专利名称：高光效led平面光源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED技术领域，具体地说是一种高光效LED平面光源。
背景技术：
随着半导体照明技术领域白光LED的发展，LED已开始应用在通用照明领域。受到目前技术水平限制，大多数单颗LED芯片的光通量低于4001m，实际应用中，每个LED灯具必需采用几颗甚至几百颗LED芯片进行集成。较为传统的方法是将多个单颗封装的LED 器件表面贴装在PCB上进行简单组合，一种新型的平面光源技术则是将多颗LED芯片直接集成化封装在PCB之上的。相较而言，平面光源工艺步骤少，眩光低，散热路径也优于单颗 LED表面贴装，将逐步成为半导体照明的一种主流技术路线。当前平面光源主要选用导热系数较高的金属芯PCB作为电路基板。主流的金属芯 PCB采用铝、铝合金、铜、铁、钼、矽钢等金属薄板作为金属基板，以改性环氧树脂、PI树脂、 PPO树脂等作为绝缘介质层，以电解铜箔、压延铜箔等作为铜箔，采用光刻工艺将设计好的线路在铜箔表面形成光阻图案，然后采用湿化学方法刻蚀铜箔形成线路。铜在空气很容易被自然氧化，为了满足后续焊接工艺的要求，必须对铜进行保护。传统LED支架是在铜箔表面电镀既耐氧化又具有很高反射率的银，但金属芯PCB的铜箔在图形化之后是不连续的， 所以无法采用电镀工艺，目前主流工艺为化学镀先沉镍，然后沉金。其中镍作为阻挡层，防止铜向表面扩散；金具有良好的惰性，可以保持表面不被氧化，但金的反射率远低于银，造成当前LED平面光源光效普遍较低。发明专利200910037957. 2和实用新型专利200920052764. X公开了一种高效散热光源基板，发明专利200910038125. 2和实用新型专利2009200531 . 3公开了采用这一基板制造的高效散热LED照明光源。上述专利均采用铝薄膜作为电极层的技术，由于铝的反射率优于金，所以这一新型平面光源的效率会优于采用传统金属芯PCB封装的平面光源。 但铝在空气中的稳定性低于银，且无法用锡焊工艺与外电路连接，故这一技术仍存在改良的空间。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，采用纯银的高反射导电层大幅提升了基板的反射率，从而获得了高光效的LED平面光源，且将多颗LED芯片直接焊接在金属芯 PCB之上，之后灌入含有荧光粉的硅胶并固化后将芯片加以保护。为实现上述目的，设计一种高光效LED平面光源，包括绝缘层、图形化的高反射电极层、LED芯片模块，其特征在于金属基板上从下至上依次设绝缘层、图形化的高反射电极层，并在图形化的高反射电极层的图形的镂空处填设高反射绝缘层形成电路基板，在图形化的高反射电极层上设有LED芯片模块，图形化的高反射电极层的上方还采用硅胶保护层覆设住LED芯片模块，图形化的高反射电极层的左右端分别设为引出端，左、右两个引出端分别作为电路基板的正极和负极位于硅胶保护层区域外；所述的绝缘层由在氮化铝过渡绝缘层的上方覆设氮化硅耐压绝缘层组成；所述的图形化的高反射电极层由在图形化铜铝合金导电层的上方覆设图形化导电反射层所构成，图形化铜铝合金导电层和图形化导电反射层的形状一致。所述的LED芯片模块为若干LED芯片与图形化导电反射层采用导线按设定电路进行连接所组成。所述的LED芯片采用正装结构或采用倒装结构或采用上下电极结构。所述的电路基板的正极和负极区域分别覆设有银薄膜。本实用新型同现有技术相比，具有如下优势1、高光效电路基板金属化区域表面采用了反射率大于92%的纯银的图形化导电反射层，未金属化区域填充了含有纳米高反射颗粒的高分子材料做为高反射绝缘层，该高反射绝缘层的反射率也大于92%，使电路基板整体具有非常高的反射率，从而大幅提升了 LED平面光源的光效；2、高导热金属芯PCB采用了由氮化铝和氮化硅构成的绝缘层，其中氮化铝的本征导热系数高达^OW/mK，而氮化硅的导热系数为20W/mK，都远高于传统金属芯PCB所采用的绝缘层材料；同时氮化硅具有的高耐压特性，保持相同耐压的情况下绝缘层厚度减薄至 6um以下，低于原有厚度的1/10 ；绝缘层导热系数提高和厚度大幅减薄使得改进型金属芯 PCB导热性能得到了显著提升，LED平面光源具有更加良好的导热能力，这使得LED芯片的寿命得到了保障并有利于进一步提高LED的发光效率；3、高可靠性考虑到纯铝存在电迁移现象，长期在直流驱动下工作存在可靠性问题，图形化铜铝合金导电层选择铜含量不高于5%的铝铜合金可以大大改善这一问题，提高了导电层以及LED平面光源的可靠性；4、外电路连接工艺简单锡焊是连接电路最为常用的一种方式，银具有非常优良的锡可焊性，本LED平面光源的引出电极表面也覆盖银薄膜，所以这一 LED平面光源很容易通过锡焊与外电路进行连接；5、电极层直接图形化，工艺简单，在电极图形化方面，采用硬掩模直接形成预设的图案，无需使用传统技术中的湿法工艺，工艺简单，绿色环保，有利于降低半导体照明终端产品的价格，加速产品推广。
图1为本实用新型实施例1的一种结构示意图。图2为图1中A-A剖示图。图3为本实用新型实施例1制作步骤中在氮化硅耐压绝缘层4表面制备图形化的高反射电极层后所形成的结构示意图。图4为图3的后续步骤所形成的结构示意图。图5为图4的后续步骤所形成的结构示意图。图6为本实用新型实施例2的一种结构示意图。图7为图6中A-A剖示图。图8为本实用新型实施例3的一种结构示意图。图9为图8中A-A剖示图。
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步地说明。实施例1参见图1 图5，本实施例的高光效LED平面光源是作为球泡灯光源用的，包括 LED芯片模块、金属基板2、图形化的高反射电极层，LED芯片模块中的LED芯片1采用发射波长460nm的蓝光正装芯片，金属基板2采用厚度Imm的铝基板。本实施例所设计的电路布局参见图1，图形化的高反射电极层在本例中被设计为 6个相互独立的图形化高反射电极层单元模块，LED芯片模块采用45颗LED芯片1以每组 9颗被分成5个芯片组，从左至右的连续5个图形化高反射电极层单元模块上分别设置一个 LED芯片组，每个LED芯片组中的LED芯片1之间采用导线8串联，每个图形化高反射电极层单元模块上最前端所设置的一个LED芯片1的正极分别采用导线8与各自所在的图形化高反射电极层单元模块的对应区域连接，每个图形化高反射电极层单元模块上所设的最后端的一个LED芯片1的负极也分别采用导线8与其右侧邻近的图形化高反射电极层单元模块的后端连接，从而实现5个LED芯片组的全串联的连接结构。本实施例中所述导线8选择直径25um的金线。图形化的高反射电极层的上方还采用硅胶保护层9覆设住LED芯片模块。所述硅胶保护层9采用含有荧光粉的硅胶，参见图2。图形化的高反射电极层中的最左侧和最右侧的两个图形化高反射电极层单元模块的前端分别突出于中间的4个图形化高反射电极层单元模块，从而形成左、右两个引出端分别作为整个电路基板的正极6a和负极6b，电路基板的正负极6a、6b位于硅胶保护层9 区域外，且电路基板的正极6a和负极6b区域覆设有银薄膜，使制得的高光效LED平面光源很容易通过锡焊与外电路进行连接。参见图2，金属基板2上沉积有高导热的绝缘层，该高导热的绝缘层由在氮化铝过渡绝缘层3的上方覆设氮化硅耐压绝缘层4组成，所述的氮化铝过渡绝缘层3是采用等离子氮化工艺制造的厚度为0. Ium的氮化铝层，本征导热系数洲0 W/mK，氮化铝过渡绝缘层3 与金属基板2和氮化硅耐压绝缘层4都具有非常好的附着性；所述的氮化硅耐压绝缘层4 是采用PECVD工艺沉积的厚度为3um的氮化硅层，本征导热系数20W/mK。所述绝缘层中的氮化硅耐压绝缘层4之上沉积有图形化的高反射电极层，图形化的高反射电极层由在图形化铜铝合金导电层5的上方覆设图形化导电反射层6所构成，图形化铜铝合金导电层5和图形化导电反射层6的形状一致，所述图形化铜铝合金导电层5 是采用磁控溅射的铝铜合金薄膜，厚度3um，其中铝铜合金薄膜中的铜含量为m ；所述的图形化导电反射层6是采用磁控溅射的银薄膜，厚度为150nm。在图形化的高反射电极层的镂空处填充了高反射绝缘层7，所述高反射绝缘层7是采用丝网印刷工艺印制的掺杂了高反射纳米颗粒的高分子材料，高反射纳米颗粒选择氧化钛和氧化硅核壳结构的纳米颗粒，高分子材料选择聚氨酯。参见图3 图5，以本实施例的制作工艺步骤为例进行进一步地说明1、金属基板预处理与氮化铝过渡绝缘层的制作将金属基板2放入真空腔室，采用等离子体进行清洗。本实施例中金属基板2采用铝板，直接采用Ar/N2混合等离子体在对金属基板2进行清洗的同时形成氮化铝过渡绝缘层3，对于其它材质的金属基板，则采用Ar等离子体对金属基板2进行清洗，然后采用磁控溅射的方式沉积一层氮化铝过渡绝缘层 3。2、氮化硅耐压绝缘层制作将镀有氮化铝过渡绝缘层3的金属基板2在真空状态下传输至PECVD工艺腔体，采用硅烷和氨气作为气源，在射频电场的作用下产生低温等离子体，沉积低应力的氮化硅薄膜，形成氮化硅耐压绝缘层4。由于金属基板2处理完毕后直接沉积导热性高的氮化铝过渡绝缘层3和氮化硅耐压绝缘层4，该几步操作环节中没有破坏真空环境，膜层之间的界面较好，有利于提高附着力。3、图形化的高反射电极层的制作根据既定的线路图案制作与金属基板2尺寸比例1 :1的金属硬掩模板，将该金属硬掩模板固定在镀有氮化硅耐压绝缘层4的金属基板 2之上后送入真空腔室，采用磁控溅射或者真空蒸发工艺在氮化硅耐压绝缘层4上依次沉积铝铜合金和银，分别形成图形化铜铝合金导电层5和图形化导电反射层6。将金属基板2 连同金属硬掩模板从真空腔室取出后，取下金属硬掩模板即在金属基板2上制得图形化的高反射电极层，完成这一步骤之后的剖面结构如图3所示。4、填充高反射绝缘层由于在图形化的高反射电极层的镂空处是氮化硅耐压绝缘层4，该区域反射率较低。因此，可在这些未金属化的区域采用丝网印刷工艺印刷掺杂了高反射纳米材料的高分子材料形成高反射绝缘层7，从而形成了本实用新型中的电路基板。高反射纳米材料优选纳米结构的氧化钛、氧化铝、氧化硅、氧化锌中的一种或者几种混合或以上材料核壳结构的组合，高分子材料优选环氧树脂、PI树脂、PPO树脂、聚氨酯中的一种。这一高反射绝缘层7的厚度与图形化的高反射电极层的相同，完成这一步骤之后的剖面结构如图4所示。5、LED芯片固晶与焊线先采用透明硅胶将LED芯片1粘结在图形化导电反射层6 上的预定位置，然后采用导线8按照预定电路布局分别连接LED芯片与图形化导电反射层 6，实现LED芯片的电连接，完成这一步骤之后的剖面结构如图5所示。6、灌入硅胶保护层对于白光LED，将含有荧光粉的硅胶覆盖在图形化导电反射层6上以包覆住LED芯片1和导线8，但需要暴露出作为电路基板正电极6a和负电极6b的图形化的高反射电极层的左右端，从而便于和外电路连接，之后通过加温固化形成硅胶保护层9。硅胶保护层9 一方面对LED芯片1和导线8形成保护，另一方面通过荧光粉将LED 芯片1发出的蓝光转化成白光，完成这一步骤之后的剖面结构如图2所示。实施例2参见图6和图7，本实施例的高光效LED平面光源中LED芯片1选用上下电极结构的芯片。本实施例所设计的电路布局参见图6，图形化的高反射电极层在本例中被设计为 32个相互独立的图形化高反射电极层单元模块，每个模块对应1颗LED芯片1。LED芯片1 的下电极通过银浆料粘结在与之对应的图形化高反射电极层单元模块上，银浆一方面起到固定作用，另一方面相当于导线8实现LED芯片1的下电极与高反射电极层的电连接。LED 芯片1的上电极则采用导线8与相邻的图形化高反射电极层单元模块连接，按照电路布局 32颗芯片实现全串联。本例中的制作工艺步骤与前一实施例制作步骤基本相同。实施例3参见图8和图9，本实施例的高光效LED平面光源中LED芯片1选用倒装结构的LED芯片。本实施例所设计的电路布局参见图8，图形化的高反射电极层在本例中被设计为 33个相互独立的图形化高反射电极层单元模块，每颗LED芯片1通过底部的相当于导线8 的焊球横跨在上下相邻的两个相互独立的图形化高反射电极层单元模块之上，32颗芯片实现全串联。以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式，LED芯片1的数量、图形化的高反射电极层的布局和串并联可以根据需要灵活设计。硅胶保护层9可以采用不含有荧光粉的透明硅胶来获得本征色的LED平面光源，LED芯片1可以选择460nm、525nm、595nm、6Mnm的本征波长来分别获得蓝色、绿色、黄色、红色LED平面光源，也可以选择^0nm、380nm、405nm 的本征波长来获得紫外LED平面光源，还可以通过若干不同波长的LED芯片1的组合来获得特定波长的光线。本实用新型的实施例中采用真空镀膜工艺在金属基板2表面形成了图形化的高反射电极层，并在图形化的高反射电极层的镂空处填充了高反射绝缘层7，大幅提升了电路基板的反射率，从而使LED平面光源的光效大幅提高。同时，相较于现有金属芯PCB，本实用新型绝缘层导热系数更高，且厚度大幅降低，这样大幅提升了电路基板的散热性能，对提升光效也有一定作用。在使用相同的LED芯片、硅胶以及荧光粉等材料的情况下，本实用新型的高光效LED平面光源较使用现有金属芯PCB封装的LED平面光源光效可提升20%。此外，在生产工艺方面，本实用新型不再需要传统技术中的湿法工艺，更加绿色环保。
权利要求1.一种高光效LED平面光源，包括绝缘层、图形化的高反射电极层、LED芯片模块，其特征在于金属基板(2)上从下至上依次设绝缘层、图形化的高反射电极层，并在图形化的高反射电极层的图形的镂空处填设高反射绝缘层(7)形成电路基板，在图形化的高反射电极层上设有LED芯片模块，图形化的高反射电极层的上方还采用硅胶保护层(9)覆设住LED芯片模块，图形化的高反射电极层的左右端分别设为引出端，左、右两个引出端分别作为电路基板的正极(6a)和负极(6b)位于硅胶保护层(9)区域外；所述的绝缘层由在氮化铝过渡绝缘层(3)的上方覆设氮化硅耐压绝缘层(4)组成；所述的图形化的高反射电极层由在图形化铜铝合金导电层(5)的上方覆设图形化导电反射层(6)所构成，图形化铜铝合金导电层(5 )和图形化导电反射层(6 )的形状一致。
2.如权利要求1所述的一种高光效LED平面光源，其特征在于所述的LED芯片模块为若干LED芯片(1)与图形化导电反射层(6)采用导线(8)按设定电路进行连接所组成。
3.如权利要求2所述的一种高光效LED平面光源，其特征在于所述的LED芯片(1)采用正装结构或采用倒装结构或采用上下电极结构。
4.如权利要求1所述的一种高光效LED平面光源，其特征在于所述的电路基板的正极(6a)和负极(6b)区域分别覆设有银薄膜。
专利摘要本实用新型涉及LED技术领域，具体地说是一种高光效LED平面光源，其特征在于金属基板上从下至上依次设绝缘层、图形化的高反射电极层形成电路基板，所述的绝缘层由在氮化铝过渡绝缘层的上方覆设氮化硅耐压绝缘层组成；所述的图形化的高反射电极层由在图形化导电层的上方覆设图形化导电反射层所构成。本实用新型同现有技术相比，具有高光效、高导热、高可靠性，且外电路连接工艺简单；电极层直接图形化，工艺简单。
文档编号H01L33/60GK202332845SQ201120484110
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者张平 申请人:张平