一种全无机封装的倒装UV-LED器件及制作方法与流程

本发明属于led封装技术领域，尤其涉及一种全无机封装的倒装uv-led器件及制作方法。

背景技术：

传统的紫外光源（uv）是采用汞蒸气放电利用汞的激发态来产生紫外线，具有功耗高、发热量大、寿命短、反应慢、有安全隐患等诸多缺陷。新兴的紫外光源采用led发光原理，称为“uv-led”，与传统汞灯紫外光源相比，拥有以下优点：1、紫外led是全固态照明器件，机械结构稳定，便携，耐冲击，工作电压小，且无需复杂的驱动电路；2、紫外led响应速率高即开即用，无需预热等复杂操作，使用方便；3、传统汞灯多谱线发光，紫外led发光峰单一，且发光波长连续可调；4、紫外led材料中不含对环境有害的物质，同时，紫外led节约高达70%的能源，是真正的环保节能光源；5、紫外led寿命在5000小时以上，远远超过汞灯的寿命。uv-led包括100nm～420nm之间的所有电磁辐射波长，应用市场目前根据其发光波长可以分为uva（320nm～420nm，也称为“长波紫外线”）、uvb（275nm～320nm，也称为“中波紫外线”）和uvc（100nm～275nm，也称为“短波紫外线”）波段，广泛于医疗应用、印刷、紫外光空气清净、高解析度光学应用、荧光粉反射、uv胶固化、特种照明等。

uv-led在实际环境中的应用通常会面临多方面的挑战，其中可靠性和散热问题尤为突出。要提高uv-led的可靠性，从封装结构上去改进是一种非常有效的方式。目前小功率中低端uv-led芯片，如紫外杀菌、紫外固化等，主要沿用可见光led的封装方式，即采用树脂类的有机材料进行封装，而有机材料抗uv性能差、热膨胀系数大、透湿透氧率高的特性，会造成紫外光辐射致胶体黄化光源衰减、热应力脆化及湿应力杂质入侵的劣性，将大幅降低uv-led的可靠性。uv-led的光电转换效率较低，大约有70%的能量转化为热能，特别是uvc-led的转化效率更低，约90%的能量转化为热能，因此uv-led封装须选择导热系数较高的材料。

目前uv-led行业内封装采用覆铜氮化铝陶瓷支架，支架含有金属围坝，内部有腔体，腔体填充多为空气，而空气折射率为1，uv-led芯片出光经过腔体会有全反射损失，且空气导热能力极差，导致uv-led工作时主要依靠底面散热，因此需优化腔体内的填充材料，有利于uv-led芯片的多面散热，提高uv-led器件的可靠性。

并且使用覆铜氮化铝陶瓷支架支撑uv-led芯片，然后使用纯石英透镜盖封的过程中，往往是在uv-led芯片固定于基板上时需进行一次加热，在连接石英透镜与覆铜氮化铝陶瓷支架时，也需要加热，这将不可避免地对uv-led芯片多次加热，从而影响uv-led芯片的可靠性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种制备全无机封装的倒装uv-led器件方法，所述方法包括步骤如下：

制备uv-led外延片：使用mocvd生长uv-led外延片，采用电感耦合等离子体刻蚀机台刻蚀所述uv-led外延片，形成mesa切割道并暴露n-gan层；

uv-led外延片减薄及划裂：研磨减薄所述uv-led外延片后，将其置于蓝膜表面，并使用激光隐形切割所述mesa切割道，然后裂片、扩膜得到单颗uv-led外延片排列而成的uv-led外延片阵列；

制备表面具有凹槽阵列的石英玻璃，所述凹槽的尺寸与减薄及划裂后的所述uv-led外延片尺寸一致；

装配与熔接：第一次加热所述石英玻璃，并将所述uv-led外延片置于所述石英玻璃表面的凹槽内，冷却至室温后，第二次加热，并对所述石英玻璃和所述uv-led外延片施加压力，缓慢退火后得到内嵌有uv-led外延片阵列的石英玻璃；

制备倒装uv-led芯片阵列：在所述内嵌在石英玻璃凹槽内的uv-led外延片阵列上制作ito层、第一反射层和p、n电极，得到内嵌有倒装uv-led芯片阵列的石英玻璃；

制作基板：使用陶瓷材料制作基板，在所述基板上制作与所述倒装uv-led芯片阵列电性连接的焊盘阵列；

固晶：在所述内嵌有倒装uv-led芯片阵列的石英玻璃表面围绕所述倒装uv-led芯片电极依次制作第二反射层和第一共晶层，在所述基板焊盘周围与所述第一共晶层对应处制作第二共晶层，将所述倒装uv-led芯片电极与基板焊盘对齐、第一共晶层与所述第二共晶层对齐进行热压共晶，冷却后得到全无机封装的倒装uv-led器件阵列；

切割：切割所述全无机封装的倒装uv-led器件阵列，得到单颗全无机封装的倒装uv-led器件。

进一步地，所述制备表面具有凹槽阵列的石英玻璃，具体工艺如下：沉积厚度为2mm～3mm的石英玻璃片，采用icp刻蚀所述石英玻璃片，形成与所述uv-led外延片尺寸一致的凹槽，研磨、抛光所述凹槽。

进一步地，所述研磨是使用平面精密抛光机、沥青抛光模和氧化铈抛光粉进行，研磨时间不低于2min。

进一步地，所述抛光包括粗抛和精抛。

进一步地，所述制备表面具有凹槽阵列的石英玻璃，具体工艺如下：采用阵列凸起的模具，所述凸起的尺寸与所述uv-led外延片尺寸一致，浇注熔融的石英，冷却得到一体成型的表面具有凹槽阵列的石英玻璃。

进一步地，所述的第一次加热温度为280~320℃，所述第二次加热温度不低于1300℃。

进一步地，制备倒装uv-led芯片阵列具体步骤如下：

在所述内嵌有uv-led外延片阵列的石英玻璃表面蒸镀或溅射ito层，在所述ito层表面旋涂光刻胶，并将图形化掩膜板覆盖于所述光刻胶上，曝光、显影、刻蚀，露出n-gan区；

蒸镀第一反射层；

蒸镀sio2保护层，刻蚀所述sio2保护层，蒸镀p、n电极。

更进一步地，所述ito层厚度为1μm~3μm，所述第一反射层厚度为0.3μm~0.5μm，所述p、n电极厚度为3μm~5μm。

进一步地，所述的施加压力为300g～500g，加热温度为300℃～320℃，热压时间100ms～500ms。

本发明还提供一种全无机封装的倒装uv-led器件，所述器件根据上述方法制备而来，包括石英玻璃、基板和内嵌于所述石英玻璃内的倒装uv-led芯片，所述倒装uv-led芯片与所述基板电性连接，所述石英玻璃与所述基板之间通过共晶层固定连接。

本发明提供的制备方法具备如下有益效果：

1.省去一次共晶键合工艺，降低二次受热对led芯片的热影响，提高uv-led芯片电极键合可靠性；

2.本发明提供的方法可制作更小尺寸uv-led器件，非常便于集成；

3.本发明提供的方法将芯片制造和封装工艺结合，可以简化工艺、节省成本，提高生产效率。

利用本发明提供的方法，得到的全无机封装的倒装uv-led器件，具备如下有益效果：

1.可大幅度降低全反射损失，明显增加器件出光；

2.散热效果明显增强。

附图说明

图1是实施例1中全无机封装的倒装uv-led器件制备方法流程图；

图2是装配与熔接过程示意图；

图3是内嵌有倒装uv-led芯片阵列的石英玻璃俯视图；

图4是基板俯视图；

图5是实施例1中石英透镜包围倒装uv-led芯片的分立器件；

图6是实施例1中全无机封装uv－led器件剖视图；

图7是实施例2中全无机封装的倒装uv-led器件制备方法流程图；

图8是实施例2中石英透镜包围倒装uv-led芯片的分立器件；

图9是实施例2中全无机封装uv－led器件剖视图；

1-石英玻璃；2-凹槽；3-uv-led外延片；4-石磨盘；501-矩形石英玻璃；502-半圆石英玻璃；601-第一共晶层；602-第二反射层；603-倒装uv-led芯片电极；7-基板；701-第二共晶层；702-焊盘；703-通孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种制备全无机封装的倒装uv-led器件的方法，其特征在于，如图1所示，包括步骤如下：

s01制备uv-led外延片

使用mocvd生长可以发出uv波段光线的uv-led外延片，然后采用电感耦合等离子体刻蚀机台刻蚀mesa切割道至蓝宝石衬底处，再采用电感耦合等离子体刻蚀机台刻蚀暴露出n-gan，刻蚀气体均为cl2/bcl3混合气体；

s02uv-led外延片减薄及划裂

使用研磨机粗磨uv-led外延片衬底面，再加研磨液精磨，将外延片减薄至400μm。将uv-led外延片置于蓝膜上，然后激光sd（隐形切割）工艺划uv-led外延片，再使用裂片机三点裂片，获得单颗uv-led外延片阵列。用扩膜机将蓝膜进行扩膜，增大相邻单颗uv-led外延片的间距。

s03制备表面具有凹槽阵列的石英玻璃，所述凹槽的尺寸与步骤s02得到的uv-led外延片尺寸一致。

将sicl4在汽化器内加热至50℃使之挥发，然后经由高纯氢气携带送至汽相沉积反应炉内的供料管中，在燃烧器的出口处与氢氧焰反应，燃烧后在160℃下生成玻璃态的sio2，在沉积靶距220mm，沉积靶转速10r/min，沉积速率80g/h条件下，沉积厚度约2mm～3mm的矩形石英玻璃1。

将得到的石英玻璃片1以500℃/h速率升温至1500℃，保持20min，然后3℃/min速率降温至950℃，关闭电源随炉自然冷却到室温。采用icp刻蚀方式，刻蚀气体为cf4，在石英玻璃片上刻蚀出矩形凹槽阵列，矩形凹槽的长宽高尺寸与步骤s02得到uv-led外延片尺寸一致，高度为350μm。

对矩形凹槽的5个内表面研磨抛光，具体工艺：采用平面精密抛光机、沥青抛光模和平均粒径为60nm的氧化铈抛光粉研磨2min，采用平面精密抛光机、聚氨酯抛光膜和平均粒径为30nm的碱性抛光液（质量分数20%的sio2水溶胶、碱性剂和表面活性剂组成）进行粗抛2min，采用平面精密抛光机、纤维抛光膜和平均粒径为30nm的碱性抛光液（质量分数20%的sio2水溶胶、碱性剂和表面活性剂组成）进行精抛2min，使的凹槽表面粗糙度小于1nm。

s04装配与熔接

如图2，将步骤s03得到的表面具有凹槽2阵列的石英玻璃1和步骤s02得到的承载uv-led外延片3阵列的蓝膜放入共晶机不同载盘上，第一次加热承载石英玻璃1的载盘至300℃并保温，基于热胀冷缩原理，石英玻璃1因均匀受热原子间距会扩大，因而凹槽2体积会扩大。用共晶机焊头将另一载盘蓝膜上的常温uv-led外延片3衬底面朝向石英玻璃1一颗颗对应置于石英玻璃的凹槽2中。完成后取出承载uv-led外延片的石英玻璃1冷却至室温。

将承载uv-led外延片的石英玻璃置于加热炉石墨盘4中，上表面再覆盖加压石墨盘4，加压石墨盘4质量为7kg～9kg，炉内抽真空后调节炉温以50℃/min升温到1300℃，石英玻璃1达到软化点，保温3min，然后以5℃/min升温到1420℃，保温10min，此时加压石墨盘4质量压在uv-led外延片3的p-gan表面，uv-led外延片3的p-gan表面受到1.2x10⁴pa的压力（以4英寸片为例），会与软化的石英玻璃1紧密贴合。然后在1420℃～1300℃，1300℃～960℃，960℃～470℃，470℃到常温，进行4次缓慢退火以降低热应力，退火速度15℃/min，每次间隔时间10min。获得内嵌有uv-led外延片阵列的石英玻璃，且uv-led外延片表面为p-gan，p-gan表面与石英玻璃表面齐平。

s05制备倒装uv-led芯片阵列

在石英玻璃片表面蒸镀或溅射ito，厚度1μm~3μm。在ito表面旋涂光刻胶，将图形化掩模版覆盖于光刻胶上，曝光显影，去除每颗uv-led外延片表面的n-gan区的光刻胶，ito刻蚀液刻蚀n-gan区的ito，露出n-gan区。

蒸镀第一反射层，材料为ag，厚度0.3μm～0.5μm，采用lift-off工艺剥离金属；

蒸镀sio2保护层，刻蚀sio2，露出即将蒸镀的p、n电极的位置。正面涂覆光刻胶，将图形化掩模版覆盖于光刻胶上，曝光显影去除即将蒸镀的p、n电极位置的光刻胶，蒸镀p、n电极，材料au、ausn、snagcu、agsn等，厚度3μm～5μm，采用lift-off工艺剥离p、n电极以外的金属，至此完成芯片工艺，得到内嵌有倒装uv-led芯片阵列的石英玻璃，如图3。其中，倒装uv-led芯片电极603一侧突出石英玻璃表面3.3μm～5.5μm，该突出的厚度主要所述ag反射层和金属电极组成。

在石英玻璃表面围绕所述倒装uv-led芯片电极依次制作第一共晶层601和第二反射层602：在石英玻璃底面涂覆光刻胶，覆盖图形化掩模版，曝光显影，去除距离石英玻璃边缘150～250μm处的光刻胶，然后溅射1μm的可伐合金，再蒸镀4μm可伐合金和2μm金锡合金作为第一共晶层601，lift-off工艺剥离非共晶层金属；同样的，在石英玻璃片底面涂覆光刻胶，覆盖图形化掩模版，曝光显影，去除第一共晶层与倒装uv-led芯片间区域的光刻胶，溅射厚度为0.3μm的au，作为第二反射层602，lift-off工艺剥离非反射层金属；

形成单颗平面石英透镜501包围单颗倒装uv-led芯片的分立器件（如图5）构成的阵列；

s06制作基板

如图4，基板7采用氮化铝陶瓷材料，厚度0.5mm。

(1)使用雷射（激光）方式在基板7上开通孔703，通孔703尺寸与倒装uv-led芯片电极603尺寸一致，蒸镀铜材填满通孔703与基板7表面平齐，得到垂直铜热沉结构，在通孔铜层上方蒸镀2μm的au层为对应于倒装uv-led芯片电极603表面的共晶层；

(2)在所得基板7上表面边缘溅射0.5μm的cu层，再蒸镀0.1μm～0.3μm的ni层，和0.3μm～1μm的au层，形成于石英玻璃第一共晶层对应的第二共晶层701；

(3)在所得基板下表面溅射50μm的cu层，再蒸镀150μm的cu层、3μm的表面处理层ni层和0.05μm的au层，形成基板底部焊盘702；

(4)将基板7浸泡在超声的酒精中5min，去除表面可能存在的污染物并冲水甩干。

s07固晶

将基板放入载盘上，承载基板的载盘加热至共晶温度300℃～320℃，将内嵌倒装uv-led芯片的石英玻璃与所述基板对齐，使所述倒装uv-led芯片电极与所述基板通孔对应、所述第一共晶层与所述第二共晶层对应，同时加热至共晶温度300℃～320℃，施加压力300g～500g，热压时间100ms～500ms，完成倒装uv-led芯片阵列与基板、石英玻璃与基板的同时共晶键合。

s08切割

水刀切割步骤s07得到的所述全无机封装的倒装uv-led器件阵列，得到单颗全无机封装的倒装uv-led器件，如图6。

实施例2

一种制备全无机封装的倒装uv-led器件的方法，其特征在于，如图7所示，包括步骤如下：

s01制作基板

如图4，基板7采用氧化铝陶瓷材料，厚度0.5mm。

(1)使用雷射（激光）方式在基板7上开通孔703，通孔703尺寸与倒装uv-led芯片电极603尺寸一致，蒸镀铜材填满通孔703与基板7表面平齐，得到垂直铜热沉结构，在通孔铜层上方蒸镀2μm的au层为对应于倒装uv-led芯片电极603表面的共晶层；

(2)在所得基板7上表面边缘溅射0.5μm的cu层，再蒸镀0.1μm～0.3μm的ni层，和0.3μm～1μm的au层，形成于石英玻璃第一共晶层对应的第二共晶层701；

(3)在所得基板下表面溅射50μm的cu层，再蒸镀150μm的cu层、3μm的表面处理层ni层和0.05μm的au层，形成基板底部焊盘702；

(4)将基板7浸泡在超声的酒精中5min，去除表面可能存在的污染物并冲水甩干。

s02制备表面具有凹槽阵列的石英玻璃：

采用具有凸起阵列的模具，所述凸起高度为250μm，长宽为254*508μm，浇注熔融的石英，冷却得到一体成型的表面具有凹槽阵列的石英玻璃。

s03制备uv-led外延片

使用mocvd生长尺寸为4英寸，且可以发出uv波段光线的uv-led外延片，然后采用电感耦合等离子体刻蚀机台刻蚀mesa切割道至蓝宝石衬底处，再采用电感耦合等离子体刻蚀机台刻蚀暴露出n-gan，刻蚀气体均为cl2/bcl3混合气体；

s04uv-led外延片减薄及划裂

使用研磨机粗磨uv-led外延片衬底面，再加研磨液精磨，将外延片减薄至250μm。将uv-led外延片置于蓝膜上，然后激光sd（隐形切割）工艺划uv-led外延片，再使用裂片机三点裂片，获得单颗uv-led外延片阵列。用扩膜机将蓝膜进行扩膜，增大相邻单颗uv-led外延片的间距。

s05装配与熔接：

将步骤s02得到的表面具有凹槽2阵列的石英玻璃和步骤s04得到的承载uv-led外延片阵列的蓝膜放入共晶机不同载盘上，第一次加热承载石英玻璃的载盘至300℃并保温，基于热胀冷缩原理，石英玻璃因均匀受热原子间距会扩大，因而凹槽体积会扩大。用共晶机焊头将另一载盘蓝膜上的常温uv-led外延片衬底面朝向石英玻璃一颗颗对应置于石英玻璃的凹槽中。完成后取出承载uv-led外延片的石英玻璃冷却至室温。

将承载uv-led外延片的石英玻璃置于加热炉石墨盘中，上表面再覆盖加压石墨盘，加压石墨盘质量为7kg～9kg，炉内抽真空后调节炉温以50℃/min升温到1300℃，石英玻璃达到软化点，保温3min，然后以5℃/min升温到1420℃，保温10min，此时加压石墨盘质量压在uv-led外延片的p-gan表面，uv-led外延片的p-gan表面受到1.2x10⁴pa的压力，会与软化的石英玻璃紧密贴合。然后在1420℃～1300℃，1300℃～960℃，960℃～470℃，470℃到常温，进行4次缓慢退火以降低热应力，退火速度15℃/min，每次间隔时间10min。获得内嵌有uv-led外延片阵列的石英玻璃，且uv-led外延片表面为p-gan，p-gan表面与石英玻璃表面齐平。

s06制备倒装uv-led芯片阵列：

在步骤s05得到的石英玻璃片表面蒸镀或溅射ito，厚度1μm~3μm。在ito表面旋涂光刻胶，将图形化掩模版覆盖于光刻胶上，曝光显影，去除每颗uv-led外延片表面的n-gan区的光刻胶，ito刻蚀液刻蚀n-gan区的ito，露出n-gan区；

蒸镀第一反射层，材料为ag，厚度0.3μm～0.5μm，采用lift-off工艺剥离金属；

蒸镀sio2保护层，刻蚀sio2，露出即将蒸镀的p、n电极的位置。正面涂覆光刻胶，将图形化掩模版覆盖于光刻胶上，曝光显影去除即将蒸镀的p、n电极位置的光刻胶，蒸镀p、n电极，材料au、ausn、snagcu、agsn等，厚度3μm～5μm，采用lift-off工艺剥离p、n电极以外的金属，至此完成芯片工艺，得到内嵌有倒装uv-led芯片阵列的石英玻璃，如图3。其中，倒装uv-led芯片电极603一侧突出石英玻璃表面3.3μm～5.5μm，该突出的厚度主要所述ag反射层和金属电极组成；

在石英玻璃表面围绕所述倒装uv-led芯片电极依次制作第一共晶层601和第二反射层602：在石英玻璃底面涂覆光刻胶，覆盖图形化掩模版，曝光显影，去除距离石英玻璃边缘150～250μm处的光刻胶，然后溅射1μm的可伐合金，再蒸镀4μm可伐合金和2μm金锡合金作为第一共晶层601，lift-off工艺剥离非共晶层金属；同样的，在石英玻璃片底面涂覆光刻胶，覆盖图形化掩模版，曝光显影，去除第一共晶层与倒装uv-led芯片间区域的光刻胶，溅射厚度为0.3μm的au，作为第二反射层602，lift-off工艺剥离非反射层金属；

s07形成分立器件

减薄石英玻璃片背离芯片的表面至800μm～1000μm，可用精密打磨机将表面打磨成阵列的半圆，每个半圆的圆心对应矩形凹槽的中心，将石英玻璃片有芯片的表面置于蓝膜上，采用水刀切割或激光切割石英玻璃片，形成单颗半圆石英透镜502包围单颗uv-led芯片的分立器件，如图8；

s08固晶：

将基板与承载有uv-led分立器件的蓝膜同时放入共晶机不同载盘上，承载基板的载盘加热至共晶温度300℃～320℃，共晶焊头吸取单颗uv-led分立器件，同时加热至共晶温度300℃～320℃，使石英玻璃片边缘共晶层对应基板边缘共晶层，uv-led芯片共晶层对应基板通孔上方共晶层，施加压力300g～500g，热压时间100ms～500ms，完成单颗uv-led芯片与基板、石英玻璃与基板的同时共晶键合。按照上述步骤，将蓝膜上的uv-led分立器件一颗颗共晶于基板上，冷却后即可获得全无机封装的倒装uv-led器件阵列。

s09切割：水刀切割步骤s08得到的所述全无机封装的倒装uv-led器件阵列，得到单颗全无机封装的倒装uv-led器件，如图9。

本发明实施例提供的制备方法具备如下有益效果：

1.本发明一次性完成倒装uv-led芯片与陶瓷基板、石英玻璃与陶瓷基板的共晶键合，与传统的uv-led芯片封装工艺相比，省去一次共晶键合工艺，降低二次受热对led芯片的热影响，提高uv-led芯片电极键合可靠性；

2.本发明提供的方法可制作更小尺寸uv-led器件，相对于行业内目前低功率的3535支架，本发明器件尺寸为0808或1010甚至更小，非常便于集成；

3.本发明提供的方法可以节省成本，简化工艺，提高生产效率；

4.本发明提供的方法可实现大批量工业生产，产品良率高，对设备要求低。

本发明实施例得到的全无机封装的倒装uv-led器件具备如下有益效果：

1.倒装uv-led芯片发出的光由蓝宝石（折射率1.78）直接进入石英玻璃（折射率1.4~1.6），器件腔体内无气体（折射率约为1）填充，可大幅度降低全反射损失，明显增加器件出光，与腔体内为空气或真空的方案对比光效提高30%~55%；

2.倒装uv-led芯片产生的热量可直接通过4个侧面及顶面散出，散热效果明显强于腔体内为空气或真空的方案，在相同电流下对比uv-led芯片结温下降8%~15%。

3.全无机封装的倒装uv-led器件的出光角可达到180°，相比于支架封装的uv-led器件出光角90°～120°，出光角大大增加，扩大了uv-led器件的应用范围，可实现广角杀菌。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。