一种高散热大功率LED灯珠及其制作方法与流程

本发明涉及led灯珠技术领域，尤其涉及一种高散热大功率led灯珠及其制作方法。

背景技术：

led主要用于照明系统、装饰、电子设备指示器、背光、显示器和器械等领域。其中，大功率led灯珠如5050、7070灯珠，主要采用垂直或水平结构的led芯片来制备，制备过程中需要金线焊接，因此导致出光效率降低，可靠性下降。部分大功率led灯珠使用倒装led芯片和荧光玻璃或陶瓷，虽然可以提高散热性能和可靠性，但由于荧光玻璃和陶瓷的成本较高和加工工艺复杂，导致led灯珠的成本居高不下。而随着社会的发展，对小体积、大功率的led灯珠需求越来越多，照明功率、亮度要求越来越大大，成本要求越来越高，目前的大功率led灯珠在散热、光效、可靠性和成本方面越来越难以满足需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高散热大功率led灯珠及其制作方法，以提高led灯珠的功率和散热性能。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种高散热大功率led灯珠及其制作方法，以提高led灯珠的亮度。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种可发出任一颜色的高散热大功率led灯珠。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高散热大功率led灯珠，包括散热基板、金属围坝、led光源、连接散热基板和led光源的共晶层、覆盖在led光源上的封装胶层、以及焊盘；

所述散热基板为氧化铍陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板；

所述led光源包括至少一个倒装led芯片和至少一组rgb光源；

所述金属围坝形成两个杯状结构，倒装led芯片和rgb光源分别设置在不同的杯状结构中，其中一个杯状结构可发出白光，另一个杯状结构可发出红、蓝、绿光中的一种或几种光；

所述共晶层的材质为金锡合金，其中，锡的质量百分比为20-30％。

作为上述方案的改进，所述金属围坝的材质为金锡合金、镍金合金、镍钯金合金、铝合金、氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或石英玻璃；

所述杯状结构的形状为矩形、多边形、圆形或三角形。

作为上述方案的改进，所述rgb光源包括红光led芯片、绿光led芯片和蓝光led芯片。

作为上述方案的改进，所述封装胶层包括有机硅封装胶，其中，覆盖在倒装led芯片上的封装胶层还包括荧光粉。

作为上述方案的改进，所述有机硅封装胶包括聚二甲硅氧烷和硅树脂；

所述荧光粉为铝酸盐类荧光粉或硅酸盐类荧光粉。

作为上述方案的改进，覆盖在倒装led芯片上的封装胶层还包括偶联剂，所述偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂kh550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh570)、乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂a-171)、乙烯基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂a-151)、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(钛酸酯偶联剂tc-105)、单烷氧基三(二辛基磷酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ct-114)、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ndz-201)或异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯(铝酸酯偶联剂dl-411-a)中的一种或几种。

相应地，本发明还提供了一种高散热大功率led灯珠的制作方法，包括以下步骤：

在散热基板上形成金属围坝，所述金属围坝形成两个杯状结构；

将共晶材料涂覆在散热基板上，并将倒装led芯片和rgb光源放置在共晶材料上，其中，所述共晶材料为金锡合金，锡的质量百分比为20-30％，倒装led芯片和rgb光源分别设置在不同的杯状结构中；

对散热基板和倒装led芯片进行共晶，共晶温度为290-330℃；

将荧光胶涂覆在倒装led芯片上，将有机硅封装胶涂覆在rgb光源上，静置1.5-2.5小时，当荧光胶中的荧光粉沉降率达到85％或以上时，对荧光胶和有机硅封装胶进行固化，固化温度为140-170℃，固化时间为2.3-3.5小时。

作为上述方案的改进，所述rgb光源包括红光led芯片、绿光led芯片和蓝光led芯片；

所述荧光胶包括荧光粉和有机硅封装胶。

作为上述方案的改进，所述荧光胶还包括偶联剂，所述偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂kh550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh570)、乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂a-171)、乙烯基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂a-151)、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(钛酸酯偶联剂tc-105)、单烷氧基三(二辛基磷酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ct-114)、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ndz-201)或异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯(铝酸酯偶联剂dl-411-a)中的一种或几种。

作为上述方案的改进，调配荧光胶包括以下步骤：

按荧光粉：有机硅封装胶：偶联剂＝1:10-13:0.1-0.7的比例进行调配、混合，得到混合物；

对混合物搅拌加热，加热温度为40-70℃。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明将倒装led芯片直接共晶在散热基板上，不需要使用金线进行连接，不仅可以提高出光效率，还可以避免出现漏电的情况，提高led灯珠的可靠性。

此外，本发明采用氧化铍陶瓷基板作为散热基板，有效提高led灯珠的散热效果。

其次，本发明通过调配共晶材料的配方，有效减少共晶时间和降低共晶问题，且提高灯珠的散热性能。

再次，本发明通过调整有机硅封装胶的配比和荧光胶的配比，在特定的温度中有机硅封装胶的粘度迅速降低，以提高荧光粉的沉淀均匀性。

进一步地，本发明led光源包括倒装led芯片和rgb光源，可实现全彩发光。

再一步地，本发明采用的荧光粉沉降工艺，将荧光粉沉淀到有机硅封装胶底部，覆盖在倒装led芯片表面，缩短了倒装led芯片激发荧光粉的路径，减少了光能损失，激发出的光通量更高；此外，光热阻力变少，提高了灯珠内部的散热速度，更好的降低了灯珠表面胶体及芯片的温度，从而提高灯珠的散热性能。

更进一步地，本发明通过金属围坝限制封装胶层的流动，可以更准确的控制其固化后的形状，实现更精确的光色控制。

附图说明

图1是本发明高散热大功率led灯珠的结构示意图；

图2是本发明高散热大功率led灯珠的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1和图2，本发明提供的一种高散热大功率led灯珠，包括散热基板10、金属围坝30、led光源、连接散热基板10和led光源的共晶层20、覆盖led光源上的封装胶层40、以及焊盘50。

为了提高灯珠的散热性能，本发明的散热基板10为氧化铍陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。

氧化铍陶瓷基板的主要成分是氧化铍陶瓷，氧化铍陶瓷具有高导热系数、高熔度、强度、高绝缘、低电介常数、低介质损耗以及良好的封装工艺适应性等特点。其中，氧化铍陶瓷的导热系数达到250w/(m.k)，是普通氧化铝陶瓷的6-10倍，比氮化铝陶瓷高出20％-30％，是一种具有独特的电、热和机械性能的介质材料。

氮化铝陶瓷基板的主要成分是氮化铝陶瓷，氮化铝陶瓷具有高导热系数、高熔度、强度、高绝缘、低电介常数、低介质损耗以及良好的封装工艺适应性等特点。其中，氮化铝陶瓷的导热系数达到180w/(m.k)，是普通氧化铝陶瓷基板的6-10倍。

具体的，本发明通过共晶层20来将led光源固定在散热基板10上。优选的，所述共晶层的材质为金锡合金，其中，锡的质量百分比为20-30％。在焊接过程中，基于金锡合金中锡的质量百分比为20-30％，因此较小的温度就能使合金熔化并润湿器件，有效提高金锡合金的凝固时间和散热性能。更优的，所述共晶层的材质为金锡合金，其中，锡的质量百分比为23-27％。

为了提高led灯珠的功率，使得灯珠可发出任意颜色的光，所述光源包括至少一个倒装led芯片60和至少一组rgb光源70。所述rgb光源70包括红光led芯片71、绿光led芯片72和蓝光led芯片73。

具体的，倒装led芯片的数量可以是3个、4个、5个、6个、8个，甚至更多。倒装led芯片之间可以并联或串联，也可以并串混合。红、绿、蓝三种光色led光源的数量可以是2个、3个，甚至更多。红、绿、蓝每种光色的led光源数量可以相等，或不等。所有红光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。所有蓝光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。所有绿光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。

需要说明的是，所有倒装led芯片、红光led芯片、绿光led芯片、蓝光led芯片共四条线路相互独立，实现分开控制。通过分别控制红、绿、蓝三个光色的芯片，根据三原色配色原理可以实现16万真彩色的显示效果。

本发明的led灯珠可用于舞台照明，大部分时间发出白光，根据舞台效果可发出彩色光。

由于本发明的倒装led芯片直接共晶在散热基板上，不需要打线，因此可以节省空间，在同样面积的芯片上设置更多的芯片。此外，由于每个倒装led芯片之间具有一定的间隙，在同样面积的基板上，采用大面积的倒装led芯片，可以增加发光面积和功率，提高灯珠的亮度。优选的，所述倒装led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil。

此外，所述红光led芯片、绿光led芯片和蓝光led芯片也为倒装结构，其中，所述红光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil，所述蓝光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil，所述绿光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil。

本发明的封装胶层40分为两种，一种是覆盖倒装led芯片60上的，另一种是覆盖在rgb光源70上的。

其中，覆盖在倒装led芯片60上的封装胶层40包括荧光粉和有机硅封装胶，使得倒装led芯片60发出白光。此外，覆盖在rgb光源70上的封装胶层包括有机硅封装胶，使得红光led芯片71、绿光led芯片72和蓝光led芯片73发出其本身颜色的光。

需要说明的是，荧光粉和有机硅封装胶对灯珠的散热性能和亮度均起着重要的作用。优选的，所述荧光粉为铝酸盐类荧光粉或硅酸盐类荧光粉。更优的，所述荧光粉为y3al5o12:(ce,ca,cd)、tb3al5o12:(ce,ca,cd)或(sr,ba,ca)2sio4:eu。

优选的，所述有机硅封装胶包括聚二甲硅氧烷和硅树脂。由于聚二甲硅氧烷和硅树脂具有很高的光折射率、耐热性能和长期稳定性，因此可以提高的灯珠的散热效果和功率，保证灯珠的长期可靠性。

由于荧光粉和有机硅封装胶的相容性较差，因此荧光粉在有机硅封装胶中难以均匀分布，往往存在荧光粉团聚而导致材料的力学、光学性能下降现象；此外，在封装固化过程中，由于荧光粉与有机硅封装胶的密度相差较大，容易出现荧光粉沉降、分层等情况，这些问题也将导致产品光学一致性下降，不良率提高，生产成本增加等等。

为了解决上述问题，本发明的覆盖在倒装led芯片60上的封装胶层40还包括偶联剂。优选的，所述偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂kh550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh570)、乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂a-171)、乙烯基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂a-151)、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(钛酸酯偶联剂tc-105)、单烷氧基三(二辛基磷酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ct-114)、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ndz-201)或异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯(铝酸酯偶联剂dl-411-a)中的一种或几种。

偶联剂是一类分子中同时含有有机和无机两种反应性的化合物，偶联剂能够通过共价键将无机材料和有机材料有效连接起来。本发明通过偶联剂增加了荧光粉在与有机硅封装胶的相容性，降低了团聚效果，提高了荧光胶层中荧光粉的均匀性。

为了精准控制封装胶层40固化后的形状，本发明在散热基板10上形成金属围坝60，所述金属围坝60形成两个杯状结构，倒装led芯片60和rgb光源70分别设置在不同的杯状结构中，其中一个杯状结构可发出白光，另一个杯状结构可发出红、蓝、绿光中的一种或几种光。

具体的，所述金属围坝60的材质为金锡合金、镍金合金或镍钯金合金。所述金属围坝利用金属焊料焊接在散热基板上，或者使用磁控溅射方式从散热基板上逐层生长而成。

优选的，所述金属围坝60的高于封装胶层40。

所述焊盘50设置在基板10上，且所述焊盘50与所述倒装led芯片30导电连接。

本发明的led灯珠在很小的体积内，通过提高单位面积内的驱动电流和功率密度，以提到led灯珠的功率。具体的，本发明led灯珠的功率增长超过50％，以5050封装为例，通常emc5050封装的功率是5w～10w，进口大功率led5050封装是12w～18w，采用本发明制作方法的5050封装，功率达到18～27w。

相应地，本发明还提供了一种高散热大功率led灯珠的制作方法，包括以下步骤：

s1、在散热基板上形成金属围坝，所述金属围坝形成两个杯状结构；

采用焊接的方式将金属焊料焊接在散热基板上，或者使用磁控溅射方式在散热基板上逐层生长金属层。优选的，所述金属围坝60的材质为金锡合金、镍金合金或镍钯金合金。

s2、将共晶材料涂覆在散热基板上，并将倒装led芯片和rgb光源放置在共晶材料上，其中，倒装led芯片和rgb光源分别设置在不同的杯状结构中；

为了提高灯珠的散热性能，本发明的散热基板为氧化铍陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。

氧化铍陶瓷基板的主要成分是氧化铍陶瓷，氧化铍陶瓷具有高导热系数、高熔度、强度、高绝缘、低电介常数、低介质损耗以及良好的封装工艺适应性等特点。其中，氧化铍陶瓷的导热系数达到250w/(m.k)，是普通氧化铝陶瓷的6-10倍，比氮化铝陶瓷高出20％-30％，是一种具有独特的电、热和机械性能的介质材料。

氮化铝陶瓷基板的主要成分是氮化铝陶瓷，氮化铝陶瓷具有高导热系数、高熔度、强度、高绝缘、低电介常数、低介质损耗以及良好的封装工艺适应性等特点。其中，氮化铝陶瓷的导热系数达到180w/(m.k)，是普通氧化铝陶瓷基板的6-10倍。

为了提高led灯珠的功率，使得灯珠可发出任意颜色的光，所述光源包括至少一个倒装led芯片和至少一组rgb光源。所述rgb光源包括红光led芯片、绿光led芯片和蓝光led芯片。

具体的，倒装led芯片的数量可以是3个、4个、5个、6个、8个，甚至更多。倒装led芯片之间可以并联或串联，也可以并串混合。红、绿、蓝三种光色led光源的数量可以是2个、3个，甚至更多。红、绿、蓝每种光色的led光源数量可以相等，或不等。所有红光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。所有蓝光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。所有绿光led芯片之间可以并联或串联，也可以串并混合。

需要说明的是，所有倒装led芯片、红光led芯片、绿光led芯片、蓝光led芯片共四条线路相互独立，实现分开控制。通过分别控制红、绿、蓝三个光色的芯片，根据三原色配色原理可以实现16万真彩色的显示效果。

由于本发明的倒装led芯片直接共晶在散热基板上，不需要打线，因此可以节省空间，在同样面积的芯片上设置更多的芯片。此外，由于每个倒装led芯片之间具有一定的间隙，在同样面积的基板上，采用大面积的倒装led芯片，可以增加发光面积和功率，提高灯珠的亮度。优选的，所述倒装led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil。

此外，所述红光led芯片、绿光led芯片和蓝光led芯片也为倒装结构，其中，所述红光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil，所述蓝光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil，所述绿光led芯片的尺寸为40mil、45mil、55mil、77mil或80mil。

s3、对散热基板和倒装led芯片进行共晶，共晶温度为290-330℃；

具体的，所述共晶材料为金锡合金，其中，锡的质量百分比为20-30％。在焊接过程中，基于金锡合金中锡的质量百分比为20-30％，因此较低的温度就能使合金熔化并润湿器件，有效提高金锡合金的凝固时间和散热性能。更优的，所述共晶材质中锡的质量百分比为23-27％。

需要说明的是，本发明的共晶温度只需290-330℃，共晶时间只需8-13秒。

s4、将荧光胶涂覆在倒装led芯片上，将有机硅封装胶涂覆在rgb光源上，静置1.5-2.5小时，当荧光胶中的荧光粉沉降率达到85％或以上时，对荧光胶和有机硅封装胶进行固化，固化温度为140-170℃，固化时间为2.3-3.5小时；

所述荧光胶包括荧光粉和有机硅封装胶。需要说明的是，荧光粉和有机硅封装胶对灯珠的散热性能和亮度均起着重要的作用。优选的，所述荧光粉为铝酸盐类荧光粉和硅酸盐类荧光粉。更优的，所述荧光粉为y3al5o12:(ce,ca,cd)、tb3al5o12:(ce,ca,cd)或(sr,ba,ca)2sio4:eu。

优选的，所述有机硅封装胶包括聚二甲硅氧烷和硅树脂。由于聚二甲硅氧烷和硅树脂具有很高的光折射率、耐热性能和长期稳定性，因此可以提高的灯珠的散热效果和功率，保证灯珠的长期可靠性。

由于荧光粉和有机硅封装胶的相容性较差，因此荧光粉在有机硅封装胶中难以均匀分布，往往存在荧光粉团聚而导致材料的力学、光学性能下降现象；此外，在封装固化过程中，由于荧光粉与有机硅封装胶的密度相差较大，容易出现荧光粉沉降、分层等情况，这些问题也将导致产品光学一致性下降，不良率提高，生产成本增加等等。

为了解决上述问题，本发明的荧光胶还包括偶联剂。优选的，所述偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂kh550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂kh570)、乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂a-171)、乙烯基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂a-151)、异丙基三油酸酰氧基钛酸酯(钛酸酯偶联剂tc-105)、单烷氧基三(二辛基磷酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ct-114)、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(钛酸酯偶联剂ndz-201)或异丙氧基二硬脂酸酰氧基铝酸酯(铝酸酯偶联剂dl-411-a)中的一种或几种。

偶联剂是一类分子中同时含有有机和无机两种反应性的化合物，偶联剂能够通过共价键将无机材料和有机材料有效连接起来。本发明通过偶联剂增加了荧光粉在与有机硅封装胶的相容性，降低了团聚效果，提高了荧光胶层中荧光粉的均匀性。

具体的，调配荧光胶包括以下步骤：

按荧光粉：有机硅封装胶：偶联剂＝1:10-13:0.1-0.7的比例进行调配、混合，得到混合物；

对混合物搅拌加热，加热温度为40-70℃。

优选的，所述有机硅封装胶按聚二甲硅氧烷：硅树脂＝20-60：40-80的比例调配。

本发明通过调整有机硅封装胶的配比和荧光胶的配比，在特定的温度中有机硅封装胶的粘度迅速降低，以提高荧光粉的沉淀均匀性。

本发明采用上述荧光粉沉降工艺，将荧光粉沉淀到有机硅封装胶底部，覆盖在倒装led芯片表面，缩短了倒装led芯片激发荧光粉的路径，减少了光能损失，激发出的光通量更高；此外，光热阻力变少，提高了灯珠内部的散热速度，更好的降低了灯珠表面胶体及芯片的温度，从而提高灯珠的散热性能。

此外，本发明通过金属围坝限制荧光胶的流动，可以更准确的控制其固化后的形状，实现更精确的光色控制。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。