一种LED芯片平板热管集成封装结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种大功率多芯片led的封装结构，尤其是涉及一种led芯片平板热管集成封装结构及其制备方法。

背景技术：

随着led半导体照明向高集成化、高功率方向发展，led基板上封装的芯片越来越多，由此引发的芯片热流密度越来越高。目前，大功率led集成封装结构,尤其是多芯片集成封装结构,最常用的封装基板是铜基板、铝基板,其热导率分别高达398w/mk、180w/mk,已越来越难以满足大功率led散热的需求。

针对大功率多芯片led封装结构出现的散热难题，目前已有研究者提出采用平板热管与led芯片封装进行散热，如专利cn201220000690.7、cn201020539446.9、cn200920313589.5、cn200920302793.7等。但上述公开的平板热管蒸发面和冷凝面均是由上下两块金属盖板焊接拼合而成，led芯片材料热膨胀系数与金属材料热膨胀系数不匹配、易导致严重的热应力失效问题；同时制作电路层前均需要在金属材料表面制作绝缘层,由于绝缘层的热导性差，显著增大了热阻，从而为led芯片的散热带来了难题。

aln陶瓷以其高热导率、绝缘性、又与led芯片材料热膨胀系数匹配优良的物理化学性能,决定了它可用于大功率半导体器件的绝缘基片、封装基片、散热基片。采用aln陶瓷作为平板热管的蒸发面、并与led芯片直接封装贴合，目前尚未见有相关报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种led芯片平板热管集成封装结构及其制备方法，导热快、封装基板与led芯片的热应力比较小。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种led芯片平板热管集成封装结构，包括透明硅胶、多个led芯片、电路层、平板热管、散热翅片；

所述led芯片以矩阵排列的方式分布于所述电路层的上表面，所述电路层直接设置在平板热管的蒸发面上，所述平板热管的冷凝面与散热翅片形成可拆卸式紧固连接，所述透明硅胶直接设置于若干led芯片和电路层之上，将led芯片封装于透明硅胶内；

所述平板热管的蒸发面为一平面aln绝缘陶瓷板，所述平板热管的冷凝面朝向蒸发面的一侧，沿着远离蒸发面的方向下凹形成凹腔；所述蒸发面朝向凹腔的一侧具有多孔毛细吸液芯结构，该多孔毛细吸液芯结构包括一圆环板，所述圆环板的表面沿着轴向具有多孔结构；所述圆环板表面设有的呈辐射状分布的内凹槽，所述内凹槽的两端分别连通至圆环板的内周和外周；所述冷凝面朝向蒸发面的一侧上设有薄层多孔吸液芯结构；

所述多孔毛细吸液芯结构与薄层多孔吸液芯结构直接贴合并置于所述凹腔内，所述蒸发面和薄层多孔吸液芯结构分别位于所述圆环板的上表面和下表面，使得圆环板圆心处的空腔形成一密封腔体；所述冷凝面的外周侧壁预留有抽真空与灌液口。

在一较佳实施例中：所述多个led芯片均为封装引脚同向且朝上的led芯片；led芯片的底面与蒸发面通过金锡银浆焊料焊接；所述led芯片远离蒸发面的一面设有所述封装引脚，封装引脚通过高导电率的金属导线串并联后直接与电路层的正负极分别连接。

本发明还提供了如上所述的led芯片平板热管集成封装结构的制备方法，包括如下步骤：

1)通过机械加工方法加工紫铜板材制作出紫铜壳体板作为平板热管的冷凝面，采用激光加工方法制作出aln绝缘陶瓷板材作为平板热管的蒸发面，分别清洗除污、烘干；

2)以铜粉颗粒为原料，采用固相烧结方法，在蒸发面上制备出多孔毛细吸液芯结构，在冷凝面上制备出薄层多孔吸液芯结构；所述蒸发面外边缘和与所述冷凝面外边缘采用银铜钛真空钎焊密闭连接；使得多孔毛细吸液芯结构与薄层多孔吸液芯结构直接贴合，在多孔毛细吸液芯结构内形成一封闭腔体，对腔体内部进行抽真空和灌注工质，完成平板热管的制备；

3)在平板热管的蒸发面aln绝缘陶瓷板上掩膜制备出电路图形及led芯片焊接区；

4)在平板热管的蒸发面上沉积导电金属原子形成电路层；

5)将封装引脚同向且朝上的若干led芯片用高导电率的金属导线串并联后与电路层的正负极分别连接，其芯片底部采用共晶焊的方式直接焊接到所述平板热管的蒸发面表面上；

6)在led芯片和电路层上封装透明硅胶；

7)在平板热管的冷凝面表面均匀涂敷导热硅脂后，将平板热管冷凝面与散热翅片采用可拆式紧固连接进行连接，完成led芯片平板热管集成封装结构的制备。

本发明与其它在平板热管上直接封装led芯片的结构相比具有以下优点：

1)采用aln绝缘陶瓷板替代传统金属材料作为平板热管的蒸发面，aln绝缘陶瓷板不仅具有高绝缘性、高导热率，其热膨胀系数与led芯片材料匹配良好，从而大大减少了封装基板与led芯片的热应力；

2)相对于传统led封装结构，本发明直接在平板热管蒸发面上设置led芯片结构，在电路层与平板热管之间少设置了一层绝缘层，利用aln良好的导热性实现led热量的快速散失，显著减少了系统热阻，大大提升了散热效率，进而减小了led芯片的结温，延长了led的使用寿命及可靠性。

附图说明

图1为本发明led芯片平板热管集成封装结构剖视图；

图2为本发明led芯片集成封装到平板热管蒸发面剖视图；

图3为本发明平板热管的爆炸示意图；

图4为本发明平板热管蒸发面电路图形和芯片焊接区域示意图；

图5为本发明平板热管蒸发面电路及金锡银浆焊接区域示意图；

图6为本发明led芯片集成封装到平板热管蒸发面俯视图；

图7为本发明平板热管蒸发面内凹槽吸液芯结构示意图；

图8为本发明制造蒸发面内凹槽吸液芯结构使用的模具示意图；

图9为本发明制造冷凝面吸液芯结构使用的模具示意图。

具体实施方式

为了详尽地说明本发明的构造组成、技术内容、实现目的及操作方法，以下结合实施方式，并配合附图进行说明。

如图1所示，一种led芯片平板热管集成封装结构，包括透明硅胶1、多个led芯片2、电路层3、平板热管4、散热翅片5；

所述led芯片2以矩阵排列的方式分布于所述电路层3的上表面，所述电路层3直接设置在平板热管4的蒸发面41上，所述平板热管4的冷凝面42与散热翅片5形成可拆卸式紧固连接，所述透明硅胶1直接设置于若干led芯片2和电路层3之上，将led芯片2封装于透明硅胶1内；

进一步参考图3、图7，所述平板热管4的蒸发面41为一平面aln绝缘陶瓷板，所述平板热管4的冷凝面42朝向蒸发面41的一侧，沿着远离蒸发面41的方向下凹形成凹腔；所述蒸发面41朝向凹腔的一侧具有多孔毛细吸液芯结构411，该多孔毛细吸液芯结构411包括一圆环板，所述圆环板的表面沿着轴向具有多孔结构；所述圆环板表面设有的呈辐射状分布的内凹槽，所述内凹槽的两端分别连通至圆环板的内周和外周；所述冷凝面42朝向蒸发面41的一侧上设有薄层多孔吸液芯结构421；

所述多孔毛细吸液芯结构411与薄层多孔吸液芯结构421直接贴合并置于所述凹腔内，所述蒸发面41和薄层多孔吸液芯结构421分别位于所述圆环板的上表面和下表面，使得圆环板圆心处的空腔形成一密封腔体；所述冷凝面42的外周侧壁预留有抽真空与灌液口43。

因平板热管4的蒸发面41材料为aln绝缘陶瓷，使得led芯片2与平板热管4的蒸发面41保证良好的绝缘。散热翅片5的材料为铝合金，平板热管4的冷凝面41均匀涂覆适当厚度的导热硅脂后与散热翅片5采用可拆卸式紧固连接，进而将led芯片2瞬间启动和正常工作产生的热量经平板热管4直接传导致散热翅片5，实现热量的快速散失。

如图2所示，所述多个led芯片2均为封装引脚同向且朝上的led芯片2；led芯片2的底面与蒸发面41通过金锡银浆焊料焊接；所述led芯片2远离蒸发面41的一面设有所述封装引脚，封装引脚通过高导电率的金属导线6串并联后直接与电路层3的正负极分别连接。所述的电路层3直接设置于平板热管4的蒸发面41的aln绝缘陶瓷上，aln陶瓷厚度为0.5～1mm。

上述的led芯片平板热管集成封装结构的制备方法，包括如下步骤：

1)通过机械加工方法加工紫铜板材制作出紫铜壳体板作为平板热管4的冷凝面42，采用激光加工方法制作出aln绝缘陶瓷板材作为平板热管4的蒸发面41，分别清洗除污、烘干；

2)如图8、图9，通过机械加工方法制造出与多孔毛细吸液芯结构411和薄层多孔吸液芯结构421分别相配合的第一烧结模具7和第二烧结模具8。首先将金属粉末颗粒分别填充至两第一烧结模具7和第二烧结模具8和紫铜壳体板、aln绝缘陶瓷板组成的空腔内，使多孔吸液芯结构421、蒸发面多孔毛细吸液芯结构411均设置在冷凝面42、蒸发面41的中心。再分别放入箱式气氛保护电阻炉中进行固相烧结，烧结温度为900－950℃、烧结保温时间为30－60min，通入氢气保护。最后将aln绝缘陶瓷板上和紫铜壳体板上的第一烧结模具7和第二烧结模具8拔出，从而得到多孔毛细吸液芯结构411，以及薄层多孔吸液芯结构421。再将紫铜壳体板与aln绝缘陶瓷板通过银铜钛真空钎焊进行密封连接，对其内部进行抽真空和灌注工质，完成平板热管的制备。

3)如图4、5所示，在平板热管4的蒸发面41aln绝缘陶瓷板上掩膜制备出电路图形31及led芯片焊接区211；

4)如图5和图6所示，掩盖led芯片焊接区211后，再通过磁控溅射沉积方法在平板热管4的蒸发面41上沉淀导电金属原子形成电路层3，电路层3的形状与掩膜电路图形31相匹配，厚度为5-10um；

5)将封装引脚同向且朝上的若干led芯片2用高导电率的金属导线6串并联后与电路层3的正负极分别连接，其芯片底部采用共晶焊的方式直接焊接到所述平板热管4的蒸发面41表面上；

6)在led芯片2和电路层3上封装透明硅胶1；

7)在平板热管4的冷凝面42表面均匀涂敷一层0.1-0.3mm的导热硅脂后，将平板热管冷凝面42与散热翅片5采用可拆式紧固连接进行连接，完成led芯片平板热管集成封装结构的制备。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。