CN103730431B - 一种大功率阵列led芯片表面散热结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率阵列LED芯片表面散热结构及其制作方法，在阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽内自下向上依次沉积有一层氮化铝、一层铜，形成栅格状金属层，即在芯片发光单元之间形成将芯片发光单元产生的热量引出的热沉通道。本发明可以有效提高其散热性能。而且，工艺简单易实现，既适合实验室研发又适合批量生产，可以有效解决目前大功率阵列LED芯片散热的技术难题，对于实现高效大功率LED照明具有重要意义。

Description

一种大功率阵列LED芯片表面散热结构及制作方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种大功率阵列LED芯片表面散热结构及制作方法。

背景技术

目前市场上普通直流氮化物LED的工作电压大都不超过5V，而我们日常生活用电通常为110V-240V，这样使用极为不便。氮化物阵列LED的出现有效解决了上述问题。阵列LED芯片是指将LED发光单元通过一定的排列方式集成到基底上，这样每个发光单元承担一定的分压，通过调整发光单元的个数就可以达到在高电压下使用的目的，这样电光转化效率大大提高。普通小功率LED因其工作电压太低，限制了其在日常照明的应用，氮化物阵列LED可直接接入到日常生活所用交流电路中，实用性高，所以研究氮化物阵列LED的意义深远。LED的电光转换效率比白炽灯和荧光灯高很多，但是仍有超过60%的输入电能转化成热能，该部分热能如果不能有效的散出，会导致芯片温度升高，这会引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降，另外，如果LED长时间工作在非正常温度下，其寿命会大大降低。因此，如何有效的对LED芯片散热是LED应用的先决条件。

目前普通直流氮化物LED所采用的散热方法通常是将LED芯片基底（通常为蓝宝石）用导热胶固定到导热金属上面，该方法对于小功率的LED芯片散热效果较好，但对于功率较高、产生热量较多的阵列LED芯片散热效果不佳，原因在于蓝宝石导热性能较差，仅约为20-30 W/m·k，这样当产生热量较小时，热量可以慢慢散出，芯片温度在正常范围内，但是当芯片功率较大时热量就会积在芯片内导致温度升高。

对于目前较为新颖的倒装焊封装技术，因其光从蓝宝石表面射出，有效避免了引线挡光的现象，同时大部分热量则从芯片另一面流入基板，有效避免了蓝宝石衬底导热性差的问题，这样散热效果及电光转换效率得到明显改善，但是当芯片功率较大时也会存在散热不佳的问题。在氮化物阵列LED芯片中，相邻的发光单元间距只有10-30微米，考虑到光刻时的倾角问题，其间隔会更小，这样会导致发光单元产生的热量无法很好地散出，发光单元的发光效率会随着芯片温度的升高而大大降低，如果单纯增加发光单元间距会使有效发光面积降低。散热问题是现在大功率阵列LED亟需解决的问题，此问题得不到有效解决，氮化物阵列LED芯片的应用将大受限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率阵列LED芯片表面散热结构及制作方法，针对大功率阵列LED芯片的特点引入一种新型热沉通道，可以有效提高其散热性能。而且，工艺简单易实现，既适合实验室研发又适合批量生产，可以有效解决目前大功率阵列LED芯片散热的技术难题，对于实现高效大功率LED照明具有重要意义。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种大功率阵列LED芯片表面散热结构，其特征在于，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽内自下向上依次沉积有一层氮化铝、一层铜，形成栅格状金属层，即在芯片发光单元之间形成将芯片发光单元产生的热量引出的热沉通道。

一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1) 在LED芯片发光单元之间的隔离槽内先沉积一层氮化铝，以此有效保护芯片内部电路，防止芯片发光单元之间的桥联金属短路，同时该层也起到热量传递的作用；

2) 在氮化铝有效保护好芯片内部电路后，在其上沉积一层金属铜；在沉积氮化铝及金属铜时，在适当的时候用光刻胶做掩膜来保护芯片的出光部分及芯片电极部分，确保在增强散热性能的同时不影响出光面积；

3) 阵列式LED芯片存在正装和倒装两种形式，对于正装芯片需将芯片固定在封装支架沟槽内，然后通过导热粘合剂连接栅格状金属层与封装支架金属热沉，形成热流通路；对于倒装芯片，用Cr/Sn/Au合金层将芯片热沉通道完全覆盖，通过倒装焊贴片机将芯片热沉通道与倒装焊基板连接，形成热流通路。

本发明的一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1) 在阵列LED芯片结构的表面涂覆一层光刻胶，此处选择正胶，并进行前烘处理；

2) 使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN层表面的光刻胶保留，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽的光刻胶曝光，并进行显影处理；

3) 在涂有光刻胶的LED芯片结构表面沉积一层氮化铝层，并对光刻胶进行剥离，氮化铝层厚度设定在80~300nm；

4) 在隔离槽内的氮化铝层沉积一层金属铜层，金属铜层厚度5~10微米；

5) 减薄、抛光、背面镀膜、裂片工艺得到单颗芯片；

6) 芯片封装。

进一步，氮化铝层沉积采用磁控溅射方式。

又，铜层沉积采用逐次沉积的方法，每沉积1~2微米铜层将光刻胶剥离一次，重复步骤2）后继续沉积。

另外，所述的步骤6）首先，将阵列LED芯片用导热粘合剂固定在LED支架的芯片凹槽内，芯片凹槽大小需与芯片大小相匹配；然后将阵列LED芯片的最外围热沉通道金属通过导热粘合剂连接，加热固化即可，使芯片表面的热沉通道与封装支架金属热沉连接；然后通过焊线、灌胶工艺形成器件。

再有，本发明所述的导热粘合剂为银浆。

本发明的一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1) 在阵列LED芯片结构中的P-GaN层表面沉积一层氮化铝层，氮化铝层厚度设定在80~300nm；氮化铝层厚度大于80nm时，绝缘性很好；

2) 在氮化铝层表面先涂覆一层光刻胶，使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN层表面氮化铝上的光刻胶保留，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽的光刻胶曝光，并进行显影处理；

3) 隔离槽内的氮化铝层上沉积金属铜层；

4) 阵列LED芯片表面再沉积一层倒装焊封装所需的Cr/Sn/Au合金层，该层厚度为3~5μm，然后进行磨平处理；

5) 经减薄、抛光、裂片工艺形成单颗芯片，热沉通道被Cr/Sn/Au合金层覆盖，光从芯片的蓝宝石面发出。

6) 使用倒装焊贴片机将芯片合金层面与倒装焊基板焊接。

进一步，氮化铝层沉积采用磁控溅射方式。

又，铜层沉积采用逐次沉积的方法，每沉积1~2微米铜层将光刻胶剥离一次，重复步骤2）后继续沉积。

具体来讲就是在芯片发光单元之间的隔离槽内先沉积一层氮化铝，然后在氮化铝层的上面沉积一层铜，形成栅格状金属层，该栅格状金属层起到及氮化铝层起到导热散热的作用，可以将发光单元产生的热量导出，从而使发光单元的温度保持在正常工作范围内，提高光效。

氮化铝是一种导热性好、热膨胀系数小、绝缘性好、抗金属侵蚀性强的耐热冲击材料，其热导率约为320W/m·k，因此，氮化铝十分适合做绝缘导热材料，引入该层的目的是有效保护芯片电流通路防止芯片中发光单元之间的桥联金属短路，同时该层也起到热量传递的作用。

在氮化铝有效保护好芯片内部电路后，在其上沉积一层金属铜，纯铜的热传导率约为403 W/m·k，其导热性能更好，沉积方法简单，同时价格低廉。在沉积氮化铝及金属铜时，在适当的时候用光刻胶做掩膜来保护芯片的出光部分及芯片电极部分，确保在增强散热性能的同时不影响出光面积。

阵列式LED芯片同样存在正装和倒装两种形式，本发明针对正装芯片和倒装芯片提出不同的工艺流程和设计方法。在芯片上引入栅格状热沉通道后，需将栅格状热沉通道与封装支架的散热金属连接才可以达到理想效果，本发明针对正装芯片和倒装芯片提供了不同的连接方法，对于正装芯片需将芯片固定在封装支架沟槽内，然后通过导热粘合剂连接栅格金属与热沉，形成热流通路；对于倒装芯片，将热沉通道覆盖在金属层之下，通过倒装焊贴片机将芯片热沉通道与倒装焊支架连接，形成热流通路。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明针对大功率阵列LED芯片的特点引入一种新型热沉通道，可以有效提高其散热性能。本发明无需改变原有工艺流程，只需在原有工艺基础上增加工序，而且本发明无需增加额外实验或生产设备，节省实验或生产成本，实用性高。

阵列LED芯片在封装时，由于发光单元间隔离槽较深，很容易隐藏气泡，这些隐藏气泡在灌封胶固化时会产生游离甚至直接挡在发光面上，直接影响封装质量和出光质量，对封装工艺要求较高，本发明有效填充了隔离槽，在增强散热性能的同时避免了气泡隐藏的问题，有效降低封装难度，提高封装质量。

本发明对于常见的两种封装方式均适用，可以有效增加器件的效率，同时增加器件的稳定性，提高器件寿命。

本发明所用导热材料性价比较高，工艺简单易实现，既适合实验室研发又适合批量生产，可以有效解决目前大功率阵列LED芯片散热的技术难题，对于实现高效大功率LED照明具有重要意义。

附图说明

图1为本发明大功率阵列LED芯片的相邻发光单元的剖面图。

图2为涂光刻胶并曝光显影后的剖面图。

图3为沉积氮化铝后的剖面图。

图4为剥离光刻胶后的剖面图。

图5为形成热沉通道的芯片俯视图。

图6为芯片热沉通道与封装支架连接方法图。

图7为沉积氮化铝后的倒装芯片剖面图。

图8为涂光刻胶并曝光显影后的倒装芯片剖面图。

图9为剥离光刻胶后的倒装芯片剖面图。

图10为沉积合金层后的倒装芯片剖面图。

图11为包含热沉通道的倒装芯片的俯视图。

图12为倒装芯片固定在基板上的剖面图。

图13为本发明大功率阵列LED芯片表面散热结构剖面图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

参见图13，本发明大功率阵列LED芯片表面散热结构剖面图，衬底1为最为常见的蓝宝石衬底，相邻发光单元2、2’间距10-30微米，发光单元2、2’之间通过桥联金属实现连接，虽然发光单元2、2’之间的隔离槽3内填充了二氧化硅层以及钛/铝/钛/金桥联层，但是沟槽仍然有一定深度，该沟槽在灌胶时容易隐藏气泡。当发光单元发光时会产生大量热量，该部分热量将朝各个方向扩散，蓝宝石的导热性能较差，如果不将该部分热量合理处理，将增加发光单元温度，影响发光单元的出光效率。因此对大功率阵列LED芯片引入热量引流通道即热沉通道是十分必要的。

本发明一种大功率阵列LED芯片表面散热结构，阵列LED芯片发光单元2、2’之间的隔离槽3内自下向上依次沉积有一层氮化铝AlN、一层铜Cu，形成栅格状金属层，即在芯片发光单元2、2’之间形成将芯片发光单元产生的热量引出的热沉通道10。

本发明针对正装芯片工艺的实现方法：

1) 在阵列LED芯片结构的P-GaN层表面涂覆一层光刻胶4，此处选择正胶，并进行前烘处理；

2) 使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN表面的光刻胶4保留，阵列LED芯片发光单元2、2’之间的隔离槽3内的光刻胶曝光，并进行显影处理，如图2所示；

3) 在涂有光刻胶的LED芯片结构表面沉积一层氮化铝层，氮化铝层厚度设定在80~300nm；氮化铝层采用磁控溅射的方式进行沉积，该方法设备简单，易于控制并且重复性好，同时可以在低温度下形成结晶良好的薄膜，可以有效避免芯片损伤。考虑到刻蚀的台阶、刻蚀的坡度桥联金属的不平整性等因素，需将氮化铝层厚度合理控制，以保证无覆盖盲区。本发明将该层膜的平均厚度设定在300nm，这样既能保证覆盖完全，又能充分绝缘，而且不至于太厚，将更多的空间留给导热性更好的金属层。如图3所示；

4) 金属层的沉积采用步骤3）中同样的溅射设备，只需将靶材料换为金属，同时调整仪器参数即可，此处所用金属靶材料为高纯铜材料，纯铜材料价格低廉，导热率高达403W/m·k，十分适合做热沉通道材料。因AlN层较薄，在步骤3）过后，可直接沉积金属层，光刻胶暂时可无需剥离。要达到理想导热效果，该层金属需沉积5-10微米，如果直接沉积过厚的金属，会导致光刻胶剥离困难。此处采用逐次沉积的方法，即每沉积1-2微米金属层将光刻胶剥离一次，重复步骤2）后继续沉积，这样可以达到较好的沉积效果。图4为最终剥离光刻胶后的剖面图；

5) 以上四步在未裂片情况下完成，接下来进行减薄、抛光、背面镀膜、裂片等工艺得到单颗芯片，图5为形成热沉通道的芯片俯视图；5、5’为电极。

6) 芯片封装

为了使表面散热型芯片11表面的热沉通道10与封装支架金属热沉6连接，封装时需使用金属热沉含有芯片凹槽的LED支架。首先将LED芯片用导热粘合剂固定在芯片凹槽内，芯片凹槽大小需与芯片大小相匹配；然后将阵列LED芯片的最外围热沉通道10金属通过导热粘合剂7连接，然后加热固化即可。图6为芯片热沉通道10与封装支架金属热沉6的连接方法图。通常所用导热粘合剂7为银浆，银浆导热性好，固化温度低，黏合性好，用于此处十分合适；然后通过焊线、灌胶等工艺就形成了器件，当器件点亮后，芯片发光单元产生大量热量，该部分热量通过表面的热沉通道流入封装支架，散至器件外部，这样就可以保证发光单元的温度不至于过高，提高其效率并且延长器件寿命。

本发明针对倒装结构芯片工艺的实现方法：

倒装结构芯片垂直结构与正装结构芯片不同之处在于，将P-GaN表面的ITO膜层换为高反的银层或铝层，光从蓝宝石表面射出，其制作芯片热沉通道的方法与正装芯片的流程类似，具体制作工艺如下：

1) 在阵列LED芯片结构中的P-GaN层表面沉积一层氮化铝层，使用磁控溅射方法直接在芯片表面上沉积一层300nm的氮化铝AlN层，由于倒装芯片从蓝宝石表面出光，需将整个芯片背面用金属覆盖，为了保证芯片正常使用，需要将P-GaN表面的导电层用氮化铝层隔离，即形成图7所示结构；

2) 为了保证沟槽填平同时不增加发光单元上面的金属厚度，在氮化铝膜层表面先涂覆一层光刻胶，使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN层表面的光刻胶保留，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽的光刻胶曝光，并进行显影处理，形成图8所示结构；

3) 在隔离槽内的氮化铝层上沉积金属铜层，同样为避免剥离困难可采用逐次沉积的方法，同正装芯片的步骤4），最终剥离光刻胶形成如图9所示结构；

4) 在阵列LED芯片表面再沉积一层倒装焊封装所需的Cr/Sn/Au合金层8，然后进行磨平处理，形成图10所示结构，磨平处理是为了保证倒装焊封装时无虚焊，焊接更加牢固，导热效果更好；

5) 经减薄、抛光、裂片等工艺形成单颗芯片，其沉积面俯视图如图11所示，可以看出热沉通道被表层Cr/Sn/Au合金层覆盖，光从芯片的蓝宝石面发出。

6) 使用倒装焊贴片机将表面散热型芯片11合金层面与倒装焊基板9焊接，如图12所示。

注意电极与基板电极对准，再经灌胶等工艺形成器件。器件发光时，发光单元所产生的热量经芯片热沉通道直接传至倒装焊基板热沉，散至器件外部，保证发光单元的温度在正常范围内。

Claims (10)

1.一种大功率阵列LED芯片表面散热结构，其特征在于，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽内自下向上依次沉积有一层氮化铝、一层铜，形成栅格状金属层，即在芯片发光单元之间形成将芯片发光单元产生的热量引出的热沉通道。

2.一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1)在LED芯片发光单元之间的隔离槽内先沉积一层氮化铝，以此有效保护芯片内部电路，防止芯片发光单元之间的桥联金属短路，同时该层也起到热量传递的作用；

2)在氮化铝有效保护好芯片内部电路后，在其上沉积一层金属铜；在沉积氮化铝及金属铜时，用光刻胶做掩膜来保护芯片的出光部分及芯片电极部分，确保在增强散热性能的同时不影响出光面积；

3)阵列式LED芯片存在正装和倒装两种形式，对于正装芯片需将芯片固定在封装支架沟槽内，然后通过导热粘合剂连接栅格状金属层与封装支架金属热沉，形成热流通路；对于倒装芯片，用Cr/Sn/Au合金层将芯片热沉通道完全覆盖，通过倒装焊贴片机将芯片热沉通道与倒装焊基板连接，形成热流通路。

3.一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1)在阵列LED芯片结构的P-GaN层表面涂覆一层光刻胶，此处选择正胶，并进行前烘处理；

2)使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN层表面的光刻胶保留，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽的光刻胶曝光，并进行显影处理；

3)在涂有光刻胶的LED芯片结构表面沉积一层氮化铝层，并对光刻胶进行剥离，氮化铝层厚度设定在80～300nm；

4)在隔离槽内的氮化铝层沉积一层金属铜层，金属铜层厚度5～10微米；

5)减薄、抛光、背面镀膜、裂片工艺得到单颗芯片；

6)芯片封装。

4.如权利要求3所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，氮化铝层沉积采用磁控溅射方式。

5.如权利要求3所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，铜层沉积采用逐次沉积的方法，每沉积1～2微米铜层将光刻胶剥离一次，重复步骤2)后继续沉积。

6.如权利要求3所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，所述的步骤6)首先，将阵列LED芯片用导热粘合剂固定在LED支架的芯片凹槽内，芯片凹槽大小需与芯片大小相匹配；然后将阵列LED芯片的最外围热沉通道金属通过导热粘合剂连接，加热固化即可，使芯片表面的热沉通道与封装支架金属热沉连接；然后通过焊线、灌胶工艺形成器件。

7.如权利要求6所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，所述的导热粘合剂为银浆。

8.一种大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其包括如下步骤：

1)在阵列LED芯片结构中的P-GaN层表面沉积一层氮化铝层，氮化铝层厚度设定在80～300nm；

2)在氮化铝层表面先涂覆一层光刻胶，使用选择性透光光刻板对其进行曝光，将LED芯片结构中P-GaN层表面氮化铝上的光刻胶保留，阵列LED芯片发光单元之间的隔离槽的光刻胶曝光，并进行显影处理；

3)隔离槽内的氮化铝层上沉积金属铜层；

4)阵列LED芯片表面再沉积一层倒装焊封装所需的Cr/Sn/Au合金层，该层厚度为3～5μm，然后进行磨平处理；

5)经减薄、抛光、裂片工艺形成单颗芯片，热沉通道被Cr/Sn/Au合金层覆盖，光从芯片的蓝宝石面发出；

6)使用倒装焊贴片机将芯片合金层面与倒装焊基板焊接。

9.如权利要求8所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，氮化铝层沉积采用磁控溅射方式。

10.如权利要求8所述的大功率阵列LED芯片表面散热结构的制作方法，其特征是，铜层沉积采用逐次沉积的方法，每沉积1～2微米铜层将光刻胶剥离一次，重复步骤2)后继续沉积。