CN100341161C - 功率型led照明光源的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高发光通量、高可靠性及低热阻的功率型LED照明光源的封装结构。它包括基板，其内部形成与外部连接的电路；安装在基板中心的LED芯片；包覆基板中部的塑料外壳，外壳具有安装聚光透镜的台阶。基板的材料为导热率高的金属基板，优选铜基板，其形状优选为长方形；基板上表面的中心有一锥形凹坑，LED芯片固定于该凹坑的底部平面上；塑料外壳包裹于基板的中部，聚光透镜粘合在塑料外壳上部的台阶里。基板未完全被塑料外壳包裹，而是两端外露；聚光透镜的材料使用光学塑料或光学玻璃。本发明还可选地在聚光透镜的底部表面涂敷一层YAG层，来改变光的颜色或色温。本发明还提供一种利用该结构来制备半导体固体照明光源的方法。

Description

功率型LED照明光源的封装结构

                        技术领域

本发明涉及半导体技术，具体涉及光发射二极管为主要元件的一种照明光源；本发明还涉及该照明光源的封装结构，利用该结构来制备照明光源的方法。

                        技术背景

可见光的光发射二极管(LED)起源于20世纪90年代，是超高亮度LED应用领域的拓展，1991年，红、橙、黄色AlGaInN类高亮度LED的实用化揭开了LED发展的新篇目，使LED的应用从室内走向室外，成功的应用于各种交通信号灯、汽车尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝色、绿色AlGaInN类超高亮度LED的相继研制成功，实现了LED的超高亮度全色化。然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED半导体固体照明光源取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明灯已成为新世纪的发展目标。

由此可见，功率型半导体固体照明光源的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率(lm/W)和每一器件(组件)的发光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片取光效率很低。由于半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。

目前由于沿用了传统的指示灯型LED制造工艺和封装结构，工作电流一般为20mA，其封装热阻高达300℃/W，不能满足充分散热的要求，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外环氧树脂变黄也将使光输出降低。按照这种常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高效率和高通量的要求，从而不能达到照明光源的要求。

功率型LED在大电流下产生比φ5mm白光LED大10-20倍的光通量，因此必须通过使用有效的散热和采用不劣化的封装材料来解决光衰减问题，管壳及封装已成为研制功率型LED的关键技术之一，全新的LED功率型封装设计理念主要归纳为两类：一是单芯片功率型封装；另一是多芯片功率型封装。

有关LED的专利文献很多，例如较早的JP8-102550，没有具体叙述用于照明光源的封装。同样还有CN1296296，叙述了倒装焊接的LED器件。CN1215503和1315057公开了LED器件及其制备，其中在电极上制作一些微型凸柱以便减少电极尺寸并且完善连接，它们都使用树脂封装。JP10-200186使用抛物线反光面，但它是垂直安装。JP2001-156330在蓝宝石衬底中掺杂铬以便在550nm处有吸收，并且有炮弹型外壳聚光罩。但是以上专利没有一篇公开使用铜基板进行封装，以及使用光学玻璃进行封装；也没有明确将LED用于照明光源。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高发光通量、高可靠性及低热阻的功率型LED照明光源的封装结构。

本发明另一个目的是提供一种利用该结构来制备半导体固体照明光源的方法。

本发明照明光源包括基板1，其内部形成与外部连接的电路；安装在基板中心的LED芯片4；包覆基板中部的塑料外壳2，外壳具有安装聚光透镜3的台阶。

基板1的材料为导热率高的金属材料，优选铜基板，其形状为长方形；基板1上表面的中心有一锥形凹坑11，该凹坑的直径和深度根据需要确定，没有严格限制；LED芯片4固定于该凹坑11的底部平面上，LED芯片的数量根据需要可为一个或多个；基板1上表面从里到外依次有内绝缘层12、覆铜层13、电极层14和外绝缘层15，其中电极层和外绝缘层形成在同一平面，从而形成内部导电通路。

塑料外壳2包裹于基板1的中部，并在基板上凹坑11的上方开孔且形成台阶21，聚光透镜3粘合在塑料外壳2上部的台阶21里。

基板1并未完全被塑料外壳2包裹，而是两端外露；聚光透镜3的材料排除树脂，使用光学塑料或光学玻璃。

另外，本发明还可选地在聚光透镜3的底部表面涂敷一层YAG层7，来改变光的颜色或色温。

本发明照明光源的封装制备方法包括步骤：

制备中心具有凹坑的金属基板；

从金属基板上表面依次形成内绝缘层、覆铜层、电极层和外绝缘层，其中电极层和外绝缘层形成在同一平面，从而形成内部导电通路；

用注塑方法在基板中段形成具有放置透镜的台阶的塑料外壳；

用粘合剂将LED芯片固定在基板的凹坑底部平面上；

用金丝将LED芯片电极与基板上塑料外壳内的电极连接；

将透镜安装在塑料外壳的台阶上。

本发明还可选地在光透镜的底部平面涂敷一层改变光的颜色或色温的YAG层。

金属基板的材料没有严格限制，一般使用铜基板，铝基板或其合金，其中优选铜基板，导热率较高，有利于LED芯片的散热。金属基板的形状也没有严格限制，为了利于封装，优选长方形。锥形凹坑表面有较高光洁度的反射层，以便增强反光；底部平面方便固定LED芯片。基板上的电路一般用覆铜层腐蚀形成，电极镀金；基板上各层的材料和厚度，电路的排布，电极的数量、形状和位置可以根据使用需要设计。可通过粘接方式固定芯片，优选使用高导热性能的胶粘接固定，这样可有效的降低结构的热阻。根据需要，芯片可以是一个或多个。注塑塑料外壳可以保护并加固以上结构，并且为聚光透镜提供安装位置。因为本发明关键在于低热阻、结构稳定并能耐高温，因此，除使用高导热性能的胶粘接芯片之外，聚光透镜的材料排除树脂，一般使用光学塑料或光学玻璃，可根据LED芯片的功率选择透镜的材料，功率较小的(如1W)使用光学塑料，功率较大的(如3～5W)使用光学玻璃。它们的机械性能，导热性，透光性和耐高温性能都优于树脂，其优点不言而喻。可选地在聚光透镜的底部平面涂敷一层YAG，通过发出特定波长的光的芯片来激发YAG，可以获得不同颜色的光。当然，不同添加剂改变不同色泽或其他性能。传统的把添加剂直接滴覆于芯片上的方式会大大影响芯片的散热效果，从而影响光源的性能。

                        附图说明

图1是本发明中金属基板的剖面图；

图2是本发明中金属基板的立体图；

图3是本发明中塑料外壳的立体图；

图4是本发明功率型LED照明光源的封装结构的立体图。

图5是本发明功率型LED照明光源的封装结构的剖面图。

图6是一种应用本实用功率型LED照明光源的组合光源示意图。

                      具体实施方式

下面参照附图结合实施例进一步详述本发明。

实施例一一种功率型LED照明光源的封装结构

请参阅图1和图2，其中金属基板1为长方形铜基板。铜基板1上表面的中心用模具冲压或车床车制成具有锥形凹坑11的形状，该凹坑表面有较高光洁度，形成一光滑的反射层。根据封装需要基板上形成相应的电路和正、负电极，其中141和142是与LED芯片4和连接的电极，143和144是与外部电路连接的电极。电路由覆铜层腐蚀形成，各组电极表面镀金。铜基板还有两个安装孔161和162。

请参阅图3，用注塑的方法在铜基板1中段形成塑料外壳2，并在基板上凹坑11的上方开孔且形成台阶21，用于放置和固定聚光透镜3。基板并未完全被塑料外壳包裹，而是两端外露，对散热有利，基板上与外部电路连接的电极143和144也露在外面。

一个LED芯片4用高导热性能的胶直接固定在锥形凹坑11底部的平面上，使得芯片4产生的热量能够通过铜基板1迅速传出；LED芯片的功率为3W。

LED芯片4的电极与基板1上的镀金电极141和142通过金丝5焊接。

请参阅图4和图5，将尺寸合适的光学玻璃烧制成聚光透镜3；将该聚光透镜3置于塑料外壳2上部，并且嵌入台阶21内，在接合部位以合适的胶固定。

实施例二另一种功率型LED照明光源的封装结构

基本按照与实施例一相同的步骤，不同的是LED芯片4的功率是1W，并且是由8个芯片组合安装在铜基板1上；其中在聚光透镜的底部表面涂敷一层YAG粉7，通过发出特定波长的光的芯片来激发YAG粉，以获得所需颜色的光。

实施例三又一种功率型LED照明光源的封装结构

基本按照与实施例一相同的步骤，不同的是聚光透镜3的材料为光学塑料PMMA(压克力)，注塑制造。

实施例四一种应用多个本发明功率型LED照明光源的组合光源

请参阅图6，制作一块铝基板8，其上开有方槽，以使各功率型半导体固体照明光源的铜基板能够和铝基板贴合，以利于热量散发；由8个功率型半导体固体照明光源通过铜基板上的安装孔161、162固定在铝基板上，然后连接相应的电极和电路。

本发明具有如下优点：

1)由于采用金属基板，而且芯片直接以高导热性能的胶固定于该金属基板凹坑的底部，使芯片产生的热量能够迅速传出；

2)芯片置于金属基板的锥形凹坑底部，该凹坑表面为一光滑的反射面，将芯片发出的光线向上方反射，可以减少光线的损失，提高取光效率；

3)聚光透镜材料采用导热率较高的光学玻璃或光学塑料而非传统的导热率低的光学环氧树脂，从而使该功率型半导体固体照明光源在大功率情况下更好散热；

4)因为透镜的设置，可以增加该功率型半导体固体照明光源的亮度及改善光的指向性，并且透镜材料稳定性高，不易出现老化衰减等现象；

5)在透镜的底部平面涂敷一层添加剂，而不是直接滴覆于芯片上，可改善芯片的散热效果。

从上可知，本发明了提供一种热阻低，可靠性高，发光通量高的功率型LED照明光源封装结构，并且提供了一种利用该结构来制备半导体固体照明光源的方法。以上详细叙述了本发明的封装结构，显然，本领域技术人员可作许多改良和变换，例如封装的结构和尺寸以及材料的变化等，均落入本发明的精神范围。

Claims (10)

1.一种功率型LED照明光源的封装结构，包括：

金属基板，其中心具有凹坑；

从金属基板上表面依次形成内绝缘层、覆铜层、电极层和外绝缘层，其中电极层和外绝缘层形成在同一平面，从而形成内部导电通路；

安装在基板凹坑中的LED芯片；

包覆基板中部的塑料外壳，外壳具有安装聚光透镜的台阶。

2.根据权利要求1的封装结构，其特征在于基板材料为导热率高的金属材料。

3.根据权利要求1或2的封装结构，其特征在于基板材料为铜。

4.根据权利要求1的封装结构，其特征在于基板为长方形。

5.根据权利要求1的封装结构，其特征在于基板上表面中心具有锥形凹坑，LED芯片安装在凹坑底部平面上，凹坑表面有反射层。

6.根据权利要求1的封装结构，其特征在于基板未完全被塑料外壳包裹，两端外露。

7.根据权利要求1的封装结构，其特征在于聚光透镜为光学塑料聚光透镜或光学玻璃聚光透镜。

8.根据权利要求1的封装结构，其特征在于还包括聚光透镜的底部平面涂敷一层改变光的颜色或色温的YAG层。

9.一种功率型LED照明光源的封装制备方法，包括如下步骤：

制备中心具有凹坑的金属基板；

从金属基板上表面依次形成内绝缘层、覆铜层、电极层和外绝缘层，其中电极层和外绝缘层形成在同一平面，从而形成内部导电通路；

用注塑方法在基板中段形成具有放置透镜的台阶的塑料外壳；

用粘合剂将LED芯片固定在基板的凹坑底部平面上；

用金丝将LED芯片电极与基板上塑料外壳内的电极连接；

将透镜安装在塑料外壳的台阶上。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于还包括聚光透镜的底部平面涂敷一层改变光的颜色或色温的YAG层。

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