CN211629134U

CN211629134U - 一种led芯片及封装结构

Info

Publication number: CN211629134U
Application number: CN202020292418.5U
Authority: CN
Inventors: 曾晓强; 杨剑锋; 何国玮; 黄少华; 杨力勋; 蔡琳榕
Original assignee: Langminas Optoelectronic Xiamen Co ltd
Current assignee: Langminas Optoelectronic Xiamen Co ltd
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2030-03-11

Abstract

本实用新型提供一种LED芯片，所述芯片由上至下包括发光外延叠层，导电层以及衬底，其中从发光外延叠层的下表面延伸到第一半导体层的凹处作为第一半导体层的电流通道，本实用新型通过在衬底与导电层之间设置热扩散层，利用热扩散层优越的横向导热性能，将发光区域极易集中在凹处附近的热量迅速往横向扩散至整个芯片范围，使热量分布均匀后传导至衬底，既能及时将局部热量释放避免因局部过热造成芯片内量子效率的降低，也减轻了衬底的局部散热负担，优化了芯片的整体散热方式，更好的保障了芯片在高电流密度下工作时的可靠性。

Description

一种LED芯片及封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种LED芯片及封装结构。

背景技术

高功率高亮度发光二极管(LED)在当下高亮度照明市场的需求下凸显出了其重要性。在蓝宝石为衬底的水平结构LED上，由于蓝宝石的散热问题和电流拥挤效应，在高电流密度下操作极易过热导致芯片烧毁，因此高功率LED无法采用水平结构。而垂直结构LED，因其衬底可以置换成散热性和导热性良好的材料(例如：Si，CuW等)，并且垂直结构无电流拥挤效应，电流可以很好的扩展，所以可以操作在超高电流密度下(例如：2.5A/mm²以上)，实现大功率高亮度LED。然而在垂直结构芯片驱动电流密度不断提升的应用环境中，芯片单位面积内功率相应增加，产热进一步增大，对于芯片的散热性能则提出了更大的挑战。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的一个目的是提供一种在高电流密度下具有优异散热性能的LED芯片及封装结构。

为了实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种LED芯片，所述LED芯片包括：

发光外延叠层，所述发光外延叠层由上至下依次包括第一半导体层、有源层以及第二半导体层，所述发光外延叠层内包括至少一个侧壁覆盖有绝缘层的凹处，所述凹处从所述发光外延叠层的下表面延伸到所述第一半导体层；

导电层，所述导电层设置于所述发光外延叠层的下表面一侧，包括第一导电层和第二导电层，其中所述第一导电层穿过所述凹处与所述第一半导体层电连接，所述第二导电层与所述第二半导体层的下表面直接接触以与所述第二半导体层电连接，所述第一导电层与所述第二导电层电隔离；

衬底，所述衬底设置于所述导电层的下表面一侧；以及

热扩散层，所述热扩散层设置于所述导电层与所述衬底之间，与所述导电层的下表面和所述衬底的上表面直接接触。

作为本实用新型的一种优选方案，所述热扩散层的面积与所述衬底的面积相等或大于所述衬底的面积。

作为本实用新型的一种优选方案，当所述热扩散层的面积等于所述衬底的面积时，所述导电层覆盖在所述热扩散层的整个上表面。

作为本实用新型的一种优选方案，当所述热扩散层的面积大于所述衬底的面积时，所述热扩散层延伸至所述衬底的下表面。

作为本实用新型的一种优选方案，所述热扩散层的厚度为0.1μm-5μm。

作为本实用新型的一种优选方案，所述热扩散层的厚度为0.3μm。

作为本实用新型的一种优选方案，所述热扩散层包括类金刚石非晶碳膜及其他类金刚石碳膜中的一种或组合。

作为本实用新型的一种优选方案，所述发光外延叠层的俯视形状包括方形、圆形及非规则图形中的一种。

作为本实用新型的一种优选方案，所述发光外延叠层在所述衬底上的投影面积比例为10％-95％。

作为本实用新型的一种优选方案，所述发光外延叠层在所述衬底上的投影面积比例为70％-80％。

作为本实用新型的一种优选方案，所述凹处包括孔状结构。

作为本实用新型的一种优选方案，所述LED芯片还包括：

电极，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一导电层电连接，所述第二电极与所述第二导电层电连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一导电层的上表面与所述第一半导体层直接接触，所述第一导电层的下表面与所述热扩散层的上表面直接接触，所述第一电极和所述第二电极均朝向上方，所述第一导电层至少具有裸露于所述发光外延叠层之外的部分，用于连接所述第一电极，所述第二导电层至少具有裸露于所述发光外延叠层之外的部分，用于连接所述第二电极，所述绝缘层从所述凹处延伸出并包覆所述第二导电层。

本实用新型还提供一种LED芯片封装结构，所述LED芯片封装结构包括上述任一所述的LED芯片。

作为本实用新型的一种优选方案，所述LED芯片封装结构还包括：用于承载所述LED芯片的封装基板，所述封装基板具有相互电隔离的第一极性导电层和第二极性导电层，通过焊线将所述LED芯片的所述第一导电层与所述第一极性导电层电连接，所述LED芯片的所述第二导电层与所述第二极性导电层电连接。

如上所述，本实用新型的一种LED芯片及封装结构，具有以下有益效果：

本实用新型提供的LED芯片结构，由上至下包括发光外延叠层，导电层以及衬底，其中从发光外延叠层的下表面延伸到第一半导体层的凹处作为第一半导体层的电流通道，本实用新型通过在衬底与导电层之间设置热扩散层，利用热扩散层优越的横向导热性能，将发光区域极易集中在凹处附近的热量迅速往横向扩散至整个芯片范围，使热量分布均匀后传导至衬底，既能及时将局部热量释放避免因局部过热造成芯片内量子效率的降低，也减轻了衬底的局部散热负担，优化了芯片的整体散热方式，更好的保障了芯片在高电流密度下工作时的可靠性。

附图说明

图1显示为本实用新型于一实施例中公开的一种LED芯片结构示意图。

图2显示为一种LED芯片内热量分布示意图。

图3显示为本实用新型于一实施例中公开的一种LED芯片结构俯视示意图。

图4显示为本实用新型于一实施例中公开的一种LED芯片结构俯视示意图。

图5显示为本实用新型于一实施例中公开的一种LED芯片封装结构示意图。

附图标号说明：

100.发光外延叠层 500.热扩散层

110.第一半导体层 600.电极

120.有源层 610.第一电极

130.第二半导体层 620.第二电极

140.凹处 700.封装基板

200.绝缘层 710.第一极性导电层

300.导电层 720.第二极性导电层

310.第一导电层 800.焊线

320.第二导电层 900.固晶胶

400.衬底

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图5。须知，本申请实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，虽图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例一：

本实施例提供一种LED芯片，其结构示意图如图1所示，所述LED芯片包括：

发光外延叠层100，发光外延叠层100由上至下依次包括第一半导体层110、有源层120以及第二半导体层130，发光外延叠层100内包括至少一个侧壁覆盖有绝缘层200的凹处140，凹处140从发光外延叠层100的下表面延伸到第一半导体层110；

导电层300，导电层300设置于发光外延叠层100的下表面一侧，包括第一导电层310和第二导电层320，其中第一导电层310穿过凹处140与第一半导体层110电连接，第二导电层320与第二半导体层130的下表面直接接触以与第二半导体层130电连接，第一导电层310与第二导电层320电隔离；

衬底400，衬底400设置于导电层300的下表面一侧；以及

热扩散层500，热扩散层500设置于导电层300与衬底400之间，与导电层300的下表面和衬底400的上表面直接接触。

需要说明的是，在本实施例中，设置第一半导体层110为N型半导体层，用于产生辐射的有源层120为多量子阱层，第二半导体层130为P型半导体层，根据实施方式的不同，P型半导体层和N型半导体层可以简单对调。

需要说明的是，绝缘层200的材料包括氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝或者陶瓷；导电层300为金属材料，第一导电层310和/或第二导电层320的材料为Ag、Au、Ti、Al、Cr、Pt、TiW合金、Ni或以上的任意组合，衬底400的材料为Si、Cu或者陶瓷等。

作为示例，热扩散层500包括类金刚石非晶碳膜(DLC)及其他类金刚石碳膜中的一种或组合。

需要说明的是，由于热扩散层500需要将发光区域内分散不均匀的热量集中点的热量快速横向扩散至整个芯片范围内，因此其横向热导率要远大于半导体材料，本发明的类金刚石非晶碳膜(DLC)具有极佳的热导率(600-1200W/m·K)，其横向热导率更是大于1000W/m·K，且DLC的CTE(热膨胀系数)(7～9ppm/℃)与LED芯片、硅等材料的衬底较匹配，不会因热产生热应力及热形变，在提高散热性能的同时，还可以有效解决各材料间热膨胀系数不一致带来的问题，进一步提升LED产品的品质与可靠性。

需要说明的是，可采用CVD、PE-CVD、溅镀或蒸镀工艺等形成热扩散层500。

作为示例，热扩散层500的面积与衬底400的面积相等，导电层300覆盖在热扩散层500的整个上表面。

作为示例，热扩散层500的厚度为0.1μm-5μm。

作为示例，热扩散层500的厚度为0.3μm。

作为示例，发光外延叠层100在衬底400上的投影面积比例为10％-95％。

作为示例，发光外延叠层100在衬底400上的投影面积比例为70％-80％。

需要说明的是，发光外延叠层100的俯视形状包括规则图形及非规则图形中的一种，根据实际情况进行设置。

作为示例，凹处140包括孔状结构。

作为示例，所述LED芯片还包括：电极600，包括第一电极610和第二电极620，第一电极610与第一导电层310电连接，第二电极620与第二导电层320电连接。

作为示例，第一导电层310的上表面与第一半导体层110直接接触，第一导电层310的下表面与热扩散层500的上表面直接接触，第一电极610和第二电极620均朝向上方，第一导电层310至少具有裸露于发光外延叠层100之外的部分，用于连接第一电极610，第二导电层320至少具有裸露于发光外延叠层100之外的部分，用于连接第二电极620，绝缘层200从凹处140延伸出并包覆第二导电层320。

需要说明的是，第一导电层310与第一电极610连接的部分、第二导电层320与第二电极620连接的部分采用性能较为稳定的Ti、Pt、Au、Cr、TiW合金，用于穿过凹处140连接第一半导体层110的第一导电层310的材料采用Al、Cr或者Ag等反射材料。

需要说明的是，第一导电层310和第二导电层320可借助从凹处140延伸出的绝缘层200来实现电隔离。

本实施例中的LED芯片结构，若未采用热扩散层500，如图2所示，当发光区域注入大电流后，在作为电流通道的凹处140附近(例如图2中圆圈内位置)，电子空穴会大量复合，非辐射复合比例升高，进而造成热量聚集，局部温度升高，内量子效率大大降低，在电流密度不断提升的情况下，芯片的可靠性面临严峻的挑战。本申请通过在导电层300与衬底400之间增设热扩散层500，利用其优越的横向导热性能，将发光区域极易集中在凹处140附近的热量迅速往横向扩散至整个芯片范围，使热量分布均匀后传导至衬底，既能及时将局部热量释放避免因局部过热造成芯片内量子效率的降低，也减轻了衬底的局部散热负担，优化了芯片的整体散热方式，更好的保障了芯片在高电流密度下工作时的可靠性。

实施例二：

本实施例提供一种LED芯片，其基本结构与实施例一中相同，在此不再赘述，其与实施例一的区别在于：本实施例中热扩散层500的面积大于衬底400的面积，热扩散层500延伸至衬底400的下表面。

通过扩大热扩散层500的面积，可使得热扩散层500的散热效果进一步提升，单位面积内的热量在传导至衬底400之前就可大幅度下降，进一步提升芯片的散热性能。

本实施例中第一电极610和第二电极620均朝向上方，发光外延叠层100的主要发光面也向上，当热扩散层500的面积超出衬底400的面积向衬底400的下表面延伸时，不会影响LED芯片的正常功能。

实施例三：

本实施例提供一种LED芯片，其基本结构与实施例一或实施例二中相同，在此不再赘述，其与实施例一或实施例二的区别在于：本实施例中发光外延叠层100的俯视形状为方形(忽略电极600对主要形状的影响)，即其向上发光面的形状为方形，如图3所示。

实施例四：

本实施例提供一种LED芯片，其基本结构与实施例三中相同，在此不再赘述，其与实施例三的区别在于：本实施例中发光外延叠层100的俯视形状为圆形，即其向上发光面的形状为圆形，如图4所示。

与实施例三相比，相同尺寸下圆形发光面的电流密度要明显大于方形，例如在相同的晶片尺寸下，边长为a的方形方光面与直径也为a的圆形发光面相比，两者的面积比为a²：π*(a/2)²，在通入相同大小的电流后，圆形发光面的电流密度是方形发光面的1.27倍，因此圆形发光面的芯片内面临的局部热量集中问题更加突出，对于芯片的散热性能要求更高，而针对该类型芯片，采用热扩散层500后即可将圆形发光面内局部集中的热量迅速横向分摊至整个方形晶片范围内，有效防止局部温度过高，改善芯片内量子效率，保证芯片的可靠性。

通过本实施例，进一步对本申请热扩散层500的热扩散作用做出了说明，在芯片尺寸逐渐缩小，电流密度不断增大的行业趋势下，芯片散热问题无疑是限制芯片发展的一个重要阻碍，本申请通过增设热扩散层结构，优化芯片内部热流走向，对于解决芯片散热问题具有突出的指导意义。

实施例五：

本实施例提供一种LED芯片封装结构，其结构示意图如图5所示，所述LED芯片封装结构包括实施例一到四中任一所述的LED芯片。

作为示例，所述LED芯片封装结构还包括：用于承载所述LED芯片的封装基板700，封装基板700具有相互电隔离的第一极性导电层710和第二极性导电层720，通过焊线800将所述LED芯片的第一导电层310与第一极性导电层710电连接，所述LED芯片的第二导电层320与第二极性导电层720电连接。

需要说明的是，焊线800可通过电连接电极600从而电连接导电层300。

需要说明的是，通过固晶胶900将LED芯片固定到封装基板700上。

综上所述，本实用新型提供的LED芯片结构，由上至下包括发光外延叠层，导电层以及衬底，其中从发光外延叠层的下表面延伸到第一半导体层的凹处作为第一半导体层的电流通道，本实用新型通过在衬底与导电层之间设置热扩散层，利用热扩散层优越的横向导热性能，将发光区域极易集中在凹处附近的热量迅速横向扩散至整个芯片范围，使热量分布均匀后传导至衬底，既能及时将局部热量释放避免因局部过热造成芯片内量子效率的降低，也减轻了衬底的局部散热负担，优化了芯片的整体散热方式，更好的保障了芯片在高电流密度下工作时的可靠性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的结构及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括：

衬底，所述衬底设置于所述导电层的下表面一侧；以及

2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述热扩散层的面积与所述衬底的面积相等或大于所述衬底的面积。

3.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，当所述热扩散层的面积等于所述衬底的面积时，所述导电层覆盖在所述热扩散层的整个上表面。

4.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，当所述热扩散层的面积大于所述衬底的面积时，所述热扩散层延伸至所述衬底的下表面。

5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述热扩散层的厚度为0.1μm-5μm。

6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于，所述热扩散层的厚度为0.3μm。

7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述热扩散层包括类金刚石非晶碳膜。

8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述发光外延叠层的俯视形状包括方形和圆形中的一种。

9.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述发光外延叠层在所述衬底上的投影面积比例为10％-95％。

10.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述发光外延叠层在所述衬底上的投影面积比例为70％-80％。

11.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述凹处包括孔状结构。

12.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括：

13.根据权利要求12所述的LED芯片，其特征在于，所述第一导电层的上表面与所述第一半导体层直接接触，所述第一导电层的下表面与所述热扩散层的上表面直接接触，所述第一电极和所述第二电极均朝向上方，所述第一导电层至少具有裸露于所述发光外延叠层之外的部分，用于连接所述第一电极，所述第二导电层至少具有裸露于所述发光外延叠层之外的部分，用于连接所述第二电极，所述绝缘层从所述凹处延伸出并包覆所述第二导电层。

14.一种LED芯片封装结构，其特征在于，所述LED芯片封装结构包括权利要求1-13中任一所述的LED芯片。

15.根据权利要求14所述的LED芯片封装结构，其特征在于，所述LED芯片封装结构还包括：用于承载所述LED芯片的封装基板，所述封装基板具有相互电隔离的第一极性导电层和第二极性导电层，通过焊线将所述LED芯片的所述第一导电层与所述第一极性导电层电连接，所述LED芯片的所述第二导电层与所述第二极性导电层电连接。