CN100536130C - 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法 - Google Patents

高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100536130C
CN100536130C CN 200710046995 CN200710046995A CN100536130C CN 100536130 C CN100536130 C CN 100536130C CN 200710046995 CN200710046995 CN 200710046995 CN 200710046995 A CN200710046995 A CN 200710046995A CN 100536130 C CN100536130 C CN 100536130C
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
chip
white light
heat radiation
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 200710046995
Other languages
English (en)
Other versions
CN101188224A (zh
Inventor
张建华
殷录桥
马可军
陈明法
李佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East Chinamicroelectronics Technology Institute
SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
SHANGHAI RESEARCH CENTER OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR SOLID-STATE LIGHTING
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
East Chinamicroelectronics Technology Institute
SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
SHANGHAI RESEARCH CENTER OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR SOLID-STATE LIGHTING
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East Chinamicroelectronics Technology Institute, SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd, SHANGHAI RESEARCH CENTER OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR SOLID-STATE LIGHTING, University of Shanghai for Science and Technology filed Critical East Chinamicroelectronics Technology Institute
Priority to CN 200710046995 priority Critical patent/CN100536130C/zh
Publication of CN101188224A publication Critical patent/CN101188224A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100536130C publication Critical patent/CN100536130C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched

Abstract

本发明涉及了一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法。本发明采用多颗大功率发光二极管LED芯片集成在氮化铝AlN和低温共烧陶瓷LTCC叠层基板上,从衬底、粘结层和基板三个层次上提高大功率发光二极管LED芯片的散热能力。其制备方法包括如下工艺步骤:按设计确定发光二极管LED芯片颗数、烧制叠层基板和电极层、通过共晶工艺将大功率发光二极管LED芯片键合到氮化铝AlN层、线键合和硅胶灌封。本模块散热性能好,提高了多芯片集成大功率发光二极管的光效及可靠性,可应用于照明领域。

Description

高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块 及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种釆用陶瓷叠层基板封装的多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其 制备方法,该发明可以提高大功率LED的散热性能,提高大功率LED的亮度及可靠性,推
动LED进入普通照明领域。 背景技术
大功率白光LED的实现方法主要有两种, 一是直接封装大功率LED芯片;二是通过封 装多个小功率芯片组合成大功率。封装单颗大尺寸LED芯片,首先制作大尺寸(大于lmm Xlmm)的LED芯片技术有难度,其次,单颗大功率LED热源集中,散热问题更加难以解 决,而且出光面积小导致出光效率低;多芯片集成型白光LED有独特的优势:通过不同的 串并联组合,可以实现各种不同的额定电压和电流,更好地适应驱动器设计,提高整体发 光效能,降低成本;单位面积的芯片数可多可少,可以封装成各种不同的点和面光源。如 果采用传统小功率LED芯片(额定电流20mA)会使器件体积偏大、多点发光,二次光学设 计的难度加大,而且会由于引线过多遮挡出光量使出光效率下降,因此芯片的面积是封装 大功率LED要考虑的一个因素。
目前LED芯片和封装水平、发光效率虽然比白炽灯高,但和荧光灯相比,并不占优势, 价格高出很多。寿命方面,大功率白光LED目前寿命只有几千小时,与理论值几万小时相 差较多。造成这些问题的主要原因就是制约大功率LED发展的瓶颈——散热没有解决好。 为提高LED的亮度,传统解决方法就是单纯的增加输入功率或者通过增加LED的集成量, 当LED芯片输入功率达到极限时,继续增加功率的输入,不仅不会提高亮度,反而会因为 热量的增加引起光子复合效率低甚至波长红移,导致发光均匀性差、光色不一致;而通过 增加LED的集成量会使器件体积进一步变大,而且热源过于集中,也会引起结温升高,导 致发光效率及可靠性的降低,综合考虑功率与尺寸对大功率LED出光效率及散热的影响。
LED的P-N结作为热源,产生的热量依此经过LED衬底、粘结层、基板,然后通过热 沉散到周围环境,衬底、粘结层以及基板都是造成散热瓶颈的层次;蓝宝石衬底如果不采 用倒装,热导率只有38W/mK;传统LED芯片与基板的粘结都是釆用银浆,但银浆热导率仅 仅20WAiK;目前采用最多的铝基板虽然热导率较高,但是芯片粘结层与基板之间还有一层氧化铝层,热导率只有8W/mK左右,而且其热膨胀系数较大,这些都是造成大功率LED散 热瓶颈的原因。本专利从这三个层次分别加以改善,降低大功率LED的热阻,提高其可靠 性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷,提供一种散热多芯片集成大功率白光发 光二极管模块及其制备方法,提高了大功率LED的光效及可靠性。
为达到上述目的,本发明的构思是:针对当前大功率LED存在的缺陷:低热导率蓝宝 石衬底、低热导率的银浆粘结层以及热膨胀系数与LED芯片不匹配以及热导率过低的氧化 层;采用热导率高的SiC衬底的芯片或者釆用蓝宝石衬底剥离后的芯片、采用金锡共晶焊 代替银浆、采用热膨胀系数与LED芯片匹配的A1N与LTCC陶瓷叠层基板,通过封装大功 率LED芯片来集成大功率的白光LED可以解决散热问题的同时,减小器件体积,提高大功 率LED的出光效率以及可靠性。
本发明采用金锡共晶焊实现若干串并联的大功率(如SiC热导率是蓝宝石衬底热导率 的10倍左右)LED芯片与A1N与LTCC叠层陶瓷基板的贴合。金锡合金的热导率为57W/mK,
相比银浆粘结层,热导率可以提高2 — 3倍;A1N热膨胀系数为4.4X10-V'C,与SiC衬
底的4.3X10-V"C非常匹配,从衬底、粘结层、基板三个层次上来提高大功率LED的散 热能力。
本发明的散热性能多芯片集成大功率白光LED模块,包括串并联电路设计、A1N与LTCC 陶瓷叠层基板的结构设计以及金锡无空洞共晶工艺。
上述散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中的芯片采用串并联组合。
上述散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中复杂的电路都内置在易于成型的LTCC 层中,然后将LTCC层与A1N层叠层。
上述散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中A1N与大功率LED芯片采用金锡无空 洞共晶技术实现。
根据上述的发明构思,本发明采用下述技术方案-
一种散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,包括多个发光二极管LED芯片、基 板、电极层及引线,其特征在于:
所述的发光二极管LED芯片为大功率发光二极管LED芯片,如lmmX l画的SiC衬底芯 片或者lmmX lnim的激光剥离蓝宝石衬底的芯片等;
5所述的基板叠层基板:上层为低温共烧陶瓷LTCC层,下层为氮化铝A1N层; 所述的电极层内置在低温共烧陶瓷LTCC中;
所述的氮化铝层有表面金属层,通过共晶粘结层与发光二极管LED芯片键合。 上述LED芯片为大功率发光二极管芯片;
上述的多颗发光二极管LED芯片和电极层通过引线与氮化铝A1N表面金属层连接,实 现串并联;
上述的氮化铝A1N层与低温共烧陶瓷LTCC层通过银Ag或者耐高温胶烧结叠层,低温 共烧陶瓷LTCC层形成一个空腔,在该空腔中实现氮化铝A1N层上装贴发光二极管LED芯 片。
一种散热多芯片集成大功率白光LED模块的制备方法,其特征在于工艺步骤如下-
1) 按设计的串并联电路及总功率确定所需大功率SiC衬底发光二极管芯片或者激光剥 离蓝宝石衬底发光二极管芯片的颗数;
2) 根据设计的结构形状,高温共烧氮化铝A1N层,并在氮化铝AIN层上制作相应的表 面金属层;
3) 在低温共烧共烧陶瓷LTCC层上冲出相应的空腔,然后通过丝网印刷工艺制作相应 的串并联电路,最后将多层LTCC以及印刷的电极层低温共烧在一起;
4) 氮化铝A1N层与低温共烧陶瓷LTCC层共烧叠层制作:通过金属银Ag或者耐高温胶 将两层烧结在一起;
5) 通过金锡无空洞共晶工艺将发光二极管LED芯片键合到氮化铝A1N层的表面金属 层;
6) 引线键合;
7) 荧光粉涂抹以及硅胶灌封。
上述步骤1 )中的发光二极管LED芯片大功率LED芯片; 上述步骤2)中电极材料为钯银或者金Au; 上述步骤5)中共晶工艺中焊料为80Au20Sn或者锡Sn片; 上述步骤6)中键合引线材料为金Au; 附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的俯视结构示意图。 图3截面图。
6图4基板局部放大图 具体实施方式
现将参照附图充分地描述本发明。
参见图1、图2、图3、图4,本散热性能多芯片集成大功率白光发光二极管模块包含 有发光二极管芯片5、氮化铝A1N层1、低温共烧陶瓷LTCC层2、电极层3、 A1N表面金属 层4、共晶粘结层6、引线7以及氮化铝背部导热焊料层8;其中电极材料为钯银或者金, 氮化铝层背面有焊料层。
本散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块的制备工艺如下-
首先在1600 — 1900。C高温下将氮化铝A1N生瓷片烧好,在800—900'C下将氧化铝
LTCC生瓷片烧结好,然后再通过丝网印刷工艺印刷钯银电极浆层,再通过低温共烧将多层 LTCC烧结在一起后再将A1N层与LTCC层叠层,考虑到Au线键合的需要,钯银电极层厚度
要大于10/^,根据实际功率改变电极宽度来满足电流的要求;完成基板以及内置电路层 的制备。
然后通过金锡共晶工艺将LED芯片键合到A1N基板上; 最后通过金线键合,并涂抹荧光粉以及硅胶灌封完成器件制备。

Claims (9)

1、一种散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,包括多个发光二极管芯片(5)、基板、电极层(3)及引线(7),其特征在于: 1)所述的发光二极管芯片(5)为大功率发光二极管芯片,由P电极、N电极和SiC衬底或者激光剥离蓝宝石衬底芯片构成; 2)所述的基板为叠层基板:上层为低温共烧陶瓷层(2),下层为氮化铝层(1); 3)所述的电极层(3)内置在低温共烧陶瓷层(2)中; 4)所述的氮化铝层(1)有表面金属层(4),通过共晶粘结层(6)与发光二极管芯片(5)键合; 5)所述的氮化铝层背部有与热沉散热片连接的导热焊料层(8)。
2、 根据权利要求1所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,其特征 在于所述的发光二极管芯片(5)为大功率芯片。
3、 根据权利要求2所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,其特征 在于所述的大功率芯片为lmmX lmm的SiC衬底芯片或者1咖X lmm的激光玻 璃蓝宝石衬底芯片。
4、 根据权利要求l所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,其特征 在于所述的多颗发光二极管芯片(5)和电极层(3)通过引线(7)与氮化铝 表面金属层(4)的连接实现串并联组合。
5、 根据权利要求l所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,其特征 在于氮化铝层(1)与低温共烧陶瓷层(2)通过银或者耐高温胶烧结叠层; 低温共烧陶瓷层(2)中间是一个空腔,在该空腔内实现氮化铝层(1)上装 贴发光二极管芯片(5)。
6、 一种散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方法,用于制备根据权 利要求1所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块,其特征在于工 艺步骤如下:1) 按设计的串并联电路及总功率确定所需大功率SiC衬底或者激光剥离蓝 宝石衬底发光二极管芯片(5)的颗数;2) 根据设计的结构形状,在1600〜190(TC下共烧氮化铝层(1),并在氮化 铝层(1)上制作相应的表面金属层(4);3) 在低温共烧陶瓷层(2)上冲出相应的空腔,然后通过丝网印刷工艺制作 相应的串并联电路,最后将多层低温共烧陶瓷以及电极层(3)低温共烧 在一起;4) 氮化铝层与低温共烧陶瓷层共烧叠层制作:通过金属银或者耐高温胶将两 层烧结在一起;5) 通过金锡AuSn20无空洞共晶工艺将发光二极管芯片(5)键合到氮化铝层(1)的表面金属层(4);6) 引线键合;7) 荧光粉涂抹以及硅胶灌封。
7、 根据权利要求5所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方 法,其特征在于所述步骤3)中,所述电极层(3)材料为钯银或者金。
8、 根据权利要求5所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方 法,其特征在于所述步骤5)中,所述的基板与芯片共晶焊料为80Au20Sn或 者锡片。
9、 根据权利要求5所述的散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方 法,其特征在于所述步骤6)中引线材料为金。
CN 200710046995 2007-10-12 2007-10-12 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法 Expired - Fee Related CN100536130C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710046995 CN100536130C (zh) 2007-10-12 2007-10-12 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200710046995 CN100536130C (zh) 2007-10-12 2007-10-12 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101188224A CN101188224A (zh) 2008-05-28
CN100536130C true CN100536130C (zh) 2009-09-02

Family

ID=39480518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200710046995 Expired - Fee Related CN100536130C (zh) 2007-10-12 2007-10-12 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100536130C (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101582414B (zh) * 2009-04-02 2012-05-30 嘉兴斯达微电子有限公司 功率端子直接键合的功率模块
CN201741721U (zh) * 2010-05-28 2011-02-09 陈烱勋 板上芯片发光二极管结构
JP5940775B2 (ja) 2010-08-27 2016-06-29 ローム株式会社 液晶表示装置バックライト用led光源装置および液晶表示装置
EA033577B1 (ru) * 2010-11-08 2019-11-06 Avgust Gennadievich Krasnov Полосковый светодиод
CN102927483A (zh) * 2012-11-20 2013-02-13 田茂福 一体化倒装型led照明组件
CN105304577B (zh) * 2015-07-28 2017-12-08 中国电子科技集团公司第十研究所 多芯片组件散热封装陶瓷复合基板的制备方法
CN105261690A (zh) * 2015-11-04 2016-01-20 安徽湛蓝光电科技有限公司 一种大功率led光源
CN105258058A (zh) * 2015-11-04 2016-01-20 安徽湛蓝光电科技有限公司 一种车用led光源

Also Published As

Publication number Publication date
CN101188224A (zh) 2008-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100536130C (zh) 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法
CN100380694C (zh) 一种倒装led芯片的封装方法
US7863639B2 (en) Light-emitting diode lamp with low thermal resistance
US8120052B2 (en) Flip chip type LED lighting device manufacturing method
CN201117676Y (zh) 集成微结构的大功率发光二极管封装结构
US20140209939A1 (en) Ceramic led package
WO2009141960A1 (en) Semiconductor light-emitting device as well as light source device and lighting system including the same
CN103824923B (zh) 一种半导体发光芯片、半导体照明灯具及其制造方法
US20100090239A1 (en) Ceramic package structure of high power light emitting diode and manufacturing method thereof
CN101350321A (zh) 直接倒装于支架内的发光二极管的制造方法
CN100508186C (zh) 贴片式发光二极管及制造方法
CN201412704Y (zh) 一种集成led芯片的光源
CN101621105B (zh) Led倒装芯片集成封装方法及采用该方法封装的led
CN204118067U (zh) 直接封装于散热器的led芯片封装架构
CN201204204Y (zh) 超大功率led模组光源结构
CN101150163A (zh) Led芯片与热沉直接封装的散热组件及其制造设备和方法
CN101188260A (zh) 大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板及其制备方法
CN101650007A (zh) 功率型交流led光源
CN108461616A (zh) 一种大功率led用热电分离散热结构的封装方法
CN107305922B (zh) 一种带电源一体化360度立体发光光源的制备方法
CN201069771Y (zh) 贴片式发光二极管
TW201429009A (zh) 發光二極體裝置及散熱基板的製造方法
CN201243024Y (zh) 发光二极管的无打线封装结构
CN103579210B (zh) 发光二极管单元与散热基板的连接
CN102322584A (zh) 一种采用cob封装技术的超薄led面光源

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090902

Termination date: 20191012