CN201904368U - 一种硅基板集成有功能电路的led表面贴装结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构，包括硅基板和LED芯片。所述硅基板的上表面为一平面无凹槽结构。一氧化层覆盖在硅基板的上表面，金属电极层设置在氧化层的上表面。金属电极层的上表面设置有金属凸点，LED芯片倒装在该硅基板上。在所述硅基板的下表面设置有二导电金属焊盘，所述导电金属焊盘与硅基板上表面的金属电极层通过设置在硅基板侧壁的金属引线电连接。一导热金属焊盘设置在LED芯片正下方对应的硅基板下表面。所述硅基板的上表面集成有LED所需的***功能电路。本实用新型的结构具有散热效果好、体积小的优点，直接将LED的保护和驱动等功能电路集成在硅基板中，实现了晶圆级的大生产封装，使得封装和灯具成本降低。

Description

一种硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构
技术领域
本实用新型属于发光器件的制造领域，涉及一种基于硅基板的LED封装结构。
背景技术
发光二极管(LED)光源具有高效率、长寿命、不含Hg等有害物质的优点。随着LED技术的迅猛发展，LED的亮度、寿命等性能都得到了极大的提升，使得LED的应用领域越来越广泛，从路灯等室外照明到装饰灯等室内照明，均纷纷使用或更换成LED作为光源。
LED表面贴装型(SMD)的封装结构由于其应用方便和体积小等优势已经成为了主要的封装形式。请参阅图1，其是现有技术中常用的LED表面贴装结构，包括一封装支架100和一通过固晶工艺贴装在封装支架100内的LED芯片200。封装支架100表面设置有金属引线500，在LED芯片200两侧的金属引线500上设置有电极400，LED芯片200的正负电极通过金线300分别与封装支架100上的电极400电连接。通过荧光粉涂敷和封胶工艺在LED芯片200的上方填充灌封胶体600，从而完成对LED芯片200的封装。然而，目前这种LED表面贴装结构存在以下问题：由于封装支架100是采用金属支架为基板，再以射出塑胶凹槽或模铸成型方式封胶后并切割而成，因此其耐温性不佳、散热性不够理想，微型化不易制作。此外，由于采用了将LED芯片200正面朝上装贴及采用金线300连接电极的结构，而金线连接失效往往是LED生产和使用过程中出现最多的失效模式。另外，正面装贴的LED芯片200通过蓝宝石散热，但其散热效果不佳。
为了解决上述封装支架结构存在的问题，一个较好的方法是采用硅基板直接作为LED芯片的封装基板。目前基于硅基板的SMD结构的产品还未能在实际中大量销售和应用，只是有相关的专利报道。他们大多采用的都是将硅片上表面挖一个深的凹槽，再在凹槽内挖通孔，将上表面凹槽内的电极连到背面，形成SMD的封装形式；LED芯片被埋入到硅凹槽中，封装时在凹槽中填充荧光粉和胶体；而且普遍采用的是正装芯片打金线连接。部分也采用了倒装芯片的结构，请参阅图2，该封装结构包括一硅基板10、一LED芯片20和封装胶体30。其中该硅基板10的上表面具有一深凹槽，LED芯片20倒装在该硅基板10的深凹槽内。LED芯片20的正负电极对应的硅基板10的凹槽内设有通孔50，通孔50对应的硅基板10的背面具有导电焊盘60和70，LED芯片20通过通孔50内设的引线与导电焊盘60、70电连接。该封装胶体30是通过在深凹槽内填充荧光粉和封胶而形成。这种结构由于需要在硅片的上表面挖大的深凹槽，需要对硅片进行长时间腐蚀，工艺复杂且成本较高；同时由于凹槽很深，从而在其内部布线难度增加，特别是如果采用倒装芯片，需要在凹槽内的电极上制作金属凸点，其工艺难度较大；再者由于硅基板上表面有深的凹槽，不容易在硅基板上集成LED的***功能电路(如静电保护电路、驱动电路等)，其应用前景上也受到限制；此外，受凹槽大小限制，凹槽内放置的芯片数目受限，不易实现多芯片模组。
在发光二极管生产和工作过程中很容易被静电破坏，造成LED死灯失效，因此，目前大多数的LED都需要在封装过程中再额外接上齐纳管来作静电保护，增加了额外的工作和成本。LED实际上就是PN结二极管，其工作需要直流电源驱动，其工作电压由材料和PN结特性决定，基本上是恒定的，这样其亮度就由工作电流来决定，因此，为保证LED的正常工作，一般要求恒流源驱动，保持电流恒定，这样LED需要外加电源恒流驱动***。此外，LED***电路还包括整流电路(即交直流转换电路)、调光电路、负载监测诊断等，这些功能电路都单独封装，体积大，成本高，但这些电路实际都是硅工艺生产的集成电路，如果能够将部分电路集成在硅基板中，将有效的提高集成度，提高工作稳定性，降低成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种散热性能好、小型化、低成本、高集成度的LED表面贴装结构。
一种硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构，包括硅基板和LED芯片。所述硅基板的上表面为一平面结构，无凹槽。一氧化层覆盖在硅基板的上表面，分别用以连接正负电极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且相互绝缘。所述金属电极层的上表面分别设置有金属凸点，LED芯片倒装在该硅基板上，LED芯片的正负极分别与二金属凸点连接，从而与金属电极层电连接。在所述硅基板的下表面分别设置有二导电金属焊盘，所述导电金属焊盘与硅基板上表面的金属电极层通过设置在硅基板侧壁的金属引线电连接。一导热金属焊盘设置在LED芯片正下方对应的硅基板的下表面。所述硅基板的上表面集成有LED所需的***功能电路，其通过贯穿氧化层的接触孔与金属电极层实现电连接。
进一步，还包括一胶体透镜，其设置在硅基板的上表面，形成一密闭空间使LED芯片及其内的金属布线与外界隔离。
进一步，所述***功能电路是静电保护电路、电源驱动电路、整流电路、调光电路、负载监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组合。
相对于现有技术，本实用新型的结构具有散热效果好、体积小的优点；同时无金线封装使得该结构具有高的可靠性；直接在硅基板的表面倒装LED芯片而节省了在硅片表面挖深凹槽的步骤，降低了工艺成本和工艺难度，并且可容易地在硅片上表面进行LED芯片的排布，可以方便地实现多芯片模组连接及封装。同时直接在硅基板表面集成LED的***功能电路，实现了LED封装结构的高度集成化，使LED器件体积减小，成本降低，工作稳定性提高。而且实现了晶圆级的大生产封装，使得封装成本降低。
为了能更清晰的理解本实用新型，以下将结合附图说明阐述本实用新型的具体实施方式。
附图说明
图1是现有技术中常用的LED表面贴装结构示意图。
图2是例举的硅基板作为LED芯片的封装基板的封装结构示意图。
图3本实用新型基于硅基板的LED封装结构的剖面示意图。
图4是图3所示的俯视图。
图5是图3所示的仰视图。
图6至图11是本实用新型LED封装结构的工艺流程各步骤的剖面结构示意图。
图12实施例1的静电保护电路俯视图和等效电路图。
图13实施例2的静电保护电路俯视图和等效电路图。
具体实施方式
请同时参阅图3、图4和图5，其分别是本实用新型基于硅基板的LED封装结构的剖面示意图、俯视图及仰视图。该LED封装结构包括硅基板1、LED芯片3和透镜11。
该LED芯片3分别具有P和N两个电极，电极上设置有电极金属焊盘(图未示)。
该硅基板1的上表面为一平面结构，无凹槽。该硅基板1的上表面内集成有***功能电路2。一氧化层5覆盖在硅基板1的上表面，并在***功能电路2的对应位置具有接触孔13。分别用以连接正负电极的二金属电极层6设置在该氧化层5的上表面且相互绝缘。金属电极层6的上表面分别设置有金属凸点4。LED芯片3倒装在该硅基板1上，LED芯片3的P、N电极上的电极金属焊盘分别与金属电极层6上的金属凸点4接合。该硅基板1的下表面分别设置有二导电金属焊盘9和一导热金属焊盘10。该导电金属焊盘9分别通过设置在硅基板1侧壁的金属引线7与硅基板1上表面的金属电极层6连接。该导电金属焊盘9与硅基板1之间，以及该金属引线7与硅基板1之间设置有一绝缘层8。导热金属焊盘10覆盖在该硅基板1的下表面，并与该LED芯片3的位置正对，该导热金属焊盘10与硅基板1之间可以有绝缘层，也可以无绝缘层。
透镜11设置在硅基板1的上表面，其形成一密闭空间使LED芯片3及其内的金属布线与外界隔离。
所述***功能电路2具体是静电保护电路、电源驱动电路、整流电路、调光电路、负载监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组合。
所述的金属凸点4的材料可以为铅、锡、金、镍、铜、铝、铟中单一的材料、多层材料或者合金。
所述LED芯片3上的电极金属焊盘的材料可以为镍、金、银、铝、钛、钨、镉、钒、铂等中单一的材料、多层材料或者合金。
所述导电金属焊盘9和导热金属焊盘10的材料可以为镍、金、银、铝、钛、钨、镉、钒、铂等中单一的材料、多层材料或者合金。
所述透镜11的材料为透明的树脂或硅胶；也可以是混合有颗粒状荧光粉的树脂或硅胶；或者是由两层材料组成：第一层是混有荧光粉的胶体或荧光粉固体薄片，第二层是透明的树脂或硅胶。
所述绝缘层8可以是聚酰亚胺(Polyimide)、氧化硅、氮化硅、可固化后永久使用的光刻胶等。
请同时参阅图6至图11，其是本实用新型LED封装结构的工艺流程各步骤的剖面结构示意图。以下详细说明本实用新型的LED封装结构的制造步骤：
步骤S1：制造LED芯片3。具体地，在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极和N电极，以及电极上的金属焊盘。该圆片经研磨抛光后切割成单粒的LED芯片3。
步骤S2：在硅基板1上形成***功能电路2和金属电极层6。具体地，在一片硅基板圆片1上，先通过半导体生产工艺，如外延、氧化、光刻、腐蚀、离子注入、扩散、退火等，制造出所需LED***电路2，并开出接触孔13，再用蒸发、溅射或电镀等工艺在硅基板1的上表面形成金属层6，通过光刻、腐蚀或剥离等工艺形成对应于LED芯片的图形和连线层。
步骤S3：形成金属凸点4。具体地，采用电镀、蒸发或金属线植球等方式在金属电极层6对应倒装LED芯片的位置形成金属凸点4。
步骤S4：在硅基板1的下表面形成凹槽16：在硅基板1上表面粘上一层与硅基板1大小相同的支撑用介质圆片15，材料为硅片、玻璃、金属或陶瓷等，用于保护上表面及作为下表面刻蚀后的支撑。然后将硅基板1进行下表面研磨，研磨到所需要的厚度。接着在硅基板1下表面进行介质层沉积、涂胶、曝光、显影、腐蚀等工序，在硅基板1晶粒之间的划片道位置开出掩蔽介质层的窗口图形。利用介质层或光刻胶作为掩蔽层，对硅基板1进行干法刻蚀或湿法腐蚀，直到腐蚀穿硅片，形成凹槽16。
步骤S5：形成绝缘层8：通过电镀或喷涂等方式在凹槽16的侧壁和硅基板1的下表面覆盖绝缘层8。
步骤S6：形成金属引线7、导电金属焊盘9和导热金属焊盘10：首先通过曝光显影将凹槽16对应硅基板1上表面的金属电极层6的侧壁处的绝缘层去除；然后通过电镀、化学镀等方式在凹槽16内形成金属引线7以及在硅基板1的下表面形成导电金属焊盘9和导热金属焊盘10。硅基板1上表面的金属电极层6与硅基板1下表面的导电金属焊盘通过金属引线7实现了电连接。
步骤S7：粘贴第二支撑片18和去除第一支撑片15：将制作好的硅基板1的下表面通过第二粘胶层17贴于第二支撑片18上，然后将硅基板1上表面的第一支撑片15去除掉，同时清洗干净硅片上表面。
步骤S8：将LED芯片3倒装焊接在硅基板1的上表面。通过自动化的倒装焊设备将一个个的LED芯片3倒装焊接在硅片上表面上，倒装焊过程实际是金属凸点4同LED芯片3的P电极和N电极的金属焊盘的键合过程，可以采用回流焊的方式或是用加热后加超声波的邦定工艺。
步骤S9：形成透镜11。透镜的制作可以是通过铸模形成，也可以是通过点胶方式利用胶本身的表面张力直接形成。如果是制作蓝光LED，则不需要进行荧光粉涂敷，直接在硅片表面制作透镜。如果是制作白光LED，可以有三种方式加入荧光粉。第一种是将荧光粉颗粒与灌封胶均匀混合，然后在硅片表面用铸模或点胶制作透镜。第二种方式，是先在LED芯片表面进行荧光粉的涂敷，方法是荧光粉颗粒先混入胶中制成胶状荧光粉，然后进行涂敷，涂敷方式可以是喷涂、刷涂或滴胶等方式；再用透明的灌封胶单独在硅片表面用铸模或点胶形成透镜。第三种方式，是先在LED芯片表面贴上已制作好的荧光粉固体薄片，然后再用透明的灌封胶在硅片表面用铸模或点胶形成透镜。
完成以上步骤后，单粒晶粒从介质圆片上取下来，即是一个可直接应用的集成有功能电路的LED封装产品。
实施例1：
以下详细说明在硅基板1上集成静电保护电路的方法。
具体在上述步骤S2中实现。在硅基板1上形成静电保护电路2和金属电极层6。具体的静电保护电路的俯视图和等效电路图，请参阅图12，该电路与LED芯片的两个电极并联。其制作过程为：选择具有一定电阻率的P型掺杂的硅基板1，先在表面进行热氧化工艺形成氧化层5，然后通过光刻腐蚀开出需要掺杂位置的窗口，利用离子注入或扩散工艺在窗口位置形成N型重掺杂区2，掺杂浓度和深度根据所需的PN结反向击穿电压决定；掺杂的同时在硅片表面再进行一次热氧化，在N型掺杂区2也覆盖一层氧化层；然后通过光刻腐蚀工艺在N型掺杂区开出接触孔13，开出接触孔后用蒸发或溅射工艺在表面进行金属层6沉积，接着利用光刻腐蚀工艺形成电极金属连线的布线层6。
实施例2：
以下详细说明在硅基板1上集成另一种静电保护电路的方法。
具体在上述步骤S2中实现。在硅基板1上形成静电保护电路2和金属电极层6。具体的静电保护电路的俯视图和等效电路图，请参阅图13，该电路与LED芯片的两个电极并联。选择具有一定电阻率的N型掺杂的硅基板1，先在表面进行热氧化工艺形成氧化层5，然后通过光刻腐蚀开出需要掺杂位置的窗口，利用离子注入或扩散工艺在窗口位置形成P型重掺杂区2，掺杂浓度和深度根据所需的PN结反向击穿电压决定；掺杂的同时在硅片表面再进行一次热氧化，在P型掺杂区2也覆盖一层氧化层；然后通过光刻腐蚀工艺在P型掺杂区开出接触孔13，开出接触孔后用蒸发或溅射工艺在表面进行金属层6沉积，接着利用光刻腐蚀工艺形成电极金属连线的布线层6。
由于LED的***功能电路种类较多，而且同一种电路实现的方式也各式各样，在此不再例举。
相对于现有技术，本实用新型采用一层硅作为封装基板，将LED芯片产生的热直接通过硅导出，热阻比较小。采用倒装焊工艺将LED直接通过金属凸点连接到硅基板上，相对于正装LED产品通过蓝宝石散热，具有更好的散热效果。整个封装结构中没有一根金线，减少了由于金线连接失效造成的可靠性问题。本实用新型直接在硅基板的表面倒装LED芯片，硅片表面没有挖深的凹槽，因此可以直接在硅基板表面集成LED的***功能电路，如抗静电保护电路、LED恒流驱动电路等，实现了LED封装结构的高度集成化，使LED器件体积减小，成本降低，工作稳定性提高。硅片表面没有凹槽，可容易地在硅片上表面进行LED芯片的排布，可以方便地实现多芯片模组连接及封装。本封装方法实现了晶圆级的大生产封装，使得封装成本降低。此外，另外在硅基板的下表面设置了导热金属焊盘，实现了热电分离，可满足大功率LED灯的散热要求，提高其性能的可靠性。
本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (3)

1.一种硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构，其特征在于：包括硅基板和LED芯片，所述硅基板的上表面为一平面结构，无凹槽，一氧化层覆盖在硅基板的上表面，分别用以连接正负电极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且相互绝缘，所述金属电极层的上表面分别设置有金属凸点，LED芯片倒装在该硅基板上，LED芯片的正负极分别与二金属凸点连接，从而与金属电极层电连接；在所述硅基板的下表面分别设置有二导电金属焊盘，所述导电金属焊盘与硅基板上表面的金属电极层通过设置在硅基板侧壁的金属引线电连接，一导热金属焊盘设置在LED芯片正下方对应的硅基板的下表面；所述硅基板的上表面集成有LED所需的***功能电路，其通过贯穿氧化层的接触孔与金属电极层实现电连接。
2.根据权利要求1所述的硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构，其特征在于：还包括一胶体透镜，其设置在硅基板的上表面，形成一密闭空间使LED芯片及其内的金属布线与外界隔离。
3.根据权利要求1所述的硅基板集成有功能电路的LED表面贴装结构，其特征在于：所述***功能电路是静电保护电路、电源驱动电路、整流电路、调光电路、负载监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组合。 
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