CN107731997A - 一种发光二极管的封装支架及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管的封装支架及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管的封装支架及其制造方法，属于半导体技术领域。所述封装支架包括固晶金属柱、封装部、焊线部和电极引脚，所述固晶金属柱上固定有发光二极管芯片，所述封装部包裹在所述固晶金属柱外，所述封装部的材料采用塑胶，所述电极引脚固定在所述封装部上并向远离所述封装部的方向延伸，所述焊线部设置在所述封装部内，用于将所述电极引脚与所述发光二极管芯片电连接，所述固晶金属柱的材料采用钛，所述固晶金属柱固定有所述发光二极管芯片的区域内开设有沿所述固晶金属柱的轴向延伸的通孔，所述通孔内设置掺有石墨烯颗粒的铝柱。本发明可以避免发光二极管芯片和固晶金属柱之间产生热应力，同时能保障较高的传热效率。

Description

一种发光二极管的封装支架及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的封装支架及其制造方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是高效、环保、绿色的新一代固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，广泛应用于交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源、户外全彩显示屏等领域。
LED在实际应用中通常是先将LED芯片包裹在封装支架里制成灯珠，再把灯珠连接到电路中。其中，LED芯片包括蓝宝石衬底、设置在蓝宝石衬底上的外延层和设置在外延层上的电极。封装支架包括固晶金属柱、封装部、焊线部和电极引脚；固晶金属柱设置在封装部内，LED芯片中的蓝宝石衬底固定在固晶金属柱上；焊线部也设置在封装部内，将LED芯片中的电极和电极引脚进行电连接；电极引脚延伸到封装部外，将灯珠连接到电路中。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
LED芯片发光时产生的热量全部通过固晶金属柱传导出去，为了避免热量影响LED芯片的可靠性，目前固晶金属柱的材料采用传热系数高的铜，以达到最佳的散热效果。但是铜的热膨胀系数为17.6，在LED芯片发光升温时受热膨胀较大，而固定在固定金属柱上的蓝宝石衬底的热膨胀系数为7.5，在LED芯片发光升温时受热膨胀较小，LED芯片与固晶金属柱之间在发光升温时会产生很大的热应力，长期的热应力作用将造成LED芯片和固晶金属柱分离，LED芯片的热量无法传导出去，LED芯片被烧坏而失效。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的封装支架及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的封装支架，所述封装支架包括固晶金属柱、封装部、焊线部和电极引脚，所述固晶金属柱上固定有发光二极管芯片，所述封装部包裹在所述固晶金属柱外，所述封装部的材料采用塑胶，所述电极引脚固定在所述封装部上并向远离所述封装部的方向延伸，所述焊线部设置在所述封装部内，用于将所述电极引脚与所述发光二极管芯片电连接，所述固晶金属柱的材料采用钛，所述固晶金属柱固定有所述发光二极管芯片的区域内开设有沿所述固晶金属柱的轴向延伸的通孔，所述通孔内设置掺有石墨烯颗粒的铝柱。
可选地，所述石墨烯颗粒为层状结构，所述层状结构的层叠方向与所述固晶金属柱的轴向垂直。
可选地，所述铝柱的质量为所述石墨烯颗粒的质量的9倍～19倍。
可选地，所述通孔垂直于所述固晶金属柱的轴向的截面上两点之间的最大距离为100微米～150微米。
可选地，所述通孔的数量为多个，多个所述通孔以阵列形式分布在所述固晶金属柱上。
可选地，所述固晶金属柱的表面设有镀银层。
优选地，所述固晶金属柱没有固定所述发光二极管芯片的区域上设有分布式布拉格反射镜。
更优选地，所述分布式布拉格反射镜包括32个二氧化钛层和32个二氧化硅层，所述32个二氧化钛层和所述32个二氧化硅层交替层叠设置。
可选地，所述封装支架还包括支架本体，所述支架本体设置在所述封装部外。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的封装支架的制造方法，所述制造方法包括：
采用钛制作固晶金属柱，所述固晶金属柱用于固定发光二极管芯片；
在所述固晶金属柱用于固定所述发光二极管芯片的区域内开设沿所述固晶金属柱的轴向延伸的通孔；
在所述通孔内填充掺有石墨烯颗粒的铝柱；
对所述固晶金属柱进行热处理；
分别制作焊线部和电极引脚；
将所述固晶金属柱、所述焊线部和所述电极引脚设置在封装部的模型中，向所述封装部的模型内注塑形成封装部。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将固晶金属柱的材料从铜改进为钛，钛的热膨胀系数为8.2，发光二极管芯片的主体材料蓝宝石的热膨胀系数为7.5，钛的热膨胀系数和蓝宝石的热膨胀系数基本一致，在LED芯片发光升温时固晶金属柱和发光二极管芯片按相同的膨胀比例变化，不会产生相对的膨胀差，从而避免发光二极管芯片和固定发光二极管芯片的固晶金属柱之间产生热应力，因此不会使得发光二极管芯片和固晶金属柱在热应力的长期作用下产生物理分离，最终提高了发光二极管的可靠性，延长了产品的使用寿命，同时也为增大驱动电流创造了条件，特别适用于温度变化大的大功率发光二极管。而且钛的含量丰富，大规模生产应用具有稳定的保障。同时固晶金属柱固定发光二极管芯片的区域内设有通孔，通孔内设置掺有石墨烯颗粒的铝柱，铝的热传导系数高于钛，石墨烯颗粒的热传导效果更远高于钛，因此可以保障较高的传热效率，达到很好的散热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的封装支架的俯视图；
图2是本发明实施例一提供的图1的A-A剖视图；
图3是本发明实施例一提供的固晶金属柱的俯视图；
图4是本发明实施例一提供的固晶金属柱和发光二极管芯片的剖视图；
图5是本发明实施例二提供的一种发光二极管的封装支架的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管的封装支架，参见图1和图2，该封装支架包括固晶金属柱11、封装部12、焊线部13和电极引脚14，固晶金属柱11上固定有发光二极管芯片，封装部12包裹在固晶金属柱11外，封装部12的材料采用塑胶，电极引脚14固定在封装部12上并向远离封装部12的方向延伸，焊线部13设置在封装部12内，用于将电极引脚14与发光二极管芯片电连接。
在本实施例中，固晶金属柱11的材料采用钛，参见图3和图4，固晶金属柱11固定有发光二极管芯片20的区域11a内开设有沿固晶金属柱11的轴向延伸的通孔，通孔内设置有掺有石墨烯颗粒的铝柱11b。
需要说明的是，固晶金属柱11和焊线部13之间是电绝缘的。具体地，固晶金属柱11和焊线部13之间的最小距离大于0.3毫米。
在具体实现中，电极引脚可以连接到电路板上，通常电极引脚的一端固定在封装部上，另一端与电路板上的焊点通过锡膏进行连接。
具体地，发光二极管芯片可以包括蓝宝石衬底、设置在蓝宝石衬底上的外延层和设置在外延层上的电极。其中，发光二极管芯片的总厚度一般为150微米，蓝宝石衬底的厚度在145微米以上，因此蓝宝石是发光二极管芯片的主体材料。
本发明实施例通过将固晶金属柱的材料从铜改进为钛，钛的热膨胀系数为8.2，发光二极管芯片的主体材料蓝宝石的热膨胀系数为7.5，钛的热膨胀系数和蓝宝石的热膨胀系数基本一致，在LED芯片发光升温时固晶金属柱和发光二极管芯片按相同的膨胀比例变化，不会产生相对的膨胀差，从而避免发光二极管芯片和固定发光二极管芯片的固晶金属柱之间产生热应力，因此不会使得发光二极管芯片和固晶金属柱在热应力的长期作用下产生物理分离，最终提高了发光二极管的可靠性，延长了产品的使用寿命，同时也为增大驱动电流创造了条件，特别适用于温度变化大的大功率发光二极管。而且钛的含量丰富，大规模生产应用具有稳定的保障。同时固晶金属柱固定发光二极管芯片的区域内通孔，通孔内设置掺有石墨烯颗粒的铝柱，铝的热传导系数高于钛，石墨烯颗粒的热传导效果更远高于钛，因此可以保障较高的传热效率，达到很好的散热效果。
具体地，固晶金属柱可以包括同轴连接的上圆柱和下圆台，上圆柱的直径小于下圆台的最小直径，下圆台最大直径的一端与上圆柱的一端连接。更具体地，上圆柱的直径可以大于1.5毫米，如2毫米。进一步地，固晶金属柱的高度可以为2.85毫米。
在实际应用中，芯片固定在上圆柱的另一端，下圆台最小直径的一端和电路板的散热通道相连，利用固晶金属柱将芯片产生的热量通过电路板散发出去。封装部设在下圆台外，焊线部设置在上圆柱和封装部之间，优选对称设置在上圆柱的两侧。
具体地，封装部的材料可以采用聚邻苯二甲酰胺(英文：Polyphthalamide，简称：PPA)，主要起绝缘、支撑和保护作用，而且耐高温，吸湿少。更具体地，封装部的颜色可以为黑色，也可以为白色。在实际应用中，封装部的材料也可以采用液晶聚合物(英文：LiquidCrystal Polymer，简称：LCP)，耐温性更佳。
在具体实现中，固晶金属柱的材料可以采用杂质含量在0.1％以下的钛。
优选地，焊接部的材料可以采用铜。
可选地，固晶金属柱固定有发光二极管的表面的粗糙度Ra＜0.5微米，固晶金属柱背向发光二极管的表面的粗糙度Ra＜5微米。
可选地，石墨烯颗粒可以为层状结构，层状结构的层叠方向与固晶金属柱的轴向垂直，以使导热效果达到最佳。
优选地，层状结构的数量可以大于5层且小于10层。
具体地，石墨烯颗粒垂直于片状结构的层叠方向的截面上两点之间的最大距离可以为5微米。例如，石墨烯颗粒垂直于片状结构的层叠方向的截面为圆形时，圆形的直径为5微米。
可选地，铝柱的质量可以为石墨烯颗粒的质量的9倍～19倍。
可选地，通孔垂直于固晶金属柱的轴向的截面上两点之间的最大距离可以为100微米～150微米。
优选地，通孔垂直于固晶金属柱的轴向的截面上两点之间的最大距离可以120微米。例如，通孔垂直于固晶金属柱的轴向的截面为圆形时，圆形的直径为120微米。
可选地，通孔的数量可以为多个，多个通孔以阵列形式分布在固晶金属柱上。
具体地，通孔的数量可以为9个，9个通孔以3*3的阵列形式分布在固晶金属柱上。一方面避免通孔的数量过多而增加封装支架的制作难度，另一方面保证芯片散热良好。
可选地，固晶金属柱的表面可以设有镀银层，以增加反光效果，提高光输出效率，改善亮度，同时提高封装支架的稳定性。
具体地，镀银层的厚度可以为30微米～70微米，如50微米。
优选地，固晶金属柱没有固定发光二极管芯片的区域上可以设有分布式布拉格反射镜(英文：Distributed Bragg Reflection，简称：DBR)。一方面与镀银层叠加，增加光的反射；另一方面可以将镀银层与填充在芯片上的硅胶隔离，保护镀银层的稳定性。
在实际应用中，固晶金属柱固定有发光二极管的区域上也可以设有DBR，以更好地将芯片和固晶金属柱绝缘。
更优选地，DBR可以包括32个二氧化钛层和32个二氧化硅层，32个二氧化钛层和32个二氧化硅层交替层叠设置。两种材料之间的折射率相差大，反射效果好，而且性能稳定。
在实际应用中，32个二氧化钛层和32个二氧化硅层中，16个二氧化钛层的厚度为430埃，16个二氧化硅层的厚度为750埃，以侧重反射波长为450nm附近的光线；16个二氧化钛层的厚度为550埃，16个二氧化硅层的厚度为950埃，以侧重反射波长为570nm附近的光线。
进一步地，焊线部和电极引脚的表面也可以设有镀银层，以增加可焊性。
可选地，如图1所示，该封装支架还可以包括支架本体15，支架本体15设置在封装部12外。支架本体通过多个做成阵列方法实现其支撑的多个封装部规则排列，从而可以进行多个发光二极管芯片的批量自动化封装。
具体地，支架本体的材料可以采用黄铜或者铁，支架本体的厚度可以为0.4毫米。
优选地，支架本体的表面可以设有镀银层，以提高反光率，增加LED的发光亮度。进一步地，镀银层的厚度可以为50微米。需要说明的是，镀银层在常温下比较稳定，在高温下遇到酸碱等腐蚀性物质时会被缓慢腐蚀，因此优选在充氮后密封保存。
将本实施例的封装支架封装的0.5W和1W的灯珠进行50次(-40)℃～105℃的冷热循环冲击测试，没有出现死灯。而将传统封装支架封装的0.5W和1W的灯珠进行50次(-40)℃～105℃的冷热循环冲击测试，死灯率为3％，说明本实施例的封装支架明显改善了灯珠的稳定性。另外，将本实施例的封装支架封装的灯珠和传统封装支架封装的灯珠进行1000小时的3倍电流老化衰减测试，本实施例的封装支架封装的灯珠也优于传统封装支架封装的灯珠，说明本实施例的封装支架的散热效果也得到了提升。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的封装支架的制造方法，参见图5，该制造方法包括：
步骤201：采用钛制作固晶金属柱，固晶金属柱用于固定发光二极管芯片。
具体地，该步骤201可以包括：
将钛注入模具形成固晶金属柱。
步骤202：在固晶金属柱用于固定发光二极管芯片的区域内开设沿固晶金属柱的轴向延伸的通孔。
具体地，该步骤202可以包括：
采用激光烧融的方式形成通孔；
采用酸性溶液去除烧融形成的残留物。
步骤203：在通孔内填充掺有石墨烯颗粒的铝柱。
在具体实现中，将固晶金属柱以通孔接近水平放置的方式放置，以便石墨烯颗粒片状结构的层叠方向与固晶金属柱的轴向垂直，达到最佳的导热效果。
步骤204：对固晶金属柱进行热处理。
具体地，该步骤204可以包括：
在氮气保护下，对固晶金属柱进行30分钟350℃的热处理。
需要说明的是，热处理可以改善铝柱和铝柱中掺杂的石墨烯颗粒之间的粘附性，以利于热的传导。
可选地，该制造方法还可以包括：
将固晶金属柱的表面处理平坦。
可选地，该制造方法还可以包括：
在固晶金属柱的表面镀上一层银，形成镀银层。
优选地，该制造方法还可以包括：
在固晶金属柱没有固定发光二极管芯片的区域上形成DBR。
更优选地，DBR可以包括32个二氧化钛层和32个二氧化硅层，32个二氧化钛层和32个二氧化硅层交替层叠设置。DBR中最靠近DBR的为二氧化硅层，其沉积过程中采用关闭氧气或氧气较低，以避免氧化镀银层。
步骤205：分别制作焊线部和电极引脚。
可选地，该制造方法还可以包括：
在固晶金属柱、焊线部和电极引脚的表面镀上一层银，形成镀银层。
步骤206：将固晶金属柱、焊线部和电极引脚设置在封装部的模型中，向封装部的模型内注塑形成封装部。
在本实施例中，封装部设在固晶金属柱外，电极引脚固定在封装部上并向远离封装部的方向延伸，焊线部设置在封装部内，用于将电极引脚与发光二极管芯片电连接。
在实际应用中，在步骤206之后，会将电极引脚进行切割和弯曲，形成发光二极管的封装支架成品。具体地，当固晶金属柱设置在地面上时，电极引脚距离地面0.1～0.2毫米。
本发明实施例通过将固晶金属柱的材料从铜改进为钛，钛的热膨胀系数为8.2，发光二极管芯片的主体材料蓝宝石的热膨胀系数为7.5，钛的热膨胀系数和蓝宝石的热膨胀系数基本一致，在LED芯片发光升温时固晶金属柱和发光二极管芯片按相同的膨胀比例变化，不会产生相对的膨胀差，从而避免发光二极管芯片和固定发光二极管芯片的固晶金属柱之间产生热应力，因此不会使得发光二极管芯片和固晶金属柱在热应力的长期作用下产生物理分离，最终提高了发光二极管的可靠性，延长了产品的使用寿命，同时也为增大驱动电流创造了条件，特别适用于温度变化大的大功率发光二极管。而且钛的含量丰富，大规模生产应用具有稳定的保障。同时固晶金属柱固定发光二极管芯片的区域内通孔，通孔内填充掺有石墨烯颗粒的铝柱，铝的热传导系数高于钛，石墨烯颗粒的热传导效果更远高于钛，因此可以保障较高的传热效率，达到很好的散热效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管的封装支架，所述封装支架包括固晶金属柱、封装部、焊线部和电极引脚，所述固晶金属柱上固定有发光二极管芯片，所述封装部包裹在所述固晶金属柱外，所述封装部的材料采用塑胶，所述电极引脚固定在所述封装部上并向远离所述封装部的方向延伸，所述焊线部设置在所述封装部内，用于将所述电极引脚与所述发光二极管芯片电连接，其特征在于，所述固晶金属柱的材料采用钛，所述固晶金属柱固定有所述发光二极管芯片的区域内开设有沿所述固晶金属柱的轴向延伸的通孔，所述通孔内设置掺有石墨烯颗粒的铝柱。
2.根据权利要求1所述的封装支架，其特征在于，所述石墨烯颗粒为层状结构，所述层状结构的层叠方向与所述固晶金属柱的轴向垂直。
3.根据权利要求1或2所述的封装支架，其特征在于，所述铝柱的质量为所述石墨烯颗粒的质量的9倍～19倍。
4.根据权利要求1或2所述的封装支架，其特征在于，所述通孔垂直于所述固晶金属柱的轴向的截面上两点之间的最大距离为100微米～150微米。
5.根据权利要求1或2所述的封装支架，其特征在于，所述通孔的数量为多个，多个所述通孔以阵列形式分布在所述固晶金属柱上。
6.根据权利要求1或2所述的封装支架，其特征在于，所述固晶金属柱的表面设有镀银层。
7.根据权利要求6所述的封装支架，其特征在于，所述固晶金属柱没有固定所述发光二极管芯片的区域上设有分布式布拉格反射镜。
8.根据权利要求7所述的封装支架，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜包括32个二氧化钛层和32个二氧化硅层，所述32个二氧化钛层和所述32个二氧化硅层交替层叠设置。
9.根据权利要求1或2所述的封装支架，其特征在于，所述封装支架还包括支架本体，所述支架本体设置在所述封装部外。
10.一种发光二极管的封装支架的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
采用钛制作固晶金属柱，所述固晶金属柱用于固定发光二极管芯片；
在所述固晶金属柱用于固定所述发光二极管芯片的区域内开设沿所述固晶金属柱的轴向延伸的通孔；
在所述通孔内填充掺有石墨烯颗粒的铝柱；
对所述固晶金属柱进行热处理；
分别制作焊线部和电极引脚；
将所述固晶金属柱、所述焊线部和所述电极引脚设置在封装部的模型中，向所述封装部的模型内注塑形成封装部。
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