CN102339944A - 发光二极管的封装结构 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管的封装结构，包括一导热基板、设置于导热基板上的一晶粒、及将晶粒封装于导热基板上的封装体，该晶粒与导热基板之间设有一金属共晶层，该金属共晶层由镀设在晶粒上的一金属层及镀设导热基板上的另一金属层共晶结合形成。本发明的发光二极管的封装结构将晶粒通过共晶直接结合于导热基板上，从而有效地减小了晶粒与导热基板之间的界面层，使晶粒产生的热量能够直接经由具有导热效率较高的金属共晶层及导热基板传导出去，提高了发光二极管的封装结构的散热效率。

Description

发光二极管的封装结构

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别是指一种发光二极管的封装结构。

背景技术

目前，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)因具光质佳及发光效率高等特性而逐渐取代冷阴极荧光灯(Cold Cathode FluorescentLamp，CCFL)，成为照明装置中的发光组件。

现有的一种发光二极管的封装结构，是将晶粒封装后粘着于一印刷电路板(PCB)上，然后将电路板与一金属基板结合。同时，为了能够将封装后的晶粒固定于该PCB上，晶粒与PCB之间通常会经由银胶等粘结材料粘接。因此，在该发光二极管的封装结构中，晶粒与金属基板间的界面层较多，即晶粒产生的热量需经由基座、电极、焊料、PCB才能到达金属基板，这当中存在着较大热阻，导致晶粒产生的热量不能快速、及时地散发掉。晶粒发光时所产生的热能若不能及时导出，将会使晶粒的结面温度过高，进而影响其生命周期及发光效率。

发明内容

有鉴于此，实有必要提供一种制造具有较高散热效率发光二极管的封装结构。

一种发光二极管的封装结构，包括一导热基板、设置于导热基板上的一晶粒、及将晶粒封装于导热基板上的封装体，该晶粒与导热基板之间设有一金属共晶层，该金属共晶层由镀设在晶粒上的一金属层及镀设导热基板上的另一金属层共晶结合形成。

进一步地，该晶粒具有一与金属共晶层接触的衬底，一导热膏围设在衬底及金属共晶层周围，以使晶粒充分地与导热基板热连接。

相对于现有技术，本发明的发光二极管的封装结构将晶粒通过共晶直接结合于导热基板上，从而有效地减小了晶粒与导热基板之间的界面层，使晶粒产生的热量能够直接经由具有导热效率较高的金属共晶层及导热基板传导出去，提高了发光二极管的封装结构的散热效率；并且通过围设在衬底及金属共晶层周围的导热膏使晶粒充分地与导热基板热连接。

附图说明

图1为现有技术的发光二极管的封装结构的剖面示意图。

图2为本发明第二实施例的发光二极管的封装结构的剖面示意图。

图3为本发明第三实施例的发光二极管的封装结构的剖面示意图。

主要元件符号说明

导热基板                    10、10a

晶粒                        20

凹槽                        12

导热膏                      14

衬底                        26

电极                        22、22a

金属线                      24

电绝缘层                    30

电极电路层                  40

共晶层                      50

封装材料                    60

发光二极管的封装结构        70、80、90

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参照图1，本发明第一实施例发光二极管的封装结构80包括一导热基板10、固定在导热基板10上的晶粒20及对晶粒20进行封装的封装材料60。

该导热基板10为一导热系数大于20(W/mK)的高导热系数基板，例如，硅(Si)或其他半导体板，铝(Al)、铜(Cu)等金属板。该导热基板10开设至少一凹槽12用以容置晶粒20，该凹槽的横截面大于该晶粒20的横截面。可以理解的，该导热基板10并不限于平板状，其也可以是具有多个不同平面的多角形。另外，当该导热基板10的材料为金属时，还可以于导热基板10一侧表面形成若干散热鳍片，以利于增加其散热效率。

该导热基板10上形成一电绝缘层30及该电绝缘层30上形成一电极电路层40。该电绝缘层30具体根据导热基板10采取不同的材料可为如下层级：

1)介电层，该介电层可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、氮氧硅(SixOyNz)、旋涂式玻璃(spin on glass，SOG)、氧化铝(Al_xO_y、Al_xN_y)、铝、氧和硅的化合物(Al_xO_yN_z)等等中的一种；

当导热基板10为硅(Si)板时，则采用不同的方法可以得到不同材料的电绝缘层30：1.氧化法，即直接在硅(Si)板表面氧化形成二氧化硅(SiO₂)层；2.氮化法，即在高温下通入氮气于硅(Si)板表面形成氮化硅(Si_xN_y)层；3.结合以上两种方法形成氮、氧和硅的化合物(Si_xO_yN_z)层；4.旋转涂胶(Spin Coating)法，涂布旋涂式玻璃(spin on glass，SOG)于Si板表面，再以适当温度加热形成均匀的氧化硅层。

当导热基板10为铝(Al)板，则采用不同的方法可以得到不同材料的电绝缘层30：1.氧化法，Al板表面氧化形成氧化铝(Al_xO_y)；2.氮化法，在高温下通入氮气于Al板表面形成氮化铝(Al_xN_y)层；3.结合以上两种方法形成铝、氧和硅的化合物(Al_xO_yN_z)层。在以上的方法中，还可以在其制程中通入游离气体形成电浆，以增大氧化物或氮化物形成的速度及致密程度。

2)塑料高分子层，该塑料高分子层可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、环氧树脂(epoxy resin)、硅树脂(silicone)中的一种；

3)固态平板层，该固态平板层可以为玻璃纤维(fiberglass)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)中的一种。

该电极电路层40可以是镍(Ni)、金(Au)、锡(Sn)、铍(Be)、铝(Al)、铟(In)、钛(Ti)、钽(Ta)、银(Ag)、铜(Cu)等金属或其合金，或者是透明导电氧化物(TCO)，如铟锡金属氧化物(Indium Tin Oxides，ITO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、铝掺杂氧化锌(AZO)等材料。

形成该电极电路层40的制程方法可采用物理沉积法，如溅射(sputter)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、电子束蒸发沉积(e-beam evaporation deposition)，或者采用化学气相沉积法，如化学蒸汽沉积(chemical vapor deposition，CVD)、电镀电化学沉积，或者采用网印技术将材料印制于导热基板10的电绝缘层30上，经过干燥、烧结、镭射等步骤而成。

该晶粒20可以是磷化物(Al_xIn_yGa_(1-x-y)P(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1))或砷化物(Al_xIn_yGa_(1-x-y)As(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1))，也可以采用具有可发射足以激发荧光材料的长波长光的半导体材料，诸如各种氧化物，如ZnO或氮化物，如GaN，或者可发射足以激发荧光材料的短波长光的氮化物半导体(In_xAl_yGa_(1-x-y)N，0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1))。本实施方式中，该晶粒20采用具有可发射足以激发荧光材料的短波长光的氮化物半导体(In_xAl_yGa_(1-x-y)N，0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1))，并可发出具有UV光至红光波长的光。该晶粒20的衬底26为本征半导体(intrinsicsemiconductor)或者是不刻意掺杂其它杂质的其它半导体(unintentionally doped semiconductor)。该衬底26的载子浓度(carrierconcentration)小于或者等于5×10⁶cm^-3。优选地，该衬底26的载子浓度小于等于2×10⁶cm^-3。衬底26的载子浓度越低，其导电率就越低，就越能够隔绝流经衬底26的电流。例如，该衬底26的材料可以是尖晶石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铝(AlN)等半导体材料，或者导热性能佳且导电性能差的材料，如钻石。另外，该晶粒20的衬底26的热膨胀系数与该导热基板10的热膨胀系数接近，从而使该导热基板10与晶粒20结合后可以抗热冲击，容许较大范围的操作温度。晶粒20的顶部两侧分别设有二电极22。

将晶粒20容置于导热基板10的凹槽12内，晶粒20与导热基板10之间还设有一金属共晶层50，该金属共晶层50是由晶粒20的衬底26、导热基板10上先分别镀上一金属层(图未示)，然后将这二金属层在特定温度下烘烤通过共晶结合(eutectic bonding)而形成。由于通过晶粒20、导热基板10上先镀金属层再共晶结合而形成该金属共晶层50，大大减少了金属层与晶粒20及导热基板10的热阻，增加了热传递效率。

该发光二极管的封装结构然还包括填设在导热基板10的凹槽12与晶粒20之间的电气绝缘的导热膏14。在本实施例中，该导热膏14具体地填充围设在衬底26及金属共晶层50周围，并充分地与导热基板10热连接。该金属共晶层50的材料可以是Au、Sn、In、Al、Ag、Bi、Be等金属或其合金。

该晶粒20上还设有二金属线24分别连接电极22与该电极电路层40。该金属线24的材料可以是Au、Sn、In、Al、Ag、Bi、Be等金属或其合金。

所述封装材料60可以是silicone、epoxy resin、PMMA等热固形透光材料。该封装材料60可以通过射出成型的方式来制成各种形状如半球形、圆顶型或方形。此外，为转换该晶粒20出射光的波长，可以在封装材料60内填充至少一荧光材料，如硫化物(sulfides)、铝酸盐(aluminates)、氧化物(oxides)、硅酸盐(silicates)、氮化物(nitrides)等材料。

如图2所示，为本发明第二实施例发光二极管的封装结构90。该发光二极管的封装结构90与第一实施例的发光二极管的封装结构80的不同之处在于该发光二极管的封装结构90的导热基板10a的材料选择不导电、高热导率、低热膨胀系数的陶瓷材料，如Al_xO_y、AlN、氧化锆(ZrO₂)等，并且由于陶瓷材料不导电，因而可以在该导热基板10a上直接形成一电极电路层40，因此无需在该导热基板10a上形成电绝缘层。

如图3所示，为本发明第三实施例发光二极管的封装结构70。该发光二极管的封装结构70与第二实施例的发光二极管的封装结构90的不同之处在于，晶粒20上的电极22a采取黄光制程(lithography)直接与导热基板10a上的电极电路层40一体连接，而不是通过金属线24连接。该导热膏14填充在晶粒20与导热基板10a之间。在本实施例中，该导热膏14与电极22a接触，充分将热量传递至导热基板10a。另外，该晶粒20的P型与N型电极22a的高度设置成相同，以方便制程安排，增加良率。该电极22a与导热膏14均可以采用透明材料制成，以增加发光二极管的封装结构70的出光效率。

与现有技术相比，该发光二极管的封装结构70、80、90将晶粒20通过共晶直接结合于导热基板10上，从而有效地减小了晶粒20与导热基板10之间的界面层，使晶粒20产生的热量能够直接经由具有导热效率较高的金属共晶层及导热基板10传导出去，提高了发光二极管的封装结构70、80、90的散热效率；并且由于发光二极管的封装结构80的电绝缘层30及发光二极管的封装结构90的导热基板10a电性绝缘，所以能把散热路径和电路路径区隔开，形成热电分离的结构。

Claims (10)

1.一种发光二极管的封装结构，包括一导热基板、设置于导热基板上的一晶粒、及将晶粒封装于导热基板上的封装体，其特征在于：该晶粒与导热基板之间设有一金属共晶层，该金属共晶层由镀设在晶粒上的一金属层及镀设导热基板上的另一金属层共晶结合形成。

2.如权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该晶粒具有一与金属共晶层接触的衬底，一导热膏围设在衬底及金属共晶层周围，以使晶粒充分地与导热基板热连接。

3.如权利要求2所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：还包括一形成于该导热基板上的电极电路层，所述晶粒引出二电极直接连接该电极电路层，所述导热膏与该电极接触。

4.如权利要求2所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：所述衬底的载子浓度小于或等于2×10⁶cm^-3。

5.如权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该金属共晶层的材料是金属Au、Sn、In、Al、Ag、Bi或Be或其合金。

6.如权利要求1所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：还包括一形成于该导热基板上的电极电路层，所述晶粒引出二电极，二金属线分别连接电极与该电极电路层。

7.如权利要求6所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该导热基板为不导电的陶瓷材料Al_xO_y、AlN或ZrO₂，该电极电路层直接形成于该导热基板上。

8.如权利要求6所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该导热基板由导电材料制成，所述导热基板与电极电路层之间还设有一电绝缘层。

9.如权利要求8所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该导热基板为Si板，该电绝缘层为SiO₂层、Si_xN_y层或者Si_xO_yN_z层。

10.如权利要求8所述的发光二极管的封装结构，其特征在于：该导热基板为Al板，该电绝缘层为Al_xO_y层、Al_xN_y层或者Al_xO_yN_z层。

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