CN104078457A - Led倒装芯片的大功率集成封装结构 - Google Patents

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张善端
韩秋漪
荆忠
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
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Abstract

本发明属于半导体照明器件技术领域，具体为LED倒装芯片的大功率集成封装结构。本封装结构至少包含两块导电板、一个导热绝缘层以及若干LED倒装芯片；导电板和导热绝缘层间隔排布，确保相邻导电板之间电气绝缘；绝缘层两侧的导电板作为正负导电板，LED倒装芯片的正负电极接触到绝缘层两侧对应的正负导电板上；整个封装模组采用绝缘螺栓进行机械固定。所述封装结构表面不需要设计制作线路板，导电板直接作为封装结构的正负极，大幅度提高了封装模组的载流能力；不同芯片组之间通过导电板的接线设计构成串联、并联组合，从而形成大功率的封装模组；该封装结构可以实现千瓦级的大功率LED器件封装，适用于可见照明、紫外辐照和特种照明应用领域。

Description

LED倒装芯片的大功率集成封装结构
技术领域
本发明属于半导体照明器件技术领域，具体涉及LED倒装芯片的大功率集成封装结构。
背景技术
近年来，随着半导体照明技术的全面发展，LED封装行业也在不断推陈出新，竞争日趋激烈。目前最常用的正装LED芯片在集成电路封装技术中，芯片电极一般通过金线互连的方式与支架引脚相连。但金线断裂一直是LED光源器件失效的常见原因之一，这种连接方式降低了器件的可靠性，正装芯片模组的封装良率较低。而且正装芯片的电极位于芯片正面，挤占了发光面积从而影响了出光效率，因此导致芯片的发光效率较低。而且为了保护表面的金线焊点，封装模组表面必须包覆树脂，而芯片底部的蓝宝石衬底导热系数很低，因此正装芯片的散热特性较差，进一步降低了器件的光效。
随着倒装焊技术的推出，LED芯片与线路板的连接可以通过更稳定的金属凸点焊球来实现，省去了金线的使用，被称为“无金线封装”，也叫做“免封装”。LED倒装芯片在半导体照明领域中得到了快速推广，尤其在可见照明应用中，众多制造厂商纷纷推出了相应产品。
倒装芯片将电极设计在芯片底部，光从芯片另一面射出，从根本上解决了正装芯片P型电极对出光效率的影响。而且倒装芯片可以在p-GaN表面采用低欧姆接触的反光层，将向下发射的光引导向上，这样可以同时降低驱动电压并且提高发光效率。而图形化蓝宝石衬底(PSS)技术和芯片表面粗糙化技术同样可以增大LED芯片的出光效率。LED芯片材料GaN的折射率约为2.4，蓝宝石折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4-1.5。蓝宝石与硅胶、荧光粉的全反射临界角大于GaN与硅胶、荧光粉的临界角，光从蓝宝石出射的全反射损失更小，因此在同样光通量的情况，倒装芯片的光效比正装芯片的高16%-25%。
另外，倒装芯片的电极直接焊接在导热系数较高的基板上，散热性能较好。而且避免了金线的使用，也大大改善了封装的可靠性和模组的散热能力。
但目前的LED倒装芯片基本上都采用印刷线路板的方式，但印刷线路板的载流能力有限，封装功率密度较低，而且芯片热量通过印刷线路板到基板再到散热器，热传导的层级数较多，热阻大，散热性能较差。因此现有方式难以实现高功率密度的LED模组封装，很难满足照明应用对高光通量和高辐通量的LED光源器件的需求。发明专利CN201210472595.1中介绍了一种一体化倒装型LED照明组件，采用玻璃作为载体，玻璃上预设LED电路图案的凹槽，将金属熔融流体浇注或灌注后形成LED电路，LED芯片倒装焊在电路上，形成一体化的照明组件。这种方式避免了线路板的工艺制作，改善了散热性能，降低了成本。但是受到玻璃本身脆裂、易破碎和导热率低的特征的制约，这种封装结构的可靠性受到限制，并不能在高功率密度的封装中使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠性好的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，可以实现千瓦级的大功率LED器件封装。
本发明的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，至少包含两块导电板、一个导热绝缘层以及若干LED倒装芯片；所述导电板和导热绝缘层间隔排布，确保相邻导电板之间电气绝缘；绝缘层两侧的导电板作为正负导电板，所述LED倒装芯片的正负电极接触到绝缘层两侧对应的正负导电板上，而正负导电板则分别与对应的驱动电源的正负接口相连；整个封装模组采用绝缘螺栓进行机械固定。
所述导电板为具有高导热系数的金属板材或者为导电的非金属板材，厚度为1 mm以上，例如为1-3mm；所述绝缘层的厚度小于LED倒装芯片的电极间距。所述导电板和绝缘层的规格任意可变，各层板材的结构可以保持一致，也可以根据应用需要采用不同的尺寸和形状。
所述绝缘层可以是导热绝缘板，包括氮化铝陶瓷板或氧化铝陶瓷板或塑料板；所述导电板和导热绝缘层的接触面涂有高效导热胶，增大接触面积，保证热传导性能。
所述绝缘层也可以采用绝缘胶，直接涂布在两块相邻导电板之间，避免相邻正负导电板短路。
所述绝缘层还可以采用玻璃纤维布加导热绝缘膏的方式，所述绝缘膏为氮化铝膏或氮化铍膏。
所述封装结构表面不需要设计制作线路板，LED倒装芯片的电极通过焊料焊接或导电胶粘结在导电板上；相邻的两个正负导电板上并联多个LED倒装芯片构成一个芯片组；不同芯片组之间可以通过导电板的接线设计构成串联、并联组合，从而形成大功率的封装模组。
本发明的封装结构具有以下优势：
1、本发明采用导电板直接作为电路连接的正负极，导电板的电流负载能力是印刷线路板的10倍以上，因此实现了LED集成封装模组的大电流驱动，大幅提高了单位面积封装功率的阈值，为千瓦级大功率LED光源器件和高功率密度LED器件的设计和制造提供了更多的方向和可行性。
2、本发明中导电板可以直接与散热器相连，也可以通过适当的设计使导电板在作为电路电极的同时实现散热器的功能，因此简化了LED芯片热量的传导路径，芯片热量从底部电极传递到导电板上，然后直接传导到散热器或直接由导电板散热。因此，该封装结构有效降低了热阻，大幅度改善了LED光源器件的导热和散热特性。
3、本发明的封装结构制作简单，导电板作为电极，省略了印刷线路板的制作工序；封装结构采用绝缘螺栓等机械方式固定，简化了制作工艺；不同导电板之间的接线方式可任意调整，灵活性强，设计方案更加多样。
附图说明
图1为本发明的LED倒装芯片的大功率集成封装结构的示意图。
图2为本发明的LED倒装芯片的大功率集成封装结构的截面图。
图3为本发明的LED倒装芯片的大功率集成封装结构的示例2。
图中标号：1—负极导电板；2—正极导电板；3—绝缘层；4—粘胶；5—绝缘螺栓；6—LED倒装芯片；7—芯片N型电极；8—芯片P型电极；9—焊料。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
图1是本发明的LED倒装芯片的大功率集成封装结构的一个示例，包括两块负极导电板1、两块正极导电板2、三个导热绝缘层3以及若干LED倒装芯片6。所述导电板1、2和导热绝缘层3间隔排布，绝缘层3确保相邻负极导电板1和正极导电板2之间电气绝缘。所述导电板1、2采用厚度2 mm铜板，所述绝缘层3采用厚度为0.1 mm的氮化铝陶瓷板，导电板1、2与绝缘板3之间涂有导热绝缘粘胶4来增大接触面积，提高散热性能和机械强度。相邻导电板之间的距离，即氮化铝板和粘胶的总厚度要小于LED倒装芯片的电极间距。
四块导电板分别作为电路连接的正负极，正—负—正—负排列。LED倒装芯片6分为两排，分别连接到两组正负导电板1、2上，连接方式如图2所示。LED芯片横跨在正负导电板上，P型电极8与正极导电板2相连，N型电极7与负极导电板1连接，电极与导电板之间通过焊料9焊接。每组导电板上可以并联多个LED芯片6以构成一个芯片组。而两组正负极导电板可以并联，也可以串联，详情根据器件设计要求进行调整，构成一个大功率的封装模组。整个封装模组中穿有通孔，采用绝缘螺栓5进行机械固定。
图3是本发明的另一个示例，同样包括两块负极导电板1、两块正极导电板2、三个导热绝缘层3以及若干LED倒装芯片6。正负极导电板1、2和导热绝缘层3间隔排布，确保正负电极的绝缘性。正极导电板2采用厚度3 mm铜板，负极导电板1采用厚度1 mm的铜板，绝缘层3采用玻璃纤维布涂布氮化铝绝缘膏的方式，既保证了导电板之间的绝缘性，又有效缩短了绝缘层的厚度，降低了焊接精度的要求。
同示例1相同，四块导电板分别作为电路连接的正负极，呈正—负—正—负排列。但LED倒装芯片6分为三排，分别连接到相邻正负导电板上1、2上。LED芯片采用同样的焊接方式，但与示例1相比，相同面积的封装结构中增加了50%的LED芯片数量，单位面积的封装功率更高。相同极性的导电板之间根据应用要求可以采用并联或串联的方式连接，构成一个封装模组。封装模组之间进一步连接组合，最终可以制成千瓦级的大功率LED光源器件。
本发明的结构设计，以提高封装模组的电路负载能力为目标，采用导电板替代印刷线路板，实现了LED模组的大电流驱动。而且无需制备印刷线路板，也简化了制作工艺，提高了成品率，降低了制造成本。
本发明的结构设计，有效减少了热量传导的层级数，降低了热阻，改善了模组的散热性能。LED芯片的热量导出路径为：芯片电极→焊料→导电板→散热器，或芯片电极→焊料→导电板/散热器。可以看到，芯片热量的传导无需经过PCB板的多层薄膜和粘胶材料，热量直接通过高导热系数的金属导电板传导出去，散热效果更佳。

Claims (8)

1.LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：至少包含两块导电板、一个导热绝缘层以及若干LED倒装芯片；所述导电板和导热绝缘层间隔排布，确保相邻导电板之间电气绝缘；绝缘层两侧的导电板作为正负导电板，所述LED倒装芯片的正负电极接触到绝缘层两侧对应的正负导电板上，而正负导电板则分别与对应的驱动电源的正负接口相连；整个封装模组采用绝缘螺栓进行机械固定。
2.根据权利要求1所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述导电板为具有高导热系数的金属板材或者为导电的非金属板材，厚度在1 mm以上；所述导热绝缘层的厚度小于LED倒装芯片的电极间距。
3.根据权利要求2所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述导热绝缘层为导热绝缘板；所述导电板和导热绝缘板的接触面涂有高效导热胶。
4.根据权利要求2所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述导热绝缘层采用绝缘胶，直接涂布在两块相邻导电板之间。
5.根据权利要求2所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述导热绝缘层采用玻璃纤维布加导热绝缘膏的方式，所述绝缘膏为氮化铝膏或氮化铍膏。
6.根据权利要求2所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述导电板和导热绝缘层的规格任意可变，各层板材的结构一致，或者采用不同的尺寸和形状。
7.根据权利要求1所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：相邻的两个正负导电板上并联多个LED倒装芯片构成一个芯片组；不同芯片组之间通过导电板的接线设计构成串联或并联组合，从而形成大功率的封装模组。
8.根据权利要求7所述的LED倒装芯片的大功率集成封装结构，其特征在于：所述LED倒装芯片的电极通过焊料焊接或高效导热导电胶粘结在导电板上。
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