專利名稱：基于硅基散熱的led封裝結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED封裝技術(shù)，尤其涉及一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)及制作方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是采用模塊化的大功率LED多芯片陣列作為基本單元進(jìn)行燈具組裝。現(xiàn)有技術(shù)多采用電路層、絕緣介質(zhì)層、Al或者Cu散熱層三層結(jié)構(gòu)組成的金屬PCB板封裝，圖1即為金屬PCB板的LED封裝剖面示意圖，采用的是將燒焊LED管芯位置的導(dǎo)電層和絕緣介質(zhì)層去除，LED燒焊在高阻、熱匹配的過(guò)渡熱沉上，再直接裝貼到金屬散熱層，這種結(jié)構(gòu)工藝較為復(fù)雜，不易擴(kuò)展為陣列化的封裝形式；圖2為現(xiàn)有的Si基散熱 LED封裝結(jié)構(gòu)，采用的是雙面套版光刻圖，需要腐蝕出正面反射腔和背面金屬連接孔，工藝復(fù)雜。國(guó)外一些公司在此方面的研究中也取得了一定的成果，如日本京瓷公司推出的專門(mén)用于大功率LED封裝的陶瓷系列產(chǎn)品，其材料采用Al2O3或AlN陶瓷材料，但A1203、A1N的成本較高，而且仍然沒(méi)有解決工藝復(fù)雜的問(wèn)題；還有德國(guó)Hymite公司提供的硅基封裝熱沉產(chǎn)品，該產(chǎn)品不但成本高，而且還需要在硅襯底上進(jìn)行通孔電極套刻連接，其工藝復(fù)雜性與日本公司的產(chǎn)品相比，有過(guò)之而無(wú)不及。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)，它由帶凹槽的硅襯底、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片、P電極金屬層、焊接金屬層、SW2絕緣層和N電極組成；
凹槽的槽壁為斜壁；凹槽的槽底尺寸等于或大于垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的橫截面面積； SiO2絕緣層覆蓋于硅襯底上表面，焊接金屬層覆蓋于硅襯底下表面； P電極金屬層覆蓋于SW2絕緣層表面且為部分覆蓋，P電極金屬層所覆蓋的區(qū)域?qū)疾鬯趨^(qū)域完全覆蓋；
N電極設(shè)置在未被P電極金屬層覆蓋的SiA絕緣層表面，N電極與P電極金屬層不接
觸；
垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片設(shè)置在凹槽槽底處的P電極金屬層上，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的上端面與N電極之間通過(guò)引線連接。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的外表面和凹槽位置處未被覆蓋的P電極金屬層外表面涂覆有熒光粉。本發(fā)明還提出了一種基于前述結(jié)構(gòu)單元的硅基散熱的大功率多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)，硅襯底上按陣列設(shè)置有多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽位置處形成由硅襯底、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片、P電極金屬層、焊接金屬層、SiO2絕緣層和N電極組成的結(jié)構(gòu)單元；同一列上的相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的N電極與另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的P電極金屬層串聯(lián)；不同列之間的任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間絕緣。本發(fā)明還提出了一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法步驟為 1)采用光刻工藝，在硅襯底上表面制作出矩陣形式的多個(gè)凹槽；
2)在硅襯底上表面沉積SW2絕緣層；
3)對(duì)SW2絕緣層外表面和硅襯底下表面進(jìn)行金屬化處理，在SW2絕緣層外表面和硅襯底下表面形成金屬層；硅襯底下表面的金屬層即為焊接金屬層；
4)在S^2絕緣層外表面的金屬層上設(shè)置多條平行的橫向通槽和多條平行的垂向通槽， 橫向通槽和垂向通槽互相垂直，橫向通槽和垂向通槽都不與凹槽所在區(qū)域相交；橫向通槽和垂向通槽將金屬層分割為多個(gè)矩形塊，每個(gè)凹槽對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形塊，凹槽所在區(qū)域位于矩形塊所在區(qū)域內(nèi)；
5)采用LED燒焊工藝，在凹槽內(nèi)設(shè)置垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片，每個(gè)凹槽處即形成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元；
6)同一列上順次相連的三個(gè)結(jié)構(gòu)單元A、B、C，A結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片與 B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線連接，B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的 LED芯片與C結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線連接；
7)在結(jié)構(gòu)單元表面涂覆熒光粉。其中，步驟2)中，SiO2絕緣層的形成，是由硅襯底上表面經(jīng)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象淀積處理而得。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是本發(fā)明結(jié)構(gòu)無(wú)需在熱沉(即硅襯底)背面加工通孔，簡(jiǎn)化了工藝，底面可直接裝焊到金屬散熱板上；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有熱阻低、成本低、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1、金屬PCB板的LED封裝剖面示意圖2、現(xiàn)有的Si基散熱LED封裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖3、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)單元示意圖4、本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰的結(jié)構(gòu)單元連接關(guān)系示意圖； 圖5、本發(fā)明工藝流程中各個(gè)階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖中硅襯底1、凹槽1-2、槽壁1-2-1、槽底1-2-2、Ρ電極金屬層3、焊接金屬層4、Si& 絕緣層5、N電極6、引線7、光刻膠層8、金屬層9、電極孔10、高阻硅熱沉11、金屬導(dǎo)線層12、 低熱導(dǎo)絕緣介質(zhì)層13、鋁板14、連接金屬層15、氧化層16、引出P電極17、引出N電極18。
具體實(shí)施例方式目前常用的LED照明燈具制作方式是采用多個(gè)單獨(dú)封裝的IW LED器件進(jìn)行拼裝， 成本較高，而且工藝復(fù)雜；本發(fā)明的思路是，將多個(gè)LED器件進(jìn)行整體封裝，降低工藝復(fù)雜度，節(jié)省成本，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，降低熱阻，這些效果的得到，主要得益于本發(fā)明采用硅襯底1作為L(zhǎng)ED封裝結(jié)構(gòu)中的熱沉材料，采用硅襯底1的好處是，可以沿晶面加工反射鏡，表面平整度可達(dá)亞微米級(jí)，形成理想的鏡面，提高了照明燈具的品質(zhì)；SiO2絕緣層5可以由硅襯底1表面形成(通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積得到)，無(wú)須設(shè)置額外的絕緣片，降低了工藝復(fù)雜度和成本；而且現(xiàn)有的加工條件，可對(duì)硅片進(jìn)行微米級(jí)加工，能夠制作出高密度的陣列，使多個(gè)LED器件整體封裝成為了可能；在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人經(jīng)過(guò)潛心研究，提出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中工藝復(fù)雜、成本較高的問(wèn)題，本發(fā)明的方案如下
本發(fā)明的單個(gè)結(jié)構(gòu)單元為它由帶凹槽1-2的硅襯底1、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2、P電極金屬層3、焊接金屬層4、S^2絕緣層5和N電極6組成；凹槽1-2的槽壁1_2_1為斜壁，此結(jié)構(gòu)是為了后續(xù)工藝中將槽壁1-2-1加工成反射鏡；凹槽1-2的槽底1-2-2尺寸等于或大于垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2的橫截面面積；SW2絕緣層5覆蓋于硅襯底1上表面，焊接金屬層 4覆蓋于硅襯底1下表面；P電極金屬層3覆蓋于S^2絕緣層5表面且為部分覆蓋，P電極金屬層3所覆蓋的區(qū)域?qū)疾?-2所在區(qū)域完全覆蓋；N電極6設(shè)置在未被P電極金屬層 3覆蓋的SiA絕緣層5表面，N電極6與P電極金屬層3不接觸；垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2設(shè)置在凹槽1-2槽底1-2-2處的P電極金屬層3上，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2的上端面與N電極6之間通過(guò)引線7連接。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2的外表面和凹槽1-2位置處未被覆蓋的 P電極金屬層3外表面涂覆有熒光粉。前述即為單個(gè)結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)，其工作原理為垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2倒裝燒焊在凹槽1-2中，上表面為負(fù)極，當(dāng)器件接通直流電源后，電流從P電極金屬層3進(jìn)入，通過(guò)垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2從N電極6流出，這樣形成一個(gè)閉合的回路，當(dāng)有電流流過(guò)垂直結(jié)構(gòu)的LED 芯片2時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2就會(huì)產(chǎn)生光。凹槽1-2底部和槽壁1-2-1由于有P電極金屬層3的存在，會(huì)對(duì)底面和側(cè)向上的光進(jìn)行反射，使光更多的從凹槽1-2上方發(fā)射出來(lái)。 由于大功率LED芯片工作時(shí)會(huì)有大量的熱產(chǎn)生，而硅襯底1具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)(即低的熱阻)，可以及時(shí)的將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，這就降低了 LED芯片的工作溫度，使LED芯片發(fā)光效率及其長(zhǎng)期可靠性得到了提高。此結(jié)構(gòu)中，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2直接貼裝在散熱基板上(即硅襯底1)，減少了熱阻，降低了 LED芯片的工作溫度，由于單個(gè)LED芯片的熱阻減少了，可以將LED芯片之間的間距設(shè)置得更加緊密，從而提高封裝密度以及光功率密度，滿足背光照明、投影、投射等應(yīng)用需求；
由前述結(jié)構(gòu)單元組成的陣列結(jié)構(gòu)為硅襯底1上按陣列設(shè)置有多個(gè)凹槽1-2，每個(gè)凹槽 1-2位置處形成由硅襯底1、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2、P電極金屬層3、焊接金屬層4、SiO2絕緣層5和N電極6組成的結(jié)構(gòu)單元；同一列上的相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的N 電極6與另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的P電極金屬層3串聯(lián)；不同列之間的任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間絕緣。其工作原理為同一陣列上的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的P極(正極，也即P電極金屬層3)和其相鄰結(jié)構(gòu)單元的N極(負(fù)極，也即N電極6)相連，組成串聯(lián)形式的電路，可根據(jù)實(shí)際需要決定串聯(lián)多少個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)單元來(lái)組成陣列。接通直流電源后，電流從正極流向LED(即垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2)并從LED的負(fù)極流出，然后流向相鄰結(jié)構(gòu)單元的正極，再?gòu)南噜弳卧呢?fù)極流出，以此類推，形成一個(gè)閉合的回路。當(dāng)有電流流過(guò)各個(gè)結(jié)構(gòu)單元中的垂直結(jié)構(gòu)的 LED芯片2時(shí)，LED芯片就會(huì)產(chǎn)生光。凹槽1_2底部和槽壁1_2_1由于有P電極金屬層3的存在，會(huì)對(duì)底面和側(cè)向上的光進(jìn)行反射，使光更多的從凹槽1-2上方發(fā)射出來(lái)。由于大功率 LED陣列工作時(shí)會(huì)有大量的熱產(chǎn)生，而硅襯底具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)(即低的熱阻)，可以及時(shí)的將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，可以降低LED芯片工作溫度，使LED芯片發(fā)光效率以及長(zhǎng)期可靠性得到提高。制作前述結(jié)構(gòu)的步驟為1)采用光刻工藝，在硅襯底1上表面制作出矩陣形式的多個(gè)凹槽1-2 ；具體做法是在硅襯底1的上表面區(qū)域都涂覆上光刻膠(即圖6中的光刻膠層8)，同時(shí)在光刻版上制作出與凹槽1-2陣列對(duì)應(yīng)的圖形，然后曝光，將光刻版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底1上表面，被光照過(guò)以后的光刻膠特性會(huì)改變，就可輕易去除，而未被照射的區(qū)域上的光刻膠就留了下來(lái)，再采用濕法腐蝕方法，在硅襯底1上沒(méi)有光刻膠的區(qū)域形成矩陣形式的多個(gè)凹槽1-2 ；凹槽1-2制作好后，將剩余的光刻膠去除；
2)在硅襯底1上表面沉積SiO2絕緣層5；
3)對(duì)SW2絕緣層5外表面和硅襯底1下表面進(jìn)行金屬化處理，在SW2絕緣層5外表面和硅襯底1下表面形成金屬層；硅襯底1下表面的金屬層即為焊接金屬層4 ；焊接金屬層 4用于與外部散熱體連接，以便于將LED芯片產(chǎn)生的熱量有效傳導(dǎo)散發(fā)到外圍環(huán)境中。4)在S^2絕緣層5外表面的金屬層(如圖6中標(biāo)號(hào)9所示結(jié)構(gòu)層)上設(shè)置多條平行的橫向通槽和多條平行的垂向通槽，橫向通槽和垂向通槽互相垂直，橫向通槽和垂向通槽都不與凹槽1-2所在區(qū)域相交；橫向通槽和垂向通槽將金屬層分割為多個(gè)矩形塊，每個(gè)凹槽1-2對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形塊，凹槽1-2所在區(qū)域位于矩形塊所在區(qū)域內(nèi)；橫向通槽和垂向通槽將同一列上相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的P電極金屬層3和N電極6隔斷，形成如圖6中標(biāo)號(hào)10所示的電極孔10 ；
5)采用LED燒焊工藝，在凹槽1-2內(nèi)設(shè)置垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2，每個(gè)凹槽1_2處即形成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元；
6)同一列上順次相連的三個(gè)結(jié)構(gòu)單元A、B、C，A結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2 與B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽1-2區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線7連接，B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片2與C結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽1-2區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線7連接；
7)在結(jié)構(gòu)單元表面涂覆熒光粉。圖5即是各個(gè)制作步驟中，器件的結(jié)構(gòu)變化示意圖。這種陣列化的封裝，減少了單片LED芯片封裝帶來(lái)的附加成本，模塊化的組裝方法安裝方便靈活、易于維護(hù)和更換。陣列制作好后，在組裝燈具時(shí)，可根據(jù)需要對(duì)硅襯底1進(jìn)行切割，得到需要的結(jié)構(gòu)單元數(shù)量；相比現(xiàn)有的LED照明燈具制作方式，本發(fā)明結(jié)構(gòu)由于對(duì)LED器件實(shí)現(xiàn)了整體封裝，減少了封裝的成本，能夠使照明燈具制造成本得到降低例如60W路燈中，若采用60個(gè)單獨(dú)封裝的IW LED器件，每個(gè)器件價(jià)格約12元，燈具中LED器件成本約為720元；而采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)時(shí)，功率同為60W的陣列封裝結(jié)構(gòu)，成本僅約550元左右，相比現(xiàn)有技術(shù)的成本， 降低了約170元。另外，由于簡(jiǎn)化了照明燈具組裝過(guò)程，還能使路燈制造成本得到進(jìn)一步降低。按照年組裝1萬(wàn)盞60W LED路燈計(jì)算，采用本發(fā)明的硅基散熱的大功率多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)年銷售額可達(dá)550萬(wàn)元，并能為L(zhǎng)ED路燈制造商節(jié)省170萬(wàn)元以上成本。
權(quán)利要求
1.一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于它由帶凹槽(1-2)的硅襯底(1)、 垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)、P電極金屬層(3)、焊接金屬層(4)、Si02絕緣層(5)和N電極(6) 組成；凹槽(1-2)的槽壁(1-2-1)為斜壁；凹槽(1-2)的槽底(1-2-2)尺寸等于或大于垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)的橫截面面積；SiO2絕緣層(5)覆蓋于硅襯底(1)上表面，焊接金屬層(4)覆蓋于硅襯底(1)下表面；P電極金屬層(3)覆蓋于S^2絕緣層(5)表面且為部分覆蓋，P電極金屬層(3)所覆蓋的區(qū)域?qū)疾?1-2)所在區(qū)域完全覆蓋；N電極(6)設(shè)置在未被P電極金屬層(3)覆蓋的SW2絕緣層(5)表面，N電極(6)與P 電極金屬層(3)不接觸；垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)設(shè)置在凹槽(1-2)槽底(1-2-2)處的P電極金屬層(3)上，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)的上端面與N電極(6)之間通過(guò)引線(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于垂直結(jié)構(gòu)的LED 芯片(2)的外表面和凹槽(1-2)位置處未被覆蓋的P電極金屬層(3)外表面涂覆有熒光粉。
3.一種基于權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)的硅基散熱的大功率多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于硅襯底(1)上按陣列設(shè)置有多個(gè)凹槽(1-2)，每個(gè)凹槽(1-2)位置處形成由硅襯底(1)、 垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)、P電極金屬層(3)、焊接金屬層(4)、Si02絕緣層(5)和N電極(6) 組成的結(jié)構(gòu)單元；同一列上的相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的N電極(6)與另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的P電極金屬層(3)串聯(lián)；不同列之間的任意兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間絕緣。
4.一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該方法步驟為1)采用光刻工藝，在硅襯底(1)上表面制作出矩陣形式的多個(gè)凹槽(1-2)；2)在硅襯底(1)上表面沉積SiO2絕緣層(5)；3)對(duì)SW2絕緣層(5)外表面和硅襯底(1)下表面進(jìn)行金屬化處理，在SW2絕緣層(5) 外表面和硅襯底(1)下表面形成金屬層；硅襯底(1)下表面的金屬層即為焊接金屬層(4)；4)在S^2絕緣層(5)外表面的金屬層上設(shè)置多條平行的橫向通槽和多條平行的垂向通槽，橫向通槽和垂向通槽互相垂直，橫向通槽和垂向通槽都不與凹槽(1-2)所在區(qū)域相交；橫向通槽和垂向通槽將金屬層分割為多個(gè)矩形塊，每個(gè)凹槽(1-2)對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形塊，凹槽(1-2)所在區(qū)域位于矩形塊所在區(qū)域內(nèi)；5)采用LED燒焊工藝，在凹槽(1-2)內(nèi)設(shè)置垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)，每個(gè)凹槽(1-2) 處即形成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元；6)同一列上順次相連的三個(gè)結(jié)構(gòu)單元A、B、C，A結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2) 與B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽(1-2)區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線(7)連接，B結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片(2)與C結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的不在凹槽(1-2)區(qū)域內(nèi)的金屬層之間通過(guò)引線 (7)連接;7)在結(jié)構(gòu)單元表面涂覆熒光粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟2)中，SiO2絕緣層(5)的形成，是由硅襯底(1)上表面經(jīng)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積處理而得。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于硅基散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)，它由帶凹槽的硅襯底、垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片、P電極金屬層、焊接金屬層、SiO2絕緣層和N電極組成；本發(fā)明還公開(kāi)了基于前述結(jié)構(gòu)的硅基散熱的大功率多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)及其制作方法。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是本發(fā)明結(jié)構(gòu)無(wú)需在熱沉(即硅襯底)背面加工通孔，簡(jiǎn)化了工藝，底面可直接裝焊到金屬散熱板上；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有熱阻低、成本低、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/62GK102176503SQ201110052198
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者張靖, 王培界 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所