專利名稱：Led圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)及封裝工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及制造工藝，特別涉及一種LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)及工藝方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)光源相比，作為第四代光源的LED具有高效節(jié)能、高亮、長壽、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在照明、顯示等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。目前，LED封裝技術(shù)呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)使用引線框架對一個個單獨(dú)的芯片進(jìn)行封裝，封裝效率低、產(chǎn)品的一致性差，而且存在熱界面多而導(dǎo)致散熱不良。而借助于IC工藝中的硅通孔(Through SiliconVia, TSV)技術(shù)對LED芯片進(jìn)行系統(tǒng)級封裝，便于LED器件與電路的集成，可以提高LED封裝的集成度與產(chǎn)品的一致性，提高器件的性能，同時降低器件的成本，在LED封裝領(lǐng)域中具有重要的意義和巨大的市場潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)及工藝方法。本發(fā)明包括:硅基片、LED圓片、鍵合層和LED外延層，絕緣層、反射層、焊盤、熒光粉層及透鏡，其特征在于所述硅基片上設(shè)有通孔，硅基片的背面沉積有一層絕緣層，通孔內(nèi)填充有金屬實(shí)現(xiàn)垂直電互連，在硅基片正面設(shè)有焊盤及反射層，硅基片背面設(shè)有電極，LED外延層上設(shè)有η與ρ電極，在η與ρ電極上設(shè)有鍵合層，LED圓片與帶通孔的硅基片鍵合，LED圓片上涂覆熒光粉層，在LED圓片上設(shè)有透鏡陣列或硅膠保護(hù)層。所述硅基片為2inch或更大尺寸，厚度在100-500um。硅基片的通孔為垂直通孔，其形狀為圓形或方形，通孔內(nèi)填充的金屬為圓管或方管，其直徑為5um到lOOum，或者填充金屬的形狀為方柱或方臺或方管，其尺寸為為5um到IOOum,間距在5_500um,或者在通孔內(nèi)填充高分子材料。所述絕緣層為SiO2或SiNx,在絕緣層上沉積粘附層，阻擋層，種子層，粘附層為N1、T1、Ta,阻擋層為Ta,種子層為Cu。反射層為金屬Ag、Au,焊盤為Au。所述LED外延層通過ICP刻蝕工藝，暴露出η型GaN ;通過沉積工藝形成絕緣層將η型GaN與ρ型GaN分隔，η電極與ρ電極為兩塊式或分布式，經(jīng)沉積工藝沉積歐姆接觸層等電極結(jié)構(gòu)、焊盤，歐姆接觸層為Cr、T1、Pt、T1、Pd等，焊盤的為Au。所述鍵合層的鍵合層金屬為Au、Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn, Cu、Au-Sn,鍵合層設(shè)置在LED外延層上或者硅基片上。發(fā)光二極管LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，依次包含以下步驟:Α.在硅基片刻蝕通孔結(jié)構(gòu)； B.刻蝕通孔后的在硅基片表面沉積絕緣層，通過填充金屬實(shí)現(xiàn)垂直電互連，填充金屬的工藝可以采用電鍍，化學(xué)氣相沉積工藝；
C.通過濺射或沉積工藝在硅基片正面形成焊盤及反射層；D.通過濺射或沉積工藝在硅基片背面形成電極結(jié)構(gòu)；E.通過刻蝕暴露出LED外延層的η與P電極,在η與P電極上形成鍵合層,通過圓片鍵合工藝將LED圓片與帶通孔的硅基片鍵合，鍵合工藝為熱壓鍵合、超聲熱壓鍵合、回流工藝；F.通過旋涂或印刷工藝在鍵合好的LED圓片上涂覆熒光粉層；G.通過自流成型工藝或注塑工藝在LED圓片上形成透鏡陣列或硅膠保護(hù)層；H.通過切片工藝將圓片分割成單個LED封裝結(jié)構(gòu)。E步驟中JfLED圓片與帶通孔的硅基片鍵合后，還可以對LED圓片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行減薄，采用的工藝為ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，減薄工藝在LED圓片與帶通孔圓硅片鍵合完成之后進(jìn)行，或者在刻蝕制作LED外延層焊盤之前進(jìn)行藍(lán)寶石襯底的減薄，利用圓片鍵合工藝將LED圓片鍵合到一個臨時襯底上，臨時襯底可以為硅片、銅片，通過ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝進(jìn)行藍(lán)寶石襯底減薄，直到暴露出η型GaN外延層。所述步驟F通過旋涂工藝在LED圓片表面形成熒光粉層，其材料為熒光粉硅膠混合物或熒光粉玻璃。所述步驟G通過自流成型工藝或注塑工藝在熒光粉層上形成透鏡陣列，透鏡的形狀為半球形或自由曲面。 所述步驟G還可以通過旋涂工藝熒光粉層上形成硅膠保護(hù)層，通過壓模工藝在硅膠保護(hù)層上形成微結(jié)構(gòu)。所述步驟H通過切片工藝將圓片分割成單個LED封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸可以為
0.5mmX 0.5mm.1mm X 1mm、2mmX 2mm、5mmX 5mm、IOmmX 10mm、20mmX 20mm、或任意尺寸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是封裝后縮小了 LED的尺寸，可以滿足大功率LED封裝結(jié)構(gòu)尺寸要求苛刻的場合，通過圓片級工藝實(shí)現(xiàn)LED封裝，提高了 LED封裝的生產(chǎn)效率，通過導(dǎo)電垂直互連結(jié)構(gòu)及工藝實(shí)現(xiàn)電熱分離，采用熱導(dǎo)率高的硅片進(jìn)行封裝，克服了散熱不良的問題，提高LED器件的散熱能力；通過旋涂工藝，印刷工藝實(shí)現(xiàn)了 LED的保型涂覆，提高了 LED封裝的一致性。本發(fā)明提供一種工藝簡單、低成本和高可靠性LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)及其工藝方法。


圖1本發(fā)明LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2本發(fā)明LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)陣列的俯視圖；圖3、圖3a本發(fā)明LED圓片級芯片尺寸封裝背面電極結(jié)構(gòu)圖；圖4本發(fā)明LED采用平面透鏡圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖5本發(fā)明LED采用平面透鏡(三角形微結(jié)構(gòu))圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖6本發(fā)明LED采用平面透鏡(方形微結(jié)構(gòu))圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖7本發(fā)明LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)(自由曲面透鏡)的剖面圖8本發(fā)明LED圓片鍵合層制作工藝步驟示意圖；圖9本發(fā)明LED圓片鍵合層分布示意圖；圖10本發(fā)明LED圓片鍵合層分布示意圖；圖11本發(fā)明帶有垂直互連通孔的硅基板制作工藝步驟示意圖；圖12本發(fā)明LED圓片尺寸封裝圓片鍵合工藝；圖13本發(fā)明LED圓片鍵合層(正負(fù)極交錯形式)制作工藝步驟示意圖；圖14本發(fā)明LED圓片鍵合層(正負(fù)極交錯形式)分布示意圖；圖15本發(fā)明硅基片(垂直通孔填實(shí)工藝)制作工藝步驟示意圖；圖16本發(fā)明硅基片(斜通孔未填實(shí)工藝)制作工藝步驟示意圖；圖17本發(fā)明硅基片(斜通孔填實(shí)工藝)制作工藝步驟示意圖；圖18本發(fā)明硅基片(垂直通孔填沖高分子緩沖材料工藝)制作工藝步驟示意圖；圖19本發(fā)明硅基片(斜通孔填沖高分子緩沖材料工藝)制作工藝步驟示意圖。圖中:1硅基片，2通孔，3電鍍銅，4焊盤，5鍵合層，6n型GaN，7p型GaN，8多量子阱，9絕緣層，10藍(lán)寶石襯底，11熒光粉層，12球面透鏡，13平面透鏡，14三角形微結(jié)構(gòu)，15方形微結(jié)構(gòu)，16自由曲面透鏡，17高分子填充材料。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例:制作LED圓片鍵合層結(jié)構(gòu):在LED外延層上光刻顯影，將設(shè)計好的電極圖形轉(zhuǎn)移到LED外延層上，利用干法刻蝕工藝刻蝕GaN，刻蝕深度為η型GaN7和多量子阱8的厚度的總和，暴露圖η型GaN6，在η型GaN6與ρ型GaN7間制作絕緣層，金屬化η型GaN6與ρ型6&町，焊盤4包括附、48、411、ITO等金屬。光刻、顯影、制作鍵合層5，制作方法可以包括沉積，印刷，電鍍等工藝。鍵合層5材料可以包括:Sn-Ag、Sn、Ag、Au、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn、Au-Sn等金屬。如圖8所示。鍵合層5的形狀可以為正負(fù)極整體兩塊，如圖9所示，也可以為分布式，如圖10所示。制作帶垂直電極結(jié)構(gòu)的硅基片:硅基片I為2inch或更大尺寸，厚度在100-500um，光刻，顯影，通過DRIE工藝在硅片I刻蝕出垂直通孔2，孔的形狀可以為圓形或方形；其直徑為5um到lOOum，間距在10_500um。通過熱氧化或PECVD工藝形成絕緣層，絕緣層為SiO2或SiNx，通過濺射或沉積工藝形成粘附層，阻擋層，種子層。通過電鍍工藝填充互連金屬銅或采用沉積工藝填充鎢或者其它高導(dǎo)電率的金屬形成垂直導(dǎo)電互連結(jié)構(gòu)。填充金屬不完全填充滿通孔3，通過沉積工藝形成通過沉積工藝形成黏附層、焊盤4及反射層。黏附層可以為金屬Ni，Ti，焊盤4可以為金屬Au，反射層的金屬可以為Ag，如圖11所示。并制作硅基板背部用于表面貼裝的電極結(jié)構(gòu)4，如圖3、圖3a所示。LED圓片與硅基片鍵合工藝:制作帶垂直電極結(jié)構(gòu)的硅基片與制作好鍵合層的LED圓片利用圓片熱壓鍵合工藝完成鍵合，如圖12所示。利用旋涂工藝在藍(lán)寶石10上制作熒光粉層11。如圖1所示。利用模具成型工藝或自由成型工藝在熒光粉11層上制作微透鏡12。如圖1所示。利用切片工藝將圓片分開形成LED圓片級芯片尺寸封裝模塊，如圖1、2所示。
實(shí)施例二實(shí)施例二與實(shí)施例一相同，所不同的是在于藍(lán)寶石上得熒光分層為采用印刷工藝形成的，且其工藝步驟在所有工藝之前。實(shí)施例三實(shí)施例三與實(shí)施例一相同，所不同的是在于LED圓片與硅基片鍵合工藝采用回流工藝實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例四實(shí)施例四與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所形成的微透鏡為平面透鏡13，且在其上制作了可以提高取光效率的三角形微結(jié)構(gòu)14、方形微結(jié)構(gòu)15。其結(jié)構(gòu)形式可以為三角形整列，圓形整列，四邊形整列15，五邊形整列，六邊形整列。其邊長及間距滿足一定的要求。如圖4、圖5、圖6所示。實(shí)施例五實(shí)施例五與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所形成的微透鏡為自由曲面透鏡16，可以滿足具體照明場合對光斑分布的要求。實(shí)施例六實(shí)施例六與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所制作連接LED外延層η型GaN與ρ型GaN的鍵合層為交叉分布，如圖13、圖14所示，以提高LED外延層多量子阱的電流注入效率，提高電流分布的均勻性。實(shí)施例七實(shí)施例七與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所制作的垂直互連通孔2內(nèi)填充滿了電鍍銅3,如圖15所示。實(shí)施例八實(shí)施例八與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所制作的互連通孔2為倒梯形結(jié)構(gòu)，其中的金屬層為電鍍銅3，如圖16所示。也可以完全填充滿通孔，如圖17所示。實(shí)施例九實(shí)施例九與實(shí)施例一相同，所不同的是在于所制作的垂直或倒梯形結(jié)構(gòu)的互連通孔2中只填充一薄層電鍍銅3，在電鍍銅3中填充高分子材料17以緩沖金屬層與硅之間熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力，如圖18、圖19所示。實(shí)施列十實(shí)施例十與實(shí)施例一相同，所不同的是在于LED外延層與帶導(dǎo)電通孔硅基片I完成鍵合工藝后，對藍(lán)寶石襯底10進(jìn)行減薄，可以采用的工藝包括ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝。實(shí)施列十一實(shí)施例1^一與實(shí)施例一相同，所不同的是在于在刻蝕制作LED外延層鍵合層5之前進(jìn)行藍(lán)寶石襯底10的減薄，首先利用圓片鍵合工藝將LED圓片鍵合到一個臨時襯底上，通過ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削+化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝等進(jìn)行藍(lán)寶石襯底10的減薄，直到暴露出η型GaN6外延層?？涛gη型GaN6和多量子阱結(jié)構(gòu)直到暴露出P型GaN7，然后制作絕緣層，金屬化η型GaN6與ρ型GaN7，制作焊盤結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，包括:硅基片、LED圓片、鍵合層和LED外延層，絕緣層、反射層、焊盤、熒光粉層及透鏡，其特征在于所述硅基片上設(shè)有通孔，硅基片的背面沉積有一層絕緣層，通孔內(nèi)填充有金屬實(shí)現(xiàn)垂直電互連，在硅基片正面設(shè)有焊盤及反射層，硅基片背面設(shè)有電極，LED外延層上設(shè)有η與P電極，在η與P電極上設(shè)有鍵合層，LED圓片與設(shè)有通孔的硅基片鍵合，LED圓片上涂覆有熒光粉層，在LED圓片上設(shè)有透鏡陣列或硅膠保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述硅基片為2inch或更大尺寸，厚度在100-500um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述硅基片的通孔為垂直通孔，其形狀為圓形或方形，通孔內(nèi)填充金屬，其直徑為5um到lOOum，間距在5-500um，或者填充形狀為圓管或方管的金屬，其尺寸為5um到lOOum，間距在5_500um，或者在金屬管中填充高分子材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕緣層為SiO2或SiNx，在絕緣層上沉積粘附層，阻擋層，種子層，粘附層為N1、T1、Ta，阻擋層為Ta，種子層為Cu，W，反射層為金屬Ag、Au，焊盤為Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述LED外延層通過ICP刻蝕工藝，暴露出η型GaN ;通過沉積工藝形成絕緣層將η型GaN與ρ型GaN分隔，η電極與P電極為兩塊式或分布式，經(jīng)沉積工藝沉積電極內(nèi)的歐姆接觸層、焊盤，歐姆接觸層為Cr、T1、Pt、T1、Pd，焊盤金屬為Au。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鍵合層的金屬為Au、Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Pb-Sn，Cu、Au-Sn，鍵合層選擇設(shè)置在LED外延層或硅基片上。
7.一種發(fā)光二極管LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于依次包含以下步驟: A.在硅基片刻蝕通孔結(jié)構(gòu)； B.刻蝕通孔后的在硅基片背面沉積絕緣層，通過填充金屬實(shí)現(xiàn)垂直電互連，填充金屬的工藝可以采用電鍍，化學(xué)氣相沉積工藝； C.通過濺射或沉積工藝在硅基片正面形成焊盤及反射層； D.通過濺射或沉積工藝在硅基片背面形成電極結(jié)構(gòu)； E.通過刻蝕暴露出LED外延層的η與ρ電極,在η與ρ電極上形成鍵合層,通過圓片鍵合工藝將LED圓片與帶通孔的硅基片鍵合； F.通過旋涂或印刷工藝在鍵合好的LED圓片上涂覆熒光粉層； G.通過自流成型工藝或注塑工藝在LED圓片上形成透鏡陣列或硅膠保護(hù)層； H.通過切片工藝將LED圓片分割成單個LED封裝結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述E步驟中將LED圓片與帶通孔的硅基片鍵合后還包含對LED圓片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行減薄，可以采用的工藝為ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，減薄工藝在LED圓片與帶通孔圓硅片鍵合完成之后進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述E步驟中在刻蝕制作LED外延層之前進(jìn)行藍(lán)寶石襯底的減薄，利用圓片鍵合工藝將LED圓片鍵合到一個臨時襯底上，臨時襯底可以為硅片或銅片，通過ICP刻蝕，激光剝離，機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝進(jìn)行藍(lán)寶石襯底減薄，直到暴露出η型GaN外延層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述步驟F通過旋涂工藝在LED圓片表面形成熒光粉層，其材料為熒光粉硅膠混合物，或者采用鍵合工藝在LED圓片表面鍵合熒光粉玻璃。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述步驟G通過自流成型工藝或注塑工藝在熒光粉層上形成透鏡陣列，透鏡的形狀為半球形或自由曲面。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述步驟G還通過旋涂工藝在熒光粉層上形成硅膠保護(hù)層，通過壓模工藝在硅膠保護(hù)層上形成微結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)的封裝工藝，其特征在于所述步驟H通過切片工藝將圓片分割成單個LED封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸可以為0.5mmX0.5_、ImmX 1mm、2mmX2mm、5mmX5mm IOmmX 10mm、20mmX20mmo
全文摘要
LED圓片級芯片尺寸封裝結(jié)構(gòu)及封裝工藝，包括硅基片、LED圓片、鍵合層和LED外延層，絕緣層、反射層、焊盤、熒光粉層及透鏡，其特征在于所述硅片上設(shè)有通孔，硅基片的背面沉積有一層絕緣層，通孔內(nèi)填充有金屬實(shí)現(xiàn)垂直電互連，在硅基片正面設(shè)有焊盤及反射層，硅基片背面設(shè)有電極，LED外延層上設(shè)有n與p電極，在n與p電極上設(shè)有鍵合層，LED圓片與帶通孔的硅基片鍵合，LED圓片上涂覆熒光粉層，在LED圓片上設(shè)有透鏡陣列或硅膠保護(hù)層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是封裝后縮小了LED的尺寸，通過導(dǎo)電垂直互連結(jié)構(gòu)及工藝實(shí)現(xiàn)電熱分離，提高LED器件的散熱能力，通過旋涂工藝，印刷工藝實(shí)現(xiàn)了LED的保型涂覆，提高了LED封裝的一致性。
文檔編號H01L33/64GK103187508SQ20111045767
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉勝, 陳照輝, 周圣軍, 王愷 申請人:劉勝