CN204760379U - 一种led倒装芯片固晶导电粘接结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种LED倒装芯片固晶导电粘接结构，包括LED倒装芯片以及电子电路板,LED倒装芯片下表面从左到右依次设置有LED倒装芯片负极、LED倒装芯片非金属区域以及LED倒装芯片正极，电子电路板上表面设置从左到右依次设置有电路板负极、电路板非金属区域以及电路板正极，LED倒装芯片以及电子电路板通过粘接在LED倒装芯片非金属区域以及电路板非金属区域间的热固型固晶绝缘粘接胶固定连接，LED倒装芯片正、负极分别与所述电子电路板正、负极直接金属与金属接触导电连接，本实用新型提供了一种具有工艺简单、操作工序少，设备投入低，生产加工成本低廉，生产效率高，易于实现大规模、自动化生产的LED倒装芯片固晶导电粘接结构。

Description

一种LED倒装芯片固晶导电粘接结构

技术领域

本实用新型涉及半导体元件导电粘接领域，尤其涉及一种LED倒装芯片固晶导电粘接结构及其安装方法。

背景技术.

在本技术领域中，LED倒装芯片固晶导电连接，通常采用低温锡金合金共晶导电与ACA(各向异性导电胶)导电粘接两种方式。而ACA根据胶体状态不同又分为，膜状各向异性导电胶称为ACF(AnisotropicConductiveFilms)；膏状各向异性导电胶称为ACP(AnisotropicConductivePastes)。两者主要区别在于，ACF在工艺实施前就具有各向异性导电性，ACP则需要通过一定的工艺过程才能体现出各向异性导电性。与本实施例最接近技术为ACP各向异性导电胶。

各向异性导电胶ACP：简单的讲就是在X、Y轴方向不导电，Z轴上导电。各向异性导电胶ACP的导电原理，“在合成树脂胶粘剂中,加入导电和绝缘2种粒子(导电粒子的平均粒径要大于绝缘粒子的)混合均匀,将胶分别涂在被粘接导体的表面,加压加热,使胶液流动,使2导体间的距离接近导电粒子的直径并固化。固化后的胶层,在垂直方向(加压方向)由于导电粒子和被粘导体间的互相接触而导电,在水平方向上则由于绝缘粒子的作用而绝缘。”[1]。导电粒子掺入比例一般5％～25％[2]。

[1]《各向异性导电胶的研究与应用现状》向昊曾黎明胡传群武汉理工大学材料学与工程学院

[2]《新型各项异性导电胶的研究》雷芝红上海大学高分子化学与物理专业ACP导电粒子：

“导电填料分金属、无机填料和混合填料。金属有金粉、银粉、铜粉、镍粉、羰基镍、钯粉、钼粉、锆粉、钴粉,还有镀银金属粉、镀铜铝粉等合金填料；无机填料常用的有石墨、炭黑或石墨、炭黑混合物；混合填料就是金属和无机填料经过导电处理如镀银玻璃微珠、镀银二氧化硅粉、银的硅化物、碳化硅、碳化钨、碳化镍、碳化钯等”[1]。

ACP实施工艺[2]：

导电胶连接的工艺流程：在基片上丝网印刷导电胶→电涂非导电胶粘剂→在基片上表面安装元件→固化导电胶→检测。ACP固晶安装装配倒装LED芯片结构可参见图1。

ACP存在的问题：

“导电填料是导电胶的关键组分，它赋予导电胶以导电性能，常用的导电填料有金、银、铜、镍和碳。在各类导电胶中，由于金系导电胶成本高，一般很少使用，主要用在航天业等比较高端的领域。银系导电胶虽然已被应用在电子产品中，但由于在直流电场和潮湿条件下，银分子易产生电解运动即银迁移，使导电胶电性能不稳定而受到应用上的限制。铜系导电胶由于铜粉的化学性质活泼，容易被空气中的氧气、水蒸汽氧化，使铜系导电胶的使用寿命下降。炭黑、石墨系导电胶由于其电阻较高而不宜作为微电子封装材料使用。”[2]

“ACA新型导电填充粒子由两部分组成，粒子核芯为环氧树脂粉粒，外镀银/铜金属层，这种新型导电填充粒子兼具了银粉和柔性导电颗粒的优点，……。外镀银/铜环氧树脂基复合导电颗粒的密度和热膨胀系数与基体环氧树脂接近，长期使用不会发生沉降，可以提高导电胶的耐环境老化性能。此类颗粒在压力作用下可以发生塑性变形，从而增大导电粒子与电极有效接触面积，提高导电胶的电性能。”[2]

“但现在的ACA材料仍旧有着导电率低、韧性差、对不同基材的粘接效果不稳定和固化时间较长等缺点。今后对ACA的改良应从以下几个方面进行着手。

(1)开发新的基材类型，EP作为最为常用的基材具有固化温度高、储存温度低和耐热性差等缺点。开发新的基体有利于拓宽ACA的应用范围。

(2)新型导电填料的开发，减少贵重金属离子的使用，有利于降低成本、提高效率。

(3)提高热稳定性是重要的改性趋势。

(4)导电粒子的分散技术，分散越均匀，团聚越少，越有利于将导电效率最大化。”。[3]

[3]《各向异性导电胶研究进展》徐睿杰雷彩红李善良黄伟良广东工业大学材料与能源学院

“对此，欧司朗陈文成博士补充表示，csp目前的瓶颈问题是工艺问题，如果目前传统的材料设备不能直接用的话，即使csp能够最大程度的降低产品自身的成本，但是却提升了生产加工成本。如果csp不能方便终端的照明企业，他个人觉得还是很难推广。”[4]

[4]“聚焦OFweek大佬圆桌峰会360度解读LED免封装与倒装技术”。文章来源于ofweek半导体照明网2014-11-22

由此可见，ACP各向异性导电胶用于固晶导电粘接存在的问题在于：ACP中必须加入金属导电粒子，且金属粒子的制造工艺复杂造成成本高。金属粒子在胶体中分散性差、导电率低，接触电阻大。ACP在实施固晶导电粘接过程中，操作工艺复杂，加工成本高，由于ACP胶体中有金属粒子存在，金属粒子在胶体中易沉淀。

上述诸多问题必然带来设备投入大，生产工艺问题突出、生产效率低、成本高、电性能及产品可靠性差、胶体不易于保存等问题。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种生产加工成本低廉，生产效率高，易于实现大规模、自动化生产的LED倒装芯片固晶导电粘接结构。

所述LED倒装芯片固晶导电粘接结构，其特征在于，包括LED倒装芯片以及电子电路板,所述LED倒装芯片下表面从左到右依次设置有LED倒装芯片负极、LED倒装芯片非金属区域以及LED倒装芯片正极，所述电子电路板上表面设置从左到右依次设置有电路板负极、电路板非金属区域以及电路板正极，所述LED倒装芯片以及电子电路板通过粘接在所述LED倒装芯片非金属区域以及电路板非金属区域间的热固型固晶绝缘粘接胶固定连接，所述LED倒装芯片正、负极分别与所述电子电路板正、负极直接金属与金属接触导电连接。

所述热固型固晶绝缘粘接胶为酚醛、氨基、环氧、聚氨酯、不饱和聚酯、有机硅、丙烯酸树脂中的一种或以上述材料中的一种为母体改性的热固型固晶绝缘粘接胶。

所述的电子电路板上金属电极焊盘表面为粗糙表面。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：

本实用新型实施例本实施例倒装LED芯片正负电极与电子电路上正负电极实现金属——金属接触导电连接，能够提高导电率，减小接触电阻。

本实用新型实施例金属——金属接触导电连接能够迅速地传导出芯片产生的热量，能够保障芯片正常工作，提高芯片的光效，延长芯片的使用寿命。

本实用新型实施例通用性佳，能满足陶瓷电路板、金属基电路板、环氧玻纤电路板、柔性电路板、玻璃电路板上固晶安装装配LED倒装芯片，也能满足其它电子元器件的安装装配。

本实用新型实施例能满足小间距芯片安装装配需要，能大幅度提高芯片固晶安装装配的密度，实现小体积紧凑型固晶安装装配。

本实用新型实施例胶体选择范围广泛，通用性强，且具有胶体成本低，易于储藏保存等优点。

本实用新型实施例大幅度简化了LED倒装芯片固晶工艺，能够在现有设备装备上实施小间距固晶，突破了现有LED倒装芯片固晶的工艺瓶颈。因此具有工艺简单、操作工序少，设备投入低，生产加工成本低廉，生产效率高，易于实现大规模、自动化生产。

附图说明

图1现有技术LED倒装芯片固晶结构示意图

图2本实施例LED倒装芯片固晶结构示意图

图3本实施例在电子电路板非金属区域施胶示意图

图4粘度低的固晶绝缘粘接胶在未喷油电子电路板上固晶、固化后的结构示意图

图5为表面未喷油电子电路板俯视示意图

图6为表面喷油电子电路板俯视示意图

图7粘度低的固晶绝缘粘接胶固化后胶体在金属——金属界面铺展情况示意图

图8粘接对象为电子元器件时结构示意图

图9金属电极表面平面度(或平整度)对导电性能影响的结构示意图

图10电路板电极焊盘变化举例示意图

图11新型导电颗粒的结构示意图

图12热管理图

图中1、LED倒装芯片2、热固型固晶绝缘粘接胶3、电子电路板4、LED倒装芯片正极区域5、LED倒装芯片负极区域6、电路板正极区域7、电路板负极区域8、LED倒装芯片正负极间非金属区域9、电路板正负电极间非金属区域10、ACP各向异性导电胶11、电子电路板电极焊盘12、喷油电子电路板13、镀银层14、镀铜层15、环氧树脂粉粒16、DX20C热固型绝缘粘接胶17、T15陶瓷基电子电路板18、Au/Ag接触界面19、3014LED倒装芯片20、电子元器件21、电子元件金属电极A局部放大图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

本实用新型实施例LED倒装芯片固晶导电粘接结构，包括LED倒装芯片以及电子电路板,LED倒装芯片下表面从左到右依次设置有LED倒装芯片负极、LED倒装芯片非金属区域以及LED倒装芯片正极，电子电路板上表面设置从左到右依次设置有电路板负极、电路板非金属区域以及电路板正极，LED倒装芯片以及电子电路板通过粘接在LED倒装芯片非金属区域以及电路板非金属区域间的热固型固晶绝缘粘接胶固定连接，LED倒装芯片正、负极分别与所述电子电路板正、负极直接金属与金属接触导电连接，所述热固型固晶绝缘粘接胶为酚醛、氨基、环氧、聚氨酯、不饱和聚酯、有机硅、丙烯酸树脂中的一种或以上述材料中的一种为母体改性的热固型固晶绝缘粘接胶，电子电路板上金属电极焊盘表面为粗糙表面。

本实施例导电机理：

金属材料表面粗糙度表现为微观粗糙度、宏观粗糙度、纹理、缺陷或划伤形成的粗糙面或点。本实施例将电子电路板金属电极焊盘表面优化为粗糙表面，该粗糙表面形成的粗糙面或点，与具有相对较小平均粗糙度的LED倒装芯片金属电极表面，经热固型固晶绝缘粘接胶固晶导电粘接，加热固化后的热固型固晶绝缘粘接胶体积收缩，从而使电子电路板金属电极与LED倒装芯片金属电极实现金属——金属接触型导电连接。(参见图2、图4、图7)。

热固性绝缘粘接胶是低分子量的高聚物或预聚物，通过加热或加入固化剂，或两者均有的条件下，固化成不熔不溶的网状结构的胶黏剂。其特点是施胶时胶液易扩散渗透，固化后的胶黏剂强度高、韧性好、耐蠕变性及耐热性好。但热固性树脂胶黏剂固化中易产生体积收缩和内应力，使粘接强度下降，所述的热固性高分子胶黏剂可加入改性剂加以弥补。热固性树脂胶黏剂的主要品种有酚醛、氨基、环氧、聚氨酯、不饱和聚酯、有机硅、丙烯酸等。

在电子行业中，常用的热固性绝缘粘接胶为环氧树脂及环氧树脂改性、丙烯酸树脂剂及丙烯酸酯树脂改性、改性聚氨酯以及改性的有机硅等合成树脂为基材。

金属电极焊盘表面粗糙度与LED倒装芯片电参数之间的关系：

本实施例中，金属电极焊盘表面平均粗糙度大小与本实施例电参数的关系为：在恒流条件下，金属焊盘表面平均粗糙度越大，则LED倒装芯片工作电压具有较小值。

在我们所做的对比实验中。分别在表面平均粗糙度Ra为0.0141um的金属焊盘(参见表1)，在表面平均粗糙度Ra为0.5103um的金属焊盘(参见表2)上，按照本实施例固晶导电粘接方式，固晶导电粘接德豪润达SIRIUS-KIK3014LED倒装芯片。在工作电流150mA条件下，表面平均粗糙度Ra为0.0141um测得的工作电压范围值为3.0～3.2V，而表面平均粗糙度Ra为0.5103um测得的工作电压范围值为2.8～3.0V。

金属电极焊盘的平面度与导电性能之间的关系：

本实施例中，电子电路板上金属电极之正负极焊盘构成的平面，该平面的表面平面度(或平整度)，也是影响本实施例导电性能的主要因素之一。依据本实施例导电机理，电子电路板上金属电极焊盘与LED倒装芯片金属电极接触面积越大，导电效率越高。电子电路板上金属电极之正负极焊盘构成的平面，该平面表面具有良好的平面度(或平整度)，能充分地保障LED倒装芯片金属电极与电子电路板上金属电极焊盘之间实现金属——金属接触型导电的接触面积，故，良好的表面平面度(或平整度)，有利于本实施例得到良好的导电性能，反之出现较差的平面度(或平整度)，则会降低固晶后金属——金属接触型导电的接触面积，从而影响本实施例的导电性能(参见图9)。

本实施例的热管理分析(参见图12)：

1)材料数据：

德豪润达SIRIUS-KIK3014LED倒装芯片19结构尺寸：

Au电极(正或负极)尺寸：长272um*宽294um，

两电极间隙的非金属区尺寸：间隙150um*宽294um。

3014芯片总长780um*总宽380um。

T15陶瓷基电子电路板17：

电路板正负极间隙尺寸：0.25mm、

电极焊盘(正或负极)烧银层厚度：为10～12um。计算时取中间值11um。

(该数据由上海土生源新型材料科技有限公司提供)

ECCOBONDDX20C热固型绝缘粘接胶16技术参数：

表面电阻系数:3.5E14ohms体积电阻系数:1.2E15ohms

导热系数0.9W/m.K

固化条件150℃-160℃90分钟

(该资料依据ECCOBONDDX20C代理商雷德机电(深圳)有限公司提供的资料)

2)3014芯片解决方案热管理分析：

3014LED倒装芯片19产生的热源Q，我们大致可将Q可分解为Q1、Q2、Q3三个主要的热传导路径。

Q1、Q2的热传导界面为Au——Ag接触界面18，其中可近似将Q1≈Q2。

Q3的热传导路径，Q3的传热介质为ECCOBONDDX20C热固型绝缘粘接胶16，该胶体的导热系数0.9W/mK，因此该处为3014LED倒装芯片19热传导的辅助路径。需要补充说明的是，Q3的传热路径中，其中一部分热量是经DX-20C热固型绝缘粘接胶16与T15陶瓷基电子电路板17上的Ag电极焊盘形成的胶体——Ag界面方向传导，该部分热量传热路径为Q3→DX20C→Ag焊盘→陶瓷基板。由于Ag的导热系数为421.5W/mK，为DX20C热固型绝缘粘接胶16导热系数的468倍，因此通过该路径的导热速率高于Q3→DX20C→陶瓷基板的传热路径。

故，热传导速率Q1或Q2>Q3→DX20C→陶瓷基板>Q3

3)绝缘胶热阻计算：

DX20C热固型绝缘粘接胶的热阻：

Rj＝d/(λ*S)

3014芯片非金属区的面积：S＝0.25mm*380um＝0.25*10-3*380*10-6＝95*10-9米2

T15陶瓷烧结银电路板银层厚度10～12um。取d＝11um＝11*10-6米

λ＝0.9W/mK

则Rj＝d/(λ*S)

＝11*10-6/(0.9*95*10-9)

＝1.29*10∧2℃/W

故，绝缘胶在本实施例中的热阻Rj为129℃/W。

3014芯片与T15陶瓷基电路板的热阻：

3014芯片与T15陶瓷基电路板上电路板电极焊盘固晶接触，为金属(Au)——金属(Ag)接触，因此属于高导热的热传导。

4)从热传导路径的面积比分析：

芯片金焊盘总面积为：2(272um*294um)＝15.99*10∧4um2

绝缘胶覆盖的面积大约为：0.25mm*380um＝0.25*10∧3*380＝9.5*10∧4um2金属电极总面积与绝缘胶覆盖的面积比＝(2*15.99*10∧4)/9.5*10∧4＝3.37:1即，LED芯片电极金属面积为非金属区域面积接近3.5倍。

通过以上计算分析可知：本实施例热传导的主要路径为金属——金属接触型热传导，属于高热传导体。故本解决方案具有良好的热传导性能。

本实用新型实施例还提供了一种具有工艺简单、操作工序少，设备投入低，生产加工成本低廉，生产效率高，易于实现大规模、自动化生产的LED倒装芯片固晶导电粘接结构安装方法。

设备：大族激光3201固晶机，深圳市怡和兴机械设备有限公司LED-2ALED光电烤箱。

电子电路板：上海土生源新型材料有限公司T15陶瓷电子电路板。

电源：北京汉晟普源HSPY-200-01数字恒流源。

热固型固晶绝缘粘接胶：ECCOBONDDX20C

LED倒装芯片：德豪润达SIRIUS-KIK3014。

LED倒装芯片固晶导电粘接结构的安装方法，包括如下步骤：

(1)在自动固晶机上，对电子电路板上电路板正极区域与电路板负极区域之间的电路板正负极间非金属区域的中心位置区域，点热固型固晶绝缘粘接胶；

(2)然后再将LED倒装芯片与电子电路板实施固晶导电粘接，并使LED倒装芯片正负极间非金属区域与电路板正负极间非金属区域的两个中心位置区域重合；

(3)在150℃/90分钟条件下加热重合后的部件,待冷却后热固型固晶绝缘粘接胶体积收缩，使LED倒装芯片正极区域与电路板正极区域、LED倒装芯片负极区域与电路板负极区域实现金属-金属接触型导电连接，如此就完成了本专利典型实施例(参见图4、图7)。

其它实施例举例说明：

在生产实践中，因各种电子电路板的情况不同，导致热固型固晶绝缘粘接胶在本专利的状态不同。

例1：图5为电子电路板表面未喷油的结构俯视图。在图5上采用粘度低的热固型固晶绝缘粘接胶2固晶导电粘接时，粘度低的热固型固晶绝缘粘接胶2受热后，铺展性更好，则会出现图4的结构(参见图4、图7)。

例2：在例1基础上，将图5更换为图6(电子电路板表面喷油的结构俯视图)，其它条件不变时，则会出现图2的结构(参见图2)。

例3：粘度低的热固型固晶绝缘粘接胶2受压力及受热后具有良好的铺展性及成膜性，固化后，它会在金属——金属接触界面的空隙部分形成胶膜，形成面积的大小与胶体——固体界面的润湿角、固晶时压力、加热固化过程中的温度等因素有关。在金属——金属接触界面的空隙部分形成的胶膜，其有益之处在于，可排除界面间间隙内的空气，如此则可有效解决空气对粘接体热膨胀系数的影响，能阻隔空气对表面金属的浸蚀，提高导电性能及固晶粘接的抗剥离强度，还能辅以增大导热面积(参见图4图7)。

例4：粘度高的热固型固晶绝缘粘接胶2因其粘度大，在液——固界面的润湿角大，即便受压力及受热后它的铺展性均差，固化后，它形成的结构状态如图2(参见图2)

例5：当热固型固晶绝缘粘接胶2粘接对象变更为电子元器件20时，电子电路板3上电路板电极焊盘11构成的金属电极表面、电子元器件20下电子元件金属电极21构成的金属电极表面，两个金属电极表面均具有较高的平面度，且至少有一个面为粗糙表面，图8为该情形下的结构示意图(参见图8)

本专利还有许多变化，例如表面微观粗糙度、宏观粗糙度、纹理的变化，芯片金属电极、金属焊盘形状变化(例如图10所列举的其中一种变化)等等。

对本专利的进一步挖掘及应用展望，本专利的进一步挖掘在于对热固型固晶绝缘粘接胶的改良，改良方向将向加热固化温度在120℃，耐高温，与有色金属(例如铜、银、金、铝)热膨胀系数接近、胶体铺展性能佳、抗剥离强度高、韧性好方向挖掘。应用将向普通电子元器件方向发展。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种LED倒装芯片固晶导电粘接结构，其特征在于，包括LED倒装芯片以及电子电路板,所述LED倒装芯片下表面从左到右依次设置有LED倒装芯片负极、LED倒装芯片非金属区域以及LED倒装芯片正极，所述电子电路板上表面设置从左到右依次设置有电路板负极、电路板非金属区域以及电路板正极，所述LED倒装芯片以及电子电路板通过粘接在所述LED倒装芯片非金属区域以及电路板非金属区域间的热固型固晶绝缘粘接胶固定连接，所述LED倒装芯片正、负极分别与所述电子电路板正、负极直接金属与金属接触导电连接。

2.如权利要求1所述的LED倒装芯片固晶导电粘接结构，其特征在于：所述热固型固晶绝缘粘接胶为酚醛、氨基、环氧、聚氨酯、不饱和聚酯、有机硅、丙烯酸树脂中的一种或以上述材料中的一种为母体改性的热固型固晶绝缘粘接胶。

3.如权利要求1所述的LED倒装芯片固晶导电粘接结构，其特征在于：所述的电子电路板上金属电极焊盘表面为粗糙表面。