CN103377908B - Led芯片斜切割方法、led发光基元及led照明装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种LED芯片斜切割与连接方法、LED发光基元及照明装置。其中所述的方法的特征在于对LED芯片进行斜切割，包括步骤：选择n(n是大于1的整数)片同类型LED芯片并去除每一LED芯片的衬底；通过透明电极将所述已经去除衬底的n片LED芯片的PN结串接并粘合成一个LED芯片的叠层体；按照与叠层平面呈预定角度α斜切割所述的LED芯片的叠层体，获得发光面扩展的LED芯片；封装所述的发光面扩展的LED芯片。

Description

LED芯片斜切割方法、LED发光基元及LED照明装置

技术领域

本发明涉及LED照明技术。具体地说，本发明涉及LED芯片的切割与连接方法、采用这种切割与连接方法制成的LED发光基元以及由该LED发光基元组成的照明装置。

背景技术

LED光子引出方式及其引出效率决定了采用LED作为发光源的照明装置的使用效率和应用前途。现有技术的LED无论是选用毫米(mm)级还是微米(μm)级芯片封装，由于光子从LED有源层逸出到空间的路径十分复杂，在逸出过程中会发生透射、反射和吸收等现象，其传导行程的每一步中都会使光子损失。因此，现在LED虽然内量子效率可以做到100％，理论光效达到360lm/W左右；但是，外量子效率一般仅在25％左右，光效100lm/W上下；其余导入芯片的电能大部分转换成了热量。

面对光子引出和散热这两个LED应用难点，首先需要考虑如何解决光子引出效率，如果能够高效地将尽可能多的光子有效地引出用于发光，就能够相应地降低产生热量的光子无效损耗，从这一点上来说，提高LED的光子的有效引出的比例就是提高LED应用效率最有效的途径，也是最积极的散热措施。

为了提高光子的引出效率，本领域的已有技术已公开例如若干种光子的引出方法，其中比较典型的方法有：开解锥洞法，即通过在LED的6个面上开外大内小的解锥洞(亦即一只芯片最多可以开到6个)来提高光子的引出效率；倒金字塔法，核心在于利用特殊的切片刀具，将LED台面制成平头倒金字塔形状的结构，键合到透明基片上，提高光子引出的外量子效率；衬底剥离法，其中要将LED的GaAs衬底剥离，换成透明衬底，然后粘结在透明的GaP衬底上，使光从下底面出射，所以又被称为透明衬底LED(TS-LED)法；直接侧引法，其中把芯片尺寸尽量设计到最小尺寸，5年前25×25微米芯片贴装技术已经成熟，目前报道最小尺寸为16×16微米，外量子效率＞55％。

上述几种方法以直接侧引出法效率最高，光效可达130lm/w。采用直接侧引出法的LED光引出的专利文件可见中国专利申请CN200810093558.3(发明名称：管型基元LED及管型基元LED组成的照明装置)。该专利文件作为本申请的背景技术全文并入本申请作为参考。

在上述的已有技术中，采用1×1mil(约25×25微米)芯片直接贴装在发光基板上(即近年来流行的COB封装形式)。除去复杂的工艺操作之外，(例如如此众多的芯片(如25×25微米芯片一般要求贴装1600pis/1W)都要在贴装工序要一一固晶、焊线、点荧光粉、点胶，虽然都是高速自动化机械来完成，但复杂程度高且综合成本更高，直接影响LED进入白光普通照明领域)，更为困难的问题是1×1mil(约25×25微米)芯片光子侧引出面积与芯片正面引出面积之比例依然太小(参见上述背景技术专利文件的附图5)，将芯片设计面积进一步减小可以再提高光效，但微晶芯片的厚度3～4微米，对1×1mil(约25×25微米)芯片来说侧面积仅仅350平方微米，只占25×25×2＝1250平方微米的28％；如果考虑进一步提高光子引出效率，必须再减小芯片的尺寸，使得侧引出面积的比例大于正面；但是从工艺成本来说，即便是技术可行成本也是不可行的。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种LED芯片斜切割方法。同时本发明还提供了采用所述方法制成的发光面扩展的LED芯片的LED发光基元以及采用该LED发光基元的LED照明装置。

根据本发明的一个方案，一种LED芯片斜切割方法包括步骤：选择n(n是大于1的整数1)片同类型LED芯片并去除每一LED芯片的衬底；通过透明电极将所述已经去除衬底的n片LED芯片的PN结串接并粘合成一个LED芯片的叠层体；按照与叠层平面呈非垂直的预定角度α斜切割所述的LED芯片的叠层体，获得发光面扩展的LED芯片；封装所述的发光面扩展的LED芯片。

在根据本发明上述方法的一个方案中，其中所述预定角度α被优选在0°＜α≤60°之间，切割形成的发光面扩展的LED芯片的厚度在2μm～5μm之间。

在根据本发明上述方法的一个方案中，其中所述封装采用的是COB、SDM或其它适当的封装。

在本发明上述方法技术方案的基础上，本发明进而采用上述形成的发光面扩展的LED芯片来构成发光基元，其中根据应用的要求把适量的发光面扩展的LED芯片进行并联/串联连接，而构成LED发光基元，并且根据所述构成的LED发光基元中的PN结串接的级数来确定供电电源的端电压。

本发明还采用上述LED发光基元来形成LED照明装置，其中将所述LED发光基元按照需要的发光功率的要求进行组合，并且以预定的几何形状排列在照明装置中。

根据本发明的技术方案，通过对于形成的LED芯片的叠层体进行与叠层平面呈非垂直的预定角度α斜切割，使得形成的LED芯片的发光表明的面积得到扩大，直接提高了光子的输出面积和光子引出的效率。由于根据本发明获得的发光面扩展的LED芯片的发光效率提高，从而使得由此形成的LED发光基元和使用所述LED发光基元制作的照明装置的发光效率提高、热损耗大幅降低。

附图说明

图1是根据本发明形成的单层LED芯片的示意图。

图2是根据本发明形成的LED芯片的叠层体的示意图。

图2a示出在图2的LED芯片的叠层体上附加电极之后的情况。

图3示出对图2a示出的附加电极之后的LED芯片的叠层体进行斜切割的示意图。

图3a、图3b和图3c分别示出以接近0°、45°和60°进行斜切割形成的发光面扩展的LED芯片的示意图。

图4a和图4b分别示出了两种对于形成的发光面扩展的LED芯片进行组合封装而形成LED发光基元的情况。

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明的实施例。在附图中相同的标号表示相同的部件。

首先，选择n(n为大于1的整数)片同类型LED芯片并去除每一LED芯片的衬底。参考图1所示，对大尺寸的芯片首先进行衬底剥离，如果图中符号P表示P型半导体材料层而符号N表示N型半导体材料层，则在两层接触面的位置形成有源发光层A，即通常所知的pn结层，其在正向导通的情况下发光。随后在两面都分别通过外延技术或者扩晶技术来直接粘接约1.5微米厚度的透明电极层，例如透明Al₂O₃电极层。在图1所示的单片中并没有专门示出所述的透明电极层。更具体地说，在把衬底剥离后的芯片两面分别被外延或者扩晶之后，直接附接约1.5微米厚度的透明电极，此外延或者扩晶后直接附接约1.5微米厚度的透明电极之后的芯片的总厚度约7.0微米。随后可以根据使用的需要对于形成的芯片做切割，例如将图1所示的单片切割成为宽D为0.5～2.5mm、长L为10～100mm的条状LED芯片。

随后，通过透明电极将所述已经去除衬底的n片(例如24片)条状LED芯片的pn结层串接并粘合成一个LED芯片的条状叠层体，如图2所示。由于层与层之间的粘接锡膏约2.0微米，可知该LED芯片的条状叠层体的宽度为D、长度为L而厚度M大致为24×(7.0+2.0)微米＝216微米。

随后要为所述的LED芯片的条状叠层体构造芯片电极，具体做法如下。如图2a所示，其中示出的24层的每一层都表示包括图1所示的已经衬底剥离的LED芯片。在所述LED芯片条状叠层体的最上层已经衬底剥离的LED芯片的上表面形成芯片电极S1，在最下层已经衬底剥离的LED芯片的下表面形成芯片电极S2。具体地说，在所述LED芯片的条状叠层体的最上层表面和最下层表面上附以厚度为2微米的锡膏焊接层，随后再在此焊接层上采用例如紫铜或者铜合金材料构成呈凸形的长方体形状的电极S 1和电极S2。这两个电极的长度与芯片条状叠层体的长度L一样，电极凸形底部宽度d约为0.2mm，高度H约为1.5mm。通过回流焊技术将所述的锡膏焊接层和所述的长方体形状的电极形成为一体，从而形成从电极S 1到LED芯片条状叠层体、再到电极S2的电连接和牢固的固定。由此可知，如图2a所示的24片芯片叠层体厚度+两端电极之后的总高度M＝216微米+(1502微米×2)，约为3220微米。

本专业的技术人员能够理解到，为了使得LED芯片条状叠层体中的每一层中的有源层A(pn结)发光而加在电极S1和S2之间的电压直接与所述LED芯片条状叠层体所叠加的层数相关。例如在图2a所示的LED芯片条状叠层体的情况下(例如24片LED芯片)，施加的电压为74.4V；当采用33片LED芯片时，输入的标称电压就要达到102.3V；当采用66片LED芯片时，输入的标称电压就则要达到204.6V，等等。随着形成LED芯片条状叠层体采用的LED芯片的层数的增加，需要施加的电压也相应增加，同时LED芯片条状叠层体的厚度M也增加，例如当叠层采用了33片LED芯片时，厚度将增加到约为297微米，加上两端电极后约为3301微米。

随后，按照与LED芯片条状叠层体平面呈预定角度α，来斜切割所述的LED芯片的叠层体，获得发光面扩展的LED芯片，如图3所示。

具体地说，可以用激光或者离子束以α角分别为接近0°、45°及60°对图2a所示的带有电极S1和S2的LED芯片条状叠层体进行斜切割。例如，把图2a所示的LED芯片条状叠层体斜切割成为厚度约为5微米的薄片，目前5微米切割技术已经十分成熟。实际上还可以设计切割得更薄一些，例如切割成厚度约为2～3微米的薄片。切割越薄、角度越大光子引出效果越好。如果切割厚度接近4微米、切割角度达到60°时，芯片光子侧引出面积将接近为原来正侧面引出方式(如前面引用的已有技术中所示的芯片光子侧引出)的2倍以上。切割好的发光面扩展的LED芯片如图3a(接近0°切割)、图3b(45°切割)和图3c(60°切割)所示。两端的电极引线是通过对于上述的电极S1和S2进行类似切割而形成的两个薄铜片构成，厚与芯片一样，即大约为5微米，宽即d约为0.2mm，平均长度约为1.5mm。这样作为芯片pn结的输入引线，可以任意设计其电连接方式，十分方便。

随后，对上述获得的发光面扩展的LED芯片做封装。芯片封装形式目前用于普通照明最佳的办法是COB(chip On board)封装形式，当然也完全可以满足其他封装形式，如SMD(Surface MountedDevices)、多芯片大功率封装等。基板最佳是采用导热性能好的透明板，例如采用透光和传热特性均优良的高纯高致密度氮化硅、半透明多晶氧化铝，也可以采用透射好热传导差一些的石英玻璃、高硼玻璃或者微晶玻璃。当然如果不考虑芯片两面同时良好的光子引出也可以采用较低成本又有较好热传导功能的普通陶瓷基板，此时贴装在基板一面引出的光子被陶瓷基板和涂覆在基板上导热硅膏的白色面反射，大部分光子可通过芯片极间的透明电极和芯片本身透明层而透射出来。甚至可以采用PCB线路板，虽然此时的散热特性略差，且必需在PCB板的覆铜上加绝缘导热材料而直接贴装，但是其工艺简单且性价比高，在一般应用中也是可以满足要求的。

从理论上说，采用上述的封装技术对图3a～3c所示的发光面扩展的LED芯片进行封装后即可作为最基础的发光元件。但是，从上面的分析可知，这样封装后得到的发光元件作为一个点光源在几何尺寸上是很小的(如上面所述的实例中，仅有零点零几平方毫米的发光点)，因此为了使用的方便，通常将上述的发光面扩展的LED芯片制成发光“基元”LED，以适应进一步加工应用的需要。可以理解，“基元”LED指的是N(N≥1)个上述发光面扩展的LED芯片经过按照应用需要而进行串并联组合而组成一个能够发光的整体。

本发明中以非限制性示例的方式给出了两种形成上述定义的基元的实施例。

如图4a所示，是10个COB封装的上述图3a～3c所示的发光面扩展的LED芯片贴装在PCA或者普通陶瓷长条形板上，形成一个条带状的发光基元LED，∑S 1和∑S2作为该条带状发光基元LED的电极，使得这10个发光面扩展的LED芯片构成并联电连接关系，这样形成的条带状发光基元LED的宽度大致为11.5mm，长度大致为39.0mm。

如图4b所示，是62个COB封装的上述图3a～3c所示的发光面扩展的LED芯片贴装在普通圆形陶瓷基板或者扩大基板圆面积大规模贴装在氮化硅基板(当然也可以是其他任意几何形状的基板、如矩形，未画出示图)上形成中等规模的圆形发光基元LED。∑S 1和∑S2作为该圆形发光基元LED的电极。这样形成的圆形发光基元LED的直径大致为37.0mm。

无论是何种规模或形式贴装，线路一般都是以并联为主，这样可以减少因为某只芯片失效而引起系统失效的比率，当然，在满足电压要求的前提和基元部件可靠的情况下，使用串联连接也没有问题。而且可以减小输入电流，缩小基板上的覆铜面积，减少电极引线的遮光，提高系统光效。

显然，将图4a和图4b所示的发光基元LED使用在照明装置的制造中可以直接将LED的光引出效率大幅提高。例如像在作为背景技术引用的已有技术公开的实施例中，当采用的管型基元是采用图3c所示的，即通过60°斜切割获得的发光面扩展的LED芯片时，所制成的照明装置的光引出效率比目前现有技术效率最高的25×25微米微晶芯片提高近一倍，达到250lm/W左右的光效。可以根据发光效率、功耗、形状以及使用环境的要求来选择具体的由发光面扩展的LED芯片制作的发光基元LED，将所述LED发光基元按照需要的发光功率的要求进行组合，并且以预定的几何形状排列在照明装置中，即可制成高发光效率的LED照明装置。关于采用LED芯片制造照明装置的更详细的内容可参考上述的背景技术的公开内容，在此不作详述。

本发明的以上实施例仅仅是示例性的，在不脱离本发明的精神的情况下，可以进行各种修改和变型。

Claims (7)

1.一种LED芯片斜切割方法，其特征在于包括步骤：

选择n片同类型LED芯片并去除每一LED芯片的衬底，n是大于1的整数；

通过透明电极将已经去除衬底的n片LED芯片的PN结串接并粘合成一个LED芯片的叠层体；

在叠层体的最上层的LED芯片的上表面形成第一芯片电极；

在叠层体的最下层的LED芯片的下表面形成第二芯片电极；

按照与叠层平面呈非垂直的预定角度α斜切割所述的LED芯片的叠层体、第一芯片电极和第二芯片电极，获得多个薄片状的发光面扩展的LED芯片，每个发光面扩展的LED芯片包括顶电极和底电极，其中顶电极和底电极是通过斜切割第一芯片电极和第二芯片电极获得的；并且

封装所述的发光面扩展的LED芯片。

2.根据权利要求1的LED芯片斜切割方法，其中所述预定角度α选择范围是在0°＜α≤60°之间。

3.根据权利要求1的LED芯片斜切割方法，其中所述切割形成的发光面扩展的LED芯片的厚度在2μm～5μm之间。

4.根据权利要求1的LED芯片斜切割方法，其中所述封装采用的是COB封装或者SMD封装。

5.采用权利要求1-4任意之一的方法形成的发光面扩展的LED芯片制作的LED发光基元，其包括根据应用要求并联或者串联连接的多个发光面扩展的LED芯片。

6.根据权利要求5的LED发光基元，其中根据所述LED发光基元中的PN结串接的级数来确定供电电源的端电压。

7.采用权利要求5的LED发光基元形成的LED照明装置，其特征在于，其中将所述LED发光基元按照需要的发光功率的要求进行组合，并且以预定的几何形状排列在照明装置中。