CN101582480B - 带热沉的led芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种带热沉的LED芯片及其制造方法，包括LED芯片和热沉，所述LED芯片是在蓝宝石衬底一面具有外延层，该外延层上设有相互分离的P电极和N电极，所述蓝宝石衬底另一面镀有背金层，其特征在于：LED芯片和热沉之间有一个钎焊层，所述LED芯片具有背金层的一面通过钎焊层共晶邦定一热沉，且所述热沉面积至少为LED芯片面积的三倍。在有超声、压力、加温的情况下通过钎焊层进行共晶邦定，这样LED芯片背面邦定一个自身面积至少三倍的热沉，从而增大了导热面积、改善了LED的散热，有效地降低了LED的光衰，保证LED的可靠性、一致性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及了一种LED芯片，具体涉及一种带热沉的LED芯片及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管(LED：Light Emitting Diode)基本结构是一个半导体的PN结，当电流流过LED器件时，由于有无效复合转化为热，热散不出去，导致芯片结温进一步升高，从而影响芯片波长，同时由于结温升高及波长变化，导致环氧粘结胶变黄，影响光的输出，因此散热不良将直接影响LED的出光效率、器件寿命、可靠性、波长，结温过高严重时导致LED失效。
例如常规LED Lamp封装时，首先是用环氧胶或银胶，将LED芯片固定在支架的碗形反射腔上，再通过固晶、焊线和点胶、灌封、模压形成LED Lamp。由于环氧胶是低热导材料，因此封装好的LED Lamp工作时，PN结产生的热量很难通过正面的透明环氧胶向空气中散发，大部分的热量只能沿蓝宝石衬底、环氧粘结胶、支架、PCB等向外散发，所以这些材料的导热能力直接影响LED Lamp的散热。由于热阻与热传递的距离成正比、与传热材料的导热系数及传热材料的截面积成反比，因此在上述LED芯片的热通道中，传热的瓶颈为环氧胶或银浆，在实际生产中可用导热银浆代替环氧胶，可减少热阻，但导热银浆有吸光作用，不利于光的取出，银浆运输过程必须在低温下保存，使用周期短、价格贵，其使用受到一定限制。
在实际封装时，控制环氧粘结胶的厚度，粘结胶高度控制在芯片高度的1/4到1/3之间，也就是胶厚在20～30μm，以11mil(270*270μm)芯片为例，芯片厚度为80μm左右，以环氧粘结胶厚度为20μm，导热系数为0.5w/m.k，可以计算出蓝宝石热阻为31k/W，环氧胶热阻为549k/W，支架热阻一般只有1～4k/w.，可知环氧胶热阻占总热阻的95％，因此要降低这一主要环节的热阻，主要是通过设法增加环氧胶的导热面积或减薄环氧胶的厚度，但目前LED封装行业已经将环氧胶厚度控制在合理范围，不能再减薄其厚度。因此，有必要发明一种新的LED芯片以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于发明一种带热沉的LED芯片，其蓝宝石衬底上蒸镀有背金层，再与大面积的热沉共晶邦定，由于金属的导热系数是环氧胶的一百甚至数百倍，因此其新增背金层的热阻只有2～4k/W，并且邦定至少LED芯片面积三倍的热沉，从而增大传热面积，与对本文件中的举例相比，这样邦定热沉后环氧粘结胶的热阻最多为160k/W，也就是从549k/W下降到160k/W，因此可以有效改善LED芯片的散热，降低LED PN结的结温，减少LED的光衰，延长LED的寿命。
本发明的技术方案是：一种带热沉的LED芯片，包括LED芯片和热沉，所述LED芯片是在蓝宝石衬底一面具有外延层，该外延层上设有相互分离的P电极和N电极，所述蓝宝石衬底另一面镀有背金层，其特征在于：LED芯片和热沉之间有一个钎焊层，所述LED芯片具有背金层的一面通过钎焊层共晶邦定一热沉，且所述热沉面积至少为LED芯片面积的三倍。
所述背金层由淀积于蓝宝石衬底的反光层、该反光层上镀有的隔离层、隔离层上设有的与热沉相接触的钎焊层共同组成。
所述反光层为镀在蓝宝石衬底上的铝或银。
所述热沉可做成引线框架形式，且该热沉是引线框架的部分区域。
所述LED芯片和热沉是在有超声波、加热和压力的情况下进行邦定的。
本发明带热沉的LED芯片的制造方法，包括以下几个步骤：
步骤1，制作LED芯片，在蓝宝石衬底的一面设有外延层，该外延层上设有相互分离的P电极和N电极；
步骤2，在蓝宝石衬底另一面淀积反光层，反光层上还镀有隔离层，并在隔离层上淀积钎焊层；
步骤3，制作面积为LED芯片面积至少三倍的热沉，且热沉至少一面镀有钎焊层；
步骤4，使用共晶邦定机将LED芯片具有背金层的一面与所述热沉进行共晶邦定。
所述反光层为镀在蓝宝石衬底上的铝或银。
所述热沉材料为铜合金或铝合金。
所述热沉可做成引线框架形式，且该热沉是引线框架的部分区域。
附图说明
图1是本发明第一实施例LED芯片结构的侧面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1的标记说明：LED芯片1，蓝宝石衬底10，外延层11，P电极12，N电极13，反光层14，隔离层15，钎焊层16，热沉2。
参照图1，为本发明的第一实施例，所述带热沉的LED芯片由LED芯片1和热沉2组成。LED芯片1包括蓝宝石衬底10，其一面具有外延层11，该外延层11表面设有P电极12和N电极13，且两个电极相互分离设置，所述蓝宝石衬底10的另一面设有背金层，该背金层总体分为三层，即：淀积在蓝宝石衬底10表面反光层14，该反光层14可为铝或银，由于反光层14直接与蓝宝石衬底10接触，这种反光作用是恒定的，可减少LED的光衰。反光层14上还设有一隔离层15，其为淀积的镍或钛钨合金，隔离层15上还淀积钎焊层16。热沉2的材料可以为铜合金或铝合金，且热沉2至少一面镀有钎焊层16，也可以两面都镀有钎料层16，所述热沉2与LED芯片1具有背金层的一面共晶邦定，其面积至少为LED芯片1面积的三倍，且热沉为了便于设备自动邦定生产，可以做成引线框架形式，热沉2是引线框架的部分区域，可做成方形、圆形或其它形状。
请参照图1，上述带热沉的LED芯片的制造方法包括以下几个步骤：
步骤1，制作LED芯片，即，在蓝宝石衬底10的外延层11上做出相互分离的P电极12和N电极13，并将蓝宝石衬底10减薄；
步骤2，在蓝宝石衬底10另一面蒸镀金属铝或银作为反光层14，反光层14的厚度为0.5～4μm，反光层14上再进行沉锌、镀镍，厚度为3～5μm作为隔离层15，再在隔离层15上面淀积钎焊层16，最后进行划、裂片、分选，放置于蓝膜上；
步骤3，制作面积为LED芯片1面积三倍的热沉2，并在热沉2至少一面镀钎焊层16；热沉2是引线框架的部分区域，其材料为铜合金或铝合金，厚度为50～500μm，引线框架为卷带式或条式；
步骤4，使用共晶邦定机将引线框架与所述热沉2在超声、压力和加热的条件下进行邦定，用切割设备将引线框架的芯片分离，得到带热沉的LED芯片1。
本发明的第二个实施例，与第一实施例步骤基本相同，区别在于：步骤2中，在蓝宝石衬底10上蒸镀金属铝或银作为反光层14，淀积镍(300～1000nm)作为隔离层15、金(500～2000nm)作为电镀种子层，在其上电镀3～15μm的锡(锡合金)或银(银合金)作为钎焊层16。
本发明的第三个实施例，在步骤2中，蓝宝石衬底10上蒸镀金属铝或银作为反光层14，厚度为0.5～4μm，并淀积金和锡，再回流得到金锡合金Au80％/Sn20％或Au10％/Sn90％，厚度为1.5～5μm；引线框架按规定形状冲压(或蚀刻)并电镀银，镀层厚度为3～20μm，其它步骤同实施例一。
本发明带热沉的LED芯片，由于是LED芯片1和热沉共晶邦定而成，且蓝宝石衬底10与热沉相焊接的一面设有背金层，虽然增加了数层金属，考虑到金属的导热系数是环氧胶的一百倍到数百倍，其增加的热阻很小，这样使整个LED芯片的封装 时的热阻降低，因此可以有效改善LED芯片的散热，降低PN结的结温，由于反光层14直接与蓝宝石衬底10接触，这种反光作用是恒定的，可减少LED的光衰，延长LED的寿命。另外，从制作步骤上来说，本发明增加流程所涉及到的共晶邦定设备是半导体封装行业的通用设备，供应商众多，其产能较大；由于单个芯片所需要的热沉的材料很少，因此每个带热沉的LED芯片增加成本较少，后续封装只做少许调整，因此产品可以很快投入生产。
Claims (8)
1.一种带热沉的LED芯片，包括LED芯片和热沉，所述LED芯片是在蓝宝石衬底一面具有外延层，该外延层上设有相互分离的P电极和N电极，所述蓝宝石衬底另一面镀有背金层，其特征在于：LED芯片和热沉之间有一个钎焊层，所述LED芯片具有背金层的一面通过钎焊层共晶邦定一热沉，且所述热沉面积至少为LED芯片面积的三倍。
2.如权利要求1所述的带热沉的LED芯片，其特征在于：所述背金层由淀积于蓝宝石衬底的反光层、该反光层上镀有的隔离层、隔离层上设有的与热沉相接触的钎焊层共同组成。
3.如权利要求2所述的带热沉的LED芯片，其特征在于：所述反光层为镀在蓝宝石衬底上的铝或银。
4.如权利要求1所述的带热沉的LED芯片，其特征在于：所述热沉可做成引线框架形式，且该热沉是引线框架的部分区域。
5.如权利要求1所述的带热沉的LED芯片，其特征在于：所述LED芯片和热沉是在有超声波、加热和压力的情况下进行邦定的。
6.一种带热沉的LED芯片的制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1，制作LED芯片，在蓝宝石衬底的一面设有外延层，该外延层上设有相互分离的P电极和N电极；
步骤2，在蓝宝石衬底另一面淀积反光层，反光层上还镀有隔离层，并在隔离层上淀积钎焊层；
步骤3，制作面积为LED芯片面积至少三倍的热沉，且热沉至少一面镀有钎焊层；
步骤4，使用共晶邦定机将LED芯片具有背金层的一面与所述热沉进行共晶邦定。
7.如权利要求6所述带热沉的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述反光层为镀在蓝宝石衬底上的铝或银。
8.如权利要求6所述带热沉的LED芯片的制造方法，其特征在于：所述热沉材料为铜合金或铝合金。
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