专利名称：Led芯片散热装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及大功率LED器件的散热问题。
背景技术：
目前，大功率(约1W以上)的LED器件只能将约10％的输入功率转化为光能，其余90％转化成了热能，如果热能不能及时有效地散发出去，将导致器件芯片温度过高，引发一系列恶果，如加速灌封材料老化，加速芯片光衰，同时由于大量的热积累，热应力会使LED芯片损坏，从而导致LED器件寿命缩短。散热问题已成为大功率LED芯片封装中的关键。
现在LED芯片常用的散热方法是直接将LED芯片用高导热焊料层封装于高导热基板(如纯铜、高导热陶瓷、纯铝和铝合金等)上，通过基板和导热端子把芯片产生的热，先传导给高导热基板和散热片，通过对流，向空气散热。但这种散热方法及其装置的散热能力有限，散热效果较差，高导热材料的选择有限，特别是不能满足大功率LED芯片的散热要求。其他散热方法，如液体散热方法和机械散热方法及其装置，由于体积较大，可靠性差，对体积微小的LED芯片而言不适用。因此，人们一直追求研究一种对LED芯片能进行有效散热的方法和装置。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，针对大功率LED芯片散热效果较差，影响器件使用效果和寿命的缺陷，提出一种大功率LED芯片的散热装置及其制造方法，以改善LED芯片散热的效果，从而提高器件使用寿命。
本发明解决上述问题的技术方案将LED芯片产生的热通过高导热基板传导散热，由高导热基板传导出的热再用半导体致冷方法传导给散热片进行散热。本发明设计了一种LED芯片散热装置，在LED芯片底面依次装焊有高导热基板8和散热片9，散热片下面装焊有一对与散热片形成电偶对的N型和P型半导体层，在N型和P型半导体层下面分别装焊有电极，在电极下面装焊有外层散热片19。本发明还提出一种制造上述散热装置的方法，用高导热焊料在LED芯片14的底面装焊高导热基板8；通过高导热焊料层装焊散热片9在高导热基板8的下面；通过绝缘高导热胶层在散热片9下面装焊一对N型和P型半导体层；通过高导热焊料在N型半导体层和P型半导体层下面分别装焊两块电极；电极下面通过绝缘高导热胶装焊外层散热片19。
装焊在散热片下面的N型和P型半导体层可以是一层N型半导体块和一层P型半导体块，也可以由两层以上N型半导体块和P型半导体块由高导热焊料分别粘结在一起构成N型和P型半导体层。
本发明的有益效果，由于本发明在LED芯片下的高导热基板上加装了N型和P型半导体层，LED芯片工作时产生的热通过高导热基板传导散热后再传给由N型和P型半导体层与散热片形成的电偶对，以半导体致冷方法传导热。热惯性非常小，致冷传导很快，大大提高了LED芯片散热效果，延长了LED器件寿命。
图1是本发明散热装置的结构剖视示意图；图2是本发明散热方法的原理示意图；图3是用本发明散热装置封装LED芯片后的结构剖视示意图4是本发明图1的A-A剖视示意图。
图中标记1为封装透镜，2为LED芯片电极金属键合丝，3为LED芯片电极，5为与键合丝2键合的铜电极，6为绝缘层(聚酰亚胺薄膜)，7为橡胶，13为硅胶与荧光粉的混合物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明，但不仅限于此。
如图中所示，本发明装置包括，通过高导热焊料层4装焊在LED芯片14底面的高导热基板8，散热片9通过高导热焊料层4装焊在高导热基板8的下面，通过绝缘高导热胶层18装焊于散热片9下面的一对N型(或P型)半导体层15、16和P型(或N型)半导体层10、11，一块N型半导体和一块P型半导体构成一对半导体层，为了提高散热效果，根据大功率LED芯片的功率，可以将两块或两块以上N型(或P型)半导体块通过高导热焊料层分别粘接在一起，构成一个N型(或P型)半导体层。粘接时要注意P型半导体层对应LED芯片电极的正极，N型半导体层对应芯片电极的负极。在N型半导体层16和P型半导体层11下面通过高导热焊料层4分别装焊两块电极12、17，电极的极性与半导体层的极性相对应。电极的正极对应N型半导体层一侧粘接，电极的负极对应P型半导体层一侧粘接。在电极12、17的下面通过绝缘高导热胶18装焊散热片19，该散热片19作为本发明散热装置的外层散热片。该散热装置的装焊顺序是按在芯片底层装焊高导热基板——散热片——半导体层——电极——外层散热片这样的顺序。
所述高导热基板8为铜基板，也可用其他高导热材料如铝、铝合金等；所述散热片9、19为铝、铝合金、铜或其他散热良好的金属材料制成，其形状一般为圆形；所述N型半导体层和P型半导体层可以只用一层N型半导体块和P型半导体块，也可以如本例所述，高导热焊料分别将两块或多块N型半导体块，两块或多块P型半导体块分别粘接在一起构成N型半导体层和P型半导体层，再将其分别装焊在散热片9下面。其半导体材料一般采用区熔法的碲化铋为基体的三元半导体，例如，N型半导体层材料为Bi2Te3-Bi2Se3等，P型半导体层材料为Bi2Te3-Bb2Te3等；电极可用金属铜材制作；高导热焊料4可选铅锡焊料、铟锡焊料；绝缘高导热胶18可选美国DOW CORNING导热绝缘胶4450。
图2所示是本发明散热方法的原理示意图，当LED器件工作时，其LED芯片产生的热通过高导热基板8传导散热，然后传给由N型半导体层和P型半导体层与散热片9构成的电偶对，通过半导体致冷方法进行致冷传导热，然后把热传导给散热片19，通过空气对流把热散发出去。
半导体致冷方法的工作过程为，当电流通过N型和P型半导体层与散热片装焊端时，从散热片吸热，为冷端，而半导体层下面的电极端放热，形成热端，传给与其装焊的另一散热片，进行散热。该装置的吸热和放热是通过载流子电子和空穴流过半导体上下结点时，由于势能变化而引起能量传递的。形成冷端和热端，将冷端的热量传递到热端。该方法和装置采用的是一种半导体固体致冷方法，热惯性非常小，致冷传导很快，大大提高了LED芯片散热效果，延长了LED器件寿命。且装置体积小，重量轻，无运动部件，无振动，失效率低，可靠性高，寿命长，无噪声、无致冷剂，不污染环境，封装简便易行。若采用闭环温控电路，还能精确控温，精度可达±0.1℃。若加上温度检测和控制电路，很易组成自动化系统。
权利要求
1.一种LED芯片的散热装置，它包括，在LED芯片底面依次装焊的高导热基板(8)和散热片(9)，其特征在于，该散热片下面装焊有一对与散热片形成电偶对的N型和P型半导体层，在N型和P型半导体层下面分别装焊正、负电极，在电极下面装焊有外层散热片(19)。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，N型和P型半导体层分别由至少一层N型半导体块和至少一层P型半导体块构成。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，高导热基板与散热片(9)之间、半导体层与电极之间通过高导热焊料层装焊，散热片与半导体层之间、电极与外层散热片(19)之间通过绝缘高导热胶层装焊。
4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述N型半导体层对应LED芯片和电极的负极侧，P型半导体层对应LED芯片和电极的正极侧。
5.一种制作LED芯片散热装置的方法，其特征在于，包括以下步骤，用高导热焊料在LED芯片(14)的底面装焊高导热基板(8)；通过高导热焊料层装焊散热片(9)在高导热基板(8)的下面；通过绝缘高导热胶层在散热片(9)下面装焊一对N型和P型半导体层；通过高导热焊料在N型半导体层和P型半导体层下面分别装焊正、负两块电极；电极下面通过绝缘高导热胶装焊外层散热片(19)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，N型和P型半导体层分别由至少一层N型半导体块和至少一层P型半导体块构成。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，N型半导体层和电极负极对应装在LED芯片的负极侧，P型半导体层和电极正极对应装在LED芯片的正极侧。
全文摘要
本发明请求保护一种LED芯片散热装置及其制作方法，涉及微电子技术领域。主要用于大功率LED芯片的封装散热。本发明的技术方案是在LED芯片底层装散热片、半导体层及电极，LED芯片产生的热通过高导热基板传导散热，传给由散热片、N型半导体层、P型半导体层形成的电偶对，进行半导体致冷传导，然后再把热传导给散热片，进行散热。该装置散热速度快，大大改善了LED芯片散热效果，能大大延长LED器件寿命。
文档编号H05K7/20GK1949489SQ20061009520
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者唐政维, 李秋俊, 赵赞良, 蔡雪梅, 刘小秋 申请人:重庆邮电大学