一种聚焦紫外LED封装结构及其制备方法与流程

本发明涉及led封装技术领域，具体涉及一种聚焦紫外led封装结构及其制备方法。

背景技术：

led(lightingemittingdiodes)即发光二极管，是一种固态半导体发光器件。它的特点是直流供电、发光光谱窄、寿命长、亮度高。led封装是指对led芯片进行电气连接并同时对芯片保护。对蓝光led芯片表面涂覆荧光粉，即可使该led封装发出白光，用于照明。作为第四代光源，目前led已经广泛的应用于照明领域。

除了照明领域，led技术已经向非照明领域延伸，其中，紫外led是led技术在非照明领域的重要发展方向之一。紫外汞灯技术在不久的将来就会被淘汰，联合国在2013年已经签署了《水俣公约》要求在2020年前禁止生产含汞量超过5毫克的普通照明用途的荧光灯。作为最有潜力的紫外汞灯替代技术，紫外led已经获得国内外众多厂商和单位的布局，比如国内的青岛杰生公司、德力光电公司、中科院半导体所等，国外的rayvio公司、seti公司、crystalis公司、伦斯勒理工学院等。

紫外led的应用主要包括紫外固化，光疗以及紫外杀菌。其中紫外固化是紫外led的主要应用领域之一。即时紫外固化技术是紫外led固化技术的新挑战。即时紫外固化技术可以打印出3d图案，可以拓展3d打印的应用范围。目前国外的科研单位和公司正积极的在该领域展开研究，比如：加拿大蒙特利尔理工学院的therriault教授团队自制紫外固化胶水，利用即时紫外led固化技术打印出了弹簧结构；美国艾克朗大学的jae-wonchoi教授团队研发出了即时紫外led固化3d打印机；新加坡creopop公司研发出了即时紫外led固化3d打印笔。相对于国外而言，国内在该领域尚处于起步阶段，具有很大的提升空间。中国发明专利cn103395207a中提到了一种即时紫外led固化3d打印系统，可以打印三维图案。

即时紫外led固化3d打印系统一般包括紫外led光源、喷嘴、紫外固化胶水、移动平台等，其中，紫外led光源是实现即时紫外led固化的关键部件。相比于普通紫外led光源，紫外能量高度集中于一点的紫外led光源可以对紫外固化胶水更快速的进行固化，从而提高3d打印效率。同时，聚焦紫外led由于没有散光就不会对喷嘴处的紫外固化胶水产生影响，所以就不会固化喷嘴处的胶水堵住喷嘴。因此，聚焦紫外led封装技术是实现即时紫外led固化3d打印系统的关键技术之一。激光器封装中常采用聚焦技术对光束进行聚焦，但是紫外led封装中罕有聚焦紫外led封装。

即时紫外led固化3d打印系统中的紫外led光源封装技术存在的不足有：1、现有的紫外led封装不能对呈朗伯分布的紫外光束进行聚焦，使得紫外能量不能被集中在一点；2、现有的紫外led封装存在散光，该散光会对喷嘴处的紫外固化胶水进行固化，堵住喷嘴。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种适用于作为即时紫外led固化3d打印系统中的紫外光源的可使呈朗伯分布的紫外led发射的紫外光束聚焦于一点、没有散光的聚焦紫外led封装结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚焦紫外led封装结构，包括二次半球形透镜、支撑件、一次半球形透镜、石英透镜、叠堆硅反光杯、铝基板、硅衬底和倒装紫外led芯片，所述硅衬底固定在铝基板上，倒装紫外led芯片固定在硅衬底上，叠堆硅反光杯固定在硅衬底上，石英透镜固定在叠堆硅反光杯上，一次半球形透镜固定在石英透镜的上方，支撑件固定在铝基板上位于一次半球形透镜、石英透镜、叠堆硅反光杯的外围，二次半球形透镜固定在支撑件上位于一次半球形透镜的上方。

进一步的，所述叠堆硅反光杯由不同尺寸的硅反光杯通过铜锡回流焊的方式叠堆而成，上一个硅反光杯的底面开口尺寸与下一个硅反光杯的正面开口尺寸相同，叠堆硅反光杯的内外壁平齐、内壁连续且光滑、内壁与水平面呈57.4°夹角，内壁涂覆有铝层。

进一步的，所述倒装紫外led芯片通过铜锡回流焊的方式焊接固定在硅衬底上，硅衬底通过铜锡回流焊的方式焊接固定在铝基板上，叠堆硅反光杯通过铜锡回流焊的方式焊接固定在硅衬底上，石英透镜通过铜锡回流焊的方式焊接固定在叠堆硅反光杯上。

进一步的，所述铜锡回流焊的焊盘是通过在硅反光杯、硅衬底的硅晶圆上或石英透镜的石英晶圆上先镀铜后镀锡形成的。

进一步的，所述石英透镜是平面实心透镜并由石英晶圆制备而成，石英透镜的边长大于叠堆硅反光杯的边长。

进一步的，所述一次半球形透镜的底面直径与石英透镜的边长相同，二次半球形透镜的底面直径大于一次半球形透镜的底面直径，倒装紫外led芯片与石英透镜之间为空心，一次半球形透镜与二次半球形透镜之间为空心，一次半球形透镜和二次半球形透镜的曲面形状为球面，一次半球形透镜和二次半球形透镜是实心透镜。

进一步的，所述倒装紫外led芯片的中心线、叠堆硅反光杯的中心线、石英透镜的中心线、一次半球形透镜的中心线和二次半球形透镜的中心线在一条线上。

进一步的，所述一次半球形透镜和二次半球形透镜由石英玻璃或抗紫外硅胶制备而成。

进一步的，所述抗紫外硅胶是甲基硅胶。

一种聚焦紫外led封装结构的制备方法，包括以下步骤：

a、叠堆硅反光杯制备

步骤一、采用各向异性的湿法刻蚀技术刻蚀出硅晶圆的(111)面；

步骤二、对该晶圆正、反面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正、反面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤三、对该晶圆正面溅射或蒸镀铝并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正面通过刻蚀技术去除多余的铝，留下内壁(111)面上的铝，之后去除光刻胶；

步骤四、对该晶圆进行切割，硅反光杯制作完成；

步骤五、不同尺寸的硅反光杯通过铜锡回流焊的方式进行叠堆，叠堆硅反光杯制作完成；

b、硅衬底制备

步骤一、采用各向异性的湿法刻蚀技术刻蚀出硅晶圆的(111)面；

步骤二、对该晶圆正、反面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正、反面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤三、对该硅晶圆进行切割，硅衬底制作完成；

c、石英透镜制备

步骤一、对石英晶圆正面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的石英晶圆正面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤二、对该石英晶圆进行切割，石英透镜制作完成；

d、聚焦紫外led封装结构的组装

步骤一、倒装紫外led芯片采用铜锡回流焊的方式焊接到硅衬底上；

步骤二、焊有倒装紫外led芯片的硅衬底采用铜锡回流焊的方式焊接到铝基板上；

步骤三、叠堆硅反光杯采用铜锡回流焊的方式焊接到硅衬底上；

步骤四、石英透镜采用铜锡回流焊的方式焊接到叠堆硅反光杯上；

步骤五、一次半球形透镜采用硅胶黏结到石英透镜上，然后在烤箱里150℃固化两小时，黏结硅胶为抗紫外硅胶；

步骤六、二次半球形透镜采用硅胶黏结到支撑件上，二次半球形透镜与支撑件的组件采用硅胶黏结到铝基板上，然后在烤箱里150℃固化两小时，黏结硅胶为抗紫外硅胶，固化完成后，即制得聚焦紫外led封装。

本发明具有如下有益效果：

本发明一种聚焦紫外led封装结构及其制备方法，实现了可使呈朗伯分布的紫外led发射的紫外光束聚焦于一点，满足了即时紫外led固化3d打印系统对紫外光源的要求，紫外能量高度集中于一点，没有散光；其叠堆硅反光杯采用铜锡回流焊接的方式叠堆而成，适用于紫外led封装，可以对紫外led光束聚拢、聚集紫外能量，同时可靠性佳；该叠堆硅反光杯与现有的塑料反光杯和铝支架相比，制备工艺简单，并且由于是晶圆级制备，成本更低，产量更高，可适用于作为即时紫外led固化3d打印系统中的紫外光源。

附图说明

图1为本发明一种聚焦紫外led封装结构的结构示意图；

图2为本发明一种聚焦紫外led封装结构其叠堆硅反光杯的制作工艺流程图；

图3为本发明一种聚焦紫外led封装结构其硅衬底的制作工艺流程图；

图4为本发明一种聚焦紫外led封装结构其石英透镜的制作工艺流程图；

图5为本发明一种聚焦紫外led封装结构其叠堆反光杯与硅衬底焊接、叠堆硅反光杯与石英透镜焊接的工艺流程图；

图6为本发明一种聚焦紫外led封装结构的光线追迹模拟效果图；

图7为本发明一种聚焦紫外led封装结构在加载20毫安电流后的发光分布。

图中：1、二次半球形透镜；2、支撑件；3、一次半球形透镜；4、石英透镜；5、叠堆硅反光杯；6、铝基板；7、硅衬底；8、倒装紫外led芯片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的描述，以便于更清楚地理解本发明要求保护的技术思想。

如图1所示本发明一种聚焦紫外led封装结构，包括二次半球形透镜1、支撑件2、一次半球形透镜3、石英透镜4、叠堆硅反光杯5、铝基板6、硅衬底7和倒装紫外led芯片8，所述硅衬底7固定在铝基板6上，倒装紫外led芯片8固定在硅衬底7上，叠堆硅反光杯5固定在硅衬底7上，石英透镜4固定在叠堆硅反光杯5上，一次半球形透镜3固定在石英透镜4的上方，支撑件2固定在铝基板6上位于一次半球形透镜3、石英透镜4、叠堆硅反光杯5的外围，二次半球形透镜1固定在支撑件2上位于一次半球形透镜3的上方。

具体的，叠堆硅反光杯5由不同尺寸的硅反光杯通过铜锡回流焊的方式叠堆而成，上一个硅反光杯的底面开口尺寸与下一个硅反光杯的正面开口尺寸相同，叠堆硅反光杯5的内外壁平齐、内壁连续且光滑、内壁与水平面呈57.4°夹角，内壁涂覆有铝层。

倒装紫外led芯片8通过铜锡回流焊的方式焊接固定在硅衬底7上，硅衬底7通过铜锡回流焊的方式焊接固定在铝基板6上，叠堆硅反光杯5通过铜锡回流焊的方式焊接固定在硅衬底7上，石英透镜4通过铜锡回流焊的方式焊接固定在叠堆硅反光杯5上。

铜锡回流焊的焊盘是通过在硅反光杯、硅衬底7的硅晶圆上或石英透镜4的石英晶圆上先镀铜后镀锡形成的。

石英透镜4是平面实心透镜并由石英晶圆制备而成，石英透镜4的边长大于叠堆硅反光杯5的边长。

一次半球形透镜3的底面直径与石英透镜4的边长相同，二次半球形透镜1的底面直径大于一次半球形透镜3的底面直径，倒装紫外led芯片8与石英透镜4之间为空心，一次半球形透镜3与二次半球形透镜1之间为空心，一次半球形透镜3和二次半球形透镜1的曲面形状为球面，一次半球形透镜3和二次半球形透镜1是实心透镜。

倒装紫外led芯片8的中心线、叠堆硅反光杯5的中心线、石英透镜4的中心线、一次半球形透镜3的中心线和二次半球形透镜1的中心线在一条线上。

优选的，一次半球形透镜3和二次半球形透镜1由石英玻璃或抗紫外硅胶制备而成，抗紫外硅胶是甲基硅胶。

如图2-5所示，一种聚焦紫外led封装结构的制备方法，包括以下步骤：

a、叠堆硅反光杯5制备

步骤一、采用各向异性的湿法刻蚀技术刻蚀出硅晶圆的(111)面；

步骤二、对该晶圆正、反面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正、反面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤三、对该晶圆正面溅射或蒸镀铝并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正面通过刻蚀技术去除多余的铝，留下内壁(111)面上的铝，之后去除光刻胶；

步骤四、对该晶圆进行切割，硅反光杯制作完成；

步骤五、不同尺寸的硅反光杯通过铜锡回流焊的方式进行叠堆，叠堆硅反光杯5制作完成；

b、硅衬底7制备

步骤一、采用各向异性的湿法刻蚀技术刻蚀出硅晶圆的(111)面；

步骤二、对该晶圆正、反面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的硅晶圆正、反面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤三、对该硅晶圆进行切割，硅衬底7制作完成；

c、石英透镜4制备

步骤一、对石英晶圆正面溅射钛钨、铜种子层并通过光刻技术图案化，将图案化后的石英晶圆正面电镀铜锡后去除光刻胶和钛钨、铜种子层；

步骤二、对该石英晶圆进行切割，石英透镜4制作完成；

d、聚焦紫外led封装结构的组装

步骤一、倒装紫外led芯片8采用铜锡回流焊的方式焊接到硅衬底7上；

步骤二、焊有倒装紫外led芯片8的硅衬底7采用铜锡回流焊的方式焊接到铝基板6上；

步骤三、叠堆硅反光杯5采用铜锡回流焊的方式焊接到硅衬底7上；

步骤四、石英透镜4采用铜锡回流焊的方式焊接到叠堆硅反光杯5上；

步骤五、一次半球形透镜3采用硅胶黏结到石英透镜4上，然后在烤箱里150℃固化两小时，黏结硅胶为抗紫外硅胶；

步骤六、二次半球形透镜1采用硅胶黏结到支撑件2上，二次半球形透镜1与支撑件2的组件采用硅胶黏结到铝基板6上，然后在烤箱里150℃固化两小时，黏结硅胶为抗紫外硅胶，固化完成后，即制得聚焦紫外led封装。

如图6-7所示，本发明聚焦紫外led封装通过点亮结果显示，该聚焦紫外led封装实现了对呈朗伯分布的紫外led发射的紫外光束聚焦于一点，该点紫外能量高度集中，并且没有散光的效果。因此该聚焦紫外led封装适用于作为即时紫外led固化3d打印系统中的紫外光源。

本发明首次提出叠堆硅反光杯5的概念，反光杯在led封装中被用来反射光线，因此反光杯需要在相对应的光波段下有很高的反射率并且性能稳定。白光led封装中采用的反光杯材料大多为ppa(聚邻苯二甲酰胺)和pct(聚对苯二甲酸环己基亚甲基酯)。但是，ppa和pct在紫外线下不稳定并且含有很多吸收紫外的官能团，因此ppa和pct并不适合作为紫外led反光杯材料。目前工业界提出emc(环氧树脂模塑料)和smc(硅胶模塑料)具有抗紫外性能，有可能作为紫外led反光杯材料。但是，emc和smc在紫外段的反射率都很低，并不适合作为紫外led反光杯材料。

led晶圆级封装指的是对整片晶圆进行封装而不是单个芯片，优点是低成本和高产出。该封装方式采用的材料是硅以及硅的化合物，由于硅是无机物，因此硅在紫外线下很稳定。硅晶圆在各项异性湿法刻蚀下可以获得光滑的、与水平面呈57.4°夹角的(111)面，该面就可以作为反光杯内壁，因此硅适合作为紫外led反光杯材料。但是硅的紫外反射率不高，因此需要在硅表面溅射一层高紫外反射率的薄膜。铝是目前已知的对紫外反射率最高的金属，而且铝在紫外线下很稳定，是一种理想的溅射材料。因此只要在硅反光杯内壁溅射一层铝就可以获得高紫外反射率并且性能稳定的紫外led反光杯。

led晶圆级封装中采用的硅反光杯通常为单层的，就是只有一层硅晶圆的厚度，通常为400微米。单层硅反光杯满足不了对光聚拢的要求，采用单层硅反光杯后，紫外led发射的紫外线还是很发散，因为单层硅反光杯的厚度太薄。鉴于此，硅反光杯可以进行叠堆，增加厚度，获得聚拢度很高的紫外线。在此叠堆硅反光杯的设计中，上一个硅反光杯底面的开口尺寸与下一个硅反光杯正面的开口尺寸相同，因此，叠堆之后的硅反光杯内壁连续并且光滑，外观看上去好像一个加厚的硅反光杯。

考虑到有机物在紫外线下不稳定，因此有机物胶水并不适合用于此种硅反光杯的叠堆，同时兼顾工艺的复杂性和成本，本发明提出采用铜锡回流焊的方式进行叠堆。利用半导体制程，在每个硅反光杯正、反面先电镀一层铜，后电镀一层锡的方法，形成焊盘。通过对焊盘位置和尺寸的设计，使得上一个硅反光杯的底面焊盘尺寸和位置与下一个硅反光杯的正面焊盘尺寸和位置相同，就可以对这两个硅反光杯进行叠堆。

基于光线追迹的光学仿真软件tracepro对叠堆硅反光杯进行仿真，根据紫外光线的聚拢程度来判断叠堆硅反光杯的叠堆层数。

众所周知，紫外led芯片发射的紫外线是呈朗伯(lambertian)分布，通过半球形透镜并不能对呈朗伯分布的紫外光束进行聚焦，因为入射光束太散。为了设计可以聚焦于一点的紫外光束，需要将呈朗伯分布的紫外光束通过叠堆硅反光杯的作用将其聚拢，近似于平行光束入射，再通过半球形透镜将其聚焦。借鉴激光器的光学设计，并结合tracepro的光学仿真结果，叠堆硅反光杯搭配两枚半球形透镜可以对呈朗伯分布的紫外光束进行聚焦，有效地解决了现有的紫外led封装不能对呈朗伯分布的紫外光束进行聚焦，使得紫外能量不能被集中在一点；现有的紫外led封装存在散光，该散光会对喷嘴处的紫外固化胶水进行固化，堵住喷嘴的问题。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。