CN101859865B - 一种大功率白光led器件的无金线封装方法及白光led器件 - Google Patents

一种大功率白光led器件的无金线封装方法及白光led器件 Download PDF

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Abstract

一种大功率白光LED器件的无金线封装方法及白光LED器件，属半导体发光器件领域。包括在芯片与外引支架电极之间设置电连接和在芯片一侧设置荧光材料层，其采用单晶荧光材料层构成荧光材料层，在单晶荧光材料层表面制备透明导电薄膜，在透明导电薄膜上制备导电金属电极，载有透明导电薄膜和导电金属电极的单晶荧光材料晶片构成单晶荧光材料复合功能单元，将单晶荧光材料功能单元通过共晶焊接的方法与芯片进行封装，在芯片的pn电极与外引支架电极之间建立电连接通道。其采用面接触式电连接，提高了白光LED器件的封装可靠性，显著延长LED使用寿命，提高其出光效率，特别适应批量集成封装生产工艺，可以有效降低LED发光器件的制造成本。

Description

一种大功率白光LED器件的无金线封装方法及白光LED器件
技术领域
本发明属于半导体发光器件领域，尤其涉及一种用于大功率白光LED器件的封装方法及其产品结构。
背景技术
在现有LED(Light Emitting Diode，发光二极管)的制造技术中，LED发光器件的封装通常是在蓝光芯片上制作pn结电极，在电极上打制金线(金线是连接LED芯片与外部接线管脚的连接线)，将芯片电极与外部管脚连接，然后在芯片上涂覆荧光粉。
公开日为2006年11月8日、公开号为CN 1858920A的中国发明专利申请“一种白光LED灯的封装方法”和公开日为2009年8月26日、公开号为CN 101514805A的中国发明专利申请“一种LED封装结构及其实现方法”中对于LED芯片的现有封装方式、封装结构均有较详细的公开和披露。
通过对上述资料的分析可知，现有技术路线存在有以下主要缺点：
1、芯片上制造pn电极影响出光：
由于p型GaN掺杂困难，当前普遍采用p型GaN上制备金属透明电极的方法，从而使电流扩散，以达到均匀发光的目的，但是金属透明电极要吸收30％～40％的光；
2、在pn电极上打金线工艺过程繁琐，成本高，可靠性低：
打金线工艺需要针对单个芯片逐一进行，需要特别控制好金线圆球形状和打线压力，打金线的质量直接影响芯片的电学和光学性能；此外，金是贵金属，金线的使用使得器件成本难以降低；
3、金线与芯片接触点接触电阻大，影响LED器件的注入效率和正向工作电压，使得器件发热、亮度下降、寿命缩短；
4、金线和金线接触电极阻挡LED芯片的出光，降低了LED出光效率；
5、荧光粉和灌封胶的热导率很低，起不到对芯片的散热作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大功率白光LED器件的无金线封装方法，其采用透明电极直接与LED芯片的pn结进行面接触式的电连接，设置单一介质的荧光激发/转换层，简化了LED芯片的封装工艺，大大提高了白光LED器件的封装可靠性，可显著延长LED使用寿命，提高LED的出光效率，有效地解决了大功率白光LED的散热问题，特别适应批量集成封装生产工艺，可以有效降低LED发光器件的制造成本。
本发明的技术方案是：提供一种大功率白光LED器件的无金线封装方法，包括在芯片与外引支架电极之间设置电连接通道和在芯片的一侧设置荧光材料层，其特征是：
A、采用单晶荧光材料层构成所述的荧光材料层；
B、在单晶荧光材料层的表面上制备透明导电薄膜；
C、在透明导电薄膜上制备导电金属电极，所述导电金属电极形状与芯片的p和/或n电极形状相匹配；
D、载有透明导电薄膜和导电金属电极的单晶荧光材料晶片构成单晶荧光材料复合功能单元；
E、将单晶荧光材料功能单元通过共晶焊接的方法与芯片进行封装，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
进一步的，所述的单晶荧光材料包括石榴石类单晶荧光材料。
所述的透明导电薄膜包括金属膜系列、复合膜系列和化合物膜系列导电薄膜。
进一步的，所述的化合物膜系列导电薄膜包括透明导电氧化物膜系列导电薄膜。
进一步的，所述的化合物膜系列导电薄膜包括高分子膜系列导电薄膜。
优选地，所述的透明导电薄膜是铟锡氧化物半导体透明导电膜。
所述透明导电薄膜和导电金属电极的制备采用光刻蚀法、掩模法、丝网印刷法。
进一步的，其所述的光刻蚀法包括激光干式刻蚀法；其所述的掩模法包括掩膜透过沉积法。
更进一步的，所述的单晶荧光材料功能单元设置在芯片的至少一个侧面。
所述的透明导电薄膜及导电金属电极通过面接触的形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
本发明还提供了一种采用上述封装方法制造的大功率白光LED器件，大功率白光LED器件，包括pn结芯片和外引支架电极，其特征是：
在所述pn结芯片的至少一个侧面，设置一依次由单晶荧光材料层、透明导电薄膜和导电金属电极复合构成的单晶荧光材料功能单元；所述的单晶荧光材料功能单元，通过透明导电层和导电金属电极，在pn结芯片和外引支架电极之间构成电连接通道。
其所述的透明导电层通过导电金属电极，采用面接触的结构形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
其所述的导电金属电极形状与芯片的p和/或n电极形状相匹配。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.采用本技术方案进行白光LED芯片的封装，完全不需要传统白光LED封装过程中的打金线和荧光粉涂覆工艺过程，工艺过程更简单和高效，可以极大的提高白光LED器件的封装可靠性，并彻底解决打金线工艺的缺点；
2.不需要昂贵的金线，而且可以批量集成封装，可以有效降低成本；
3.采用面接触方式实现芯片与引脚之间的电连接，可以有效降低芯片电极与荧光材料界面的接触电阻，提高LED发光器件的注入效率和降低其正向工作电压，可有效地增加LED器件的散热性能，延长LED的使用寿命；
4.对LED芯片的发光无任何阻挡，可以有效增加蓝光芯片的出光面积，提高LED出光效率；
5.所采用的单晶荧光晶片具有很好的热导率，对芯片的热量起到很好的散热作用，可以极大提高散热性能，降低芯片结温，有效解决大功率白光LED的散热问题，提高LED性能；
6.由于不需要打金线与外电源连接，可以有效降低白光LED器件的封装面积和封装厚度，提高大功率芯片封装的密度。
附图说明
图1是本发明的封装方法步骤示意图；
图2是本发明产品的一种结构示意图；
图3是本发明产品的另一种结构示意图。
图中，1为衬底层，2为缓冲层/u-GaN层，3为n-GaN层，4为激活区，5为p-GaN层，6、7为欧姆接触面，8为单晶荧光材料层，9为透明导电薄膜，10、11为导电金属电极；A为单晶荧光材料功能单元，B为LED发光芯片。
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中，本无金线封装方法，包括在芯片与外引支架电极之间设置电连接通道和在芯片的一侧设置荧光材料层，其具体工艺步骤至少包括下列内容：
A、采用单晶荧光材料层构成所述的荧光材料层；
B、在单晶荧光材料层的表面上制备透明导电薄膜；
C、在透明导电薄膜上制备导电金属电极，所述导电金属电极形状与芯片的p和/或n电极形状相对应/相匹配；
D、载有透明导电薄膜和导电金属电极的单晶荧光材料晶片构成单晶荧光材料复合功能单元；
E、将单晶荧光材料功能单元通过共晶焊接的方法与芯片进行封装，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
进一步的，所述的单晶荧光材料包括石榴石类单晶荧光材料。
采用单晶荧光材料构成荧光层/荧光激发层，一方面大大简化了LED发光器件的封装过程和制备工艺，另一方面，单晶荧光材料具有比现有的荧光粉和灌封胶更好的热传导率和荧光材料的均匀度/均质度，其激发发射效率高，具有高度均匀性，物化性能稳定、寿命长、热导率高，可大大改善大功率LED发光芯片的工作环境，其作为一种导热载体，增加了LED发光芯片的热量传导途径。
关于单晶荧光材料的具体情况，可参考本申请人申请的中国发明专利申请“适用于白光LED的单晶荧光材料”中的相关信息，在此不再叙述。
其所述的透明导电薄膜包括金属膜系列、透明导电氧化物膜系列、复合膜系列和化合物膜系列导电薄膜。
进一步的，所述的化合物膜系列导电薄膜包括高分子膜系列导电薄膜。
优选地，所述的透明导电薄膜是铟锡氧化物半导体透明导电膜。
其所述透明导电薄膜和导电金属电极的制备采用光刻蚀法、掩模法、丝网印刷法。
进一步的，所述的光刻蚀法包括激光干式刻蚀法；其所述的掩模法包括掩膜透过沉积法。
采用透明导电薄膜和导电金属电极替代金线进行封装，可以有效增加LED发光芯片的出光面积，增加光通量，提高LED出光效率。
上述透明导电薄膜和导电金属电极及其制备方式均为现有技术，其具体方法和工艺过程在此不再叙述。
更进一步的，所述的单晶荧光材料功能单元设置在芯片的至少一个侧面，作为一种特例，单晶荧光材料功能单元可以设置在芯片的两个侧面，构成一种可双面出光的发光器件。
所述的透明导电层及导电金属电极通过面接触的形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
为了提高pn结的欧姆接触面(即俗称的p和/或n电极)和导电金属电极的允许载流量，在芯片的p和/或n结面(即俗称的p-GaN或n-GaN)上的欧姆接触面的周围，还可以再制备/设置一Ni/Au导电层，来增加各欧姆接触面与p和/或n结面的电接触面积。
由于采用面接触式电连接方式，一则接触电阻可大大下降，二则欧姆接触面的单位面积上电流密度大大下降，可承受的电流密度可大幅度提升，为提高LED发光器件的允许工作电流和发光功率创造了条件。
实施例1：
一种采用图1所述的封装方法制造的大功率白光LED器件，其结构如所示。
图2中，常规LED发光芯片的结构通常是在衬底层1上设置缓冲层/u-GaN层2，然后依次是n-GaN层3、激活区4和p-GaN层5，在n-GaN层和p-GaN层上设置用于电连接引出的欧姆接触面(即俗称的p和/或n电极)6和7。
本技术方案在LED发光芯片B的至少一侧，设置一依次由单晶荧光材料层8、透明导电薄膜9和导电金属电极10和11复合构成的单晶荧光材料功能单元A。
由图可见，单晶荧光材料功能单元，通过透明导电层和导电金属电极，在pn结芯片和外引支架电极(图中未示出)之间构成电连接通道。
透明导电层通过导电金属电极，采用面接触的结构形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立了电连接通道。
导电金属电极形状10和11与芯片的p和/或n电极6和7形状分别对应相对应/相匹配。
同前所述相同，为了提高pn结的欧姆接触面(即俗称的p和/或n电极)和导电金属电极的允许载流量，在芯片的p和/或n结面(即俗称的p-GaN或n-GaN)上的欧姆接触面6或7的周围，还可以再制备/设置一Ni/Au导电层，来增加各欧姆接触面与p和/或n结面的电接触面积。
图中的LED芯片为横向结构(Lateral)，横向结构LED芯片的p和/或n电极在LED芯片的同一侧。
在本技术方案中，单晶荧光材料所起到的主要作用如下：
1)起到常规的荧光变换作用；
2)作为透明导电层和导电金属电极的载体；
3)充当LED芯片的散热/导热的载体/途径。
作为一种特例，还可以在LED芯片的两面同时设置单晶荧光材料层，取消常规封装工艺中的衬底层，构成一种可双面出光的发光器件，其具体结构在此不再示出，本领域的技术人员，在掌握了本技术方案的发明思路和创新要点后，无需经过创造性的劳动，即可再现该技术方案和产品结构。
实施例2：
另一种采用图1所述的封装方法制造的大功率白光LED器件，其结构如图3所示。
图3中，LED芯片为垂直结构(Vertical)，垂直结构的LED芯片的两个电极6和7分别在LED外延层(p-GaN层5和在n-GaN层3)的两侧。
同样，当采用单晶荧光材料充当图中位于n-GaN结构层3下方的衬底层1时，即可构成能真正双面发光/出光的LED发光器件。
其余同图1或图2所述。
采用上述结构以后，在一块基材上，采用芯片集成封装法(Chip on Board)，可同时设置多个LED发光芯片，有助于提高单个LED发光器件的发光量和光通量。
由于本发明采用透明电极直接与LED芯片的pn结电极进行面接触式的电连接，设置单一介质的荧光激发/转换层，简化了LED芯片的封装工艺，大大提高了白光LED器件的封装可靠性，对LED芯片的发光无任何阻挡，可以有效增加蓝光芯片的出光面积，提高LED出光效率，提高了LED发光器件的注入效率和降低其正向工作电压，降低了芯片结温，有效地解决了大功率白光LED的散热问题，可显著延长LED发光器件的使用寿命，提高LED的出光效率，特别适应于批量集成封装生产工艺，可以有效降低LED发光器件的制造成本。
本发明可广泛用于大功率白光LED发光器件的生产制造领域。

Claims (13)

1.一种大功率白光LED器件的无金线封装方法，包括在芯片与外引支架电极之间设置电连接通道和在芯片的一侧设置荧光材料层，其特征是：
A、采用单晶荧光材料层构成所述的荧光材料层；
B、在单晶荧光材料层的表面上制备透明导电薄膜；
C、在透明导电薄膜上制备导电金属电极，所述导电金属电极形状与芯片的p和/或n电极形状相匹配；
D、载有透明导电薄膜和导电金属电极的单晶荧光材料晶片构成单晶荧光材料复合功能单元；
E、将单晶荧光材料功能单元通过共晶焊接的方法与芯片进行封装，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
2.按照权利要求1所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的单晶荧光材料包括石榴石类单晶荧光材料。
3.按照权利要求1所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的透明导电薄膜包括金属膜系列、复合膜系列和化合物膜系列导电薄膜。
4.按照权利要求3所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的化合物膜系列导电薄膜包括透明导电氧化物膜系列导电薄膜。
5.按照权利要求3所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的化合物膜系列导电薄膜包括高分子膜系列导电薄膜。
6.按照权利要求3所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的透明导电薄膜是铟锡氧化物半导体透明导电膜。
7.按照权利要求1所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述透明导电薄膜和导电金属电极的制备采用光刻蚀法、掩模法或丝网印刷法。
8.按照权利要求7所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的光刻蚀法包括激光干式刻蚀法；所述的掩模法包括掩膜透过沉积法。
9.按照权利要求1所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的单晶荧光材料功能单元设置在芯片的至少一个侧面。
10.按照权利要求1所述的大功率白光LED器件的无金线封装方法，其特征是所述的透明导电薄膜及导电金属电极通过面接触的形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
11.一种按照权利要求1所述方法制造的大功率白光LED器件，包括pn结芯片和外引支架电极，其特征是：
在所述pn结芯片的至少一个侧面，设置一依次由单晶荧光材料层、透明导电薄膜和导电金属电极复合构成的单晶荧光材料功能单元；
所述的单晶荧光材料功能单元，通过透明导电层和导电金属电极，在pn结芯片和外引支架电极之间构成电连接通道。
12.按照权利要求11所述的大功率白光LED器件，其特征是所述的透明导电层通过导电金属电极，采用面接触的结构形式，在芯片的p和/或n电极与外引支架电极之间建立电连接通道。
13.按照权利要求11所述的大功率白光LED器件，其特征是所述的导电金属电极形状与芯片的p和/或n电极形状相匹配。
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