專利名稱：直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管的制造組裝領(lǐng)域，尤其是一種直接倒裝于支架內(nèi)的 發(fā)光二極管的制造方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的氮化鎵基(GaN)發(fā)光二極管(LED)的結(jié)構(gòu)，是在藍寶石(sapphire) 基板上形成多層氮化鎵的外延晶體層制成。如圖l一l和圖1—2所示，在LED 芯片1的P型區(qū)域及N型區(qū)域上，分別形成金屬電極P電極2與N電極3。 傳統(tǒng)發(fā)光二極管LED通常的組裝方法是，將LED芯片用界面導(dǎo)熱材料(TIM) 4貼裝固定在封裝支架5內(nèi)，通過金線6鍵合(Wire Bonding)連接LED器件上 的金屬電極2、金屬電極3與封裝支架的焊盤7。其中，LED芯片的金屬電極向 上，固定放置在一基板上。金線鍵合(WireBonding)完成后，使用高透明的樹 脂將LED芯片包封起來，以保護發(fā)光器件和封裝結(jié)構(gòu)。如果是使用表面粘著型 支架，支架的焊盤7則跟支架外部的電極8通過金屬連接導(dǎo)通。
傳統(tǒng)的側(cè)面出光SMD支架內(nèi)封裝的藍光LED芯片1，如圖4一1和圖4一2 所示，芯片1上用金線6鍵合的悍盤就占了芯片很大的面積，而且需要留打線 的空間，所以芯片也只能占支架內(nèi)很小部分的面積，這種情況下，單顆LED燈 亮度提高的空間就很小，而且焊盤面積和金線都阻礙出光，影響了LED發(fā)光的 亮度。
隨著市場對發(fā)光二極管LED性能要求的不斷提高，應(yīng)用范圍的不斷擴大， 上述的傳統(tǒng)LED在制造和封裝上存在許多缺陷就成為限制LED應(yīng)用的瓶頸。對 于功率型芯片的封裝，最大的缺陷是大功率芯片的散熱問題。LED芯片的功率 越大，傳統(tǒng)芯片封裝結(jié)構(gòu)的散熱問題就越突出。因為界面導(dǎo)熱材料4的導(dǎo)熱參 數(shù)受到限制。對于小尺寸LED的封裝，最大的缺陷就是LED的出光受限。焊接 金線需要一定尺寸的焊盤，焊盤面積和金線都阻礙出光，而且隨著LED尺寸越 來越小，焊盤和金線的影響越來越顯著，從而制約LED的進一步小型化，無法 滿足市場的需求。對于多芯片LED的封裝，無論是功率型和普通功率型，鍵合 的金線數(shù)量的增加以及多個焊點的可靠性都成為多芯片組裝發(fā)展的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以上所述傳統(tǒng)的發(fā)光二極管LED存在的不足，提供一 種直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，實現(xiàn)了單一芯片或者多芯片， 直接倒裝于支架內(nèi)，省略了固晶和焊線的步驟，大大降低了封裝制造的成本， 同時提高了多芯片模組的可靠性，解決了功率型芯片的散熱問題。
一種直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，最少一個發(fā)光二極管芯 片是通過金屬凸點直接安裝于支架內(nèi)。
所述的金屬凸點可以是制造在發(fā)光二極管芯片的P、 N電極上，然后發(fā)光二 極管芯片的P、 N電極直接與支架內(nèi)對應(yīng)于P、 N電極的金屬悍盤倒裝連接；或 者金屬凸點是制造在支架上，然后發(fā)光二極管芯片通過P、 N電極的金屬焊盤直 接與金屬凸點倒裝連接。
所述的金屬凸點可以通過電鍍工藝或者機械栽植的方式形成；金屬凸點的 材料可以為鉛、錫、金、銅中單一的材料或者共晶合金；P、 N電極的金屬焊盤 的材料可以為鎳、金、銀、鋁、鈦、鎢、鎘等中單一的材料、多層材料或者合 金，焊盤的厚度為0.5 10微米。
所述的金屬凸點同金屬焊盤的鍵合過程可以是用回流焊的方式或是用加熱 后加超聲波的邦定工藝。
所述的支架可以包括表面粘著型(SMD)、直插式支架、側(cè)面出光(Side View) 的支架、正面出光的支架、單芯片支架、多芯片支架；支架的材料可以是樹脂、 金屬或者陶瓷。
所述的發(fā)光二極管芯片可以是單一的一個；
所述的發(fā)光二極管芯片可以是兩個及兩個以上；
所述的發(fā)光二極管芯片可以是不同尺寸、不同顏色芯片的組合。
所述的發(fā)光二極管芯片可以是紅、綠、藍(RGB)全彩顯示用的多芯片組 合；或者雙色或單色的芯片模組。
所述的紅色芯片可以是通過金線鍵合的形式連接，而藍光、綠光芯片是通 過倒裝不打線的形式組裝于支架內(nèi)。
本發(fā)明倒裝焊發(fā)光二極管芯片的方法具有以下的優(yōu)點1、發(fā)光二極管芯片 直接通過金屬凸點同支架連接，實現(xiàn)了單一芯片或者多芯片，直接倒裝于支架 內(nèi)，省略了固晶和焊線的步驟，大大降低了封裝制造成本，同時提高了多芯片 模組的可靠性。2、本發(fā)明實現(xiàn)的全金屬導(dǎo)熱通道，降低了熱阻，對于功率型芯 片，解決了功率型芯片的散熱問題。3、發(fā)光二極管芯片直接通過金屬凸點同支 架連接，省略了固晶和焊線，解決了小尺寸的LED封裝中焊盤和引線的擋光問 題，大幅度提高了LED的出光效率，實現(xiàn)了LED封裝尺寸的進一步小型化，滿 足市場日益對小型化封裝的要求。


圖l一l為傳統(tǒng)LED封裝于SMD支架的剖面結(jié)構(gòu)示意圖1一2為傳統(tǒng)LED芯片組裝于SMD支架的俯視結(jié)構(gòu)示意圖2—1為本發(fā)明LED芯片直接組裝于SMD支架的剖面結(jié)構(gòu)示意圖2—2為本發(fā)明LED芯片直接組裝于SMD支架的仰視結(jié)構(gòu)示意圖3 — 1為本發(fā)明紅綠藍直接組裝于陶瓷SMD支架上，紅色芯片還需要一
根金線鍵合的剖面結(jié)構(gòu)示意圖3—2為本發(fā)明紅綠藍直接組裝于陶瓷SMD支架上，紅色芯片不需要一
根金線鍵合剖面結(jié)構(gòu)示意圖4一1為傳統(tǒng)芯片封裝于側(cè)面出光SMD支架內(nèi)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4一2為傳統(tǒng)芯片封裝于側(cè)面出光SMD支架內(nèi)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4一3為本發(fā)明倒裝芯片直接組裝于側(cè)面出光SMD支架內(nèi)的剖面結(jié)構(gòu)示
意圖4一4為本發(fā)明倒裝芯片直接組裝于側(cè)面出光SMD支架內(nèi)的仰視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的說明。
本發(fā)明直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法是應(yīng)用多種芯片組裝
(Multi-Chip Module Assembly)技術(shù)和倒裝焊技術(shù)(Flip-Chip Technology),將一個
或者多個發(fā)光二極管芯片1直接倒裝于支架5內(nèi)，省略了固晶和焊線的步驟， 大大降低了封裝制造成本，而且大大的提高了多芯片模組的可靠性。如圖2—1 和圖2—2所示，LED芯片經(jīng)過刻蝕，金屬層沉積，鈍化層的保護等一系列步驟， 將P電極2和N電極3制作出來，然后把LED芯片翻轉(zhuǎn)，通過倒裝的技術(shù)，把 LED芯片倒裝焊接在支架5上面，連接LED芯片1和支架5的相應(yīng)電極焊盤7 的是金屬凸點9。表面粘著型支架5的焊盤7則跟支架5外部的電極8通過金屬 連接導(dǎo)通。金屬凸點9可以是制作在支架5的焊盤之上，也可是制作于LED芯 片的P電極2和N電極3上。金屬凸點9同金屬焊盤的鍵合過程，可以是回流 焊的方式，也可以是加熱后加超聲波的邦定(TS-Bondkig)過程，要求金屬凸 點在加熱之后同金屬焊盤有很好浸潤。加熱后加超聲波的邦定(TS-Bonding) 工藝是把超聲波和壓力加載于金屬凸點9上，利用超聲波的能量把金屬凸點9 焊接于對應(yīng)的金屬焊盤上。
金屬凸點9的材料為鉛，錫，金等，可以是單一材料，也可以是共晶合金; 金屬凸點9材料的加工工藝，可以是電鍍工藝，也可以是機械栽植的方式。機 械栽植的方式是用金線鍵合的原理，在P、 N電極上形成金球，然后剪斷金線， 留一段在P、 N電極上，由這段金線作為倒裝過程中連接支架5的金屬凸點9。 P、 N電極的金屬悍盤的材料為鎳，金，銀、鋁等，可以是上述單一材料，也可 以是上述多層材料或者合金。焊盤的厚度在0.5 10微米之間，最優(yōu)值是2微米。 支架5材料可以是樹脂，也可以是陶瓷，金屬。
本發(fā)明改進LED器件制造工藝，以及對應(yīng)倒裝焊LED芯片要求的封裝支架 制造和組裝，從而降低了制造成本，提高了制造的效率；適用于多種LED芯片， 包括不同芯片尺寸、不同波長的LED芯片、金線鍵合的傳統(tǒng)LED芯片、倒裝焊 LED芯片。
以下通過一個陶瓷支架的多芯片實施實例和一個側(cè)面出光單芯片的實例詳 細(xì)的說明本發(fā)明直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法。 實施方案l:
針對本發(fā)明所采用的技術(shù)、方法和設(shè)計，現(xiàn)使用紅綠藍三色芯片用的表面 粘著型上出光支架，支架材料是導(dǎo)熱陶瓷。如圖3—2和圖3—2所示，LED芯 片用三種藍光芯片11和綠光芯片12是氮化鎵基的，紅光芯片13是四元芯片。 藍光同綠光的芯片采用倒裝芯片技術(shù)，P電極和N電極在同一側(cè)；紅光芯片采 用的是常規(guī)的芯片，P電極在上，N電極在下面，在本實施方案中，紅光芯片還 是需要固晶，然后在P電極上需要鍵合一根金線6同支架5的焊盤7相連。藍 光和綠光的芯片都通過倒裝技術(shù)，直接倒裝于支架5對應(yīng)的金屬凸點9上。
制作步驟如下
第一步，設(shè)計和制造全彩用SMD支架。所用支架的外型尺寸，反光杯口尺 寸都跟目前市場上的常用的SMD支架類似，SMD的支架的金屬引腳8也同常 規(guī)SMD支架相同，不同點就是支架里面金屬焊盤的尺寸和排布改變，在焊盤上 面通過電鍍或者機械栽植的工藝把用于連接藍光、綠光和支架焊盤的金屬凸點 9制作到支架5上的焊盤上。金屬凸點9的材料是鉛錫合金，也可以是金球。
第二步就是倒裝芯片的制造。芯片的制造過程包括氮化鎵刻蝕，P區(qū)2和N 區(qū)3電極材料的制造，最后形成的P區(qū)和N區(qū)的接觸電極高度相同，在同一側(cè)。 芯片的P區(qū)2和N區(qū)3的電極材料可以是Ni/Au，厚度為100nm/500nm。芯片 的P區(qū)N區(qū)電極同支架的P區(qū)N區(qū)相對應(yīng)。
第三步就是先將紅光LED芯片13通過固晶和金線6鍵合的方式組裝于支 架5內(nèi)。
第四步就是利用倒裝邦定機臺(TS—Bonding)把藍光、綠光芯片倒裝焊于 支架5對應(yīng)的焊盤7上。倒裝邦定機臺(TS—Bonding)可以是ASM公司生產(chǎn) 的倒裝邦定機臺(TS—Bonding)。
通過上述步驟，實現(xiàn)了主要利用倒裝焊的方式把紅綠藍三個芯片組裝于支 架5內(nèi)，同傳統(tǒng)的全彩SMDLED比較，省略了藍光和綠光芯片的固晶、金線鍵 合的步驟，把原先的五根金線，減少到一根。由于目前紅光還是利用傳統(tǒng)的上 下電極芯片，所以沿用傳統(tǒng)的固晶方式，還需要在紅光芯片的P電極同支架的
正極之間連接的一根金線6，如圖3 — 1所示。紅光芯片13也可以通過金屬凸點 9跟支架5焊盤7連接，省略掉紅光芯片的固晶、金線鍵合的情形如圖3—2所不。
實施方案2:
針對本發(fā)明所采用的技術(shù)、方法和設(shè)計，現(xiàn)使用單芯片用表面粘著型側(cè)面 出光支架5，如圖4一3、 4一4所示，支架材料是聚對苯二酰對苯二胺(PPA)， 一 種支架常用的白色樹脂材料。芯片為氮化鎵基藍光LED芯片，藍光芯片表面涂 敷黃光熒光粉，形成白光。該方案適用于背光用小型側(cè)面出光的LED。市場對 LED的封裝尺寸要求越來越小，而亮度需求越來越亮。這樣在支架的物理尺寸 不能進一步減小的前提下，芯片方面的提高就非常重要。
制作步驟如下
第一步，設(shè)計和制造側(cè)面出光SMD支架5。所用支架5的外型尺寸，杯口 尺寸都跟目前市場上的SMD支架類似，不同點就是里面焊盤的尺寸有所改變， 以跟芯片的P區(qū)、N區(qū)的金屬層配合。跟目前支架的工藝不同點就是在焊盤上 面通過電鍍的工藝把用于連接藍光芯片1和支架5的悍盤7的金屬凸點9制作 到支架5上的焊盤7上。這里的金屬凸點9的材料是金球。
第二步就是倒裝芯片的制造。芯片的制造過程包括氮化鎵刻蝕，P區(qū)2和N 區(qū)3電極材料的制造，最后形成的P區(qū)和N區(qū)的接觸電極高度相同，在同一側(cè)。 芯片的P區(qū)2和N區(qū)3的電極材料可以是Ni/Au，厚度為100nm/500nm。芯片 的P區(qū)N區(qū)電極同支架的P區(qū)N區(qū)相對應(yīng)。
第三步就是利用倒裝邦定機臺(TS—Bonding)把藍光芯片1倒裝焊于支架 5對應(yīng)的金屬凸點9上。倒裝邦定機臺(TS—Bonding)可以是ASM公司生產(chǎn) 的倒裝邦定機臺(TS—Bonding)。
第四步就是熒光粉的涂敷，本涂敷工藝同目前業(yè)界的工藝完全相同。
通過上述步驟，實現(xiàn)了把藍光芯片直接組裝于支架內(nèi)，同傳統(tǒng)的側(cè)面出門 SMDLED比較，省略了藍光芯片的固晶、金線鍵合的步驟，芯片的面積可以占 據(jù)支架的大部分有效面積；大大降低了成本。倒裝芯片同傳統(tǒng)相關(guān)的金線鍵合 的LED芯片相比，例如同樣用12mil的芯片，由于把LED芯片P區(qū)接觸層不會
阻擋出光，出光面積可以提高10%。同樣是封裝傳統(tǒng)12mil芯片的支架，可以 封裝芯片面積大一倍的倒裝芯片，可大大提高單顆LED燈的亮度。當(dāng)然在支架 物理尺寸允許的情況下，用倒裝芯片可以很容易實現(xiàn)更小型化的LED封裝。
以上所述僅為本發(fā)明中兩個實施舉例，并非限定本發(fā)明實施范圍。凡按照 本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍所作的相似變化和修飾，均為本發(fā)明內(nèi)容所涵蓋。
權(quán)利要求
1、一種直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于在支架內(nèi)，最少一個發(fā)光二極管芯片是通過金屬凸點直接倒裝于支架上。
2、 如權(quán)利要求l所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的金屬凸點是制造在發(fā)光二極管芯片的P、 N電極上，然后發(fā)光二 極管芯片的P、 N電極直接與支架內(nèi)對應(yīng)于P、 N電極的金屬焊盤倒裝連接；或 者金屬凸點是制造在支架上，然后光二極管芯片的P、 N電極的金屬焊盤直接與金屬凸點倒裝連接。
3、 如權(quán)利要求2所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的金屬凸點通過電鍍工藝或者機械栽植的方式形成，金屬凸點的 材料為鉛、錫、金中單一的材料或者共晶合金；P、 N電極的金屬焊盤的材料為 鎳、金、銀、鋁中單一的材料、多層材料或者合金，焊盤的厚度為0.5 10微米。
4、 如權(quán)利要求2所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的金屬凸點同金屬焊盤的鍵合過程是用回流焊的方式或是加熱后 加超聲波的邦定工藝。
5、 如權(quán)利要求l所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的支架包括表面粘著型、直插式支架、側(cè)面出光的支架、正面出 光的支架、單芯片支架、多芯片支架；支架的材料是樹脂、金屬或者陶瓷。
6、 如權(quán)利要求l所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的發(fā)光二極管芯片是單一一個芯片。
7、 如權(quán)利要求l所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的發(fā)光二極管芯片是兩個或者兩個以上。
8、 如權(quán)利要求7所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述的發(fā)光二極管芯片是不同尺寸、不同顏色芯片的組合。
9、 如權(quán)利要求7所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，其特 征在于所述的發(fā)光二極管芯片是紅、綠、藍(RGB)全彩顯示用的多芯片組 合、雙色芯片模組或者單色的芯片模組。
10、 如權(quán)利要求9或8所述的直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法， 其特征在于所述的紅色芯片是通過金線鍵合的形式連接，而藍光、綠光芯片是通過倒裝不打線的形式組裝于支架內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明直接倒裝于支架內(nèi)的發(fā)光二極管的制造方法，在支架內(nèi)，單一芯片或者多芯片是通過金屬凸點直接倒裝于支架上。本發(fā)明省略了芯片固晶，金線鍵合的步驟，從而降低了制造成本，提高了制造的效率；降低了熱阻，解決了功率型芯片的散熱問題，解決了小尺寸的LED封裝中焊盤和引線的擋光問題，大幅度提高了LED的出光效率，實現(xiàn)了LED封裝尺寸的進一步小型化，滿足市場日益對小型化封裝的要求。
文檔編號H01L33/00GK101350321SQ200710029220
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者羅珮璁, 肖國偉, 陳正豪, 陳海英 申請人:晶科電子(廣州)有限公司