一种高效导热的大功率led集成封装结构的制作方法
【专利摘要】本发明属于半导体照明器件【技术领域】，具体为一种高效导热的大功率LED集成封装结构。其包括第一导电板、第一导热绝缘板、第二导电板、第二导热绝缘板和若干LED芯片；所述导电板直接作为电路连接的正负极；导电板与导热绝缘板间隔排布形成三明治结构，界面处涂有高导热系数的绝缘胶；LED芯片底部与下层导电板表面直接粘接；LED芯片采用并联、串联或并联—串联组合的方式构成单个LED封装模块，再组合成更大功率的LED模组，提高了模组的电压，降低了电源设计要求；整个集成封装结构可以采用机械方式固定，无需制备印刷电路板，工艺简单可靠，降低了封装成本；该封装结构适用于可见照明、紫外辐照和特种照明应用领域。
【专利说明】一种高效导热的大功率LED集成封装结构
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体照明器件【技术领域】，具体涉及一种高效导热的大功率发光二极管(LED)集成封装结构。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术的快速发展，发光二极管(LED)凭借体积小、寿命长、可靠性高、亮度可调等优点，由其制成的光源、灯具和照明器具产品逐渐进入各种可见光照明和紫外辐照应用领域。随着人们对照明应用要求的变化和高光通量和高辐通量应用需求的增加，大功率LED的需求不断增长，且具体要求也在不断变化。例如高杆灯、工程机械、港口机械、海工装备、探照灯、汽车前照灯、投影仪、交通摄像照明灯、鱿钓灯、体育场照明灯等不但需要高效节能的大功率高强度光源，而且功率密度很高，对灯具的尺寸和体积有严格的要求限制；而在工业领域如紫外固化、光化学合成和光生物改性等，应用的紫外光源的功率要求甚至达到了千瓦级以上。
[0003]随着LED灯具功率密度的增大，散热问题成为制约大功率LED产品化的关键障碍之一。尤其是200 W以上的LED灯具，散热特性严重影响灯具的性能表现。现有的大功率LED封装主要采用的还是直接固定芯片(Chips on board, COB)集成封装技术，即将LED芯片直接粘接在印刷电路板上，然后进行引线键合，再用有机胶将芯片和引线包封保护的技术。尽管已有不少研究和专利尝试提高COB封装的散热特性，但由于其封装结构引起的层级数多、绝缘材料和封接粘接材料热导率低、芯片导热接触面积小等必然问题，导致芯片热量导出到散热器的效率较低，限制了 LED集成封装的散热特性，影响了大功率LED灯具的性能和可靠性。
[0004]目前LED芯片级封装主要有两种结构:平面封装结构和垂直封装结构。平面封装结构LED芯片的P型和N型电极在LED的同侧，便于实现大功率集成封装，但是电极同侧导致电流横向拥挤，局部发热量高，而且P极覆盖面积大，影响芯片的出光效率。而垂直结构LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，电流密度均匀，避免了电流拥挤问题，提高了发光效率，且解决了 P极的光吸收问题，在高功率密度下其出光效率可以达到平面结构LED的3倍。垂直封装结构芯片正逐渐成为LED芯片的主流。由于垂直封装结构芯片的正负极分别位于芯片的上方和下方，因此大功率集成封装时，芯片与金属散热底板之间必须有绝缘层。目前主流大功率封装结构大多采用氧化铝陶瓷作为绝缘层，LED芯片封装到氧化铝基板的金属膜镀层上。但氧化铝陶瓷的导热系数仅为25 ff/(m.K)左右，远小于铝230 ff/(m.K)等常用金属的导热系数，两者相差一个数量级，热量不能从芯片有效传导出去。因此在大功率LED封装中，该方法因的导热效果较差，影响灯具散热，制约了 LED灯具功率密度的提高。
[0005]此外，现有技术中LED封装的印刷电路板大都采用铜箔来制作电路。但是铜箔截面积小，因此电流负载能力有限，也限制了 LED灯具的功率密度。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高效导热的大功率LED集成封装结构，以实现高单位面积封装功率的大功率LED灯具开发。
[0007]本发明提供的一种高效导热的大功率LED集成封装结构，其包括第一导电板、第一导热绝缘板、第二导电板、第二导热绝缘板和若干LED芯片；所述第一导电板、第一导热绝缘板、第二导电板和第二导热绝缘板从上到下依次设置，上下板的接触界面上涂高导热绝缘胶；所述第一导电板、第二导电板单独或分别作为电路连接的正负极；所述若干LED芯片粘连设置在第二导电板上，其和电路连接的正负极相连。
[0008]上述第一导电板包括左右两块板，分别为正极导电板和负极导电板，分别用作电路连接的正负极；所述第一导热绝缘板也分为左右两块板，其大小形状分别和正极导电板、负极导电板相适应，所述若干LED芯片置于正极导电板和负极导电板之间，LED芯片的电极通过金线分别和正极导电板、负极导电板连接。
[0009]上述第一导电板和第一绝缘板上设置若干开口，若干LED芯片置于开口内，LED芯片的电极分别和第一、第二导电板相连。
[0010]上述若干LED芯片是平面结构或者垂直结构，或者平面结构和垂直结构的混合。
[0011]上述第一导电板和第二导电板为具有高导热系数的金属板材或者为导电的非金属板材；所述第一导热绝缘板和第二导热绝缘板为兼具导热性和绝缘性的板材。
[0012]上述金属板材为铝板或者铜板；所述非金属板材为碳化硅板；所述第一导热绝缘板和第二导热绝缘板为氮化铝板。
[0013]上述第二导电板上粘连设置若干LED芯片时，芯片底片通过高导热粘胶、焊料或共晶键合技术直接粘接在第二导电板上。
[0014]上述的高导热绝缘胶采用氮化铝或氮化铍高导热绝缘粉末混合粘接材料制成，导热系数达120 ff/(m.K)以上；所述的高导热导电胶采用银胶或镀银铜胶材料制成，导热系数达120 ff/ (m.K)以上。
[0015]本发明中，上述的第一导电板、第一导热绝缘板、第二导电板和第二导热绝缘板之间采用螺丝或其他机械方式固定压紧。
[0016]本发明中，LED芯片可以采用紫外LED芯片，封装成高单位面积封装功率的大功率紫外LED光源模块，多个光源模块组合成更大功率的光源模组；所述的紫外LED光源模块或模组可以封装石英透镜、树脂材料或硅油浴等其它元器件；用于光固化、杀菌、光化学合成、光生物改性、材料改性、材料表面处理等紫外辐照应用领域。也可以采用免封装LED芯片，也可以采用多色LED芯片混光，也可以采用芯片加荧光粉方式如荧光粉胶涂覆、远程荧光粉板等技术封装成高单位面积封装功率的大功率白光LED灯具；大功率白光LED灯具可以应用于可见照明领域如高杆灯、体育场照明、探照灯、电影放映灯等。可以封装保护器件，应用于特殊场合照明领域如高盐环境的港口机械、海工装备等；所述的高单位面积封装功率LED灯具可用作为体积小、散热要求高、设计灵活的特种光源，如投影灯、汽车前照灯、道路监控摄像补光灯等；所述的LED灯具采用不同颜色的LED芯片，可以用作集鱼灯和植物补光照明灯等特种光源。
[0017]与现有封装结构相比，本发明具有以下优势:
1、本发明采用导电板与导热绝缘板间隔分布的三明治结构，实现了高单位面积封装功率的大功率集成封装。
[0018]2、本发明将封装结构中的导电板直接作为电路连接的正负极，导电板可直接焊接导线引出电流，同时导电板的截面积比印刷电路板导线的截面积增加了 10倍以上，使LED集成封装光源模组的电流负载能力比印刷电路板增大了 10倍以上，大大提高了电流负载能力，提高了单位面积封装功率，解决了印刷电路板的载流限制问题。
[0019]3、本发明的大功率LED集成封装结构中LED芯片与导电板直接粘接，减少了 LED芯片与散热器之间不同材质和导热率的层级数，而且导电板之间排布高导热性的绝缘板，有效降低了内部热阻率，提高了 LED芯片热量的导出效率，改善了 LED灯具的散热性能。
[0020]4、本发明采用并联一串联结合的方式，若干个LED芯片先组成一个大功率封装模块，多个模块再构成功率更大的模组。通过改变芯片和模块的并联一串联组合方式，可以便捷有效地设定LED灯具的工作电流和工作电压，不仅能够实现大功率、高电压的LED模组封装，而且也降低了驱动电源的电流设计要求。
[0021]5、本发明的封装结构可以通过机械方式安装固定；导热绝缘板可以采用激光加工方式来处理，加工简单；而导电板直接作为电路连接的正负极，避免了印刷电路板的设计及其复杂的制作过程；因此本发明的封装结构简化了制作工艺，能够有效提高成品率，降低制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的高效散热大功率LED集成封装结构的截面示意图。
[0023]图2为本发明的采用垂直结构LED芯片集成封装模块示例的截面图。
[0024]图3为本发明的采用垂直结构LED芯片集成封装模块示例的俯视图。
[0025]图4为本发明的采用平面结构LED芯片集成封装模块示例的截面图。
[0026]图5为本发明的采用平面结构LED芯片集成封装模块示例的俯视图。
[0027]图中标号:I一第一导电板；2—第一导热绝缘板；3—第二导电板；4一第二导热绝缘板；5 —高导热绝缘胶；6 — LED芯片；7 —高导热导电胶；8—金线；9一螺丝；10—开口 ；11一正极导电板；12—负极导电板；13—垂直结构LED芯片；14一平面结构LED芯片。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图和实例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]参见图1，本发明的一种高效散热的大功率LED集成封装结构包括:第一导电板1，第一导热绝缘板2、第二导电板3、第二导热绝缘板4和若干LED芯片6,所述第一导电板1、第二导电板3和第一导热绝缘板2、第二导热绝缘板4间隔排布，其接触界面处涂有导热系数120 ff/(m.K)以上的高导热绝缘胶5以增加导热接触面积。所述第一导电板1、第二导电板3采用铜、铝等高导热性材料，直接作为电路连接的正负极。第一导电板1、第二导电板3之间用第一导热绝缘板2绝缘，而第二导热绝缘板4则起到了第二导电板3与外部散热器或灯具外壳的绝缘作用。LED芯片6按一定顺序排布在第二导电板3上，芯片底部通过高导热导电胶7与导电板直接粘接。[0030]以图1所述结构为基础，图2、图3是本发明的一种采用垂直结构LED芯片的高效散热大功率集成封装模块，包括:第一导电板1，第一导热绝缘板2、第二导电板3、第二导热绝缘板4和垂直结构LED芯片13,所述第一导电板1、第二导电板3和第一导热绝缘板2、第二导热绝缘板4间隔排布，1/2,2/3,3/4的界面处涂有高导热绝缘胶5，并用螺丝9固定压紧，第一导电板I和上层导热绝缘板3上开有若干个一定面积的开口 10,露出第二导电板3的表面，垂直结构LED芯片13按一定顺序排布在第二导电板3上。多个垂直结构LED芯片13并联，芯片顶部电极通过金线8焊接在第一导电板I上，而芯片底部则通过高导热导电胶7直接粘接在第二导电板3上。
[0031]图4、图5是本发明的一种采用平面结构LED芯片的高效散热大功率集成封装模块，包括:正极导电板11、负极导电板12、第一导热绝缘板2、第二导电板3和平面结构LED芯片14。所述正极导电板11和负极导电板12是图1所述第一导电板I的变形，所述第二导电板3仅起到导热和散热作用，导电板之间用第一导热绝缘板2进行绝缘，导电板与导热绝缘板的界面处涂有高导热绝缘胶5，整个封装模块用螺丝9固定压紧。正极导电板11和负极导电板12之间并联有多串LED芯片的串联组合。平面结构LED芯片14顶部电极采用金线焊接，芯片底部通过高导热绝缘胶5直接粘接在第二导电板3上。
[0032]本发明的结构设计，主要采用导电板与高导热绝缘板间隔分布的三明治结构，导电板直接作为正负极，截面积大，载流能力提高了 10倍以上，若干个LED芯片通过并联、串联或并联一串联组合的方式构成大功率集成封装模块，多个模块再组合成更大功率的LED模组，最终实现高单位面积封装功率的高效大功率紫外和可见光LED灯具产品的开发。
[0033]本发明的结构设计，主要以减少内部热沉数为目标，LED芯片通过高导热胶等方式直接粘接在导电板上，并采用高导热性的绝缘板作为绝缘层，LED芯片热量的主要导出路径为:直接从芯片底部一高导热胶一第二导电板一高导热绝缘胶一第二导热绝缘板。LED芯片热量的次要导出路径为:金线一第一导电板一高导热胶一第一导热绝缘板一高导热胶一第二导电板一高导热胶一第二导热绝缘板。这种导热方式有效降低了热阻率，提高了导热能力。
[0034]本发明的三明治封装结构可以采用螺丝等机械方式固定，且导电板替代了印刷电路板，减少了薄膜技术的生产过程，解决了用氮化铝板等高导热绝缘板制作印刷电路板时工艺复杂、成品率低、电流密度低的问题，简化了制作工艺，提高了成品率，降低了制造成本。
【权利要求】
1.一种高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:其包括第一导电板、第一导热绝缘板、第二 导电板、第二导热绝缘板和若干LED芯片；所述第一导电板、第一导热绝缘板、第二导电板和第二导热绝缘板从上到下依次设置，上下板的接触界面上涂高导热绝缘胶；所述第一导电板、第二导电板单独或分别作为电路连接的正负极；所述若干LED芯片粘连设置在第二导电板上粘连设置，和电路连接的正负极相连。
2.根据权利要求1所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述第一导电板包括左右两块板，分别为正极导电板和负极导电板，分别用作电路连接的正负极；所述第一导热绝缘板也分为左右两块板，其大小形状分别和正极导电板、负极导电板相适应，所述若干LED芯片置于正极导电板和负极导电板之间，LED芯片的电极通过金线分别和正极导电板、负极导电板连接。
3.根据权利要求1所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述第一导电板和第一绝缘板上设置若干开口，若干LED芯片置于开口内，LED芯片的电极分别和第一、第二导电板相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述若干LED芯片是平面结构或者垂直结构，或者平面结构和垂直结构的混合。
5.根据权利要求1所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述第一导电板和第二导电板为具有高导热系数的金属板材或者为导电的非金属板材；所述第一导热绝缘板和第二导热绝缘板为兼具导热性和绝缘性的板材。
6.根据权利要求5所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述金属板材为铝板或者铜板；所述非金属板材为碳化硅板；所述第一导热绝缘板和第二导热绝缘板为氮化铝板。
7.根据权利要求1所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述第二导电板上粘连设置若干LED芯片时，芯片底片通过高导热粘胶、焊料或共晶键合技术直接粘接在第二导电板上。
8.根据权利要求7所述的高效导热的大功率LED集成封装结构，其特征在于:所述的高导热绝缘胶采用氮化铝或氮化铍高导热绝缘粉末混合粘接材料制成，导热系数为120 W/(m-K)以上；所述的高导热导电胶采用银胶或镀银铜胶材料制成，导热系数为120 ff/(m.K)以上。
【文档编号】H01L25/075GK103956356SQ201410176671
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】张善端, 韩秋漪, 荆忠 申请人:复旦大学, 上海镓铟光电科技有限公司