專利名稱：一種紫外led封裝結(jié)構(gòu)及其晶圓級封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED封裝領(lǐng)域，尤其涉及一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)及其晶圓級封裝方法。
背景技術(shù)：
封裝工藝是半導(dǎo)體器件制作過程中最重要的后期工藝，封裝方法的好壞對于半導(dǎo)體器件的性能直接產(chǎn)生重大的影響。相對于常用光源，發(fā)光二極管(LED)是目前最具有應(yīng)用潛力的固態(tài)發(fā)光光源(solid-state lighting)。然而，對于LED器件的性能而言，LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)及其工藝卻在很大程度上制約了 LED器件在使用中的發(fā)光效率以及壽命。傳統(tǒng)的以硅晶圓為封裝基板的LED封裝工藝中，先將整塊晶圓切割成獨立器件， 然后對每個獨立的芯片進行封裝和測試，稱為單元式封裝(componentlevel packaging)方式。由于采用這種對LED芯片進行獨立封裝和調(diào)試的方式，不僅存在著生產(chǎn)工序重復(fù)繁雜， 工藝需時長，不便于大批量工業(yè)化生產(chǎn)的問題，而且各片獨立芯片之間的封裝條件難以實現(xiàn)均等，造成器件參數(shù)的一致性較差。LED晶圓級封裝技術(shù)是在整塊晶片上，對所有LED芯片單元進行統(tǒng)一的封裝和測試后，才切割成獨立成品器件的封裝技術(shù)。運用這種封裝技術(shù)，能將芯片的封裝與制造融為一體。經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能達到用標準的微加工技術(shù)批量制造提高工業(yè)生產(chǎn)效率和器件參數(shù)均勻性的優(yōu)點。影響LED器件發(fā)光效率和壽命的另一個重要因素是封裝所使用的材料。目前常見的LED封裝均是使用有機樹脂材料(如環(huán)氧樹脂)來對單獨的芯片進行填隙式封裝的。在長期的使用中，光、熱、電、力等的作用往往使得有機材料出現(xiàn)嚴重的老化現(xiàn)象，這極大地影響了 LED器件的工作效能。尤其是近紫外、紫外、深紫外等短波長的LED光照下，有機材料快速老化。因此這種材料體系難以用于紫外LED芯片的封裝，不能滿足使用紫外LED芯片激發(fā)紅綠藍熒光粉獲得白光光源的封裝趨勢。雖然已經(jīng)有報道指出填入無機納米材料能在一定程度上延緩有機材料的紫外光老化問題。但這并沒有從根本上解決材料體系上存在的問題。更值得注意的是，從封裝材料密封性的角度而言，有機化合物材料的封裝并不是氣密性(hermetic)的。這導(dǎo)致的最大問題是外界的水蒸氣容易侵入到芯片表面，會直接導(dǎo)致器件性能的降低或使器件的可靠性嚴重下降。這對于使用在高濕度環(huán)境或水下工作的LED 器件尤為值得重視。因此，選擇合適的對熱、力作用穩(wěn)定的，尤其是具有較強抗紫外光老化以及氣密性能良好的封裝材料和設(shè)計相應(yīng)的封裝結(jié)構(gòu)是未來LED應(yīng)用的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種新型的具有良好氣密特性的紫外 LED封裝結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)器件的氣密可靠性，本發(fā)明同時提供了實現(xiàn)上述封裝結(jié)構(gòu)的工藝過程。本發(fā)明進一步的目的是提供一種抗紫外老化性的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)。并通過晶圓級封裝的方式提高LED器件生產(chǎn)效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，包括封裝基板、置于封裝基板上表面的LED芯片，及封裝于LED芯片上的封裝透鏡，所述封裝基板上表面設(shè)有用于容納LED芯片的凹杯，在所述凹杯底部設(shè)有導(dǎo)電通孔，在導(dǎo)電通孔中填充有與LED芯片電極相連的且數(shù)量和其相同的通孔電極，在所述凹杯壁上還設(shè)有用于黏結(jié)封裝透鏡的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黏結(jié)結(jié)構(gòu)包括局部加熱回路以及包裹于其外部的氣密型黏結(jié)物質(zhì)。利用這種凹杯的結(jié)構(gòu)，將LED芯片氣密地封裝于封裝基板和封裝透鏡之間，通過所設(shè)計的黏結(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對氣密型黏結(jié)物質(zhì)的局部加熱用于封裝，這樣可以防止全部加熱過程時，對芯片的損害，并提高可靠性。利用封裝透鏡與封裝基板的氣密接觸來實現(xiàn)用于紫外LED芯片的氣密性封裝的具體應(yīng)用，同時也適應(yīng)于高濕度等惡劣環(huán)境下工作。所述封裝基板和局部加熱回路相對應(yīng)的位置還設(shè)有絕緣層，所述封裝透鏡為石英玻璃。在局部加熱回路和封裝基板之間設(shè)置有絕緣層，以避免局部加熱回路接通電流后，對封裝基板產(chǎn)生的影響。所述通孔電極材質(zhì)為Au，Ag，Al，Ti，Ni，Cu，Pt，Cr，W中的任一種金屬或合金，所述導(dǎo)電通孔為各向異性刻蝕成的橫截面呈圓形或方形的垂直結(jié)構(gòu)。所述凹杯為單層凹杯或者杯壁設(shè)置有臺階的雙層凹杯，所述局部加熱回路材質(zhì)為多晶硅或W，所述氣密型黏結(jié)物質(zhì)為SixNy或SiC。這里，通過向局部加熱回路中接通電流， 進行局部加熱，避免了熱對芯片的損傷。雙層凹杯中設(shè)有臺階結(jié)構(gòu)，這樣，通過設(shè)置在臺階上的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，具有更良好的氣密性能。所述LED芯片為倒裝結(jié)構(gòu)，其芯片電極分別焊接在所述通孔電極上。所述LED芯片為水平結(jié)構(gòu)，其固定于所述凹杯底部非電極位置，LED芯片上的芯片電極通過金線分別連接于所述通孔電極上。所述LED芯片的芯片電極為上下結(jié)構(gòu)，LED芯片固連于一個通孔電極上，另一個 LED芯片電極通過金線與另一個通孔電極相連。根據(jù)不同種類的LED芯片的結(jié)構(gòu)，以及芯片電極的位置的不同，來設(shè)計不同的和通孔電極的連接方式。一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法，包括以下步驟A、對封裝基板進行熱氧化工藝處理，在封裝基板上下表面生成SW2層；B、濕法刻蝕SW2形成掩膜，刻蝕形成凹杯陣列，在凹杯底部刻蝕形成導(dǎo)電通孔；C、在凹杯壁依次沉積絕緣層、局部加熱回路和氣密型黏結(jié)物質(zhì)；D、在導(dǎo)電通孔內(nèi)形成通孔電極；E、焊接LED芯片，完成金線鍵合；F、在黏結(jié)結(jié)構(gòu)上放置封裝透鏡，向局部加熱回路通電；G、將各個LED芯片單元組切片。步驟B中，采用硅的各向異性濕法刻蝕的方法形成凹杯陣列，采用濕法各向異性或干法各向同性刻蝕形成導(dǎo)電通孔；步驟C中，所述沉積方法為氣相沉積法；步驟D中，采用物理氣相沉積金屬或電鍍或化學(xué)鍍或焊料回流的方法形成通孔電極。在步驟C和D之間，還包括以下步驟
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H、利用氣相沉積的方法在凹杯內(nèi)壁、導(dǎo)電通孔內(nèi)壁以及封裝基板下表面覆蓋絕緣隔離層；I、在凹杯內(nèi)壁的絕緣隔離層上，LED芯片及其芯片電極之外的區(qū)域利用電鍍Ag的方法形成光學(xué)反射層。這樣的設(shè)計是為了增強凹杯內(nèi)壁的反射特性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明提供的具有良好氣密特性的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，利用設(shè)置于封裝基板和封裝透鏡之間的黏結(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣密型封裝，該封裝結(jié)構(gòu)尤其適應(yīng)于高濕度等惡劣環(huán)境下工作，所述氣密型封裝結(jié)構(gòu)包括局部加熱回路以及包裹于其外部的氣密型黏結(jié)物質(zhì)，通過對局部加熱回路進行通電從而局部加熱，避免了熱對芯片的損傷，也使得氣密型黏結(jié)物質(zhì)發(fā)揮作用起到對封裝透鏡的黏附作用，來實現(xiàn)器件的氣密可靠性，其次，采用可透紫外光的材料作為封裝透鏡，如石英玻璃，解決封裝材料的紫外光老化問題，本發(fā)明同時提供了實現(xiàn)上述封裝結(jié)構(gòu)的工藝路線，采用晶圓級封裝方法實現(xiàn)了硅封裝基板與封裝透鏡之間氣密型結(jié)合，工藝過程簡單，能有效提高器件生產(chǎn)效率，充分降低成本。


圖1為單層凹杯的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙層凹杯的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為帶有圍壩結(jié)構(gòu)的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法的工藝流程圖；圖5為局部加熱回路電路圖；圖6為封裝基板下表面的測試電路電路圖。1、封裝基板；2、絕緣層；3、氣密型黏結(jié)物質(zhì)；4、局部加熱回路；5、通孔電極；6、LED 芯片；7、封裝透鏡；8、凹杯；9、導(dǎo)電通孔；10、黏結(jié)結(jié)構(gòu)；11、SiO2圍壩結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實施例僅僅是用以解釋本發(fā)明的實例，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明采用氣相沉積的SixNy作為黏結(jié)材料，以晶圓級封裝方法實現(xiàn)了硅封裝基板與封裝透鏡之間氣密型結(jié)合。其次，采用可透紫外光的材料作為封裝透鏡，如石英玻璃，解決封裝材料的紫外光老化問題，并提供了未來紫外 LED激發(fā)白光的一種封裝結(jié)構(gòu)。而在實現(xiàn)硅封裝基板與封裝透鏡黏結(jié)的過程中，通過向局部加熱回路中通電流，進行局部加熱，避免了熱對芯片的損傷。實施例一如圖1所示，為本實施例中的單層凹杯晶片級紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，包括封裝基板1、 置于封裝基板1上表面的LED芯片6，及封裝于LED芯片6上的封裝透鏡7，封裝基板1上表面設(shè)有用于容納LED芯片6的凹杯8，在所述凹杯8底部設(shè)有兩個導(dǎo)電通孔9，在導(dǎo)電通孔9中填充有與LED芯片6電極相連的兩個通孔電極5，在所述凹杯8壁上還設(shè)有用于黏結(jié)封裝透鏡的黏結(jié)結(jié)構(gòu)10，所述黏結(jié)結(jié)構(gòu)10包括局部加熱回路4以及包裹于其外部的氣密型黏結(jié)物質(zhì)3，此外，在局部加熱回路4和封裝基板1相對應(yīng)的位置還設(shè)有絕緣層2，這里的封裝透鏡7為石英玻璃，本實施例中，LED芯片為倒裝結(jié)構(gòu)，其兩個芯片電極分別焊接在兩個通孔電極5上。實際封裝過程中，只需要通過向黏結(jié)結(jié)構(gòu)10內(nèi)的局部加熱回路4通電流， 進而對氣密型黏結(jié)物質(zhì)3進行局部加熱，即可實現(xiàn)封裝透鏡7和封裝基板1的氣密型連接。這里封裝基板1為(100)單晶硅圓片，通孔電極5的材質(zhì)為Au，Ag，Al，Ti，Ni，Cu， Pt，Cr，W中的任一種金屬或合金，或者直接用焊料回流(reflow)填充形成通孔電極。而導(dǎo)電通孔9為各向異性刻蝕成的橫截面呈圓形或方形的垂直結(jié)構(gòu)。局部加熱回路4的材質(zhì)為多晶硅或W，絕緣層2為致密的熱氧化SiO2薄膜，或者化學(xué)氣相沉積(CVD)的 SixNy絕緣薄膜，氣密型黏結(jié)物質(zhì)3為SixNy或SiC。如圖2所示，為雙層凹杯結(jié)構(gòu)的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，即在原來單層凹杯的基礎(chǔ)上刻蝕成臺階狀杯壁的結(jié)構(gòu)，此時黏結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置在臺階處。如圖3所示，在圖1的基礎(chǔ)上，為了便于封裝透鏡7的對準放置，在每個基本封裝單元的邊沿沉積一層足夠厚的SiO2圍壩結(jié)構(gòu)11，以利于實際的操作。實施例二本實施例和實施例1類似，不同之處在于，LED芯片6為水平結(jié)構(gòu)，其固定于所述凹杯8底部的非電極位置，LED芯片6上的兩個芯片6電極通過金線分別連接于所述兩個通孔電極5上。實施例三本實施例和實施例2相似，不同之處在于LED芯片的兩個芯片電極為上下結(jié)構(gòu)， LED芯片固連于一個通孔電極上，另一個芯片電極通過金線與另一個通孔電極相連。實施例四以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一種晶片級紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法進行詳細的描述，這里僅以單個LED芯片單元為例來說明，如圖4所示。A、如圖4(a)所示，使用厚度為400-600微米的(100)P型雙面拋光單晶硅圓片作為封裝基板1。在熔爐里采用干氧熱氧化的工藝，在硅圓片上下兩表面上生成厚度為53-80 納米的致密的S^2氧化層。B、如圖4(b)所示，使用正型光刻膠掩膜技術(shù)，使用含HF酸的BOE (BufferedOxide Etch)溶液對SiO2氧化層做圖形化處理。并以圖形化的SiO2作掩膜，利用KOH溶液，各向異性濕法刻蝕硅圓片，形成晶圓級封裝的凹杯8的結(jié)構(gòu)陣列，凹杯8的深度約為240-360微米，緊接著采用濕法刻蝕(各向異性/各項同性)或DRIE刻蝕形成導(dǎo)電通孔9。C、如圖4(c)、(d)所示，利用掩膜濕法刻蝕使部分的SiA薄膜被刻蝕直到封裝基板的上表層，剩下的SiA形成黏結(jié)結(jié)構(gòu)中的絕緣層2。然后，利用PECVD工藝沉積厚度為 30-40微米的多晶硅或金屬W的局部加熱回路4，通電后，可以產(chǎn)生大量的熱量。如圖4(e)、(f)所示，利用化學(xué)氣相沉積的方法在局部加熱回路4兩側(cè)沉積SixNy 或SiC的黏結(jié)材料，即利用PECVD工藝沉積氣密型黏結(jié)物質(zhì)3，此后為了實現(xiàn)通孔電極5與封裝基板1之間的絕緣，確保凹杯8內(nèi)壁、封裝基板1下表面測試電路的絕緣隔離性，利用 PECVD工藝在導(dǎo)電通孔9表面、凹杯8內(nèi)壁沉積SW2的絕緣層(圖略)。此外，還要在硅圓片上表面形成對準放置封蓋介質(zhì)所用的S^2圍壩結(jié)構(gòu)11。為了增強凹杯8內(nèi)壁的反射特性，要采用正型光刻膠的剝離技術(shù)(liftoff)，利用電鍍的方法在凹杯8內(nèi)壁的絕緣層上，LED芯片及其電極之外的區(qū)域電鍍一層薄的Ag光學(xué)反射層。
D、如圖4(g)所示，利用PECVD工藝沉積厚度為30_40微米的SixNy材料，形成通孔電極5或者采用物理氣相沉積金屬或電鍍或化學(xué)鍍或焊料回流的方法形成通孔電極5。E、利用電鍍的方法在封裝基板下表面電鍍Cu的面封裝測試電路(圖略)；如圖 4(g)所示，在凹杯的內(nèi)部利用無鉛焊料或共晶焊料將LED芯片6固晶在凹杯8底部，然后進行金線鍵合。具體的說，對于上下電極的LED芯片，LED芯片6固晶在一個通孔電極上，LED 芯片另一個電極通過金線連接到凹杯底面另一個通孔電極上。對于水平結(jié)構(gòu)的LED芯片， 芯片固晶在凹杯底部非電極位置，芯片上的兩個電極分別用金線連接到凹杯8底部的兩個通孔電極上。對于倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片，芯片的兩個電極分別焊接在凹杯8底部的兩個通孔電極上。F、如圖4(h)所示，以可透紫外光的石英玻璃做封裝透鏡7，將石英玻璃放置于黏結(jié)結(jié)構(gòu)10上，對局部加熱回路4通電，使封裝透鏡7與封裝基板1通過氣密型黏結(jié)物質(zhì)3 進行氣密性黏結(jié)。G、根據(jù)需要切片成各個芯片單元組，完善芯片的導(dǎo)電連接并具體測試性能。以上對本發(fā)明所提供的一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)及晶圓級封裝方法進行了詳細介紹，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實施例的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
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權(quán)利要求
1.一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，包括封裝基板、置于封裝基板上表面的LED芯片，及封裝于 LED芯片上的封裝透鏡，其特征在于所述封裝基板上表面設(shè)有用于容納LED芯片的凹杯， 在所述凹杯底部設(shè)有導(dǎo)電通孔，在導(dǎo)電通孔中填充有與LED芯片電極相連的且數(shù)量和其相同的通孔電極，在所述凹杯壁上還設(shè)有用于黏結(jié)封裝透鏡的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黏結(jié)結(jié)構(gòu)包括局部加熱回路以及包裹于其外部的氣密型黏結(jié)物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述封裝基板上和局部加熱回路相對應(yīng)的位置還設(shè)有絕緣層，所述封裝透鏡為石英玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述通孔電極材質(zhì)為Au， Ag，Al, Ti, Ni, Cu, Pt，Cr，W中的任一種金屬或合金，所述導(dǎo)電通孔為各向異性刻蝕成的橫截面呈圓形或方形的垂直結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述凹杯為單層凹杯或者杯壁設(shè)置有臺階的雙層凹杯，所述局部加熱回路材質(zhì)為多晶硅或W，所述氣密型黏結(jié)物質(zhì)為 SixNy 或 SiC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述LED芯片為倒裝結(jié)構(gòu)，其芯片電極分別焊接在所述通孔電極上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述LED芯片為水平結(jié)構(gòu)，其固定于所述凹杯底部非電極位置，LED芯片上的芯片電極通過金線分別連接于所述通孔電極上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述LED芯片的芯片電極為上下結(jié)構(gòu)，LED芯片固連于一個通孔電極上，另一個LED芯片電極通過金線與另一個通孔電極相連。
8.—種如權(quán)利要求2所述的一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法，其特征在于 包括以下步驟A、對封裝基板進行熱氧化工藝處理，在封裝基板上下表面生成SW2層；B、濕法刻蝕SW2形成掩膜，刻蝕形成凹杯陣列，在凹杯底部刻蝕形成導(dǎo)電通孔；C、在凹杯壁依次沉積絕緣層、局部加熱回路和氣密型黏結(jié)物質(zhì)；D、在導(dǎo)電通孔內(nèi)形成通孔電極；E、焊接LED芯片，完成金線鍵合；F、在氣密型黏結(jié)結(jié)構(gòu)上放置封裝透鏡，向局部加熱回路通電；G、將各個LED芯片單元組切片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法，其特征在于步驟B 中，采用Si的各向異性濕法刻蝕的方法形成凹杯陣列，采用濕法各向異性或干法各向同性刻蝕形成導(dǎo)電通孔；步驟C中，所述沉積方法為氣相沉積法；步驟D中，采用物理氣相沉積金屬或電鍍或化學(xué)鍍或焊料回流的方法形成通孔電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法，其特征在于在步驟 C和D之間，還包括以下步驟H、利用氣相沉積的方法在凹杯內(nèi)壁、導(dǎo)電通孔內(nèi)壁以及封裝基板下表面覆蓋絕緣隔離層；I、在凹杯內(nèi)壁的絕緣隔離層上，LED芯片及其芯片電極之外的區(qū)域利用電鍍Ag的方法形成光學(xué)反射層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，包括封裝基板、置于封裝基板上表面的LED芯片，及封裝于LED芯片上的封裝透鏡，所述封裝基板上表面設(shè)有用于容納LED芯片的凹杯，在所述凹杯底部設(shè)有導(dǎo)電通孔，在導(dǎo)電通孔中填充有與LED芯片電極相連的且數(shù)量和其相同的通孔電極，在所述凹杯壁上還設(shè)有用于黏結(jié)封裝透鏡的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黏結(jié)結(jié)構(gòu)包括局部加熱回路以及包裹于其外部的氣密型黏結(jié)物質(zhì)。本發(fā)明的LED封裝結(jié)構(gòu)利用黏結(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣密型封裝，尤其適應(yīng)于高濕度等惡劣環(huán)境下工作，通過對局部加熱回路通電局部加熱，避免了熱對芯片的損傷，來實現(xiàn)器件的氣密可靠性；本發(fā)明同時提供了一種紫外LED封裝結(jié)構(gòu)的晶圓級制造方法，工藝過程簡單，能有效提高器件生產(chǎn)效率，充分降低成本。
文檔編號H01L33/62GK102194973SQ201019050029
公開日2011年9月21日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者劉立林, 王鋼, 鐘健偉 申請人:中山大學(xué)