專利名稱：散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種直接采用金剛石粉-銅粉復(fù)合材料作為散熱基板的大功率LED。
背景技術(shù)：
過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時代，其封裝散熱從來就不是問題，但近年來LED的亮度、功率皆積極提升，并開始用于背光與電子發(fā)明等應(yīng)用后，LED的封裝散熱問題已出現(xiàn)。在相同的單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會倍增，如此散熱情況當(dāng)然會惡化。例如，由于要將白光LED拿來做照相手機的閃光燈、要拿來做小型發(fā)明用燈泡、要拿來做投影機內(nèi)的發(fā)明燈泡，如此只是高亮度是不夠的，還要用上高功率，這時散熱就成了問題。更有甚者，在液晶電視的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且為了講究短小輕薄，使背部可用的散熱設(shè)計空間更加拘限，且若高標(biāo)要求來看也不應(yīng)使用散熱風(fēng)扇，因為風(fēng)扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。倘若不解決散熱問題，而讓LED的熱無法排解， 進而使LED的工作溫度上升，如此會有什么影響嗎？關(guān)于此最主要的影響有二 (1)發(fā)光亮度減弱、( 使用壽命衰減?，F(xiàn)有的大功率LED芯片封裝材料多是鋁基板和共燒陶瓷基板， 這是不能滿足散熱需求的，另外現(xiàn)有的封裝結(jié)構(gòu)還需要作出很多改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有LED芯片的散熱問題，提供金剛石粉-銅粉復(fù)合材料做散熱基板的大功率發(fā)光二極管。本發(fā)明主要通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)。散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，包括LED芯片、透鏡和金剛石粉-銅粉復(fù)合材料制成的散熱基板；所述散熱基板的下表面直接和空氣接觸，上表面設(shè)有凹坑，LED芯片通過固晶膠或金屬共晶焊直接安置在散熱基板上表面的所述凹坑底部；所述凹坑中填充有絕緣彈性透明物質(zhì)，絕緣彈性透明物質(zhì)覆蓋整個LED芯片及其引線， 透鏡蓋在凹坑上。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，散熱基板下表面設(shè)有電極，所述凹坑開有貫穿至散熱基板下表面的穿孔， LED芯片的引線通過穿孔與散熱基板下表面的電極連接。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述散熱基板除所述凹坑外的上表面設(shè)有電路層，電路層通過粘合層粘在散熱基板上表面，LED芯片的引線與電路層上的電極連接。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述散熱基板的下表面加工成散熱鰭片。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述透鏡覆蓋LED芯片及其引線。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)
3化的技術(shù)方案，所述絕緣彈性透明物質(zhì)為硅膠。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述絕緣彈性透明物質(zhì)中摻有熒光粉。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述凹坑中安置有多個LED芯片。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述金剛石粉-銅粉復(fù)合材料由如下方法制備把超高導(dǎo)熱的金剛石20(Γ300目粉顆粒和高導(dǎo)熱的銅粉30(Γ400目顆粒按混合，其中金剛石的體積比是 40%飛0%，利用磁控濺射的方法在混合顆粒表面鍍覆質(zhì)量比為0. 19Γ0. 3%的過渡族金屬， 所述過渡族金屬包括鉻、鈦或鉬；把處理后的混合物放入模具中，然后置于等離子體真空高壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫時間l(Tl5min，溫度達(dá)到100(Tl05(rC，壓強2(T40MPa，燒結(jié)時間l(Tl5min ；燒結(jié)后的復(fù)合材料，再做氬氣氛圍下的熱等靜壓，壓強為15(T200MPa，溫度 100(Tl04(rC，保溫3 4h，得所述金剛石粉-銅粉復(fù)合材料。作為上述的散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管進一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述超高導(dǎo)熱的金剛石熱導(dǎo)率為2000 W/m. K，所述高導(dǎo)熱的銅粉熱導(dǎo)率為 400 W/m. K。本發(fā)明的散熱基板是金剛石粉和銅粉經(jīng)過高壓燒結(jié)制成，可以做出不同的尺寸和外形，增大散熱基板與空氣的接觸面積，形成對流散熱，增強散熱效果。電路層和粘合層沒有覆蓋整個散熱基板表面，在LED芯片下方及附近裸露出散熱基板，LED芯片過(固晶膠)銀膠或金屬共晶焊與散熱基板直接相連。LED芯片的熱量直接通過散熱基板向空氣輻射，這樣傳熱路徑就很短，傳熱效率大大提高。而且結(jié)合散熱基板的本身優(yōu)良的熱學(xué)特性，將極大地抑制LED芯片結(jié)溫的上升。LED芯片被反射杯包圍，反射杯把側(cè)向光線反射出去，反射杯由高熱導(dǎo)物質(zhì)構(gòu)成，比如金剛石分-銅粉復(fù)合材料做成，這樣就有一個橫向的散熱效果。反射杯上方蓋上透鏡，透鏡的結(jié)構(gòu)對應(yīng)光的出射角度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果
1)本發(fā)明使用金剛石粉和銅粉復(fù)合材料作為LED芯片的散熱基板，而且，在基板上同時加工出鰭片和凹坑。2)本發(fā)明中，在金剛石粉和銅粉復(fù)合材料穿孔，把電極做到散熱基板的底端，散熱基板上表面進行設(shè)計出凹坑，LED芯片安放在凹坑內(nèi)，凹坑有反射杯功能。而且，LED芯片可以倒裝封裝。3)本發(fā)明的LED芯片直接粘合在金剛石粉和銅粉復(fù)合材料上，兩者之間沒有小金屬熱沉塊。并且，該散熱基板不用安放在其它類型散熱基板之上。4)本發(fā)明進一步優(yōu)化的技術(shù)方案中，通過特定參數(shù)下制得的金剛石粉-銅粉復(fù)合材料，具有較高的熱導(dǎo)率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出現(xiàn)有的鋁，共燒陶瓷等材料的熱導(dǎo)率。其次，金剛石粉和銅粉復(fù)合材料的表面，十分粗糙，增大這種復(fù)合材料與空氣的接觸面積，增強對流熱輻射。 再次，這種復(fù)合材料是有顆粒變成的塊狀結(jié)構(gòu)，所以很容易制成各種需要的結(jié)構(gòu)。這些特征都有利于用這種復(fù)合材料做LED照明裝置的散熱裝置。這無疑得到散熱效果很好的LED照明裝置，一方面拓展了這種復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面這種散熱裝置可以適用于不同的LED應(yīng)用場合。
總之，本發(fā)明在使用金剛石粉和銅粉復(fù)合散熱基板的基礎(chǔ)上，改變LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)，從導(dǎo)熱路徑和散熱板向空氣散熱等角度提供優(yōu)化設(shè)計方案，有效地解決大功率LED 因為大量發(fā)熱帶來的亮度下降和壽命縮短的問題。以有效散熱為主要目標(biāo)，同時兼顧發(fā)光特性，可以為不同應(yīng)用的LED發(fā)明提供幫助。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。圖1本發(fā)明第一實施例的剖面圖。圖加本發(fā)明第二實施例的剖面圖。圖2b本發(fā)明第二實施例的散熱基板的剖面圖。圖3本發(fā)明第三實施例的剖面圖。圖如本發(fā)明第四實施例的剖面圖。圖4b本發(fā)明第四實施例的仰視圖。本發(fā)明圖注說明
11散熱基板；2粘合層；3電路層；4固晶膠；5引線；6LED芯片； 7透鏡；8彈性透明物質(zhì)；9下表面電極；111鰭片；112凹坑；113穿孔。
具體實施例方式參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明給出的采用金剛石粉-銅粉復(fù)合材料作為散熱基板的大功率LED封裝結(jié)構(gòu)的較佳實施例，但本發(fā)明的實施方式和保護范圍不限于此。如圖1所示金剛石粉和銅粉復(fù)合材料制成的散熱基板11上表面在中心位置有凹坑112，LED芯片6通過固晶膠4直接放置在凹坑112的底面上，凹坑112相當(dāng)反射杯，凹坑112表面有高反射物質(zhì)，比如聚合物，金屬銀，鋁等，把LED芯片6側(cè)向的光發(fā)射出去。凹坑里填充彈性透明物質(zhì)8，通常用硅膠，硅膠有很多優(yōu)點，它折射率大；不會變黃；保持凝膠狀。彈性透明物質(zhì)8也可以和熒光物質(zhì)混合，起到波長轉(zhuǎn)換作用，比如把藍(lán)光轉(zhuǎn)換成黃光， 最終合成白光。彈性透明物質(zhì)8里面也可以加入光發(fā)散介質(zhì)，改變出射光的光場分布。彈性透明物質(zhì)上面蓋上透鏡7透鏡的形狀可以改變，根據(jù)不同的出光角度的要求。透鏡7可以由彈性塑料、玻璃、樹脂、亞克力等物質(zhì)制成。散熱基板上面有粘合層2和電路層3 ；粘合層2和電路層3中心都有孔，孔的位置和LED芯片6的位置對應(yīng)。粘合層2是高熱導(dǎo)絕緣物質(zhì)，比如環(huán)氧樹脂，或者填充了納米碳纖維的粘膠。電路層3通過金線5把外界的電供給 LED芯片6。金剛石是熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，它利用聲子傳熱，熱導(dǎo)率可達(dá)2000W/m. K ；金剛石的線熱膨脹系數(shù)可低至1. 2ppm/K。銅的熱導(dǎo)率在金屬中都是名列前茅的，其值為397W/m. K， 熱膨脹系數(shù)18ppm/K。利用銅材料延展性把銅填充在金剛石顆?？障吨兄瞥傻膹?fù)合散熱基板熱導(dǎo)率可達(dá)800W/m. K,熱膨脹系數(shù)5ppm/K左右。這種材料最適合制作高功率半導(dǎo)體芯片的襯底及導(dǎo)熱材料，例如本發(fā)明中的LED的芯片的散熱基板。除了高熱導(dǎo)率，金剛石-銅復(fù)合片的熱膨脹系數(shù)可以調(diào)整到接近半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)，避免熱應(yīng)力對半導(dǎo)體芯片的破壞。從散熱基板向空氣散熱的角度來看，散熱基板與空氣的接觸面積以及對流散熱方式都極其重要，而金剛石粉和銅粉復(fù)合散熱基板的表面，不經(jīng)額外加工，就已經(jīng)十分粗糙，這對導(dǎo)熱效率非常有益；從結(jié)構(gòu)的角度來看，金剛石粉和銅粉復(fù)合散熱基板容易塑形，因為從顆粒制成塊狀，最終的散熱基板的外形依模具的形狀而改變，而不像金屬基板需要打孔、切割等復(fù)雜工序。這個優(yōu)勢使得金剛石粉和銅粉復(fù)合散熱基板與LED芯片更加有效地耦合。
散熱基板11的制作方法是，把超高導(dǎo)熱的金剛石(2000 ff/m. K) 200^300目粉顆粒和高導(dǎo)熱的銅粉30(Γ400目(400 W/m.K)顆粒按(以體積為比例，金剛石的體積比是 409Γ60%)混合，由于金剛石和銅的浸潤性不好，金剛石粉表面進行表面金屬化處理，利用磁控濺射的方法在顆粒表面鍍覆質(zhì)量比為0. 19Γ0. 3%的過渡族金屬，例如鉻、鈦、鉬。表面金屬化處理有利于銅粉和金剛石粉在后期的粉末燒結(jié)工藝中提高晶界潤濕性。我們把混合物質(zhì)放入事先做好的模具中，模具形狀可以根據(jù)需求改變，然后置于等離子體真空高壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫時間l(Tl5min，溫度達(dá)到100(Tl05(TC，壓強20 40MPa，燒結(jié)時間l(Tl5min 。燒結(jié)后的復(fù)合材料，再做氬氣氛圍下的熱等靜壓，壓強為15(T200MPa，溫度100(T104(TC， 保溫;T4h。進一步使晶界處的金屬原子和碳原子之間形成化學(xué)鍵，兩者有機結(jié)合，把空隙數(shù)量降至最少。因為金剛石是聲子傳熱，空隙會造成大的熱阻。這樣就制備出致密的塊狀金剛石粉-銅粉復(fù)合材料。我們可以機械加工出我們想要的散熱基板，如果前面工藝中的模具做的合適，甚至就不需要機械加工步驟了。我們調(diào)整實驗數(shù)據(jù)得到不同熱導(dǎo)率的金剛石粉銅粉復(fù)合材料。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表格如表1所示，其中金剛石為200目，銅粉為300目。 表 1
實驗比例(金剛石體積百分比)燒結(jié)溫度CC)壓強(Iffa)燒結(jié)時間(min)熱導(dǎo)率(W/m.K)實驗14010102010513實驗24010303010525實驗34010404010517實驗45010103010533實驗55010304010547實驗65010402010482實驗76010104010606實驗86010302010589實驗96010403010734
如圖加所示該結(jié)構(gòu)和圖1基板相同，差別在于散熱基板11的下表面作出散熱鰭片 111。LED工作時的熱量通過散熱基板向下經(jīng)由散熱鰭片向空氣輻射，也可以由散熱基板的側(cè)面像空氣散熱。這里，散熱基板的側(cè)面也可以加工出鰭片，或者其他粗化樣式，以加強空氣對流散熱。如圖2b所示散熱基板11的結(jié)構(gòu)圖，上表面有凹坑112，下表面有散熱鰭片111， 散熱鰭片的尺寸和排布可以根據(jù)需求作出改變。這樣大大簡化了封裝結(jié)構(gòu)，用同一塊金剛石粉和銅粉復(fù)合材料，加工一體化加工，做出一個集散熱基板，鰭片，反射杯與一體的形狀， 這樣使得LED封裝工序簡化，降低了批量生產(chǎn)的成本。另一個重要優(yōu)點體現(xiàn)在LED性能方面，使用圖中結(jié)構(gòu)封裝LED芯片6，熱傳導(dǎo)路徑很短，即LED芯片6，固晶膠4到散熱基板到空氣，中間沒有其他介質(zhì)。除了固晶膠4熱阻大些，固晶除了用銀膠，也可以用金錫合金，為了減少熱阻，使用金錫共晶焊更好。沒有散熱金屬小塊，沒有其他散熱材料，所以導(dǎo)熱效果肯定很好。如圖3所示該結(jié)構(gòu)和圖加基板相同，差別在于凹坑112里面放置多個LED芯片 6。LED芯片6可以發(fā)相同波長的光，也可以發(fā)不同波長的光，不如紅、綠、藍(lán)三色?；蛘唿S光和藍(lán)光搭配。可以調(diào)整凹坑112的深度和側(cè)邊的傾斜角度，以及里面的LED芯片的排布方式，來改變出光的配光曲線。
如圖如所示散熱基板11上方有凹坑112，LED芯片放置在凹坑112的底面上。 凹坑112的中心部位有穿孔113，穿孔113里面有導(dǎo)線，通過散熱基板11下表面的電極，向 LED芯片6供電。凹坑112內(nèi)表面有該反射涂層，凹坑112相當(dāng)于反射杯。圖中的穿孔可以多于兩個，比如四個，該圖中的凹坑中也可放置大于1個LED芯片6。另外在這種結(jié)構(gòu)中，可以使用LED芯片的倒裝封裝方式，這樣的話，就可以免去引線5，因為此種情形下，芯片的兩個電極都與穿孔非常近，只有調(diào)整穿孔的位置，就可以用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠把兩個電極連接至穿孔位置處。如圖4b所示外部電路通過下表面電極9，再經(jīng)過穿孔113向LED芯片供電，這里的穿孔可以大于兩個，對應(yīng)的引線5也可以大于兩條。也可以考慮多個LED芯片集成封裝。
權(quán)利要求
1.散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，包括LED芯片(6)和透鏡(7)，其特征在于還包括金剛石粉-銅粉復(fù)合材料制成的散熱基板(11)；所述散熱基板 (11)的下表面直接和空氣接觸，上表面設(shè)有凹坑(112)，LED芯片(6)通過固晶膠(4)或金屬共晶焊直接安置在散熱基板(11)上表面的所述凹坑(112)底部；所述凹坑(112)中填充有絕緣彈性透明物質(zhì)(8)，絕緣彈性透明物質(zhì)(8)覆蓋整個LED芯片(6)及其引線，透鏡(7) 蓋在凹坑上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，散熱基板(11)下表面設(shè)有電極，所述凹坑開有貫穿至散熱基板(11)下表面的穿孔，LED芯片(6 )的引線通過穿孔與散熱基板(11)下表面的電極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管， 其特征在于，所述散熱基板除所述凹坑外的上表面設(shè)有電路層(3)，電路層(3)通過粘合層 (2)粘在散熱基板上表面，LED芯片(6)的引線與電路層(3)上的電極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述散熱基板(11)的下表面加工成散熱鰭片(111)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述透鏡(7)覆蓋LED芯片(6)及其引線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述絕緣彈性透明物質(zhì)(8)為硅膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述絕緣彈性透明物質(zhì)(8)中摻有熒光粉。
8.根據(jù)權(quán)利要求廣7任一項所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述凹坑(112)中安置有多個LED芯片(6)。
9.根據(jù)權(quán)利要求廣7任一項所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述凹坑(112)表面有高反射物質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求廣7任一項所述散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，其特征在于，所述金剛石粉-銅粉復(fù)合材料由如下方法制備把超高導(dǎo)熱的金剛石20(Γ300目粉顆粒和高導(dǎo)熱的銅粉30(Γ400目顆粒按混合，其中金剛石的體積比是 40%飛0%，利用磁控濺射的方法在混合顆粒表面鍍覆質(zhì)量比為0. 19Γ0. 3%的過渡族金屬， 所述過渡族金屬包括鉻、鈦或鉬；把處理后的混合物放入模具中，然后置于等離子體真空高壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫時間l(Tl5min，溫度達(dá)到100(Tl05(rC，壓強2(T40MPa，燒結(jié)時間l(Tl5min ；燒結(jié)后的復(fù)合材料，再做氬氣氛圍下的熱等靜壓，壓強為15(T200MPa，溫度 100(T104(TC，保溫3 4h，得所述金剛石粉-銅粉復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了散熱基板為金剛石粉-銅粉復(fù)合材料的大功率發(fā)光二極管，包括LED芯片、透鏡和金剛石粉-銅粉復(fù)合材料制成的散熱基板；所述散熱基板的下表面直接和空氣接觸，上表面設(shè)有凹坑，LED芯片通過固晶膠或金屬共晶焊直接安置在散熱基板上表面的所述凹坑底部；所述凹坑中填充有絕緣彈性透明物質(zhì)，絕緣彈性透明物質(zhì)覆蓋整個LED芯片及其引線，透鏡蓋在凹坑上。復(fù)合材料以最短路徑從大功率LED提取熱量，并且直接向空氣散熱。由于該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率很大，再結(jié)合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以用來為單個大功率LED和LED模組散熱，達(dá)到提高光輸出功率和延長LED使用壽命的目的。
文檔編號H01L33/48GK102339945SQ20111033492
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月29日
發(fā)明者周德濤, 姚光銳, 宋晶晶, 張濤, 范廣涵, 趙芳, 鄭樹文 申請人:華南師范大學(xué)