基于硅基散热的LED封装结构及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硅基散热的LED封装结构，它由带凹槽的硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SiO2绝缘层和N电极组成；本发明专利技术还公开了基于前述结构的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构及其制作方法。本发明专利技术的有益技术效果是：本发明专利技术结构无需在热沉（即硅衬底）背面加工通孔，简化了工艺，底面可直接装焊到金属散热板上；本发明专利技术的结构具有热阻低、成本低、易于维护的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种LED封装技术，尤其涉及一种基于硅基散热的LED封装结构及制作方法。
技术介绍
近年来，国内外的研究热点是采用模块化的大功率LED多芯片阵列作为基本单元进行灯具组装。现有技术多采用电路层、绝缘介质层、Al或者Cu散热层三层结构组成的金属PCB板封装，图1即为金属PCB板的LED封装剖面示意图，采用的是将烧焊LED管芯位置的导电层和绝缘介质层去除，LED烧焊在高阻、热匹配的过渡热沉上，再直接装贴到金属散热层，这种结构工艺较为复杂，不易扩展为阵列化的封装形式；图2为现有的Si基散热 LED封装结构，采用的是双面套版光刻图，需要腐蚀出正面反射腔和背面金属连接孔，工艺复杂。国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专门用于大功率LED封装的陶瓷系列产品，其材料采用Al2O3或AlN陶瓷材料，但A1203、A1N的成本较高，而且仍然没有解决工艺复杂的问题；还有德国Hymite公司提供的硅基封装热沉产品，该产品不但成本高，而且还需要在硅衬底上进行通孔电极套刻连接，其工艺复杂性与日本公司的产品相比，有过之而无不及。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种基于硅基散热的LED封装结构，它由带凹槽的硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SW2绝缘层和N电极组成；凹槽的槽壁为斜壁；凹槽的槽底尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片的横截面面积； SiO2绝缘层覆盖于硅衬底上表面，焊接金属层覆盖于硅衬底下表面； P电极金属层覆盖于SW2绝缘层表面且为部分覆盖，P电极金属层所覆盖的区域将凹槽所在区域完全覆盖；N电极设置在未被P电极金属层覆盖的SiA绝缘层表面，N电极与P电极金属层不接触；垂直结构的LED芯片设置在凹槽槽底处的P电极金属层上，垂直结构的LED芯片的上端面与N电极之间通过引线连接。垂直结构的LED芯片的外表面和凹槽位置处未被覆盖的P电极金属层外表面涂覆有荧光粉。本专利技术还提出了一种基于前述结构单元的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构，硅衬底上按阵列设置有多个凹槽，每个凹槽位置处形成由硅衬底、垂直结构的LED芯片、P电极金属层、焊接金属层、SiO2绝缘层和N电极组成的结构单元；同一列上的相邻两个结构单元，其中一个结构单元的N电极与另一个结构单元的P电极金属层串联；不同列之间的任意两个结构单元之间绝缘。本专利技术还提出了一种基于硅基散热的LED封装结构的制作方法，该方法步骤为 1)采用光刻工艺，在硅衬底上表面制作出矩阵形式的多个凹槽；2)在硅衬底上表面沉积SW2绝缘层；3)对SW2绝缘层外表面和硅衬底下表面进行金属化处理，在SW2绝缘层外表面和硅衬底下表面形成金属层；硅衬底下表面的金属层即为焊接金属层；4)在S^2绝缘层外表面的金属层上设置多条平行的横向通槽和多条平行的垂向通槽， 横向通槽和垂向通槽互相垂直，横向通槽和垂向通槽都不与凹槽所在区域相交；横向通槽和垂向通槽将金属层分割为多个矩形块，每个凹槽对应一个矩形块，凹槽所在区域位于矩形块所在区域内；5)采用LED烧焊工艺，在凹槽内设置垂直结构的LED芯片，每个凹槽处即形成一个独立的结构单元；6)同一列上顺次相连的三个结构单元A、B、C，A结构单元内的垂直结构的LED芯片与 B结构单元内的不在凹槽区域内的金属层之间通过引线连接，B结构单元内的垂直结构的 LED芯片与C结构单元内的不在凹槽区域内的金属层之间通过引线连接；7)在结构单元表面涂覆荧光粉。其中，步骤2)中，SiO2绝缘层的形成，是由硅衬底上表面经等离子体增强化学气象淀积处理而得。本专利技术的有益技术效果是本专利技术结构无需在热沉(即硅衬底)背面加工通孔，简化了工艺，底面可直接装焊到金属散热板上；本专利技术的结构具有热阻低、成本低、易于维护的优点。附图说明图1、金属PCB板的LED封装剖面示意图2、现有的Si基散热LED封装结构剖面示意图； 图3、本专利技术的结构单元示意图4、本专利技术的阵列结构中两个相邻的结构单元连接关系示意图； 图5、本专利技术工艺流程中各个阶段的产品结构示意图中硅衬底1、凹槽1-2、槽壁1-2-1、槽底1-2-2、Ρ电极金属层3、焊接金属层4、Si& 绝缘层5、N电极6、引线7、光刻胶层8、金属层9、电极孔10、高阻硅热沉11、金属导线层12、 低热导绝缘介质层13、铝板14、连接金属层15、氧化层16、引出P电极17、引出N电极18。具体实施例方式目前常用的LED照明灯具制作方式是采用多个单独封装的IW LED器件进行拼装， 成本较高，而且工艺复杂；本专利技术的思路是，将多个LED器件进行整体封装，降低工艺复杂度，节省成本，同时对结构进行了优化，降低热阻，这些效果的得到，主要得益于本专利技术采用硅衬底1作为LED封装结构中的热沉材料，采用硅衬底1的好处是，可以沿晶面加工反射镜，表面平整度可达亚微米级，形成理想的镜面，提高了照明灯具的品质；SiO2绝缘层5可以由硅衬底1表面形成(通过等离子体增强化学气相淀积得到)，无须设置额外的绝缘片，降低了工艺复杂度和成本；而且现有的加工条件，可对硅片进行微米级加工，能够制作出高密度的阵列，使多个LED器件整体封装成为了可能；在此基础上，专利技术人经过潜心研究，提出了本专利技术的结构和方法，通过特殊的结构设置，解决了现有技术中工艺复杂、成本较高的问题，本专利技术的方案如下本专利技术的单个结构单元为它由带凹槽1-2的硅衬底1、垂直结构的LED芯片2、P电极金属层3、焊接金属层4、S^2绝缘层5和N电极6组成；凹槽1-2的槽壁1_2_1为斜壁，此结构是为了后续工艺中将槽壁1-2-1加工成反射镜；凹槽1-2的槽底1-2-2尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片2的横截面面积；SW2绝缘层5覆盖于硅衬底1上表面，焊接金属层 4覆盖于硅衬底1下表面；P电极金属层3覆盖于S^2绝缘层5表面且为部分覆盖，P电极金属层3所覆盖的区域将凹槽1-2所在区域完全覆盖；N电极6设置在未被P电极金属层 3覆盖的SiA绝缘层5表面，N电极6与P电极金属层3不接触；垂直结构的LED芯片2设置在凹槽1-2槽底1-2-2处的P电极金属层3上，垂直结构的LED芯片2的上端面与N电极6之间通过引线7连接。垂直结构的LED芯片2的外表面和凹槽1-2位置处未被覆盖的 P电极金属层3外表面涂覆有荧光粉。前述即为单个结构单元的结构，其工作原理为垂直结构的LED芯片2倒装烧焊在凹槽1-2中，上表面为负极，当器件接通直流电源后，电流从P电极金属层3进入，通过垂直结构的LED芯片2从N电极6流出，这样形成一个闭合的回路，当有电流流过垂直结构的LED 芯片2时，垂直结构的LED芯片2就会产生光。凹槽1-2底部和槽壁1-2-1由于有P电极金属层3的存在，会对底面和侧向上的光进行反射，使光更多的从凹槽1-2上方发射出来。 由于大功率LED芯片工作时会有大量的热产生，而硅衬底1具有较高的热传导系数(即低的热阻)，可以及时的将产生的热量散发出去，这就降低了 LED芯片的工作温度，使LED芯片发光效率及其长期可靠性得到了提高。此结构中，垂直结构的LED芯片2直接贴装在散热基板上(即硅衬底1)，减少了热阻，降低了 LED芯片的工作温度，由于单个LED芯片的热阻减少了，可以将LED芯片之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于硅基散热的ＬＥＤ封装结构，其特征在于：它由带凹槽（１－２）的硅衬底（１）、垂直结构的ＬＥＤ芯片（２）、Ｐ电极金属层（３）、焊接金属层（４）、ＳｉＯ２绝缘层（５）和Ｎ电极（６）组成；凹槽（１－２）的槽壁（１－２－１）为斜壁；凹槽（１－２）的槽底（１－２－２）尺寸等于或大于垂直结构的ＬＥＤ芯片（２）的横截面面积；ＳｉＯ２绝缘层（５）覆盖于硅衬底（１）上表面，焊接金属层（４）覆盖于硅衬底（１）下表面；Ｐ电极金属层（３）覆盖于ＳｉＯ２绝缘层（５）表面且为部分覆盖，Ｐ电极金属层（３）所覆盖的区域将凹槽（１－２）所在区域完全覆盖；Ｎ电极（６）设置在未被Ｐ电极金属层（３）覆盖的ＳｉＯ２绝缘层（５）表面，Ｎ电极（６）与Ｐ电极金属层（３）不接触；垂直结构的ＬＥＤ芯片（２）设置在凹槽（１－２）槽底（１－２－２）处的Ｐ电极金属层（３）上，垂直结构的ＬＥＤ芯片（２）的上端面与Ｎ电极（６）之间通过引线（７）连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基散热的LED封装结构，其特征在于它由带凹槽(1-2)的硅衬底(1)、 垂直结构的LED芯片(2)、P电极金属层(3)、焊接金属层(4)、Si02绝缘层(5)和N电极(6) 组成；凹槽(1-2)的槽壁(1-2-1)为斜壁；凹槽(1-2)的槽底(1-2-2)尺寸等于或大于垂直结构的LED芯片(2)的横截面面积；SiO2绝缘层(5)覆盖于硅衬底(1)上表面，焊接金属层(4)覆盖于硅衬底(1)下表面；P电极金属层(3)覆盖于S^2绝缘层(5)表面且为部分覆盖，P电极金属层(3)所覆盖的区域将凹槽(1-2)所在区域完全覆盖；N电极(6)设置在未被P电极金属层(3)覆盖的SW2绝缘层(5)表面，N电极(6)与P 电极金属层(3)不接触；垂直结构的LED芯片(2)设置在凹槽(1-2)槽底(1-2-2)处的P电极金属层(3)上，垂直结构的LED芯片(2)的上端面与N电极(6)之间通过引线(7)连接。2.根据权利要求1所述的基于硅基散热的LED封装结构，其特征在于垂直结构的LED 芯片(2)的外表面和凹槽(1-2)位置处未被覆盖的P电极金属层(3)外表面涂覆有荧光粉。3.一种基于权利要求1所述结构的硅基散热的大功率多芯片LED封装结构，其特征在于硅衬底(1)上按阵列设置有多个凹槽(1-2)，每个凹槽(1-2)位置处形成由硅衬底(1)、 垂直结构的LED芯片(2)、P电极金属层(3)、焊接金属层(4)、Si02绝缘层(5)和N电极(6) 组成的结构单元；同一列上的相邻两个结构单元，其中一个结构单元的N电极(6)与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张靖，王培界，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：85