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CN102354725B - 散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管 - Google Patents

散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其包括LED芯片、透镜、反射杯和类金刚石膜-铜复合材料制成的散热基板，LED芯片位于反射杯中，透镜位于反射杯上方，散热基板的下表面直接和空气接触；LED芯片通过固晶胶或金属共晶焊直接安置在散热基板的上表面。本发明所述复合材料以最短路径从大功率LED提取热量，并且直接向空气散热，可以有效地降低LED的结温，由于该复合材料会降低整个LED封装结构的热阻，再结合优化的结构设计，可以用来为单个大功率LED和LED模组散热，实现高亮度、长时间发光。

Description

散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管
技术领域
本发明涉及LED发明技术领域，本发明涉及LED发明技术领域，特别地，涉及一种直接采用类金刚石膜-铜复合材料作为散热基板的大功率LED。
背景技术
LED光源因具有驱动电压低、寿命长、光通量高、抗震动、不怕电源的反复开关、结构小以及安全、高效、节能等诸多优点，已成为替代传统发明光源的最佳光源选择。随着LED技术的快速发展，大功率LED制备技术已日趋成熟，但是，目前的LED发明，一般是将大量普通小LED管或多个功率管集中在一个灯具中，且多采用封闭式灯具结构设计，典型的例子就是用LED做大尺寸液晶显示器的背光源。LED的光电转换效率达不到100%，而且随着电流的加大，产生的热量也增多。这使得LED的散热问题变得很突出，严重影响LED的光源稳定性和使用寿命。现有的大功率LED芯片封装材料多是铝基板和共烧陶瓷基板，没法达到很好的散热效果，另外现有的封装结构还需要作出很多改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有LED芯片的散热问题，提供了散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管。本发明可通过如下多个技术方案来实现：
散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，包括LED芯片、透镜和反射杯，LED芯片位于反射杯中，透镜位于反射杯上方，其还包括类金刚石膜-铜复合材料制成的散热基板；所述的散热基板的下表面直接和空气接触；LED芯片通过固晶胶或金属共晶焊直接安置在散热基板的上表面。 
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，所述类金刚石膜-铜复合材料制成的散热基板的下表面或下表面和上表面均为类金刚石膜。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，散热基板的上表面为铜，下表面为类金刚石膜，散热基板的上表面通过绝缘的粘合层粘合有电路层；粘合层和电路层开有供LED芯片穿过的孔。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，其还包括电路层，散热基板的上表面和下表面为类金刚石膜，电路层直接设在上表面类金刚石膜上；电路层开有供LED芯片穿过的孔，反射杯位于电路层上。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，散热基板的下表面为类金刚石膜，上表面安置LED芯片的地方为类金刚石膜，上表面其他地方为铜，散热基板的上表面通过绝缘的粘合层粘合有电路层；粘合层和电路层开有供LED芯片穿过的孔
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，散热基板下表面加工成散热鳍片，散热鳍片为类金刚石膜-铜复合材料；反射杯是铜或者铜和类金刚石膜复合材料。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，反射杯中填充有覆盖LED芯片和LED芯片的引线的密封剂。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，所述密封剂中掺有荧光粉。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，所述LED芯片有多个，且位于反射杯中。
作为上述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管的进一步优化的技术方案，所述类金刚石膜-铜复合材料的由如下方法制得：通过微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，其中入射微波为TE10模，微波频率为1~2. 45GHz，微波功率为850~950W；采用抛光后的( 100) 面硅片作为基片,先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗, 每种试剂清洗5~8分钟, 然后用氮气吹干；调节氢气流量为10-50sccm,甲烷流量为5-50sccm，衬底真空为（1.0~5. 0）×10-3Pa，注入负偏压为10~30KV，脉冲频率为100~300HZ，脉宽为10~20μs；沉积过程中基片温度保持在300~500℃，沉积时间为15~20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到30-50μm；然后通过电子束蒸镀在压强小于1. 0×10-5Pa条件下蒸镀2~5小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜；再把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中清洗，得所述类金刚石膜-铜复合材料。
本发明通过复合材料制成的散热基板与空气的接触，形成对流散热，增强散热效果。LED芯片过银胶或金属共晶焊与散热基板直接相连，LED芯片的热量直接通过铜板和类金刚石膜向空气辐射，这样传热路径就很短，传热效率大大提高。铜板的上下表面都可以镀上类金刚石膜，反射杯也可以由铜做成，反射杯的表面也可以镀上类金刚石膜，这样实现纵向横向同时高效散热。类金刚石薄膜本身绝缘，可以在上面直接做电路层，简化封装结构。
与现有技术相比，本发明与具有如下优点和技术效果
1）本发明散热基板和反射杯同时吸收芯片的热量，均有散热效果。
2）本发明使用铜或者类金刚石膜和铜复合材料作为LED芯片的反射杯，类金刚石膜在反射杯的外层，类金刚石膜向空气辐射热量。
3）本发明铜板表面作出不同的形状，类金刚石膜依据铜板的形状附着在铜板表面，增大了类金刚石膜和空气的接触面积。
4）本发明的LED芯片直接封装在类金刚石膜和铜复合材料制成的散热基板上，并且该散热基板不用安放在其它类型散热基板之上。
5）金刚石是热导率最高的物质，热导率可达2000W/m.K；。铜的热导率为397W/m.K。两者的热到率都非常地高，通过等离子增强化学气相沉积技术在同上镀上金刚石膜，薄膜的厚度可以调节。理论上类金刚是膜是金刚石结构和石墨结构的混合体，所以热到达不到金刚石的水平，但是可以达到900W/m.K以上，这已经非常之高。本发明将类金刚石膜-铜复合材料应用到LED芯片的散热中来,为LED的照明散热提供一种新的解决方案。在使用类金刚石膜和铜复合散热基板的基础上，改变LED芯片的封装结构，从导热路径和散热板向空气散热等角度提供优化设计方案，有效地解决大功率LED因为大量发热带来的亮度下降和寿命缩短的问题。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1为第一实施例的大功率LED结构示意图。 
图2为第二实施例的大功率LED结构示意图。
图3为第三实施例的大功率LED结构示意图。
图4 为第四实施例的大功率LED结构示意图。
图5 为第五实施例的大功率LED结构示意图。
图6 为第五实施例的大功率LED结构示意图。
图7a 为第六实施例的大功率LED结构示意图。
图7b为7a中包含LED部分的俯视图。
图中：14）散热基板；1类金刚石膜；2铜板；3粘合层；4电路层；5固晶胶；6LED芯片；7引线；8透镜；9反射杯；10密封剂；141鳍片；41电路层在位于LED芯片附近的电极。
具体实施方式
参阅图1至图7所示，本发明给出了采用类金刚石膜-铜复合材料作为散热基板的大功率LED封装结构的较佳实施例，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示：散热基板14上表面是铜2，下表面铜2和类金刚石膜1，类金刚石膜1在铜板2的下方，上下表面都是平面。LED芯片6通过固晶胶5直接放置在散热基板14上。LED芯片6的上方是透镜8，透镜8透镜的形状可以改变，根据不同的出光角度的要求。透镜8可以由弹性塑料、玻璃、树脂、亚克力等物质制成。散热基板14上面有粘合层3和电路层4；粘合层3和电路层4中心都有孔，孔的位置和LED芯片6的位置对应。这里，粘合层3也可以叫绝缘层。粘合层3是高热导绝缘物质，比如环氧树脂，或者填充了纳米碳纤维的粘胶。电路层4通过引线7把外界的电供给LED芯片6。需要说明的是：这里的铜板可以做不不同的形状，那么类金刚石膜的形貌也相应变化，这会增大膜的面积，加强散热效果。
散热基板14的制作方法是，通过微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，其中入射微波为TE10模，微波系统频率为1~2. 45GHz，微波功率为850~950W。由于类金刚石膜和铜的浸润性不好，难以生长出连续的类金刚石薄膜。我们采用抛光后的( 100) 面硅片作为基片（衬底）, 使用前先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗, 每种试剂清洗5~8分钟, 然后用氮气吹干。然后调节氢气流量为10-50sccm,甲烷流量为5-50sccm。衬底真空为（1.0~5. 0）×10-3Pa，注入负偏压为10~30KV，脉冲频率为100~300HZ，脉宽为10~20μs。沉积过程中基片温度保持在300~500℃，沉积时间为15~20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到30-50μm。然后我们通过电子束蒸镀在压强小于1. 0×10-5Pa条件下蒸镀2~5小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后我们用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜，铜也可以镀的更厚。铜可以起到支撑作用，防止类金刚石膜碎裂。再用配比为H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1的溶液把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中(HF:H2O=1:19) 清洗60s。这样就得到了复合基板，之后我们可以机械加工出我们想要的散热基板。 这里面我们也可以不经过电子束蒸镀和电镀工艺，就可得到类金刚石膜1，这类金刚石膜可以用来粘贴在其它高导热材料表面上。
如图2所示：该结构和图1基本相同，差别在于多了反射杯9和密封剂10，反射杯9位于电路层4上方，反射杯9有铜做成，电路层4和反射杯9之间是绝缘的。反射杯9也可以有其他物质做成，比如金属合金，陶瓷、塑料。反射杯9的表面积可以小一些，图中的反射杯的径向截面积非常大。反射杯9的内表面有一层高反射率的膜。反射杯9内的腔体里填充密封剂10，密封剂10通常用硅胶，硅胶有很多优点，它折射率大；不会变黄；保持凝胶状。密封剂10也可以和荧光物质混合，起到波长转换作用，比如把蓝光转换成黄光，最终合成白光。密封剂10里面也可以加入光发散介质，改变出射光的光场分布。密封剂上面盖上透镜8。
    如图3所示：该结构和图2基本相同，差别在于固晶胶5的下方多了一小块类金刚石膜1，类金刚石膜1下方才是铜板。此处的散热基板1形状比较特别，其下表面完全被类金刚石膜覆盖，上表面仅与LED芯片6对应的地方有块大小与LED芯片6相当的类金刚石膜，当然这小块类金刚石膜也可以更大一些。
如图4所示：该结构和3基本相同，差别在于固晶胶5的下方类金刚石膜1覆盖了整个铜基板2，也可以说，这里的散热基板14是三层结构，上下两层是类金刚石膜1，中间一层是铜板2。差别还在于这里的电路层做在在类金刚石膜上，不需要额外的绝缘层。因为类金刚石膜1是绝缘的，而图3中的粘合层3也是绝缘层。电路层4与类金刚石膜接之间无需额外的绝缘层。
如图5所示：该结构和图4基本相同，差别在于在反射杯9的上表面镀了一层类金刚石膜1，反射杯9材料是铜。这里也可以有另外一种选择，即反射杯材料是高导热的树脂，或者Al 、W及合金材料，AlN等导热良好的材料。此时，类金刚石膜是粘贴在上表面的。
如图6所示：该结构和图5基本相同，散热基板14的下表面加工出鳍片141，鳍片被类金刚石膜覆盖。鳍片可以加强对流散热，鳍片的形状和尺寸可以改变。LED芯片6产生的热量一方面通过散热基板并有鳍片向空气辐射，一方面通过反射杯向空气辐射。而且由于由类金刚石膜和空气接触，这将有效地提取结构中的热量。 
如图7a所示：该结构和图5基本相同，差别在于反射杯9的腔体里放置了多个LED芯片6。LED芯片6可以发相同波长的光，也可以发不同波长的光，不如红、绿、蓝三色。或者黄光和蓝光搭配。这个结构中有三处有类金刚石膜，散热基板和反射杯处的散热效果都大大增强。
如图7b所示：LED芯片6和位于LED芯片6附近的电路层4上的电极41相连。多个LED芯片6的排布和连接方式可以调整。由于散散热基板14和反射杯9的高热导，这里LED芯片6可以大于4个，可以同时是大功率芯片。从LED芯片6到空气的传热路径依次为LED芯片6、固晶胶5，类金刚石膜，铜，类金刚石膜。这个路径很短，中间没有金属散热块，也没有另外的散热板，而且两次有类金刚是膜出现。无疑，整个过程热阻会大大降低。

Claims (8)

1.散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，包括LED芯片（6）、透镜（8）和反射杯（9），LED芯片（6）位于反射杯中，透镜（8）位于反射杯上方，其特征在于还包括类金刚石膜-铜复合材料制成的散热基板（14）；所述的散热基板（14）的下表面直接和空气接触；LED芯片（6）通过固晶胶（5）或金属共晶焊直接安置在散热基板（14）的上表面；所述类金刚石膜-铜复合材料制成的散热基板（14）的下表面或下表面和上表面均为类金刚石膜（1）；散热基板（14）的上表面为铜，下表面为类金刚石膜（1），散热基板（14）的上表面通过绝缘的粘合层（3）粘合有电路层（4）；粘合层（3）和电路层（4）开有供LED芯片（6）穿过的孔。
2.根据权利要求1所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，还包括电路层（4），散热基板（14）的上表面和下表面为类金刚石膜（1），电路层（4）直接设在上表面类金刚石膜（1）上；电路层（4）开有供LED芯片（6）穿过的孔，反射杯位于电路层上。
3.根据权利要求1所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，散热基板（14）的下表面为类金刚石膜（1），上表面安置LED芯片（6）的地方为类金刚石膜（1），上表面其他地方为铜，散热基板（14）的上表面通过绝缘的粘合层（3）粘合有电路层（4）；粘合层（3）和电路层（4）开有供LED芯片（6）穿过的孔。
4.根据权利要求1所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，散热基板（14）下表面加工成散热鳍片(141)，散热鳍片(141)为类金刚石膜-铜复合材料；反射杯（9）是铜或者铜和类金刚石膜复合材料。
5.根据权利要求1所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，反射杯（9）中填充有覆盖LED芯片（6）和LED芯片的引线（7）的密封剂（10）。
6.根据权利要求5所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，所述密封剂（10）中掺有荧光粉。
7.根据权利要求1~6任一项所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，所述LED芯片（6）有多个，且位于反射杯（9）中。
8.根据权利要求7所述散热基板为类金刚石膜-铜复合材料的大功率发光二极管，其特征在于，所述类金刚石膜-铜复合材料的由如下方法制得：通过微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，其中入射微波为TE10模，微波频率为1~2. 45GHz，微波功率为850~950W；采用抛光后的( 100) 面硅片作为基片,先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗, 每种试剂清洗5~8分钟, 然后用氮气吹干；调节氢气流量为10-50sccm,甲烷流量为5-50sccm，衬底真空为（1.0~5. 0）×10-3Pa，注入负偏压为10~30KV，脉冲频率为100~300HZ，脉宽为10~20μs；沉积过程中基片温度保持在300~500℃，沉积时间为15~20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到30-50μm；然后通过电子束蒸镀在压强小于1. 0×10-5Pa条件下蒸镀2~5小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜；再把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中清洗，得所述类金刚石膜-铜复合材料。
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