CN104332554A - Led晶粒与封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED芯片领域，公开了一种LED晶粒，包括发光层、N型半导体层、活性层、P型半导体层、衬底、缓冲层、热沉、正电极以及负电极；发光层下方设有N型半导体层，N型半导体层下方设有活性层，活性层下方设有P型半导体层，P型半导体层下方设有衬底，衬底下方设有热沉。本发明在热沉上加入结构特殊的缓冲层，缓冲层内设有孔洞，经过孔洞将热量散到热沉中去，经过热沉散热；而采用环状半导体层，可以增加发光率；在封装结构中，采用矩阵式连接，可以节省密封体材料，并且上下两个密封体将LED晶粒矩阵包覆，可以防水。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片领域，尤其涉及了一种LED晶粒与封装结构。
背景技术
目前，LED晶粒结构存在以下不足：1、LED晶粒工作时，散热方面主要是通过底部的衬底散热，散热性能并不十分理想。导电方面，是通过正电极、负电极分别连接金线，金线再连接PCB板上的线路层但是此种结构会影响出光效率，使得此种结构的LED晶粒的导电性能不好。2、LED晶粒在后续封装时，必须通过导线与PCB板上的线路层连接，这就涉及到在LED晶粒的正电极、负电极上打金线，在打金线的过程中，由于原始晶粒结构，使得LED晶粒封装时工序复杂。
并且现有的LED晶粒的应用中，有数据表明，当LED晶粒的温度每升高20℃，发光二极管光源发光效能就要降低5％。可见，为了提升发光二极管光源发光能效，必须要使LED晶粒在较低的温度下进行工作。
研究表明，LED晶粒产生的90％的热量都是向下传导，因此封装技术中，导热基板的散热十分重要。然前述发光二极管光源采用的LED晶粒采用固晶胶粘结至导热基板，固晶胶往往具有较低的导热性，因此散热效果很差。
为了改善LED晶粒的散热问题，有人提出将LED晶粒与导热基板直接键合。众所周知，LED晶粒包括蓝宝石或碳化硅衬底和生长于衬底上的外延发光体。相对于前述采用固晶胶粘接方式，发光二极管的散热不会受到固晶胶的制约，散热效果有了一定程度的改善，然，蓝宝石或碳化硅衬底的导热能力依然不够突出。
一种改进的LED晶粒将外延发光体通过分子键合和的方式直接连接至导热基板上。如此以来，LED晶粒的散热能力得到了大大提高。然而，由于外延发光体和导热基板的热膨胀系数存在巨大差异，键合至导热基板的外延发光体和导热基板二者膨胀和收缩的过程极不匹配，因此极易发生外延发光体裂片的现象。
发明内容
本发明针对现有技术中散热效果差以及发光能效低等缺点，提供了一种LED晶粒与封装结构。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
LED晶粒，包括发光层、N型半导体层、活性层、P型半导体层、衬底、缓冲层、热沉、正电极以及负电极；
所述发光层下方设有N型半导体层，N型半导体层下方设有活性层，活性层下方设有P型半导体层，所述P型半导体层下方设有衬底，所述衬底下方设有热沉；
所述N型半导体层、活性层、P型半导体层以及衬底均为环状体且三者内部柱状孔的直径相同，所述热沉为上台阶与下台阶组成的梯台柱状一体结构，所述缓冲层设置在上台阶的上端，所述上台阶套在N型半导体、活性层以及P型半导体层的内部柱状孔内部；
正电极延伸设置在所述P型半导体层与热沉下台阶的一侧，所述正电极与所述P型半导体层的端部、所述衬底的端部直接接触连接；所述负电极延伸设置在N型半导体层与热沉下台阶的一侧，所述负电极与所述N型半导体层的端部、所述衬底的端部直接接触连接。
作为优选，所述缓冲层为散热材料缓冲层，所述缓冲层内设有密集的孔洞。在热沉上方设有缓冲层，缓冲层可以将发光层发出的热量引导至热沉中，经过热沉散出热量。
作为优选，所述缓冲层采用陶瓷缓冲层，所述孔洞设置在缓冲层竖直方向上，所述孔洞的直径为0.5mm-1mm。陶瓷制成的缓冲层散热效果更加好，在缓冲层上设有密集的孔洞，发光层散发出的热可以经过缓冲层的孔洞散到热沉上去，经过热沉散热。而直径为0.5mm-1mm的孔洞是考虑到缓冲层的制作工艺，经过多次试验，0.5mm-1mm之间的孔洞做工更为方便，并且散热效果好。
作为优选，所述正电极与衬底以及热沉下台阶之间设有第一绝缘层，所述负电极与P型半导体层以及衬底以及热沉下台阶之间设有第二绝缘层。
作为优选，所述N型半导体层、活性层、P型半导体层以及衬底之间的柱状孔与热沉的上台阶形成夹角，所述夹角不超过10度。将N型半导体层、活性层、P型半导体层以及衬底作为一个整体，并且四者内部柱状孔的斜边与热沉的上台阶的中心形成不超过10度的角度，并且是从上至下与上台阶形成的角度，经过试验证明，角度不超过10度，并且N型半导体层、活性层、P型半导体层以及衬底的柱状孔的斜边从上到下是在同一条直线上，并且最下方与下台阶形成角度，此种散热效果达到了最佳。
封装结构，所述若干个LED晶粒矩阵式排列设置在铜底座上，所述铜底座预先设置好安装LED晶粒的内凹安装部，内凹安装部内设置为绝缘内壁，内凹安装部底端印刷有电极引出电路，所述电极引出电路的正电极连接LED晶粒的负电极，所述电极引出电路的负电极连接LED晶粒的正电极，所述铜底座(12)的内凹安装部下方印刷有电极引出电路，并且与内凹安装部底端印刷有电极引出电路相互串联。
作为优选，在所述铜底座上方设有第一密封体，所述第一密封体向下延伸至铜底座周端，所述铜底座下方设有第二密封体，第二密封体延伸至铜底座的第一密封体处的外端。
作为优选，所述第一密封体上端结构为半球状结构，所述第一密封体为环氧树脂密封体。
作为优选，所述第二密封体为绝缘材料密封装置。
作为优选，所述第二密封体设有出线孔，出线孔内设有软导线，软导线连接铜底座下方印有的电极引出电路。第二密封体设有出线孔，出线孔内设有软导线，防水，在这样的情况下，若是不小心进水或者溅上水，不会发生短路等情况，引起不必要的麻烦。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明在热沉上加入结构特殊的缓冲层，缓冲层内设有孔洞，经过孔洞将热量散到热沉中去，经过热沉散热；而采用环状半导体层，可以增加发光率；在封装结构中，采用矩阵式连接，可以节省密封体材料，并且上下两个密封体将LED晶粒矩阵包覆，可以防水。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的LED晶粒的结构图；
图2是热沉的结构图；
图3是缓冲层的截面图；
图4是LED晶粒矩阵式排列图；
图5是封装结构图。
标号说明：1—发光层、2—N型半导体层、3—活性层、4—P型半导体层、5—衬底、6—缓冲层、7—热沉、8—正电极、9—负电极、10—第一绝缘层、11—第二绝缘层、12—铜底座、13—第一密封体、14—第二密封体、61—孔洞、71—上台阶、72—下台阶。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
LED晶粒，如图1，2所述，包括发光层1、N型半导体层2、活性层3、P型半导体层4、衬底5、缓冲层6、热沉7、正电极8以及负电极9；
发光层1下方设有N型半导体层2，N型半导体层2下方设有活性层3，活性层3下方设有P型半导体层4，P型半导体层4下方设有衬底5，衬底5下方设有热沉7；
N型半导体层2、活性层3、P型半导体层4以及衬底5均为环状体且三者内部柱状孔的直径相同，热沉7为上台阶71与下台阶72组成的梯台柱状一体结构，缓冲层6设置在上台阶71的上端，上台阶71套在N型半导体2、活性层3以及P型半导体层4的内部柱状孔内部；
正电极8延伸设置在P型半导体层4与热沉7下台阶72的一侧，正电极8与P型半导体层4的端部、衬底5的端部直接接触连接；负电极9延伸设置在N型半导体层2与热沉7下台阶72的一侧，负电极9与N型半导体层2的端部、衬底5的端部直接接触连接。
正电极8与衬底5以及热沉7下台阶72之间设有第一绝缘层10，所述负电极9与P型半导体层4以及衬底5以及热沉7下台阶72之间设有第二绝缘层11。正电极8与N型半导体层2不能接触，因此在设计的时候两者就没有连接在一起，同理，负电极9与P型半导体层4也设置第二绝缘层11。而第一绝缘层10与第二绝缘层11的形状根据N型半导体层2与P型半导体层4的形状相互符合。
在此，正电极8延伸设置在P型半导体层4与热沉7下台阶72的一侧，正电极8与P型半导体层4的端部、衬底5的端部直接接触连接，即正电极8与P型半导体层4直接接触形成电连接，而通过第一绝缘层10的绝缘隔绝作用，使得正电极8与N型半导体层2，也即负电极9绝缘隔离开，从而避免短路，第一绝缘层可为SiO2绝缘层。
负电极9延伸设置在N型半导体层2与热沉7下台阶72的一侧，负电极9与N型半导体层2的端部、衬底5的端部直接接触连接，实现负电极9与N型半导体层2之间的电连接。同时，LED晶粒中还包括第二绝缘层11，第二透明绝缘层延伸到透明导电层的高度，即负电极9与P型半导体层4之间设有第二绝缘层11，防止负电9与P型半导体层4连接进而与正电极8导通，从而防止短路，其中，第二透明绝缘层也可为SiO2绝缘保护层。
工作时，除通过底部的衬底与热沉散热外，两侧的正负电极也可辅助散热，从而提高LED晶粒的散热性能，使得LED晶粒的散热性能较好。
如图3所示，缓冲层6为散热材料缓冲层，缓冲层6内设有密集的孔洞61。在热沉7上方设有缓冲层6，缓冲层6可以将发光层1发出的热量引导至热沉7中，经过热沉7散出热量。
缓冲层6采用陶瓷缓冲层，孔洞61设置在缓冲层6竖直方向上，孔洞61的直径为0.5mm-1mm。陶瓷制成的缓冲层6散热效果更加好，在缓冲层6上设有密集的孔洞61，发光层1散发出的热可以经过缓冲层6的孔洞散到热沉7上去，经过热沉7散热。而直径为0.5mm-1mm的孔洞61是考虑到缓冲层6的制作工艺，经过多次试验，0.5mm-1mm之间的孔洞61做工更为方便，并且散热效果好。
N型半导体层2、活性层3、P型半导体层4以及衬底5之间的柱状孔与热沉7的上台阶形成夹角，夹角不超过10度。将N型半导体层2、活性层3、P型半导体层4以及衬底5作为一个整体，并且四者内部柱状孔的斜边与热沉7的上台阶的中心形成不超过10度的角度，并且是从上至下与上台阶71形成的角度，经过试验证明，角度不超过10度，并且N型半导体层2、活性层3、P型半导体层4以及衬底5的柱状孔的斜边从上到下是在同一条直线上，并且最下方与下台阶72形成角度，此种散热效果达到了最佳。
LED晶粒的封装结构，如图4所示，若干个LED晶粒矩阵式排列设置在铜底座12上，铜底座12预先设置好安装LED晶粒的内凹安装部，内凹安装部内设置为绝缘内壁，内凹安装部底端印刷有电极引出电路，电极引出电路的正电极连接LED晶粒的负电极9，电极引出电路的负电极连接LED晶粒的正电极8，所述铜底座12的内凹安装部下方印刷有电极引出电路，并且与内凹安装部底端印刷有电极引出电路相互串联。矩阵方式优选选择4*4矩阵或者6*6矩阵，矩阵之中的元素依次连接，并且最先元素与最后元素相互连接。
如图5所示，在铜底座12上方设有第一密封体13，第一密封体13向下延伸至铜底座12周端，铜底座12下方设有第二密封体14，第二密封体14延伸至铜底座1的第一密封体13处的外端。第一密封体13将铜底座12包覆，最好是延伸至铜底座12的下端，然后向内弯折，将铜底座12的下边缘包住。
第一密封体13上端结构为半球状结构，第一密封体13为环氧树脂密封体。环氧树脂密封体可以用来直接与铜底座12接触、粘连。第二密封体14为绝缘材料密封装置，第二密封体14的粘贴方式为在安装好第一密封体13后，然后在粘贴第二密封体14，第二密封体14设有出线孔141，出线孔141内设有软导线142，软导线142连接铜底座12下方印有的电极引出电路。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.LED晶粒，其特征在于：包括发光层(1)、N型半导体层(2)、活性层(3)、P型半导体层(4)、衬底(5)、缓冲层(6)、热沉(7)、正电极(8)以及负电极(9)；
所述发光层(1)下方设有N型半导体层(2)，N型半导体层(2)下方设有活性层(3)，活性层(3)下方设有P型半导体层(4)，所述P型半导体层(4)下方设有衬底(5)，所述衬底(5)下方设有热沉(7)；
所述N型半导体层(2)、活性层(3)、P型半导体层(4)以及衬底(5)均为环状体且三者内部柱状孔的直径相同，所述热沉(7)为上台阶(71)与下台阶(72)组成的梯台柱状一体结构，所述缓冲层(6)设置在上台阶(71)的上端，所述上台阶(71)套在N型半导体(2)、活性层(3)以及P型半导体层(4)的内部柱状孔内部；
正电极(8)延伸设置在所述P型半导体层(4)与热沉(7)下台阶(72)的一侧，所述正电极(8)与所述P型半导体层(4)的端部、所述衬底(5)的端部直接接触连接；所述负电极(9)延伸设置在N型半导体层(2)与热沉(7)下台阶(72)的一侧，所述负电极(9)与所述N型半导体层(2)的端部、所述衬底(5)的端部直接接触连接。
2.根据权利要求1所述的LED晶粒，其特征在于：所述缓冲层(6)为散热材料缓冲层，所述缓冲层(6)内设有密集的孔洞(61)。
3.根据权利要求2所述的LED晶粒，其特征在于：所述缓冲层(6)采用陶瓷缓冲层，所述孔洞(61)设置在缓冲层(6)竖直方向上，所述孔洞(61)的直径为0.5mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的LED晶粒，其特征在于：所述正电极(8)与衬底(5)以及热沉(7)下台阶(72)之间设有第一绝缘层(10)，所述负电极(9)与P型半导体层(4)以及衬底(5)以及热沉(7)下台阶(72)之间设有第二绝缘层(11)。
5.根据权利要求1所述的LED晶粒，其特征在于：所述N型半导体层(2)、活性层(3)、P型半导体层(4)以及衬底(5)之间的自上而下的柱状孔与热沉(7)的上台阶(71)形成夹角，所述夹角不超过10度。
6.基于权利要求1所述的LED晶粒的封装结构，其特征在于：包括所述若干个LED晶粒矩阵式排列设置在铜底座(12)上，所述铜底座(12)预先设置好安装LED晶粒的内凹安装部，内凹安装部内设置为绝缘内壁，内凹安装部底端印刷有电极引出电路，所述电极引出电路的正电极连接LED晶粒的负电极(9)，所述电极引出电路的负电极连接LED晶粒的正电极(8)，所述铜底座(12)的内凹安装部下方印刷有电极引出电路，并且与内凹安装部底端印刷有电极引出电路相互串联。
7.根据权利要求6所述的封装结构，其特征在于：在所述铜底座(12)上方设有第一密封体(13)，所述第一密封体(13)向下延伸至铜底座(12)周端，所述铜底座(12)下方设有第二密封体(14)，第二密封体(14)延伸至铜底座(1)的第一密封体(13)处的外端。
8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于：所述第一密封体(13)上端结构为半球状结构，所述第一密封体(13)为环氧树脂密封体。
9.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于：所述第二密封体(14)为绝缘材料密封装置。
10.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于：所述第二密封体(14)设有出线孔(141)，出线孔(141)内设有软导线(142)，软导线(142)连接铜底座(12)下方印有的电极引出电路。
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