形成芯片級led封裝的模制透鏡及其制造方法
【專利摘要】描述了同時包封LED管芯、在LED管芯上方形成透鏡并且形成用于所述管芯的芯片級封裝的晶片級工藝。LED管芯（16A,B）的陣列被固定至臨時性的支撐結(jié)構(gòu)（14）的粘合表面。然后，使支撐結(jié)構(gòu)抵靠模具（32）。然后，諸如透明的硅樹脂的單一模制材料（40）包封每個LED管芯的頂表面和側(cè)表面并在每個LED管芯的頂表面上方形成透鏡（44）。模制材料不覆蓋LED管芯的底部電極（26，28）的底表面，從而允許所述電極直接地接合至諸如PCB的襯底（60）的襯墊（56，58）。然后，臨時性的支撐襯底在模制工藝之后被移除，并且模制材料被單一化以分離出各封裝。
【專利說明】形成芯片級LED封裝的模制透鏡及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及加工發(fā)光二極管（LED)，并且尤其涉及形成芯片級LED封裝的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] -般的倒裝芯片LED具有位于LED的底表面上的反射性p和η接觸，并且這些接 觸直接地連接到比LED管芯大得多的剛性底座（submount)上的接合襯墊。由LED產(chǎn)生的光 主要是通過LED表面的頂表面發(fā)射。這樣，不存在阻擋光的頂部接觸，并且無需引線接合。
[0003] 在制造期間，底座晶片被LED管芯陣列占據(jù)。形成在LED管芯的底表面上的電極 接合至底座晶片的頂表面上的襯墊，并且這些襯墊通向底座晶片的底表面上的更加堅固的 襯墊以用于接合至印刷電路板。然后，底座晶片上的LED管芯在晶片上被成批地進一步加 工。這種晶片級的加工可以可選地將生長襯底從LED管芯的頂表面移除、在LED管芯上方 沉積磷光體、包封LED管芯、并在每個LED的上方形成透鏡。最后，底座晶片通過例如鋸切 被單一化，以形成單獨的封裝的各LED。
[0004] 晶片級加工是有效的。然而，機械地支撐薄且脆弱的LED管芯的底座晶片或者其 它支撐層增加了成本。而且，為了避免破損、金屬毛刺和其它問題，用于諸如陶瓷的或者金 屬的一般支撐層的單一化工藝是相當(dāng)復(fù)雜的。
[0005] 需要的是不會遭受上述缺陷影響的LED封裝技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 描述了同時包封LED管芯、在LED管芯上方形成透鏡并形成用于LED管芯的芯片 級封裝的晶片級工藝。芯片級封裝在面積上通常僅比芯片自身稍大。
[0007] 雖然在示例中利用倒裝芯片LED描述了本發(fā)明，但是，任何類型的LED可利用本發(fā) 明，例如，具有頂部引線接合電極的LED。
[0008] 首先，在本發(fā)明的一個實施例中，在藍寶石生長襯底上形成半導(dǎo)體LED的陣列。這 樣的LED可以是常規(guī)的。然后，這些LED被單一化以形成LED管芯。LED管芯被臨時性地固 定到具有粘合表面的支撐結(jié)構(gòu)，而不是如同現(xiàn)有技術(shù)方法中的那樣在底座晶片上安裝LED 管芯。該支撐結(jié)構(gòu)可以為任何尺寸，并且LED管芯可以以任何布置來放置，例如按列和行布 置或者交錯地布置。
[0009] 然后，可在LED管芯上執(zhí)行常規(guī)的晶片級加工，例如可選地通過利用激光剝離工 藝或者其它手段移除藍寶石襯底、薄化和粗糙化所露出的η型層以增加光提取以及在LED 管芯的上方沉積磷光體。在另一實施例中，為了增加光提取(減小TIR)，藍寶石襯底被留下 并且被圖案化。這種工藝可以是常規(guī)的，并且可執(zhí)行另外的晶片級工藝。
[0010] 然后，使支撐結(jié)構(gòu)與模具接觸，該模具包含硅樹脂或者具有所期望的用于LED管 芯的包封和透鏡特性的其它適當(dāng)材料。模具被形成為使得硅樹脂在每個LED管芯的上方形 成透鏡，同時還形成包圍每個LED管芯的剛性結(jié)構(gòu)。LED管芯的（多個）底部電極未被硅樹 脂覆蓋，這是因為LED管芯的底表面被固定至支撐結(jié)構(gòu)。 toon] 然后，硅樹脂被固化，并且支撐結(jié)構(gòu)從模具上方移除。然后，從固化的硅樹脂移除 支撐結(jié)構(gòu)。然后，所得結(jié)構(gòu)被單一化。單一化是通過劈開硅樹脂而容易地完成的。利用單 一的一體化模制材料，單一的模制步驟包封每個LED管芯、在每個LED管芯上方形成透鏡并 且形成用于每個LED管芯的芯片級封裝。所得到的封裝的LED管芯可使其(多個)底部電極 (例如，超聲地或者通過焊接）接合至任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，諸如結(jié)合至印刷電路板或者其它襯 底的襯墊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為大體示出不同LED的各區(qū)域的LED晶片的簡化俯視圖。
[0013] 圖2為臨時性的支撐襯底的簡化俯視圖，該支撐襯底具有固定至其上的單一化的 LED管芯的陣列。
[0014] 圖3為沿著圖2中的線3-3的截面圖，其示出安裝在支撐結(jié)構(gòu)上的兩個LED管芯。
[0015] 圖4示例說明抵靠包含硅樹脂的模具的支撐結(jié)構(gòu)，其中LED管芯被浸入在用于包 封的硅樹脂中，而硅樹脂還形成透鏡和用于LED管芯的芯片級封裝。
[0016] 圖5示例說明從模具移除之后并且支撐結(jié)構(gòu)從固化的硅樹脂移除之后的包封的 LED管芯。
[0017] 圖6示例說明從模具移除之后的一種類型的LED管芯的配置。
[0018] 圖7示例說明從模具移除之后的用來增加 LED管芯的封裝密度的交錯型的LED管 芯的配置。
[0019] 圖8示例說明透鏡如何可以為非對稱的。
[0020] 圖9示例說明被單一化的LED，其底部電極被接合至諸如印刷電路板的襯底的襯 墊。
[0021] 圖10不例說明具有底部反射層的圖5的結(jié)構(gòu)。
[0022] 相同或者等同的元件被標(biāo)注有相同的附圖標(biāo)記。

【具體實施方式】
[0023] 圖1是包含數(shù)千個LED區(qū)域12的常規(guī)LED晶片10的俯視圖。LED區(qū)域12表示 單一化之后的LED管芯。在所用的示例中，LED為用于產(chǎn)生藍色光的基于GaN的LED，例如 AlInGaN或者InGaN LED。一般地，利用常規(guī)的技術(shù)在藍寶石生長襯底上生長相對厚的η型 GaN層。相對厚的GaN層一般包括低溫成核層和一個或多個另外的層，以便為η型覆層和有 源層提供低缺陷的晶格結(jié)構(gòu)。然后，一個或多個η型覆層形成在厚的η型層的上方，接著是 有源層、一個或多個Ρ型覆層以及Ρ型接觸層(用于金屬化)。
[0024] 對于倒裝芯片而言，ρ層和有源層的一部分被蝕刻掉，從而露出η層以用于金屬 化。這樣，Ρ接觸和η接觸位于芯片的同一側(cè)。來自于η金屬接觸的電流最初橫向地流過η 層。LED底部電極一般是由反射性金屬形成。
[0025] 可用于本發(fā)明的其它類型的LED包括可產(chǎn)生紅色至黃色范圍內(nèi)的光的AlInGaP LED。還可以使用非倒裝芯片LED。
[0026] 利用諸如化學(xué)機械拋光、蝕刻、激光剝離或者其它工藝的常規(guī)工藝，可將藍寶石生 長襯底從晶片10移除。然后，為了增加光提取，露出的半導(dǎo)體層可以被粗糙化。在另一實 施例中，生長襯底被留下并被圖案化以增加光提取。磷光體可被沉積在LED的發(fā)光表面上 方。
[0027] 當(dāng)位于晶片10中時，LED被測試性能并且被分類(揀選)。
[0028] 然后，利用常規(guī)的工藝單一化晶片10以分離出獨立的各LED。
[0029] 然后，常規(guī)的抓取和放置機器將獨立的各LED管芯定位在臨時性的支撐結(jié)構(gòu)上， 如圖2所示。圖2是在其上定位LED管芯16的支撐結(jié)構(gòu)14的俯視圖。
[0030] 支撐結(jié)構(gòu)14可以為任何的尺寸和形狀。在一個實施例中，支撐結(jié)構(gòu)14具有粘性 表面或者其它類型的粘合表面，其中LED管芯的電極面向粘合表面。支撐結(jié)構(gòu)14可為薄 的、可伸展的粘性膜。粘合表面可以為在施加熱量、UV、溶解器或者利用另一技術(shù)時變成非 粘合性的可釋放層。支撐結(jié)構(gòu)16上的LED管芯16的間距（pitch)足以允許在每個LED管 芯16的上方形成透鏡。
[0031] 圖3是沿著圖2的線3-3的LED管芯16和支撐結(jié)構(gòu)14的簡化截面圖。示例性的 LED管芯16A和16B (被稱為LED 16)-般包括外延生長的半導(dǎo)體N型層18、半導(dǎo)體有源層 20和半導(dǎo)體P型層24。對于倒裝芯片而言，P型層24和有源層20的一部分被蝕刻掉以露 出N型層18,并且N電極26被沉積以接觸N型層18。P電極28接觸P型層24。在另一實 施例中，為了更加均勻的電流散布，LED電極26/28被分布為LED管芯的底表面上的點。在 圖3中生長襯底被示出為從N型層18的上方移除，但是取而代之的是，其也可處于原位。
[0032] 在一個實施例中，LED為AlInGaN并且發(fā)射藍色至琥珀色的光。
[0033] 磷光體層可至少存在于N型層18的表面的上方，以將藍色光轉(zhuǎn)換為例如白色光。
[0034] 然后，執(zhí)行圖4中所示的模制工藝。模具32具有與每個LED管芯16上方的透鏡 的期望形狀相對應(yīng)的凹口 34。優(yōu)選地，模具32由金屬形成。如果必要的話，模具32可采用 薄的釋放層或者可具有非粘性表面，以防止固化的模制材料粘至模具。模具32還具有側(cè)壁 36,側(cè)壁充當(dāng)?shù)挚恐谓Y(jié)構(gòu)14的外圍的密封裝置，并且還用作間隔件從而對LED管芯16側(cè) 面周圍的模制材料進行模制以包封LED管芯。模具32可包括劈開結(jié)構(gòu)37,其減少了在單一 化期間對透鏡造成損傷的任何可能性。
[0035] 在圖4中，模具凹口 34以及側(cè)壁36之間的區(qū)域已經(jīng)填有可熱固化的液態(tài)透鏡材 料40。透鏡材料40可以為諸如硅樹脂、環(huán)氧樹脂或者硅樹脂/環(huán)氧樹脂混合物之類的任何 適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)透明材料?；旌衔锟杀挥脕韺崿F(xiàn)匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE)。硅樹脂和環(huán)氧樹脂 具有足夠高的折射率(大于1. 4)以極大地改善從AlInGaN或者AlInGaP LED的光提取，以 及充當(dāng)透鏡。一種類型的硅樹脂具有1.76的折射率。
[0036] 在支撐結(jié)構(gòu)14的外圍和模具側(cè)壁36之間形成真空密封，使得每個LED管芯16被 插入液態(tài)透鏡材料40中，并且透鏡材料40處于壓縮狀態(tài)。
[0037] 然后，模具32被加熱至大約150攝氏度(或者其它適當(dāng)?shù)臏囟?，持續(xù)一段時間以 硬化透鏡材料40?，F(xiàn)在，LED管芯16被硬化的透鏡材料40機械地耦合到一起，并且能夠作 為單個的單元來處理。
[0038] 然后，支撐結(jié)構(gòu)14與模具32分離，這樣就從模具32移除了包封的LED管芯16。 然后，通過例如將固化的透鏡材料40從支撐結(jié)構(gòu)14拉離或者從透鏡材料40釋放粘合層， 將包封的LED管芯16從支撐結(jié)構(gòu)14釋放。支撐結(jié)構(gòu)14可被再利用。
[0039] 在另一實施例中，透鏡材料40灌輸有磷光體或者其它波長材料，以將藍色光轉(zhuǎn)換 為另一顏色，包括白色光。漫射顆粒也可被灌輸至透鏡材料40中。
[0040] 一個或者多個另外的硅樹脂透鏡可被模制在透鏡材料40的上方以對發(fā)射進行成 形（shape)。
[0041] 圖5示例說明了所得到的具有位于每個LED管芯16上方的模制透鏡44的結(jié)構(gòu)。 在一個實施例中，模制透鏡44的直徑在1mm至5mm之間。透鏡44可以為任何尺寸或形狀。 用透鏡材料40包封LED管芯16,并且對于與包封物和透鏡形成一體的每個管芯16,透鏡材 料40形成芯片級封裝。LED電極26/28通過封裝的底部露出，使得它們可(例如，超聲地或 者通過焊接)接合至襯底或者印刷電路板的襯墊。圖5中示出的用于兩個管芯16的芯片級 封裝將沿著虛線46被分割?？赏ㄟ^劈開而不是鋸切來分割封裝。劈開只是沿著分割線向 下施加刀口。這樣形成嚴格受控的切口并且不會導(dǎo)致廢棄的粉末。
[0042] 在一個實施例中，透鏡44是半球形的。在其它的實施例中，透鏡44可為任何形狀， 例如邊發(fā)射的透鏡、菲涅耳透鏡等等。
[0043] 雖然透鏡44被示出為與LED管芯16的頂表面大約齊平，但是透鏡44可延伸至頂 表面下方。將封裝連接在一起的透鏡材料40的厚度可以為能夠在硬化的硅樹脂的情形中 實現(xiàn)容易的分離的任何厚度。
[0044] 因此，利用一種類型的材料(諸如硅樹脂)、采用單一模制步驟形成封裝、包封物以 及透鏡。對于封裝而言，不需要另外的支撐結(jié)構(gòu)，諸如引線框、散熱器或者塑料殼體之類，從 而極大地減少了封裝的成本?？蛇x地，一個或多個另外的硅樹脂透鏡可被模制在透鏡44的 上方，或者利用粘合劑附接，以對發(fā)射進行成形。
[0045] 圖6和7示例說明了在分割之前的LED管芯16的各種可能布置。支撐結(jié)構(gòu)14上 的LED管芯16的布置可提供最大的封裝密度。圖6示例說明了與圖2類似的行列布置。這 提供了容易的單一化，因為單一化線是直的。圖7示例說明了交錯的布置，這提供了增加的 封裝密度，因為半球形透鏡44周圍的空間更少。單一化要求更加復(fù)雜的切口。
[0046] 圖8示例說明了模制透鏡50可以為非對稱的或者任何其它形狀以實現(xiàn)期望的發(fā) 射圖案。
[0047] 圖9示例說明了單一化的封裝54,該封裝具有被接合至襯底60或者印刷電路板的 金屬襯墊56/58的LED管芯電極26/28。襯墊56/58最終被電氣稱合以從電源傳導(dǎo)電流。 在一個實施例中，整個封裝54的寬度和長度的尺寸小于管芯16自身的相應(yīng)尺寸的三倍。典 型的管芯16的尺寸大致為1X1 mm或者更小，從而導(dǎo)致整個封裝54小于3X3 _。在另一 實施例中，封裝54小于LED管芯16的尺寸的兩倍。
[0048] 在將LED封裝54焊接到襯底(例如，F(xiàn)R4、MCPCB、陶瓷等）上時，管芯16周圍區(qū)域 的反射系數(shù)(通過透明的硅樹脂包封物)將取決于其所接合/焊接到的襯底。為了改善反射 系數(shù)，可執(zhí)行下面的可選工藝步驟，這導(dǎo)致具有底部反射層64的圖10的結(jié)構(gòu)。在將管芯16 放置到圖3中的支撐結(jié)構(gòu)14 (其可為可伸展的粘性膜）上之后，灌輸有反射性Ti02顆粒的 硅樹脂(或者溶膠凝膠）被分配在襯底14的表面上方而沒有分配在管芯16上方，并且被固 化?？衫煤唵蔚慕z網(wǎng)印刷工藝，其中絲網(wǎng)包括掩模。期望的是與管芯16的側(cè)面接觸。在 圖4的模制步驟之后，硅樹脂/Ti02反射層64 (圖10)將粘附至硅樹脂透鏡44的底部，并 且能夠與透鏡44 一起從襯底14釋放。然后，反射層64將成為封裝54的一部分，從而有效 地增加了（管芯16四周的）封裝的反射系數(shù)，而不依賴于任何客戶襯底的反射系數(shù)。
[0049] 在LED管芯16的陣列上形成透鏡的替代性的非模制方法是通過在支撐襯底14上 的每個管芯16上方分配硅樹脂滴。通過在管芯16上方利用觸變性的硅樹脂材料并且提供 低粘性(例如，特氟隆)襯底14表面，在分配之后，硅樹脂的表面張力將自然地形成圓頂型形 狀。然后，硅樹脂被固化以硬化透鏡。
[0050] 雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，但是在本發(fā)明的更寬的方面中可作 出改變和修正而不脫離本發(fā)明，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯然的，因此，所附的權(quán)利要 求在它們的范圍內(nèi)將涵蓋落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的所有這些改變和修正。
【權(quán)利要求】
1. 一種封裝的發(fā)光二極管（LED)管芯，包括： LED管芯，包括多個外延生長的層和所述LED管芯的底表面上的至少一個金屬電極，所 述LED管芯具有用于發(fā)射光的頂表面以及側(cè)表面；和 用于LED管芯的封裝，包括至少包封所述LED管芯的頂表面和側(cè)表面并形成所述LED 管芯的頂表面上方的透鏡的一體的模制材料，所述模制材料不覆蓋所述LED管芯的底表面 上的所述至少一個金屬電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述模制材料是形成在所述管芯上方的唯一 透鏡。
3. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述封裝和LED管芯具有寬度和長度尺寸，其 中所述封裝的寬度和長度尺寸小于所述LED管芯的相應(yīng)寬度和長度尺寸的三倍。
4. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，還包括所述封裝的底表面上的反射層。
5. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述透鏡形成第一透鏡，所述封裝的管芯還 包括所述第一透鏡上方的至少一個第二透鏡。
6. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述LED管芯的底表面上的所述至少一個金 屬電極不接合至底座。
7. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述LED管芯的底表面上的所述至少一個金 屬電極包括至少兩個金屬電極，并且所述LED管芯是倒裝芯片。
8. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述透鏡基本上是半球形的。
9. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述封裝的管芯不包含引線框，使得所述至 少一個金屬電極配置成接合至支撐結(jié)構(gòu)的金屬襯墊。
10. 如權(quán)利要求1所述的封裝的管芯，其中所述模制材料包含劈開結(jié)構(gòu)，該劈開結(jié)構(gòu)形 成厚度減小的部分以用于單一化所述封裝的管芯。
11. 一種制造封裝的發(fā)光二極管（LED)管芯的方法，包括： 形成多個LED管芯，每個LED管芯包括多個外延生長的層和每個LED管芯的底表面上 的至少一個金屬電極，每個LED管芯具有用于發(fā)射光的頂表面以及多個側(cè)表面； 在臨時性的支撐結(jié)構(gòu)上安裝所述多個LED管芯； 在所述LED管芯的上方模制一體的材料，所述一體的材料至少包封所述LED管芯的頂 表面和側(cè)表面并形成每個LED管芯的頂表面上方的透鏡，所述一體的材料不覆蓋每個LED 管芯的底表面上的所述至少一個金屬電極； 固化所述一體的材料，以將所述LED管芯機械地連接到一起； 從所述支撐襯底移除所述LED管芯和一體的材料；以及 單一化所述一體的材料從而單一化所述LED管芯，以形成獨立的封裝的各LED管芯。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述一體的材料中灌輸有磷光體。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述臨時性的支撐結(jié)構(gòu)上安裝所述多個LED 管芯的步驟之后，在所述臨時性的支撐襯底上形成反射層，其中在從所述支撐襯底移除所 述LED管芯和一體的材料的步驟期間，所述一體的材料粘附至所述反射層，從而導(dǎo)致具有 所述反射層的封裝的LED管芯。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中每個LED管芯的底表面上的所述至少一個金屬電 極不接合至底座。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述封裝的管芯不包含引線框，使得所述至少一 個金屬電極配置成接合至支撐結(jié)構(gòu)的金屬襯墊。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述一體的材料形成所述管芯上方的唯一透鏡。
17. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述透鏡為第一透鏡，所述方法還包括在所述第 一透鏡上方模制至少一個第二透鏡。
18. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述透鏡基本上是半球形的。
19. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述LED管芯是倒裝芯片。
20. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中每個封裝的LED管芯具有寬度和長度尺寸，其中所 述封裝的LED管芯的寬度和長度尺寸小于所述LED管芯的相應(yīng)寬度和長度尺寸的三倍。
【文檔編號】H01L33/00GK104094424SQ201380008750
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月10日
【發(fā)明者】S.J.A.比爾休澤恩 申請人:皇家飛利浦有限公司