CN103996779A - 一种覆晶led器件及其集成cob显示模组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED封装技术，更具体地涉及一种覆晶LED器件及其集成COB显示模组。所述覆晶LED器件包括外延层，在外延层上表面不同区域分别镀有UBM层和钝化层，在UBM层和钝化层之上沉积有聚酰亚胺层，聚酰亚胺层中内嵌有导体层，导体层一端与UBM层连接，另一端制作有位于聚酰亚胺层之上的焊盘，焊盘与导体层另一端连接。本发明的覆晶LED器件适用于BT基板封装，能有效避免覆晶LED器件与BT基板间严重的CTE不匹配问题，解决了常规倒装芯片为了避免LED芯片与封装基板CTE不匹配而必须选择陶瓷基板的难题，使得本发明的覆晶LED器件可以采用倒装技术与BT基板结合，在减小显示屏点距的同时能极大地节省生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装技术，更具体地，涉及一种覆晶LED器件及其集成COB显示模组。
背景技术
近年来LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）室内显示屏发展迅速，产品日益向小点距、高密度及全彩化等高分辨率的方向发展。目前小点距LED显示屏贴装器件不论是SMDLED（Surface Mounted Devices LED，表面贴装发光二极管）器件或是COBLED（Chip On Board LED，板上芯片封装发光二极管）模组，均采用正装封装技术。正装封装技术在LED应用领域成熟，是目前LED各类应用的主要封装技术。与正装技术对应的倒装（覆晶）封装技术，因其具有散热能力强、节省封装空间、简化封装环节等优点而逐渐被应用发展起来。目前倒装封装技术主要应用在LED照明领域。针对现阶段LED显示屏像素尺寸发展趋势朝小型化发展，如目前市场已出现常规P2.0LED显示屏，为满足后续室内显示市场需求，显示屏点距还将进一步减小。实际操作发现，当显示屏点距小于2.0mm（P2.0）时，常规正装封装技术在生产过程中存在一定难度，主要是因为正装封装技术需要必要的封装空间，点距受正装最小封装允许空间限制，这导致正装技术无法满足更小点距显示屏器件的封装。而相比正装技术，倒装技术优势明显，倒装技术具有垂直封装的特点，能有效节省封装空间，即单位面积PCB倒装技术比正装技术能封装/容纳更多LED芯片。所以从封装空间角度，倒装技术更能实现小点距LED显示屏。
根据LED倒装技术固有的特点，倒装封装时需更多地考虑芯片与封装基板之间的热膨胀系数（CTE）匹配问题。当两者材料的CTE不匹配时，在冷热交替的环境中，材料的热胀冷缩速率及程度不一致，出现材料错位、翘曲及撕裂等问题导致封装产品失效。考虑陶瓷基板与芯片热膨胀系数（CTE）匹配好，所以目前照明领域的LED倒装芯片结构主要是针对陶瓷基板进行设计。但陶瓷基板价格高，对于大面积的LED显示屏器件生产不存在价格优势，且陶瓷的高硬度、脆性等问题增加切割难度，这些问题限制了倒装技术在LED显示屏领域的应用。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种应用于LED显示屏时在减小显示屏点距的同时能有效降低成本的覆晶LED器件。
本发明还提供一种应用于LED显示屏时在减小显示屏点距的同时能有效降低成本的覆晶LED器件集成COB显示模组。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种覆晶LED器件，包括外延层，在外延层上表面不同区域分别镀有UBM层和钝化层，在UBM层和钝化层之上分别设有聚酰亚胺层和导体层，其中聚酰亚胺层底面覆盖钝化层，导体层内嵌在聚酰亚胺层中，导体层一端与UBM层连接，另一端制作有位于聚酰亚胺层之上的焊盘，焊盘与导体层另一端连接。
相比目前常规倒装LED芯片，本发明的覆晶LED器件加入了聚酰亚胺层，并采用导体层连接外延层和焊盘。聚酰亚胺为有机树脂，其材料性能和BT材料性能相似，而且其热膨胀系数等性质与BT树脂也相似，所以在热胀冷缩时两者的热形变速率及程度相近，使得本发明的覆晶LED器件能够适用于BT基板封装，能有效避免覆晶LED器件与BT基板间严重的CTE不匹配问题，解决了常规倒装芯片为了避免LED芯片与封装基板CTE不匹配而必须选择陶瓷基板的难题，使得本发明的覆晶LED器件可以采用倒装技术与BT基板结合，在减小显示屏点距的同时能极大地节省生产成本。
一种覆晶LED器件集成COB显示模组，包括BT基板和通过倒装方式焊接在BT基板上的至少一组上述所述的覆晶LED器件，至少一组覆晶LED器件通过胶体封装。
相比目前常规倒装LED芯片采用陶瓷基板，本发明的覆晶LED器件集成COB显示模组采用BT基板封装，覆晶LED器件加入了聚酰亚胺层，并采用导体层连接外延层和焊盘。聚酰亚胺为有机树脂，其材料性能和BT材料性能相似，而且其热膨胀系数等性质与BT树脂也相似，所以在热胀冷缩时两者的热形变速率及程度相近，使得BT基板上焊盘及覆晶LED器件上的焊盘始终保持静止，避免焊盘间发生相对运动而撕裂焊盘，有效避免了覆晶LED器件与BT基板间严重的CTE不匹配问题，解决了常规倒装芯片为了避免LED芯片与封装基板CTE不匹配而必须选择陶瓷基板的难题，使得本发明可以采用BT基板封装覆晶LED器件，在减小显示屏点距的同时极大地节省生产成本。而且采用BT基板代替陶瓷基板，避免了陶瓷基板切割困难、良率低等问题。
附图说明
图1为本发明一种覆晶LED器件具体实施例的结构图。
图2为图1的俯视图。
图3为现有技术中常规LED芯片的结构示意图。
图4为本发明一种覆晶LED器件具体实施例中焊盘采用凸点形式的结构示意图。
图5为本发明一种覆晶LED器件集成COB显示模组具体实施例的俯视结构示意图。
图6为本发明一种覆晶LED器件集成COB显示模组具体实施例的截面结构示意图。
图7为现有技术中常规倒装芯片与常规BT基板回流共晶的结构示意图。
图8为本发明中覆晶LED器件与BT基板回流共晶的结构示意图。
图9为本发明中回流结构的覆晶LED器件集成COB模组结构示意图。
图10为本发明中将驱动芯片、电子元器件以及驱动电路和覆晶LED器件集成在BT基板上时BT基板的结构示意图。
图11为本发明中将驱动芯片、电子元器件、驱动电路和覆晶LED器件集成在BT基板上时显示单元的结构示意图。
图12为图11的截面图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“一端”、“另一端”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1和2所示，为本发明一种覆晶LED器件具体实施例的结构图。参见图1，本具体实施例的一种覆晶LED器件包括外延层11、UBM（Under Bump Metallization 凸点下金属化层）层12、钝化层13、导体层14、聚酰亚胺层15和焊盘16，UBM层12和钝化层13分别镀在外延层11上表面不同区域，在UBM层12和钝化层13之上分别设聚酰亚胺层15和导体层14，其中聚酰亚胺层15底面覆盖钝化层13，导体层14内嵌在聚酰亚胺层15中，导体层14一端与UBM层12连接，另一端制作焊盘16，焊盘16位于聚酰亚胺层15之上并与导体层14另一端连接，该焊盘16作为对外的电气连接电极。
本具体实施例的覆晶LED器件是在目前常规倒装LED芯片的基础上，进行工艺创新，本具体实施例中芯片外延片的具体步骤与常规LED芯片外延制作相同，在获得LED芯片外延片后，进行芯片电极制作。如图3所示，常规的芯片电极制作时直接在外延片31上制作UBM层32，然后直接在UBM层32上制作焊盘33，其具体电极制作流程参考常规芯片电极制作流程。而本具体实施例中制作覆晶LED器件时，形成的外延层11上通常设有两个外延层焊盘，分别是正负电极焊盘，UBM层12覆盖在正负电极焊盘上，外延层上表面除正负电极焊盘所在区域外的其他区域形成钝化层。覆晶LED器件在制作电极时，如图1所示，在完成外延片制作后在表面沉积一层聚酰亚胺（PI）层15，该聚酰亚胺层15此时没有覆盖住UBM层12，然后聚酰亚胺层15上制作用于连接外延片的UBM层12与焊盘16的导体层14，完成导体层14后，再在表面沉积另一层聚酰亚胺层15，此时导体层14另一端不被聚酰亚胺层15覆盖，最后在导体层14末端制作焊盘16，最终获得覆晶LED器件。其中，该覆晶LED器件发光颜色取决于外延层11的材料，其余电极制备流程工艺与常规LED芯片相同。在此过程中，UBM层12的作用主要是防止导体层14材料与外延层焊盘连接时互相材料相互渗透而特别制作的。钝化层13作用是实现外延层11表面的电阻隔,防止外延层11与电极等其它导电物质发生短路。
本具体实施例的覆晶LED器件相比常规倒装LED芯片，加入了聚酰亚胺层15，并采用导体层14连接外延层11和焊盘16。由于聚酰亚胺为有机树脂，其材料性能和BT材料性能相似，而且其热膨胀系数等性质与BT树脂也相似，所以在热胀冷缩时两者的热形变速率及程度相近，因此，加入了聚酰亚胺层15的覆晶LED器件适用于普通基板，如BT基板，封装时不存在BT基板与芯片焊盘热膨胀系数不匹配导致封装器件失效的问题，适用于采用倒装技术与BT基板相结合，用于小点距LED显示屏，在减小显示屏点距的同时可以避免采用高成本的陶瓷基板，从而节省产品成本。
在具体实施过程中，聚酰亚胺层15的厚度根据覆晶LED器件的芯片面积设计。
在具体实施过程中，为保证覆晶LED器件上的焊盘16与BT基板上的焊盘始终保持匹配，通常要求器件中连接UBM层14与焊盘16的导体层14具有良好的延展性及可塑性，且为达到更好的散热能力，导体层14面积尽可能大，优选地导体层14的覆盖面积大于1/2有源发光面积，导体层14厚度根据工艺通常定为10um-100um。在一种优选的实施方式中，为了满足导体层14的导电性、延展性和散热能力，本具体实施例中导体层14通常选用采用金属层实现，优选地为金层。
实施例2
在实施例1的基础上，为满足实际生产时的不同工艺要求，可将本发明的覆晶LED器件的焊盘16设计成凸点形式，如图4所示，凸点41材料包括纯金属和合金，纯金属如金凸点，合金如锡银铜合金。其中金凸点式的覆晶LED器件通常适合超声热压焊接，锡银铜合金凸点式的覆晶LED器件通常适合回流焊接。
实施例3
在实施例1或实施例2的基础上，本发明还提供一种覆晶LED器件集成COB显示模组。如图5和6所示，本发明一种覆晶LED器件集成COB显示模组具体实施例包括BT基板52和通过倒装方式焊接在BT基板52上的至少一组实施例1或实施例2所述的覆晶LED器件51，至少一组覆晶LED器件51通过胶体53封装。
具体制作过程是采用倒装技术完成覆晶LED器件51在BT基板52上的焊接，然后采用凸点共晶回流或凸点超声热压或金锡共晶等方式，完成芯片焊接后，进行封胶，胶体烤干，按需求切割成不同尺寸大小的COB显示模组，最终获得覆晶LED器件集成的COB显示模组。
本具体实施例采用倒装技术将覆晶LED器件51焊接在BT基板52上，由于该覆晶LED器件51中加入了热膨胀系数与BT基板材料的热膨胀系数相似的聚酰亚胺层，使得覆晶LED器件51与BT基板52的倒装结合能够有效避免芯片和BT基板52之间严重的CTE不匹配问题，解决了常规倒装芯片为了避免芯片与封装基板CTE不匹配而必须采用陶瓷基板的难题，有效降低了生产成本，而且采用倒装技术可以满足超小点距显示屏的封装。此外，常规采用的陶瓷基板由于陶瓷硬脆的特性，在切割是容易碎裂影响良率，而且对切割器件损耗大，而本具体实施例采用普通的BT基板52代替陶瓷基板，避免了陶瓷基板切割困难、良率低、对切割器件损耗大等问题。本具体实施例的覆晶LED器件与BT基板相结合，使得倒装技术在显示屏的应用前景更加广阔，倒装技术的优异传热能力也将进一步改善显示产品的散热性能。
下面结合具体的测试实例对本具体实施例的覆晶LED器件集成COB显示模组的性能进行测试，具体如下：
本实例时将常规倒装芯片与常规BT基板回流共晶，具体如图7所示，常规倒装芯片为71，常规BT基板为72，回流共晶点设为310℃。该实例中常规倒装芯片71的尺寸为240um*320um，芯片焊盘材料采用AuSn合金，常规BT基板72的尺寸为126cm*56cm，常规BT基板72型号为HL832NS。本实例完成回流共晶后对样品进行X-Ray测试、推力测试及冷热冲击试验。采用ANSYS有限元软件进行热应力模拟分析芯片焊盘、BT基板72焊盘及BT基板72接触过渡区域的热形变。在测试之前目测样品，BT基板72翘曲程度较大，对样品进行X-Ray测试发现焊接点的空洞率较高，而且发现较多大面积空洞，对样品进行推力测试（正常拉力值>5KG），记录测试数据。完成样品首次测试后，对样品进行冷热冲击试验，测试环境条件为-40℃-100℃，在完成试验后对样品进行X-Ray测试，发现样品大部分常规倒装芯片71与BT基板72上的焊盘处出现裂缝及移位现象，对其进行推拉力测试，发现样品推力值下降。分析认为这主要是因为芯片材料与BT基板72存在很大的热膨胀系数（CTE）差异，使得样品在冷热环境交替时芯片与BT基板72热形变值（收缩/膨胀）不一致，导致芯片焊盘与BT基板72焊盘发生相对运动，当相对运动位移超过极限值时，常规倒装芯片71与BT基板72焊接处发生撕裂，表现为样品焊接处出现裂缝，同时导致芯片移位。另外，在共晶回流降温阶段，由于常规倒装芯片71与BT基板72收缩速率不一致，影响AuSn共晶形成，最终出现大面积空洞。
为进一步了解常规倒装芯片71与BT基板72焊盘接触过渡区的热形变情况，本实例采用ANSYS软件对样品模型进行模拟，模拟发现常规倒装芯片71的焊盘、BT基板72的焊盘及BT基板72过渡区域的热形变量超过合理值，热变形约为8%，直接导致结合处开裂等问题。基于试验测试数据及模拟数据，本实例更进一步将本发明的覆晶LED芯片代替上述常规倒装芯片，基板为上述相同BT基板，如图8所示，覆晶LED芯片为81，BT基板为82。在本实例中覆晶LED器件81中的聚酰亚胺层厚度设为50um，导体层材料属性为延展性和可塑性能优异的金，覆晶LED芯片81及BT基板82上的焊盘材料均为AuSn合金，模拟覆晶LED器件81回流共晶过程，其模拟环境严格按照上述试验条件设置。模拟结果发现，覆晶LED器件81与BT基板82回流共晶样品中芯片焊盘、BT焊盘及BT基板82过渡区域的热形变值在正常范围内。这主要是因为覆晶LED器件81与焊盘之间加入聚酰亚胺层，而聚酰亚胺的材料性能与BT材料性能相似，两者的CTE也接近，所以在热胀冷缩时两者的热形变（膨胀/收缩）速率及程度相近，使得BT基板82上焊盘及覆晶LED器件81的焊盘始终保持静止，避免焊盘间发生相对运动而撕裂焊盘。另外，采用热模拟软件FloEFD对覆晶LED器件81工作热模拟分析，模拟结果发现该结构相比正装LED芯片有更好的散热能力。
在另外一个测试实例中，当覆晶LED器件中焊盘采用凸点形式，然后采用ANSYS有限元软件及热模拟软件FloEFD分别对覆晶LED器件（如图4所示）以及覆晶LED器件与BT基板焊接过程进行热形变及传热能力模拟，其中，如图9所示，为回流结构的覆晶LED器件集成COB模组结构示意图，其中91为覆晶LED器件，92为BT基板。本测试实例发现两种结构的模拟结果差异较小，其热形变值与实施例1中覆晶LED器件结构相似，完成芯片PCBA后，带金凸点的芯片最高加载时工作温度约为41℃，AuSn焊盘芯片温度约为43℃，散热能力为金凸点散热能力优于AuSn焊盘及锡银铜合金凸点结构。这主要是因为该覆晶LED器件与BT基板的热膨胀匹配主要取决于芯片的聚酰亚胺层与BT基板两者的热膨胀匹配，凸点以及焊盘材料对热形变影响较小。本发明的覆晶LED器件满足不同倒装工艺需求。
在另外一个测试实例中，设计小尺寸RGB覆晶LED器件，尺寸大小为7mil*8mil，芯片结构与实施例1的覆晶结构相同，根据芯片面积调整聚酰亚胺层厚度为10um-20um。，然后将该RGB覆晶LED器件贴装成如图5所示的COB模组，该模组适用于小点距全彩LED显示屏。具体步骤：设计BT基板，像素间距P为1.0mm（一组RGB为一个像素点）；BT基板点助焊剂；固晶；回流；封胶，采用molding工艺封胶；胶体烤干；切割，根据产品特性切割不同尺寸大小的COB模组；贴装LED显示单元（贴片工艺与常规SMD器件贴片流程一致）。采用ANSYS软件及FloEFD软件，分别对COB模组进行热形变模拟分析及传热分析。同时建立常规倒装芯片及正装芯片封装的同规格COB模组模型（常规正装芯片封装P1.0显示模组，在实际操作中非常困难，本实施例中模组为软件模型，而专利覆晶结构还可进一步减小芯片间距/显示模组点距），与覆晶结构的COB模组形成对比实验。模拟结果发现，本发明的覆晶结构的COB模组热形变小，热形变在正常形变范围内，常规倒装结构COB模组热形变偏大，形变值超出极限；正常工作时，覆晶结构COB模组散热能力比常规正装芯片结构COB模组散热能力强，最高温度相差约为10℃。为了进一步研究COB的光学性能，本实施例采用光学模拟软件Tracepro对该COB模组进行光学模拟，并与常规正装芯片封装的COB模组对比，模拟结果发现，该COB模组发光特性与常规正装COB模组发光特性相近。所以，本发明的覆晶LED器件集成COB显示模组在小点距显示屏领域在实际操作及产品性能等方面更优。
实施例4
在实施例3的基础上，为了进一步简化封装流程，本发明还进一步设计BT基板，将驱动芯片、相关电子元器件及驱动电路集成于BT基板上，如图10-12所示，101为PCB板，102为显示模组正常工作所需的电子元器件，实现BT芯片封装基板与显示屏载板一体化，以此省略了后续贴片步骤，简化封装流程，提高生产效率。其具体步骤与实施例3中COB模组制作流程类似：BT基板设计(含驱动芯片、相关电子元器件、驱动电路)；点助焊剂；固晶；回流；封胶；胶体烤干；获得显示屏单元，如图。该流程中省略了贴装与可能的切割环节，进一步简化封装流程，提升封装效率，在一定意义上实现了目前市场上的“无封装”LED技术。
上述测试验证了本发明的覆晶LED器件和BT基板结合能够应用在小点距显示屏上，在实现小点距显示屏的同时降低了产品了成本，更适于推广使用。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种覆晶LED器件，其特征在于，包括外延层，在外延层上表面不同区域分别镀有UBM层和钝化层，在UBM层和钝化层之上分别设有聚酰亚胺层和导体层，其中聚酰亚胺层底面覆盖钝化层，导体层内嵌在聚酰亚胺层中，导体层一端与UBM层连接，另一端制作有位于聚酰亚胺层之上的焊盘，焊盘与导体层另一端连接。
2.根据权利要求1所述的覆晶LED器件，其特征在于，所述导体层的厚度为10um-100um。
3.根据权利要求1所述的覆晶LED器件，其特征在于，所述导体层为金属层。
4.根据权利要求3所述的覆晶LED器件，其特征在于，所述金属层为金层。
5.根据权利要求1所述的覆晶LED器件，其特征在于，所述焊盘为凸点。
6.根据权利要求5所述的覆晶LED器件，其特征在于，所述凸点的材料为金属或者合金。
7.一种覆晶LED器件集成COB显示模组，其特征在于，包括BT基板和通过倒装方式焊接在BT基板上的至少一组权利要求1-6任一项所述的覆晶LED器件，至少一组覆晶LED器件通过胶体封装。
8.根据权利要求7所述的覆晶LED器件集成COB显示模组，其特征在于，所述BT基板上还封装有驱动芯片。
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