一種高效導熱的大功率led集成封裝結構的製作方法
2023-05-24 08:52:31 2
一種高效導熱的大功率led集成封裝結構的製作方法
【專利摘要】本發明屬於半導體照明器件【技術領域】，具體為一種高效導熱的大功率LED集成封裝結構。其包括第一導電板、第一導熱絕緣板、第二導電板、第二導熱絕緣板和若干LED晶片；所述導電板直接作為電路連接的正負極；導電板與導熱絕緣板間隔排布形成三明治結構，界面處塗有高導熱係數的絕緣膠；LED晶片底部與下層導電板表面直接粘接；LED晶片採用並聯、串聯或並聯—串聯組合的方式構成單個LED封裝模塊，再組合成更大功率的LED模組，提高了模組的電壓，降低了電源設計要求；整個集成封裝結構可以採用機械方式固定，無需製備印刷電路板，工藝簡單可靠，降低了封裝成本；該封裝結構適用於可見照明、紫外輻照和特種照明應用領域。
【專利說明】一種高效導熱的大功率LED集成封裝結構
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體照明器件【技術領域】，具體涉及一種高效導熱的大功率發光二極體(LED)集成封裝結構。
【背景技術】
[0002]隨著半導體技術的快速發展，發光二極體(LED)憑藉體積小、壽命長、可靠性高、亮度可調等優點，由其製成的光源、燈具和照明器具產品逐漸進入各種可見光照明和紫外輻照應用領域。隨著人們對照明應用要求的變化和高光通量和高輻通量應用需求的增加，大功率LED的需求不斷增長，且具體要求也在不斷變化。例如高杆燈、工程機械、港口機械、海工裝備、探照燈、汽車前照燈、投影儀、交通攝像照明燈、魷釣燈、體育場照明燈等不但需要高效節能的大功率高強度光源，而且功率密度很高，對燈具的尺寸和體積有嚴格的要求限制；而在工業領域如紫外固化、光化學合成和光生物改性等，應用的紫外光源的功率要求甚至達到了千瓦級以上。
[0003]隨著LED燈具功率密度的增大，散熱問題成為制約大功率LED產品化的關鍵障礙之一。尤其是200 W以上的LED燈具，散熱特性嚴重影響燈具的性能表現。現有的大功率LED封裝主要採用的還是直接固定晶片(Chips on board, COB)集成封裝技術，即將LED晶片直接粘接在印刷電路板上，然後進行引線鍵合，再用有機膠將晶片和引線包封保護的技術。儘管已有不少研究和專利嘗試提高COB封裝的散熱特性，但由於其封裝結構引起的層級數多、絕緣材料和封接粘接材料熱導率低、晶片導熱接觸面積小等必然問題，導致晶片熱量導出到散熱器的效率較低，限制了 LED集成封裝的散熱特性，影響了大功率LED燈具的性能和可靠性。
[0004]目前LED晶片級封裝主要有兩種結構:平面封裝結構和垂直封裝結構。平面封裝結構LED晶片的P型和N型電極在LED的同側，便於實現大功率集成封裝，但是電極同側導致電流橫向擁擠，局部發熱量高，而且P極覆蓋面積大，影響晶片的出光效率。而垂直結構LED晶片的兩個電極分別在LED外延層的兩側，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，電流密度均勻，避免了電流擁擠問題，提高了發光效率，且解決了 P極的光吸收問題，在高功率密度下其出光效率可以達到平面結構LED的3倍。垂直封裝結構晶片正逐漸成為LED晶片的主流。由於垂直封裝結構晶片的正負極分別位於晶片的上方和下方，因此大功率集成封裝時，晶片與金屬散熱底板之間必須有絕緣層。目前主流大功率封裝結構大多採用氧化鋁陶瓷作為絕緣層，LED晶片封裝到氧化鋁基板的金屬膜鍍層上。但氧化鋁陶瓷的導熱係數僅為25 ff/(m.K)左右，遠小於鋁230 ff/(m.K)等常用金屬的導熱係數，兩者相差一個數量級，熱量不能從晶片有效傳導出去。因此在大功率LED封裝中，該方法因的導熱效果較差，影響燈具散熱，制約了 LED燈具功率密度的提高。
[0005]此外，現有技術中LED封裝的印刷電路板大都採用銅箔來製作電路。但是銅箔截面積小，因此電流負載能力有限，也限制了 LED燈具的功率密度。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種高效導熱的大功率LED集成封裝結構，以實現高單位面積封裝功率的大功率LED燈具開發。
[0007]本發明提供的一種高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其包括第一導電板、第一導熱絕緣板、第二導電板、第二導熱絕緣板和若干LED晶片；所述第一導電板、第一導熱絕緣板、第二導電板和第二導熱絕緣板從上到下依次設置，上下板的接觸界面上塗高導熱絕緣膠；所述第一導電板、第二導電板單獨或分別作為電路連接的正負極；所述若干LED晶片粘連設置在第二導電板上，其和電路連接的正負極相連。
[0008]上述第一導電板包括左右兩塊板，分別為正極導電板和負極導電板，分別用作電路連接的正負極；所述第一導熱絕緣板也分為左右兩塊板，其大小形狀分別和正極導電板、負極導電板相適應，所述若干LED晶片置於正極導電板和負極導電板之間，LED晶片的電極通過金線分別和正極導電板、負極導電板連接。
[0009]上述第一導電板和第一絕緣板上設置若干開口，若干LED晶片置於開口內，LED晶片的電極分別和第一、第二導電板相連。
[0010]上述若干LED晶片是平面結構或者垂直結構，或者平面結構和垂直結構的混合。
[0011]上述第一導電板和第二導電板為具有高導熱係數的金屬板材或者為導電的非金屬板材；所述第一導熱絕緣板和第二導熱絕緣板為兼具導熱性和絕緣性的板材。
[0012]上述金屬板材為鋁板或者銅板；所述非金屬板材為碳化矽板；所述第一導熱絕緣板和第二導熱絕緣板為氮化鋁板。
[0013]上述第二導電板上粘連設置若干LED晶片時，晶片底片通過高導熱粘膠、焊料或共晶鍵合技術直接粘接在第二導電板上。
[0014]上述的高導熱絕緣膠採用氮化鋁或氮化鈹高導熱絕緣粉末混合粘接材料製成，導熱係數達120 ff/(m.K)以上；所述的高導熱導電膠採用銀膠或鍍銀銅膠材料製成，導熱係數達120 ff/ (m.K)以上。
[0015]本發明中，上述的第一導電板、第一導熱絕緣板、第二導電板和第二導熱絕緣板之間採用螺絲或其他機械方式固定壓緊。
[0016]本發明中，LED晶片可以採用紫外LED晶片，封裝成高單位面積封裝功率的大功率紫外LED光源模塊，多個光源模塊組合成更大功率的光源模組；所述的紫外LED光源模塊或模組可以封裝石英透鏡、樹脂材料或矽油浴等其它元器件；用於光固化、殺菌、光化學合成、光生物改性、材料改性、材料表面處理等紫外輻照應用領域。也可以採用免封裝LED晶片，也可以採用多色LED晶片混光，也可以採用晶片加螢光粉方式如螢光粉膠塗覆、遠程螢光粉板等技術封裝成高單位面積封裝功率的大功率白光LED燈具；大功率白光LED燈具可以應用於可見照明領域如高杆燈、體育場照明、探照燈、電影放映燈等。可以封裝保護器件，應用於特殊場合照明領域如高鹽環境的港口機械、海工裝備等；所述的高單位面積封裝功率LED燈具可用作為體積小、散熱要求高、設計靈活的特種光源，如投影燈、汽車前照燈、道路監控攝像補光燈等；所述的LED燈具採用不同顏色的LED晶片，可以用作集魚燈和植物補光照明燈等特種光源。
[0017]與現有封裝結構相比，本發明具有以下優勢:
1、本發明採用導電板與導熱絕緣板間隔分布的三明治結構，實現了高單位面積封裝功率的大功率集成封裝。
[0018]2、本發明將封裝結構中的導電板直接作為電路連接的正負極，導電板可直接焊接導線引出電流，同時導電板的截面積比印刷電路板導線的截面積增加了 10倍以上，使LED集成封裝光源模組的電流負載能力比印刷電路板增大了 10倍以上，大大提高了電流負載能力，提高了單位面積封裝功率，解決了印刷電路板的載流限制問題。
[0019]3、本發明的大功率LED集成封裝結構中LED晶片與導電板直接粘接，減少了 LED晶片與散熱器之間不同材質和導熱率的層級數，而且導電板之間排布高導熱性的絕緣板，有效降低了內部熱阻率，提高了 LED晶片熱量的導出效率，改善了 LED燈具的散熱性能。
[0020]4、本發明採用並聯一串聯結合的方式，若干個LED晶片先組成一個大功率封裝模塊，多個模塊再構成功率更大的模組。通過改變晶片和模塊的並聯一串聯組合方式，可以便捷有效地設定LED燈具的工作電流和工作電壓，不僅能夠實現大功率、高電壓的LED模組封裝，而且也降低了驅動電源的電流設計要求。
[0021]5、本發明的封裝結構可以通過機械方式安裝固定；導熱絕緣板可以採用雷射加工方式來處理，加工簡單；而導電板直接作為電路連接的正負極，避免了印刷電路板的設計及其複雜的製作過程；因此本發明的封裝結構簡化了製作工藝，能夠有效提高成品率，降低製造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的高效散熱大功率LED集成封裝結構的截面示意圖。
[0023]圖2為本發明的採用垂直結構LED晶片集成封裝模塊示例的截面圖。
[0024]圖3為本發明的採用垂直結構LED晶片集成封裝模塊示例的俯視圖。
[0025]圖4為本發明的採用平面結構LED晶片集成封裝模塊示例的截面圖。
[0026]圖5為本發明的採用平面結構LED晶片集成封裝模塊示例的俯視圖。
[0027]圖中標號:I一第一導電板；2—第一導熱絕緣板；3—第二導電板；4一第二導熱絕緣板；5 —高導熱絕緣膠；6 — LED晶片；7 —高導熱導電膠；8—金線；9一螺絲；10—開口 ；11一正極導電板；12—負極導電板；13—垂直結構LED晶片；14一平面結構LED晶片。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖和實例，對本發明做進一步說明。所描述的實施例僅為本發明的部分實施例。基於本發明中的實施例而未作出創造性成果的其他所有實施例，都屬於本發明的保護範圍。
[0029]參見圖1，本發明的一種高效散熱的大功率LED集成封裝結構包括:第一導電板1，第一導熱絕緣板2、第二導電板3、第二導熱絕緣板4和若干LED晶片6,所述第一導電板1、第二導電板3和第一導熱絕緣板2、第二導熱絕緣板4間隔排布，其接觸界面處塗有導熱係數120 ff/(m.K)以上的高導熱絕緣膠5以增加導熱接觸面積。所述第一導電板1、第二導電板3採用銅、鋁等高導熱性材料，直接作為電路連接的正負極。第一導電板1、第二導電板3之間用第一導熱絕緣板2絕緣，而第二導熱絕緣板4則起到了第二導電板3與外部散熱器或燈具外殼的絕緣作用。LED晶片6按一定順序排布在第二導電板3上，晶片底部通過高導熱導電膠7與導電板直接粘接。[0030]以圖1所述結構為基礎，圖2、圖3是本發明的一種採用垂直結構LED晶片的高效散熱大功率集成封裝模塊，包括:第一導電板1，第一導熱絕緣板2、第二導電板3、第二導熱絕緣板4和垂直結構LED晶片13,所述第一導電板1、第二導電板3和第一導熱絕緣板2、第二導熱絕緣板4間隔排布，1/2,2/3,3/4的界面處塗有高導熱絕緣膠5，並用螺絲9固定壓緊，第一導電板I和上層導熱絕緣板3上開有若干個一定面積的開口 10,露出第二導電板3的表面，垂直結構LED晶片13按一定順序排布在第二導電板3上。多個垂直結構LED晶片13並聯，晶片頂部電極通過金線8焊接在第一導電板I上，而晶片底部則通過高導熱導電膠7直接粘接在第二導電板3上。
[0031]圖4、圖5是本發明的一種採用平面結構LED晶片的高效散熱大功率集成封裝模塊，包括:正極導電板11、負極導電板12、第一導熱絕緣板2、第二導電板3和平面結構LED晶片14。所述正極導電板11和負極導電板12是圖1所述第一導電板I的變形，所述第二導電板3僅起到導熱和散熱作用，導電板之間用第一導熱絕緣板2進行絕緣，導電板與導熱絕緣板的界面處塗有高導熱絕緣膠5，整個封裝模塊用螺絲9固定壓緊。正極導電板11和負極導電板12之間並聯有多串LED晶片的串聯組合。平面結構LED晶片14頂部電極採用金線焊接，晶片底部通過高導熱絕緣膠5直接粘接在第二導電板3上。
[0032]本發明的結構設計，主要採用導電板與高導熱絕緣板間隔分布的三明治結構，導電板直接作為正負極，截面積大，載流能力提高了 10倍以上，若干個LED晶片通過並聯、串聯或並聯一串聯組合的方式構成大功率集成封裝模塊，多個模塊再組合成更大功率的LED模組，最終實現高單位面積封裝功率的高效大功率紫外和可見光LED燈具產品的開發。
[0033]本發明的結構設計，主要以減少內部熱沉數為目標，LED晶片通過高導熱膠等方式直接粘接在導電板上，並採用高導熱性的絕緣板作為絕緣層，LED晶片熱量的主要導出路徑為:直接從晶片底部一高導熱膠一第二導電板一高導熱絕緣膠一第二導熱絕緣板。LED晶片熱量的次要導出路徑為:金線一第一導電板一高導熱膠一第一導熱絕緣板一高導熱膠一第二導電板一高導熱膠一第二導熱絕緣板。這種導熱方式有效降低了熱阻率，提高了導熱能力。
[0034]本發明的三明治封裝結構可以採用螺絲等機械方式固定，且導電板替代了印刷電路板，減少了薄膜技術的生產過程，解決了用氮化鋁板等高導熱絕緣板製作印刷電路板時工藝複雜、成品率低、電流密度低的問題，簡化了製作工藝，提高了成品率，降低了製造成本。
【權利要求】
1.一種高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:其包括第一導電板、第一導熱絕緣板、第二 導電板、第二導熱絕緣板和若干LED晶片；所述第一導電板、第一導熱絕緣板、第二導電板和第二導熱絕緣板從上到下依次設置，上下板的接觸界面上塗高導熱絕緣膠；所述第一導電板、第二導電板單獨或分別作為電路連接的正負極；所述若干LED晶片粘連設置在第二導電板上粘連設置，和電路連接的正負極相連。
2.根據權利要求1所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述第一導電板包括左右兩塊板，分別為正極導電板和負極導電板，分別用作電路連接的正負極；所述第一導熱絕緣板也分為左右兩塊板，其大小形狀分別和正極導電板、負極導電板相適應，所述若干LED晶片置於正極導電板和負極導電板之間，LED晶片的電極通過金線分別和正極導電板、負極導電板連接。
3.根據權利要求1所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述第一導電板和第一絕緣板上設置若干開口，若干LED晶片置於開口內，LED晶片的電極分別和第一、第二導電板相連。
4.根據權利要求1或2或3所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述若干LED晶片是平面結構或者垂直結構，或者平面結構和垂直結構的混合。
5.根據權利要求1所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述第一導電板和第二導電板為具有高導熱係數的金屬板材或者為導電的非金屬板材；所述第一導熱絕緣板和第二導熱絕緣板為兼具導熱性和絕緣性的板材。
6.根據權利要求5所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述金屬板材為鋁板或者銅板；所述非金屬板材為碳化矽板；所述第一導熱絕緣板和第二導熱絕緣板為氮化鋁板。
7.根據權利要求1所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述第二導電板上粘連設置若干LED晶片時，晶片底片通過高導熱粘膠、焊料或共晶鍵合技術直接粘接在第二導電板上。
8.根據權利要求7所述的高效導熱的大功率LED集成封裝結構，其特徵在於:所述的高導熱絕緣膠採用氮化鋁或氮化鈹高導熱絕緣粉末混合粘接材料製成，導熱係數為120 W/(m-K)以上；所述的高導熱導電膠採用銀膠或鍍銀銅膠材料製成，導熱係數為120 ff/(m.K)以上。
【文檔編號】H01L25/075GK103956356SQ201410176671
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】張善端, 韓秋漪, 荊忠 申請人:復旦大學, 上海鎵銦光電科技有限公司