超大功率垂直芯片的集成封装结构的制作方法

日期:2019-06-12 21:38:13

超大功率垂直芯片的集成封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体照明器件技术领域,具体涉及超大功率垂直芯片的集成封装结构。
【背景技术】
[0002]随着LED芯片制备技术的快速发展,单颗芯片的功率在不断增大,从而促进了各种大功率或高功率密度LED器件和灯具系统的开发,拓展了 LED在各种普通照明和特种照明中的应用领域和范围。尤其在紫外LED应用领域,波长365 nm以上的单颗芯片的输入功率从几瓦增加到了几十瓦,并朝着百瓦级发展。
[0003]垂直结构芯片是大功率芯片发展的必然趋势。垂直结构LED芯片的P型和N型电极分别在LED外延层的两侧,电流几乎全部垂直流过LED外延层,因此电流密度大而且均匀,避免了平面结构芯片的电流拥挤问题。垂直结构芯片不仅提高了辐射效率,而且还解决了 P型电极的光吸收问题,在高功率密度下其出光效率可以达到平面结构LED的3倍。
[0004]增大单颗芯片的功率,是增大封装功率密度的方法之一。超大功率垂直芯片的电流达到了十几安培甚至更高,封装成器件时往往需要打多条金线进行电连接。但是金线增多,不仅增大了封装的工艺和技术难度,而且也大大降低了封装器件的可靠性。Luminus公司就是采用该种方式对单颗大功率紫外LED芯片进行封装。其单颗芯片的电流为18 A,顶部电极的焊盘位于芯片两侧,每侧各打金线18条。该封装结构的可靠性很差,电流密度不均匀,芯片极易烧坏,使用寿命非常短。CN 201410176671.3提出了一种高效导热的大功率LED集成封装结构,提高了模组的导热性能和载流能力,可以实现高功率密度的LED封装器件。但是该结构中也是采用金线作为芯片电极与基板的电连接载体,芯片电流很高时同样存在金线分流不均的问题,限制了封装功率密度的进一步提高。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种可靠性好的超大功率垂直芯片的集成封装结构,可以实现十千瓦级的大功率LED器件封装。
[0006]本发明提供的超大功率垂直芯片的集成封装结构,其中,大功率LED垂直芯片的负极焊盘与基板电极之间采用金属箔片来替代金线连接,且封装结构的电连接全部采用共晶焊的方式,实现了芯片的大电流稳定供电以及高导热性能。
[0007]本发明提供的超大功率垂直芯片的集成封装结构,包括负极导电板、正极导电板和两者之间的绝缘导热层;LED垂直芯片上方出光面的负极焊盘与负极导电板之间采用金属箔片进行连接;垂直芯片下方的正极与正极导电板之间共晶焊接。
[0008]所述金属箔片与LED芯片负极焊盘和负极导电板都采用共晶焊的方式连接。
[0009]所述负极导电板、金属箔片、绝缘层与正极导电板通过机械方式压紧,确保整个封装结构的强抗震性和稳定性。
[0010]在采用本集成封装结构的模组上LED芯片成线型排列,LED芯片上方用柱面透镜成像,将芯片出光聚焦透射到待照射面上。
[0011]采用本集成封装结构的模组,其电流密度可达35-350 A/cm2,对应电压为3.5-5V,因此输入电功率可高达120-1500 W/cm2。
[0012]本封装结构中,芯片底部电极与下导电板采用共晶焊,导热性能优越,因此辐射效率可达10%以上。
[0013]本封装结构用金属箔片取代了连接芯片负极与封装基板负极的金线或铝线,解决了 LED芯片与封装基板之间大电流传导的难题,提高了封装的散热性能,实现了可靠的高功率密度封装,可用于超大功率LED紫外、可见和红外照明系统。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的超大功率垂直芯片的集成封装结构的组装图。
[0015]图2为本发明的超大功率垂直芯片的集成封装结构的主视图。
[0016]图3为本发明的超大功率垂直芯片的集成封装结构的俯视图。
[0017]图中标号:1 一正极导电板;2—绝缘层;3—负极导电板;4一紫外LED垂直芯片;5一铜箔;6—绝缘螺检;7—透镜。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和实施例,对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例,都属于本发明的保护范围。
[0019]本发明的超大功率垂直芯片的集成封装结构,其组装图如图1所示。该封装结构的基板由正极导电板1、绝缘层2和负极导电板3构成,绝缘层2和负极导电板上开槽,槽内有三颗额定关联35 W的紫外LED垂直芯片4成直线排列。芯片下方的P型电极与正极导电板1共晶焊接,芯片上方的N型电极则与铜箔5的前端共晶焊接。铜箔5的后端位于绝缘层2与负极导电板3中间。整个封装结构采用绝缘螺栓固定,则铜箔5与负极导电板3紧密接触,实现电连接。封装结构上方封装有半圆柱形的透镜,从而将芯片发出的辐射光聚焦到所需的工作面上。
[0020]该封装结构,采用铜箔替代金线,可以大幅度提高封装结构的载流能力。
[0021]铜的电导率为5.71 X107 S/m,是金(4.17X107 S/m)的1.37倍。芯片N极焊盘长2.8 mm,宽0.15 mm.共晶焊接的铜箔厚度0.2 mm,长度与焊盘长度一致。作为对比,金线直径0.1 mm时,单根只能通过1 A电流,电流超过1 A则烧断。对应该芯片尺寸,单侧可打17根金线。
[0022]假如按照焊盘的面积来比较过流量:
单侧焊盘面积:AK = 0.15 X 2.8 = 0.42 mm2 单侧金线面积:AAu = 31 X (0.10/2)2X 17 = 0.1335 mm2 面积比值:AK / AAu = 0.42/0.1335 = 3.15 倍则过流量比值:IK / IAu = 3.15X 1.37 = 4.32 倍。
[0023]假如按照铜箔截面积来比较过流量
单侧铜箔的截面积:ACu = 0.2 X 2.8 = 0.56 mm2过流量比值:ICu / Iau = ο.56/0.1335X 1.37 = 5.75 倍。
[0024]以上计算表明,采用铜箔共晶焊所能通过的电流至少是金线的4倍以上。本集成封装结构已实现单片105 A电流。
[0025]此外,本发明的封装结构采用铜箔来连接芯片与负极导电板,芯片产生的热量可以直接通过铜箔传导到导电板,铜箔外也无绝缘隔热层。因此,封装结构的导热性能比用金线的更好,器件的性能表现也更加卓越。
【主权项】
1.一张超大功率垂直芯片的集成封装结构,其特征在于:所述封装结构的基板包括负极导电板、正极导电板和两者之间的绝缘导热层;垂直芯片上方出光面的负极焊盘与负极导电板之间采用金属箔片进行连接;垂直芯片下方的正极与正极导电板之间共晶焊接。2.根据权利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封装结构,其特征在于:所述负极导电板、金属箔片、绝缘层与正极导电板通过机械方式压紧,确保整个封装结构的强抗震性和稳定性。3.根据权利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封装结构,其特征在于:在集成封装结构的模组上LED芯片成线型排列,LED芯片上方用柱面透镜成像,将芯片出光聚焦透射到待照射面上。4.根据权利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封装结构,其特征在于:采用本集成封装结构的模组,电流密度为35-350 A/cm2,输入电功率为120-1500 W/cm2。
【专利摘要】本发明属于半导体照明器件技术领域,具体为超大功率垂直芯片的集成封装结构。该集成封装结构中,大功率垂直芯片的负极焊盘与基板电极之间采用金属箔片来连接,实现了芯片的大电流稳定负载以及高导热性能。封装基板包括正极导电板、负极导电板和两者之间的绝缘导热层;垂直芯片的负极焊盘与金属箔片之间、金属箔片与负极导电板之间、芯片正极与正极导电板之间全部采用共晶焊接。本封装结构用金属箔片取代了连接芯片负极与封装基板负极的金线或铝线,解决了LED芯片与封装基板之间大电流传导的难题,提高了封装的散热性能,实现了可靠的高功率密度封装,可用于超大功率LED紫外、可见和红外照明系统。
【IPC分类】H01L33/64, H01L33/62, H01L33/48
【公开号】CN105261693
【申请号】CN201510693971
【发明人】张善端, 韩秋漪, 荆忠
【申请人】复旦大学, 上海迈芯光电科技有限公司
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月25日

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