[發(fā)明專利]一種大功率LED封裝用膜層及其制備和封裝方法

有效

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• 申請日: 2013-09-03
• 公開（公告）號: CN103474553A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易江龍;張宇鵬;王昕昕;陳和興
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州有色金屬研究院
• 主分類號: H01L33/48
• 分類號: H01L33/48;H01L33/64;H01L33/00
• 代理公司: 廣東世紀(jì)專利事務(wù)所 44216
• 代理人: 千知化

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED封裝中熱沉與芯片互連使用的膜層及其制備和封裝方法，尤其涉及需要高導(dǎo)熱率的大功率LED封裝用膜層及其制備和封裝方法。

背景技術(shù)

大功率LED是邁向下一代照明光源的主力軍，但目前大功率LED還存在一些技術(shù)問題亟待解決。在電光轉(zhuǎn)換時，大約有80~90%的電能變成熱量，隨著LED產(chǎn)品功率密度和封裝密度的提高，這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題，嚴(yán)重影響了LED的可靠性。因此，在推廣照明用大功率密度高亮度LED產(chǎn)品時必需選擇有效的散熱解決方案。

目前，國內(nèi)外LED企業(yè)在大功率LED的散熱方面主要采用兩類散熱基板：金屬基板和陶瓷基板。其中1~5W白光LED多使用鋁合金等金屬基板，而5~10W白光LED主要使用Al₂O₃(氧化鋁)、LTCC（低溫共燒陶瓷）或AlN（氮化鋁）的陶瓷基板。雖然陶瓷基板比金屬基板有更好的散熱性能，但對于大電流工作的大功率白光LED而言，這樣的散熱效果并不能令人滿意，仍需要使用更高導(dǎo)熱率的散熱基板，大功率LED的發(fā)展才有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。高效的散熱基板與LED芯片如果采用導(dǎo)熱率很低的膠粘接，將會嚴(yán)重降低實際的散熱效果，因此需要采用高導(dǎo)熱的連接材料將LED芯片和散熱基板連接在一起。

LED產(chǎn)生的熱量需要通過熱沉或者基體的熱傳導(dǎo)才能散發(fā)至環(huán)境中，為了降低傳熱路徑上的熱阻，大功率LED芯片與基板的互連材料需要有非常好的導(dǎo)熱性能。如果互連材料連接區(qū)存在空洞，熱傳導(dǎo)的路徑受到影響，芯片局部溫度過高也可能導(dǎo)致發(fā)光二極管失效。空洞可能由不良的工藝過程或金屬原子在界面上的擴(kuò)散引起。電遷移同樣會引起空洞產(chǎn)生，如果金屬中產(chǎn)生足夠的電流密度，空洞和金屬原子會朝著相反的方向遷移，引起空洞形成。材料在溫度升高的情況也會產(chǎn)生線收縮現(xiàn)象，不同的材料在溫度變化時會有不同的線伸縮率。在LED器件的長期使用過程中，如果兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)相差非常大，就會在材料之間產(chǎn)生非常高的內(nèi)應(yīng)力，互連界面間空洞的形成會引起應(yīng)力在某些區(qū)域的集中，導(dǎo)致連接層與基板界面處的結(jié)合強(qiáng)度降低，甚至在連接層上會有裂紋和脆斷情況發(fā)生，從而影響LED器件的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，以及出現(xiàn)死燈現(xiàn)象。

要廣泛地將LED應(yīng)用到通用照明，必須解決其封裝問題，即封裝材料、封裝工藝、以及封裝結(jié)構(gòu)的高溫可靠性等技術(shù)問題。近年來，盡管在LED芯片的材料、設(shè)計和制造等領(lǐng)域都取得很大的進(jìn)展，但是芯片與基板、基板與熱沉以及熱沉與散熱器之間的封裝連接技術(shù)以及整個系統(tǒng)的熱設(shè)計和熱管理等方面的技術(shù)并沒有跟上器件本身發(fā)展的步伐。特別是大功率的LED燈具都是在數(shù)安培甚至幾十安培的大電流條件下運(yùn)行的，這對整個發(fā)光系統(tǒng)的高溫可靠性提出了苛刻的要求。換言之，封裝技術(shù)（包括材料、工藝和高溫可靠性）已經(jīng)成為制約大功率LED照明技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸問題。LED封裝中一個重要環(huán)節(jié)是LED芯片與熱沉的微連接。LED芯片與熱沉之間的互連焊層由于直接與芯片連接，受到LED器件（特別是功率型LED）在工作過程中的熱傳導(dǎo)，容易產(chǎn)生老化和受溫度循環(huán)沖擊的作用，導(dǎo)致互連焊層的提前失效，進(jìn)而影響整個器件的壽命，因此對LED芯片與熱沉互連焊層的可靠性提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種具有可靠性高、散熱性能好的專門針對大功率LED封裝使用的膜層。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述膜層的制備方法。

本發(fā)明的再一個目的是不使用任何助焊劑，保證封裝連接層的致密度，實現(xiàn)大功率LED的高導(dǎo)熱性的封裝方法。

本發(fā)明所述的大功率LED封裝使用的膜層為金屬/金屬多層膜；所述金屬為Al、Ni、Ti?、Pd和Si；金屬/金屬的原子比為1~3:1；金屬/金屬單層膜厚度50~200nm，金屬/金屬多層膜總厚度10~30μm。

本發(fā)明所述LED封裝使用的膜層制備方法：采用磁控濺射方法制備膜層，金屬靶材的純度均為99.99%，基底為60×30×1mm³黃銅片，濺射前用丙酮清潔基底，再用酒精擦拭，吹干，用Ar離子對基底進(jìn)行濺射清洗5min，本底真空6×10^-3Pa，工作氣體為分析純Ar，濺射氣壓0.3Pa，直流濺射功率為1200~1800W，沉積時間為20~120秒，兩種金屬交替沉積成膜；沉積鍍膜完成后，將膜層從基底上剝離，即得到所述膜層。