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基于硅基散热的led封装结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基散热的LED封装结构，它由带凹槽的硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SiO2绝缘层和N电极组成；本发明还公开了基于前述结构的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构及其制作方法。本发明的有益技术效果是：本发明结构无需在热沉（即硅衬底）背面加工通孔，简化了工艺，底面可直接装焊到金属散热板上；本发明的结构具有热阻低、成本低、易于维护的优点。

Description

基于硅基散热的LED封装结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种LED封装技术，尤其涉及一种基于硅基散热的LED封装结构及制作方法。
背景技术
近年来，国内外的研究热点是采用模块化的大功率LED多芯片阵列作为基本单元进行灯具组装。现有技术多采用电路层、绝缘介质层、Al或者Cu散热层三层结构组成的金属PCB板封装，图1即为金属PCB板的LED封装剖面示意图，采用的是将烧焊LED管芯位置的导电层和绝缘介质层去除，LED烧焊在高阻、热匹配的过渡热沉上，再直接装贴到金属散热层，这种结构工艺较为复杂，不易扩展为阵列化的封装形式；图2为现有的Si基散热LED封装结构，采用的是双面套版光刻图，需要腐蚀出正面反射腔和背面金属连接孔，工艺复杂。
国外一些公司在此方面的研究中也取得了一定的成果，如日本京瓷公司推出的专门用于大功率LED封装的陶瓷系列产品，其材料采用Al2O3或AlN陶瓷材料，但Al2O3、AlN的成本较高，而且仍然没有解决工艺复杂的问题；还有德国Hymite公司提供的硅基封装热沉产品，该产品不但成本高，而且还需要在硅衬底上进行通孔电极套刻连接，其工艺复杂性与日本公司的产品相比，有过之而无不及。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于硅基散热的LED封装结构，它由带凹槽的硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SiO2绝缘层和N电极组成；
凹槽的槽壁为斜壁；凹槽的槽底尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片的横截面面积；
SiO2绝缘层覆盖于硅衬底上表面，焊接金属层覆盖于硅衬底下表面；
P电极金属层覆盖于SiO2绝缘层表面且为部分覆盖，P电极金属层所覆盖的区域将凹槽所在区域完全覆盖；
N电极设置在未被P电极金属层覆盖的SiO2绝缘层表面，N电极与P电极金属层不接触；
垂直结构的LED芯片设置在凹槽槽底处的P电极金属层上，垂直结构的LED芯片的上端面与N电极之间通过引线连接。
垂直结构的LED芯片的外表面和凹槽位置处未被覆盖的P电极金属层外表面涂覆有荧光粉。
本发明还提出了一种基于前述结构单元的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构，硅衬底上按阵列设置有多个凹槽，每个凹槽位置处形成由硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SiO2绝缘层和N电极组成的结构单元；同一列上的相邻两个结构单元，其中一个结构单元的N电极与另一个结构单元的P电极金属层串联；不同列之间的任意两个结构单元之间绝缘。
本发明还提出了一种基于硅基散热的LED封装结构的制作方法，该方法步骤为：1）采用光刻工艺，在硅衬底上表面制作出矩阵形式的多个凹槽；
2）在硅衬底上表面沉积SiO2绝缘层；
3）对SiO2绝缘层外表面和硅衬底下表面进行金属化处理，在SiO2绝缘层外表面和硅衬底下表面形成金属层；硅衬底下表面的金属层即为焊接金属层；
4）在SiO2绝缘层外表面的金属层上设置多条平行的横向通槽和多条平行的垂向通槽，横向通槽和垂向通槽互相垂直，横向通槽和垂向通槽都不与凹槽所在区域相交；横向通槽和垂向通槽将金属层分割为多个矩形块，每个凹槽对应一个矩形块，凹槽所在区域位于矩形块所在区域内；
5）采用LED烧焊工艺，在凹槽内设置垂直结构的LED芯片，每个凹槽处即形成一个独立的结构单元；
6）同一列上顺次相连的三个结构单元A、B、C，A结构单元内的垂直结构的LED芯片与B结构单元内的不在凹槽区域内的金属层之间通过引线连接，B结构单元内的垂直结构的LED芯片与C结构单元内的不在凹槽区域内的金属层之间通过引线连接；
7）在结构单元表面涂覆荧光粉。
其中，步骤2）中，SiO2绝缘层的形成，是由硅衬底上表面经等离子体增强化学气象淀积处理而得。
本发明的有益技术效果是：本发明结构无需在热沉（即硅衬底）背面加工通孔，简化了工艺，底面可直接装焊到金属散热板上；本发明的结构具有热阻低、成本低、易于维护的优点。
附图说明
图1、金属PCB板的LED封装剖面示意图；
图2、现有的Si基散热LED封装结构剖面示意图；
图3、本发明的结构单元示意图；
图4、本发明的阵列结构中两个相邻的结构单元连接关系示意图；
图5、本发明工艺流程中各个阶段的产品结构示意图；
图中：硅衬底1、凹槽1-2、槽壁1-2-1、槽底1-2-2、P电极金属层3、焊接金属层4、SiO2绝缘层5、N电极6、引线7、光刻胶层8、金属层9、电极孔10、高阻硅热沉11、金属导线层12、低热导绝缘介质层13、铝板14、连接金属层15、氧化层16、引出P电极 17、引出N电极 18。
具体实施方式
目前常用的LED照明灯具制作方式是采用多个单独封装的1W LED器件进行拼装，成本较高，而且工艺复杂；本发明的思路是，将多个LED器件进行整体封装，降低工艺复杂度，节省成本，同时对结构进行了优化，降低热阻，这些效果的得到，主要得益于本发明采用硅衬底1作为LED封装结构中的热沉材料，采用硅衬底1的好处是，可以沿晶面加工反射镜，表面平整度可达亚微米级，形成理想的镜面，提高了照明灯具的品质；SiO2绝缘层5可以由硅衬底1表面形成（通过等离子体增强化学气相淀积得到），无须设置额外的绝缘片，降低了工艺复杂度和成本；而且现有的加工条件，可对硅片进行微米级加工，能够制作出高密度的阵列，使多个LED器件整体封装成为了可能；在此基础上，发明人经过潜心研究，提出了本发明的结构和方法，通过特殊的结构设置，解决了现有技术中工艺复杂、成本较高的问题，本发明的方案如下：
本发明的单个结构单元为：它由带凹槽1-2的硅衬底1、垂直结构的LED芯片2、P电极金属层3、焊接金属层4、SiO2绝缘层5和N电极6组成；凹槽1-2的槽壁1-2-1为斜壁，此结构是为了后续工艺中将槽壁1-2-1加工成反射镜；凹槽1-2的槽底1-2-2尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片2的横截面面积；SiO2绝缘层5覆盖于硅衬底1上表面，焊接金属层4覆盖于硅衬底1下表面；P电极金属层3覆盖于SiO2绝缘层5表面且为部分覆盖，P电极金属层3所覆盖的区域将凹槽1-2所在区域完全覆盖；N电极6设置在未被P电极金属层3覆盖的SiO2绝缘层5表面，N电极6与P电极金属层3不接触；垂直结构的LED芯片2设置在凹槽1-2槽底1-2-2处的P电极金属层3上，垂直结构的LED芯片2的上端面与N电极6之间通过引线7连接。垂直结构的LED芯片2的外表面和凹槽1-2位置处未被覆盖的P电极金属层3外表面涂覆有荧光粉。
前述即为单个结构单元的结构，其工作原理为：垂直结构的LED芯片2倒装烧焊在凹槽1-2中，上表面为负极，当器件接通直流电源后，电流从P电极金属层3进入，通过垂直结构的LED芯片2从N电极6流出，这样形成一个闭合的回路，当有电流流过垂直结构的LED芯片2时，垂直结构的LED芯片2就会产生光。凹槽1-2底部和槽壁1-2-1由于有P电极金属层3的存在，会对底面和侧向上的光进行反射，使光更多的从凹槽1-2上方发射出来。由于大功率LED芯片工作时会有大量的热产生，而硅衬底1具有较高的热传导系数（即低的热阻），可以及时的将产生的热量散发出去，这就降低了LED芯片的工作温度，使LED芯片发光效率及其长期可靠性得到了提高。
此结构中，垂直结构的LED芯片2直接贴装在散热基板上（即硅衬底1），减少了热阻，降低了LED芯片的工作温度，由于单个LED芯片的热阻减少了，可以将LED芯片之间的间距设置得更加紧密，从而提高封装密度以及光功率密度，满足背光照明、投影、投射等应用需求；
由前述结构单元组成的阵列结构为：硅衬底1上按阵列设置有多个凹槽1-2，每个凹槽1-2位置处形成由硅衬底1、垂直结构的LED芯片2、P电极金属层3、焊接金属层4、SiO2绝缘层5和N电极6组成的结构单元；同一列上的相邻两个结构单元，其中一个结构单元的N电极6与另一个结构单元的P电极金属层3串联；不同列之间的任意两个结构单元之间绝缘。
其工作原理为：同一阵列上的每个结构单元的P极（正极，也即P电极金属层3）和其相邻结构单元的N极（负极，也即N电极6）相连，组成串联形式的电路，可根据实际需要决定串联多少个这样的结构单元来组成阵列。接通直流电源后，电流从正极流向LED（即垂直结构的LED芯片2）并从LED的负极流出，然后流向相邻结构单元的正极，再从相邻单元的负极流出，以此类推，形成一个闭合的回路。当有电流流过各个结构单元中的垂直结构的LED芯片2时，LED芯片就会产生光。凹槽1-2底部和槽壁1-2-1由于有P电极金属层3的存在，会对底面和侧向上的光进行反射，使光更多的从凹槽1-2上方发射出来。由于大功率LED阵列工作时会有大量的热产生，而硅衬底具有较高的热传导系数（即低的热阻），可以及时的将产生的热量散发出去，可以降低LED芯片工作温度，使LED芯片发光效率以及长期可靠性得到提高。
制作前述结构的步骤为：1）采用光刻工艺，在硅衬底1上表面制作出矩阵形式的多个凹槽1-2；具体做法是：在硅衬底1的上表面区域都涂覆上光刻胶（即图6中的光刻胶层8），同时在光刻版上制作出与凹槽1-2阵列对应的图形，然后曝光，将光刻版上的图形转移到硅衬底1上表面，被光照过以后的光刻胶特性会改变，就可轻易去除，而未被照射的区域上的光刻胶就留了下来，再采用湿法腐蚀方法，在硅衬底1上没有光刻胶的区域形成矩阵形式的多个凹槽1-2；凹槽1-2制作好后，将剩余的光刻胶去除；
2）在硅衬底1上表面沉积SiO2绝缘层5；
3）对SiO2绝缘层5外表面和硅衬底1下表面进行金属化处理，在SiO2绝缘层5外表面和硅衬底1下表面形成金属层；硅衬底1下表面的金属层即为焊接金属层4；焊接金属层4用于与外部散热体连接，以便于将LED芯片产生的热量有效传导散发到外围环境中。
4）在SiO2绝缘层5外表面的金属层（如图6中标号9所示结构层）上设置多条平行的横向通槽和多条平行的垂向通槽，横向通槽和垂向通槽互相垂直，横向通槽和垂向通槽都不与凹槽1-2所在区域相交；横向通槽和垂向通槽将金属层分割为多个矩形块，每个凹槽1-2对应一个矩形块，凹槽1-2所在区域位于矩形块所在区域内；横向通槽和垂向通槽将同一列上相邻两个结构单元的P电极金属层3和N电极6隔断，形成如图6中标号10所示的电极孔10；
5）采用LED烧焊工艺，在凹槽1-2内设置垂直结构的LED芯片2，每个凹槽1-2处即形成一个独立的结构单元；
6）同一列上顺次相连的三个结构单元A、B、C，A结构单元内的垂直结构的LED芯片2与B结构单元内的不在凹槽1-2区域内的金属层之间通过引线7连接，B结构单元内的垂直结构的LED芯片2与C结构单元内的不在凹槽1-2区域内的金属层之间通过引线7连接；
7）在结构单元表面涂覆荧光粉。
图5即是各个制作步骤中，器件的结构变化示意图。
这种阵列化的封装，减少了单片LED芯片封装带来的附加成本，模块化的组装方法安装方便灵活、易于维护和更换。
阵列制作好后，在组装灯具时，可根据需要对硅衬底1进行切割，得到需要的结构单元数量；相比现有的LED照明灯具制作方式，本发明结构由于对LED器件实现了整体封装，减少了封装的成本,能够使照明灯具制造成本得到降低：例如60W路灯中，若采用60个单独封装的1W LED器件，每个器件价格约12元，灯具中LED器件成本约为720元；而采用本发明结构时，功率同为60W的阵列封装结构，成本仅约550元左右，相比现有技术的成本，降低了约170元。另外，由于简化了照明灯具组装过程，还能使路灯制造成本得到进一步降低。按照年组装1万盏60W LED路灯计算，采用本发明的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构年销售额可达550万元，并能为LED 路灯制造商节省170万元以上成本。

Claims (5)

1.一种基于硅基散热的LED封装结构，其特征在于：它由带凹槽（1-2）的硅衬底（1）、垂直结构的LED芯片（2）、P电极金属层（3）、焊接金属层（4）、SiO2绝缘层（5）和N电极（6）组成；
凹槽（1-2）的槽壁（1-2-1）为斜壁；凹槽（1-2）的槽底（1-2-2）尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片（2）的横截面面积；
SiO2绝缘层（5）覆盖于硅衬底（1）上表面，焊接金属层（4）覆盖于硅衬底（1）下表面；
P电极金属层（3）覆盖于SiO2绝缘层（5）表面且为部分覆盖，P电极金属层（3）所覆盖的区域将凹槽（1-2）所在区域完全覆盖；
N电极（6）设置在未被P电极金属层（3）覆盖的SiO2绝缘层（5）表面，N电极（6）与P电极金属层（3）不接触；
垂直结构的LED芯片（2）设置在凹槽（1-2）槽底（1-2-2）处的P电极金属层（3）上，垂直结构的LED芯片（2）的上端面与N电极（6）之间通过引线(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅基散热的LED封装结构，其特征在于：垂直结构的LED芯片（2）的外表面和凹槽（1-2）位置处未被覆盖的P电极金属层（3）外表面涂覆有荧光粉。
3.一种基于权利要求1所述结构的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构，其特征在于：硅衬底（1）上按阵列设置有多个凹槽（1-2），每个凹槽（1-2）位置处形成由硅衬底（1）、垂直结构的LED芯片（2）、P电极金属层（3）、焊接金属层（4）、SiO2绝缘层（5）和N电极（6）组成的结构单元；同一列上的相邻两个结构单元，其中一个结构单元的N电极（6）与另一个结构单元的P电极金属层（3）串联；不同列之间的任意两个结构单元之间绝缘。
4.一种基于硅基散热的LED封装结构的制作方法，其特征在于：该方法步骤为：1）采用光刻工艺，在硅衬底（1）上表面制作出矩阵形式的多个凹槽（1-2）；
2）在硅衬底（1）上表面沉积SiO2绝缘层（5）；
3）对SiO2绝缘层（5）外表面和硅衬底（1）下表面进行金属化处理，在SiO2绝缘层（5）外表面和硅衬底（1）下表面形成金属层；硅衬底（1）下表面的金属层即为焊接金属层（4）；
4）在SiO2绝缘层（5）外表面的金属层上设置多条平行的横向通槽和多条平行的垂向通槽，横向通槽和垂向通槽互相垂直，横向通槽和垂向通槽都不与凹槽（1-2）所在区域相交；横向通槽和垂向通槽将金属层分割为多个矩形块，每个凹槽（1-2）对应一个矩形块，凹槽（1-2）所在区域位于矩形块所在区域内；
5）采用LED烧焊工艺，在凹槽（1-2）内设置垂直结构的LED芯片（2），每个凹槽（1-2）处即形成一个独立的结构单元；
6）同一列上顺次相连的三个结构单元A、B、C，A结构单元内的垂直结构的LED芯片（2）与B结构单元内的不在凹槽（1-2）区域内的金属层之间通过引线（7）连接，B结构单元内的垂直结构的LED芯片（2）与C结构单元内的不在凹槽（1-2）区域内的金属层之间通过引线（7）连接；
7）在结构单元表面涂覆荧光粉。
5.根据权利要求4所述的基于硅基散热的LED封装结构的制作方法，其特征在于：步骤2）中，SiO2绝缘层（5）的形成，是由硅衬底（1）上表面经等离子体增强化学气相淀积处理而得。
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