超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體照明器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著LED芯片制備技術(shù)的快速發(fā)展，單顆芯片的功率在不斷增大，從而促進(jìn)了各種大功率或高功率密度LED器件和燈具系統(tǒng)的開發(fā)，拓展了 LED在各種普通照明和特種照明中的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。尤其在紫外LED應(yīng)用領(lǐng)域，波長(zhǎng)365 nm以上的單顆芯片的輸入功率從幾瓦增加到了幾十瓦，并朝著百瓦級(jí)發(fā)展。
[0003]垂直結(jié)構(gòu)芯片是大功率芯片發(fā)展的必然趨勢(shì)。垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的P型和N型電極分別在LED外延層的兩側(cè)，電流幾乎全部垂直流過LED外延層，因此電流密度大而且均勻，避免了平面結(jié)構(gòu)芯片的電流擁擠問題。垂直結(jié)構(gòu)芯片不僅提高了輻射效率，而且還解決了 P型電極的光吸收問題，在高功率密度下其出光效率可以達(dá)到平面結(jié)構(gòu)LED的3倍。
[0004]增大單顆芯片的功率，是增大封裝功率密度的方法之一。超大功率垂直芯片的電流達(dá)到了十幾安培甚至更高，封裝成器件時(shí)往往需要打多條金線進(jìn)行電連接。但是金線增多，不僅增大了封裝的工藝和技術(shù)難度，而且也大大降低了封裝器件的可靠性。Luminus公司就是采用該種方式對(duì)單顆大功率紫外LED芯片進(jìn)行封裝。其單顆芯片的電流為18 A，頂部電極的焊盤位于芯片兩側(cè)，每側(cè)各打金線18條。該封裝結(jié)構(gòu)的可靠性很差，電流密度不均勻，芯片極易燒壞，使用壽命非常短。CN 201410176671.3提出了一種高效導(dǎo)熱的大功率LED集成封裝結(jié)構(gòu)，提高了模組的導(dǎo)熱性能和載流能力，可以實(shí)現(xiàn)高功率密度的LED封裝器件。但是該結(jié)構(gòu)中也是采用金線作為芯片電極與基板的電連接載體，芯片電流很高時(shí)同樣存在金線分流不均的問題，限制了封裝功率密度的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種可靠性好的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)十千瓦級(jí)的大功率LED器件封裝。
[0006]本實(shí)用新型提供的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其中，大功率LED垂直芯片的負(fù)極焊盤與基板電極之間采用金屬箔片來替代金線連接，且封裝結(jié)構(gòu)的電連接全部采用共晶焊的方式，實(shí)現(xiàn)了芯片的大電流穩(wěn)定供電以及高導(dǎo)熱性能。
[0007]本實(shí)用新型提供的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，包括負(fù)極導(dǎo)電板、正極導(dǎo)電板和兩者之間的絕緣導(dǎo)熱層；LED垂直芯片上方出光面的負(fù)極焊盤與負(fù)極導(dǎo)電板之間采用金屬箔片進(jìn)行連接；垂直芯片下方的正極與正極導(dǎo)電板之間共晶焊接。
[0008]所述金屬箔片與LED芯片負(fù)極焊盤和負(fù)極導(dǎo)電板都采用共晶焊的方式連接。
[0009]所述負(fù)極導(dǎo)電板、金屬箔片、絕緣層與正極導(dǎo)電板通過機(jī)械方式壓緊，確保整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)抗震性和穩(wěn)定性。
[0010]在采用本集成封裝結(jié)構(gòu)的模組上LED芯片成線型排列，LED芯片上方用柱面透鏡成像，將芯片出光聚焦透射到待照射面上。
[0011]采用本集成封裝結(jié)構(gòu)的模組，其電流密度可達(dá)35-350 A/cm2，對(duì)應(yīng)電壓為3.5-5V，因此輸入電功率可高達(dá)120-1500 W/cm2。
[0012]本封裝結(jié)構(gòu)中，芯片底部電極與下導(dǎo)電板采用共晶焊，導(dǎo)熱性能優(yōu)越，因此輻射效率可達(dá)10%以上。
[0013]本封裝結(jié)構(gòu)用金屬箔片取代了連接芯片負(fù)極與封裝基板負(fù)極的金線或鋁線，解決了 LED芯片與封裝基板之間大電流傳導(dǎo)的難題，提高了封裝的散熱性能，實(shí)現(xiàn)了可靠的高功率密度封裝，可用于超大功率LED紫外、可見和紅外照明系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)的組裝圖。
[0015]圖2為本實(shí)用新型的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0016]圖3為本實(shí)用新型的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0017]圖中標(biāo)號(hào):1 一正極導(dǎo)電板；2—絕緣層；3—負(fù)極導(dǎo)電板；4一紫外LED垂直芯片；5一銅箔；6—絕緣螺檢；7—透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。所描述的實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的部分實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例而未作出創(chuàng)造性成果的其他所有實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0019]本實(shí)用新型的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其組裝圖如圖1所示。該封裝結(jié)構(gòu)的基板由正極導(dǎo)電板1、絕緣層2和負(fù)極導(dǎo)電板3構(gòu)成，絕緣層2和負(fù)極導(dǎo)電板上開槽，槽內(nèi)有三顆額定關(guān)聯(lián)35 W的紫外LED垂直芯片4成直線排列。芯片下方的P型電極與正極導(dǎo)電板1共晶焊接，芯片上方的N型電極則與銅箔5的前端共晶焊接。銅箔5的后端位于絕緣層2與負(fù)極導(dǎo)電板3中間。整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)采用絕緣螺栓固定，則銅箔5與負(fù)極導(dǎo)電板3緊密接觸，實(shí)現(xiàn)電連接。封裝結(jié)構(gòu)上方封裝有半圓柱形的透鏡，從而將芯片發(fā)出的輻射光聚焦到所需的工作面上。
[0020]該封裝結(jié)構(gòu)，采用銅箔替代金線，可以大幅度提高封裝結(jié)構(gòu)的載流能力。
[0021]銅的電導(dǎo)率為5.71 X107 S/m，是金(4.17X107 S/m)的1.37倍。芯片N極焊盤長(zhǎng)2.8 mm,寬0.15 mm.共晶焊接的銅箔厚度0.2 mm，長(zhǎng)度與焊盤長(zhǎng)度一致。作為對(duì)比，金線直徑0.1 mm時(shí)，單根只能通過1 A電流，電流超過1 A則燒斷。對(duì)應(yīng)該芯片尺寸，單側(cè)可打17根金線。
[0022]假如按照焊盤的面積來比較過流量:
[0023]單側(cè)焊盤面積:AK= 0.15 X 2.8 = 0.42 mm2
[0024]單側(cè)金線面積:AAu= 31 X (0.10/2)2X 17 = 0.1335 mm2
[0025]面積比值:AK/ AAu = 0.42/0.1335 = 3.15 倍
[0026]則過流量比值:IK/ IAu = 3.15X 1.37 = 4.32 倍。
[0027]假如按照銅箔截面積來比較過流量
[0028]單側(cè)銅箔的截面積:ACu= 0.2 X 2.8 = 0.56 mm2
[0029]過流量比值:ICu/ IAu = 0.56/0.1335X 1.37 = 5.75 倍。
[0030]以上計(jì)算表明，采用銅箔共晶焊所能通過的電流至少是金線的4倍以上。本集成封裝結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)單片105 A電流。
[0031]此外，本實(shí)用新型的封裝結(jié)構(gòu)采用銅箔來連接芯片與負(fù)極導(dǎo)電板，芯片產(chǎn)生的熱量可以直接通過銅箔傳導(dǎo)到導(dǎo)電板，銅箔外也無絕緣隔熱層。因此，封裝結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能比用金線的更好，器件的性能表現(xiàn)也更加卓越。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述封裝結(jié)構(gòu)的基板包括負(fù)極導(dǎo)電板、正極導(dǎo)電板和兩者之間的絕緣導(dǎo)熱層；垂直芯片上方出光面的負(fù)極焊盤與負(fù)極導(dǎo)電板之間采用金屬箔片進(jìn)行連接；垂直芯片下方的正極與正極導(dǎo)電板之間共晶焊接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述負(fù)極導(dǎo)電板、金屬箔片、絕緣層與正極導(dǎo)電板通過機(jī)械方式壓緊，確保整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)抗震性和穩(wěn)定性。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:在集成封裝結(jié)構(gòu)的模組上LED芯片成線型排列，LED芯片上方用柱面透鏡成像，將芯片出光聚焦透射到待照射面上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:采用本集成封裝結(jié)構(gòu)的模組，電流密度為35-350 A/cm2，輸入電功率為120-1500 W/cm2。
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體照明器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)。該集成封裝結(jié)構(gòu)中，大功率垂直芯片的負(fù)極焊盤與基板電極之間采用金屬箔片來連接，實(shí)現(xiàn)了芯片的大電流穩(wěn)定負(fù)載以及高導(dǎo)熱性能。封裝基板包括正極導(dǎo)電板、負(fù)極導(dǎo)電板和兩者之間的絕緣導(dǎo)熱層；垂直芯片的負(fù)極焊盤與金屬箔片之間、金屬箔片與負(fù)極導(dǎo)電板之間、芯片正極與正極導(dǎo)電板之間全部采用共晶焊接。本封裝結(jié)構(gòu)用金屬箔片取代了連接芯片負(fù)極與封裝基板負(fù)極的金線或鋁線，解決了LED芯片與封裝基板之間大電流傳導(dǎo)的難題，提高了封裝的散熱性能，實(shí)現(xiàn)了可靠的高功率密度封裝，可用于超大功率LED紫外、可見和紅外照明系統(tǒng)。
【IPC分類】H01L33/64, H01L33/62, H01L33/48
【公開號(hào)】CN205122639
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520825589
【發(fā)明人】張善端, 韓秋漪, 荊忠
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué), 上海邁芯光電科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年10月25日