一种发光二极管及其封装方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管及其封装方法。

背景技术：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是一种能发光的半导体电子元件。自20世纪90年代氮化镓(gan)基led由日本科学家开发成功以来，led的工艺技术不断进步，led的发光亮度不断提高，led的应用领域也越来越广。led作为高效、环保、绿色的新一代固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，正在迅速广泛地应用在交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源、户外全彩显示屏等领域。尤其在照明领域，led已经成为照明市场的主流。

led照明通常的实现方式包括：将led芯片固定在封装支架上，封装支架对led芯片起到支撑作用；通过金线将led芯片与封装支架电连接，金线将外部电路的电流导入led芯片，led芯片在电流的驱动下发光；在led芯片上设置掺有荧光粉的封胶，将led芯片和金线包裹在封胶内，完成led芯片的封装，荧光粉在led发出的蓝光激发下发出黄光，黄光和蓝光混合实现白光。

伴随着led应用的范围和深度的发展，对led照明产品使用的可靠性等品质要求越来越高，如何获得稳定的发光效率和使用寿命，对led照明产品的产业化推广十分关键。而在led芯片的封装过程中，金线与led芯片、封装支架之间连接的稳定性对led器件的可靠性至关重要。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

连接在led芯片和封装支架之间的金线呈圆弧状，圆弧所在的平面与led芯片和封装支架连接金线的表面垂直，封装硅胶包裹在金线外。在将金线分别与led芯片和封装支架连接时，先将金线的一端垂直固定在led芯片的表面上，再将金线弯成圆弧形，最后将金线的另一端垂直固定在封装支架上。由于将金线弯成圆弧形的过程中存在将金线与led芯片分离的作用力，因此这个过程会对金线与led芯片之间的连接造成一定的暗伤，导致金线与led芯片之间的连接不稳定，使得金线与led芯片之间连接的稳定性成为led后续使用过程中的薄弱环节，金线很容易因此而断开。同时led在使用过程中会产生热量，产生的热量导致led的温度升高，温度的升高引发封装硅胶产生线性膨胀，封装硅胶的线性膨胀带动包裹在封装硅胶内的金线发生位移，金线的位移也使得金线存在断开的危险。

而金线的断开导致led在使用过程中存在一定的失效概率，不利于led应用产品的推广。在目前的失效产品中，大概有60％的死灯问题都是由金线的断开所引发的，因此金线的断开极大地影响了led的应用。尤其是大功率产品，使用过程中产生的热量更多，封装硅胶的线性膨胀更加严重，金线更容易断开。现有的处理方法是将金线加粗、将金线的两端加大，但是这样不但增加了生产成本、延长了生产周期，而且只能降低金线断开的概率，无法从根本上解决金线断开的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种发光二极管及其封装方法，能够解决现有技术金线断开影响led可靠性的问题。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括封装支架、发光二极管芯片、金属线和掺有荧光粉的封装胶体，所述封装支架的上表面的中心设有凹陷部，所述发光二极管芯片固定在所述凹陷部内，所述发光二极管芯片的上表面所在的平面与所述封装支架的上表面所在的平面之间的距离小于或等于设定值；所述金属线呈直线状，所述金属线的两端分别与所述发光二极管芯片和所述封装支架电连接；所述封装胶体设置在所述发光二极管芯片和所述金属线上。

可选地，所述金属线的截面为长方形，所述长方形的长边垂直于所述发光二极管芯片的上表面。

可选地，所述长方形的长度为所述长方形的宽度的1.5倍～2.5倍。

可选地，所述金属线的两端为球形，所述球形的直径大于或等于所述长方形的长度。

可选地，所述设定值为所述长方形长度的1/4～1/2。

可选地，所述发光二极管芯片包括衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、n型电极和p型电极，所述n型半导体层、所述有源层和所述p型半导体依次层叠在所述衬底的第一表面上，所述p型半导体层上设有延伸至所述n型半导体层的第一凹槽、以及延伸至所述衬底的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽对称设置在所述衬底的边缘，所述n型电极设置所述第一凹槽内的n型半导体层上，所述p型电极包括焊盘和至少一个电极线，所述焊盘设置在所述第二凹槽内的衬底上，所述电极线的第一端与所述焊盘连接，所述电极线的第二端设置所述p型半导体层上。

可选地，所述发光二极管芯片还包括绝缘层，所述绝缘层铺设所述第二凹槽从所述p型半导体层延伸至所述衬底的侧壁上。

可选地，所述发光二极管芯片还包括分布式布拉格反射镜，所述分布式布拉格反射镜设置在所述衬底的第二表面上，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面。

可选地，所述衬底的第二表面通过银浆固定在所述凹陷部内。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的封装方法，所述封装方法包括：

提供一封装支架，所述封装支架的上表面的中心设有凹陷部；

将发光二极管芯片固定在所述凹陷部内，所述发光二极管芯片的上表面所在的平面与所述封装支架的上表面所在的平面之间的距离小于或等于设定值；

将金属线的两端分别与所述发光二极管芯片和所述封装支架电连接，所述金属线呈直线状；

在所述发光二极管芯片和所述金属线上设置掺有荧光粉的封装胶体。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将发光二极管芯片的上表面与封装支架的上表面限制在几乎同一高度，同时连接发光二极管芯片和封装支架的金属线保持为直线状，使金属线平行于发光二极管和封装支架的上不表面设置，可以避免在金属线弯成弧形的过程中产生将金属线与led芯片分离的作用力，同时金属线没有完全设置在封装硅胶内，封装硅胶线性膨胀对金属线的影响大大减小，整体上可以大大降低金属线断开的概率，提高led的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的金属线截面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的金属线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的发光二极管芯片的主视图；

图5是本发明实施例提供的发光二极管芯片的俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种发光二极管的封装方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种发光二极管。图1为本发明实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。参见图1，该发光二极管包括封装支架10、发光二极管芯片20、金属线30和掺有荧光粉的封装胶体40。封装支架10的上表面的中心设有凹陷部11，发光二极管芯片20固定在凹陷部11内，发光二极管芯片20的上表面所在的平面与封装支架10的上表面所在的平面之间的距离小于或等于设定值。金属线30呈直线状，金属线30的两端分别与发光二极管芯片20和封装支架10电连接；封装胶体40设置在发光二极管芯片20和金属线30上。

本发明实施例通过将发光二极管芯片的上表面与封装支架的上表面限制在几乎同一高度，同时连接发光二极管芯片和封装支架的金属线保持为直线状，使金属线平行于发光二极管和封装支架的上表面设置，可以避免在金属线弯成弧形的过程中产生将金属线与led芯片分离的作用力，同时金属线没有完全设置在封装硅胶内，封装硅胶线性膨胀对金属线的影响大大减小，整体上可以大大降低金属线断开的概率，提高led的可靠性。

另外，与金属线弯成弧形相比，金属线保持为直线状可以大大缩短金属线的长度，可以把缩短的材料用于增大金属线的截面积，提高金属线的有效利用率。

在具体实现时，金属线30的材料可以采用金(au)。具体地，金属线30的长度可以为200μm～500μm，具体长度可以金属线的两个连接点之间的距离进行增减。

图2为本发明实施例提供的金属线截面的结构示意图。参见图2，可选地，金属线30的截面可以为长方形，长方形的长边垂直于发光二极管芯片20的上表面。

长方形长边的抗拉能力远高于短边，将长边垂直于发光二极管芯片的上表面设置，使长边的延伸方向与封装硅胶线性膨胀的方向保持一致，可以有效提高金属线的抗拉能力，进一步降低金属线断开的概率。而且长方形短边平行于发光二极管芯片，金属线对发光二极管芯片发出光线的阻挡较少。

优选地，如图2所示，长方形的长度a可以为长方形的宽度b的1.5倍～2.5倍，如长方形的长度a为长方形的宽度b的2倍，此时金属线的抗拉能力较强。

具体地，长方形的长度a可以为50μm～70μm，优选为60μm；长方形的宽度b可以为25μm～35μm，优选为30μm。

图3为本发明实施例提供的金属线的结构示意图。参见图3，优选地，金属线30的两端可以为球形，球形的直径c大于长方形的长度a，增强连接点的抗拉能力，提高连接的可靠性。

具体地，球形的直径c可以为55μm～65μm，如60μm。

优选地，设定值可以为长方形长度的1/4～1/2，如设定值为长方形长度的1/3，避免相差太大而影响到金属线连接的可靠性。

具体地，设定值可以为20μm。

图4为本发明实施例提供的发光二极管芯片的主视图，图5为本发明实施例提供的发光二极管芯片的俯视图。参见图4和图5，可选地，发光二极管芯片20包括衬底21、n型半导体层22、有源层23、p型半导体层24、n型电极25和p型电极26，n型半导体层22、有源层23和p型半导体层24依次层叠在衬底21的第一表面上，p型半导体层24上设有延伸至n型半导体层22的第一凹槽271、以及延伸至衬底21的第二凹槽272，第一凹槽271和第二凹槽272对称设置在衬底21的边缘，n型电极25设置第一凹槽271内的n型半导体层22上，p型电极26包括焊盘261和至少一个电极线262，焊盘261设置在第二凹槽272内的衬底21上，电极线262的第一端与焊盘261连接，电极线262的第二端设置p型半导体层24上。

通过将p型电极的转移到衬底上，使p型电极更靠近芯片的边缘，缩短了金属线的连接长度，有利于金属线连接的可靠性，同时也避免了与封装支架高度不一样、芯片漏电、遮挡芯片出光等问题。

具体地，衬底的材料可以采用蓝宝石。n型半导体层的材料可以采用n型掺杂的氮化镓。有源层可以包括交替层叠的多个量子阱和量子垒，量子阱的材料可以采用氮化铟镓，量子垒的材料可以采用氮化镓。p型半导体层的材料可以采用p型掺杂的氮化镓。p型电极和n型电极的材料可以采用金属。

进一步地，衬底的厚度可以为140μm～160μm，优选为150μm。若衬底的厚度小于140μm，则可能由于衬底太薄而导致芯片的翘曲严重；若衬底的厚度大于160μm，则可能由于衬底太厚而导致光线损失，以及配光难度增加。

n型半导体层的厚度可以为2.8μm～3.2μm，优选为3μm；n型半导体层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为8*10¹⁹/cm³～2*10²⁰/cm³，如10²⁰/cm³。各个量子阱的厚度可以为2nm～5nm，优选为3.5nm；各个量子垒的厚度可以为8nm～15nm，优选为11.5nm；量子阱的数量与量子垒的数量相等，量子垒的数量可以为6个～10个，优选为8个。p型半导体层的厚度可以为180nm～220nm，优选为200nm。p型电极和n型电极的厚度可以为1.2μm～1.8μm，优选为1.5μm。

优选地，如图4所示，发光二极管芯片20还可以包括绝缘层28，绝缘层28铺设第二凹槽272从p型半导体层24延伸至衬底21的侧壁上，避免芯片漏电。

具体地，绝缘层28的厚度可以大于或等于1μm，以确保绝缘效果。

在实际应用中，绝缘层可以采用等离子体增强化学气相沉积(英文：plasmaenhancedchemicalvapordeposition，简称：pecvd)技术沉积形成，覆盖效果好，而且膜质致密，能够起到良好的保护作用，避免p型电极和n型半导体层之间存在漏电通道。

优选地，如图4所示，发光二极管芯片20还可以包括分布式布拉格反射镜(英文：distributedbraggreflection，简称：dbr)29，dbr29设置在衬底21的第二表面上，衬底21的第二表面为与衬底21的第一表面相反的表面。一方面利用dbr进行绝缘，提高led的可靠性；另一方面也可以对光线进行反射，增加led的出光效率。

具体地，dbr29可以包括12个周期结构，每个周期结构包括依次层叠的至少两个材料不同的金属氧化物薄膜，以缩短加工时间，减少制作成本。

在具体实现时，dbr制作时所处环境的温度为200℃，真空度为5*10^-5torr。

更优选地，衬底21的第二表面可以通过银浆固定在凹陷部11内。银浆中的银与dbr配合形成全角反射镜(英文：omni-directionalreflector，简称：odr)，提高反射效果。

具体地，银浆中银的含量可以大于或等于50％。通过限定银浆中银组分的含量大于50％，可以保证银浆的热传导系数，有效传导发光二极管芯片工作产生的热量，同时保证银浆的粘附性。

在实际应用中，如图1所示，封装支架10可以包括固晶金属柱12、封装部13和电极引脚14。固晶金属柱12上固定有发光二极管芯片，用于实现发光二极管芯片的散热；封装部13包裹在固晶金属柱外，封装部13的材料采用塑胶，用于实现封装支架中各个部分的连接、支撑和保护；电极引脚14固定在封装部上并向远离封装部的方向延伸，用于实现与外部电流的电连接、发光二极管芯片的固定、以及一定的散热作用。

具体地，固晶金属柱12的材料可以采用钛，钛的热膨胀系数为8.2，发光二极管芯片的主体材料蓝宝石的热膨胀系数为7.5，钛的热膨胀系数和蓝宝石的热膨胀系数基本一致，在led芯片发光升温时固晶金属柱和发光二极管芯片按相同的膨胀比例变化，不会产生相对的膨胀差，从而避免发光二极管芯片和固定发光二极管芯片的固晶金属柱之间产生热应力，因此不会使得发光二极管芯片和固晶金属柱在热应力的长期作用下产生物理分离，最终提高了发光二极管的可靠性，延长了产品的使用寿命，同时也为增大驱动电流创造了条件，特别适用于温度变化大的大功率发光二极管。而且钛的含量丰富，大规模生产应用具有稳定的保障。更具体地，固晶金属柱的材料可以采用杂质含量在0.1％以下的钛。在实际应用中，固晶金属柱的材料也可以采用铜，实现成本低。进一步地，固晶金属柱的高度可以为2.8mm～2.9mm，优选为2.85mm；固晶金属柱的上表面的直径可以大于2mm，优选为2.5mm。

封装部13的材料可以采用聚邻苯二甲酰胺(英文：polyphthalamide，简称：ppa)，主要起绝缘、支撑和保护作用，而且耐高温，吸湿少。进一步地，封装部的颜色可以为黑色，也可以为白色。在实际应用中，封装部的材料也可以采用液晶聚合物(英文：liquidcrystalpolymer，简称：lcp)，耐温性更佳。

电极引脚14的材料可以为铜，实现成本低。

需要说明的是，电极引脚可以连接到电路板上，通常电极引脚的一端固定在封装部上，另一端与电路板上的焊点通过锡膏进行连接。

可选地，封装支架10还可以包括支架本体，支架本体设置在封装部外。通过将多个支架本体做成阵列的方式，实现其支撑的多个封装部规则排列，从而可以进行多个发光二极管芯片的批量自动化封装。

具体地，支架本体的材料可以采用黄铜或者铁，支架本体的厚度可以为0.3mm～0.5mm。

可选地，封装胶体40可以包括掺有荧光粉的部分和未掺杂荧光粉的部分。掺有荧光粉的部分包裹在发光二极管芯片外，改变发光二极管芯片发出光线的颜色；未掺杂荧光粉的部分包裹在掺有荧光粉的部分外，对发光二极管芯片进行封装，以减少荧光粉的使用，降低实现成本。

优选地，掺有荧光粉的部分的折射率可以大于未掺杂荧光粉的部分的折射率，以逐步缓解芯片的折射率和空气的折射率之间较大的差异，减少由于全反射而损失的光线。

具体地，掺有荧光粉的部分的折射率可以为1.5～1.6，如1.55；未掺杂荧光粉的部分的折射率可以为1.29～1.31，如1.3。

进一步地，荧光粉可以为颗粒状，荧光粉的粒径可以为6μm～10μm，优选为8μm。

其中，颗粒是指小而圆的物质，如圆球。粒径是指颗粒的大小，如球体的直径。

通过采用粒径较小的荧光粉颗粒，可以降低荧光粉颗粒在硅胶里的沉积速度，提高荧光粉层中荧光粉颗粒分布的均匀性。

在具体实现时，荧光粉层用于对芯片发出的光线进行波长转换，具体为芯片发出的光线激发荧光粉层中的荧光粉发出另一种波长的光线。例如，芯片发出蓝光，蓝光激发荧光粉发出黄光，黄光和蓝光混合形成白光。

具体地，荧光粉可以包括黄光荧光粉、绿光荧光粉和红光荧光粉中的一种或多种，可根据实际需要进行选择。例如，只采用钇铝石榴石(英文：yttriumaluminumgarnet，英文：yag)这种黄光荧光粉掺杂到硅胶中，与发出蓝光的芯片配合实现白光发光二极管；也可以主要采用yag这种黄光荧光粉，同时掺杂有少量绿光荧光粉和红光荧光粉，以提高发光二极管的显色指数等参数。

例如，荧光粉在掺有荧光粉的部分中的重量比例为30％，其中，黄光荧光粉占95％，绿光荧光粉占3％，红光荧光粉占2％。

本发明实施例提供了一种发光二极管的封装方法，适用于实现图1所示的发光二极管。图6为本发明实施例提供的一种发光二极管的封装方法的流程图。参见图6，该封装方法可以包括：

步骤201：提供一封装支架，封装支架的上表面的中心设有凹陷部。

可选地，在步骤201之前，该封装方法还可以包括：

采用等离子体清洗技术对封装支架进行清洗，以去除封装支架表面的污染物。

具体地，采用等离子体清洗技术对封装支架进行清洗时，采用氧化性气体在射频作用下对封装支架进行处理。例如，射频功率可以为50w，通入的氧气流量可以为10sccm，处理有效期为3小时，即处理后3小时内使用，否则需要重新进行处理。

步骤202：将发光二极管芯片固定在凹陷部内，发光二极管芯片的上表面所在的平面与封装支架的上表面所在的平面之间的距离小于或等于设定值。

可选地，该步骤202可以包括：

在凹陷部内设置固晶胶，将发光二极管芯片放置在固晶胶上并施加压力；

对固晶胶进行烘烤。

具体地，施加的压力大小可以为5g，具体可以根据芯片大小进行调整。

优选地，对固晶胶进行烘烤，可以包括:

在120℃的温度下对固晶胶烘烤2小时；

在160℃的温度下对固晶胶烘烤1小时。

烘烤充分，实现效果好。

步骤203：将金属线的两端分别与发光二极管芯片和封装支架电连接，金属线呈直线状。

可选地，该步骤203可以包括：

将金属线放置在发光二极管芯片和封装支架之间；

将焊线机的瓷嘴以50g的压力将金属线的一端超声加热焊接在发光二极管芯片上；

将焊线机的瓷嘴以60g的压力对金属线的另一端超声加热焊接在封装支架上。

步骤204：在发光二极管芯片和金属线上设置掺有荧光粉的封装胶体。

具体地，该步骤204可以包括：

注入硅胶，并利用烘箱在150℃的温度下对硅胶烘烤4小时，固化封装胶体。

使用本方案的支架封装的0.5w灯珠加工后，对10000pcs的批量进行冷热冲击后，失效率为0.12％，而传统的封装方法灯珠失效率为0.56％，可以看出本实施例焊线的质量得到明显改善，亮度提升1.69％，其他方面的性能和传统灯珠基本一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。