多芯片led的封装结构的制作方法

专利名称：多芯片led的封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体照明技术，具体涉及发光二极管为主要器件的封装制造 方法，特别是提高散热和其抗瞬态电压冲击能力的封装方法，适用于发光二极 管和类似的半导体器件。
背景技术：
LED是采用半导体PN结作为发光源的，其禁带宽度的能量对应于一定波长 光，即电子与空穴符合后，多于的能量以光子形式辐射。LED因为其节能，环 保，体积小，使用灵活，可靠性高，寿命长而成为第四代光源。目前在LCD屏 幕背光，交通信号灯，外墙装饰，医疗，灯饰，大屏幕显示，车灯等得到广泛 的应用。据我国政府估算，如果全国1/3的白炽灯被LED所取代，每年节约的 电力1000亿度，这相当于一个三峡电站每年发电量.各国都将其作为下一代节 能绿色电源在重点扶持。
当前LED应用的一个主要问题是热问题。LED照明应用要求其功率越来越高， 单个LED从开始的几十毫瓦，到现在的近10瓦。但是随着功率的不断提高，工 作时温度变高了， LED变得更加热了。 LEDPN结中电子空穴复合，多于的能量以 光子形式发出，这个过程并不产生热量。但外加电能的条件下，这些复合并不 都是以光子的形式发出，电子空穴复合以及迁移运动中的碰撞还会以声子 (phonon)发出。这些声子在微观上表现为晶格的振动，宏观参数就是热温度。 再加上发出的光并不能100%被导出，这一部分光也会变成热量。实际上，输入 的电功率仅不到30%被转化为光，其余70%以上变成热。这些的热量如果不及时 导出，将会严重影响LED PN结的工作，使LED输出的光变少，光的波长发生偏 移，严重的会影响LED的可靠性和寿命。现有的芯片封装都是基于集成电路封 装技术，虽然对散热给与了很多的考虑，但毕竟集成电路封装中发热不是最主 要的考虑因素。后来又有很多改善LED散热的方法，比如在封装好的LED外加 热沉的方法，进行两级封装等，工艺复杂，成本高。同时这些方法中并没有很 好地解决芯片和支架间，支架和电路板之间，电路板和外基板之间，外基板和 外热沉之间存在的热阻。任何一个环节热量如得不到及时散出，都会使LED芯 片温度升高，影响其性能。
影响LED使用的另一个因素是LED芯片抗瞬态电冲击能力弱。随着LED工 作电压与越来越低，如用于白光LED的GaN芯片从原来的接近4V到现在的3. 3V， 其抗静电能力越来越弱，这类芯片属静电敏感器件。因此，在其生产和使用过程中，如果没有良好的静电防护措施或者防护措施不当，都可能造成LED芯片 的不可修复性损坏。LED在使用过程中，还可能受到来自电源等浪涌电流的冲击, 如在在室外使用时，还会将雷电导入。这些瞬间能放出上十瓦级能量电信号， 会造成LED的损毁，影响其可靠性和寿命。因此，如何提高LED芯片在生产及 使用中的抗瞬态电信号的冲击能力，也是本发明的目的之一。

发明内容
本发明的目的是设计一种工艺简单，封装成本低，具有较高散热能力的， 抗瞬态电冲击能力强的多芯片LED封装的制造方法。本发明设计的多芯片封装 方法具有较高抗瞬态电冲击能力，可灵活进行并联或串联以及矩阵方式的多芯 片LED封装，从而满足不同LED驱动电源的需求。
为达到上述目的，本发明LED封装主要包括基板IO，支架20，瞬态电压 保护(transient voltage suppressor, TVS)芯片30，至少一个腦芯片40， 至少两连接线50，以及封包连接芯片，连接线支架和基板的胶体60。
基板10为双层，下层ll为良好散热的导电体，上层12为良好散热的绝缘 体。基板绝缘表面为光滑表面，以提高LED杂散光的反射，使得LED发出的光 得到充分利用。其厚度以能耐一定的电压为宜。为了使胶体和基板之间有良好 的附着性，提高器件气密性和可靠性，基板可以预留一定的沟槽。
支架20为良好导热导电的材料，制成预设好的形状。这些形状要考虑芯 片的承载，芯片间的连接方式，包括但不限于并联和串联以及串并混合方式， 以及材料物理上与芯片和连接线的良好结合性。它是LED芯片和TVS芯片的承 载体。支架可以预置在基板上。对于一些高功率LED，优选预置在基板上支架， 以便瞬态电压保护芯片和LED芯片直接安装在基板上，减少LED芯片和基板间 的热阻。
瞬态保护芯片30使得器件在封装生产，运输或使用过程中，碰到破坏性瞬 时电压，如静电雷击或其它破坏性电脉冲，保护LED芯片，以免其受损坏。这 些保护器件应为可恢复性的，即在承受瞬态电压后，不会被损坏而能继续为系 统提供保护。在选择瞬态保护芯片时，结合LED的工作电压，设定的保护龟压， 以及最大瞬态电流及功率等因素，能使LED工作在一个较为安全的环境中。 LED芯片40可以是任何颜色的。在多芯片封装时，要选择工作电压，发光强度 尽可能接近的芯片排列在一起。依据供电电源的电流电压条件和光源形状的要 求决定LED的排列方式，以有助于提高系统的能源转换效率。
连接线50是将芯片和支架连接在一起的导线。连接线必须有良好的导电导 热性能和一定的机械强度，横截面积必须小于LED芯片上的电极面积同时也要能承载LED工作所必须的电流，并留有一定的余量。连接线还必须能在合适的 温度下与LED芯片的电极和支架材料间有良好的焊接性能。
胶体60是将芯片，连线，部分支架和基板封装在一起。胶体是在一定温度 压力条件下能固化的树脂，其作用是导出光，同时保护芯片和连线等不受环境 中的湿气，氧气等侵蚀，以及外力的破化。为了 LED发出的光能导出来，成形 后的胶体必须尽可能透明，其折射系数和LED芯片材料以及基板的绝缘层尽可 能接近，以降低它们之间接触面的反射。因为LED工作过程中发出较多的热和 强光，要求这些胶体在高温和强光照射条件下，有较好的抗老化性能，如环氧 树脂和硅树脂等能形成透明胶体。如果是由蓝光或紫外光LED芯片激发荧光物 质形成白光器件，还要在封装的树脂胶体中添加入适量比例的荧光物质。利用 模压腔体的形状，可以将此胶体做成透镜。
为了改变光的透过性和方向，还可选择性地加上反射杯和在封装好的LED 上安装透镜。反射杯和透镜是将发向不能利用方向的光线改变其传播路径，变 为可利用光线。其材料的光学和热学性能应和胶体接近。反射杯内壁可以涂上 反射增强型金属膜，透镜内壁上可以涂上抗反射膜。
本发明涉及的主要生产的工艺过程如下
1) 基板制作铝基板上形成绝缘膜；形成绝缘膜的方法包括但不限于各 种溅射，化学汽相沉积，自蔓延等制备薄膜的方法。
2) 上芯将划好芯片采用粘结的方法装载在支架上LED和TVS芯片。对
于垂直型器件用可用导电胶粘结，以减少连线。
3) 连线用导线将上好的芯片之间和以及芯片与支架连接。
4) 装架将连线好支架的以黏结的方式固定在基板上。
5) 包封将需要保护和密封的部件以透明胶体包封。
6) 切筋去掉多余的原用于起支撑连接作用的支架。
该生产工艺可依据实际需要进行适当的变更，如在装架后和包封前增加安 装反射杯，最后还可以加上反射镜。也可在装架前进行一次胶体包封，装架后 再进行二次包封或加装透镜。
从以上结构及工艺说明可以知道本发明有以下特点 1)结构简单，减少传统LED封装中许多热阻环节通常的封装中存在支架和
胶体，胶体和基板间的大量热阻，芯片的发热主要通过支架的引脚导出； 本发明通过支架和基板直接相连的方法，减少了通常LED封装中胶体和支 架间，支架和基板间，以及基板不同层间的热阻，同时扩大了支架和基板 间的接触，增大了散热面积。2) 抗电冲击力强通过引入瞬态保护器件，在LED遭遇到静电，雷击，或 电路中浪涌电流，瞬态保护器件启动工作，分流了这些瞬间大电流，避免 了其对LED造成的损害，极大地提高了芯片抗瞬态大电流的能力。
3) 电源利用效率高通过合适的连接方法，如串并联等，提高LED整体的 工作电压，可以提高电源的利用效率，从而提高电能转换成光能的效率。
4) 生产工艺简单，灵活，既可大规模生产也适合自动化程度较低生产线。 本发明中采用平面支架，生产较采用立体方式的支架简单，成品率高。而 且其形状可依据LED的连接方式改变，非常灵活，从而可以形成是LED形
成线光源，面光源等。


图l:基板的剖面图 图2:封装好的LED成品侧视图 图3:封装好的LED成品正视图 图4:封装好的LED成品俯视图 图5:多芯片并联LED成品俯视图 图6:多芯片串并联LED成品俯视图 图7: RGB三色LED成品俯视图 图中符号说明
IO基板，其中，11为良好散热体的金属材料，12为良好散热体的绝缘材料， 20支架，30瞬态电压保护芯片，40 LED芯片，50连接线，60胶体。
具体实施方式
实施例一 单颗大功率LED芯片的封装。
图1是基板10的结构。其下层11是散热性好的金属，首选重量轻，导热 率高，易于加工铝而成为首选。其上层12是通过溅射的方法生长的薄膜，优选 AlN和SiC。
图2， 3， 4，是单颗大功率LED芯片40和一颗瞬态保护二极管30封装在一 起的结构。支架20是预制好一定的形状，其材料优选铜，其上根据需要镀上锡。 以粘结剂，如银浆等，将LED和瞬态保护芯片黏结在支架20上。烘烤固定后， 以打线机使连接线50，这里主要是金线，将芯片30和40的正负极分别与支架 20焊接好。在基板10的上层12均匀涂抹上薄薄一层粘接剂，如银浆等，将支架的反面即没有芯片和连接线的一面，与支架20黏结。将带支架20的基板10 放入模压机预制好的模具中，注入硅胶60，加温加压成型。最后，去掉支架20 上原来用于支撑的部分，形成最后的成品。
实施例二多芯片并联LED的封装
采用实施例一的相同的生产方法，改变支架20的形状，可以生产由较小功 率芯片并联形成大功率LED。图5表示了一种由16个小功率LED芯片40和一颗 保护芯片30并联成为1W功率LED方法。该方法不仅减少了不同层间的热阻， 而且加大了 LED芯片散热面积，因此系统的阻较常规的封装方法降低30%左右。
实施例三多芯片串并联LED的封装
图6是16颗LED芯片40和一颗保护芯片30采用串并联的方法封装。这种 封装方法的特点是可以改变LED成品的驱动电压，提高电源的能源装换效率。 LED虽然是一种能效较高的光源，但是其最终的电能转换效率还要受电源转换效 率的影响。众所周知，LED是一种低电压电流型驱动的器件，为使其稳定可靠的 工作，因此要对电源电压进行变化，如交流装换成直流，高压直流装换成低压 直流，同时提供一个大小合适的恒定电流，而这些转换都会损失些能量。如果 能使LED工作的条件尽可能接近电源的电压条件，就可以减少这部分能量损失， 提高总体的能源转换效率。图6中的LED正是为足这种需要而设计的。通过LED 串联的方法，将LED工作电压有单颗的3.6V左右提高到串联后的15V左右、；如 果采用250mV电压作为恒流控制的反馈电压，能提高电源效率5%左右。
实施例四RGB三色LED封装
图7是三色LED芯片40和一颗保护芯片30封装在一起的方法，三色LED 的亮度可以通过流经的电流单独控制。在合适的电路驱动下，LED发出的光亮度 及颜色都是连续可调的，既可以用于装饰，也可以用于照明。
由以上可以看到，本发明提供了一种高可靠性，散热直接，生产工艺简单 灵活，抗瞬态电冲击能力强，能源转换效率高的LED封装结构及生产方法。但 以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作 的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。
权利要求
1.一种高散热，带瞬态电压保护LED封装结构，包括基板，支架，LED芯片，瞬态电压保护芯片，连接线，透明胶体，其特征是基板为双层都为导热系数高的材料，其上层为绝缘材料膜；包含有瞬态电压保护芯片；LED芯片和瞬态电压保护芯片可按所需连接方式安装在支架上；支架直接安装在基板上。
2. 根据权利要求l的封装结构，其特征是基板为双层结构，上层为热导率高但 为电绝缘的薄膜材料，下层为散热良好的金属材料。
3. 根据权利要求1的封装结构，其特征是支架通过粘结等方式直接安装在基板 上。
4. 根据权利要求1的封装结构，其芯片是多芯片，其中包括至少一颗瞬态电压 保护芯片， 一颗或多颗LED芯片。
5. 根据权利要求1和4的封装结构，其特征是其中多颗LED芯片可以按需要连 接成并联，串联，或并串联方式。
6. 根据权利要求1和4的封装结构，其特征是多颗LED芯片有各自单独的导出 线，能独自对每一颗LED芯片进行单独的电流控制。
7. 根据权利要求1的封装结构，其特征在于基板和支架没有完全被胶体包裹， 留有用于电连接的外露支架。
8. —种带瞬态电压保护，高散热LED封装的生产方法，包括以下步骤制作双层基板；将LED和TVS芯片装载在支架上；用连接线将装载好的芯片以及芯片与支架间连接；将连线好支架的固定在基板上；将需要保护和密封的部件以透明胶体包封；去掉多余的原用于起支撑连接作用的支架。
9. 根据权利要求1和8的封装结构，其特征是在胶体中加入荧光粉，以调制出 和原来LED颜色不同的光。
10. 根据权利要求1和8的封装结构，其特征是加入反射镜和透镜结构，以加 强光的导出。
全文摘要
本发明提供一种能高效散热，具有瞬态电压保护，能效高的LED封装结构。它主要由基板，支架，LED芯片，瞬态保护芯片，连接线，以及包封的胶体组成。基板为双层结构，其下层为散热良好的金属材料，上层为高热导率但对电绝缘的薄膜。支架为热和电的良好导体，其形状可以根据需要调整，如芯片的个数，连接方法等。瞬态电压保护芯片和LED芯片安装在支架上，支架直接再安装在基板上。在芯片和连线线的需要保护的地方，以胶体包封，外露的支架部分构成外接电源的连接部分。多个LED芯片可以以并联，串并联方式连接，以利于提高电源的转换效率；也可以形成多路连接，使得各路LED得以单独控制。依此方法可以灵活地得到多种LED光源。
文档编号H01L25/16GK101615612SQ200810039728
公开日2009年12月30日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者刘红超 申请人:刘红超