[發明專利]一種大功率曲面LED散熱基板及其封裝方法

在審

• 申請號: 201410292860.7
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104022217A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 姚榮遷;張帥豐;符長平;毛宇;林佳龍;馮祖德
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L33/64
• 分類號: H01L33/64;H01L33/48
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森;戴深峻

技術領域

本發明涉及LED散熱基板，尤其是涉及一種大功率曲面LED散熱基板及其封裝方法。

背景技術

發光二極管(Light-Emitting?Diode，簡稱LED)是一種能將電能轉化成可見光的固態半導體器件。作為最為高效、節能和環保的全新光源，LED被譽為人類照明史上的第四次革命。LED作為第四代電光源，以其體積小、發光效率高、耗電量低、響應速度快、使用壽命長等優良特性，可較好地滿足綠色節能環保要求，已成為人們關注和研究的熱點。目前，LED已經廣泛應用于電子產品顯示屏、背光源和指示燈等領域。

LED具有一些其他光源所不具備的優點。由于LED利用注入式電致發光原理，直接將電能轉化成光能，其發光效率遠遠高于傳統白熾燈和應用廣泛的節能燈。LED不含有毒重金屬汞，與目前使用較多的熒光燈相比，對環境沒有潛在危害。此外，LED還有諸如體積小，壽命長，無輻射等優點。

目前，由于LED散熱性能欠佳，使其多用于功能發光，難以大規模應用于照明市場。隨著LED向高光強、大功率、小尺寸的趨勢發展，其芯片熱流密度及器件封裝結構復雜度越來越大，散熱問題日益嚴峻。由于高功率發出更多熱，限于小體積這些熱量難以散出，會直接導致器件的老化，造成熒光粉光量子產率下降，縮短其使用壽命，甚至導致芯片失效，這使得LED的散熱成為阻礙其應用于照明的所面臨一個問題。LED傳統封裝后必須采用透鏡進行光設計，才能將LED光源調節為照明用的曲面光，光線在透鏡中發生折射，這勢必導致光損耗，降低能量利用率，這使得封裝成為阻礙LED應用于照明所面臨的一個問題。因此，解決大功率LED散熱和封裝的問題對其發展具有重要意義。

為了解決照明LED的散熱問題，一種傳統大功率LED燈采用將大量低功率LED排成陣列的形式，避免使用大功率LED芯片。由于采用低功率LED芯片，能有效地解決散熱問題，同時采用大量LED芯片，也可以滿足照明用光強。但是，由于每個LED芯片單獨發光，光源不連續，致使發光不均勻，嚴重影響了該光源的視覺效果，長期使用會產生不適感，不適合作為照明光源使用。

一種傳統大功率LED散熱基板是鋁基板，包括金屬基底、絕緣層和電路層。采用多層設計以滿足LED所需電路設計，有熱導率高、成本低等優點。但芯片和散熱基板間的熱界面材料熱阻較大，熱沉導熱性能不高，絕緣層一般采用熱阻較大的有機材料，在使用過程中熱量無法導出，影響LED的發光質量和使用壽命。另外，基板與芯片襯底不匹配以及層間材料種類不同而存在界面，使其存在熱膨脹系數差異與晶格失配，導致熱應力問題。在大功率LED的使用過程中，隨著發光時熱量積累，溫度升高，熱應力問題會愈發嚴重，難以滿足高密度封裝要求，導致LED發光失效。

另一種基板是陶瓷基板，主要是氮化鋁陶瓷基板，包括氮化鋁基底和表面銅電路層。氮化鋁有較高的絕緣性、導熱性、低的介電常數和介電損耗，同時兼具了鋁基板中金屬基底和絕緣層的優點，且具有與GaN接近的晶格匹配和熱膨脹系數。但是氮化鋁和表面銅電路層難以緊密接合，兩者之間還有較為明顯的熱失配。此外，這種陶瓷基板陶瓷原料制作困難，加工成本高，使用受到限制，不適宜廣泛應用。

此外，為解決大功率LED芯片材料與散熱材料間因熱膨脹失配造成電極引線斷裂的問題，采用Cu/Mo板和Cu/W板等合金作為散熱基板也是可行的，但生產成本過高，難以大規模應用于LED封裝散熱。

傳統的照明用LED封裝有兩種。一種是SMD封裝，這種封裝方式是將單個LED芯片封裝成LED單元，然后將這些單元排列安裝在電路板上。此方法工藝流程簡單，LED單元可大量生產，常應用于功能光源，裝飾光源等。但是作為照明用LED，單個單元功率不足，發光強度不足以進行照明，若將多個單元組合成陣列，則會導致發光不均勻的問題。另一種是COB封裝，這種封裝方式直接將多個LED芯片封裝成一個單元。這種封裝方式得到的單元發光面積較大，光源連續均勻，但是得到的光源仍然是平行光，要經過光設計才能應用于照明。以上兩種封裝使用的是傳統散熱基板，散熱性能不理想，長期使用會使工作溫度升高，影響LED燈具的使用。

中國專利CN101672460A公開了一種LED散熱結構，采用新型的有高放射率，耐高溫且絕緣的涂布層，以達到絕緣和散熱效果，省去了傳統的有機絕緣層。涂布層涂布于LED焊點，且直接與空氣接觸，借由涂布層增大了LED的散熱面積。但是，涂布層由陶瓷粉末和有機粘結劑組成，難以連接外加的金屬散熱片，只能通過制造空氣流動散熱，相比于金屬散熱片，這樣的散熱效果并不好，同時必須制造出空氣流動限制了其使用范圍。