CN206774542U - 无衬底led白光芯片 - Google Patents

Abstract

一种无衬底LED白光芯片，包括GaN外延层、P电极、N电极、荧光粉涂层，其中所述P电极、N电极镀在GaN外延层的底表面上，所述荧光粉涂层覆盖固定在GaN外延层的上表面以及侧表面上。本实用新型的芯片发光效率高范围大，热传导性能好，使用寿命长，便于包装储存运输。

Description

无衬底LED白光芯片

技术领域

本实用新型涉及LED芯片领域，尤指一种无衬底LED白光芯片。

背景技术

LED发展趋势是无焊线无封装，所谓无焊线就是采用倒装结构芯片，直接焊接在基板上。倒装芯片的结构是电极和发光层在透明蓝宝石衬底的底部，与正装芯片相反，这样热量可以直接从基板导走，不必通过绝热的蓝宝石衬底，而且电流分布更加均匀，使得芯片可以在更大的电流密度下使用，更免去了焊线的成本和断线的隐患。倒装芯片结构大致如下：包括无色透明蓝宝石衬底，厚度约120-250um；生长在蓝宝石衬底上的GaN外延层，这是一个多层结构，芯片的发光层就在其中，整个外延层厚度仅5-10um；电极，两个电极分别为P和N，镀在外延层上，通电后外延层中的发光层就发光，因蓝宝石是无色透明的，所以发光可以毫无阻碍的透过蓝宝石发出来。

所谓无封装是指事先涂敷了荧光粉的倒装芯片，也称作(CSP = Chip ScalePackage)，即芯片级封装。因为蓝宝石衬底是透明晶体，倒装芯片是五面出光，所以荧光粉必须涂敷在上表面和四个侧面，同时底部的电极区域不得被硅胶和荧光粉污染。目前荧光粉的涂敷结构如下：

采用硅胶荧光粉压制而成，五面出光，光效高，但是顶部和四周的色温一致性控制较差，德豪润达的CSP也是以这种为主。

采用周围二氧化钛保护再覆荧光膜，只有顶部一个发光面，光的一致性和指向性很好，但是损失了四周的光输出，光效会偏低。目前三星主要采用以此技术为主，但是也在开发德豪润达的第一种技术。德豪润达也在开发三星这种技术产品。

采用荧光膜全覆盖，再加透明硅胶固定成型，也是五面出光，光效高，光品质稍差，此款主要是飞利浦采用。

无论上述哪种制备方法，共同的特点就是：

芯片表面荧光粉与基板之间都隔着120-250um厚的蓝宝石衬底，而蓝宝石是隔热材料，阻挡了荧光粉产生的热量向基板的传导，造成了荧光粉温度很高，大大降低了发光效率，同时，过高的温度加速了硅胶的老化，特别是在高密度大功率的情况下，问题更加严重。

在射灯投光灯及车灯等配有聚光的光学系统的应用中，真正高效利用的是LED的正面出光，而LED越厚侧面占的面积越大，侧面出光的很大一部分是损失掉了。

蓝宝石衬底本身是厚度均匀表面表面光洁的无色透明晶体，折射率高于硅胶，光线在蓝宝石衬底与硅胶界面处会发生全反射，对出光有很大影响。

可以看到，上述这些问题都蓝宝石衬底造成的，蓝宝石作为GaN外延层（发光层）的衬底在外延生长过程中是必不可少的，同时也是外延层的刚性支承。蓝宝石衬底是可以剥离的，蓝宝石衬底的剥离是一个很成熟的技术，芯片生产厂家在制作另外一种芯片——垂直结构芯片时，要把绝缘的蓝宝石衬底换成导电衬底，必须将蓝宝石衬底剥离，采用的办法是先将导电衬底贴合到外延层上，再用激光剥离技术将背面的蓝宝石衬底剥离。而对于倒装芯片则都是带着蓝宝石衬底一起封装成LED，不做衬底剥离，原因是：

发光外延层厚度只有5um左右，极为脆弱，一碰就碎，衬底剥离后失去支承无法拾取、分选、运输、包装，封装厂也无法固晶；

蓝宝石本身是透明的，对出光影响不大，本身又极为坚硬，无论拾取、分选、运输、包装、固晶都可以承受很大的压力和冲击，使用极为方便；

激光剥离需要专门的设备，严格的条件，封装厂一般不具备；

衬底剥离通常都是整张外延片剥离，而封装厂拿到的芯片已经是切割成单颗的了。

从上述分析，将倒装芯片的衬底剥离做成无衬底LED是具有很大优点的，目前已有的办法是：

申请号为201510719701.5及201520850711.8的中国实用新型专利中，将衬底剥离的倒装芯片加装保护层，等于用一个保护层替代蓝宝石做为一个临时的支承以便拾取和使用，这个保护层是临时的，而且是易于去除的。封装厂在固晶后要将保护层去除，只剩下无衬底的外延层。这两个专利解决的是蓝宝石剥离后外延层的搬运问题，简单说就是芯片厂先将蓝宝石衬底剥离，然后换上可以用简单溶剂清洗掉的保护层，有了保护层，芯片就可以像正常芯片一样分选包装运输固晶，封装厂或使用者在固晶后用溶液洗掉保护层就得到没有衬底的外延层。这个实用新型专利题目是无衬底LED芯片封装方法，实际上并没有谈及封装，临时的保护层不含荧光粉且在封装前又被除去了，仅剩下外延层，也更谈不上是芯片级封装了。本质就是给剥离掉衬底的外延层加了一个临时包装以便于操作。

申请号为201410355924.3的中国实用新型专利是在芯片制备工艺中将电极做到芯片侧面，从而免除了衬底，但这没有解决芯片的运输使用问题；

申请号为201210561072.4的中国实用新型专利主要论述的芯片制作工艺的改进，使得无论什么衬底都能做出倒装结构，同时也讲述了衬底剥离后的处理，采用的办法是先将蓝宝石或其它衬底剥离，再将已经制备好的混有荧光粉的陶瓷板或玻璃板贴合上去，替代原有的衬底做为永久支撑同时也能发出白光。但存在两个问题：

无论是陶瓷板还是玻璃板，与芯片贴合时都用胶粘连，专利中提到用硅胶、UV胶或环氧树脂，而这层胶等于在陶瓷板或玻璃板与外延层之间增加了一层介质，由于折射率的不同，光线在这层介质中依然会发生全反射，实际上与剥离前的蓝宝石衬底的作用一样，并没有消除由衬底带来的光损失，只是把蓝宝石换成了胶水；

陶瓷板或玻璃板是个平板，只能覆盖在芯片的表面，当整个外延片被切割成单个芯片后，单颗芯片外延层的侧面也就是切割面没有覆盖陶瓷或玻璃，也无法覆盖，外延层发出的蓝光会从侧面泄漏出来，结果就是芯片的表面发出白光而四周的侧面发出蓝光，这在应用上是不行的。

还有一种方案是在外延层的电极那一面涂敷环氧树脂做为支承，再将电极引出来，然后把另一面的蓝宝石衬底剥离，但环氧树脂也是绝热材料，等于把绝热的蓝宝石换成了环氧树脂，区别就是从外延层的上表面移到下表面，不仅荧光粉的导热不良问题依然存在，还使本来不存在导热不良问题的外延层增加了一个热阻。

实用新型内容

为解决上述问题之一，本实用新型提供一种无衬底LED白光芯片，其发光效率高，热传导性能好，使用寿命长，便于包装储存运输。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种无衬底LED白光芯片，包括GaN外延层、P电极、N电极、荧光粉涂层，其中所述P电极、N电极镀在GaN外延层的底表面上，所述荧光粉涂层覆盖固定在GaN外延层的上表面以及侧表面上。

为解决上述问题之二，本实用新型提供一种无衬底LED白光芯片的制作工艺，其制作工艺简单，可有效解决剥离蓝宝石衬底时外延层刚性支承问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种无衬底LED白光芯片的制作工艺，包括以下步骤：

A. 在蓝宝石衬底的表面生长GaN外延层，并在GaN外延层的底表面均匀交替镀若干个P电极和N电极；

B. 以一个P电极和一个N电极为单位将GaN外延层切割为若干个外延层单元，蓝宝石衬底不切割；

C. 在一耐高温平板或玻璃平板的表面对应粘贴双面热失粘胶膜或双面UV胶膜，将P电极和N电极的一面固定在热失粘胶膜或双面UV胶膜表面，随后剥离蓝宝石衬底，剩下已经切割好的外延层单元；

D. 在剥离了蓝宝石衬底的GaN外延层的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层，随后通过高温将荧光粉涂层固化；

E. 荧光粉涂层在高温下固化后，将在玻璃平板的背面照射UV光，如采用热失粘胶膜则不需要照射UV光，随后整个外延层连同荧光粉涂层从平板揭下，并沿相邻外延层单元之间的间隙切割成单个或多个相连的CSP芯片成品。

本实用新型的有益效果在于：

1.倒装芯片的蓝宝石衬底被剥离，涂敷在GaN外延层上的不是临时的不含荧光粉的保护层，而是含有荧光粉的可以把GaN外延层发出的蓝光转化成白光的荧光粉永久涂层；

2.荧光粉涂层直接涂敷在GaN外延层上，使用中荧光粉产生的热量可以直接通过薄薄的GaN外延层传导到LED基板上，不再经过厚厚的绝热的蓝宝石衬底，大大降低了荧光粉涂层的温度，提高光通量和使用寿命；

3.荧光粉涂层不仅仅是支承作用，本身就是白光芯片CSP的组成部分，无论是拾取、分选、包装、运输还是使用，永远不再去除；

4.荧光粉涂层固化后切割，就已经是单颗的白光芯片CSP，在分选包装运输之前LED封装已经完成，是真正的芯片级封装；

5.荧光粉涂层与GaN外延层直接粘合，与粘贴陶瓷片或玻璃片相比中间不需要过渡层也不需要额外的胶来粘连，从根本上去除了额外的胶粘层带来的光损失；

6.荧光粉涂层不仅涂敷在GaN外延层的上表面，还覆盖了GaN外延层的侧表面，不再有蓝光泄漏，发光颜色均匀一致；

7.荧光粉涂层中荧光粉的颗粒度中间值大约为15um左右，增加荧光粉在硅胶或环氧树脂中的浓度就可以把荧光粉涂层做到几十个um厚，大大降低了产品的厚度；

8.相比于传统的陶瓷或玻璃板的切割就很难很慢，而且易碎的缺陷，荧光粉涂层的切割很容易而且效率高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是外延层生长与镀电极工艺示意图；

图3是外延层切割工艺示意图；

图4是蓝宝石衬底剥离工艺示意图；

图5是涂覆荧光粉涂层工艺示意图；

图6是成品以2×3规格的切割示意图；

图7是成品以1×4规格的切割示意图；

图8是成品以5×5规格切割示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型涉及一种无衬底LED白光芯片，包括GaN外延层1、P电极2、N电极3、荧光粉涂层4，其中所述P电极2、N电极3镀在GaN外延层1的底表面上，所述荧光粉涂层4覆盖固定在GaN外延层1的上表面以及侧表面上，其中无衬底LED白光芯片整体的长宽尺寸为100um到3mm，荧光粉涂层通过荧光粉与硅胶或环氧树脂混合而成，其中荧光粉的中心粒度在3um-25um，荧光粉涂层4的厚度从10um到500um；荧光粉涂层4固化后在常温的硬度在邵氏60A以上，。

本实用新型还涉及一种无衬底LED白光芯片的制作工艺，包括以下步骤：

A. 如图2所示，在蓝宝石衬底5的表面生长GaN外延层1，并在GaN外延层1的底表面均匀交替镀若干个P电极2和N电极3；

B.如图3所示， 以一个P电极2和一个N电极3为单位将GaN外延层1切割为若干个外延层单元，蓝宝石衬底在此步骤不切割；外延层单元之间的间隔从20um到200um；

C.如图4所示，在一耐高温平板6或玻璃平板6的表面对应粘贴双面热失粘胶膜或双面UV胶膜，将P电极2和N电极3的一面固定在热失粘胶膜或双面UV胶膜表面，随后剥离蓝宝石衬底5；其中蓝宝石衬底5的剥离方法包括激光剥离、湿法腐蚀剥离或机械研磨剥离；耐高温平板6的耐热温度为150℃以上。

D. 如图5所示，在剥离了蓝宝石衬底5的GaN外延层1的表面和侧面涂敷一层厚度均匀的荧光粉涂层4，随后通过高温将荧光粉涂层4固化；

E. 荧光粉涂层4在高温下固化后，将在玻璃平板的背面照射UV光，如采用热失粘胶膜则不需要照射UV光，随后整个外延层连同荧光粉涂层4从平板6揭下，并沿相邻外延层单元之间的间隙切割成单个或多个相连的CSP芯片成品。

具体而言，单个CSP芯片也不限于是正方形，可以是长方形，GaN外延层1的发光可以是蓝色（主波长440-480nm），也可以是蓝紫色或近紫外（主波长350-440nm），也可以是远紫外（220-350nm），荧光粉涂层4是可以被蓝光或蓝紫光/紫外光有效激发的发蓝色/黄色/绿色/橙色/红色/红外光的荧光粉，以及上述荧光粉中的两种或多种混合；两种或多种荧光粉涂层4可以混合使用，也可以分层涂敷；两种或多种荧光粉涂层4可以分立涂敷，即按一定的区域分别涂敷组成不同的色彩；必要时荧光粉涂层中可以混合一定比例的漫反射材料；荧光粉涂层4中的荧光粉可以是无机材料或有机材料；电极材料可以是铜或金，或者是铜电极镀金;GaN外延层1最后切割时不一定切成单个的CSP，可以按照一定的阵列来切割，比如：2x3、1x4、5x5等等如图6-7所示，这样在使用时就减少了固晶的次数，大大提高效率;蓝宝石衬底5的剥离可以是整张外延片剥离，也可以碎裂后的外延片进行剥离，也可以对切割后的分立的常规倒装芯片进行剥离。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无衬底LED白光芯片，其特征在于，包括GaN外延层、P电极、N电极、荧光粉涂层，其中所述P电极、N电极镀在GaN外延层的底表面上，所述荧光粉涂层覆盖固定在GaN外延层的上表面以及侧表面上。

2.据权利要求1所述的无衬底LED白光芯片，其特征在于，无衬底LED白光芯片整体的长宽尺寸为100um到3mm。

3.据权利要求1所述的无衬底LED白光芯片，其特征在于：荧光粉涂层中荧光粉的中心粒度在3um-25um。

4.据权利要求1所述的无衬底LED白光芯片，其特征在于：荧光粉涂层的厚度从10um到500um。

5.根据权利要求1所述的无衬底LED白光芯片，其特征在于：所述荧光粉涂层固化后在常温的硬度在邵氏60A以上。