專利名稱：一種硅基板集成有功能電路的led表面貼裝結構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于發(fā)光器件的制造領域，涉及一種基于硅基板的LED封裝結構。
背景技術：
發(fā)光二極管(LED)光源具有高效率、長壽命、不含Hg等有害物質的優(yōu)點。隨著LED 技術的迅猛發(fā)展，LED的亮度、壽命等性能都得到了極大的提升，使得LED的應用領域越來 越廣泛，從路燈等室外照明到裝飾燈等室內照明，均紛紛使用或更換成LED作為光源。LED表面貼裝型(SMD)的封裝結構由于其應用方便和體積小等優(yōu)勢已經成為了主 要的封裝形式。請參閱圖1，其是現有技術中常用的LED表面貼裝結構，包括一封裝支架100 和一通過固晶工藝貼裝在封裝支架100內的LED芯片200。封裝支架100表面設置有金屬 引線500，在LED芯片200兩側的金屬引線500上設置有電極400，LED芯片200的正負電 極通過金線300分別與封裝支架100上的電極400電連接。通過熒光粉涂敷和封膠工藝在 LED芯片200的上方填充灌封膠體600，從而完成對LED芯片200的封裝。然而，目前這種 LED表面貼裝結構存在以下問題由于封裝支架100是采用金屬支架為基板，再以射出塑膠 凹槽或模鑄成型方式封膠后并切割而成，因此其耐溫性不佳、散熱性不夠理想，微型化不易 制作。此外，由于采用了將LED芯片200正面朝上裝貼及采用金線300連接電極的結構，而 金線連接失效往往是LED生產和使用過程中出現最多的失效模式。另外，正面裝貼的LED 芯片200通過藍寶石散熱，但其散熱效果不佳。為了解決上述封裝支架結構存在的問題，一個較好的方法是采用硅基板直接作為 LED芯片的封裝基板。目前基于硅基板的SMD結構的產品還未能在實際中大量銷售和應用， 只是有相關的專利報道。他們大多采用的都是將硅片上表面挖一個深的凹槽，再在凹槽內 挖通孔，將上表面凹槽內的電極連到背面，形成SMD的封裝形式；LED芯片被埋入到硅凹槽 中，封裝時在凹槽中填充熒光粉和膠體；而且普遍采用的是正裝芯片打金線連接。部分也采 用了倒裝芯片的結構，請參閱圖2，該封裝結構包括一硅基板10、一 LED芯片20和封裝膠體 30。其中該硅基板10的上表面具有一深凹槽，LED芯片20倒裝在該硅基板10的深凹槽內。 LED芯片20的正負電極對應的硅基板10的凹槽內設有通孔50，通孔50對應的硅基板10 的背面具有導電焊盤60和70，LED芯片20通過通孔50內設的引線與導電焊盤60、70電連 接。該封裝膠體30是通過在深凹槽內填充熒光粉和封膠而形成。這種結構由于需要在硅 片的上表面挖大的深凹槽，需要對硅片進行長時間腐蝕，工藝復雜且成本較高；同時由于凹 槽很深，從而在其內部布線難度增加，特別是如果采用倒裝芯片，需要在凹槽內的電極上制 作金屬凸點，其工藝難度較大；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的外圍功能電路(如靜電保護電路、驅動電路等)，其應用前景上也受到限制；此外，受 凹槽大小限制，凹槽內放置的芯片數目受限，不易實現多芯片模組。在發(fā)光二極管生產和工作過程中很容易被靜電破壞，造成LED死燈失效，因此，目 前大多數的LED都需要在封裝過程中再額外接上齊納管來作靜電保護，增加了額外的工作 和成本。LED實際上就是PN結二極管，其工作需要直流電源驅動，其工作電壓由材料和PN結特性決定，基本上是恒定的，這樣其亮度就由工作電流來決定，因此，為保證LED的正常 工作，一般要求恒流源驅動，保持電流恒定，這樣LED需要外加電源恒流驅動系統(tǒng)。此外， LED外圍電路還包括整流電路(即交直流轉換電路)、調光電路、負載監(jiān)測診斷等，這些功能 電路都單獨封裝，體積大，成本高，但這些電路實際都是硅工藝生產的集成電路，如果能夠 將部分電路集成在硅基板中，將有效的提高集成度，提高工作穩(wěn)定性，降低成本。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種散熱性能好、小 型化、低成本、高集成度的LED表面貼裝結構。一種硅基板集成有功能電路的LED表面貼裝結構，包括硅基板和LED芯片。所述硅 基板的上表面為一平面結構，無凹槽。一氧化層覆蓋在硅基板的上表面，分別用以連接正負 電極的二金屬電極層設置在該氧化層的上表面且相互絕緣。所述金屬電極層的上表面分別 設置有金屬凸點，LED芯片倒裝在該硅基板上，LED芯片的正負極分別與二金屬凸點連接， 從而與金屬電極層電連接。在所述硅基板的下表面分別設置有二導電金屬焊盤，所述導電 金屬焊盤與硅基板上表面的金屬電極層通過設置在硅基板側壁的金屬引線電連接。一導熱 金屬焊盤設置在LED芯片正下方對應的硅基板的下表面。所述硅基板的上表面集成有LED 所需的外圍功能電路，其通過貫穿氧化層的接觸孔與金屬電極層實現電連接。進一步，還包括一膠體透鏡，其設置在硅基板的上表面，形成一密閉空間使LED芯 片及其內的金屬布線與外界隔離。進一步，所述外圍功能電路是靜電保護電路、電源驅動電路、整流電路、調光電路、 負載監(jiān)測診斷電路中的一種電路或多種電路的組合。相對于現有技術，本實用新型的結構具有散熱效果好、體積小的優(yōu)點；同時無金線 封裝使得該結構具有高的可靠性；直接在硅基板的表面倒裝LED芯片而節(jié)省了在硅片表面 挖深凹槽的步驟，降低了工藝成本和工藝難度，并且可容易地在硅片上表面進行LED芯片 的排布，可以方便地實現多芯片模組連接及封裝。同時直接在硅基板表面集成LED的外圍 功能電路，實現了 LED封裝結構的高度集成化，使LED器件體積減小，成本降低，工作穩(wěn)定性 提高。而且實現了晶圓級的大生產封裝，使得封裝成本降低。為了能更清晰的理解本實用新型，以下將結合
闡述本實用新型的具體實 施方式。
附圖說明[0012]圖1是現有技術中常用的LED表面貼裝結構示意圖。[0013]圖2是例舉的硅基板作為LED芯片的封裝基板的封裝結構示意圖。[0014]圖3本實用新型基于硅基板的LED封裝結構的剖面示意圖。[0015]圖4是圖3所示的俯視圖。[0016]圖5是圖3所示的仰視圖。[0017]圖6至圖11是本實用新型LED封裝結構的工藝流程各步驟的剖面結構示意圖。[0018]圖12實施例1的靜電保護電路俯視圖和等效電路圖。[0019]圖13實施例2的靜電保護電路俯視圖和等效電路圖。
具體實施方式
請同時參閱圖3、圖4和圖5，其分別是本實用新型基于硅基板的LED封裝結構的 剖面示意圖、俯視圖及仰視圖。該LED封裝結構包括硅基板1、LED芯片3和透鏡11。該LED芯片3分別具有P和N兩個電極，電極上設置有電極金屬焊盤(圖未示)。該硅基板1的上表面為一平面結構，無凹槽。該硅基板1的上表面內集成有外圍 功能電路2。一氧化層5覆蓋在硅基板1的上表面，并在外圍功能電路2的對應位置具有接 觸孔13。分別用以連接正負電極的二金屬電極層6設置在該氧化層5的上表面且相互絕 緣。金屬電極層6的上表面分別設置有金屬凸點4。LED芯片3倒裝在該硅基板1上，LED 芯片3的P、N電極上的電極金屬焊盤分別與金屬電極層6上的金屬凸點4接合。該硅基板 1的下表面分別設置有二導電金屬焊盤9和一導熱金屬焊盤10。該導電金屬焊盤9分別通 過設置在硅基板1側壁的金屬引線7與硅基板1上表面的金屬電極層6連接。該導電金屬 焊盤9與硅基板1之間，以及該金屬引線7與硅基板1之間設置有一絕緣層8。導熱金屬焊 盤10覆蓋在該硅基板1的下表面，并與該LED芯片3的位置正對，該導熱金屬焊盤10與硅 基板1之間可以有絕緣層，也可以無絕緣層。透鏡11設置在硅基板1的上表面，其形成一密閉空間使LED芯片3及其內的金屬 布線與外界隔離。所述外圍功能電路2具體是靜電保護電路、電源驅動電路、整流電路、調光電路、 負載監(jiān)測診斷電路中的一種電路或多種電路的組合。所述的金屬凸點4的材料可以為鉛、錫、金、鎳、銅、鋁、銦中單一的材料、多層材料
或者合金。所述LED芯片3上的電極金屬焊盤的材料可以為鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鎘、釩、鉬等 中單一的材料、多層材料或者合金。所述導電金屬焊盤9和導熱金屬焊盤10的材料可以為鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鎘、 釩、鉬等中單一的材料、多層材料或者合金。所述透鏡11的材料為透明的樹脂或硅膠；也可以是混合有顆粒狀熒光粉的樹脂 或硅膠；或者是由兩層材料組成第一層是混有熒光粉的膠體或熒光粉固體薄片，第二層 是透明的樹脂或硅膠。所述絕緣層8可以是聚酰亞胺(Polyimide)、氧化硅、氮化硅、可固化后永久使用 的光刻膠等。請同時參閱圖6至圖11，其是本實用新型LED封裝結構的工藝流程各步驟的剖面 結構示意圖。以下詳細說明本實用新型的LED封裝結構的制造步驟步驟Sl 制造LED芯片3。具體地，在藍寶石襯底上生長有多層氮化鎵的外延圓 片，經過光刻、刻蝕、金屬層沉積和鈍化層保護等系列工藝步驟，在LED芯片上形成P電極和 N電極，以及電極上的金屬焊盤。該圓片經研磨拋光后切割成單粒的LED芯片3。步驟S2 在硅基板1上形成外圍功能電路2和金屬電極層6。具體地，在一片硅基 板圓片1上，先通過半導體生產工藝，如外延、氧化、光刻、腐蝕、離子注入、擴散、退火等，制 造出所需LED外圍電路2，并開出接觸孔13，再用蒸發(fā)、濺射或電鍍等工藝在硅基板1的上 表面形成金屬層6，通過光刻、腐蝕或剝離等工藝形成對應于LED芯片的圖形和連線層。[0033]步驟S3 形成金屬凸點4。具體地，采用電鍍、蒸發(fā)或金屬線植球等方式在金屬電 極層6對應倒裝LED芯片的位置形成金屬凸點4。步驟S4 在硅基板1的下表面形成凹槽16 在硅基板1上表面粘上一層與硅基板 1大小相同的支撐用介質圓片15，材料為硅片、玻璃、金屬或陶瓷等，用于保護上表面及作 為下表面刻蝕后的支撐。然后將硅基板1進行下表面研磨，研磨到所需要的厚度。接著在 硅基板1下表面進行介質層沉積、涂膠、曝光、顯影、腐蝕等工序，在硅基板1晶粒之間的劃 片道位置開出掩蔽介質層的窗口圖形。利用介質層或光刻膠作為掩蔽層，對硅基板1進行 干法刻蝕或濕法腐蝕，直到腐蝕穿硅片，形成凹槽16。步驟S5 形成絕緣層8 通過電鍍或噴涂等方式在凹槽16的側壁和硅基板1的下 表面覆蓋絕緣層8。步驟S6 形成金屬引線7、導電金屬焊盤9和導熱金屬焊盤10 首先通過曝光顯影 將凹槽16對應硅基板1上表面的金屬電極層6的側壁處的絕緣層去除；然后通過電鍍、化 學鍍等方式在凹槽16內形成金屬引線7以及在硅基板1的下表面形成導電金屬焊盤9和 導熱金屬焊盤10。硅基板1上表面的金屬電極層6與硅基板1下表面的導電金屬焊盤通過 金屬引線7實現了電連接。步驟S7 粘貼第二支撐片18和去除第一支撐片15 將制作好的硅基板1的下表 面通過第二粘膠層17貼于第二支撐片18上，然后將硅基板1上表面的第一支撐片15去除 掉，同時清洗干凈硅片上表面。步驟S8 將LED芯片3倒裝焊接在硅基板1的上表面。通過自動化的倒裝焊設備 將一個個的LED芯片3倒裝焊接在硅片上表面上，倒裝焊過程實際是金屬凸點4同LED芯 片3的P電極和N電極的金屬焊盤的鍵合過程，可以采用回流焊的方式或是用加熱后加超 聲波的邦定工藝。步驟S9 形成透鏡11。透鏡的制作可以是通過鑄模形成，也可以是通過點膠方式 利用膠本身的表面張力直接形成。如果是制作藍光LED，則不需要進行熒光粉涂敷，直接在 硅片表面制作透鏡。如果是制作白光LED，可以有三種方式加入熒光粉。第一種是將熒光粉 顆粒與灌封膠均勻混合，然后在硅片表面用鑄?；螯c膠制作透鏡。第二種方式，是先在LED 芯片表面進行熒光粉的涂敷，方法是熒光粉顆粒先混入膠中制成膠狀熒光粉，然后進行涂 敷，涂敷方式可以是噴涂、刷涂或滴膠等方式；再用透明的灌封膠單獨在硅片表面用鑄?；?點膠形成透鏡。第三種方式，是先在LED芯片表面貼上已制作好的熒光粉固體薄片，然后再 用透明的灌封膠在硅片表面用鑄模或點膠形成透鏡。完成以上步驟后，單粒晶粒從介質圓片上取下來，即是一個可直接應用的集成有 功能電路的LED封裝產品。實施例1 以下詳細說明在硅基板1上集成靜電保護電路的方法。具體在上述步驟S2中實現。在硅基板1上形成靜電保護電路2和金屬電極層6。 具體的靜電保護電路的俯視圖和等效電路圖，請參閱圖12，該電路與LED芯片的兩個電極 并聯(lián)。其制作過程為選擇具有一定電阻率的P型摻雜的硅基板1，先在表面進行熱氧化工 藝形成氧化層5，然后通過光刻腐蝕開出需要摻雜位置的窗口，利用離子注入或擴散工藝在 窗口位置形成N型重摻雜區(qū)2，摻雜濃度和深度根據所需的PN結反向擊穿電壓決定；摻雜的同時在硅片表面再進行一次熱氧化，在N型摻雜區(qū)2也覆蓋一層氧化層；然后通過光刻腐 蝕工藝在N型摻雜區(qū)開出接觸孔13，開出接觸孔后用蒸發(fā)或濺射工藝在表面進行金屬層6 沉積，接著利用光刻腐蝕工藝形成電極金屬連線的布線層6。實施例2 以下詳細說明在硅基板1上集成另一種靜電保護電路的方法。具體在上述步驟S2中實現。在硅基板1上形成靜電保護電路2和金屬電極層6。 具體的靜電保護電路的俯視圖和等效電路圖，請參閱圖13，該電路與LED芯片的兩個電極 并聯(lián)。選擇具有一定電阻率的N型摻雜的硅基板1，先在表面進行熱氧化工藝形成氧化層 5，然后通過光刻腐蝕開出需要摻雜位置的窗口，利用離子注入或擴散工藝在窗口位置形成 P型重摻雜區(qū)2，摻雜濃度和深度根據所需的PN結反向擊穿電壓決定；摻雜的同時在硅片表 面再進行一次熱氧化，在P型摻雜區(qū)2也覆蓋一層氧化層；然后通過光刻腐蝕工藝在P型摻 雜區(qū)開出接觸孔13，開出接觸孔后用蒸發(fā)或濺射工藝在表面進行金屬層6沉積，接著利用 光刻腐蝕工藝形成電極金屬連線的布線層6。由于LED的外圍功能電路種類較多，而且同一種電路實現的方式也各式各樣，在 此不再例舉。相對于現有技術，本實用新型采用一層硅作為封裝基板，將LED芯片產生的熱直 接通過硅導出，熱阻比較小。采用倒裝焊工藝將LED直接通過金屬凸點連接到硅基板上，相 對于正裝LED產品通過藍寶石散熱，具有更好的散熱效果。整個封裝結構中沒有一根金線， 減少了由于金線連接失效造成的可靠性問題。本實用新型直接在硅基板的表面倒裝LED芯 片，硅片表面沒有挖深的凹槽，因此可以直接在硅基板表面集成LED的外圍功能電路，如抗 靜電保護電路、LED恒流驅動電路等，實現了 LED封裝結構的高度集成化，使LED器件體積 減小，成本降低，工作穩(wěn)定性提高。硅片表面沒有凹槽，可容易地在硅片上表面進行LED芯 片的排布，可以方便地實現多芯片模組連接及封裝。本封裝方法實現了晶圓級的大生產封 裝，使得封裝成本降低。此外，另外在硅基板的下表面設置了導熱金屬焊盤，實現了熱電分 離，可滿足大功率LED燈的散熱要求，提高其性能的可靠性。本實用新型并不局限于上述實施方式，如果對本實用新型的各種改動或變形不脫 離本實用新型的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本實用新型的權利要求和等同技術 范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變形。
權利要求1.一種硅基板集成有功能電路的LED表面貼裝結構，其特征在于包括硅基板和LED 芯片，所述硅基板的上表面為一平面結構，無凹槽，一氧化層覆蓋在硅基板的上表面，分別 用以連接正負電極的二金屬電極層設置在該氧化層的上表面且相互絕緣，所述金屬電極層 的上表面分別設置有金屬凸點，LED芯片倒裝在該硅基板上，LED芯片的正負極分別與二 金屬凸點連接，從而與金屬電極層電連接；在所述硅基板的下表面分別設置有二導電金屬 焊盤，所述導電金屬焊盤與硅基板上表面的金屬電極層通過設置在硅基板側壁的金屬引線 電連接，一導熱金屬焊盤設置在LED芯片正下方對應的硅基板的下表面；所述硅基板的上 表面集成有LED所需的外圍功能電路，其通過貫穿氧化層的接觸孔與金屬電極層實現電連 接。
2.根據權利要求1所述的硅基板集成有功能電路的LED表面貼裝結構，其特征在于 還包括一膠體透鏡，其設置在硅基板的上表面，形成一密閉空間使LED芯片及其內的金屬 布線與外界隔離。
3.根據權利要求1所述的硅基板集成有功能電路的LED表面貼裝結構，其特征在于 所述外圍功能電路是靜電保護電路、電源驅動電路、整流電路、調光電路、負載監(jiān)測診斷電 路中的一種電路或多種電路的組合。
專利摘要本實用新型涉及一種硅基板集成有功能電路的LED表面貼裝結構，包括硅基板和LED芯片。所述硅基板的上表面為一平面無凹槽結構。一氧化層覆蓋在硅基板的上表面，金屬電極層設置在氧化層的上表面。金屬電極層的上表面設置有金屬凸點，LED芯片倒裝在該硅基板上。在所述硅基板的下表面設置有二導電金屬焊盤，所述導電金屬焊盤與硅基板上表面的金屬電極層通過設置在硅基板側壁的金屬引線電連接。一導熱金屬焊盤設置在LED芯片正下方對應的硅基板下表面。所述硅基板的上表面集成有LED所需的外圍功能電路。本實用新型的結構具有散熱效果好、體積小的優(yōu)點，直接將LED的保護和驅動等功能電路集成在硅基板中，實現了晶圓級的大生產封裝，使得封裝和燈具成本降低。
文檔編號H01L33/54GK201904368SQ20102027994
公開日2011年7月20日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者侯宇, 周玉剛, 曾照明, 肖國偉, 陳海英 申請人:晶科電子(廣州)有限公司