CN109314170A - 用于优化的热阻、焊接可靠性和smt加工良率的led金属焊盘配置 - Google Patents

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Abstract

阴极电极和阳极电极沿着LED子底座的底表面的中心线位于底表面上。两个热焊盘沿着底表面的相对侧位于电极的任一侧。该配置导致在将电极接合到电路板的焊料上的较小的应力。此外，由于由所述两个热焊盘传导的热量没有被电极阻塞，所以热量更均匀地扩散到电路板中。此外，由于金属设计是对称的（因为外部的热焊盘是相同的），所以熔融焊料在两个热焊盘上方将具有相同的形状，导致LED管芯和子底座相对于电路板的表面不是倾斜的。描述了其他配置，其也改良了LED管芯的热特性和电特性。

Description

用于优化的热阻、焊接可靠性和SMT加工良率的LED金属焊盘 配置
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月2日提交的标题为“LED METAL PAD CONFIGURATION FOROPTIMIZED THERMAL RESISTANCE, SOLDER RELIABILITY, AND SMT PROCESSING YIELDS”的美国临时专利申请第62/262,311号的优先权。美国临时专利申请第62/262,311号并入本文。
技术领域
本发明涉及一种电子设备，并且特别地涉及一种在半导体管芯或子底座（submount）的表面上的金属焊盘的配置，所述金属焊盘被焊接到电路板的焊盘以用于改良的热阻、焊接可靠性和表面贴装技术（SMT）加工良率。
背景技术
图1图示了常规的LED管芯10。该LED管芯10包括半导体层以及可选地由LED层12表示的透明衬底。底部阴极电极14电连接到LED管芯10中的n型层，并且阳极电极16连接到LED管芯10中的p型层。虽然LED管芯10被示为倒装芯片，但是它可以替代地具有一个引线接合（wire-bonded）的顶部电极或两个引线接合的顶部电极。
LED管芯10最初可以被安装在导热子底座18（诸如具有AlN主体）上。使用子底座极大地便利了LED管芯10的处理以及在电路板上的安装。子底座18具有通过超声波焊接或其他技术接合到LED管芯电极14和16的顶部金属焊盘20和22。子底座的金属焊盘20和22借助于在子底座18的顶表面上的金属线路和延伸穿过子底座主体的垂直过孔26电连接到底部电极24（在截面中仅示出一个）。
子底座18的作用像是LED管芯10和印刷电路板30之间的接口，用于传导由LED管芯10生成的电流和热量。由LED管芯10生成的热量通过LED管芯电极14和16主要传导到子底座主体，并且子底座18通过通常由铜形成的电绝缘热焊盘32将热量传导到电路板30。在电路板30上的电极34（在截面中仅示出一个）被焊接到子底座18的底部电极24，并且在电路板30上的热焊盘35被焊接到在子底座18上的热焊盘32。电极34通过线路36连接到电源。电路板30经常是高度导热的，诸如由具有薄电介质层38的铝或铜芯形成，该薄电介质层38用以使电极34和线路36与金属芯电绝缘。
在电路板30上的热焊盘35可以比子底座18的占用区域（footprint）大得多，以横向扩散热量。
图2图示了在子底座18的底表面上的电极24A和24B以及热焊盘32，它们对应于在电路板30上的电极和热焊盘图案。
这种设计的问题在于，在电路板30的Cu层内的热量扩散被电极34的位置部分地阻塞，因为热流被热焊盘和电焊盘之间的间隙中断。另一问题在于，由于表面张力，在热焊盘35上方润湿的熔融焊料40（诸如来自焊料缸）不是平坦的，并且在较小电极34上的熔融焊料42的高度不同于在热焊盘35上方的焊料40的高度。这导致在焊料通过冷却被固化之后，子底座18和LED管芯10当被安装在电路板30上方时略微地倾斜。 对于较大的子底座，诸如大于2.5 × 2.5mm，这种影响尤其开始起作用。
此外，在图1和2的设计中，焊料开裂和分层（由子底座18和电路板30之间热膨胀系数（CTE）的不匹配造成）更可能发生，因为应力随着距子底座18的中心的距离增加而增加，并且小电极24距子底座18的中心最远。如果电极没有通过焊料充分地电连接在一起，则开裂的开路触点可能发生电弧，在接口处可能生成高的热量，并且将存在增大的电压降。
如果LED管芯10的底表面具有类似于在图2中所示的配置的电极和热焊盘配置，并且LED管芯10直接接合到在电路板上的相应的焊盘，则发生相同的问题。
图3图示了用于LED管芯的在子底座的底表面上的电极44和46以及热焊盘48的另一常规配置。由于电极44和46远离中心并且部分地围绕热焊盘48，所以这个3条带设计具有倾斜、由电极44/46导致的热量扩散的阻塞、以及类似于上面针对图2的配置所描述的那些的焊料开裂/分层的缺点。
所需要的是不遭受上面所描述的缺点的、在LED管芯或子底座的底表面上的金属电极和热焊盘配置。
发明内容
描述了在半导体管芯或子底座的底表面上的各种金属电极和热焊盘配置，其改良了电子或光电设备的热特性和电特性。
在一个实施例中，LED模块的阴极电极和阳极电极沿着子底座底表面的中心线定位，并且两个热焊盘位于底表面的相对侧，其中电极在两个热焊盘之间。由于在焊料上的应力在子底座的中部附近是最低的，所以在将电极接合到电路板的焊料上有较小的应力。
此外，由于由两个热焊盘传导的热量不会被电极阻塞，所以热量更均匀地扩散到电路板中并向外扩散。
此外，由于金属设计是对称的并且热焊盘是相同的，所以熔融焊料在两个热焊盘上方将具有相同的形状，使得管芯和子底座平行于电路板的表面。因此，不存在管芯的倾斜。当管芯是LED管芯时，这是特别有价值的，因为倾斜影响光发射轮廓。
描述了其他配置，其中在管芯或子底座的底部上的各种金属电极和热焊盘被布置成实现上面所描述的热改良和电改良。
附图说明
图1是安装在子底座上的示例性LED管芯的截面视图，所述子底座安装在电路板上，其中在子底座的底表面上的金属图案在图2中示出。
图2图示了在常规的LED管芯或子底座的底部上的常规的金属电极和热焊盘配置。
图3图示了在常规的LED管芯或子底座的底部上的另一常规的金属电极和热焊盘配置。
图4图示了根据本发明的一个实施例的在LED管芯或子底座的底部上的金属电极和热焊盘配置。
图5A是安装在子底座上的LED管芯的截面视图，所述子底座安装在电路板上，其中子底座的底表面具有在图4中所示的金属配置，并且其中该视图面向热焊盘的短边。
图5B图示了图5A的结构，其中该视图面向热焊盘的长边。
图6图示了根据本发明的另一实施例的在LED管芯或子底座的底部上的金属电极和热焊盘配置。
图7图示了根据本发明的另一实施例的在LED管芯或子底座的底部上的金属电极和热焊盘配置。
图8图示了子底座，其上安装有多个管芯，其中该子底座具有类似于图4、6或7的金属图案的底部金属图案。
在各个附图中相同或等同的元件用相同的数字标记。
具体实施方式
尽管本发明可应用于任何具有要接合到电路板的金属焊盘的电子设备，但是将描述LED模块的示例。
图4是根据本发明的一个实施例的示例性LED管芯或子底座的底表面的视图，其示出了金属阴极电极50、阳极电极52以及热焊盘54和56。在示例中，假设LED管芯安装在子底座上，并且子底座将安装在具有相同金属图案的电路板上。因此，在图4中所示的配置是在子底座58的底表面上的配置。由于子底座58使用线路和垂直过孔将LED管芯电极电连接到在子底座58上的底部电极50/52，并且由LED管芯生成的热量被子底座主体传导到热焊盘54/56，因此在LED管芯的底部上的金属电极配置是不相关的。
在另一实施例中，LED管芯也可以包括热焊盘，并且子底座可以包括从顶部热焊盘通向底部热焊盘54和56的金属过孔。
图5A图示了LED管芯10，其可以是图1中的常规LED管芯，该管芯安装在子底座58的顶表面上。该视图面向热焊盘54和56的短边。图5B图示了图5A的结构，其中该视图面向热焊盘54的长边。
LED管芯的阳极电极16被示出为附接到在子底座58上的顶部金属阳极焊盘60，并且阴极电极14被示出为附接到在子底座58上的顶部金属阴极焊盘61，诸如通过超声波焊接或其他技术。焊盘60通过形成在子底座主体中的垂直的金属过孔62电连接到底部阳极电极52。从相对侧示出LED管芯的阴极电极14的视图与图5A是相同的。
来自LED管芯10的热量从LED管芯的底表面（包括从LED管芯的金属电极14/16）传导到子底座58的主体，以在整个子底座58中初始地扩散热量。热量然后通过在子底座58上的热焊盘54和56以及在电路板64上的相应的金属焊盘66和68 被传递到金属芯电路板64。子底座58的阳极电极52电连接到在电路板64上的阳极焊盘70。在电路板64上的焊盘66和68可以延伸超过子底座58的占用区域以便为了更好的热量扩散，因为不存在电极阻挡焊盘66和68的向外扩展。
在图4中所示的金属配置改良了来自LED管芯10的散热，降低了LED管芯的倾斜，并且降低了焊料开裂/分层的可能性，如下面讨论的。
由于热焊盘54和56对称地位于子底座58的两侧附近，其中电极50和52沿着中部，所以在子底座58被安装在电路板64上之后，不存在向外的热量扩散的阻塞。此外，该配置允许在电路板64上的热焊盘66和68延伸超过子底座58的占用区域，以更好地扩散热量。
由于热焊盘66和68的尺寸是相同的并且延伸子底座58的几乎整个长度，所以分配在焊盘66和68两者上的熔融焊料74和76具有相同的特性，诸如高度和体积。因此，当子底座58被放置在熔融焊料上方时，子底座58和LED管芯10将不是倾斜的。当焊料被冷却时，在电路板64上的金属焊盘66/68/70将热连接和电连接到在子底座58上的各自的电极50/52以及热焊盘54/56。
由于子底座58和电路板64之间固有的CTE不匹配，焊点将由于热循环而承受应力。越远离子底座58的中心，应力越大。由于连接到“中心”电极50和52的焊点比连接到热焊盘54和56的焊点具有更小的面积，所以它们更易于开裂/分层，这降低了到LED管芯的电连接的可靠性。这些电极焊点比热焊盘焊点承受更小的应力，因为它们更靠近子底座58的中心。因此，该配置改良了焊点的可靠性。
提供焊盘配置的更多对称性以及不阻塞来自热焊盘的热量分布的相同概念可以被应用于在子底座或LED管芯的表面上的不同的金属设计。
图6图示了在子底座或LED管芯的底表面上的金属电极和热焊盘配置的另一实施例。阴极电极80、阳极电极82、热焊盘84以及热焊盘86是矩形的（例如，正方形）并且位于不同的象限中。在电路板上存在相应的图案。由于所有的电极/焊盘都是相同的尺寸，所以熔融焊料在每个电极/焊盘上具有相同的高度，使得没有倾斜。
由于热焊盘84和86在它们的外侧中的两个外侧上没有被电极阻挡，所以热量可以更高效地扩散到电路板中，并且电路板可以使用延伸远远超过子底座的占用区域的热焊盘。
由于电极80和82靠近子底座的中部，所以在焊点上将有更小的热应力，以降低开裂或分层的可能性。
图7图示了在子底座或LED管芯的底表面上的金属电极和热焊盘配置的另一实施例。阴极电极90、阳极电极92、热焊盘96以及热焊盘98是三角形的并且位于不同的象限中。电路板具有相应的金属图案。由于所有的电极/焊盘都是相同的尺寸，所以熔融焊料在每个电极/焊盘上具有相同的高度，使得没有倾斜。
由于热焊盘96和98在它们的外侧上没有被电极阻挡，所以热量可以更高效地扩散到电路板中，并且电路板可以使用延伸远远超过子底座的占用区域的热焊盘。
由于电极90和92靠近子底座的中部，所以在焊点上将有更小的热应力，以降低开裂或分层的可能性。
使用上面结合图4-7所描述的指南，其他金属图案配置是可能的。例如，热焊盘可以多于两个并且对称地围绕更靠近子底座中心的电极。热焊盘可以是任何形状。
如所看到的，已经描述了LED金属焊盘配置，其优化了LED和电路板之间的热阻（即，在系统水平上），改良了焊接可靠性，并且增加了SMT加工良率（即，到电路板的成功接合）。
由于金属图案在LED管芯底部上或它的子底座的底部上是有用的，无论哪个被直接安装到衬底（诸如电路板）的表面，任一结构都可以被称为LED模块。LED管芯可以是激光二极管管芯或非激光管芯。
图8图示了子底座102，其具有与用于接合到电路板的上面所描述的金属图案中的任一个一致的底部金属图案。多个管芯104和106（其表示任意数量的管芯）可以通过在子底座102的顶部上的线路图案互相连接。由管芯104和106生成的组合热量通过在子底座102的底部上的热焊盘被传递到电路板。在一个实施例中，用于管芯104和106的任何数量的电极可以位于与图4的概念一致的在子底座102的底部上的热焊盘之间。在另一实施例中，电极可以和热焊盘一起以在图6和7中标识的方式分布。
通过将所有的电极放置在子底座的中心附近并且将热焊盘放置在电极的两侧或所有的电极周围，在电极上有较小的热（CTE）应力（由于电极靠近中心），以便增加焊料接合可靠性，同时降低倾斜的可能性。在较大的子底座（诸如支撑多个LED管芯（或其他发热管芯）的那些）的情况下，热应力的问题增多，因此本发明特别有利于较大的子底座。
金属图案设计有利于其中生成热量的任何管芯和/或子底座并且不限于LED。例如，功率晶体管以及其他产生高热量的管芯可以从本发明受益。
虽然已经示出并且描述了本发明的特定的实施例，但是对本领域技术人员来说将显而易见的是，可以进行改变和修改而在其更广泛方面中不脱离本发明，并且因此，所附权利要求将涵盖所有这些改变和修改在其范围内。

Claims (15)

1.一种半导体二极管模块，包括具有至少p型层和n型层的发光半导体层（12），其中光通过所述发光层的第一表面出射，并且所述模块的第二表面具有用于连接到在衬底（64）上的金属焊盘（66、68、70）的金属图案，所述金属图案包括：
电连接到所述n型层的阴极电极（50）；
电连接到所述p型层的阳极电极（52）；以及
两个热焊盘（54、56），其与所述阴极电极和阳极电极电隔离，所述两个热焊盘沿着所述模块的所述第二表面的相对侧定位并且具有基本相同的形状。
2.如权利要求1所述的模块，其中所述模块包括安装在子底座（58）上的LED管芯（10），其中所述模块的所述第二表面是所述子底座的底表面。
3.如权利要求1所述的模块，其中所述模块包括LED管芯（10），其中所述模块的所述第二表面是所述LED管芯的底表面。
4.如权利要求1所述的模块，其中所述衬底（64）是电路板。
5.如权利要求1所述的模块，其中所述阴极电极（50）和所述阳极电极（52）沿着所述第二表面的中心线定位，并且所述热焊盘（54、56）位于所述中心线的两侧，其中所述阴极电极和阳极电极在所述热焊盘和所述中心线之间。
6.如权利要求1所述的模块，其中所述热焊盘（84、86）是矩形的并且位于所述第二表面的相对角处，并且其中所述阴极电极（80）和阳极电极（82）是矩形的并且位于所述第二表面的相对角处。
7.如权利要求1所述的模块，其中所述热焊盘（96、98）是三角形的并且沿着所述第二表面的相对侧定位，并且其中所述阴极电极（90）和阳极电极（92）是三角形的并且沿着所述第二表面的相对侧定位。
8.一种电子设备，包括具有至少第一端子（14）和第二端子（16）的电气设备，并且所述电气设备的表面具有用于连接到在衬底（64）上的金属焊盘（66、68、70）的金属图案，所述金属图案包括：
电连接到所述第一端子的第一电极（50）；
电连接到所述第二端子的第二电极（52）；以及
至少两个热焊盘（54、56），其与所述第一电极和第二电极电隔离，所述至少两个热焊盘沿着具有所述金属图案的所述电气设备的所述表面的相对侧定位，并且所述两个热焊盘具有基本相同的形状。
9.如权利要求8所述的电子设备，其中所述电气设备包括安装在子底座（58）上的半导体管芯（10），其中具有所述金属图案的所述电气设备的所述表面是所述子底座的表面。
10.如权利要求8所述的电子设备，其中所述电气设备包括半导体管芯（10），其中所述电气设备的所述底表面是所述半导体管芯的底表面。
11.如权利要求8所述的电子设备，其中所述电气设备包括安装在子底座（58）上的多个管芯（10），其中所述电气设备的所述表面是所述子底座的底表面。
12.如权利要求8所述的电子设备，其中所述第一电极（50）和所述第二电极（52）沿着所述表面的中心线定位，并且所述热焊盘（54、56）位于所述中心线的两侧，其中所述第一电极和第二电极在所述热焊盘和所述中心线之间。
13.如权利要求8所述的电子设备，其中所述热焊盘（54、56）大于所述第一电极（50）和第二电极（52）。
14.如权利要求8所述的电子设备，其中所述热焊盘（84、86）是矩形的并且位于所述表面的相对角处，并且其中所述第一电极（80）和第二电极（82）是矩形的并且位于所述表面的相对角处。
15.如权利要求8所述的电子设备，其中所述热焊盘（96、98）是三角形的并且沿着所述表面的相对侧定位，并且其中所述第一电极（90）和第二电极（92）是三角形的并且沿着所述表面的相对侧定位。
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