CN102891240B - 倒装结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒装结构的发光二极管。发光二极管包括：至少一表面形成有电极层的晶片，以及至少邻近晶片一侧的表面为金属表面的基板；其中，电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区；晶片正极与正极金属区之间、以及晶片负极与负极金属区之间分别设置有纳米银层。本发明还公开了一种倒装结构的发光二极管的制备方法。通过上述方式，本发明能够提高导热率、导电率，并且能够提高晶片与基板的结合强度。

Description

倒装结构的发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管封装技术领域，特别是涉及一种倒装结构的发光二极管及其制备方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为第四代绿色照明光源，目前已经得到广泛的应用，随着LED芯片集成度的提高及对功率型LED的需求，大功率LED散热成为亟待解决的问题。因LED芯片的节温对温度比较敏感，若热量不能及时散出，不仅会加速光衰，同时会降低其使用寿命。

选用传统LED芯片的正装结构，一方面会由于金属电极的存在减小发光面积，而且金属电极具有一定的吸光作用，从而减小LED芯片出光量；另一方面，由于蓝宝石(Al2O3)晶片本身导热能力较差，使得有源层热量不能及时向热沉散出，导致PN结温度升高，从而使得正装结构不能满足大功率LED的封装要求。

而选用LED芯片的倒装结构，一般采用倒装焊工艺，即一般通过倒装焊将晶片电极通过焊料或焊膏直接与热沉或导热基板相结合，从而提高了晶片的发光面积，且缩短了导热通路。主要形式有以下几种：

1)焊料共晶焊接，LED晶片电极底部和高导热衬底之间通过焊料形成共晶焊接接头，通常是在晶片金电极表面通过蒸镀或其它方法形成金属层，晶片倒装时，晶片金电极表面的金属层在热和压力的作用下熔化，在晶片和热衬底或基板中间形成共晶合金。共晶层起到连接、导热和导电的作用。

2)焊膏共晶焊接，倒装晶片在与导热衬底或基板键合时，中间粘结材料采用具有一定金属成分的焊膏，焊膏点涂在衬底或基板表面，键合时晶片电极与焊膏相接触，在加热过程中，焊膏中的混合金属熔化形成合金，从而将热量从金属电极传导到热沉。

3)银胶，银胶固晶通常应用于正装工艺中，由于其操作工艺简单，也会应用于倒装焊中，方法与2)相同，将银胶取代焊膏涂覆于衬底或基板之上，晶片电极与银胶结合后进行加热固化即可。

而采用上述倒装焊工艺，通常会带来如下两种问题：

1、倒装焊通常使用Au-Sn(金-锡)焊料，该焊料存在熔点高、价格较贵、性能较脆、不易加工等缺陷。由于金锡合金的共晶温度在300℃左右，且合金熔点在共晶温度附近对成分非常敏感，故对电极和基板镀层的厚度及成分要求非常严格；Au-Sn合金的热导率在常用焊料中较高，通常其热导率范围也仅为50～60W/mK；整体上该工艺对机台性能、工艺参数、环境状况及人员技能都要求很高，可控性较差。

2、而使用无铅焊膏和银胶进行倒装固晶时，由于焊膏和银胶中都含有一定的有机高分子成分，焊膏在回流焊后形成的合金会出现有机残留物，且有较多的微观空洞产生，导致其导热、导电性能均会降低；通常使用的银胶导热率也较低，固化后的胶体由于其中有机高分子的阻隔，胶体中银颗粒之间不能形成很好的热电导路，难以很好满足倒装工艺中对导热导电材料的性能要求。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种倒装结构的发光二极管及其制备方法，能够提高导热率、导电率，并且能够提高晶片与基板的结合强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种倒装结构的发光二极管，包括：至少一表面形成有电极层的晶片，以及至少邻近晶片一侧的表面为金属表面的基板；其中，电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区；晶片正极与正极金属区之间、以及晶片负极与负极金属区之间分别设置有纳米银层，纳米银层是通过在140℃至200℃温度范围内，20min至60min时间范围内对纳米银浆进行烘烤固化、不需要回流焊工艺，使得纳米银浆中的基体成分基本挥发完全固化后形成，以使得纳米银层中纳米银所占比重不低于95.0％，其中纳米银在热作用下进行分子扩散，与基板的金属表面和晶片的电极层结合。

其中，晶片正极和晶片负极与纳米银层之间分别设置有第一过渡层。

其中，基板与纳米银层之间设置有第一金属镀层，第一金属镀层的外表面即为基板的金属表面。

其中，基板与第一金属镀层之间设置有用以提高其与第一金属镀层结合强度的第二过渡层。

其中，基板为陶瓷基板。

其中，基板是金属基板；发光二极管包括绝缘粘结层；其中，金属基板包括相互独立的正极金属基板和负极金属基板，正极金属基板对应正极金属区，负极金属基板对应负极金属区，并且，正极金属基板和负极金属基板通过绝缘粘结层连接固定。

其中，基板是金属基板；发光二极管包括导热绝缘层；导热绝缘层设置于金属基板和第一金属镀层之间。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种倒装结构的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：准备底部形成有电极层的晶片和至少邻近晶片一侧的表面为金属表面的基板，其中，电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区；在晶片正极和晶片负极上，或者在基板的金属表面上涂覆纳米银浆；将晶片正极、晶片负极通过纳米银浆与金属基板层结合；烘烤固化，其中，烘烤温度为140℃～200℃，烘烤时间为20min～60min，不需要回流焊工艺，以使得纳米银层中纳米银所占比重不低于95.0％，晶片正极和晶片负极分别通过由纳米银浆烘烤固化后形成的纳米银层连接金属表面的正极金属区和负极金属区，其中纳米银在热作用下进行分子扩散，与基板的金属表面和晶片的电极层结合。

其中，在晶片正极和晶片负极上，或者在基板的金属表面上涂覆纳米银浆的步骤之前，包括：在基板邻近晶片一侧的表面形成第一金属镀层。

其中，在基板邻近晶片一侧的表面形成第一金属镀层的步骤之前，包括：在晶片正极和晶片负极邻近基板一侧的表面形成第一过渡层，以及在基板邻近晶片一侧的表面形成第二过渡层；其中，第一过渡层用以提高晶片正极和晶片负极分别与纳米银层的结合强度，第二过渡层用以提高基板与第一金属镀层的结合强度。

其中，在晶片正极和晶片负极上，或者在基板的金属表面上涂覆纳米银浆的步骤中，通过点胶或者超精细印刷方式涂覆纳米银浆。

其中，烘烤温度为170℃，烘烤时间为40min。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过纳米银浆烘烤固化后将晶片正极、晶片负极与基板的金属表面进行粘结，由于采用纳米银浆进行烘烤固化的温度和时间易于控制，工艺难度较低，且因为纳米银浆本身价格较为低廉，因此能够降低生产成本，并且烘烤固化后形成的纳米银含所占比重高，因此能够较大程度地提高导热率和导电率，以及能够提高晶片与基板的结合强度。

附图说明

图1是本发明倒装结构的发光二极管第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明倒装结构的发光二极管第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明倒装结构的发光二极管第三实施方式的结构示意图；

图4是图1所示基板为金属基板时发光二极管的一结构示意图；

图5是图1所示基板为金属基板时发光二极管的另一结构示意图；

图6是本发明倒装结构的发光二极管的制备方法第一实施方式的流程图；

图7是本发明倒装结构的发光二极管的制备方法第二实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

参阅图1，图1是本发明倒装结构的发光二极管第一实施方式的结构示意图。本发明实施方式的发光二极管包括：晶片10、基板11以及纳米银层12。

其中，晶片10的至少一表面形成有电极层101，基板11至少邻近晶片10一侧的表面为金属表面111。电极层101包括相互绝缘设置的晶片正极1011和晶片负极1012，通常，电极层101由晶片10的P电极(图未示)、N电极(图未示)分别镀金属膜形成，进一步地，P电极镀金属膜作为晶片正极1011，N电极镀金属膜作为晶片负极1012，举例而言，该金属膜材料一般选用金。

基板11的金属表面111包括相应晶片正极1011和晶片负极1012绝缘设置的正极金属区1111和负极金属区1112。晶片正极1011和晶片负极1012分别通过纳米银层12连接金属表面111的正极金属区1111和负极金属区1112。纳米银层12主要由纳米银形成，纳米银具有较为优良的导电、导热、结合效果，纳米银在纳米银层12中的比重设计为95％以上，在一定工艺条件下甚至可以使得纳米银在纳米银层12中的比重不低于99.9％。

在发光二极管封装技术领域，现有技术中，通常采用焊膏或银胶的方式将电极层与基板的金属表面进行固定，而焊膏或银胶中的介质通常粒径较大且含有一定量的有机高分子成分，焊膏在回流焊后形成的合金会出现有机残留物，有微观空洞产生，其导热、导电性会降低；而银胶在固化后形成的胶体由于其中有有机高分子成分的阻隔，胶体中银颗粒之间不能形成很好的导电、导热路径，导热、导电性也会降低，所以银胶通常仅用于正装结构中。然而焊膏或银胶的市场成熟，在市场上容易取得，并且虽然使用焊膏或银胶存在上述缺陷，但仍可满足用户基本需求，因此本领域研发人员在早前研发发光二极管时，一直采用焊膏或银胶，在惯性技术思维下，本领域技术人员并未考虑轻易弃用容易得到焊膏或银胶，而牺牲大量人力、物力地研究如何将纳米银浆应用到倒装结构的发光二极管中。

而本发明实施方式，通过纳米银层12连接晶片10的电极层101与基板11的金属表面111，由于纳米银层12中纳米银所占比重高，其致密性高，因此能够增强晶片10与基板11的结合强度，并且具有非常好的导热性和导电性。

参阅图2，图2是本发明倒装结构的发光二极管第二实施方式的结构示意图。本发明实施方式的发光二极管不仅包括与第一实施方式结构相同或相近的晶片20、基板21以及纳米银层22，还包括：第一过渡层23。

晶片20的电极层201分别包括晶片正极2011与晶片负极2012，该晶片正极2011与晶片负极2012与纳米银层22之间分别设置有第一过渡层23。第一过渡层23一般可选用银或银合金材料，因为银或银合金与纳米银的物理性质相近，能够有效提高晶片正极2011、晶片负极2012分别与纳米银层22之间的结合强度。当然，第一过渡层23还可以选用兼具较强反光性能的材料，以增强晶片正极2011和晶片负极2012的反光能力，提高光线的利用效率。

参阅图3，图3是本发明本发明倒装结构的发光二极管第三实施方式的结构示意图。本发明实施方式的发光二极管不仅包括与第二实施方式结构相同或相近的晶片30、基板31、纳米银层32以及第一过渡层33，还包括：第一金属镀层34和第二过渡层35。

第一金属镀层34设置于基板31与纳米银层32之间，第一金属镀层34的外表面(与纳米银层32接触的一面)即为基板31的金属表面341，金属表面341上形成正极金属区3411和负极金属区3412，晶片正极3011与正极金属区3411导通，晶片负极3012与负极金属区3412导通。该第一金属镀层34是设置于基板31上的，且一般可通过印刷或者镀膜等方式设置于基板31上。并且，第一金属镀层34通常亦选用银或银合金材料，因为银或银合金与纳米银的物理性质相近，能够有效提高纳米银层32与第一金属镀层34之间的结合强度，并能够提高导电性和导热性。

当然，还可以在基板31与第一金属镀层34之间设置第二过渡层35。第二过渡层35通常选用具有较好金属粘合性的材料制得，使得第二过渡层35能提高基板31与第一金属镀层34的结合强度。举例而言，基板31为铜基板时，第二过渡层34可以是镍层，可先对铜基板的表面进行简单处理后，镀第二过渡层35，然后在第二过渡层35镀上第一金属镀层34，在基板31上设置第二过渡层3仅能够有效提高基板31与第一金属镀层34的结合强度；另外，如果直接在基板31上设置第一金属镀层31，以第一金属镀层34为银材料为例，需要较多银，而采用第二过渡层35进行过渡，所需银的使用量可以降低，能够降低生产成本。

本发明实施方式，在基板31与纳米银层32之间增设第一金属镀层34，能够增强晶片30与基板31的结合强度。另外，在基板31与第一金属镀层34之间增设第二过渡层35，能够进一步提高晶片30与基板31的结合强度，并且能降低生产成本。

上述各实施方式中，基板可以是陶瓷基板；当然，基板还可以是金属基板。请参阅图3和图4，图4和图5分别是图1所示基板为金属基板时发光二极管的一结构示意图和另一结构示意图。

发光二极管在一种结构中，如图4所示，基板41为金属基板时，发光二极管包括绝缘粘结层46，其中，金属基板41包括相互间隔设置的正极金属基板4101和负极金属基板4102，正极金属基板4101对应金属表面441的正极金属区4411，负极金属基板4102对应金属表面441的负极金属区4412，并且，正极金属基板4101和负极金属基板4102通过绝缘粘结层46连接固定。该绝缘粘结层46有多种选择，举例而言，如绝缘铝聚乙烯粘结层。

发光二极管在另一种结构中，如图5所示，基板51为金属基板时，发光二极管包括导热绝缘层56，导热绝缘层56设置于金属基板51和用以形成金属表面541的第一金属镀层54之间。

本发明还提供一种倒装结构的发光二极管的制备方法。

参阅图6，图6是本发明倒装结构的发光二极管的制备方法第一实施方式的流程图。本发明实施方式包括如下步骤：

步骤S11，准备底部形成有电极层的晶片和至少邻近晶片一侧的表面为金属表面的基板。

其中，电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区。

步骤S12，在晶片正极和晶片负极上，或者在基板的金属表面上涂覆纳米银浆。

在步骤S12中，一般通过点胶或者超精细印刷方式涂覆纳米银浆。

步骤S13，将晶片正极、晶片负极通过纳米银浆与基板结合。

通常，采用传统固晶技术并通过纳米银浆将晶片正极、晶片负极与基板相结合。晶片正极和晶片负极分别通过纳米银浆连接金属表面的正极金属区和负极金属区。

步骤S14，烘烤固化。

本发明实施方式中，纳米银浆可以选择低温烧结纳米银浆，其组分与重量百分比如下表所示：

组分	重量百分比(％)
		平均粒径为20～50nm的纳米银粉	78.5～89.5
有机载体聚乙烯醇	5.0～10.0
		有机溶剂柠檬酸三丁脂	5.0～10.0
表面活性剂松香酸	0.5～1.5

比如，纳米银粉、有机载体聚乙烯醇、有机溶剂柠檬酸三丁酯以及表面活性剂松香酸的重量百分比可以是选取如下几种匹配情况：

(1)纳米银粉占78.5、有机载体聚乙烯醇占10.0、有机溶剂柠檬酸三丁酯占10.0以及表面活性剂松香酸占1.5；

(2)纳米银粉占89.5、有机载体聚乙烯醇占5.0、有机溶剂柠檬酸三丁酯占5.0以及表面活性剂松香酸占0.5；

(3)纳米银粉占84.0、有机载体聚乙烯醇占7.5、有机溶剂柠檬酸三丁酯占7.5以及表面活性剂松香酸占1.0。

而在步骤S14，在140℃至200℃温度范围内，以及控制时间在20min～60min范围内直接进行烘烤，比如可在140℃温度、60min时间内烘烤，或者在200℃温度、20min时间内烘烤，或者170℃温度、40min时间内烘烤，不需要回流焊工艺，即可最终形成倒装结构的发光二极管。此时纳米银在由纳米银浆形成的纳米银层中所占比重可达95.0％及以上，导热率可达到76W/mK及以上，发光二极管的导热性、导电性及结合性效果最佳，产品可靠性强、良率高。

本发明实施方式，在烘烤固化过程中，纳米银浆中的基体成分基本挥发完全，固化后形成纳米银层，其中纳米银含量高，纳米银在热作用下进行分子扩散，与基板的金属表面和晶片的电极层能够很好的结合，纳米银层还兼具良好的导热性和导电性，其中纳米银层的导热率较好。另外，烘烤固化的条件容易控制，工艺简单、成本低，且没有有机物污染。

参阅图7，图7是本发明倒装结构的发光二极管的制备方法第二实施方式的流程图。本发明实施方式包括如下步骤：

步骤S21，准备底部形成有电极层的晶片和至少邻近晶片一侧的表面为金属表面的基板。

步骤S22，在晶片正极和晶片负极邻近基板一侧的表面形成第一过渡层，以及在基板邻近晶片一侧的表面形成第二过渡层。

其中，第一过渡层用以提高晶片正极和晶片负极分别与纳米银层的结合强度，第二过渡层用以提高基板与第一金属镀层的结合强度。

步骤S23，在第二过渡层表面形成第一金属镀层。

步骤S24，在晶片正极和晶片负极上，或者在基板的金属表面上涂覆纳米银浆。具体地，在第一过渡层或者在第一金属镀层上涂覆纳米银浆。

步骤S25，将晶片正极、晶片负极通过纳米银浆与基板结合。

步骤S26，烘烤固化。

本发明实施方式中，步骤S22是可选取的，即，可以在基板邻近晶片一侧的表面直接设置第一金属镀层，即无需在基板邻近晶片一侧的表面设置第二过渡层之后再在第二过渡层上设置第一金属镀层。

本发明实施方式，通过工艺步骤在电极层与纳米银层之间增设第一过渡层，以及在基板的金属表面与纳米银层之间增设第一金属镀层，能够增强晶片与基板的结合强度。另外，通过工艺步骤在基板与第一金属镀层之间增设第二过渡层，能够进一步提高晶片与基板的结合强度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种倒装结构的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：

至少一表面形成有电极层的晶片，以及至少邻近所述晶片一侧的表面为金属表面的基板；

其中，所述电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，所述基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区；

所述晶片正极与正极金属区之间、以及所述晶片负极与负极金属区之间分别设置有纳米银层，所述纳米银层是通过在140℃至200℃温度范围内，20min至60min时间范围内对纳米银浆进行烘烤固化、不需要回流焊工艺，使得所述纳米银浆中的基体成分挥发完全固化后形成，以使得所述纳米银层中纳米银所占比重不低于95.0％，其中所述纳米银在热作用下进行分子扩散，与所述基板的金属表面和所述晶片的电极层结合。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，

所述晶片正极和晶片负极与纳米银层之间分别设置有第一过渡层。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，

所述基板与纳米银层之间设置有第一金属镀层，所述第一金属镀层的外表面为基板的金属表面。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，

所述基板与第一金属镀层之间设置有用以提高所述基板与第一金属镀层结合强度的第二过渡层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的发光二极管，其特征在于，

所述基板为陶瓷基板。

6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，

所述基板是金属基板；

所述发光二极管包括绝缘粘结层；

其中，所述金属基板包括相互独立的正极金属基板和负极金属基板，所述正极金属基板对应正极金属区，所述负极金属基板对应负极金属区，并且，所述正极金属基板和负极金属基板通过绝缘粘结层连接固定。

7.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，

所述基板是金属基板；

所述发光二极管包括导热绝缘层；

所述导热绝缘层设置于金属基板和第一金属镀层之间。

8.一种倒装结构的发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备底部形成有电极层的晶片和至少邻近所述晶片一侧的表面为金属表面的基板，其中，所述电极层包括相互绝缘设置的晶片正极和晶片负极，所述基板的金属表面包括相应晶片正极和晶片负极绝缘设置的正极金属区和负极金属区；

在所述晶片正极和晶片负极上，或者在所述基板的金属表面上涂覆纳米银浆；

将所述晶片正极、晶片负极通过纳米银浆与基板结合；

烘烤固化，其中，烘烤温度为140℃～200℃，烘烤时间为20min～60min，不需要回流焊工艺，以使得所述纳米银层中纳米银所占比重不低于95.0％，所述晶片正极和晶片负极分别通过由烘烤固化后形成的纳米银层连接金属表面的正极金属区和负极金属区，其中纳米银在热作用下进行分子扩散，与所述基板的金属表面和所述晶片的电极层结合。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述晶片正极和晶片负极上，或者在所述基板的金属表面上涂覆纳米银浆的步骤之前，包括：

在所述基板邻近所述晶片一侧的表面形成第一金属镀层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述基板邻近所述晶片一侧的表面形成第一金属镀层的步骤之前，包括：

在所述晶片正极和晶片负极邻近所述基板一侧的表面形成第一过渡层，以及在所述基板邻近所述晶片一侧的表面形成第二过渡层；其中，所述第一过渡层用以提高所述晶片正极和晶片负极分别与所述纳米银层的结合强度，所述第二过渡层用以提高所述基板与第一金属镀层的结合强度。

11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述晶片正极和晶片负极上，或者在所述基板的金属表面上涂覆纳米银浆的步骤中，通过点胶或者超精细印刷方式涂覆纳米银浆。

12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述烘烤固化的步骤之中，所述烘烤温度为170℃，所述烘烤时间为40min。