散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的製作方法

2023-06-14 02:52:36 3

專利名稱：散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及LED發明技術領域，本發明涉及LED發明技術領域，特別地，涉及一種直接採用類金剛石膜-銅複合材料作為散熱基板的大功率LED。
背景技術：
LED光源因具有驅動電壓低、壽命長、光通量高、抗震動、不怕電源的反覆開關、結構小以及安全、高效、節能等諸多優點，已成為替代傳統發明光源的最佳光源選擇。隨著LED 技術的快速發展，大功率LED製備技術已日趨成熟，但是，目前的LED發明，一般是將大量普通小LED管或多個功率管集中在一個燈具中，且多採用封閉式燈具結構設計，典型的例子就是用LED做大尺寸液晶顯示器的背光源。LED的光電轉換效率達不到100%，而且隨著電流的加大，產生的熱量也增多。這使得LED的散熱問題變得很突出，嚴重影響LED的光源穩定性和使用壽命。現有的大功率LED晶片封裝材料多是鋁基板和共燒陶瓷基板，沒法達到很好的散熱效果，另外現有的封裝結構還需要作出很多改進。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有LED晶片的散熱問題，提供了散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體。本發明可通過如下多個技術方案來實現
散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，包括LED晶片、透鏡和反射杯，LED晶片位於反射杯中，透鏡位於反射杯上方，其還包括類金剛石膜-銅複合材料製成的散熱基板；所述的散熱基板的下表面直接和空氣接觸；LED晶片通過固晶膠或金屬共晶焊直接安置在散熱基板的上表面。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，所述類金剛石膜-銅複合材料製成的散熱基板的下表面或下表面和上表面均為類金剛石膜。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，散熱基板的上表面為銅，下表面為類金剛石膜，散熱基板的上表面通過絕緣的粘合層粘合有電路層；粘合層和電路層開有供LED晶片穿過的孔。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，其還包括電路層，散熱基板的上表面和下表面為類金剛石膜，電路層直接設在上表面類金剛石膜上；電路層開有供LED晶片穿過的孔，反射杯位於電路層上。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，散熱基板的下表面為類金剛石膜，上表面安置LED晶片的地方為類金剛石膜，上表面其他地方為銅，散熱基板的上表面通過絕緣的粘合層粘合有電路層；粘合層和電路層開有供LED晶片穿過的孔
作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，散熱基板下表面加工成散熱鰭片，散熱鰭片為類金剛石膜-銅複合材料；反射杯是銅或者銅和類金剛石膜複合材料。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，反射杯中填充有覆蓋LED晶片和LED晶片的引線的密封劑。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，所述密封劑中摻有螢光粉。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，所述LED晶片有多個，且位於反射杯中。作為上述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體的進一步優化的技術方案，所述類金剛石膜-銅複合材料的由如下方法製得通過微波共振等離子增強化學氣相沉積技術讓氫氣和甲烷反應生成類金剛石膜，其中入射微波為TEio模，微波頻率為廣2. 45GHz，微波功率為85(T950W;採用拋光後的(100)面矽片作為基片，先依次經過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，每種試劑清洗5、分鐘，然後用氮氣吹乾；調節氫氣流量為10-50sccm，甲烷流量為5-50sccm，襯底真空為(l.(T5. 0) X 10_3Pa，注入負偏壓為 1(T30KV，脈衝頻率為10(Γ300ΗΖ，脈寬為1(Γ20μ8 ；沉積過程中基片溫度保持在30(T500°C， 沉積時間為15 20小時，沉積的類金剛石膜厚度達到30-50Mm ；然後通過電子束蒸鍍在壓強小於1. OXlO-5Pa條件下蒸鍍2飛小時在類金剛石膜上鍍一層5-8nm的銅，隨後用硫酸銅溶液在銅上面電鍍10-30毫米厚的銅；再把矽基片腐蝕掉，最後在HF溶液中清洗，得所述類金剛石膜-銅複合材料。本發明通過複合材料製成的散熱基板與空氣的接觸，形成對流散熱，增強散熱效果。LED晶片過銀膠或金屬共晶焊與散熱基板直接相連，LED晶片的熱量直接通過銅板和類金剛石膜向空氣輻射，這樣傳熱路徑就很短，傳熱效率大大提高。銅板的上下表面都可以鍍上類金剛石膜，反射杯也可以由銅做成，反射杯的表面也可以鍍上類金剛石膜，這樣實現縱向橫向同時高效散熱。類金剛石薄膜本身絕緣，可以在上面直接做電路層，簡化封裝結構。與現有技術相比，本發明與具有如下優點和技術效果
1)本發明散熱基板和反射杯同時吸收晶片的熱量，均有散熱效果。2)本發明使用銅或者類金剛石膜和銅複合材料作為LED晶片的反射杯，類金剛石膜在反射杯的外層，類金剛石膜向空氣輻射熱量。3)本發明銅板表面作出不同的形狀，類金剛石膜依據銅板的形狀附著在銅板表面，增大了類金剛石膜和空氣的接觸面積。4)本發明的LED晶片直接封裝在類金剛石膜和銅複合材料製成的散熱基板上，並且該散熱基板不用安放在其它類型散熱基板之上。5)金剛石是熱導率最高的物質，熱導率可達2000W/m.K;。銅的熱導率為397W/ m. K。兩者的熱到率都非常地高，通過等離子增強化學氣相沉積技術在同上鍍上金剛石膜， 薄膜的厚度可以調節。理論上類金剛是膜是金剛石結構和石墨結構的混合體，所以熱到達不到金剛石的水平，但是可以達到900W/m. K以上，這已經非常之高。本發明將類金剛石膜-銅複合材料應用到LED晶片的散熱中來，為LED的照明散熱提供一種新的解決方案。 在使用類金剛石膜和銅複合散熱基板的基礎上，改變LED晶片的封裝結構，從導熱路徑和散熱板向空氣散熱等角度提供優化設計方案，有效地解決大功率LED因為大量發熱帶來的亮度下降和壽命縮短的問題。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。圖1為第一實施例的大功率LED結構示意圖。圖2為第二實施例的大功率LED結構示意圖。圖3為第三實施例的大功率LED結構示意圖。圖4為第四實施例的大功率LED結構示意圖。圖5為第五實施例的大功率LED結構示意圖。圖6為第五實施例的大功率LED結構示意圖。圖7a為第六實施例的大功率LED結構示意圖。圖7b為7a中包含LED部分的俯視圖。圖中14)散熱基板；1類金剛石膜；2銅板；3粘合層；4電路層；5固晶膠；6LED晶片；7引線；8透鏡；9反射杯；10密封劑；141鰭片；41電路層在位於LED晶片附近的電極。
具體實施例方式參閱圖1至圖7所示，本發明給出了採用類金剛石膜-銅複合材料作為散熱基板的大功率LED封裝結構的較佳實施例，但本發明的實施方式不限於此。如圖1所示散熱基板14上表面是銅2，下表面銅2和類金剛石膜1，類金剛石膜 1在銅板2的下方，上下表面都是平面。LED晶片6通過固晶膠5直接放置在散熱基板14 上。LED晶片6的上方是透鏡8，透鏡8透鏡的形狀可以改變，根據不同的出光角度的要求。 透鏡8可以由彈性塑料、玻璃、樹脂、亞克力等物質製成。散熱基板14上面有粘合層3和電路層4 ；粘合層3和電路層4中心都有孔，孔的位置和LED晶片6的位置對應。這裡，粘合層 3也可以叫絕緣層。粘合層3是高熱導絕緣物質，比如環氧樹脂，或者填充了納米碳纖維的粘膠。電路層4通過引線7把外界的電供給LED晶片6。需要說明的是這裡的銅板可以做不不同的形狀，那麼類金剛石膜的形貌也相應變化，這會增大膜的面積，加強散熱效果。散熱基板14的製作方法是，通過微波共振等離子增強化學氣相沉積技術讓氫氣和甲烷反應生成類金剛石膜，其中入射微波為TElO模，微波系統頻率為廣2. 45GHz，微波功率為85(T950W。由於類金剛石膜和銅的浸潤性不好，難以生長出連續的類金剛石薄膜。我們採用拋光後的(100)面矽片作為基片(襯底)，使用前先依次經過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，每種試劑清洗5、分鐘，然後用氮氣吹乾。然後調節氫氣流量為10-50sCCm， 甲烷流量為5-50SCCm。襯底真空為(1. 0 5. 0) X 10 ,注入負偏壓為1(T30KV，脈衝頻率為10(Γ300ΗΖ，脈寬為1(Γ20μ8。沉積過程中基片溫度保持在30(T50(TC，沉積時間為 15^20小時，沉積的類金剛石膜厚度達到30-50Mffl。然後我們通過電子束蒸鍍在壓強小於 1. OXlO-5Pa條件下蒸鍍2飛小時在類金剛石膜上鍍一層5-8nm的銅，隨後我們用硫酸銅溶液在銅上面電鍍10-30毫米厚的銅，銅也可以鍍的更厚。銅可以起到支撐作用，防止類金剛石膜碎裂。再用配比為H2S04:H202:H20=3:1:1的溶液把矽基片腐蝕掉，最後在HF溶液中 (HFiH2O=I 19)清洗60s。這樣就得到了複合基板，之後我們可以機械加工出我們想要的散熱基板。這裡面我們也可以不經過電子束蒸鍍和電鍍工藝，就可得到類金剛石膜1，這類金剛石膜可以用來粘貼在其它高導熱材料表面上。如圖2所示該結構和圖1基本相同，差別在於多了反射杯9和密封劑10，反射杯9位於電路層4上方，反射杯9有銅做成，電路層4和反射杯9之間是絕緣的。反射杯9也可以有其他物質做成，比如金屬合金，陶瓷、塑料。反射杯9的表面積可以小一些，圖中的反射杯的徑向截面積非常大。反射杯9的內表面有一層高反射率的膜。反射杯9內的腔體裡填充密封劑10，密封劑10通常用矽膠，矽膠有很多優點，它折射率大；不會變黃；保持凝膠狀。密封劑10也可以和螢光物質混合，起到波長轉換作用，比如把藍光轉換成黃光，最終合成白光。密封劑10裡面也可以加入光發散介質，改變出射光的光場分布。密封劑上面蓋上透鏡8。如圖3所示該結構和圖2基本相同，差別在於固晶膠5的下方多了一小塊類金剛石膜1，類金剛石膜1下方才是銅板。此處的散熱基板1形狀比較特別，其下表面完全被類金剛石膜覆蓋，上表面僅與LED晶片6對應的地方有塊大小與LED晶片6相當的類金剛石膜，當然這小塊類金剛石膜也可以更大一些。如圖4所示該結構和3基本相同，差別在於固晶膠5的下方類金剛石膜1覆蓋了整個銅基板2，也可以說，這裡的散熱基板14是三層結構，上下兩層是類金剛石膜1，中間一層是銅板2。差別還在於這裡的電路層做在在類金剛石膜上，不需要額外的絕緣層。因為類金剛石膜1是絕緣的，而圖3中的粘合層3也是絕緣層。電路層4與類金剛石膜接之間無需額外的絕緣層。如圖5所示該結構和圖4基本相同，差別在於在反射杯9的上表面鍍了一層類金剛石膜1，反射杯9材料是銅。這裡也可以有另外一種選擇，即反射杯材料是高導熱的樹脂， 或者Al、W及合金材料，AlN等導熱良好的材料。此時，類金剛石膜是粘貼在上表面的。如圖6所示該結構和圖5基本相同，散熱基板14的下表面加工出鰭片141，鰭片被類金剛石膜覆蓋。鰭片可以加強對流散熱，鰭片的形狀和尺寸可以改變。LED晶片6產生的熱量一方面通過散熱基板並有鰭片向空氣輻射，一方面通過反射杯向空氣輻射。而且由於由類金剛石膜和空氣接觸，這將有效地提取結構中的熱量。如圖7a所示該結構和圖5基本相同，差別在於反射杯9的腔體裡放置了多個LED 晶片6。LED晶片6可以發相同波長的光，也可以發不同波長的光，不如紅、綠、藍三色。或者黃光和藍光搭配。這個結構中有三處有類金剛石膜，散熱基板和反射杯處的散熱效果都大大增強。如圖7b所示LED晶片6和位於LED晶片6附近的電路層4上的電極41相連。多個LED晶片6的排布和連接方式可以調整。由於散散熱基板14和反射杯9的高熱導，這裡 LED晶片6可以大於4個，可以同時是大功率晶片。從LED晶片6到空氣的傳熱路徑依次為 LED晶片6、固晶膠5，類金剛石膜，銅，類金剛石膜。這個路徑很短，中間沒有金屬散熱塊，也沒有另外的散熱板，而且兩次有類金剛是膜出現。無疑，整個過程熱阻會大大降低。
權利要求
1.散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，包括LED晶片(6)、透鏡 (8)和反射杯(9)，LED晶片(6)位於反射杯中，透鏡(8)位於反射杯上方，其特徵在於還包括類金剛石膜-銅複合材料製成的散熱基板(14);所述的散熱基板(14)的下表面直接和空氣接觸；LED晶片(6)通過固晶膠(5)或金屬共晶焊直接安置在散熱基板(14)的上表面。
2.根據權利要求1所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，所述類金剛石膜-銅複合材料製成的散熱基板(14)的下表面或下表面和上表面均為類金剛石膜(1)。
3.根據權利要求2所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，散熱基板(14)的上表面為銅，下表面為類金剛石膜(1 )，散熱基板(14)的上表面通過絕緣的粘合層(3 )粘合有電路層(4 )；粘合層(3 )和電路層(4 )開有供LED晶片(6 )穿過的孔。
4.根據權利要求2所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，還包括電路層(4)，散熱基板(14)的上表面和下表面為類金剛石膜(1 )，電路層 (4)直接設在上表面類金剛石膜(1)上；電路層(4)開有供LED晶片(6)穿過的孔，反射杯位於電路層上。
5.根據權利要求1所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，散熱基板(14)的下表面為類金剛石膜(1 )，上表面安置LED晶片(6)的地方為類金剛石膜(1 )，上表面其他地方為銅，散熱基板(14)的上表面通過絕緣的粘合層(3)粘合有電路層(4 )；粘合層(3 )和電路層(4 )開有供LED晶片(6 )穿過的孔。
6.根據權利要求1所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，散熱基板(14)下表面加工成散熱鰭片(141)，散熱鰭片(141)為類金剛石膜-銅複合材料；反射杯(9)是銅或者銅和類金剛石膜複合材料。
7.根據權利要求1所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，反射杯(9 )中填充有覆蓋LED晶片(6 )和LED晶片的引線(7 )的密封劑(10 )。
8.根據權利要求7所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，所述密封劑(10)中摻有螢光粉。
9.根據權利要求1、任一項所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其特徵在於，所述LED晶片(6)有多個，且位於反射杯(9)中。
10.根據權利要求8所述散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體， 其特徵在於，所述類金剛石膜-銅複合材料的由如下方法製得通過微波共振等離子增強化學氣相沉積技術讓氫氣和甲烷反應生成類金剛石膜，其中入射微波為TElO模，微波頻率為廣2. 45GHz，微波功率為85(T950W;採用拋光後的(100)面矽片作為基片，先依次經過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，每種試劑清洗5、分鐘，然後用氮氣吹乾；調節氫氣流量為10-50sccm，甲烷流量為5-50sccm，襯底真空為(l.(T5. 0) X 10_3Pa，注入負偏壓為 1(T30KV，脈衝頻率為10(Γ300ΗΖ，脈寬為1(Γ20μ8 ；沉積過程中基片溫度保持在30(T500°C， 沉積時間為15 20小時，沉積的類金剛石膜厚度達到30-50Mm ；然後通過電子束蒸鍍在壓強小於1. OXlO-5Pa條件下蒸鍍2飛小時在類金剛石膜上鍍一層5-8nm的銅，隨後用硫酸銅溶液在銅上面電鍍10-30毫米厚的銅；再把矽基片腐蝕掉，最後在HF溶液中清洗，得所述類金剛石膜-銅複合材料。
全文摘要
本發明公開了散熱基板為類金剛石膜-銅複合材料的大功率發光二極體，其包括LED晶片、透鏡、反射杯和類金剛石膜-銅複合材料製成的散熱基板，LED晶片位於反射杯中，透鏡位於反射杯上方，散熱基板的下表面直接和空氣接觸；LED晶片通過固晶膠或金屬共晶焊直接安置在散熱基板的上表面。本發明所述複合材料以最短路徑從大功率LED提取熱量，並且直接向空氣散熱，可以有效地降低LED的結溫，由於該複合材料會降低整個LED封裝結構的熱阻，再結合優化的結構設計，可以用來為單個大功率LED和LED模組散熱，實現高亮度、長時間發光。
文檔編號H01L33/64GK102354725SQ20111033416
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月29日 優先權日2011年10月29日
發明者劉小平, 姚光銳, 宋晶晶, 張濤, 蘇晨, 範廣涵, 鄭樹文 申請人:華南師範大學