ⅱ820
金属层Ⅲ830。
具体实施方式
参见图1，本发明一种圆片级LED封装方法，包括如下工艺步骤：
执行步骤S101：提供一带有绝缘层Ⅰ的硅圆片，在绝缘层Ⅰ的表面形成金属反光层；
执行步骤S102：在金属反光层的表面形成金属栅，再在金属栅的表面电镀金属连接层；
执行步骤S103：将带有电极的LED芯片倒装固定至金属连接层上；
执行步骤S104：将透光层键合至LED芯片的上方；
执行步骤S105：依次利用光刻、刻蚀工艺，在硅圆片的背面形成硅通孔；
执行步骤S106：在硅圆片的背面沉积绝缘层Ⅱ，再在硅通孔内，依次通过光刻、刻蚀的方式形成贯穿绝缘层Ⅰ和绝缘层Ⅱ的绝缘层开口；
执行步骤S107：依次通过溅射、光刻、电镀的方式，在绝缘层Ⅱ的表面形成金属层Ⅰ、金属层Ⅱ和金属层Ⅲ，其中金属层Ⅰ与金属层Ⅱ分别通过绝缘层开口与金属反光层连接，金属层Ⅲ设置于金属层Ⅰ、金属层Ⅱ之间；
执行步骤S108：将完成封装的硅圆片切割成单颗独立的封装体。
本发明一种圆片级LED封装方法形成的LED封装结构，如图2至图5所示，包括背面开设若干个硅通孔111的硅基本体110和带有电极210、220的LED芯片200，所述硅基本体110的正面设置绝缘层Ⅰ510，所述硅通孔111的内壁设置绝缘层Ⅱ520。
绝缘层Ⅰ510的表面设置不连续的银、铝等材质的金属反光层410、420，金属反光层410与金属反光层420之间的间隔小于电极210与电极220之间的间隔。利用银、铝等材质的高反射率性质，金属反光层410、420可以作为LED芯片200的反射层。由于LED芯片200坐落于平展的反射层上，实现了LED光线的全角度出射。LED芯片200与金属反光层410与金属反光层420之间可以设置硅胶等填充剂610，也可以无任何物质。
所述LED芯片200通过金属栅311、312倒装至金属反光层410、420，如图3所示，所述金属栅311、312包括若干个平行排列的条状金属块/柱。所述电极210、金属栅311、金属反光层410、金属层Ⅰ810实现电气连接，所述电极220、金属栅312、金属反光层420、金属层Ⅱ820实现电气连接。所述LED芯片200与金属栅311、312之间可以设置锡或锡合金的金属连接层321、322。LED芯片200通过金属栅311、312与金属反光层410、420实现倒装连接，提升了倒装工艺的稳定性和可操作性，克服了LED芯片200在回流工艺中可能发生的漂移、立碑或旋转等不良连接方式，保证了圆片级工艺过程中LED芯片200连接的一致性与均匀性。其中金属栅311和金属栅312的金属块/柱的厚度范围为5-15um，锡或锡合金的厚度范围为8-20um，能在实现可靠连接的同时，最大限度的降低热阻。金属栅311、312或金属栅311、312与金属连接层321、322也可以应用于传统的设置有LED反射杯的LED灯珠或其他微小金属部件与金属面/块的连接。
在硅基本体110的背面绝缘层Ⅱ520的表面且位于金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820之间设置金属层Ⅲ830，所述金属层Ⅲ830与金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820均不连接。金属层Ⅲ830能够有效将LED芯片200工作时传导至硅基本体110上的热量散出。
在LED芯片200的上方通过硅胶等粘合剂620固定玻璃、有机树脂等材质的透光层700，粘合剂620填充透光层700与硅基本体110之间的空间。其中，耐候性较好的玻璃材质的透光层700有助于延长LED灯珠在户外环境的寿命。
硅通孔111的顶部设置贯穿绝缘层Ⅰ510和绝缘层Ⅱ520的绝缘层开口501、502，所述绝缘层Ⅱ520的表面设置不连续的金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820，所述金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820一端分别通过绝缘层开口501、502与金属反光层410、420连接，另一端沿硅通孔111向外延展至硅基本体110的背面并向相反方向延展，金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820之间存在间隙。所述金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820在硅基本体110的背面延展呈矩形，如图4所示；所述金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820在硅基本体110的背面延展也可以呈带有凸起801的矩形，所述凸起801与硅通孔111对应，如图5所示。所述凸起801的个数不少于硅通孔111的个数，一个凸起801至少对应一个硅通孔111。
单色的LED芯片200一般只能激发R（红）、G（绿）、B（蓝）三色光。而在人们的实际生活中，更需要地是使用白光，为了得到白光LED灯珠，可以选择蓝色LED芯片200激发分布于其周围的荧光粉，该荧光粉制成的荧光粉胶层630可以涂覆于蓝色LED芯片200的发光面，荧光粉也可以与硅胶等粘合剂620混合，填充于透光层700与硅基本体110之间的空间。
本发明一种LED封装结构的实施例，通过如下圆片级LED封装方法形成。
如图6至图9所示，提供一带有绝缘层Ⅰ510’的硅圆片100，在绝缘层Ⅰ510’的表面通过溅射形成金属反光层400，在金属反光层400的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形401，以光刻胶图形401为掩膜，刻蚀金属反光层400，形成不连续的金属反光层410、420。
如图10和图11所示，在金属反光层410、420的表面对应倒装LED芯片200处溅射金属种子层（图中未示出），在金属种子层的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形301，以光刻胶图形301为掩膜，电镀若干个条状金属柱/块；用去胶工艺去除光刻胶图形301和无效区域的金属种子层，再在金属栅321、322的表面电镀金属连接层311、312。
如图12所示，将带有电极210、220的LED芯片200倒装至金属连接层321、322上，通过回流形成固定连接；在LED芯片200周围点硅胶等填充剂610，以填充LED芯片200与金属反光层410、420之间的缝隙。
如图13所示，预先设置掩膜板（图中未示出），通过喷涂的方式将荧光粉胶层630喷涂在LED芯片200表面，且均匀覆盖至填充剂610***和LED芯片200周边的金属反光层410、420上。
如图14所示，在完成荧光粉胶层630的封装结构上印刷硅胶等粘合剂Ⅰ621，并固化粘合剂Ⅰ621，再通过机械研磨方式整平粘合剂Ⅰ621的表面。
如图15所示，再利用旋转涂胶的方式涂上硅胶等粘合剂Ⅱ622，与透光层700键合，然后固化粘合剂Ⅱ622。
如图16所示，通过研磨机将硅圆片101的背面进行减薄处理，至硅圆片102的厚度不超过200um，再依次利用光刻、刻蚀工艺，在硅圆片102的背面的金属反光层410、420下方形成若干个硅通孔111。
如图17所示，在硅圆片102的背面沉积绝缘层Ⅱ520，再在硅通孔111内，依次通过光刻、刻蚀的方式形成贯穿绝缘层Ⅰ510和绝缘层Ⅱ520的绝缘层开口501、502。
如图18所示，依次通过溅射、光刻、电镀的方式，在绝缘层Ⅱ520的表面形成不连续的金属层Ⅰ810、金属层Ⅱ820和金属层Ⅲ830，其中金属层Ⅰ810与金属层Ⅱ820分别通过绝缘层开口501、502与金属反光层410、420连接，金属层Ⅲ830设置于金属层Ⅰ810与金属层Ⅱ820之间。
如图19所示，采用激光切割或刀片机械切割的方式将完成封装的硅圆片102切割成单颗独立的LED封装结构，测试并编带出货。
本发明的LED封装结构和圆片级LED封装方法不限于上述实施例，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种圆片级LED封装方法，包括如下工艺步骤：
提供一带有绝缘层Ⅰ（510’）的硅圆片，在绝缘层Ⅰ（510’）的表面形成金属反光层（410、420）；
在金属反光层（410、420）的表面形成金属栅（311、312），再在金属栅（311、312）的表面电镀金属连接层（321、322）；
将带有电极（210、220）的LED芯片（200）倒装固定至金属连接层（321、322）上；
将透光层（700）键合至LED芯片（200）的上方；
依次利用光刻、刻蚀工艺，在硅圆片的背面形成硅通孔（111）；
在硅圆片的背面沉积绝缘层Ⅱ（520），再在硅通孔（111）内，依次通过光刻、刻蚀的方式形成贯穿绝缘层Ⅰ（510）和绝缘层Ⅱ（520）的绝缘层开口（501、502）；
依次通过溅射、光刻、电镀的方式，在绝缘层Ⅱ（520）的表面形成金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）和金属层Ⅲ（830），其中金属层Ⅰ（810）与金属层Ⅱ（820）分别通过绝缘层开口（501、502）与金属反光层（410、420）连接，金属层Ⅲ（830）设置于金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）之间；
将完成封装的硅圆片切割成单颗独立的封装体。
2.根据权利要求1所述的一种圆片级LED封装方法，其特征在于：通过如下步骤在绝缘层Ⅰ（510’）的表面形成金属反光层（410、420）：
在绝缘层Ⅰ（510’）的表面通过溅射形成金属反光层（400）；
在金属反光层（400）的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形（401）；
以光刻胶图形（401）为掩膜，刻蚀金属反光层（400），形成金属反光层（410、420）。
3.根据权利要求2所述的一种圆片级LED封装方法，其特征在于：在金属反光层（410、420）的表面形成金属栅（311、312），包括步骤：
在金属反光层（410、420）的表面对应倒装LED芯片（200）处溅射金属种子层；
在金属种子层的表面通过光刻工艺形成光刻胶图形（301）；
以光刻胶图形（301）为掩膜，电镀若干个条状金属柱/块；
用去胶工艺去除光刻胶图形（401）和无效区域的金属种子层。
4.根据权利要求3所述的一种圆片级LED封装方法，其特征在于：将带有电极（210、220）的LED芯片（200）倒装固定至金属连接层（321）上之后还包括步骤：
在LED芯片（200）与金属反光层（410、420）的间隙填充填充剂（610）。
5.根据权利要求4所述的一种圆片级LED封装方法，其特征在于：将透光层（700）键合至LED芯片（200）上方之前包括步骤：
在LED芯片（200）表面喷涂荧光粉胶层（630）；
在完成荧光粉胶层（630）的封装结构上印刷粘合剂Ⅰ（621），并固化和整平粘合剂Ⅰ（621）；
再利用旋转涂胶的方式涂上粘合剂Ⅱ（622），与透光层（700）键合，然后固化粘合剂Ⅱ（622）。
6.根据权利要求5所述的一种圆片级LED封装方法，其特征在于：利用光刻、刻蚀工艺形成硅通孔（111）之前包括步骤：
硅圆片的背面进行减薄处理，至硅圆片的厚度不超过200um。
7.一种如权利要求6所述的圆片级LED封装方法形成的LED封装结构，其特征在于：包括背面开设若干个硅通孔（111）的硅基本体（110）和带有电极（210、220）的LED芯片（200），所述硅基本体（110）的正面设置绝缘层Ⅰ（510），所述硅通孔（111）的内壁设置绝缘层Ⅱ（520），
所述绝缘层Ⅰ（510）的表面设置不连续的金属反光层（410、420），所述硅通孔（111）的顶部设置贯穿绝缘层Ⅰ（510）和绝缘层Ⅱ（520）的绝缘层开口（501、502），所述绝缘层Ⅱ（520）的表面设置不连续的金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820），所述金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）一端分别通过绝缘层开口（501、502）与金属反光层（410、420）连接，另一端沿硅通孔（111）向外延展至硅基本体（110）的背面并向相反方向延展，所述LED芯片（200）通过金属栅（311、312）倒装至金属反光层（410、420），并设置填充剂（610），所述电极(210)、金属栅(311)、金属反光层（410）、金属层Ⅰ（810）实现电气连接，所述电极220、金属栅312、金属反光层（420）、金属层Ⅱ（820）实现电气连接，所述LED芯片（200）的***涂覆荧光粉胶层（630）；
还包括金属层Ⅲ（830），所述金属层Ⅲ（830）位于硅基本体（110）的背面的绝缘层Ⅱ（520）的表面且位于金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）之间，所述金属层Ⅲ（830）与金属层Ⅰ（810）、金属层Ⅱ（820）均不连接；
在LED芯片（200）的上方通过粘合剂（620）设置透光层（700）。
8.根据权利要求7所述的一种LED封装结构，其特征在于：所述金属栅（311、312）包括若干个平行排列的条状金属块/柱。
9.根据权利要求7或8所述的一种LED封装结构，其特征在于：所述金属栅（311、312）材质为铜，其高度为5-15um。
10.根据权利要求9所述的一种LED封装结构，其特征在于：所述LED芯片（200）通过金属连接层（321、322）与金属栅（311、312）连接，所述金属连接层（321、322）材质为锡或锡合金，其高度为8-20um。
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