專利名稱：用于惡劣環(huán)境的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)光二極管。具體而言，本發(fā)明涉及一種用于惡劣 環(huán)境的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管，或者LED，是在向LED的陽極和陰極端子之間施加正向 偏置時(shí)發(fā)射特定頻譜的非相干光的半導(dǎo)體器件。通過摻雜具有各種雜質(zhì)的 半導(dǎo)體材料以形成p-n結(jié)的方式來形成LED，所述p-n結(jié)在電流從該結(jié)的p 側(cè)(陽極)流向該結(jié)的n側(cè)(陰極)時(shí)發(fā)射光子。由LED發(fā)射的光的顏色 或者波長取決于形成該二極管p-n結(jié)的材料。例如，由砷化鋁鎵(AlGaAs) 構(gòu)成的LED輻射紅外線和紅光，由磷化鋁鎵(AlGaP)構(gòu)成的LED福射綠 光，由氮化鎵(GaN)構(gòu)成的LED輻射綠光和藍(lán)光，并且由氮化銦鎵(InGaN) 構(gòu)成的LED輻射近紫外、藍(lán)綠和藍(lán)光，等等。
通常，通過在n型襯底上沉積p型層來形成LED。將耦合到p型層的 陽極焊盤安裝到LED芯片的頂表面，并且將耦合到n型襯底的陰極焊盤也 安裝到LED芯片的頂表面上。LED也可以形成在諸如藍(lán)寶石(AL203)的 透明襯底上。例如，在藍(lán)寶石上GaN的LED中，首先在藍(lán)寶石襯底的上表 面上形成至少一個(gè)n型層，并且然后在該上表面上形成包括p型層的一個(gè) 或多個(gè)附加層以生成p-n結(jié)?？梢允褂迷S多公知的工藝來形成這些層，例如 以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、等離子沉積等。在該藍(lán)寶石襯底的 底表面上形成反射的金屬層以將向下發(fā)射的光反射回并且通過該上表面。
圖1示出了安裝到印刷電路板10的現(xiàn)有技術(shù)LED管芯1，即，"板上 芯片"設(shè)計(jì)。在藍(lán)寶石襯底3的頂表面上形成p-n結(jié)2，并且在藍(lán)寶石襯底3的底表面上形成反射的金屬層4。在LED管芯1的頂表面上，將引線7， 8 (分別地)鍵合到陽極和陰極焊盤5、 6，并且(分別地)鍵合到印刷電路 板10上的相應(yīng)陽極和陰極焊盤11、 12。諸如熱壓，熱超聲，超聲等的引線 鍵合是用于將引線7、 8 (分別地)附著到LED焊盤5、 ll和印刷電路板焊 盤6、 12的標(biāo)準(zhǔn)方法。金屬層4將從p-n結(jié)2向下發(fā)射的光向上反射，理想 地通過LED管芯1的頂表面。結(jié)果，盡管由p-n結(jié)2發(fā)射的一些光會(huì)漏出 藍(lán)寶石襯底3的側(cè)面，但是大多數(shù)光從LED管芯1的頂表面發(fā)射。圖2示 出了安裝到印刷電路板10的LED管芯1的正視圖，表示(分別地)鍵合 到LED焊盤5、 6的引線7、 8。
已經(jīng)在體內(nèi)的非密封傳感器中使用LED，并且在這些應(yīng)用中，印刷電 路板10通常是陶瓷(鋁)的或者陶瓷合成物，而LED襯底3通常是藍(lán)寶 石、硅或者其他類似材料。盡管對(duì)于水或者水蒸汽來說，通常是不能透過 這些材料，但是必須保護(hù)引線7和8， LED焊盤5和6以及印刷電路板焊 盤11和12不受人體惡劣環(huán)境的影響。結(jié)果，這些組件通常被裝入聚合物 材料中，不幸的是，該聚合物材料易于被水或者水蒸汽滲透。隨著時(shí)間的 過去，該不期望的水滲透不僅影響聚合物的屬性，而且也通過各種機(jī)制助 長了LED的過早失效，所述機(jī)制包括例如介電常數(shù)劣化，氧化，電短路， 形成空隙空間，襯底上金焊盤的分層等等。
圖3示出了在安裝到印刷電路板并且其電連接已經(jīng)被裝入聚合物材料 中的現(xiàn)有技術(shù)LED管芯上水滲透的影響。盡管印刷電路板10有效地阻擋 了水從底部滲透到LED管芯1的電連接中，但是如圖3所示，水會(huì)從其它 方向進(jìn)入到聚合物材料15中。為了強(qiáng)調(diào)水滲透問題，圖3中在尺寸上夸大 了聚合物材料15。
盡管己經(jīng)知道可以將LED以反向方式安裝到印刷電路板，即"倒裝芯 片"取向，但是這些現(xiàn)有技術(shù)本身不能克服當(dāng)在惡劣環(huán)境中使用LED時(shí)產(chǎn) 生的水滲透問題。然而，與板上芯片設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)相比較，由于倒裝芯片LED 從該LED的下表面發(fā)射的光，即從與印刷電路板最接近的表面發(fā)射的光， 通常被散射，即，沒有被反射回LED中而是通過該上表面發(fā)射，所以倒裝 芯片LED發(fā)射更少的光。結(jié)果，現(xiàn)有技術(shù)的倒裝芯片LED不僅不能解決水 滲透到體內(nèi)的非密封傳感器的問題，而且與標(biāo)準(zhǔn)的板上芯片設(shè)計(jì)相比發(fā)射更少的光。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，公開了被設(shè)計(jì)成經(jīng)得起惡劣環(huán)境并且包括非密
封電路封裝，殼體和包裝的半導(dǎo)體LED器件、芯片以及通常的板上芯片電 路。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體LED器件包括基本上透明的襯底，沉積在該 襯底的底表面上的半導(dǎo)體層，耦合到該半導(dǎo)體層并且形成在該襯底的底表 面上的幾個(gè)鍵合焊盤，以及形成在每一個(gè)鍵合焊盤上的用于將LED電連接 到印刷電路板的微柱?？梢栽谝r底的底表面與印刷電路板的頂表面之間設(shè) 置底部填充層，以減少發(fā)光二極管襯底下方的水滲透。在另一實(shí)施例中， 可以將漫射器安裝到發(fā)光二極管襯底的頂表面以漫射通過該頂表面發(fā)射的 光。
在另一實(shí)施例中，構(gòu)建半導(dǎo)體LED器件以用于可植入傳感器(例如葡 萄糖傳感器)，其中LED被包含在非密封的包裝中，并且該植入的傳感器 在惡劣的環(huán)境暴露中工作延長的時(shí)間段。在一個(gè)實(shí)施例中，用于確定介質(zhì) 中被分析物的存在或者濃度的基于光學(xué)的傳感器包括用作光學(xué)波導(dǎo)的光透 射的傳感器主體，其中該傳感器主體具有圍繞該傳感器主體的外表面。該 傳感器還包括傳感器主體中的輻射源，該輻射源在該傳感器主體內(nèi)發(fā)射輻 射，其中該輻射源包括基本透明的襯底，沉積在該襯底的底表面上的半導(dǎo) 體層，耦合到該半導(dǎo)體層并且形成在該襯底的底表面上的多個(gè)鍵合焊盤， 以及形成在該鍵合焊盤上并且用于將發(fā)光二極管電連接到印刷電路板的多 個(gè)微柱。該傳感器還提供具有光學(xué)特性的指示器元件，該光學(xué)特性受被分 析物的存在或者濃度的影響，其中該指示器元件位于該傳感器主體上以接 收來自輻射源的輻射并且將輻射傳送到該傳感器主體中。該傳感器還包括 位于該傳感器主體中并且被定位成接收該傳感器主體內(nèi)的輻射的光敏元 件，該光敏元件響應(yīng)于從所述指示器元件接收的輻射而發(fā)射信號(hào)。
在另一實(shí)施例中，公開了用于將發(fā)光二極管以倒裝芯片取向的方式安 裝到印刷電路板的方法，所述方法包括(1)從該發(fā)光二極管的第一表面 去除反射層；(2)在該發(fā)光二極管的第二表面上將微柱鍵合到每一個(gè)鍵合 焊盤，該第二表面與第一表面相對(duì)；(3)將該微柱鍵合到印刷電路板上的
10相應(yīng)鍵合焊盤，使得該發(fā)光二極管以倒裝芯片取向的方式安裝；以及(4)
在該發(fā)光二極管的第一表面上安裝漫射器以漫射通過該發(fā)光二極管的第一
表面發(fā)射的光。


本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)將通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明而變得更加 明顯。
圖1示出了安裝到印刷電路板的現(xiàn)有技術(shù)LED。
圖2示出了安裝到印刷電路板的現(xiàn)有技術(shù)LED的俯視圖。
圖3示出了水滲透對(duì)安裝到印刷電路板的現(xiàn)有技術(shù)LED管芯的影響， 該LED管芯的組件已經(jīng)涂覆有聚合物材料。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例水滲透對(duì)安裝到印刷電路板的倒裝芯片 LED管芯的限制影響。
圖5A和5B分別示出了未被屏蔽的現(xiàn)有技術(shù)印刷電路板和根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的被屏蔽的印刷電路板。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用熱超聲鍵合將LED管芯以倒裝芯 片取向的方式安裝到印刷電路板的工藝。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例表示包含玻璃微球和氰酸酯的混合物的 底部填充的電子顯微照片。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例通過熱超聲鍵合到印刷電路板的具有底 部填充層的倒裝芯片LED管芯。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的安裝到倒裝芯片LED的漫射器的示意圖。
圖IOA和IOB示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的處于非通電狀態(tài)和通電狀態(tài) 的具有漫射器的倒裝芯片LED的圖片。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的安裝在傳感器內(nèi)的倒裝芯片LED。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例提供了被設(shè)計(jì)成受得住惡劣環(huán)境、位于非密封或者近 似密封的電路封裝，殼體和包裝內(nèi)的半導(dǎo)體LED器件，芯片和板上芯片電路，以及將由該LED發(fā)射的光有利地漫射出以激發(fā)最大數(shù)量的傳感器指示 器分子的漫射器。
本發(fā)明所預(yù)期的惡劣環(huán)境包括各種充滿濕氣或者吸濕的環(huán)境，例如以 諸如水下或者海下傳感器的浸沒應(yīng)用，諸如葡萄糖傳感器的植入醫(yī)療應(yīng)用， 經(jīng)歷濕度和雨水的極端情況的戶外應(yīng)用等等為例。該LED器件可以在這些 惡劣環(huán)境中連續(xù)地和間歇地暴露至水或者水蒸汽。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供一種被鍵合到印刷電路板襯底的倒裝芯片 LED管芯，位于該倒裝芯片LED管芯和印刷電路板襯底之間的底部填充層 以防止水滲透并且增強(qiáng)光反射。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種利 用漫射器以增強(qiáng)光分布的倒裝芯片LED。該倒裝芯片取向有利地增加了 LED的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式并且將該大多數(shù)LED管芯定位在位于該LED管芯和 該印刷電路板之間的鍵合點(diǎn)上方，這在很大程度上保護(hù)了這些電氣連接不 受惡劣環(huán)境的影響。如上所述，可以在用于檢測(cè)人體內(nèi)諸如葡萄糖的各種 感興趣的被分析物的可植入傳感器內(nèi)采用該優(yōu)選實(shí)施例。在該實(shí)施例中， 倒裝芯片LED被包含在非密封的或者近似密封的包裝中并且在惡劣環(huán)境， 即人體內(nèi)工作延長的時(shí)間段。使用多種技術(shù)中的任意一種將該倒裝芯片鍵 合到印刷電路板襯底，例如熱超聲鍵合，熱壓鍵合，超聲鍵合，焊接等等。 例如，如現(xiàn)有技術(shù)所述，由于使用超聲波能量將金焊接到金，熱超聲鍵合 對(duì)于焊料的醫(yī)療應(yīng)用提供了重要的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，金具有生物惰性。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例安裝到印刷電路板20的倒裝芯片LED 管芯30。倒裝芯片LED管芯30包括形成在藍(lán)寶石襯底33上的p-n結(jié)32， 耦合到p-n結(jié)32的金陽極和陰極焊盤5、 6，熱超聲(分別地)鍵合到LED 焊盤5、 6和金印刷電路板焊盤21、 22的金微柱27、 28。圖4還示出了水 滲透對(duì)安裝到印刷電路板20的倒裝芯片LED管芯30的限制影響。不僅印 刷電路板20阻擋了水從底部滲透到該熱超聲鍵合的連接，而且LED襯底 33本身也阻擋了水滲透到這些連接。
由于水的滲透性取決于擴(kuò)散材料的表面區(qū)域，因此如圖4所示，僅有 窄且暴露的可擴(kuò)散表面區(qū)域16呈現(xiàn)給惡劣環(huán)境。在一個(gè)實(shí)施例中，LED襯 底33和印刷電路板20之間的間隙高度優(yōu)選為大約20-60toi,更優(yōu)選為大約 30-50tai，并且最優(yōu)選為大約40toi。在一個(gè)實(shí)施例中，倒裝芯片LED 30的可擴(kuò)散表面區(qū)域16優(yōu)選為大約0.01mn^到大約1 mn^，更優(yōu)選為大約0.02 mr^到大約0.09mm2，并且最優(yōu)選為0.05 mm2。間隙高度與管芯外周的乘 積為該可擴(kuò)散表面區(qū)域，其明顯小于圖3中示出的現(xiàn)有技術(shù)LED管芯1的 表面區(qū)域(例如小103倍)。
通常，設(shè)計(jì)印刷電路板20以最小化地暴露金屬導(dǎo)體跡線，并且優(yōu)選地 僅暴露位于安裝到襯底上的部件正下方的接觸區(qū)域，g卩，倒裝芯片LED， 支撐芯片，無源電路元件等等。在一個(gè)實(shí)施例中，僅暴露臨界鍍金屬，例 如以高阻抗跡線、焊盤、電路布線等為例。這通過精心地布局以及所有金 屬導(dǎo)體的屏蔽以僅暴露完全需要電連接基本部件的金屬來實(shí)現(xiàn)。有利的是， 暴露的金屬將基本由安裝在該印刷電路板襯底表面上的部件覆蓋。圖5A示 出了未被屏蔽的具有焊盤17的現(xiàn)有技術(shù)印刷電路板10。圖5B示出了根據(jù) 本發(fā)明實(shí)施例的被屏蔽的具有焊盤23的印刷電路板20。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于使用熱超聲鍵合將商用LED管芯 以倒裝芯片取向的方式安裝到印刷電路板的工藝。在一個(gè)實(shí)施例中，商用 LED管芯1包括p-n結(jié)2，藍(lán)寶石襯底3，金屬層4和焊盤5、 6，例如以 Nichia377nmLED管芯，F(xiàn)ox 360 nm LED管芯等為例。在優(yōu)選實(shí)施例中， LED的管芯尺寸為大約3I0Pm到32(^m,而在其它實(shí)施例中，該管芯尺寸 可以更大或者更小。焊盤5、 6優(yōu)選地分隔開大約5mm。在步驟l中，使用 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的適當(dāng)方法從LED襯底3上去除底部金屬層4， 例如以包括硫酸和過氧化氫混合物(即，食人魚浴)的酸蝕刻和基本蝕刻 等為例。在步驟2中，例如通過熱超聲鍵合將金微柱27、 28 (分別地)焊 接到焊盤5、 6。視圖A代表鍵合到焊盤5、 6之后微柱的圖片。在步驟3 中，將LED管芯1反向以變?yōu)榈寡b芯片LED管芯30，并且將金微柱27、 28通過熱超聲鍵合到印刷電路板20上的金焊盤21、 22。
在現(xiàn)有技術(shù)的倒裝芯片應(yīng)用中，可以在倒裝芯片和印刷電路板之間提 供底部填充材料。該底部填充材料的目的是補(bǔ)償?shù)寡b芯片與印刷電路板之 間的熱膨脹不匹配，并且加強(qiáng)焊接的倒裝芯片到印刷電路板的粘附。與上 述的現(xiàn)有技術(shù)聚合物涂覆材料類似，水或者水蒸汽滲透到該底部填充材料 中并且改變?cè)摰撞刻畛洳牧系慕殡姵?shù)，這會(huì)使現(xiàn)有技術(shù)的倒裝芯片產(chǎn)生 過早失效。典型的商用底部填充材料允許實(shí)質(zhì)的水蒸汽擴(kuò)散，并且結(jié)果是不可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基本上不能滲透水蒸汽擴(kuò)散的底部填充材 料，并且因此適合于在惡劣環(huán)境中使用。換句話說，本發(fā)明提供一種具有 極度降低的和最小的滲透性的底部填充材料。通常，該底部填充材料是聚
合物，例如以氰酸酯，Epo-Tek 301-2等為例，其中添加有例如以固體或者 氣體填充的玻璃微球，玻璃或者乳膠微滴，白色鋁陶瓷，鈦(IV)氧化物 等為例的填充物。通常，填充物的重量占該合成物的總重量的百分比為大 約5%到大約70%w/w，并且聚合物的重量占該合成物的總重量的百分比為 大約95^到大約30。^w/w。在優(yōu)選實(shí)施例中，填充物為大約30^w/w并且 聚合物為大約70^w/w。
在實(shí)施例中，底部填充材料是通過向具有很低介電常數(shù)和很低的固有 水蒸氣擴(kuò)散屬性的聚合物，例如氰酸酯添加玻璃微球形成的合成泡沫。在 該實(shí)施例中，如下所述，固體玻璃或者陶瓷微球很好地工作以抵抗蒸汽浸 注并且提供電介質(zhì)優(yōu)化。微球可以具有任何適當(dāng)?shù)某叽?。例如，微球在?面上可以小到大約2Pm并且大到大約llPm。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用粘
結(jié)促進(jìn)劑來改善合成泡沫的有機(jī)和無機(jī)成分的粘結(jié)。 在優(yōu)選實(shí)施例中，使用硅垸來促進(jìn)玻璃微球與氫酸酯之間的粘結(jié)。在 該實(shí)施例中，將由95%的乙醇與5X的水構(gòu)成的溶液調(diào)整到pH值大約為5， 并且添加大致2%體積-到-體積(v/v)的縮水甘油丙基三甲氧基硅烷(GPS)。 將微球添加到包含該溶液的破碎機(jī)中并且攪拌(例如，攪動(dòng))，通過真空過 濾將其從該溶液中分離，在大約110。C下干燥大約1小時(shí)，并且然后將其連 同少量而且額外量的GPS以及可選的少量著色劑一起添加到氰酸酯中。也 可以使用其它的硅垸基粘結(jié)促進(jìn)劑、非硅烷基粘結(jié)促進(jìn)劑、橋接試劑等。
通常，將電介質(zhì)定義為位于兩個(gè)導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)，即，電絕緣材 料。將材料的介電常數(shù)定義為該材料的電容率與自由空間的電容率之間的 比值，并且好的絕緣體具有低于5的介電常數(shù)。例如，空氣的介電常數(shù)是1， 固體聚丙烯是2.18， FR-4 (通用的電路板合成物)是4.5，水是80，氰酸酯 是2.7，冰是3.2，石蠟是2，并且玻璃是3.8。材料混合物的介電常數(shù)是成 分的介電常數(shù)的簡(jiǎn)單加權(quán)平均。例如，按照上面列出的數(shù)值，由冰、水和 空氣構(gòu)成的雪的介電常數(shù)可以表示為(％空氣)X (1) + (%水)X (80)+ (%冰)X (3.2)。盡管空氣和冰都具有低于5的很好的絕緣值，但是很 明顯，水的相對(duì)百分比最影響雪的最終絕緣特性。
在優(yōu)選的高阻抗實(shí)施例中，底部填充層由介電常數(shù)為2.7的氰酸酯，介 電常數(shù)為3.8的玻璃以及介電常數(shù)為1的空氣制成，上述介電常數(shù)均小于5。 鈦氧化物可以包括在該底部填充層中以在不需要高阻抗保護(hù)的情況下使光 學(xué)反射率最大化。當(dāng)水蒸汽在正常擴(kuò)散下進(jìn)入該底部填充層時(shí)，將影響該 底部填充層的介電常數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)氣體微球是直徑為大約 11 tai并且壁厚度為大約1 tai的填充有空氣的球體。當(dāng)氰酸酯填充有微球(例 如，大約30%)時(shí)，這些玻璃球體降低了可滲透水蒸氣的體積，這在玻璃 球體是固體時(shí)當(dāng)然也是相同的。微球內(nèi)的空氣保持干燥并且穩(wěn)定，具有很 低的介電值(即，1)。因而，極大地降低了可滲透水蒸氣的底部填充層的 部分，即，只是氰酸酯材料，而不是微球。底部填充層的介電常數(shù)可以表 示為(％空氣)X (1) + (%氰酸酯)X (2.7) + (%玻璃)X (3.8)。
在該實(shí)施例中，僅氰酸酯部分由于水蒸氣侵蝕而易于變化。玻璃以及 密封在該玻璃內(nèi)的空氣不受水蒸氣的影響。如上所述，氰酸酯還具有很低 的水蒸氣滲透系數(shù)。當(dāng)水侵蝕時(shí)，氰酸酯的有效值增加一些；然而，通過 高的，干燥的并且穩(wěn)定的空氣分量，極大地抵消了該增加，并且該合成物 在水蒸氣的最大飽和處被維持為低于5，因而保持很好的絕緣特性。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包含玻璃微球和氰酸酯的底部填充的 電子顯微照片。在該實(shí)施例中，玻璃微球填充有空氣，具有大約lltoi的直 徑并且大約的壁厚度，并且如上所述，使用硅垸進(jìn)行了預(yù)處理以改善 與氰酸酯的粘結(jié)。該實(shí)施例的重量百分比是大約30%w/w微球，67%w/w 氰酸酯，2%w/w GPS以及1 %w/w黑色著色劑。
在另一實(shí)施例中，通過向諸如Epo-Tek301-2的光學(xué)環(huán)氧樹脂中添加諸 如鈦(IV)氧化物、玻璃微滴等光散射濾光器來形成該底部填充層。在該 實(shí)施例中，光散射濾光器有利地增加了底部填充層的反射率。也可以使用 粘結(jié)促進(jìn)劑。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通過熱超聲鍵合到印刷電路板的具有 底部填充層的倒裝芯片LED管芯。底部填充層40基本防止了水或者水蒸 氣滲透到LED微柱27、 28和焊盤5、 6以及印刷電路板焊盤21、 22。底部
15填充層40可以與倒裝芯片安裝取向結(jié)合以防止水對(duì)于安裝在印刷電路板20 上的其它電路部件的侵蝕，該其它電路部件例如是微電子管芯、公共集成 電路、ASIC等。這里描述的葡萄糖傳感器的各種組件就可以以這種方式安 裝。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的安裝到倒裝芯片LED的漫射器的示意 圖。倒裝芯片LED管芯30熱超聲鍵合到印刷電路板20，并且具有底部填 充層40以及安裝到上表面的漫射器50。在一個(gè)實(shí)施例中，以拱形或者半球 形設(shè)計(jì)漫射器50的形狀以在更寬的區(qū)域上分配通過倒裝芯片LED管芯30 的上表面發(fā)射的光，并且通常，該漫射器由例如以Epo-Tek 301-2為例的聚 合物制成。在其它實(shí)施例中，漫射器50也可以具有改善光分布的其它形狀。 此外，諸如玻璃微球，鈦(IV)氧化物等的光散射濾光器可以結(jié)合到漫射 器50中以改善光分布，這與上述的底部填充層類似。圖10A和10B示出了 在非通電狀態(tài)(圖10A)和通電狀態(tài)(圖10B)情況下具有漫射器的倒裝芯 片LED的圖片。本發(fā)明的漫射器基本增加了來自LED管芯的光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射 模式，并且導(dǎo)致光的更加對(duì)稱的分布。該漫射器可以通過使用吸液管等向 倒裝芯片LED 30的上表面?zhèn)鬟f預(yù)定量的聚合物/填充物混合物而在倒裝芯 片LED30上直接形成，或者可選地，可以將預(yù)形成的漫射器粘附到倒裝芯 片LED 30的上表面。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的安裝在傳感器內(nèi)的倒裝芯片LED。在 該實(shí)施例中，傳感器60是在患者內(nèi)部體內(nèi)監(jiān)視感興趣的被分析物(例如以 葡萄糖為例)的傳感器。根據(jù)上述技術(shù)，將倒裝芯片LED管芯30安裝到 印刷電路板襯底62的頂表面上。優(yōu)選地根據(jù)上述技術(shù)，將光檢測(cè)器64和 支撐電子器件66也安裝在印刷電路板20上。該印刷電路板62由非密封的 殼體68包圍，在該殼體的外側(cè)表面的一些或者全部上連接有熒光指示器分 子70。倒裝芯片LED管芯30以特定的波長照亮指示器分子70，該指示器 分子70基于患者體內(nèi)特定被分析物(例如，葡萄糖)的濃度而以不同的波 長發(fā)出熒光。通過光檢測(cè)器64測(cè)量由熒光指示器分子70發(fā)射的熒光，并 且然后通過位于患者體外的接收器檢測(cè)信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)可以得出 許多不同的傳感器架構(gòu)，包括例如US專利No.6,330,464 (Colvin等人)， 在此引入其全部內(nèi)容作為參考。在該實(shí)施例中，具有漫射器的LED管芯被配置成具有更加對(duì)稱的光分布，這激發(fā)了位于傳感器表面上的更多指示器 分子。
在各種實(shí)施例中，本發(fā)明使得襯底印刷電路，集成芯片電路并且尤其
是LED管芯能夠經(jīng)得住惡劣環(huán)境和使用非密封或者接近密封的聚合物包裝 的浸沒應(yīng)用。本發(fā)明還能夠使用非密封的電路包裝，該電路包裝通常被更 加經(jīng)濟(jì)地制造，能夠被更大程度地小型化并且能夠更加適合醫(yī)療植入應(yīng)用。 本發(fā)明的各種實(shí)施例還不需要如在現(xiàn)有技術(shù)的倒裝芯片應(yīng)用中描述的焊料 和焊劑的倒裝芯片安裝使用。例如，本發(fā)明的實(shí)施例使用金焊接的微柱代 替焊料和焊劑，這對(duì)于醫(yī)療用途很重要，從而不會(huì)濾去諸如鉛的焊料成分。 由于使用焊料塊的焊劑殘留以及從襯底及芯片下方充分清洗焊劑殘留的難 度或者不可能性，這對(duì)于改善惡劣環(huán)境中的電子器件可靠性也是有利的。
本發(fā)明的各種實(shí)施例還提供了使用芯片主體本身作為濕氣擴(kuò)散屏障的 板級(jí)鍍金屬的本質(zhì)保護(hù)，并且將暴露的聚合物化合物底部填充最小化到 20-70微米X芯片周圍的可擴(kuò)散區(qū)域。這產(chǎn)生了暴露的和易受來自器件外側(cè) 的水蒸氣擴(kuò)散的聚合物區(qū)域的100和1000幾何倍數(shù)的降低。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，當(dāng)水以其它方式使底部填充分層時(shí)，在底部填 充之前對(duì)任何倒裝芯片管芯和/或具有粘結(jié)促進(jìn)劑的電路板的預(yù)處理增加了 無機(jī)/有機(jī)界面的鍵合強(qiáng)度，在惡劣環(huán)境下尤其如此。
在其它實(shí)施例中，構(gòu)建在LED管芯上的漫射器允許在可植入傳感器結(jié) 構(gòu)內(nèi)的激發(fā)光的更好分布以激發(fā)更多的指示器分子并且向傳感器提供更高 的信噪比。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)包括改善的電子器件可靠性。在本發(fā)明的一方面的 實(shí)施例中，這通過使用金鍍金屬和熱超聲焊接實(shí)現(xiàn)，這提供了更好的生物 兼容性，不會(huì)隨著時(shí)間過去而傾向于金屬氧化，并且沒有使用焊料那樣的 有毒金屬。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，設(shè)計(jì)用于倒裝芯片LED管芯的底部填充 合成物材料以提供最大的反射率，優(yōu)化光量并且最小化水蒸氣侵蝕。還設(shè) 計(jì)該底部填充合成物材料應(yīng)用在惡劣環(huán)境中，以最小化水蒸氣侵蝕并且維 持優(yōu)選的介電值。
在本發(fā)明的再一方面中，公開了用于設(shè)計(jì)在惡劣環(huán)境中使用的電路或
17者微電路"板上芯片"襯底的方法以及用于組裝在惡劣環(huán)境中使用的電路
的工藝。而且，提供了用于對(duì)來自LED的"紅尾"(redtail)發(fā)射以及更高 質(zhì)量帶寬發(fā)射進(jìn)行濾光的低通濾光器。
盡管己經(jīng)結(jié)合了具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是很明顯，本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員可以做出許多替代，修改和變型。因此，這里所闡述的本發(fā)明 優(yōu)選實(shí)施例只是示例性的，而非限制性的?？梢栽诓黄x這里所述的本發(fā) 明的精神和范圍的情況下做出各種修改。
權(quán)利要求
1、一種用于惡劣環(huán)境的發(fā)光二極管，包括基本透明的襯底；沉積在所述襯底的底表面上的半導(dǎo)體層；耦合到所述半導(dǎo)體層并且形成在所述襯底的所述底表面上的多個(gè)鍵合焊盤；以及形成在所述鍵合焊盤上并且用于將所述發(fā)光二極管電連接到印刷電路板的多個(gè)微柱。
2、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中，所述襯底是藍(lán)寶石。
3、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括至少一 個(gè)p-n結(jié)。
4、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)鍵合焊盤以及所 述多個(gè)微柱是金。
5、 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，其中，所述多個(gè)微柱鍵合到所述 多個(gè)鍵合焊盤并且鍵合到所述印刷電路板上的相應(yīng)多個(gè)金鍵合焊盤，其中 一個(gè)微柱對(duì)應(yīng)于每一個(gè)鍵合焊盤對(duì)。
6、 如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管，其中，使用熱壓鍵合、熱超聲鍵 合、超聲鍵合或者焊接將所述微柱鍵合到所述鍵合焊盤。
7、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，還包括安裝到所述襯底的頂表面 的漫射器，所述漫射器用于漫射通過所述襯底的所述頂表面發(fā)射的光。
8、 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，還包括設(shè)置在所述襯底的所述底 表面與所述印刷電路板的頂表面之間并且包括聚合物和填充物的底部填充層，所述底部填充層用于降低所述襯底下面的水滲透。
9、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中，所述填充物包括多個(gè)微球 并且所述聚合物是氰酸酯。
10、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中，所述填充物是光散射填 充物并且所述聚合物是光學(xué)環(huán)氧樹脂。
11、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中，所述底部填充層是大約 70%重量的聚合物和大約30%重量的填充物。
12、 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其中，每一個(gè)微球具有大約2toi 到大約imm的直徑。
13、 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其中，每一個(gè)微球是具有大約 11Pm直徑和大約ltoi壁厚度的填充有氣體的球體。
14、 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，其中，所述漫射器包括用于增 加光反射率的鈦(IV)氧化物。
15、 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，其中，所述漫射器包括用于增 加光反射率的微球。
16、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中，所述光散射填充物是鈦 (IV)氧化物并且所述光學(xué)環(huán)氧樹脂是Epo-Tek301-2。
17、 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管，其中，使用粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理 所述微球。
18、 如權(quán)利要求17所述的發(fā)光二極管，其中，所述粘結(jié)促進(jìn)劑是硅垸。
19、 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，其中，所述漫射器是基本透明 的、半球形的漫射器。
20、 一種用于惡劣環(huán)境的半導(dǎo)體器件，包括 具有頂表面的印刷電路板，所述頂表面具有多個(gè)金鍵合焊盤；發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管包括 基本透明的襯底，沉積在所述襯底的底表面上的半導(dǎo)體層，耦合到所述半導(dǎo)體層并且形成在所述襯底的所述底表面上的多個(gè) 金鍵合焊盤，以及形成在所述鍵合焊盤上并且鍵合到所述印刷電路板的所述金鍵合 焊盤的多個(gè)金微柱；設(shè)置在所述襯底的所述底表面與所述印刷電路板的所述頂表面之間并 且包括聚合物和填充物的底部填充層，所述底部填充層用于降低所述發(fā)光二極管襯底下面的水滲透；以及安裝到所述襯底的頂表面并且是基本透明的、半球形的漫射器，所述 漫射器用于漫射通過所述襯底的所述頂表面發(fā)射的光。
21、 如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述填充物包括多個(gè)填 充有氣體的玻璃微球并且所述聚合物是氰酸酯。
22、 如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述底部填充層是大約 70%重量的環(huán)氧樹脂和大約30%重量的填充物。
23、 如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體器件，其中，每一個(gè)微球具有大約2Pm 到大約的直徑以及大約的壁厚度。
24、 如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述填充物是光散射填 充物并且所述聚合物是光學(xué)環(huán)氧樹脂。
25、 如權(quán)利要求24所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述光散射填充物是鈦 (IV)氧化物并且所述光學(xué)環(huán)氧樹脂是Epo-Tek301-2。
26、 如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，其中，使用熱壓鍵合、熱超聲 鍵合、超聲鍵合或者焊接將所述微柱鍵合到所述鍵合焊盤。
27、 如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體器件，其中，使用粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理 所述微球。
28、 如權(quán)利要求27所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述粘結(jié)促進(jìn)劑是硅垸。
29、 一種用于確定介質(zhì)中被分析物的存在或者濃度的基于光學(xué)的傳感 器，所述傳感器包括用作光學(xué)波導(dǎo)的光學(xué)透射的傳感器主體，所述傳感器主體具有圍繞所 述傳感器主體的外表面；所述傳感器主體中的輻射源，所述輻射源在所述傳感器主體內(nèi)發(fā)射輻 射，所述輻射源包括基本透明的襯底，沉積在所述襯底的底表面上的半導(dǎo)體層，耦合到所述半導(dǎo)體層并且形成在所述襯底的所述底表面上的多個(gè) 鍵合焊盤，以及形成在所述鍵合焊盤上并且用于將所述發(fā)光二極管電連接到印刷 電路板的多個(gè)微柱；具有受所述被分析物的存在或者濃度影響的光學(xué)特性的指示器元件， 所述指示器元件位于所述傳感器主體上以接收來自所述輻射源的輻射并且 將輻射傳輸?shù)剿鰝鞲衅髦黧w中；以及位于所述傳感器主體中并且被定位成接收所述傳感器主體內(nèi)的輻射的 光敏元件，所述光敏元件響應(yīng)于從所述指示器元件接收的輻射而發(fā)射信號(hào)。
30、 如權(quán)利要求29所述的傳感器，還包括設(shè)置在所述襯底的所述底表 面與所述印刷電路板的頂表面之間并且包括聚合物和填充物的底部填充 層，所述底部填充層用于降低所述襯底下面的水滲透。
31、 如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中，所述填充物包括多個(gè)微球并 且所述聚合物是氰酸酯。
32、 如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中，所述填充物是光散射填充物 并且所述聚合物是光學(xué)環(huán)氧樹脂。
33、 如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中，所述底部填充層是大約70 %重量的聚合物和大約30%重量的填充物。
34、 如權(quán)利要求31所述的傳感器，其中，每一個(gè)微球具有大約2Pm到 大約的直徑。
35、 如權(quán)利要求31所述的傳感器，其中，每一個(gè)微球是具有大約lWm 直徑和大約Wm壁厚度的填充有氣體的球體。
36、 如權(quán)利要求29所述的傳感器，還包括安裝到所述輻射源襯底的頂 表面的基本透明的、半球形的漫射器，所述漫射器用于漫射通過所述輻射 源襯底的所述頂表面發(fā)射的光。
37、 如權(quán)利要求36所述的傳感器，其中，所述漫射器包括用于增加光 反射率的鈦氧化物。
38、 如權(quán)利要求36所述的傳感器，其中，所述漫射器包括用于增加光 反射率的微球。
39、 如權(quán)利要求31所述的傳感器，其中，所述光散射填充物是鈦(IV)氧化物并且所述光學(xué)環(huán)氧樹脂是Epo-Tek 301-2。
40、 如權(quán)利要求30所述的傳感器，其中，使用粘結(jié)促進(jìn)劑預(yù)處理所述 微球。
41、 如權(quán)利要求40所述的傳感器，其中，所述粘結(jié)促進(jìn)劑是硅垸。
42、 一種用于將發(fā)光二極管以倒裝芯片取向的方式安裝到印刷電路板 的方法，包括從所述發(fā)光二極管的第一表面去除反射層；在所述發(fā)光二極管的第二表面上將微柱鍵合到每一個(gè)鍵合焊盤，所述 第二表面與所述第一表面相對(duì)；將所述微柱鍵合到所述印刷電路板上的相應(yīng)鍵合焊盤，以便以倒裝芯 片取向的方式安裝所述發(fā)光二極管；以及在所述發(fā)光二極管的所述第一表面上安裝漫射器，以漫射通過所述發(fā) 光二極管的所述第一表面發(fā)射的光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于惡劣環(huán)境的發(fā)光二極管(30)，其包括基本透明的襯底(33)；沉積在所述襯底(33)的底表面上的半導(dǎo)體層；耦合到所述半導(dǎo)體層并且形成在所述襯底(33)的所述底表面上的多個(gè)鍵合焊盤(5，6)；以及形成在所述鍵合焊盤(5，6)上并且用于將所述發(fā)光二極管(30)電連接到印刷電路板(20)的多個(gè)微柱(27，28)?？梢栽谒鲆r底(33)的所述底表面與所述印刷電路板(20)的頂表面之間設(shè)置底部填充層(40)，以降低所述發(fā)光二極管襯底(33)下面的水滲透。此外，可以將漫射器(50)安裝到所述發(fā)光二極管襯底(33)的頂表面以漫射通過所述頂表面發(fā)射的光。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101657911SQ200880011958
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者A·E·科爾文, A·德昂尼斯, J·D·科爾文, J·L·克爾斯馬諾維奇 申請(qǐng)人:醫(yī)藥及科學(xué)傳感器公司