CN102447044B - 绝缘底板发光芯片封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光芯片封装结构，包括至少一基板单元、设置在所述基板单元上的至少一固晶区、安装在所述固晶区上的至少一发光芯片、以及在所述基板单元上设置相互隔绝的至少两个可与外界实现导电连接的基板电极；所述基板单元包括至少一绝缘底板、在所述绝缘底板上至少有两个彼此隔绝的导电顶板；所述发光芯片通过所述导电顶板与所述基板电极电连接。本发明由绝缘底板作为发光芯片的安装支架，整个结构不含不耐高温、易分解的高分子材料和有机材料，结构简单，具有良好的散热效果、耐高温、抗紫外、耐高电压的优点。

Description

绝缘底板发光芯片封装结构
技术领域
本发明涉及芯片封装结构，更具体地说，涉及一种发光芯片的封装结构。
背景技术
随着发光芯片，例如二极管(LED)芯片，发光效率的提升，LED正从传统的点线面为特征的指示和显示类应用领域向大尺寸液晶背光和室内室外普通照明类应用领域拓展。
现有的一种用于大功率LED封装的常见封装结构如图1所示，该封装结构包括LED芯片基座101、LED芯片102、金属引线103a和103b、电极片104a和104b和绝缘塑胶反射杯105。绝缘塑胶反射杯105通常采用高分子材料中耐热性相对较好的热塑性聚脂，如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，和高温塑胶，如聚对苯二酰对苯二胺(PPA)，注塑成形。改性的聚对苯二酰对苯二胺塑胶的热变形温度约300℃，连续使用温度约170℃。显然，高分子材料的耐热温度限制了上述支架的最大可承受温度和最高可持续工作温度。
通常的共晶焊温度在285℃-320℃。由于采用上述高分子塑胶或聚脂绝缘材料的上述支架的最大可承受温度仅300℃左右，使得共晶材料的选择受到了很大的局限，共晶条件也变得十分苛刻，如温度控制必须十分精确，共晶时间不能太长等，导致共晶焊技术要求高、成本高和良率低。此外，由于高分子材料抗紫外和抗高低温冲击的能力很差，使得上述支架如图1中的绝缘塑胶反射杯105在紫外光照射和高低温冲击较为恶劣的露天场合下使用时会加快老化，导致LED的使用寿命很短，应用产品的可靠性也就很差。
对采用金属芯或陶瓷芯印刷电路板(MCPCB)制作的大功率LED支架虽然能提供较大的底表面作为导热面与其它散热机构连接，但印刷电路板上用于电极间绝缘的高分子树脂材料同样限制了上述大功率支架的使用温度。上述树脂对抗紫外光照射和高低温冲击的能力也很差，使得上述大功率LED支架在紫外光照射和高低温冲击较为恶劣的露天场合下使用时会加快老化，导致LED的使用寿命很短，应用产品的可靠性也就很差。上述起绝缘层作用的高分子树脂材料，通常是50～200um。若太厚，能起绝缘作用，防止与金属基短路的效果好，但会影响热量的散发；若太薄，能较好散热，但易引起金属芯与组件引线短路。
对采用陶瓷散热基板，包括厚膜陶瓷基板，低温共烧多层陶瓷，和薄膜陶瓷基板，制作的大功率LED支架虽然能提供较大的底表面作为导热面与其它散热机构连接，陶瓷材料的散热性能也优于其它有机材料，但其不导电性要求在基板表面通过网印或溅镀，电/电化学沉积，黄光制程以及低温烧结等工艺制造导电连接金属线路层。网印方式制作的线路因为网版张网问题，容易产生线路粗糙、对位不精准的现象，溅镀，电/电化学沉积，黄光制程工艺复杂，金属线路易脱落等缺点。
很显然，现在被广泛使用的用于LED封装的支架存在本质上的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种结构简单、耐高温、耐高电压、耐紫外、散热效果良好的发光芯片封装结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种发光芯片封装结构，包括至少一基板单元、设置在所述基板单元上的至少一固晶区、安装在所述固晶区上的至少一发光芯片、以及在所述基板单元上设置相互隔绝的至少两个可与外界实现导电连接的基板电极；所述基板单元包括至少一绝缘底板、在所述绝缘底板上至少有两个彼此隔绝的导电顶板；所述发光芯片通过所述导电顶板与所述基板电极电连接。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述固晶区表面及其裸露的所述金属基底板表面可设置至少一金属层或至少一反射膜；所述固晶区上方的所述导电顶板至少有一开口；所述开口内侧壁构成所述发光芯片的第一出光空间、第一灌封围堰和第一反光侧壁；所述导电顶板开口内侧壁表面可设置至少一反射膜；所述开口内侧壁包括与所述固晶区表面垂直的光滑表面、和/或与所述固晶区表面成大于90度夹角的光滑斜面、和/或自所述固晶区表面向上延伸的光滑弧面；所述第一灌封围堰内可设置至少一第一灌封层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是另一种发光芯片封装结构，包括至少一基板单元、设置在所述基板单元上的至少一固晶区、安装在所述固晶区上的至少一发光芯片、以及在所述基板单元上设置相互隔绝的至少两个可与外界实现导电连接的基板电极；所述基板单元包括至少一绝缘底板、在所述绝缘底板上至少有两个彼此隔绝的导电顶板；所述发光芯片通过所述导电顶板与所述基板电极电连接。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述导电顶板中至少包括一导电顶板的一部分延伸到所述固晶区上方作为安装所述发光芯片的平台；所述平台表面可设置至少一金属层或至少一反射膜；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁构成所述发光芯片的第一出光空间、第一灌封围堰和第一反光侧壁；所述第一灌封围堰内可设置至少一第一灌封层；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁表面可设置至少一反射膜；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁包括与所述平台表面垂直的光滑表面、和/或与所述平台表面成大于90度夹角的光滑斜面、和/或自所述平台表面向上延伸的光滑弧面。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述导电顶板之间设有绝缘层或绝缘带，或者，在相邻的所述导电顶板之间留有空隙，或者，在所述空隙内填充绝缘材料。
在本发明的发光芯片封装结构中，在所述基板单元顶部可设置至少一围堰；所述围堰内侧壁包括与所述固晶区表面垂直的光滑表面、和/或与所述固晶区表面成大于90度夹角的光滑斜面、和/或自所述固晶区表面向上延伸的光滑弧面；所述围堰内侧壁可设置至少一反射膜；所述围堰内侧壁构成所述发光芯片的第二出光空间、第二灌封围堰和第二反光侧壁；所述第二灌封围堰内可设置至少一第二灌封层。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述第二灌封层包括至少一灌封成形具有透光或混光功能的玻璃透镜或高分子透镜；所述透镜包括至少一凸形弧状或凹形弧状或平面状光滑表面。
在本发明的发光芯片封装结构中，在所述基板单元顶部可放置至少一具有透光或混光功能、由玻璃材料或高分子材料制作的预成型透镜；所述预成型透镜包括至少一呈凸形弧状或凹形弧状或平面状光滑表面。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述发光芯片放置在所述固晶区中央或所述平台中央，并分别导电连接到对应的所述导电顶板；或者，所述发光芯片为多个，若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的所述导电顶板。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述固晶区附近或平台附近设置有分别导电连接到对应的所述导电顶板的焊线区，所述发光芯片分别导电连接到对应的所述焊线区，或其中若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的焊线区。
在本发明的发光芯片封装结构中，放置所述发光芯片下方的所述绝缘底板上设置至少一通孔：所述通孔内嵌入具导电和导热性能良好的金属基块状物。
在本发明的发光芯片封装结构中，所述基板单元的裸露表面设有增加散热表面积的散热结构、和/或涂覆有散热材料，所述散热材料具有增加表面热辐射能力和/或热传导能力。
实施本发明具有以下有益效果：本发明由绝缘底板作为发光芯片的安装支架，整个结构没有易分解的高分子和有机质材料，具结构简单、耐高温、耐高电压、耐紫外、散热效果良好的优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1：现有一种用于LED封装的常见支架和连接方式。
图2：本发明的发光芯片封装结构的第一实施例的示意图。
图3：本发明的发光芯片封装结构的第二实施例的示意图。
图4：本发明的发光芯片封装结构的第三实施例的示意图。
图5：本发明的发光芯片封装结构的第四实施例的示意图。
具体实施方式
本发明和本发明的各种用于LED封装的发光芯片封装结构的实施方案可以通过以下优选方案的描述得到充分理解，以下优选方案也可视为本发明权利要求的实例。显然，应该充分理解到由本发明权利要求所定义的本发明所涵盖的内容要比以下描述的优选实施方案更加广泛。在不偏离本发明精神和范围的情况下，借助于平常的技能可以产生更多的经过变更和修改的实施方案。所以，以下描述的实施方案仅仅是为了举例说明而不是用来局限由本发明权利要求所定义的本发明的涵盖范围。
如图2所示，是本发明的发光芯片封装结构的第一实施例，其包括绝缘底板201、导电顶板204、围堰205、固晶区210、发光芯片202、第一灌封层206、第二灌封层207、基板电极209、以及金属引线208。
所述绝缘底板201通常采用导热性能良好的陶瓷材料。如图2所示，将发光芯片202直接放置在导热性能良好的陶瓷绝缘底板201中央的固晶区210上可改善导热性能及其散热功能，使放置芯片的支架不再成为导热或散热的瓶颈。所述芯片202可以通过共晶焊，回流焊，和其它焊接或粘贴的方式固定到所述固晶区210上。通过蒸镀、电镀、溅射、或印刷等工艺在所述固晶区210表面上形成一金属层，以便与所述芯片底面的合金层在共晶焊或回流焊或其它焊接或粘贴工艺中相匹配。在金属层附近，通常有反射层，如银，铝，或以氧化物为基的全反射膜，来减少所述绝缘底板201的吸光量，增加发光效率。
共晶焊具较好的导热性能。由于所述封装结构本身不包括任何低熔点材料，所以可以在较高的温度下，允许采用较长的时间去进行共晶焊工艺，使固晶区表面能与发光芯片背面的共晶材料实现很好的共熔与浸润，可以大幅减少空洞等可能影响良率，导电性，和可靠性的缺陷的产生。
由于整个封装结构不含低熔点的高分子材料和有机材料，所述发光芯片202可以通过以锡基焊料为粘接材料的回流焊工艺固定到所述固晶区210的表面。所述固晶区210表面包括有助于回流焊的金属层与助焊剂。
对导热和散热要求不高的场合，所述发光芯片202也可以用导电银胶，锡膏，导热硅胶等材料将其固定到所述固晶区210上。
采用与芯片衬底具有相同或相近热膨胀系数的陶瓷材料作为底板可以消除或改善在使用过程中和焊接过程中热胀冷缩对封装结构的影响，从而大幅提升器件的可靠性。
绝缘底板201的背面可以通过共晶焊，回流焊，和其它焊接或粘贴的方式与其它结构件或支架相连接。在所述封装结构上，通常开有若干通孔和/或自下向上开的不通孔，用于将所述封装结构固定到其它结构件或支架上。
对具垂直结构的发光芯片202，所述固晶区表面通常包括有金属基表面层与发光芯片202的底部实现电连接，再用金属线将所述固晶区表面与一相对应的所述导电顶板204相连。对具非垂直结构的发光芯片202，其电极分别与相对应的所述导电顶板204相连。
通常采用键合，焊接，或粘贴的方式将已预成形的所述导电顶板204与所述绝缘底板201相连接。预成形导电顶板204的厚度通常大于0.05mm，通常采用金属基材料，如铜，铝，铁，钼，及其合金等，其外表面通常镀有银薄层，以改善所述导电顶板204的可焊性及其反光性能。
如图2所示，所述导电顶板204开口内侧壁为斜面以改善其反光性能，以及调整出光光强的空间分布，其表面通常镀有反射层，如银，铝，或以氧化物为基的全反射膜，以减少所述导电顶板204开口内侧壁的吸光量，增加发光效率。
所述围堰205通常是在封装过程中才加装到所述封装结构上去。通常采用嵌入和/或粘接的方式将预成形的所述围堰205加装在所述封装结构的顶部。所述围堰205通常采用金属基材料或高分子材料，如铜，铝，铁，钼合金，陶瓷，玻璃，工程塑料，聚脂，塑胶，聚乙烯等。通常所述围堰205内侧壁表面镀有反射层，如银，铝，或以氧化物为基的全反射膜，以减少所述围堰205内侧壁的吸光量，增加发光效率。所述围堰205内侧壁呈斜面或凹形弧面的光滑内表面不仅提供灌封空间，也可用于调整出光的光强分布。
通常的封装过程包括(1)将芯片202固定到如图2所示的固晶区210上；(2)通过打线，将所述发光芯片202的电极分别连接到所对应的导电顶板204上；(3)在由所述导电顶板204内侧壁构成的第一灌封围堰内灌注形成第一灌封层206。对单色LED，可以不灌注第一灌封层206，也可以灌注一灌封材料，如硅胶等，以改善出光效率和可靠性；对白色LED，所述第一灌封层206通常是包含荧光粉材料的涂敷层。所述涂敷层通常采用硅胶或环氧树脂等有机材料或低熔点玻璃材料与荧光粉混合而成。(4)在所述基板单元顶部放置所述的围堰205；(5)在所述围堰205内侧壁构成的第二灌封围堰内灌注形成第二灌封层207，灌注材料通常是硅胶或环氧树脂等高分子材料或低熔点玻璃材料。通常灌封形成具有透光或混光功能的透镜；所述透镜可具呈凸形弧状或凹形弧状或平面状光滑表面。
如图3所示，是本发明的发光芯片封装结构的第二实施例，其包括绝缘底板301、导电顶板304、固晶区310、发光芯片302、第一灌封层306、预成形透镜307、填充层305、基板电极309、以及金属引线308。
所述透镜307通常是在封装过程中才加装到所述的封装结构上去。通常采用嵌入和/或粘接的方式将预成形的所述透镜307加装在所述封装结构的顶部。所述透镜307通常采用玻璃材料或高分子材料，如光学玻璃，亚克力，环氧树脂等，其内侧壁表面镀有防反射膜或成凹凸表面，以改善光吸收能力，其外表面可呈各种凸状或凹状弧形光滑表面，以提升出光效率和调整光强分布。
通常的封装过程包括(1)将芯片302固定到如图3所示的固晶区310内；(2)通过打线，将所述发光芯片302的电极分别连接到所对应的导电顶板304上；(3)在由所述导电顶板304内侧壁构成的第一灌封围堰内灌注形成第一灌封层306。对单色LED，可以不灌注第一灌封层306，也可以灌注一灌封材料，如硅胶等，以改善出光效率和可靠性；对白色LED，所述第一灌封层306通常是包含荧光粉材料的涂敷层。所述涂敷层通常采用硅胶或环氧树脂等有机材料或低熔点玻璃材料与荧光粉混合而成。(4)在所述基板单元顶部放置所述的透镜307；(5)在所述透镜307内侧壁与所述第一灌封层306之间灌注填充层305，填充层通常采用硅胶或环氧树脂等高分子材料或低熔点玻璃材料。
如图4所示，是本发明的发光芯片封装结构的第三实施例，其包括绝缘底板401、导电顶板404、固晶区410、发光芯片402、第一灌封层406、预成形透镜407、填充层405、基板电极409、以及金属引线408。
如图5所示，是本发明的发光芯片封装结构的第四实施例，其包括绝缘底板501、导电顶板504、围堰505、固晶区510、发光芯片502、第一灌封层506、第二灌封层507、基板电极509、以及金属引线508。
如图4和图5所示，把一导电顶板204的一部分延伸到所述固晶区上方作为放置所述芯片的平台可以简化使用垂直结构芯片时的打线与封装工序，提高器件的可靠性，同时，也可以增加一个向侧面的导热通道，大幅提升所述封装结构的总体散热能力。
可以理解的，上述实施例的结构特征可以根据需要进行任意组合而组成新的实施方式，本发明的保护范围不限于上述的实施方式，应为上述结构特征的任意组合。
由导热性能优异的绝缘底板作为发光芯片的安装支架，结构简单，具有良好的散热效果；绝缘底板可以通过固定通孔用螺丝将其固定到其它部件或散热机构上，达成十分良好的散热通道；整个结构没有易分解的高分子材料和有机材料，具有耐高温、抗紫外、耐高电压的优点。另外，该封装结构除了可以应用到LED芯片的封装，也可以应用到其他芯片的封装。

Claims (10)

1.一种发光芯片封装结构，包括至少一基板单元、设置在所述基板单元上的至少一固晶区、安装在所述固晶区上的至少一发光芯片、以及在所述基板单元上设置相互隔绝的至少两个可与外界实现导电连接的基板电极；所述基板单元包括至少一绝缘底板、在所述绝缘底板上至少有两个彼此隔绝的导电顶板；所述发光芯片通过所述导电顶板与所述基板电极电连接，其特征在于，
所述发光芯片封装结构不包含熔点温度低于320℃的材料；所述固晶区表面及其裸露的所述绝缘底板表面可设置至少一金属层；所述固晶区上方的所述导电顶板至少有一开口，所述开口内侧壁构成所述发光芯片的第一灌封围堰，所述第一灌封围堰内可设置至少一第一灌封层；
在所述基板单元顶部设置至少一围堰，所述围堰采用嵌入和/或粘接的方式加装到所述基板单元的顶部；
所述固晶区表面及其裸露的所述绝缘底板表面可设置至少一反射膜；所述开口内侧壁还构成所述发光芯片的第一出光空间和第一反光侧壁；所述导电顶板开口内侧壁表面可设置至少一反射膜；所述开口内侧壁包括与所述固晶区表面垂直的光滑表面、和／或与所述固晶区表面成大于90度夹角的光滑斜面、和／或自所述固晶区表面向上延伸的光滑弧面。
2.根据权利要求l所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述发光芯片放置在所述固晶区中央，并分别导电连接到对应的所述导电顶板，或，所述发光芯片为多个，若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的所述导电顶板；
或者，所述固晶区附近设置有分别导电连接到对应的所述导电顶板的焊线区，所述发光芯片分别导电连接到对应的所述焊线区，或其中若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的焊线区。
3.一种发光芯片封装结构，包括至少一基板单元、设置在所述基板单元上的至少一固晶区、安装在所述固晶区上的至少一发光芯片、以及在所述基板单元上设置相互隔绝的至少两个可与外界实现导电连接的基板电极；所述基板单元包括至少一绝缘底板、在所述绝缘底板上至少有两个彼此隔绝的导电顶板；所述发光芯片通过所述导电顶板与所述基板电极电连接，其特征在于，
所述发光芯片封装结构不包含熔点温度低于320℃的材料；所述导电顶板中至少包括一导电顶板的一部分延伸到所述固晶区上方作为安装所述发光芯片的平台；所述平台表面可设置至少一金属层；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁构成所述发光芯片的第一灌封围堰，所述第一灌封围堰内可设置至少一第一灌封层；
在所述基板单元顶部设置至少一围堰，所述围堰采用嵌入和/或粘接的方式加装到所述基板单元的顶部；
所述平台表面可设置至少一反射膜；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁还构成所述发光芯片的第一出光空间和第一反光侧壁；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁表面可设置至少一反射膜；所述平台四周凸起的所述导电顶板内侧壁包括与所述平台表面垂直的光滑表面、和／或与所述平台表面成大于90度夹角的光滑斜面、和／或自所述平台表面向上延伸的光滑弧面。
4.根据权利要求3所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述发光芯片放置在所述平台中央，并分别导电连接到对应的所述导电顶板，或所述发光芯片为多个，若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的所述导电顶板；
或者，所述平台附近设置有分别导电连接到对应的所述导电顶板的焊线区，所述发光芯片分别导电连接到对应的所述焊线区，或其中若干所述发光芯片串联或并联或串并联后再分别导电连接到对应的焊线区。
5.根据权利要求l和3任一项所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述导电顶板之间设有绝缘层或绝缘带，或者，在相邻的所述导电顶板之间留有空隙，或者，在所述空隙内填充绝缘材料。
6.根据权利要求l和3任一项所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述围堰内侧壁包括与所述固晶区表面垂直的光滑表面、和／或与所述固晶区表面成大于90度夹角的光滑斜面、和／或自所述固晶区表面向上延伸的光滑弧面；所述围堰内侧壁可设置至少一反射膜；所述围堰内侧壁构成所述发光芯片的第二出光空间、第二灌封围堰和第二反光侧壁；所述第二灌封围堰内可设置至少一第二灌封层。
7.根据权利要求6所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述第二灌封层包括至少一灌封成形具有透光或混光功能的玻璃透镜或高分子透镜；所述透镜包括至少一凸形弧状或凹形弧状或平面状光滑表面。
8.根据权利要求l和3任一项所述的发光芯片封装结构，其特征在于，在所述基板单元顶部可放置至少一具有透光或混光功能、由玻璃材料或高分子材料制作的预成型透镜；所述预成型透镜包括至少一呈凸形弧状或凹形弧状或平面状光滑表面。
9.根据权利要求l和3任一项所述的发光芯片封装结构，其特征在于，放置所述发光芯片下方的所述绝缘底板上设置至少一通孔：所述通孔内嵌入具导电和导热性能良好的金属基块状物。
10.根据权利要求l和3任一项所述的发光芯片封装结构，其特征在于，所述基板单元的裸露表面设有增加散热表面积的散热结构、和／或涂覆有散热材料，所述散热材料具有增加表面热辐射能力和／或热传导能力。
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