一种降低大功率led热阻的封装结构及其制造方法
一种降低大功率led热阻的封装结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法。包括密封层、负电极、荧光片、金丝、LED芯片、金属互连层、正电极、通孔、基板、底部正电极、散热面、底部负电极。在芯片与基板互连过程中，芯片封装于基板中心位置，基板厚度0.7mm，有利于减小扩散热阻；回流焊接时固晶压力为2N~3N，大大减少互连层中空洞的产生，从而减小界面热阻；固晶材料选用AuSn，AuSn材料热导率高且产生空洞少；这样封装方法有利于降低界面热阻及扩散热阻，提高LED模块散热性能，从而改善LED的性能。
【专利说明】一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法，属于半导体器件封装领域。
【背景技术】
[0002]大功率LED随着其功率、效率、可靠性的不断提高，应用范围越来越广泛，其潜在的市场前景及经济价值不可估量，LED照明的一系列优点(亮度高、寿命长、节能环保、色彩鲜艳等)使之成为第四代照明光源。
[0003]为了满足人们的照明要求，大功率LED可以通过提高输入电流来提高其功率，但LED电光转换效率只有10%~40%，至少有60%的电能在结点处转化为热量。若不能及时将热量导出，芯片结点温度将逐步升高，直接影响LED的光学性能(如波长红移、发光效率降低，发光强度降低等)和可靠性(如寿命缩短、色温质量下降等)等。因此降低LED器件热阻并提高LED性能需要良好的热设计。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对已有封装技术存在的缺陷，提供一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法，通过在芯片与基板互连过程中，芯片封装于基板中心位置，基板厚度0.7mm，有利于减小扩散热阻；回流焊接时固晶压力为2旷3N，大大减少互连层中空洞的产生；固晶材料选用AuSn，AuSn材料热导率高且产生空洞少；这样封装方法有利于降低界面热阻及扩散热阻。
[0005]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层、负电极、荧光片、金丝、LED芯片、金属互连层、正电极、通孔、基板、底部正电极、散热面、底部负电极；所述LED芯片对准基板的中心，通过回流技术将LED芯片与正电极连接在一起，互连材料使用金锡焊料，回流结束后，金锡焊料形成金属互连层，所述LED芯片通过金丝与负电极连接，所述荧光片通过密封层与基板结合在一起，所述底部正电极、散热面、底部负电极布置在基板的背面。
[0006]一种制造上述的降低大功率LED热阻的封装结构的方法，工艺步骤如下:
1)通过高精度机械加工技术制造基板；
2)在正电极、负电极、底部正电极、底部负电极的位置进行绝缘层制作；
3)在正电极、负电极、底部正电极、散热面、底部负电极的位置依次镀镍、镀金，或者依次镀镍、镀银；
4)通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔，将正电极、负电极分别通过通孔与底部正电极、底部负电极连通；
5)将金锡焊料涂覆在基板的中心位置，并将LED芯片放置在金锡焊料的上方进行回流工艺，固晶压力为2旷3N;
6)在LED芯片上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片与基板接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化完成荧光片与基板之间的密封。
[0007]所述的基板厚度为0.7mm，所述的基板是硅基板或是陶瓷基板。
[0008]若所述的基板是陶瓷基板，则省略步骤2)的绝缘层的制作，直接覆铜制作正电极、负电极，覆铜厚度在0.lmnT2mm之间。
[0009]若所述的基板为硅基板，所述步骤2)中的绝缘层是氧化硅。
[0010]所述步骤6)所述的粘结材料是一种紫外感光胶，通过350nnT420nm之间波段的紫外光照射能够迅速固化。
[0011]本发明的封装结构及热设计方法与传统方法相比具有显而易见的显著进步:
本发明结构和方法有利于降低界面热阻及扩散热阻，提高LED模块散热性能，从而改善LED的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的共晶示意图。
[0013]图2是本发明主视图。
[0014]图3是本发明纵截面图(陶瓷基板覆铜)。
[0015]图4是本发明纵截面图(陶瓷或者硅基板镀线路层)。
[0016]图5是互连层在不同固晶压力下产生的空洞率((a)0N，(b)0.3N, (c)0.6N,(d) 1.2N, (e)2N ；X-Ray图；白色是空洞区域，白色越亮空洞体积越大)。
[0017]图6是芯片与基板偏心距对芯片结温的热仿真结果图(偏心距为零时，结温最小)。
[0018]图7是基板不同厚度时基板热阻的变化情况(基板热阻最小时基板厚度是
0.7mm)0
【具体实施方式】
[0019]本发明的一个优选实施例结合【专利附图】
【附图说明】如下:
参见图2，图3，一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层1、负电极2、荧光片
3、金丝4、LED芯片5、金属互连层6、正电极7、通孔8、基板9、底部正电极10、散热面11、底部负电极12 ;其特征在于:将芯片5对准于基板9的中心(图6说明芯片放置在基板中间较好)，互连材料使用AuSn焊料，通过回流技术将LED芯片5与正电极7连接在一起，如图1所示焊接过程中固晶压力为2旷3N (图5 X-ray图像说明压力越大空洞存在越少)，在回流结束后，AuSn焊料形成金属互连层6，荧光片3通过密封层I与基板9结合在一起，所述底部正电极10、散热面11、底部负电极12布置在基板9的背面。
[0020]实施例1
本回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法步骤如下:首先采用精密机械加工方法制造出厚度为0.7mm基板9、再在基板9 (氧化铝或者氮化铝陶瓷)上进行覆铜制作正电极7，在正电极7、负电极2、底部正电极10、散热面11、底部负电极12的位置依次镀镍、镀金(或者镀银);然后通过机械精加工技术制作通孔将正电极7、负电极2分别于底部正电极10、底部负电极12连通；先将AuSn涂覆在正电极7上(在基板中心位置)，再将LED芯片对应放置在AuSn的正上方后，最后将放置好的LED芯片5与基板9进行回流工艺(固晶压力为2旷3N);将负电极2与芯片电极通过金丝4相连接，最后在LED芯片5上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片3或者陶瓷荧光晶片与基板9接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化紫外固化胶完成荧光片3与基板9之间的密封。
[0021]实施例2
本回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法步骤如下:采用精密机械加工方法制造出厚度为0.7mm基板9，需要制作正电极7、负电极2、底部正电极10、底部负电极12的位置上进行绝缘层制作(可以是氧化硅)；依次通过镀镍、镀金技术(可以是CVD蒸镀、化学镀等技术)在正负电极、散热面的位置进行镀镍、镀金，制造好正电极7、负电极2、底部正电极10、散热面11、底部负电极12等线路层，并通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔将正电极7、负电极2分别于底部正电极10、底部负电极12连通(连通前需要先在通孔周壁上进行绝缘层制作；先将AuSn涂覆在基板9中心位置，再将LED芯片对应放置在AuSn的正上方后，最后将放置好的LED芯片5与基板9进行回流工艺(固晶压力为2旷3N);最后在LED芯片5上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片3或者陶瓷荧光晶片与基板9接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化紫外固化胶完成荧光片3与基板9之间的密封。
【权利要求】
1.一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层(I)、负电极(2)、荧光片(3)、金丝(4)、LED芯片(5)、金属互连层(6)、正电极(7)、通孔(8)、基板(9)、底部正电极(10)、散热面(11)、底部负电极(12);其特征在于:所述LED芯片(5)对准基板(9)的中心，通过回流技术将LED芯片(5)与正电极(7)连接在一起，互连材料使用金锡焊料，回流结束后，金锡焊料形成金属互连层(6)，所述LED芯片(5)通过金丝(4)与负电极(2)连接，所述荧光片(3 )通过密封层(I)与基板(9 )结合在一起，所述底部正电极(10 )、散热面(11)、底部负电极(12)布置在基板(9)的背面。
2.一种制造根据权利要求1所述的降低大功率LED热阻的封装结构的方法，其特征在于，工艺步骤如下: 1)通过高精度机械加工技术制造基板(9)； 2)在正电极(7)、负电极(2)、底部正电极(10)、底部负电极(12)的位置进行绝缘层制作； 3)在正电极(7)、负电极(2)、底部正电极(10)、散热面(11)、底部负电极(12)的位置依次镀镍、镀金，或者依次镀镍、镀银； 4)通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔(8)，将正电极(7)、负电极(2)分别通过通孔(8)与底部正电极(10)、底部负电极(12)连通； 5)将金锡焊料涂覆在基板(9)的中心位置，并将LED芯片(5)放置在金锡焊料的上方进行回流工艺，固晶压力为2旷3N ； 6)在LED芯片(5)上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片(3)与基板(9)接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化完成荧光片(3)与基板(9)之间的密封。
3.根据权利要求2所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)厚度为0.7mm，所述的基板(9)是硅基板或是陶瓷基板。
4.根据权利要求2或3所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)是陶瓷基板，则省略步骤2)的绝缘层的制作，直接覆铜制作正电极(7)、负电极(2),覆铜厚度在0.lmnT2mm之间。
5.根据权利要求2或3所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)为硅基板，所述步骤2)中的绝缘层是氧化硅。
6.根据权利要求2所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述步骤6)所述的粘结材料是一种紫外感光胶，通过350nnT420nm之间波段的紫外光照射能够迅速固化。
【文档编号】H01L33/48GK103996784SQ201410187633
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】殷录桥, 张建华, 张金龙, 宋朋, 白杨, 周颖圆, 杨卫桥, 熊峰 申请人:上海大学, 上海半导体照明工程技术研究中心
【专利摘要】本发明涉及一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法。包括密封层、负电极、荧光片、金丝、LED芯片、金属互连层、正电极、通孔、基板、底部正电极、散热面、底部负电极。在芯片与基板互连过程中，芯片封装于基板中心位置，基板厚度0.7mm，有利于减小扩散热阻；回流焊接时固晶压力为2N~3N，大大减少互连层中空洞的产生，从而减小界面热阻；固晶材料选用AuSn，AuSn材料热导率高且产生空洞少；这样封装方法有利于降低界面热阻及扩散热阻，提高LED模块散热性能，从而改善LED的性能。
【专利说明】一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法，属于半导体器件封装领域。
【背景技术】
[0002]大功率LED随着其功率、效率、可靠性的不断提高，应用范围越来越广泛，其潜在的市场前景及经济价值不可估量，LED照明的一系列优点(亮度高、寿命长、节能环保、色彩鲜艳等)使之成为第四代照明光源。
[0003]为了满足人们的照明要求，大功率LED可以通过提高输入电流来提高其功率，但LED电光转换效率只有10%~40%，至少有60%的电能在结点处转化为热量。若不能及时将热量导出，芯片结点温度将逐步升高，直接影响LED的光学性能(如波长红移、发光效率降低，发光强度降低等)和可靠性(如寿命缩短、色温质量下降等)等。因此降低LED器件热阻并提高LED性能需要良好的热设计。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对已有封装技术存在的缺陷，提供一种降低大功率LED热阻的封装结构及其制造方法，通过在芯片与基板互连过程中，芯片封装于基板中心位置，基板厚度0.7mm，有利于减小扩散热阻；回流焊接时固晶压力为2旷3N，大大减少互连层中空洞的产生；固晶材料选用AuSn，AuSn材料热导率高且产生空洞少；这样封装方法有利于降低界面热阻及扩散热阻。
[0005]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层、负电极、荧光片、金丝、LED芯片、金属互连层、正电极、通孔、基板、底部正电极、散热面、底部负电极；所述LED芯片对准基板的中心，通过回流技术将LED芯片与正电极连接在一起，互连材料使用金锡焊料，回流结束后，金锡焊料形成金属互连层，所述LED芯片通过金丝与负电极连接，所述荧光片通过密封层与基板结合在一起，所述底部正电极、散热面、底部负电极布置在基板的背面。
[0006]一种制造上述的降低大功率LED热阻的封装结构的方法，工艺步骤如下:
1)通过高精度机械加工技术制造基板；
2)在正电极、负电极、底部正电极、底部负电极的位置进行绝缘层制作；
3)在正电极、负电极、底部正电极、散热面、底部负电极的位置依次镀镍、镀金，或者依次镀镍、镀银；
4)通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔，将正电极、负电极分别通过通孔与底部正电极、底部负电极连通；
5)将金锡焊料涂覆在基板的中心位置，并将LED芯片放置在金锡焊料的上方进行回流工艺，固晶压力为2旷3N;
6)在LED芯片上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片与基板接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化完成荧光片与基板之间的密封。
[0007]所述的基板厚度为0.7mm，所述的基板是硅基板或是陶瓷基板。
[0008]若所述的基板是陶瓷基板，则省略步骤2)的绝缘层的制作，直接覆铜制作正电极、负电极，覆铜厚度在0.lmnT2mm之间。
[0009]若所述的基板为硅基板，所述步骤2)中的绝缘层是氧化硅。
[0010]所述步骤6)所述的粘结材料是一种紫外感光胶，通过350nnT420nm之间波段的紫外光照射能够迅速固化。
[0011]本发明的封装结构及热设计方法与传统方法相比具有显而易见的显著进步:
本发明结构和方法有利于降低界面热阻及扩散热阻，提高LED模块散热性能，从而改善LED的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的共晶示意图。
[0013]图2是本发明主视图。
[0014]图3是本发明纵截面图(陶瓷基板覆铜)。
[0015]图4是本发明纵截面图(陶瓷或者硅基板镀线路层)。
[0016]图5是互连层在不同固晶压力下产生的空洞率((a)0N，(b)0.3N, (c)0.6N,(d) 1.2N, (e)2N ；X-Ray图；白色是空洞区域，白色越亮空洞体积越大)。
[0017]图6是芯片与基板偏心距对芯片结温的热仿真结果图(偏心距为零时，结温最小)。
[0018]图7是基板不同厚度时基板热阻的变化情况(基板热阻最小时基板厚度是
0.7mm)0
【具体实施方式】
[0019]本发明的一个优选实施例结合【专利附图】
【附图说明】如下:
参见图2，图3，一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层1、负电极2、荧光片
3、金丝4、LED芯片5、金属互连层6、正电极7、通孔8、基板9、底部正电极10、散热面11、底部负电极12 ;其特征在于:将芯片5对准于基板9的中心(图6说明芯片放置在基板中间较好)，互连材料使用AuSn焊料，通过回流技术将LED芯片5与正电极7连接在一起，如图1所示焊接过程中固晶压力为2旷3N (图5 X-ray图像说明压力越大空洞存在越少)，在回流结束后，AuSn焊料形成金属互连层6，荧光片3通过密封层I与基板9结合在一起，所述底部正电极10、散热面11、底部负电极12布置在基板9的背面。
[0020]实施例1
本回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法步骤如下:首先采用精密机械加工方法制造出厚度为0.7mm基板9、再在基板9 (氧化铝或者氮化铝陶瓷)上进行覆铜制作正电极7，在正电极7、负电极2、底部正电极10、散热面11、底部负电极12的位置依次镀镍、镀金(或者镀银);然后通过机械精加工技术制作通孔将正电极7、负电极2分别于底部正电极10、底部负电极12连通；先将AuSn涂覆在正电极7上(在基板中心位置)，再将LED芯片对应放置在AuSn的正上方后，最后将放置好的LED芯片5与基板9进行回流工艺(固晶压力为2旷3N);将负电极2与芯片电极通过金丝4相连接，最后在LED芯片5上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片3或者陶瓷荧光晶片与基板9接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化紫外固化胶完成荧光片3与基板9之间的密封。
[0021]实施例2
本回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法步骤如下:采用精密机械加工方法制造出厚度为0.7mm基板9，需要制作正电极7、负电极2、底部正电极10、底部负电极12的位置上进行绝缘层制作(可以是氧化硅)；依次通过镀镍、镀金技术(可以是CVD蒸镀、化学镀等技术)在正负电极、散热面的位置进行镀镍、镀金，制造好正电极7、负电极2、底部正电极10、散热面11、底部负电极12等线路层，并通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔将正电极7、负电极2分别于底部正电极10、底部负电极12连通(连通前需要先在通孔周壁上进行绝缘层制作；先将AuSn涂覆在基板9中心位置，再将LED芯片对应放置在AuSn的正上方后，最后将放置好的LED芯片5与基板9进行回流工艺(固晶压力为2旷3N);最后在LED芯片5上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片3或者陶瓷荧光晶片与基板9接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化紫外固化胶完成荧光片3与基板9之间的密封。
【权利要求】
1.一种降低大功率LED热阻的封装结构，包括密封层(I)、负电极(2)、荧光片(3)、金丝(4)、LED芯片(5)、金属互连层(6)、正电极(7)、通孔(8)、基板(9)、底部正电极(10)、散热面(11)、底部负电极(12);其特征在于:所述LED芯片(5)对准基板(9)的中心，通过回流技术将LED芯片(5)与正电极(7)连接在一起，互连材料使用金锡焊料，回流结束后，金锡焊料形成金属互连层(6)，所述LED芯片(5)通过金丝(4)与负电极(2)连接，所述荧光片(3 )通过密封层(I)与基板(9 )结合在一起，所述底部正电极(10 )、散热面(11)、底部负电极(12)布置在基板(9)的背面。
2.一种制造根据权利要求1所述的降低大功率LED热阻的封装结构的方法，其特征在于，工艺步骤如下: 1)通过高精度机械加工技术制造基板(9)； 2)在正电极(7)、负电极(2)、底部正电极(10)、底部负电极(12)的位置进行绝缘层制作； 3)在正电极(7)、负电极(2)、底部正电极(10)、散热面(11)、底部负电极(12)的位置依次镀镍、镀金，或者依次镀镍、镀银； 4)通过激光打孔技术或者机械精加工技术制作通孔(8)，将正电极(7)、负电极(2)分别通过通孔(8)与底部正电极(10)、底部负电极(12)连通； 5)将金锡焊料涂覆在基板(9)的中心位置，并将LED芯片(5)放置在金锡焊料的上方进行回流工艺，固晶压力为2旷3N ； 6)在LED芯片(5)上方灌封硅胶后，在模具预先制作好荧光片(3)与基板(9)接触的地方涂覆粘结材料，通过紫外光照射直接固化完成荧光片(3)与基板(9)之间的密封。
3.根据权利要求2所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)厚度为0.7mm，所述的基板(9)是硅基板或是陶瓷基板。
4.根据权利要求2或3所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)是陶瓷基板，则省略步骤2)的绝缘层的制作，直接覆铜制作正电极(7)、负电极(2),覆铜厚度在0.lmnT2mm之间。
5.根据权利要求2或3所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述的基板(9)为硅基板，所述步骤2)中的绝缘层是氧化硅。
6.根据权利要求2所述的回流焊接工艺中可降低LED热阻的封装结构的制造方法，其特征在于，所述步骤6)所述的粘结材料是一种紫外感光胶，通过350nnT420nm之间波段的紫外光照射能够迅速固化。
【文档编号】H01L33/48GK103996784SQ201410187633
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】殷录桥, 张建华, 张金龙, 宋朋, 白杨, 周颖圆, 杨卫桥, 熊峰 申请人:上海大学, 上海半导体照明工程技术研究中心
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