專利名稱：發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，特別是涉及一種發(fā)光二極管的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前發(fā)光二極管(LED, light emitting diode)在各個領(lǐng)域,尤其是照明領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而隨著對發(fā)光二極管的亮度要求越來越高，單顆發(fā)光二極管的功率越來越大，散熱問題逐漸成為制約發(fā)光二極管亮度和壽命的主要瓶頸，如何為發(fā)光二極管芯片散熱也成為人們研究的重點(diǎn)。LED芯片具有相對的發(fā)光面和固定面,發(fā)光面用于發(fā)光，固定面用于將LED固定在一個基板上。目前，主流的LED芯片根據(jù)電極位置的不同主要分為三種結(jié)構(gòu)。其中水平結(jié)構(gòu) 的LED芯片的正負(fù)兩個電極都在發(fā)光面上；垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的發(fā)光面和固定面各有一個電極，其中在發(fā)光面上的電極是一個小的金屬焊盤，而在固定面上的電極就是固定面表面的金屬層；倒裝焊結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個電極都在固定面上，通過分別將兩個電極焊接在線路層上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮。其中，由于散熱性能較好，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片和倒裝焊結(jié)構(gòu)的LED芯片是市場的主流。但是垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片和倒裝焊結(jié)構(gòu)的LED芯片的一個共同點(diǎn)在于其固定面都是LED芯片的電極，而同時LED芯片的固定面又必須起到散熱的作用，以便將LED發(fā)出的熱量傳導(dǎo)給基板，這樣基板就成為所有固定在其上的LED芯片共同的電極。因此這些LED在電路上都是并聯(lián)的，這對于LED的工作非常不利，因?yàn)楹懔鞴ぷ鳡顟B(tài)已經(jīng)被證明是LED芯片驅(qū)動的最佳選擇。陶瓷材料的使用使這個問題得到了解決。中國專利200720172014、201020645033、200920070787. 3,201020653331,201010623452 分別公開了一種 LED 封裝結(jié)構(gòu)。在這種封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片被固定在一個帶有線路的陶瓷板上，該陶瓷板再固定在一金屬熱沉上。這種封裝結(jié)構(gòu)利用了陶瓷材料導(dǎo)熱同時絕緣的特點(diǎn)，利用陶瓷板上的線路層導(dǎo)電，同時利用陶瓷板本身導(dǎo)熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了熱電分離，使同一塊熱沉上的LED芯片在電路上是分離的。然而在該方案中，陶瓷材料的使用大大增加了 LED封裝的成本。一個替代方案如圖Ia所示。其中發(fā)光二極管芯片101具有垂直結(jié)構(gòu)，其在圖中的下表面為固定面101b，該固定面IOlb是發(fā)光二極管芯片101的一個電極,例如是負(fù)極。該發(fā)光二極管芯片101的固定面IOlb通過導(dǎo)熱導(dǎo)電粘結(jié)材質(zhì)107與線路層102連接固定。該線路層是一層有線路圖案的銅箔層，圖Ib顯示了其中的一部分。在線路層102中，包括固定有發(fā)光二極管芯片101并與LED芯片的負(fù)極電連接的固定區(qū)102a，還包括一導(dǎo)電區(qū)102b (圖Ia中未畫出)，發(fā)光二極管芯片101的正極通過金線IOlc (圖Ia中未畫出)與該導(dǎo)電區(qū)電連接。這樣，在線路層102的固定區(qū)102a和導(dǎo)電區(qū)102b之間加正向電壓，發(fā)光二極管芯片101就會被點(diǎn)亮。在該方案中，線路層102就是傳統(tǒng)PCB板加工工藝中的覆銅層。由于其作用只在于導(dǎo)電，所以從成本的角度考量其厚度只需要0. 035_左右即可。[0009]出于散熱的目的，該發(fā)光二極管封裝方案中還包括一個金屬熱沉105。與上述使用陶瓷的方案不同的是，為了使線路層能夠正常工作，該方案中還包括填充于線路層102與金屬熱沉105之間有機(jī)絕緣層103。相比陶瓷材料，該有機(jī)絕緣層103具有成本低廉，加工使用方便的優(yōu)點(diǎn)。如圖2中的箭頭所示，發(fā)光二極管芯片101發(fā)出的熱量，通過線路層102和有機(jī)絕緣層103后傳遞到金屬熱沉105上實(shí)現(xiàn)散熱目的。在該方案中，有機(jī)絕緣層替換了陶瓷材料成為絕緣材料，但是有機(jī)絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)往往很低，例如IW/(m. K)，而陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)為40 150W/(m. K)?？梢?，對于大功率LED的應(yīng)用來說，陶瓷材料仍然是不可替代的選擇。中國專利200610128694提出一種新型的高分子絕緣層，這種高分子絕緣層具有更好的高壓絕緣特性，但是這仍然無法解決有機(jī)絕緣層導(dǎo)熱不佳的問題。因此，需要一種新的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)來解決上述問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決的主要技術(shù)問題是提供一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，可以低成本的解決發(fā)光二極管的散熱不佳的問題。本實(shí)用新型提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，包括發(fā)光二極管芯片，該發(fā)光二極管芯片包括固定面，該固定面至少與發(fā)光二極管芯片的正極和負(fù)極中的一個電連接。還包括線路層，該線路層包括固定區(qū)。發(fā)光二極管芯片的固定面與該線路層的固定區(qū)相固定并電連接。還包括位于線路層的與發(fā)光二極管芯片相對的一側(cè)的金屬熱沉，和填充于線路層與金屬熱沉之間的有機(jī)絕緣層，該有機(jī)絕緣層用于隔離線路層與金屬熱沉使這兩者相絕緣。在本實(shí)用新型中，線路層第一面的固定區(qū)的厚度不小于0. 1_，固定區(qū)的面積不小于發(fā)光二極管芯片固定面面積的2倍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型包括如下有益效果在本實(shí)用新型中的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中，利用加厚的線路層實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管發(fā)熱面積的擴(kuò)散，進(jìn)而達(dá)到減小絕緣層熱阻的目的。

圖Ia和Ib是一種現(xiàn)有的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2a和2b是本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是使用本實(shí)用新型的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)時發(fā)光二極管的結(jié)溫與線路層的固定區(qū)厚度之間的關(guān)系曲線；圖4是使用本實(shí)用新型的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)時發(fā)光二極管的結(jié)溫與線路層的固定區(qū)與發(fā)光二極管芯片固定面的面積比之間的關(guān)系曲線；圖5a和5b是本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5c是倒裝焊機(jī)構(gòu)的LED的固定面的示意圖。
具體實(shí)施方式
如背景技術(shù)中所述，由于有機(jī)絕緣層103的導(dǎo)熱系數(shù)低，導(dǎo)致有機(jī)絕緣層的熱阻很大，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)絕緣層上下兩個表面的溫度差很大。這成為發(fā)光二極管芯片101的結(jié)溫過高的主要原因。有機(jī)絕緣層103的熱阻Rth可以由公式⑴表示Rth(I )
S-X其中d為熱傳導(dǎo)的距離，此處具體的是該有機(jī)絕緣層的厚度；S為熱傳導(dǎo)通道的截面積，、為有機(jī)絕緣層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。有公式⑴可以看出，為了降低有機(jī)絕緣層103的熱阻，可以通過提高有機(jī)絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，減小有機(jī)絕緣層的厚度和增大有機(jī)絕緣層的導(dǎo)熱通道的截面積來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工作中，X取決于與有機(jī)絕緣材料本身的性質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)高的有機(jī)絕緣材料會造成成本的提高。而有機(jī)絕緣層的厚度也會受到其絕緣性能的限制而不能太小，因此提高導(dǎo)熱通道 的截面積成為一條可能的降低有機(jī)絕緣層熱阻的途徑。然而如圖Ia所示，導(dǎo)熱通道的截面積近似的等于發(fā)光二極管固定面IOlb的面積。由于沒有良好的橫向?qū)嵬緩?，該?dǎo)熱通道的截面積在到達(dá)金屬熱沉105之前幾乎不會擴(kuò)大。基于以上分析本實(shí)用新型提出，增大線路層102固定區(qū)102a的厚度，使線路層102在起到導(dǎo)電的功能的同時也能起到橫向?qū)岬墓δ?，使?dǎo)熱通道的截面積擴(kuò)大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低有機(jī)絕緣層的熱阻的目的。并且基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)用新型提出了線路層的固定區(qū)的最優(yōu)厚度范圍。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行說明。本實(shí)用新型的的第一個實(shí)施例如圖2a和2b所示。本實(shí)施例的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)200包括發(fā)光二極管芯片201，該發(fā)光二極管芯片201包括固定面201b，該固定面201b與發(fā)光二極管芯片201的正極或負(fù)極電連接。還包括線路層202，該線路層202包括固定區(qū)202a。發(fā)光二極管芯片201的固定面201b與該線路層的固定區(qū)202a相固定并電連接。本實(shí)施例的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)200還包括位于線路層202的與發(fā)光二極管芯片201相對的一側(cè)的金屬熱沉205，和填充于線路層202與金屬熱沉205之間的有機(jī)絕緣層203，該有機(jī)絕緣層203用于隔離線路層202與金屬熱沉205使這兩者相絕緣。在本實(shí)施例中，與圖Ib所示的方案相同，發(fā)光二極管芯片201為垂直結(jié)構(gòu)，它的與固定面201b電連接的電極與線路層202的固定區(qū)202a電連接，而發(fā)光二極管芯片201的另一個電極則通過金線201c與線路層202的另一個區(qū)域202b電連接，該區(qū)域202b與固定區(qū)202a不存在電連接。這樣，只要在線路層固定區(qū)202a和區(qū)域202b之間加適當(dāng)?shù)碾妷簞t可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管芯片201。在本實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管芯片201的固定面201b與線路層202的固定區(qū)固定并電連接，可以使用多種固定材料和方法，例如但不限于使用導(dǎo)電銀膠粘接，或使用金錫鍍層進(jìn)行共晶焊接，或使用焊錫膏進(jìn)行焊接。圖2a中207指的是實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管芯片201的固定面201b與線路層202的固定區(qū)固定并電連接的材料。這屬于公知技術(shù)，此處不再贅述。如圖2a中的箭頭所示，增厚的線路層202，可以使發(fā)光二極管芯片201發(fā)出的熱量在到達(dá)有機(jī)絕緣層203之前，先沿著橫向傳播擴(kuò)散，進(jìn)而在到達(dá)有機(jī)絕緣層203時其導(dǎo)熱通道的截面積得以明顯擴(kuò)大，進(jìn)而降低有機(jī)絕緣層203的熱阻達(dá)到降低發(fā)光二極管芯片201結(jié)溫的目的。典型的，線路層202的材料是銅。因此可 以理解，線路層202的固定區(qū)202a的厚度越大，面積越大，則發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫越低。經(jīng)過試驗(yàn)，可以得到使用本實(shí)施例的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)200時發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫與線路層202的固定區(qū)202a的厚度之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。在本實(shí)驗(yàn)中，線路層202的固定區(qū)202a的面積為發(fā)光二極管芯片201的固定面的面積的約10倍。可以明顯看到，隨著線路層202的固定區(qū)202a的厚度的增大，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫顯著降低；而隨著線路層202的固定區(qū)202a的厚度的增大，該結(jié)溫降低的趨勢是趨于緩慢的，尤其是當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的厚度高于0. 4mm時，結(jié)溫的下降已經(jīng)非常緩慢。從圖3可以看出，當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的厚度等于0. Imm時，相對于傳統(tǒng)的線路層102，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫比發(fā)光二極管芯片101的結(jié)溫低10度，這可以顯著延長發(fā)光二極管芯片的使用壽命。更優(yōu)化的，當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的厚度等于
0.2mm時，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫只有75攝氏度左右，這說明此時該發(fā)光二極管還可以被更大的驅(qū)動電流點(diǎn)売，進(jìn)而大幅度的提升發(fā)光売度。當(dāng)固定區(qū)202a的厚度大于0. 2mm時，由圖3可見，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫繼續(xù)下降從而低于75度。相類似的，當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的厚度等于0. 4mm時，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫進(jìn)一步下降，同時驅(qū)動電流可以進(jìn)一步提聞。值得注意的是，當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的厚度逐漸增大時，對發(fā)光二極管芯片結(jié)溫的降低作用會越來越弱，而同時線路層202的加工成本在不斷上升。因此存在一個最優(yōu)化的固定區(qū)202a的厚度，使發(fā)光二極管芯片的結(jié)溫與封裝成本可以兼顧。從圖3可見，線路層202的固定區(qū)202a的厚度應(yīng)以不大于0. 4mm為佳。在實(shí)際使用中，一般將線路層202的固定區(qū)202a的厚度設(shè)定為0. 2mm左右。此處的最佳數(shù)值僅為舉例，實(shí)際隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，這個數(shù)值可能發(fā)生變化。圖4是使用本實(shí)用新型的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)200時發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫與線路層202的固定區(qū)202a與發(fā)光二極管芯片固定面201b的面積比之間的關(guān)系曲線。由圖4可見，當(dāng)線路層202的固定區(qū)202a的面積等于發(fā)光二極管芯片201的固定面201b的面積的2倍時，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫下降了 10度。而隨著線路層202的固定區(qū)202a的面積的增大，發(fā)光二極管芯片201的結(jié)溫不斷下降。優(yōu)選的，線路層202的固定區(qū)202a的面積不小于發(fā)光二極管芯片201的固定面201b的面積的5倍；更優(yōu)選的，線路層202的固定區(qū)202a的面積不小于發(fā)光二極管芯片201的固定面201b的面積的20倍。在實(shí)際應(yīng)用中，為了焊接的方便，線路層202的面向發(fā)光二極管芯片201的一面往往鍍有金層或銀層。當(dāng)然，線路層202表面不鍍金層或銀層也并不影響本實(shí)用新型的實(shí)施。在本實(shí)用新型中，由于使用擴(kuò)大導(dǎo)熱通道截面積的方式降低有機(jī)絕緣層202的熱阻，這使得有機(jī)絕緣層的材料有很大的選擇空間，最常用得是FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板。當(dāng)然，根據(jù)公式(I)，有機(jī)絕緣層材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高對發(fā)光二極管芯片結(jié)溫的降低越有利，本實(shí)用新型可以適用于各種材料的有機(jī)絕緣層。在本實(shí)施例中，金屬熱沉的材料例如但不限于銅或鋁。在本實(shí)施例中，在線路層202的大部分表面還涂覆有阻焊材料層204，用于線路層202以及定位發(fā)光二極管芯片201的位置。當(dāng)然，不涂覆阻焊材料層204并不影響本實(shí)用新型的實(shí)施。在上述實(shí)施例中，發(fā)光二極管芯片201為垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，實(shí)際上，本實(shí)用新型還可以應(yīng)用于倒裝焊結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，如圖5a和5b所示。與上述實(shí)施例不同的是，如圖5c所示，發(fā)光二極管芯片501的固定面501b上存在兩個區(qū)域501bl和501b2，分別與發(fā)光二極管芯片501的正極和負(fù)極電連接，因此在本實(shí)施例中分別使用固定材料5071和5072將固定面501b上的兩個區(qū)域501bl和501b2分別固定并電連接于線路層502的不同區(qū)域5021和5022，其中線路層的502的不同區(qū)域5021和5022之間不存在電連接。容易理解的，在線路層502的區(qū)域5021和5022之間施加合適的電壓就可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管芯片501。值得說明的是，本實(shí)施例中的發(fā)光二極管芯片501發(fā)出的熱量的傳導(dǎo)過程與圖2a所示的實(shí)施例相同。因此第一實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論同樣適用于本實(shí)施例。對于倒裝焊結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片的封裝結(jié)構(gòu)，線路層502的固定區(qū)指的是與發(fā)光二極管芯片501的固定面501b上的兩個區(qū)域501bl和501b2中面積較大的一個電連接的區(qū)域，例如在本實(shí)施例中，由于區(qū)域501bl的面積大于區(qū)域501b2，所以線路層502的固定區(qū)指的是區(qū)域5021。以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 發(fā)光二極管芯片，所述發(fā)光二極管芯片包括固定面，該固定面至少與發(fā)光二極管芯片的正極和負(fù)極中的一個電連接； 線路層，該線路層包括固定區(qū)；所述發(fā)光二極管芯片的固定面與該線路層的固定區(qū)相固定并電連接； 所述線路層固定區(qū)的厚度不小于0. 1_，線路層固定區(qū)的面積不小于發(fā)光二極管芯片固定面面積的2倍； 位于線路層的與發(fā)光二極管芯片相對的一側(cè)的金屬熱沉； 填充于線路層與金屬熱沉之間的有機(jī)絕緣層，該有機(jī)絕緣層用于隔離線路層與金屬熱沉使這兩者相絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述發(fā)光二極管芯片的固定面與發(fā)光二極管芯片的正極或負(fù)極電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述發(fā)光二極管芯片的固定面與發(fā)光二極管芯片的正極和負(fù)極電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的面向所述發(fā)光二極管芯片的一面鍍有銀層或金層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述有機(jī)絕緣層的材料為FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的材料是銅。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的固定區(qū)的厚度不小于0. 2mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的固定區(qū)的厚度不大于0. 4mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的固定區(qū)的面積不小于發(fā)光二極管芯片固定面面積的5倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光二極管封裝機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述線路層的固定區(qū)的面積不小于發(fā)光二極管芯片固定面面積的20倍。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，包括發(fā)光二極管芯片，該發(fā)光二極管芯片的固定面至少與發(fā)光二極管芯片的正極和負(fù)極中的一個電連接。還包括線路層，發(fā)光二極管芯片的固定面與該線路層的固定區(qū)相固定并電連接。還包括位于線路層的與發(fā)光二極管芯片相對的一側(cè)的金屬熱沉，和填充于線路層與金屬熱沉之間的有機(jī)絕緣層。其中，線路層固定區(qū)的厚度不小于0.1mm，面積不小于發(fā)光二極管芯片固定面面積的2倍。在本實(shí)用新型中的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中，利用特定厚度和尺寸的線路層實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管發(fā)熱面積的擴(kuò)散，進(jìn)而提到減小絕緣層熱阻的目的。
文檔編號H05K1/02GK202434570SQ20122000901
公開日2012年9月12日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者唐懷 申請人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司