CN102270730A - 一种无金线的led器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无金线的LED器件，将LED芯片倒装在基板上，通过基板上的通孔将LED芯片的P极和N极引至基板下表面的第二金属电极层，同时在下表面设有散热金属焊盘，实现LED器件的热电通道分离的目的，极大的增强了LED器件的散热性能和可靠性。同时，本发明还具有多层的封装结构，光转化物质层能够远离LED芯片，有效防止光转化物质的热猝灭效应，极大的改善了LED器件光色的均匀性。

Description

一种无金线的LED器件
技术领域
本发明涉及一种发光二极管器件，尤其是一种倒装的发光二极管器件。
背景技术
发光二极管(LED)是一种半导体制造技术加工的电致发光器件，主要发光原理是化合物半导体材料在加载正向电压的条件下，有源电子与空穴复合产生光子，其中可见光成分能够被人眼识别产生可见光。目前由于LED的亮度问题被极大地改善，LED被广泛应用于各种领域，包括背光单元、汽车、电信号、交通信号灯、照明装置等。
为了使大功率LED照明具有更高的亮度，可以增加LED的输入电流。但是电流的增加使LED芯片产生大量热量，为了提高LED芯片的可靠性，防止LED芯片烧毁，大功率LED必须能够有效地散发在照明或者发光过程中产生的热量。
目前市场上的大功率LED芯片倒装在塑料PCB板上，其P极和N极通过金属引线引出到外部的金属线路上。这种方式封装的LED芯片产生的热量不是直接传输到外部的散热片上，而是通过导热低的塑料体向外部传输，并且由于需要采用金属引线引出LED芯片的P极和N极，一旦金属引线断裂，容易引起LED失效，降低了LED的可靠性。
为了解决LED芯片需要经过导热性差的塑料进行散热的问题，中国专利200510075355.8中公开了一种大功率的LED封装结构，将LED芯片直接倒装在硅底座上，LED芯片的P极和N极通过硅底座上表面的金属层引至边缘，再在边缘处设置金属焊盘，通过金属引线与支架连接，硅底座再通过粘合剂固定在散热片上。此种封装方式增强了LED的散热性能，但是硅材料并非一种良好的散热材料，而且热量向外散发时还需要通过粘合剂层，降低了其导热性能。另外其还需要采用金线引出LED芯片的P极和N极，极大的降低了LED的可靠性。
LED芯片根据材料的不同，可以产生不同颜色的光：AlGaAs可以产生红光；InGaAlP可以产生红、黄或者黄绿光；InGaN可以产生深绿或者蓝光。
当前市场上主流的商品化白光LED是采用蓝光LED芯片加上黄、绿、红一种或多种荧光粉来实现的，此技术存在的一个关键问题在于荧光粉必须均匀地涂覆在芯片表面，否则会出现光色不均匀的光斑现象。传统的LED涂覆工艺即点荧光粉混合胶，通过点胶在LED芯片上涂敷荧光粉与胶体的混合体层，但这样得到的荧光粉层结构不均匀，从而导致LED的光色均匀性差。
一种新型平面保形涂覆的技术(Conformal Coating)被提出来，该技术主要是通过电泳、喷涂、沉积等方法在芯片表面形成一层厚度均匀的荧光粉层，在一定程度上可提高出光均匀性，荧光粉层的厚度也容易控制，但LED工作时产生的热量会使荧光粉发生热猝灭效应，降低光通量。
美国专利US2011/0031516中公开了一种LED器件的封装结构，采用荧光粉远离芯片涂覆于覆盖芯片的透明硅胶层外侧的透镜间三明治结构模式。尽管此种结构解决了荧光粉的热猝灭效应的问题，但需要在透明胶层上涂覆多层荧光粉使得工艺过程更加复杂而且影响生产效率，同时此结构中的荧光粉层包含一反射层也给生产带来了难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种具有良好散热性和高可靠性的LED封装结构。本发明的再一个目的是要提供一种具有分层涂覆和荧光粉远离LED芯片的封装结构，改善光色均匀性同时避免荧光粉热猝灭效应。
为了实现具有良好散热性能和提高LED的可靠性的目的，本发明的技术方案如下：
一种无金线的LED器件，包括：
至少一LED芯片，具有P极和N极；
第一金属电极层，具有相互绝缘的P区和N区，所述P区和N区分别与所述LED芯片的P极和N极电连接；
基板，其上表面设有所述第一金属电极层；
封装结构，所述封装结构设于基板上表面，包围所述LED芯片，所述基板对应所述第一金属电极层的P区和N区设有第一通孔和第二通孔；及还包括
第二金属电极层，设于所述基板的下表面，具有相互绝缘的P区和N区，所述P区和N区分别与所述第一通孔和第二通孔对应；
导电填充材料，设于所述第一通孔和第二通孔之中，所述第一通孔中的导电填充材料电连接第一金属电极层的P区和第二金属电极层的P区，所述第二通孔中的导电填充材料电连接第一金属电极层的N区和第二金属电极层的N区。
进一步，所述LED芯片的P极和N极分别通过金属凸点与第一金属电极层的P区和N区以共晶键合的方式实现无金线的电连接。
进一步，所述LED芯片的P极和N极通过加热、加压或者加超声功率中的任一种或它们的组合实现与所述第一金属电极层无金线的电连接。
进一步，所述第一金属电极层通过化学镀或者电镀工艺实现，其材料为Ag、Cu、Al、Ag、Ni、In、Sn中的一种或者多种组成的合金。
进一步，所述基板的下表面还设有一金属散热焊盘。
进一步，所述基板材料为氮化铝、氧化铝、SiC、AlSiC、BeO中的一种。
进一步，所述封装结构包括：
透明胶层，包围所述LED芯片；
光转化物质层，包含光转化物质，涂覆在所述透明胶层外；
光学结构层，包围所述光转化物质层。
优选的，所述封装结构包括：
透明胶层，包围所述LED芯片；
光学结构层，其中包含有光转化物质，包围所述透明胶层。
进一步，所述透明胶层的材质为硅胶、环氧树脂、PC、PET中的一种或多种混合物，通过液态涂覆或者固态片层粘合的方式直接跟芯片接触。
进一步，所述光转化物质材料为有机染料、稀土发光有机配合物、YAG、LuAG、Silicate、(Ca，Sr)AlSiN3中的一种或者多种。
进一步，所述光学结构层材质为PC、PMMA、Silicone、EP、PET玻璃中的一种或者多种的混合物。
进一步，所述光学结构层的外形结构为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、柿饼形中的一种。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1、LED芯片直接倒装在基板上，以及在基板下表面设有金属散热焊盘，进一步改善了LED芯片的散热效果。
2、基板上表面的第一金属电极层增强了LED的发光效果。
3、LED芯片的P极和N极通过基板上通孔的导电填充材料引出，避免使用金属引线从而有效地提高了LED的可靠性。
4、LED封装结构中的光转化物质远离LED芯片，均匀的涂覆在LED芯片外层，极大地改善了LED光色的均匀性，避免出现荧光粉热猝灭效应。
5、光转化物质层采用单层涂覆或者直接包含于光学结构层，不需要分层涂覆，能有效提高生产效率。
6、光学结构层的外形结构可以根据实际需要灵活选择，扩大了LED器件的使用范围。
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。
附图说明
图1是本发明一种无金线的LED器件实施例一的剖面示意图。
图2是本发明一种无金线的LED器件实施例二的剖面示意图。
图3是本发明一种无金线的LED器件实施例三的剖面示意图。
图中：
1-LED芯片；11-蓝宝石衬底；12-N型氮化镓；13-发光层；14-P型氮化镓；15-P电极；16-金属凸点；17-N电极；2-陶瓷基板；21-第一金属电极层P区；22-第一金属电极层N区；23-第一通孔；24-第二通孔；25-第二金属电极层P区；26-第二金属电极层N区；27-金属散热焊盘；3-封装结构；31-透明胶层；32-光转化物质层；33-光学结构层。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种无金线的LED器件，包括LED芯片1，基板2，封装结构3。LED芯片1倒装在基板2上，封装结构3设于基板2上，并且包围LED芯片1。
LED芯片1包括蓝宝石衬底11、N型氮化镓12、发光层13、P型氮化镓14、P电极15、金属凸点16和N电极17。在蓝宝石衬底11上生长成N型氮化镓12，N型氮化镓12上生长成发光层13，发光层13上生长有P型氮化镓14。通过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等工艺步骤，最后经过裂片工艺，在P型氮化镓14层上形成P电极15和金属凸点16，在N型氮化镓12上形成N电极17和金属凸点16，而且P电极15和N电极17位于LED芯片的同一侧。
其中，金属凸点16的材料可以为Ag、Au、Al、Cu、Cr、Ni中的一种、多种或其合金，其位置可以在陶瓷基板2的第一金属电极层的P区21和N区22上、芯片欧姆接触层上或两者均有，制造金属凸点16的工艺可以是蒸发、电镀、金属线植球工艺。
基板2材质为氧化铝陶瓷，通过电镀工艺在基板2的上、下表面形成第一金属电极层的P区21和N区22，然后采用激光通孔工艺在基板2中P区21所在处形成第一通孔23，N区22所在处形成第二通孔24。通过电镀工艺在第一通孔23和第二通孔24中填入导电材料，形成陶瓷基板上下电极之间的电路连接通道，再通过光刻、腐蚀或剥离工艺将第一金属电极层形成对应于LED芯片的图形和连线。基板2的下表面两端形成相互隔离的第二金属电极层的P区25和N区26，中间设有导热焊盘27，最后通过电镀方法在基板2上表面第一金属电极层的P区21和N区22形成金属凸点16。
其中，第二金属电极层的P区25、N区26和导热金属焊盘27的材料可以为Ni、Au、Ag、Al、Ti、W中的一种、多种或合金。填充的导电材料为Au、Cu、Al、Ni、In、Sn中的一种或者多种的合金。
封装结构3具有三层物质，由内到外分别为透明胶层31、光转化物质层32和光学结构层33。透明胶层31涂覆在倒装LED芯片1的周围，紧贴LED芯片1，用于增加LED芯片1的出光效率，同时阻隔光转化物质层32中的光转化物质，防止由于LED芯片1的热量导致转化效率降低。透明胶体层32材料为硅胶或环氧树脂或PC或PET等透明材料，通过液态涂覆或者固态片层粘合的方式跟芯片直接接触，材料的折射率要求在1～2之间，厚度为10-100um。
光转化物质层32用于将LED芯片1发出的光色转化为想要的光色，如将蓝光转化为白光等。光转换物质层32为单一层，所选光转换物质范围可以是有机染料、稀土发光有机配合物、YAG、LuAG、Silicate、(Ca，Sr)AlSiN3中的一种或多种混合物。上述的这些单一物质或者多种物质混合形成的混合物混合在类似透明胶层内31所述的物质中的一种或者和有机溶剂中，通过喷涂等涂覆方式放置于透明胶层31外。该光转化物质层32根据需要可以为紧贴芯片表面透明材料的保形层、半球形、方形中的一种。
光学结构层33用于外部形状的调整，可以是实现该封装结构不同的光型要求，其材料可以为PC、PMMA、Silicone、EP、PET，玻璃中的一种或者几种组合。光学结构层33的形状为半球形，有利于出光。
以下详细说明本实施例LED器件的制造方法：
步骤S1：制造LED芯片1。在蓝宝石衬底8上生长有N型氮化镓12、P型氮化镓14、发光层13的外延片上，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极15和N电极17及电极上的金属凸点16。
步骤S2：在氧化铝陶瓷基板2上，先通过电镀工艺在基板2的上、下表面分别形成第一金属电极层和第二金属电极层，并分别形成相互绝缘的P区和N区。采用激光通孔工艺在陶瓷基板2中形成第一通孔23和第二通孔24，然后用电镀工艺在第一通孔23和第二通孔24中填入导电材料，第一金属电极层P区21和N区22分别与第二金属电极层P区25和N区26之间的电路连接通道。再通过光刻、腐蚀或剥离工艺将第一金属电极层形成对应于LED芯片的图形和连线，下表面在两端、中央分别形成相互隔离的第二金属电极层的P区25和N区26、导热焊盘27，最后通过电镀方法在第一金属电极层的P区21和N区22形成金属凸点16。
步骤S3：将LED芯片1倒装焊接在陶瓷基板2的上表面。通过自动化的倒装焊接设备将S1步骤LED芯片1上的P电极15和N电极17的金属凸点16与陶瓷基板的凸点键合形成键合凸点的过程。
步骤S4：在LED芯片1表面涂敷透明胶体层31。先在陶瓷基板2盖上有开孔的钢网模具后采用丝网印刷方式涂覆一层与芯片保形的液态硅胶透明胶体层31，固化后取下钢网即成型。
步骤S5：在透明胶体层31上涂覆光转换物质层32。将YAG基黄色光转换物质预先混入透明胶和稀释剂中制成荧光胶混合物，然后采用全自动化喷涂设备在透明胶体层上喷涂一层光转换层32，所喷涂的光转换物质层32为单一层且与透明胶体层31保形。
步骤S6：形成光学结构层33。选择具有一定粘度的硅胶作为光学结构材料，通过模具注塑成型工艺制成半球形状与光转换物质层粘结，再经热固化，脱模即形成光学结构层33。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中的封装结构3中的光学结构层33外形为方形结构。光学结构层33用于外部形状的调整，可以是实现该封装结构不同的光型要求，其材料可以为PC、PMMA、Silicone、EP、PET，玻璃中的一种或者几种组合。采用方形的外形结构可以做成小体积且易成型。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，封装结构3中的光学结构层33中包含有光转化物质，所述光转化物质为有机染料、稀土发光有机配合物、YAG、LuAG、Silicate、(Ca，Sr)AlSiN3中的一种或多种混合物，将光转化物质与液体状态的光学结构层材料预先混合在一起，然后通过涂覆、铸模等工艺步骤成型。通过将光转化物质混合入光学结构层33之中，同时实现光转化和设计光学外层结构的功能，极大地提高了生产效率，降低生产成本。
相对于现有技术，本发明将LED芯片1倒装在陶瓷基板2上，有效地改善了LED器件的散热效果。通过陶瓷基板2上的第一通孔23和第二通孔24中填入导电材料，引出LED芯片1的P极16和N极17，不需要采用金线引出P极和N极，极大的提高了LED器件的可靠性。
在LED器件的封装结构上，本发明采用多层结构使得光转化物质远离LED芯片，防止LED芯片的热量导致光转化物质的热猝灭效应。采用这种结构也可以方便的将光转化物质均匀涂覆在透明胶层外侧或者均匀混合于光学结构层，提高了LED器件光色的均匀性。同时，光转化物质的单层涂覆方式，
本发明还可以具有多种实施例，如可以将由多个LED芯片组成LED芯片组替换上述实施例中的单个LED芯片。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种无金线的LED器件，包括：
至少一LED芯片，具有P极和N极；
第一金属电极层，具有相互绝缘的P区和N区，所述P区和N区分别与所述LED芯片的P极和N极电连接；
基板，其上表面设有所述第一金属电极层；
封装结构，所述封装结构设于基板上表面，包围所述LED芯片，其特征在于，所述基板对应所述第一金属电极层的P区和N区设有第一通孔和第二通孔；及还包括
第二金属电极层，设于所述基板的下表面，具有相互绝缘的P区和N区，所述P区和N区分别与所述第一通孔和第二通孔对应；
导电填充材料，设于所述第一通孔和第二通孔之中，所述第一通孔中的导电填充材料电连接第一金属电极层的P区和第二金属电极层的P区，所述第二通孔中的导电填充材料电连接第一金属电极层的N区和第二金属电极层的N区。
2.根据权利要求1所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述LED芯片的P极和N极分别通过金属凸点与第一金属电极层的P区和N区以共晶键合的方式实现无金线的电连接。
3.根据权利要求2所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述LED芯片的P极和N极通过加热、加压或者加超声功率中的任一种或它们的组合实现与所述第一金属电极层无金线的电连接。
4.根据权利要求3所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述第一金属电极层通过化学镀或者电镀工艺实现，其材料为Ag、Cu、Al、Ag、Ni、In、Sn中的一种或者多种组成的合金。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述基板的下表面还设有一金属散热焊盘。
6.根据权利要求5所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述基板材料为氮化铝、氧化铝、SiC、AlSiC、BeO中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述封装结构包括：
透明胶层，包围所述LED芯片；
光转化物质层，包含光转化物质，涂覆在所述透明胶层外；
光学结构层，包围所述光转化物质层。
8.根据权利要求1所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述封装结构包括：
透明胶层，包围所述LED芯片；
光学结构层，其中包含有光转化物质，包围所述透明胶层。
9.根据权利要求7或8所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述透明胶层的材质为硅胶、环氧树脂、PC、PET中的一种或多种混合物，通过液态涂覆或者固态片层粘合的方式直接跟芯片接触。
10.根据权利要求7或8所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述光转化物质材料为有机染料、稀土发光有机配合物、YAG、LuAG、Silicate、(Ca，Sr)AlSiN3中的一种或者多种。
11.根据权利要求7或8所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述光学结构层材质为PC、PMMA、Silicone、EP、PET玻璃中的一种或者多种的混合物。
12.根据权利要求7或者8所述的一种无金线的LED器件，其特征在于，所述光学结构层的外形结构为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、柿饼形中的一种。
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