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| 权 利 要 求 书 、 一种硅基板集成有功能电路的 LED表面贴装结构，其特征在于：包括硅基板和 LED芯片， 所述硅基板的上表面为一平面结构， 无凹槽， 一氧化层覆盖在硅基板的上表面， 分别用以 连接正负电极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且相互绝缘，所述金属电极层的上 表面分别设置有金属凸点， LED芯片倒装在该硅基板上， LED芯片的正负极分别与二金 属凸点连接， 从而与金属电极层电连接； 在所述硅基板的下表面分别设置有二导电金属焊 盘，所述导电金属焊盘与硅基板上表面的金属电极层通过设置在硅基板侧壁的金属引线电 连接， 一导热金属焊盘设置在 LED芯片正下方对应的硅基板的下表面； 所述硅基板的上 表面集成有 LED所需的外围功能电路， 其通过贯穿氧化层的接触孔与金属电极层实现电 连接。 、 根据权利要求 1所述的 LED封装结构， 其特征在于： 还包括一胶体透镜， 其设置在硅基 板的上表面， 形成一密闭空间使 LED芯片及其内的金属布线与外界隔离。 、 根据权利要求 1所述的 LED封装结构， 其特征在于： 所述外围功能电路是静电保护电路、 电源驱动电路、整流电路、调光电路、负载监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组合。 、 一种硅基板集成有功能电路的 LED封装方法， 其特征在于包括如下步骤： 步骤 S1 : 在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片， 经过光刻、 刻蚀、 金属层沉积 和钝化层保护等系列工艺步骤， 在 LED芯片上形成 P电极和 N电极， 以及电极上的金属 焊盘； 步骤 S2: 在硅基板的上表面形成外围功能电路、 氧化层以及金属电极层， 然后在金属电 极层的上表面形成金属凸点； 步骤 S3 : 在硅基板的下表面形成凹槽； 步骤 S4: 通过电镀或喷涂的方式在凹槽的侧壁和硅基板的下表面覆盖一绝缘层； 步骤 S5 : 在凹槽的侧壁的绝缘层表面形成金属引线、 在硅基板的下表面的绝缘层表面形 成导电金属焊盘， 以及在硅基板下表面形成导热金属焊盘； 步骤 S6: 将 LED芯片倒装在所述硅基板上， 并使 LED芯片上 P电极和 N电极对应的金 属焊盘分别与硅基板上的金属凸点连接； 步骤 S7: 在硅基板上表面的 LED上方制作胶体透镜。 、 根据权利要求 4所述的封装方法， 其特征在于： 在所述步骤 S3具体为： 首先在硅基板上 表面通过第一粘胶层粘上一层与硅基板大小相同的第一支撑片；然后对硅基板的下表面进 行研磨； 接着在硅基板的下表面进行介质层沉积、 涂胶、 曝光、 显影、 腐蚀工序， 在硅基 板的晶粒之间的划片道位置开出掩蔽介质层的窗口图形， 利用介质层或光刻胶作为掩蔽 层， 对硅基板的下表面的窗口图形位置进行干法刻蚀或湿法腐蚀， 直到将硅基板腐蚀穿， 形成凹槽。 、 根据权利要求 4所述的封装方法， 其特征在于： 在所述步骤 S5具体为： 首先通过曝光显 影或腐蚀将在凹槽对应硅基板上表面的金属电极层的侧壁处的绝缘层去除；然后通过电镀 或化学镀方式在凹槽内形成金属引线以及在硅基板的下表面形成导电金属焊盘和导热金 属焊盘； 硅基板上表面的金属电极层与硅基板下表面的导电金属焊盘通过金属引线电连 接。 、 根据权利要求 4所述的封装方法，其特征在于：在所述步骤 S5和歩骤 S6之间还包括粘贴 第二支撑片和去除第一支撑片的步骤，即将硅基板的下表面通过第二粘胶层贴于第二支撑 片上， 然后将硅基板上表面的第一支撑片去除掉。 |
本发明属于发光器件的制造领域， 涉及一种基于硅基板的 LED封装结构及其封装方法 背景技术
发光二极管 （LED)光源具有高效率、 长寿命、 不含 Hg等有害物质的优点。 随着 LED 技术的迅猛发展， LED的亮度、寿命等性能都得到了极大的提升， 使得 LED的应用领域越来 越广泛， 从路灯等室外照明到装饰灯等室内照明， 均纷纷使用或更换成 LED作为光源。
LED表面贴装型 （SMD ) 的封装结构由于其应用方便和体积小等优势已 经成为了主要 的封装形式。 请参阅图 1， 其是现有技术中常用的 LED表面贴装结构， 包括一封装支架 100 和一通过固晶工艺贴装在封装支架 100内的 LED芯片 200。 封装支架 100表面设置有金属引 线 500， 在 LED芯片 200两侧的金属引线 500上设置有电极 400， LED芯片 200的正负电极 通过金线 300分别与封装支架 100上的电极 400电连接。 通过荧光粉涂敷和封胶工艺在 LED 芯片 200的上方填充灌封胶体 600， 从而完成对 LED芯片 200的封装。然而， 目前这种 LED 表面贴装结构存在以下问题： 由于封装支架 100是采用金属支架为基板， 再以射出塑胶凹槽 或模铸成型方式封胶后并切割而成， 因此其耐温性不佳、散热性不够理想， 微型化不易制作。 此外， 由于采用了将 LED芯片 200正面朝上装贴及采用金线 300连接电极的结构， 而金线连 接失效往往是 LED生产和使用过程中出现最多的失效模式。另 外，正面装贴的 LED芯片 200 通过蓝宝石散热， 但其散热效果不佳。
为了解决上述封装支架结构存在的问题， 一个较好的方法是采用硅基板直接作为 LED 芯片的封装基板。 目前基于硅基板的 SMD 结构的产品还未能在实际中大量销售和应用， 只 是有相关的专利报道。 他们大多采用的都是将硅片上表面挖一个深的 凹槽， 再在凹槽内挖通 孔， 将上表面凹槽内的电极连到下表面， 形成 SMD的封装形式； LED芯片被埋入到硅凹槽 中， 封装时在凹槽中填充荧光粉和胶体； 而且普遍釆用的是正装芯片打金线连接。 部分也采 用了倒装芯片的结构， 请参阅图 2， 该封装结构包括一硅基板 10、 一 LED芯片 20和封装胶 体 30。 其中该硅基板 10的上表面具有一深凹槽， LED芯片 20倒装在该硅基板 10的深凹槽 内。 LED芯片 20的正负电极对应的硅基板 10的凹槽内设有通孔 50， 通孔 50对应的硅基板 10的下表面具有导电焊盘 60和 70， LED芯片 20通过通孔 50内设的引线与导电焊盘 60、 70 电连接。该封装胶体 30是通过在深凹槽内填充荧光粉和封胶而形成 这种结构由于需要在硅 片的上表面挖大的深凹槽， 需要对硅片进行长时间腐蚀， 工艺复杂且成本较高； 同时由于凹 槽很深， 从而在其内部布线难度增加， 特别是如果采用倒装芯片， 需要在凹槽内的电极上制 作金属凸点， 其工艺难度较大； 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 的外围功能电路 （如静电保护电路、 驱动电路等）， 其应用前景上也受到限制； 此外， 受凹槽大小限制， 凹槽内放置的芯片数目受限， 不易实现多芯片模组。
在发光二极管生产和工作过程中很容易被静电 破坏， 造成 LED死灯失效， 因此， 目前大 多数的 LED 都需要在封装过程中再额外接上齐纳管来作静 电保护， 增加了额外的工作和成 本。 LED实际上就是 PN结二极管， 其工作需要直流电源驱动， 其工作电压由材料和 PN结 特性决定， 基本上是恒定的， 这样其亮度就由工作电流来决定， 因此， 为保证 LED的正常工 作，一般要求恒流源驱动，保持电流恒定，这 样 LED需要外加电源恒流驱动系统。此外， LED 外围电路还包括整流电路（即交直流转换电路 ）、调光电路、 负载监测诊断等， 这些功能电路 都单独封装， 体积大， 成本高， 但这些电路实际都是硅工艺生产的集成电路， 如果能够将部 分电路集成在硅基板中， 将有效的提高集成度， 提高工作稳定性， 降低成本。 发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不 足， 提供一种散热性能好、 小型化、低成 本、 高集成度的 LED表面贴装结构。
同时， 本发明还提供了所述 LED封装结构的封装方法。
一种硅基板集成有功能电路的 LED表面贴装结构， 包括硅基板和 LED芯片。 所述硅基 板的上表面为一平面结构， 无凹槽。 一氧化层覆盖在硅基板的上表面， 分别用以连接正负电 极的二金属电极层设置在该氧化层的上表面且 相互绝缘。 所述金属电极层的上表面分别设置 有金属凸点， LED芯片倒装在该硅基板上， LED芯片的正负极分别与二金属凸点连接， 从而 与金属电极层电连接。 在所述硅基板的下表面分别设置有二导电金属 焊盘， 所述导电金属焊 盘与硅基板上表面的金属电极层通过设置在硅 基板侧壁的金属引线电连接。 一导热金属焊盘 设置在 LED芯片正下方对应的硅基板的下表面。 所述硅基板的上表面集成有 LED所需的外 围功能电路， 其通过贯穿氧化层的接触孔与金属电极层实现 电连接。
进一步， 还包括一胶体透镜， 其设置在硅基板的上表面， 形成一密闭空间使 LED芯片 及其内的金属布线与外界隔离。
进一步， 所述外围功能电路是静电保护电路、 电源驱动电路、 整流电路、 调光电路、 负 载监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组 合。
一种硅基板集成有功能电路的 LED封装方法， 其特征在于包括如下步骤：
步骤 S1 : 在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片 ， 经过光刻、 刻蚀、 金属层沉 积和钝化层保护等系列工艺步骤， 在 LED芯片上形成 P电极和 N电极， 以及电极上的金属 焊盘；
步骤 S2: 在硅基板的上表面形成外围功能电路、 氧化层以及金属电极层， 然后在金属 电极层的上表面形成金属凸点；
步骤 S3 : 在硅基板的下表面形成凹槽；
步骤 S4: 通过电镀或喷涂的方式在凹槽的侧壁和硅基板 的下表面覆盖一绝缘层； 步骤 S5 : 在凹槽的侧壁的绝缘层表面形成金属引线、 在硅基板的下表面的绝缘层表面 形成导电金属焊盘， 以及在硅基板下表面形成导热金属焊盘；
步骤 S6: 将 LED芯片倒装在所述硅基板上， 并使 LED芯片上 P电极和 N电极对应的 金属焊盘分别与硅基板上的金属凸点连接；
步骤 S7: 在硅基板上表面的 LED上方制作胶体透镜。
相对于现有技术， 本发明的结构具有散热效果好、 体积小的优点； 同时无金线封装使得 该结构具有高的可靠性；直接在硅基板的表面 倒装 LED芯片而节省了在硅片表面挖深凹槽的 步骤， 降低了工艺成本和工艺难度， 并且可容易地在硅片上表面进行 LED芯片的排布， 可以 方便地实现多芯片模组连接及封装。 同时直接在硅基板表面集成 LED的外围功能电路， 实现 了 LED封装结构的高度集成化， 使 LED器件体积减小， 成本降低， 工作稳定性提高。 而且 实现了晶圆级的大生产封装， 使得封装成本降低。
为了能更清晰的理解本发明， 以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方 式。 附图说明
图 1是现有技术中常用的 LED表面贴装结构示意图。
图 2是例举的硅基板作为 LED芯片的封装基板的封装结构示意图。
图 3本发明基于硅基板的 LED封装结构的剖面示意图。
图 4是图 3所示的俯视图。
图 5是图 3所示的仰视图。
图 6至图 11是本发明 LED封装结构的工艺流程各歩骤的剖面结构示意 图。
图 12 实施例 1的静电保护电路俯视图和等效电路图。
图 13实施例 2的静电保护电路俯视图和等效电路图。 具体实施方式
请同时参阅图 3、 图 4和图 5， 其分别是本发明基于硅基板的 LED封装结构的剖面示意 图、 俯视图及仰视图。 该 LED封装结构包括硅基板 1、 LED芯片 3和透镜 11。
该 LED芯片 3分别具有 P和 N两个电极， 电极上设置有电极金属焊盘 （图未示）。 该硅基板 1的上表面为一平面结构， 无凹槽。 该硅基板 1的上表面内集成有外围功能电 路 2。 一氧化层 5覆盖在硅基板 1的上表面， 并在外围功能电路 2的对应位置具有接触孔 13。 分别用以连接正负电极的二金属电极层 6设置在该氧化层 5的上表面且相互绝缘。 金属电极 层 6的上表面分别设置有金属凸点 4。 LED芯片 3倒装在该硅基板 1上， LED芯片 3的 P、 N电极上的电极金属焊盘分别与金属电极层 6上的金属凸点 4接合。 该硅基板 1的下表面分 别设置有二导电金属焊盘 9和一导热金属焊盘 10。该导电金属焊盘 9分别通过设置在硅基板 1侧壁的金属引线 7与硅基板 1上表面的金属电极层 6连接。 该导电金属焊盘 9与硅基板 1 之间， 以及该金属引线 7与硅基板 1之间设置有一绝缘层 8。 导热金属焊盘 10覆盖在该硅基 板 1的下表面， 并与该 LED芯片 3的位置正对， 该导热金属焊盘 10与硅基板 1之间可以有 绝缘层， 也可以无绝缘层。
透镜 11设置在硅基板 1的上表面， 其形成一密闭空间使 LED芯片 3及其内的金属布线 与外界隔离。
所述外围功能电路 2具体是静电保护电路、 电源驱动电路、 整流电路、 调光电路、 负载 监测诊断电路中的一种电路或多种电路的组合 。
所述的金属凸点 4的材料可以为铅、 锡、 金、 镍、 铜、 铝、 铟中单一的材料、 多层材料 或者合金。
所述 LED芯片 3上的电极金属焊盘的材料可以为镍、 金、 银、 铝、 钛、 钨、 镉、 钒、 铂 等中单一的材料、 多层材料或者合金。
所述导电金属焊盘 9和导热金属焊盘 10的材料可以为镍、金、银、铝、钛、钨、镉 钒、 铂等中单一的材料、 多层材料或者合金。
所述透镜 11的材料为透明的树脂或硅胶； 也可以是混合有颗粒状荧光粉的树脂或硅胶； 或者是由两层材料组成： 第一层是混有荧光粉的胶体或荧光粉固体薄片 ， 第二层是透明的树 脂或硅胶。
所述绝缘层 8可以是聚酰亚胺（Polyimide)、氧化硅、氮化硅 可固化后永久使用的光刻 胶等。
请同时参阅图 6至图 11， 其是本发明 LED封装结构的工艺流程各步骤的剖面结构示意 图。 以下详细说明本发明的 LED封装结构的制造步骤：
步骤 S1 : 制造 LED芯片 3。 具体地， 在蓝宝石衬底上生长有多层氮化镓的外延圆片 ， 经 过光刻、 刻蚀、 金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤， 在 LED芯片上形成 P电极和 N 电极， 以及电极上的金属焊盘。 该圆片经研磨抛光后切割成单粒的 LED芯片 3。
步骤 S2: 在硅基板 1上形成外围功能电路 2和金属电极层 6。 具体地， 在一片硅基板圆 片 1上， 先通过半导体生产工艺， 如外延、 氧化、 光刻、 腐蚀、 离子注入、 扩散、 退火等， 制造出所需 LED外围电路 2， 并开出接触孔 13， 再用蒸发、溅射或电镀等工艺在硅基板 1的 上表面形成金属层 6， 通过光刻、 腐蚀或剥离等工艺形成对应于 LED芯片的图形和连线层。
步骤 S3 : 形成金属凸点 4。 具体地， 采用电镀、 蒸发或金属线植球等方式在金属电极层 6对应倒装 LED芯片的位置形成金属凸点 4。
步骤 S4:在硅基板 1的下表面形成凹槽 16:在硅基板 1上表面粘上一层与硅基板 1大小 相同的支撑用介质圆片 15， 材料为硅片、 玻璃、 金属或陶瓷等， 用于保护上表面及作为下表 面刻蚀后的支撑。 然后将硅基板 1进行下表面研磨， 研磨到所需要的厚度。 接着在硅基板 1 下表面进行介质层沉积、 涂胶、 曝光、 显影、 腐蚀等工序， 在硅基板 1晶粒之间的划片道位 置开出掩蔽介质层的窗口图形。 利用介质层或光刻胶作为掩蔽层， 对硅基板 1进行干法刻蚀 或湿法腐蚀， 直到腐蚀穿硅片， 形成凹槽 16。
步骤 S5:形成绝缘层 8:通过电镀或喷涂等方式在凹槽 16的侧壁和硅基板 1的下表面覆 盖绝缘层 8。
步骤 S6: 形成金属引线 7、 导电金属焊盘 9和导热金属焊盘 10: 首先通过曝光显影将凹 槽 16对应硅基板 1上表面的金属电极层 6的侧壁处的绝缘层去除；然后通过电镀、化 镀等 方式在凹槽 16内形成金属引线 7以及在硅基板 1的下表面形成导电金属焊盘 9和导热金属焊 盘 10。硅基板 1上表面的金属电极层 6与硅基板 1下表面的导电金属焊盘通过金属引线 7实 现了电连接。
步骤 S7: 粘贴第二支撑片 18和去除第一支撑片 15: 将制作好的硅基板 1的下表面通过 第二粘胶层 17贴于第二支撑片 18上，然后将硅基板 1上表面的第一支撑片 15去除掉， 同时 清洗干净硅片上表面。
步骤 S8: 将 LED芯片 3倒装焊接在硅基板 1的上表面。 通过自动化的倒装焊设备将一 个个的 LED芯片 3倒装焊接在硅片上表面上， 倒装悍过程实际是金属凸点 4同 LED芯片 3 的 P电极和 N电极的金属焊盘的键合过程， 可以采用回流焊的方式或是用加热后加超声波 的 邦定工艺。
步骤 S9: 形成透镜 11。透镜的制作可以是通过铸模形成， 也可以是通过点胶方式利用胶 本身的表面张力直接形成。 如果是制作蓝光 LED, 则不需要进行荧光粉涂敷， 直接在硅片表 面制作透镜。 如果是制作白光 LED, 可以有三种方式加入荧光粉。 第一种是将荧光粉颗粒与 灌封胶均匀混合， 然后在硅片表面用铸模或点胶制作透镜。第二 种方式， 是先在 LED芯片表 面进行荧光粉的涂敷， 方法是荧光粉颗粒先混入胶中制成胶状荧光粉 ， 然后进行涂敷， 涂敷 方式可以是喷涂、 刷涂或滴胶等方式； 再用透明的灌封胶单独在硅片表面用铸模或点 胶形成 透镜。第三种方式， 是先在 LED芯片表面贴上已制作好的荧光粉固体薄片， 然后再用透明的 灌封胶在硅片表面用铸模或点胶形成透镜。
完成以上步骤后， 单粒晶粒从介质圆片上取下来， 即是一个可直接应用的集成有功能电 路的 LED封装产品。 实施例 1:
以下详细说明在硅基板 1上集成静电保护电路的方法。
具体在上述步骤 S2中实现。在硅基板 1上形成静电保护电路 2和金属电极层 6。 具体的 静电保护电路的俯视图和等效电路图， 请参阅图 12， 该电路与 LED芯片的两个电极并联。 其制作过程为： 选择具有一定电阻率的 P型掺杂的硅基板 1， 先在表面进行热氧化工艺形成 氧化层 5， 然后通过光刻腐蚀开出需要掺杂位置的窗口， 利用离子注入或扩散工艺在窗口位 置形成 N型重掺杂区 2， 掺杂浓度和深度根据所需的 PN结反向击穿电压决定； 掺杂的同时 在硅片表面再进行一次热氧化， 在 N型掺杂区 2也覆盖一层氧化层； 然后通过光刻腐蚀工艺 在 N型掺杂区开出接触孔 13， 开出接触孔后用蒸发或溅射工艺在表面进行金 属层 6沉积， 接 着利用光刻腐蚀工艺形成电极金属连线的布线 层 6。 实施例 2:
以下详细说明在硅基板 1上集成另一种静电保护电路的方法。
具体在上述步骤 S2中实现。在硅基板 1上形成静电保护电路 2和金属电极层 6。 具体的 静电保护电路的俯视图和等效电路图， 请参阅图 13， 该电路与 LED芯片的两个电极并联。 选择具有一定电阻率的 N型掺杂的硅基板 1， 先在表面进行热氧化工艺形成氧化层 5， 然后 通过光刻腐蚀开出需要掺杂位置的窗口， 利用离子注入或扩散工艺在窗口位置形成 P型重掺 杂区 2，掺杂浓度和深度根据所需的 PN结反向击穿电压决定； 掺杂的同时在硅片表面再进行 一次热氧化， 在 P型掺杂区 2也覆盖一层氧化层； 然后通过光刻腐蚀工艺在 P型掺杂区开出 接触孔 13， 开出接触孔后用蒸发或溅射工艺在表面进行金 属层 6沉积， 接着利用光刻腐蚀工 艺形成电极金属连线的布线层 6。
由于 LED的外围功能电路种类较多， 而且同一种电路实现的方式也各式各样， 在此不再 例举。
相对于现有技术， 本发明采用一层硅作为封装基板， 将 LED芯片产生的热直接通过硅导 出， 热阻比较小。 采用倒装焊工艺将 LED直接通过金属凸点连接到硅基板上， 相对于正装 LED产品通过蓝宝石散热， 具有更好的散热效果。 整个封装结构中没有一根金线， 减少了由 于金线连接失效造成的可靠性问题。本发明直 接在硅基板的表面倒装 LED芯片， 硅片表面没 有挖深的凹槽， 因此可以直接在硅基板表面集成 LED的外围功能电路， 如抗静电保护电路、 LED恒流驱动电路等， 实现了 LED封装结构的高度集成化， 使 LED器件体积减小， 成本降 低， 工作稳定性提高。硅片表面没有凹槽， 可容易地在硅片上表面进行 LED芯片的排布， 可 以方便地实现多芯片模组连接及封装。 本封装方法实现了晶圆级的大生产封装， 使得封装成 本降低。 此外， 另外在硅基板的下表面设置了导热金属焊盘， 实现了热电分离， 可满足大功 率 LED灯的散热要求， 提高其性能的可靠性。
本发明并不局限于上述实施方式， 如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明 的精神 和范围， 倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和 等同技术范围之内， 则本发明也意图 包含这些改动和变形。