CN1396667A - 发光二极管的封装 - Google Patents

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Abstract

本发明以硅晶片为基板，利用其晶面具有特定方向做湿蚀刻使形成凹槽，在硅基板的背面，利用干蚀刻制作贯孔电极，同时利用硅表面形成绝缘的气化膜层或氮化膜层后再镀反射层与电极层，将发光二极管晶粒放于硅基板凹槽内并做固晶、打线、封胶、切割等步骤，即可形成SMD发光二极管成品。本发明优点是散热佳、耐温高，小型化等。

Description

发光二极管的封装
技术领域
本发明属于一种发光二极管的封闭，具体地说，涉及一种粘着型发光二极管的封闭。
背景技术
目前表面粘著型发光二极管(SMD LED)的封装主要分有电路板型与支架型两种，其中支架型SMD LED采用金属支架为基板再以射出塑胶凹槽或模铸成型(molding)方式封胶后并切割形成SMD型LED如图1所示。电路板型SMD LED是用复合材料电路板为基板再以模铸成型(molding)方式封胶并切割形成SMD型LED如图2所示，目前以这两种方式所制作出来的SMD LED都有一些共同缺点，其一就是耐温性不够，特别在SMD元件与其他电路板线路接合时须过高温炉(约250-300℃)，SMD LED的molding封胶耐温性不足，一般封胶Tg点只有120℃左右且与基板或支架的热膨胀系数不一样，因在SMD LED元件过高温炉后常会发生异常不良现象；另一缺点为散热性不佳，封胶材料与基板热传性不佳，而LED元件本身也是个小型发热体，当散热性不佳时温升提高对元件的发光效率与品质会有影响；另一缺点为微小化时其反射凹槽不易制作，在LED封装元件中有反射凹槽与没有反射凹槽所发出的亮度相差一倍以上(以发光角度30度为比较基准)，在微小化0603(1.6×0.7mm)，0402(1.0×0.5mm)SMD LED尺寸要具有凹槽反射杯在传统制程基本上是很难做到的。
耐温性不佳、散热性不佳、微小化反射凹槽不易制作，是传统SMDLED最大问题所在。
发明内容
本发明的目的在提供一种发光二极管的封闭，具有耐热性高，制作反向槽容易，散热性佳，微小化容易等优点。
为实现上述目的，本发明提供的一种发光二极管的封装，是在硅晶片基板正面上光阻层经曝光显影后利用湿蚀刻方式蚀刻出具有倾斜壁的凹槽反射座，另在硅晶片基板的背面同样上光阻层并在凹槽底部背面的相对位置设有电极孔图案经曝光显影后利用于蚀刻方式蚀刻出贯孔电极孔，后去除光阻，再将硅晶片基板经高温炉氧化或氮化处理使硅基板表面形成一层氧化硅或氮化硅的绝缘层，再利用电镀方式使硅基板正、反面及贯孔电极孔内均镀一层金属导电层，并利用激光加工将凹槽内的电极面分割成具有正、负电极的电极接触面，以利LED发光晶粒的置于其中并与电极接合。
其中镀金属导电层须同时具有导电与光反射功能，其材料为Ag、Au、Pd、pt等。
其中硅晶片基板选用100结晶方位的硅晶片能蚀刻出倾斜壁的凹槽。
其中硅晶片基板运用110结晶方位的硅晶片能蚀刻出具垂直壁的凹槽。
其中湿蚀刻液为碱性(氢氧化钾KOH)时，其光阻须用酸性显影光阻。
由硅晶片基板经氮气高温炉加热使硅晶片表面形成一层氮化硅层，再上光阻并配合光罩曝光显影，用反应性离子蚀刻(RIE)把显影区的氮化硅层去除，后再用湿蚀刻法蚀刻出具有凹槽的结构；在硅晶片基板的背面上光阻并配合光罩在凹槽的相对位置设有电极孔图做曝光显影，再用反应性离子蚀刻(RIE)把氮化硅层去除，用干蚀刻感应耦合电浆(ICP)制作出贯孔电极孔，将硅晶片基板经氧化或氮化处理使凹槽及贯孔电极孔内壁形成一层绝缘层，后再将硅基板镀金属层，利用激光加工分割出凹槽内的正、负电极面，以利LED晶粒置于凹槽内并与电极接合。
将LED发光晶粒放置于具有凹槽反射座的硅晶片基板凹槽内，并将LED发光晶粒的正、负电极连接硅晶片基板凹槽的正、负电极，利用封胶树脂包覆LED发光晶粒且填满整个凹槽，经加温使封胶树脂固化后并切割成颗粒状的表面粘着型发光二极管元件。
其中封胶树脂为一种透明耐高温的硅胶或环氧树脂(EPOXY)
其中晶片基板可为硅晶片(Si)或二氧化硅(SiO2)晶片基板。
其中封胶树脂以模铸方式成型使其表面形成具有凸透镜功能的结构。
其中在晶片基板的单一凹槽反射座内可同时放置二颗LED晶粒以上。
发光二极管(LED)硅基板制作过程如下(A)
1.首先选用100结晶方位(Orientation)的硅晶片(6寸)；
2.上光阻并利用曝光显影方式将不要的光阻去除；
3.利用非等向性湿蚀刻(Anisotropic wet etching)，蚀刻达到一定深度，即形成具有倾斜角54.74°的凹槽(反射座)；
4.硅晶片背面用干蚀刻或激光加工制作贯孔电极孔；
5.经氧化或氮化处理，使表面形成一绝缘氧化硅层(SiO2)或氮化硅层(Si3N4)；
6.镀金属层(镀银，含凹槽反射层与背面电极层)；
7.利用激光(Nd-YAG)加工分割凹槽内的电极使形成正、负电极面两端。
在硅基板蚀刻凹槽特别在湿蚀刻硅材料大多选用氢氧化钾，使用碱性氢氧化钾(KOH)蚀刻时，若使用一般光阻则光阻会被KOH所溶蚀，因必须运用特殊的光阻液即用酸性显影的光阻液(此种光阻市面上不易买到)。若用一般光阻要达到蚀刻硅基板则必须改用另一制程(B)。
发光二极管(LED)硅基板制作过程(B)：
1.运用100结晶方位的硅晶片；
2.先送进氮气高温炉加热使硅晶片表面形成一层氮化硅层(Si3N4)；
3.上光阻并曝光显影；
4.用反应性离子蚀刻(RIE)把Si3N4层(又称hard mask)去除(又称开窗)；
5.利用湿蚀刻液(KOH)使蚀刻出具有凹槽的结构；
6.硅晶片背面上光阻并曝光显影；
7.用RIE电浆蚀刻把Si3N4层去除；
8.再用感应耦合电浆(ICP)做干蚀刻制作出贯孔电极孔；
9.再将硅晶片经氧化或氮化处理使凹槽及贯孔的表面形成一绝缘膜层；
10.电镀金属层；
11.利用激光加工切割出凹槽内的正负电极面。
B制程与A制程最大不同处在于B制程采用一般光阻，A制程采用酸性显影光阻。B制程须先长一层Si3N4膜层再用RIE电浆蚀刻该层(RIE蚀刻硅(Si)的速度很慢，在干蚀刻硅时必须改用ICP蚀刻硅)。
以上步骤即完成本发明SMD发光二极管的封装专用硅基板基本制程方法，在100结晶方位硅基板利用湿蚀刻方式其蚀刻深度并非垂直往下而是形成倾斜角54.74°的凹槽，此角度刚好很适合SMD LED的发射角。而选用110结晶方位的硅基板利用湿蚀刻其蚀刻深度为一垂直壁，其所形成的凹槽亦可应用于小角度的SMD LED元件。
将LED晶粒(Chip)固晶于硅基板凹槽内并打线、点胶、切割成SMD型LED颗粒，即完成以硅晶片为基板的SMD型LED装置。
附图说明
为了对本发明有进一步的了解，下面例举实施例，并配合图示说明如下，其中：
图1是传统金属支架型SMD发光二极管的封装结构剖面图。
图2是传统电路板型SMD发光二极管的封装结构剖面图。
图3是本发明发光二极管的封装的硅基板剖面图。
图4是本发明发光二极管的封装于硅基板上光阻层示意图。
图5是本发明发光二极管的封装于硅基板上的部份光阻曝光显影的示意图。
图6是本发明发光二极管的封装在硅基板上做蚀刻凹槽成型的结构图。
图7是本发明发光二极管的封装硅基板上去除光阻后的形成具有凹槽结构的硅基板结构图。
图8是本发明发光二极管的封装做挖或贯孔处理的剖面图。
图9是本发明发光二极管的封装做长绝缘层及镀金属层的结构图。
图10A是本发明发光二极管的封装分割金属层使形成正、负电极面的结构图。
图10B是本发明发光二极管的封装分割金属层使形成覆晶接合的正、负电极面图示。
图11是本发明发光二极管的封装LED晶粒固晶、打线、点封胶的结构图。
图12是本发明发光二极管的封装利用LED晶粒以覆晶方式接合并点封胶的结构图。
图13是本发明发光二极管的封装利用点胶封胶并切割SMD型LED元件结构图。
图14是本发明发光二极管的封装LED晶粒以覆晶方式形成SMD型LED元件结构图。
图15是本发明发光二极管的封装SMD型LED元件背面电极配置图。
图16是本发明发光二极管的封装覆晶接合的SMD型LED元件的立体图。
图17是本发明发光二极管的封装SMD型LED元件的表面封胶以模铸成型方式形成。
图18是本发明发光二极管的封装SMD型LED元件表面封胶形成具有凸透镜的结构。
图19是本发明发光二极管的封装硅基板采用110结晶方位经蚀刻成垂直壁凹槽的结构图。
图20是本发明发光二极管的封装在晶片基板上单一凹槽反射座内可同时放置多颗LED晶粒的封装结构图。
具体实施方式
图1是传统金属支架SMD型LED(俗称TOPLED型)的结构图，其制程为先将金属支架，与耐温塑胶料(PPS)射出成型一凹槽状2，之后再固晶3、打线4、封胶5等动作，其主要封装材料为塑胶与环氧树脂(EPOXY)。
图2是传统电路板SMD型LED的结构图，其制程为先将LED晶粒固定于基板6上并打电极线4后再用模铸成型方式形成封胶5，后再经切割成粒状SMD型LED的元件，其主要封装材料为透明的环氧树脂。
本发明发光二极管之封装请参阅图3所示，首先在硅晶片基板8上一层光阻层9(如图4所示)，利用曝光显影方式将曝光显影区10的光阻去除(如图5所示)，后将硅晶片经蚀刻液(KOH)蚀刻形成凹槽，由于硅晶片8采用100结晶方位的结构，因蚀刻出的凹槽为一具倾斜角54.74°的倾斜壁12，此倾斜壁有利于光的反射，图7为去除光阻后形成具有凹槽结构的硅基板结构图。图8是将硅基板8的背面上光阻及于凹槽的背面相对位置光罩设有显影电极贯孔图案，利用曝光显影及干蚀刻(RIE或ICP)做挖孔(半贯孔)13，同时做电极导引14(如图8)，半贯孔13主要目的为在做SMD元件颗粒切割时，切割线直接从半贯孔13的中央切过，使形成SMD型LED元件的两端点各其有半圆的结构如图10(A)及图16所示，由于在半圆内壁会镀有金属层以利SMD型LED元件在与其他电路板线路的焊接点做焊接作用。
图8硅基板内的电极贯孔14其作用为导引电极的作用。
在已完成硅基板的基板结构后，由于硅基板本身为一半导体因此必须在其表面形成一层良好的绝缘膜层，目前绝缘膜层可为气化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，只要在高温炉中通以氧或氮气即可形成表面的绝缘层如图9的15所示，在长完绝缘层15后须再镀上金属层16。由于金属层16必须将硅晶片正、反面及贯孔全要镀到，最好用电镀方式一次可全部完成，同时也可形成背面金属电极18、17；而正面凹槽内的金属电极很难用曝光显影方式形成，须用激光(Nd-YAG)加工切割使形成正、负电极面，如图10所示电极面17A及18A，分割线19为绝缘区；图10(A)为传统LED晶粒须用打线连接电极，图10(B)为针对覆晶(FlipChip)型LED晶粒的电极分布图。在氮化镓的蓝光、绿光等LED晶粒其基材为透明的氧化铝单晶，若采用覆晶封装再加上本发明有凹槽反射座则其发光亮度将比传统封装结构高一倍以上。
图11为将LED晶粒3于置于硅基板的凹槽内电极面18A上，同时做打金属线4连接电极17A并点封胶树脂5，最后在硅基板分割道20做切割即形成图13的SMD型LED元件。图12及图14为LED覆晶封装的结构，直接将LED晶粒反面使接点21直接加温焊合在17A及18A电极面上，再点封胶树脂5，并切割SMD型LED，图10及图13为选用传统LED晶粒的封装。
图15为本发明发光二极管的封装SMD型LED的元件背面电极配置图。在背面电极17、18须与贯孔电极14及凹槽内电极17A、18A连接导通，由于本发明设计的结构为了连接贯孔电极14而会形成较大的背面电极面，对SMD元件而言有可能在焊接作业时容易形成正、负电极短路现象，为避免17、18两电极面太接近，因此必须再于其上印上一层绝缘层(漆)22如图15所示。
图16是为本发明发光二极管的封装以覆晶接合的SMD型LED元件立体图，其封装基材8全为硅基材，并非传统的环氧树脂。
图17是为本发明发光二极管的封装SMD型LED元件表面封胶采模铸成型方式，仅正表面有封胶5，其封装基材8全为硅基材。在此之前于硅基板凹槽内的封胶大部份采点胶方式其优点为制程简单，不须用模具，但有时为了使SMD元件加厚及在SMD表面成型具有凸透镜形状的结构23如图18所示，则可采表面用模铸方法封胶。
由以上实施例说明本发明是将发光二极管晶粒(GaAs、GaN、SiC等)直接固定于有凹槽的硅晶片基板上，硅晶片基板本身就是LED封装基材，而传统SMD型LED封装材料通常为环氧树脂类产品，对本发明与传统方式比较而言具有微小化容易，散热性佳、发光亮度强，耐热性等优势。
以上所述的实施例是以单晶硅晶片100结晶方位为基础，若改采用结晶方位110的晶片，经湿蚀刻出来的是垂直壁的凹槽如图19所示，但此种凹槽亦可用于发光角度较小的SMD LED元件上。
图20为在同一凹槽上制作可放置多颗LED晶粒的结构以得到单一SMD LED元件具有高亮度的效果。
另本发明若不用硅晶单晶片而改用其他单晶片如二氧化硅单晶俗称石英单晶(SiO2)经蚀刻亦可得有凹槽的结构，但其倾斜壁角度与硅就不同了，须依使用那一面结晶方位而得到不同的结果。

Claims (15)

1.一种发光二极管的封装，其特征在于，基板的制作方法为：
以硅晶片为基板，在其正面上光阻层经曝光显影后利用湿蚀刻方式蚀刻出具有倾斜壁的凹槽反射座，另在硅晶片基板的背面同样上光阻层并在凹槽底部背面的相对位置设有电极孔图案经曝光显影后利用干蚀刻方式蚀刻出贯孔电极孔，去除光阻，将硅晶片基板经高温炉氧化或氮化处理使硅基板表面形成一层氧化硅或氮化硅的绝缘层，利用电镀方式使硅基板正、反面及贯孔电极孔内均镀一层金属导电层，并用激光加工将凹槽内的电极面分割成具有正、负电极的电极接触面，以利发光二极管的发光晶粒置于其中并与电极接合。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管的封装，其特征在于，其中镀金属导电层须同时具有导电与光反射功能，其材料为银、金、钯、铂等。
3.如权利要求1所述的一种发光二极管的封装，其特征在于，其中硅晶片基板选用100结晶方位的硅晶片能蚀刻出倾斜壁的凹槽。
4.如权利要求1所述的一种发光二极管的封装，其特征在于，其中硅晶片基板选用110结晶方位的硅晶片能蚀刻出具垂直壁的凹槽。
5.如权利要求1所述的一种发光二极管的封装，其特征在于，其中湿蚀刻液为碱性(氢氧化钾)时，其光阻须用酸性显影光阻。
6.一种发光二极管的封装，其特征在于，硅晶片基板经氮气高温炉加热使硅晶片表面形成一层氮化硅层，再上光阻并配合光罩曝光显影，用反应性离子蚀刻把显影区的氮化硅层去除，后再用湿蚀刻法蚀刻出具有凹槽的结构；在硅晶片基板的背面上光阻并配合光罩在凹槽的相对位置设有电极孔图做曝光显影，再用反应性离子蚀刻把氮化硅层去除，用干蚀刻感应耦合电浆制作出贯孔电极孔，将硅晶片基板经氧化或氮化处理使凹槽及贯孔电极孔内壁形成一层绝缘层，再将硅基板镀金属层，利用激光加工分割出凹槽内的正、负电极面，以利发光二极管晶粒置于凹槽内并与电极接合。
7.如权利要求6所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中硅晶片基板选用100结晶方位可蚀刻出具倾斜壁的凹槽结构。
8.如权利要求6所述的发光二极管的封装基板的制作方法，其特征在于，其中硅晶片基板选用110结晶方位能蚀刻出具垂直壁的凹槽结构。
9.一种发光二极管的封装，其特征在于，将发光二极管发光晶粒放置于具有凹槽反射座的硅晶片基板凹槽内，并将发光二极管发光晶粒的正、负电极连接硅晶片基板凹槽的正、负电极，利用封胶树脂包覆发光二极管发光晶粒且填满整个凹槽，经加温使封胶树脂固化后并切割成颗粒状的表面粘著型发光二极管元件。
10.如权利要求9所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中封胶树脂为一种透明耐高温的硅胶或环氧树脂。
11.一种发光二极管的封装，由晶片基板、发光二极管发光晶粒，封装树脂等所组成，其中：
发光二极管发光晶粒：具有正、负电极面的发光晶粒；
晶片基材：具有凹槽反射座、放置发光二极管发光晶粒，并具有连接发光二极管发光晶粒的正、负电极面；
封胶树脂：包覆发光二极管发光晶粒并填满晶片基板整个凹槽；
其特征者在于：将发光二极管发光晶粒置放于具有凹槽反射座的晶片基板凹槽内，并连接其正、负电极，再以点胶或模铸成型方式使封胶树脂填满整个凹槽，再切割成粘着型发光二极管。
12.如权利要求11所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中晶片基板可为硅晶片或二氧化硅晶片基板。
13.如权利要求11或12所述的发光二极管的封闭，其特征在于，晶片基板选用其不同晶格方位则可蚀刻出不同倾斜角的凹槽。
14.如权利要求11所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中封胶树脂以模铸方式成型使其表面形成具有凸透镜功能的结构。
15.如权利要求11所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中在晶片基板的单一凹槽反射座内可同时放置二颗以上发光二极管晶粒。
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