专利名称：发光二极管封装结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体封装领域，特别是涉及一种发光二极管的封装结构。
背景技术：
目前发光二极管(LED, light emitting diode)在各个领域,尤其是照明领域已经得到了越来越广泛的应用。然而随着对发光二极管的亮度要求越来越高，单颗发光二极管的功率越来越大，散热问题逐渐成为制约发光二极管亮度和寿命的主要瓶颈，如何为发光二极管芯片散热也成为人们研究的重点。LED芯片具有相对的发光面和固定面,发光面用于发光，固定面用于将LED固定在一个基板上。目前，主流的LED芯片根据电极位置的不同主要分为三种结构。其中水平结构 的LED芯片的正负两个电极都在发光面上；垂直结构的LED芯片的发光面和固定面各有一个电极，其中在发光面上的电极是一个小的金属焊盘，而在固定面上的电极就是固定面表面的金属层；倒装焊结构的LED芯片的两个电极都在固定面上，通过分别将两个电极焊接在线路层上实现点亮。其中，由于散热性能较好，垂直结构的LED芯片和倒装焊结构的LED芯片是市场的主流。但是垂直结构的LED芯片和倒装焊结构的LED芯片的一个共同点在于其固定面都是LED芯片的电极，而同时LED芯片的固定面又必须起到散热的作用，以便将LED发出的热量传导给基板，这样基板就成为所有固定在其上的LED芯片共同的电极。因此这些LED在电路上都是并联的，这对于LED的工作非常不利，因为恒流工作状态已经被证明是LED芯片驱动的最佳选择。陶瓷材料的使用使这个问题得到了解决。中国专利200720172014、201020645033、200920070787. 3,201020653331,201010623452 分别公开了一种 LED 封装结构。在这种封装结构中，LED芯片被固定在一个带有线路的陶瓷板上，该陶瓷板再固定在一金属热沉上。这种封装结构利用了陶瓷材料导热同时绝缘的特点，利用陶瓷板上的线路层导电，同时利用陶瓷板本身导热，进而实现了热电分离，使同一块热沉上的LED芯片在电路上是分离的。然而在该方案中，陶瓷材料的使用大大增加了 LED封装的成本。一个替代方案如图Ia所示。其中发光二极管芯片101具有垂直结构，其在图中的下表面为固定面101b，该固定面IOlb是发光二极管芯片101的一个电极,例如是负极。该发光二极管芯片101的固定面IOlb通过导热导电粘结材质107与线路层102连接固定。该线路层是一层有线路图案的铜箔层，图Ib显示了其中的一部分。在线路层102中，包括固定有发光二极管芯片101并与LED芯片的负极电连接的固定区102a，还包括一导电区102b (图Ia中未画出)，发光二极管芯片101的正极通过金线IOlc (图Ia中未画出)与该导电区电连接。这样，在线路层102的固定区102a和导电区102b之间加正向电压，发光二极管芯片101就会被点亮。在该方案中，线路层102就是传统PCB板加工工艺中的覆铜层。由于其作用只在于导电，所以从成本的角度考量其厚度只需要0. 035_左右即可。[0009]出于散热的目的，该发光二极管封装方案中还包括一个金属热沉105。与上述使用陶瓷的方案不同的是，为了使线路层能够正常工作，该方案中还包括填充于线路层102与金属热沉105之间有机绝缘层103。相比陶瓷材料，该有机绝缘层103具有成本低廉，加工使用方便的优点。如图2中的箭头所示，发光二极管芯片101发出的热量，通过线路层102和有机绝缘层103后传递到金属热沉105上实现散热目的。在该方案中，有机绝缘层替换了陶瓷材料成为绝缘材料，但是有机绝缘层的导热系数往往很低，例如IW/(m. K)，而陶瓷材料的导热系数为40 150W/(m. K)。可见，对于大功率LED的应用来说，陶瓷材料仍然是不可替代的选择。中国专利200610128694提出一种新型的高分子绝缘层，这种高分子绝缘层具有更好的高压绝缘特性，但是这仍然无法解决有机绝缘层导热不佳的问题。因此，需要一种新的发光二极管封装结构来解决上述问题。
实用新型内容本实用新型解决的主要技术问题是提供一种发光二极管封装结构，可以低成本的解决发光二极管的散热不佳的问题。本实用新型提出一种发光二极管封装结构，包括发光二极管芯片，该发光二极管芯片包括固定面，该固定面至少与发光二极管芯片的正极和负极中的一个电连接。还包括线路层，该线路层包括固定区。发光二极管芯片的固定面与该线路层的固定区相固定并电连接。还包括位于线路层的与发光二极管芯片相对的一侧的金属热沉，和填充于线路层与金属热沉之间的有机绝缘层，该有机绝缘层用于隔离线路层与金属热沉使这两者相绝缘。在本实用新型中，线路层第一面的固定区的厚度不小于0. 1_，固定区的面积不小于发光二极管芯片固定面面积的2倍。与现有技术相比，本实用新型包括如下有益效果在本实用新型中的发光二极管封装结构中，利用加厚的线路层实现发光二极管发热面积的扩散，进而达到减小绝缘层热阻的目的。
图Ia和Ib是一种现有的发光二极管封装结构的示意图；图2a和2b是本实用新型的第一实施例的结构示意图；图3是使用本实用新型的发光二极管封装结构时发光二极管的结温与线路层的固定区厚度之间的关系曲线；图4是使用本实用新型的发光二极管封装结构时发光二极管的结温与线路层的固定区与发光二极管芯片固定面的面积比之间的关系曲线；图5a和5b是本实用新型的第二实施例的结构示意图。图5c是倒装焊机构的LED的固定面的示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，由于有机绝缘层103的导热系数低，导致有机绝缘层的热阻很大，进而导致有机绝缘层上下两个表面的温度差很大。这成为发光二极管芯片101的结温过高的主要原因。有机绝缘层103的热阻Rth可以由公式⑴表示Rth(I )
S-X其中d为热传导的距离，此处具体的是该有机绝缘层的厚度；S为热传导通道的截面积，、为有机绝缘层材料的导热系数。有公式⑴可以看出，为了降低有机绝缘层103的热阻，可以通过提高有机绝缘层的导热系数，减小有机绝缘层的厚度和增大有机绝缘层的导热通道的截面积来实现。在实际工作中，X取决于与有机绝缘材料本身的性质，导热系数高的有机绝缘材料会造成成本的提高。而有机绝缘层的厚度也会受到其绝缘性能的限制而不能太小，因此提高导热通道 的截面积成为一条可能的降低有机绝缘层热阻的途径。然而如图Ia所示，导热通道的截面积近似的等于发光二极管固定面IOlb的面积。由于没有良好的横向导热途径，该导热通道的截面积在到达金属热沉105之前几乎不会扩大。基于以上分析本实用新型提出，增大线路层102固定区102a的厚度，使线路层102在起到导电的功能的同时也能起到横向导热的功能，使导热通道的截面积扩大，进而实现降低有机绝缘层的热阻的目的。并且基于实验结果，本实用新型提出了线路层的固定区的最优厚度范围。
以下结合附图对本实用新型的实施例进行说明。本实用新型的的第一个实施例如图2a和2b所示。本实施例的发光二极管封装结构200包括发光二极管芯片201，该发光二极管芯片201包括固定面201b，该固定面201b与发光二极管芯片201的正极或负极电连接。还包括线路层202，该线路层202包括固定区202a。发光二极管芯片201的固定面201b与该线路层的固定区202a相固定并电连接。本实施例的发光二极管封装结构200还包括位于线路层202的与发光二极管芯片201相对的一侧的金属热沉205，和填充于线路层202与金属热沉205之间的有机绝缘层203，该有机绝缘层203用于隔离线路层202与金属热沉205使这两者相绝缘。在本实施例中，与图Ib所示的方案相同，发光二极管芯片201为垂直结构，它的与固定面201b电连接的电极与线路层202的固定区202a电连接，而发光二极管芯片201的另一个电极则通过金线201c与线路层202的另一个区域202b电连接，该区域202b与固定区202a不存在电连接。这样，只要在线路层固定区202a和区域202b之间加适当的电压则可以点亮发光二极管芯片201。在本实施例中，为了实现发光二极管芯片201的固定面201b与线路层202的固定区固定并电连接，可以使用多种固定材料和方法，例如但不限于使用导电银胶粘接，或使用金锡镀层进行共晶焊接，或使用焊锡膏进行焊接。图2a中207指的是实现发光二极管芯片201的固定面201b与线路层202的固定区固定并电连接的材料。这属于公知技术，此处不再赘述。如图2a中的箭头所示，增厚的线路层202，可以使发光二极管芯片201发出的热量在到达有机绝缘层203之前，先沿着横向传播扩散，进而在到达有机绝缘层203时其导热通道的截面积得以明显扩大，进而降低有机绝缘层203的热阻达到降低发光二极管芯片201结温的目的。典型的，线路层202的材料是铜。因此可 以理解，线路层202的固定区202a的厚度越大，面积越大，则发光二极管芯片201的结温越低。经过试验，可以得到使用本实施例的发光二极管封装结构200时发光二极管芯片201的结温与线路层202的固定区202a的厚度之间的关系曲线，如图3所示。在本实验中，线路层202的固定区202a的面积为发光二极管芯片201的固定面的面积的约10倍。可以明显看到，随着线路层202的固定区202a的厚度的增大，发光二极管芯片201的结温显著降低；而随着线路层202的固定区202a的厚度的增大，该结温降低的趋势是趋于缓慢的，尤其是当线路层202的固定区202a的厚度高于0. 4mm时，结温的下降已经非常缓慢。从图3可以看出，当线路层202的固定区202a的厚度等于0. Imm时，相对于传统的线路层102，发光二极管芯片201的结温比发光二极管芯片101的结温低10度，这可以显著延长发光二极管芯片的使用寿命。更优化的，当线路层202的固定区202a的厚度等于
0.2mm时，发光二极管芯片201的结温只有75摄氏度左右，这说明此时该发光二极管还可以被更大的驱动电流点売，进而大幅度的提升发光売度。当固定区202a的厚度大于0. 2mm时，由图3可见，发光二极管芯片201的结温继续下降从而低于75度。相类似的，当线路层202的固定区202a的厚度等于0. 4mm时，发光二极管芯片201的结温进一步下降，同时驱动电流可以进一步提闻。值得注意的是，当线路层202的固定区202a的厚度逐渐增大时，对发光二极管芯片结温的降低作用会越来越弱，而同时线路层202的加工成本在不断上升。因此存在一个最优化的固定区202a的厚度，使发光二极管芯片的结温与封装成本可以兼顾。从图3可见，线路层202的固定区202a的厚度应以不大于0. 4mm为佳。在实际使用中，一般将线路层202的固定区202a的厚度设定为0. 2mm左右。此处的最佳数值仅为举例，实际随着工艺技术的发展，这个数值可能发生变化。图4是使用本实用新型的发光二极管封装结构200时发光二极管芯片201的结温与线路层202的固定区202a与发光二极管芯片固定面201b的面积比之间的关系曲线。由图4可见，当线路层202的固定区202a的面积等于发光二极管芯片201的固定面201b的面积的2倍时，发光二极管芯片201的结温下降了 10度。而随着线路层202的固定区202a的面积的增大，发光二极管芯片201的结温不断下降。优选的，线路层202的固定区202a的面积不小于发光二极管芯片201的固定面201b的面积的5倍；更优选的，线路层202的固定区202a的面积不小于发光二极管芯片201的固定面201b的面积的20倍。在实际应用中，为了焊接的方便，线路层202的面向发光二极管芯片201的一面往往镀有金层或银层。当然，线路层202表面不镀金层或银层也并不影响本实用新型的实施。在本实用新型中，由于使用扩大导热通道截面积的方式降低有机绝缘层202的热阻，这使得有机绝缘层的材料有很大的选择空间，最常用得是FR-4环氧玻璃布层压板。当然，根据公式(I)，有机绝缘层材料的导热系数越高对发光二极管芯片结温的降低越有利，本实用新型可以适用于各种材料的有机绝缘层。在本实施例中，金属热沉的材料例如但不限于铜或铝。在本实施例中，在线路层202的大部分表面还涂覆有阻焊材料层204，用于线路层202以及定位发光二极管芯片201的位置。当然，不涂覆阻焊材料层204并不影响本实用新型的实施。在上述实施例中，发光二极管芯片201为垂直结构发光二极管，实际上，本实用新型还可以应用于倒装焊结构的发光二极管，如图5a和5b所示。与上述实施例不同的是，如图5c所示，发光二极管芯片501的固定面501b上存在两个区域501bl和501b2，分别与发光二极管芯片501的正极和负极电连接，因此在本实施例中分别使用固定材料5071和5072将固定面501b上的两个区域501bl和501b2分别固定并电连接于线路层502的不同区域5021和5022，其中线路层的502的不同区域5021和5022之间不存在电连接。容易理解的，在线路层502的区域5021和5022之间施加合适的电压就可以点亮发光二极管芯片501。值得说明的是，本实施例中的发光二极管芯片501发出的热量的传导过程与图2a所示的实施例相同。因此第一实施例中的实验结论同样适用于本实施例。对于倒装焊结构的发光二极管芯片的封装结构，线路层502的固定区指的是与发光二极管芯片501的固定面501b上的两个区域501bl和501b2中面积较大的一个电连接的区域，例如在本实施例中，由于区域501bl的面积大于区域501b2，所以线路层502的固定区指的是区域5021。以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。权利要求1.一种发光二极管封装结构，其特征在于，包括 发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括固定面，该固定面至少与发光二极管芯片的正极和负极中的一个电连接； 线路层，该线路层包括固定区；所述发光二极管芯片的固定面与该线路层的固定区相固定并电连接； 所述线路层固定区的厚度不小于0. 1_，线路层固定区的面积不小于发光二极管芯片固定面面积的2倍； 位于线路层的与发光二极管芯片相对的一侧的金属热沉； 填充于线路层与金属热沉之间的有机绝缘层，该有机绝缘层用于隔离线路层与金属热沉使这两者相绝缘。
2.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述发光二极管芯片的固定面与发光二极管芯片的正极或负极电连接。
3.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述发光二极管芯片的固定面与发光二极管芯片的正极和负极电连接。
4.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的面向所述发光二极管芯片的一面镀有银层或金层。
5.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述有机绝缘层的材料为FR-4环氧玻璃布层压板。
6.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的材料是铜。
7.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的固定区的厚度不小于0. 2mm。
8.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的固定区的厚度不大于0. 4mm。
9.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的固定区的面积不小于发光二极管芯片固定面面积的5倍。
10.根据权利要求I所述的发光二极管封装机构，其特征在于，所述线路层的固定区的面积不小于发光二极管芯片固定面面积的20倍。
专利摘要本实用新型提出一种发光二极管封装结构，包括发光二极管芯片，该发光二极管芯片的固定面至少与发光二极管芯片的正极和负极中的一个电连接。还包括线路层，发光二极管芯片的固定面与该线路层的固定区相固定并电连接。还包括位于线路层的与发光二极管芯片相对的一侧的金属热沉，和填充于线路层与金属热沉之间的有机绝缘层。其中，线路层固定区的厚度不小于0.1mm，面积不小于发光二极管芯片固定面面积的2倍。在本实用新型中的发光二极管封装结构中，利用特定厚度和尺寸的线路层实现发光二极管发热面积的扩散，进而提到减小绝缘层热阻的目的。
文档编号H05K1/02GK202434570SQ20122000901
公开日2012年9月12日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年12月15日
发明者唐怀 申请人:深圳市光峰光电技术有限公司