TWI714679B - 用於最佳化熱阻、焊點可靠性,及表面貼裝技術處理良率之發光二極體金屬墊配置 - Google Patents
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Abstract
陰極電極及陽極電極沿一LED子基板之下表面之一中心線定位於該下表面上。兩個熱墊沿該下表面之相對側各定位於該等電極之一側。此配置導致將該等電極接合至一電路板之焊點上之較小應力。此外,由於該等電極未堵塞由該兩個熱墊傳導之熱量,所以熱量更均勻地散發至該電路板中。此外,由於金屬設計係對稱的(外側熱墊相同),所以熔融焊點將在熱墊兩者上方具有相同形狀,導致該LED晶粒及該子基板不會相對於該電路板之該表面傾斜。亦描述改良該LED晶粒之熱性及電性特性之其他配置。
Description
本發明係關於一種電子裝置,且特定言之,本發明係關於一種用於改良熱阻、焊點可靠性及表面貼裝技術(SMT)處理良率之焊接至一電路板之襯墊之一半導體晶粒或子基板之一表面上之金屬墊之配置。
圖1繪示一習知LED晶粒10。LED晶粒10包含半導體層及(可選地)由LED層12表示之一透明基板。底部陰極電極14電連接至LED晶粒10中之n型層,且陽極電極16連接至LED晶粒10中之p型層。儘管LED晶粒10展示為一覆晶,其可具有一線接合頂部電極或兩個線接合頂部電極。 首先可將LED晶粒10貼裝至諸如具有一AIN本體之一導熱子基板18。使用一子基板極大方便LED晶粒10之處理及貼裝在一電路板上。子基板18具有經由超音波焊接或其他技術接合至LED晶粒電極14及16之頂部金屬墊20及22。該子基板之金屬墊20及22藉由子基板18之上表面上之金屬跡線及延伸透過子基板本體之垂直通孔26來電連接至底部電極24 (橫截面中僅展示一底部電極24)。 子基板18充當用於傳導電流及由LED晶粒10產生之熱量之LED晶粒10與印刷電路板30之間之一介面。首先藉由LED晶粒電極14及16來將由LED晶粒10產生之熱量傳導至子基板本體,且子基板18經由通常由銅製成之一電絕緣熱墊32來將熱量傳導至電路板30。將電路板30上之電極34 (橫截面中僅展示一電極34)焊接至子基板18上之底部電極24,且將電路板30上之熱墊35焊接至子基板18上之熱墊32。藉由跡線36來將電極34連接至一電源。電路板30通常高度導熱,諸如由鋁芯或銅芯製成,其中一薄介電層38使電極34及跡線36與金屬芯電絕緣。 電路板30上之熱墊35可大於子基板18之覆蓋區以橫向散熱。 圖2繪示子基板18之下表面上之電極24A及24B及熱墊32,其等對應於電路板30上之電極及熱墊圖案。 此一設計之問題在於:在電路板30之Cu層內散發之熱量部分被電極34之位置堵塞,此係因為熱流受熱墊與電性接點之間之間隙干擾。另一問題在於:使熱墊35上方潮濕之熔融焊點40 (諸如來自一焊點浴液)歸因於表面張力而不平坦,且較小電極34上之熔融焊點42之高度不同於熱墊35上方之焊點40之高度。此導致:藉由冷卻來固化焊點之後,子基板18及LED晶粒10在貼裝於電路板30上方時略微傾斜。此效應尤其適用於較大子基板,諸如大於2.5×2.5mm。 此外,在圖1及圖2之設計中,更可能發生由子基板18與電路板30之間之熱膨脹係數(CTE)之一失配導致之焊點裂縫及分層,此係因為應力隨與子基板18之中心之距離而增大,且小電極24離子基板18之中心最遠。若焊點未將該等電極恰當電性連接在一起,則一開裂開路接觸可發生電弧,介面處可產生高熱,且將存在一增大電壓降。 若LED晶粒10之下表面具有類似於圖2中所展示之電極及熱墊配置之一電極及熱墊配置,且LED晶粒10直接接合至一電路板上之對應襯墊,則出現相同問題。 圖3繪示一LED晶粒之一子基板之下表面上之電極44及46及一熱墊48之另一習知配置。此3條設計具有類似於上文針對圖2之配置所描述之傾斜、由電極44/46散發之熱量之堵塞及焊點開裂/分層之缺點,此係因為電極44及46遠離中心且部分圍繞熱墊48。 需要不具上文所描述之缺點之一LED晶粒或子基板之下表面上之一金屬電極及熱墊配置。
描述改良一電子或光電裝置之熱特性及電特性之一半導體晶粒或子基板之下表面上之各種金屬電極及熱墊配置。 在一實施例中,一LED模組之陰極及陽極電極沿該子基板下表面之一中心線定位,且兩個熱墊定位於該下表面之相對側上,其中該等電極介於該兩個熱墊之間。由於該焊點上之應力在該子基板之中間最低,所以將該等電極接合至該電路板之焊點上之應力較小。 此外,由於由該兩個熱墊傳導之熱量未受該等電極堵塞,所以熱量更均勻且向外散發至該電路板中。 此外,由於金屬設計係對稱的且該等熱墊相同,所以熔融焊點將在該等熱墊兩者上方具有相同形狀,引起該晶粒及子基板平行於該電路板之該表面。因此,不存在晶粒之傾斜。此在晶粒係一LED晶粒時特別珍貴,此係因為傾斜影響發光輪廓。 描述其中一晶粒或子基板之底部上之各種金屬電極及熱墊經配置以達成上文所描述之熱改良及電改良之其他配置。
相關申請案之交叉参考
本專利申請案主張名稱為「LED METAL PAD CONFIGURATION FOR OPTIMIZED THERMAL RESISTANCE, SOLDER RELIABILITY, AND SMT PROCESSING YIELDS」之2015年12月2日申請之美國臨時專利申請案第62/262,311號之優先權。美國臨時專利申請案第62/262,311號併入本文中。 儘管本發明可應用於具有待接合至一電路板之金屬墊之任何電子裝置,將描述一LED模組之一實例。 圖4係根據本發明之一實施例來展示金屬陰極電極50、陽極電極52及熱墊54及56之一例示性LED晶粒或子基板之下表面的一圖。在該實例中,假定LED晶粒貼裝於一子基板上,且該子基板將貼裝於一電路板上,其等具有相同金屬圖案。因此,圖4中所展示之配置係位於一子基板58之下表面上之配置。LED晶粒之底部之金屬電極配置因此無關,此係因為子基板58使用跡線及垂直通孔來使LED晶粒電極連接至子基板58上之底部電極50/52,且藉由子基板本體來將由LED晶粒產生之熱量傳導至熱墊54/56。 在另一實施例中,LED晶粒亦可包含熱墊,且子基板可包含自頂部熱墊引導至底部熱墊54及56之金屬通孔。 圖5A繪示可為貼裝於子基板58之上表面上之圖1中之習知LED晶粒之一LED晶粒10。該圖面向熱墊54及56之短邊。圖5B繪示其中圖面向熱墊54之長邊之圖5A之結構。 該LED晶粒之陽極電極16經展示成附接至子基板58上之一頂部金屬陽極襯墊60,且陰極電極14經展示成附接至子基板58上之一頂部金屬陰極襯墊61,諸如藉由超音波焊接或其他技術。藉由形成於子基板本體中之一垂直金屬通孔62來將襯墊60電連接至底部陽極電極52。該圖自相對側展示該LED晶粒之陰極電極14相同於圖5A。 將來自LED晶粒10 (包含來自該LED晶粒之金屬電極14/16)之熱量自該LED晶粒之下表面傳導至子基板58之本體以首先將該熱量散發至整個子基板58。接著經由子基板58上之熱墊54及56及電路板64之對應金屬墊66及68將熱量傳送至金屬芯電路板64。子基板58之陽極電極52電連接至電路板64上之陽極襯墊70。電路板64上之襯墊66及68可延伸超過子基板58之覆蓋區以獲得更佳散熱,此係因為不存在阻擋襯墊66及68之向外擴展之電極。 圖4中所展示之金屬配置促進熱量自LED晶粒10之散發,減小該LED晶粒之傾斜且減小如下文將討論之焊點裂縫/分層之可能性。 由於熱墊54及56對稱定位於接近於子基板58之兩側處,其中電極50及52沿中間定位,所以在將子基板58貼裝於電路板64上之後不存在向外散熱之堵塞。此外,該配置允許電路板64上之熱墊66及68延伸超過子基板58之覆蓋區以更好散熱。 由於熱墊66及68之大小相同且垂直延伸子基板58之整個長度,所以施配於襯墊66及68兩者上之熔融焊點74及76具有諸如高度及體積之相同特性。因此,當子基板58放置於熔融焊點上方時,子基板58及LED晶粒10將不會傾斜。當冷卻焊點時,電路板64上之金屬墊66/68/70將熱性且電性連接至子基板58上之各自電極50/52及熱墊54/56。 歸因於在子基板58與電路板64之間之固有CTE失配,所以焊料接點將歸因於熱循環而經受應力。該等應力遠大於來自子基板58之中心之應力。由於連接至電極50及52之「中心」之焊料接點具有小於連接至熱墊54及56之焊料接點之一區域,所以連接至電極50及52之「中心」之焊料接點更易裂開/分層,其減小至LED晶粒之電連接之可靠性。該等電極焊料接點比該等熱墊焊料接點經受較小應力,此係因為該等電極焊料接點更接近於子基板58之中心。因此,該配置改良該等焊料接點之可靠性。 可將提供襯墊配置之更多對稱性及未堵塞來自熱墊之熱分佈之相同概念應用至子基板或LED晶粒之一表面上之不同金屬設計。 圖6繪示一子基板或LED晶粒之下表面之金屬電極及熱墊配置之另一實施例。陰極電極80、陽極電極82、熱墊84及熱墊86係矩形(例如正方形)且定位於不同象限中。該電路板上存在一對應圖案。由於全部電極/襯墊大小相同,所以熔融焊點在各電極/襯墊上具有相同高度,因此不存在傾斜。 由於熱墊84及86未受其等外側(四邊)之兩者上之電極阻擋,所以熱量可更有效散發至該電路板中,且該電路板可使用延伸超過該子基板之覆蓋區之熱墊。 由於電極80及82接近於該子基板之中間,所以該等焊料接點上存在較小熱應力以減小裂開或分層之可能性。 圖7繪示一子基板或LED晶粒之下表面上之金屬電極及熱墊配置之另一實施例。陰極電極90、陽極電極92、熱墊96及熱墊98係三角形且定位於不同象限中。該電路板具有一對應金屬圖案。由於全部電極/襯墊大小相同,所以熔融焊點在各電極/襯墊上具有相同高度,因此不存在傾斜。 由於熱墊96及98未受其等外側上之電極阻擋,所以熱量可更有效散發至該電路板中,且該電路板可使用延伸超過該子基板之覆蓋區之熱墊。 由於電極90及92接近於該子基板之中間,所以該等焊料接點上存在較小熱應力以減小裂開或分層之可能性。 使用上文結合圖4至圖7所描述之準則之其他金屬圖案配置係可能的。例如,該等熱墊可為兩個以上且對稱地圍繞更接近於該子基板之該中心之電極。該等熱墊可為任何形狀。 如所見,已描述一LED金屬墊配置,其最佳化該LED與電路板之間之熱阻(即,在一系統位準),改善焊點可靠性且增大SMT處理良率(即,成功接合至該電路板)。 由於該金屬圖案可用於一LED晶粒之底部抑或其子基板上(視乎直接貼裝至一基板(諸如一電路板)之表面的係何者),前述任一結構皆可指稱一LED模組。該LED晶粒可為一雷射二極體晶粒或一非雷射發光晶粒。 圖8繪示具有與用於接合至一電路板之上文所描述之金屬圖案之任一者一致之一底部金屬圖案之一子基板102。可藉由子基板102之頂部上之一跡線圖案來使表示任何數目之晶粒之多個晶粒104及106互連。經由子基板102之底部上之熱墊將由晶粒104及106產生之組合熱量傳送至該電路板。在一實施例中,晶粒104及106之任何數目之電極可定位於與圖4之概念一致之子基板102之底部上之熱墊之間。在另一實施例中,可依圖6及圖7中所指定之方式來分佈該等電極及該等熱墊。 藉由將全部電極放置於接近於該等電極之兩側上之子基板及熱墊之中心處或全部電極周圍,該等電極上存在較小熱(CTE)應力(此係因為該等電極接近於該中心)以增大焊接可靠性,同時減小傾斜之可能性。使用諸如支撐多個LED晶粒(或其他產熱晶粒)之較大子基板,熱應力之問題增大,因此,本發明尤其有利於較大子基板。 該等金屬圖案設計有利於其中產生熱量之任何晶粒及/或子基板且不受限於LED。例如,功率電晶體及其他高產熱晶粒可受益於本發明。 雖然已展示並描述本發明之特定實施例,但是熟悉技術者將明白,在不脫離本發明之情況下可對其廣泛的態樣作出改變及修改,且因此隨附申請專利範圍在其等範疇內涵蓋全部此等改變及修改。
10‧‧‧LED晶粒
12‧‧‧LED層
14‧‧‧底部陰極電極
16‧‧‧陽極電極
18‧‧‧子基板
20‧‧‧金屬墊
22‧‧‧金屬墊
24‧‧‧底部電極
24A‧‧‧電極
24B‧‧‧電極
26‧‧‧垂直通孔
30‧‧‧印刷電路板
32‧‧‧電絕緣熱墊
34‧‧‧電極
35‧‧‧熱墊
36‧‧‧跡線
38‧‧‧薄介電層
40‧‧‧熔融焊點
42‧‧‧熔融焊點
44‧‧‧電極
46‧‧‧電極
48‧‧‧熱墊
50‧‧‧金屬陰極電極
52‧‧‧陽極電極
54‧‧‧熱墊
56‧‧‧熱墊
58‧‧‧子基板
60‧‧‧陽極襯墊
61‧‧‧金屬陰極襯墊
62‧‧‧垂直金屬通孔
64‧‧‧電路板
66‧‧‧金屬墊/襯墊
68‧‧‧金屬墊/襯墊
70‧‧‧陽極襯墊/金屬墊
74‧‧‧熔融焊點
76‧‧‧熔融焊點
80‧‧‧陰極電極
82‧‧‧陽極電極
84‧‧‧熱墊
86‧‧‧熱墊
90‧‧‧陰極電極
92‧‧‧陽極電極
96‧‧‧熱墊
98‧‧‧熱墊
102‧‧‧子基板
104‧‧‧晶粒
106‧‧‧晶粒
圖1係貼裝於一子基板(其貼裝於一電路板上)上之一例示性LED晶粒之一橫截面圖,其中圖2中展示子基板之下表面上之金屬圖案。 圖2繪示一習知LED晶粒或子基板之底部上之一習知金屬電極及熱墊配置。 圖3繪示一習知LED晶粒或子基板之底部上之另一習知金屬電極及熱墊配置。 圖4繪示根據本發明之一實施例之一LED晶粒或子基板之底部上之金屬電極及熱墊配置。 圖5A係貼裝於一子基板(其貼裝於一電路板上)上之一LED晶粒之一橫截面圖,其中該子基板之下表面具有圖4中所展示之金屬配置,且其中該圖面向熱墊之短邊。 圖5B繪示其中圖面向一熱墊之長邊之圖5A之結構。 圖6繪示根據本發明之另一實施例之一LED晶粒或子基板之底部上之金屬電極及熱墊配置。 圖7繪示根據本發明之另一實施例之一LED晶粒或子基板之底部上之金屬電極及熱墊配置。 圖8繪示多個晶粒貼裝於其上之一子基板,其中該子基板具有類似於圖4、圖6或圖7之金屬圖案之一底部金屬圖案。 使用相同數字標注各種圖式中之相同或等效元件。
10‧‧‧LED晶粒
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58‧‧‧子基板
60‧‧‧陽極襯墊
62‧‧‧垂直金屬通孔
64‧‧‧電路板
66‧‧‧金屬墊/襯墊
68‧‧‧金屬墊/襯墊
70‧‧‧陽極襯墊/金屬墊
74‧‧‧熔融焊點
76‧‧‧熔融焊點
Claims (15)
- 一種半導體二極體模組,其包括具有至少一p型層及一n型層之發光半導體層(12),其中光透過該等發光半導體層之一第一表面及具有用於連接至一基板(64)上之金屬墊(66,68,70)之一金屬圖案之該模組之一第二表面離開,該金屬圖案包括:一陰極電極(50),其電連接至該n型層;一陽極電極(52),其電連接至該p型層;及兩個熱墊(thermal pads)(54,56),其等與該陰極電極及該陽極電極電隔離,該兩個熱墊沿該模組之該第二表面之相對側定位(located)且具有實質相同形狀。
- 如請求項1之模組,其中該模組包括貼裝於一子基板(58)上之一LED晶粒(10),其中該模組之該第二表面係該子基板之一下表面。
- 如請求項1之模組,其中該模組包括一LED晶粒(10),其中該模組之該第二表面係該LED晶粒之一下表面。
- 如請求項1之模組,其中該基板(64)係一電路板。
- 如請求項1之模組,其中該陰極電極(50)及該陽極電極(52)沿該第二表面之一中心線定位,且該等熱墊(54,56)定位於該中心線之兩側上,其中該陰極電極及該陽極電極介於該等熱墊與該中心線之間。
- 如請求項1之模組,其中該等熱墊(84,86)係矩形且定位於該第二表面之相對隅角處,且其中該陰極電極(80)及陽極電極(82)係矩形且定位於該第二表面之相對隅角處。
- 如請求項1之模組,其中該等熱墊(96,98)係三角形且沿該第二表面之相對側定位,且其中該陰極電極(90)及陽極電極(92)係三角形且沿該第二表面之相對側定位。
- 一種包括具有至少一第一端子(14)及一第二端子(16)之一電性裝置之電子裝置,且該電性裝置之一表面具有用於連接至一基板(64)上之金屬墊(66,68,70)之一金屬圖案,該金屬圖案包括:一第一電極(50),其電連接至該第一端子;一第二電極(52),其電性連接至該第二端子;及至少兩個熱墊(54,56),其等與該第一電極及第二電極電隔離,該至少兩個熱墊沿具有該金屬圖案之該電性裝置之該表面之相對側定位且該兩個熱墊具有實質相同形狀。
- 如請求項8之電子裝置,其中該電性裝置包括貼裝於一子基板(58)上之一半導體晶粒(10),其中具有該金屬圖案之該電性裝置之該表面係該子基板之一表面。
- 如請求項8之電子裝置,其中該電性裝置包括一半導體晶粒(10),其 中該電性裝置之該下表面係該半導體晶粒之一下表面。
- 如請求項8之電子裝置,其中該電性裝置包括貼裝於一子基板(58)上之複數個晶粒(10),其中該電性裝置之該表面係該子基板之一下表面。
- 如請求項8之電子裝置,其中該第一電極(50)及該第二電極(52)沿該表面之一中心線定位,且該等熱墊(54,56)定位於該中心線之兩側上,其中該第一電極及該第二電極介於該等熱墊與該中心線之間。
- 如請求項8之電子裝置,其中該等熱墊(54,56)大於該第一電極(50)及第二電極(52)。
- 如請求項8之電子裝置,其中該等熱墊(84,86)係矩形且定位於該表面之相對隅角處,且其中該第一電極(80)及第二電極(82)係矩形且定位於該表面之相對隅角處。
- 如請求項8之電子裝置,其中該等熱墊(96,98)係三角形且沿該表面之相對側定位,且其中該第一電極(90)及第二電極(92)係三角形且沿該表面之相對側定位。
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