CN101673802B - 集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率led模块及其制备方法 - Google Patents

集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率led模块及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块及其制备方法。本发明采用单颗或多颗大功率发光二极管LED键合在镀有氮化铝AlN薄膜的铜Cu(或铝Al)基板上，其下部焊接有热管，热管底端焊接有散热片，上部焊接有一个金属框，框内布置有单个或多个发光二极管LED芯片，芯片上部有机硅胶灌封避免了荧光体与芯片直接接触，降低了荧光体光衰；硅胶上部为荧光粉胶体层，荧光体形状为中间厚，周围薄，大大提高了出光均匀性；热管与基板、基板与金属框均采用回流焊接，减少了界面热阻。本发明从衬底、粘结层、荧光粉、基板等多个层次上提高大功率发光二极管LED芯片的散热能力和光学性能，器件可靠性高，可广泛应用于照明领域。

Description

集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块及其制备方法，该发明可以大幅度提高大功率LED的散热性能，提高大功率LED的效率、亮度及可靠性，有助于LED照明的普及。
背景技术
薄膜的常用制备方法以气相沉积方法为主，包括物理气相沉积(PVD)方法和化学气相(CVD)方法，近来发展起来的激光熔蒸方法利用激光脉冲熔蒸靶材中的原子或分子到衬底上形成薄膜，它也是一种PVD的方法，其特点是有助于生长外延的氧化物单晶薄膜。非气相沉积方法有：液相外延和固相外延方法，朗谬尔-布洛杰特(Langmuir-Blodgett)方法，化学溶液涂层法等。
氮化铝AlN作为宽带隙的直接带隙半导体，是一种重要的蓝光和紫外发光材料。同时，因为又具有高热导率、高硬度、高熔点以及高的化学稳定性、大的击穿场强和低的介电损耗，尤其是氮化铝AlN与硅Si、砷化镓GaAs等常用半导体材料的热膨胀系数相近和兼容性强的特点，氮化铝AlN薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。由于AlN具有较高的介电常数，所以氮化铝AlN是一种很好的MIS绝缘材料。目前，大多数成膜方法都已应用于氮化铝AlN薄膜的制备。其中比较成熟的主要有化学气相沉积法(CVD)、反应分子束外延法(MBE)、等离子体辅助化学气相沉积法(PACVD)、激光化学气相沉积法(LCVD)、金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)、磁控反应溅射法(MRS)和离子注入法等。
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，介于蒸发段和冷凝段之间的为绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此往复循环，热量由热管的一端传至另一端。热管除了散热性能好以外，结构简单、重量轻、体积小，在传递热量时，不需要有转动部件的辅助设备等优点。维修量少，可靠性高，无噪音，选择适宜的工质和管壳材料，可制造出使用温度范围大、寿命长的热管。
白光是由LED的制作方式通常有：RGB混光、LED蓝光芯片上涂覆YAG荧光粉及LED紫外光芯片上涂覆RGB荧光等三种途径。RGB是光的三原色，其它各种颜色均可通过RGB的混光得到；只要通过各芯片的电流稳定、散热性好，这种方法制作白光LED产生的白光稳定且简单，但是由于红、绿、蓝三种芯片的光衰不一样，驱动方法要考虑到不同芯片的光衰不一样，操作起来较为复杂。从LED基片发出的蓝光在荧光粉层中多次反射并被荧光粉部分吸收，荧光粉被蓝光激发并发出黄色荧光，白光是由上述蓝光和黄光混合而成，根据颜色的相加原理，这种混合光给人眼的感觉为白光。在LED紫外光芯片上涂覆RGB荧光粉的方法利用紫外激光激发荧光粉产生三基色光来混合形成白光，但是目前的紫外光芯片和RGB荧光粉是混合激发的，其出光效率较低RGB混光的方法较为复杂。通过蓝光LED器件和黄色荧光粉制得白光LED器件的方法较容易实现。
钇铝石榴石Y3A15O12(简称YAG)，具有优良的导热性和机械强度以及良好的物理化学性质，耐高强度辐照和电子轰击等，被广泛用作激光和发光的基质材料。YAG作为一种有效的发光材料，特别是以YAG为基质掺杂了稀土离子的发光材料以其特殊的优越性而得到了人们的普遍关注。目前LED光学透镜多由环氧树脂或玻璃制成，而这些材料的折射率一般不超过1.7，不利于LED的二次光学设计。透明陶瓷的折射率可以超过2.0，并且透明陶瓷的单色性较好、热导率较高，所以用透明陶瓷对LED器件进行二次光学设计可以提高LED的光学性能和散热性能，从而提高LED的效率。
硅树脂是目前LED主要的灌封材料，抗热和抗紫外线能力更强，不会产生采用环氧材料导致的感光层变黄和分层问题，并具有良好的机械特性，发光效率更高，使用寿命更长，然而接着性、强度与折射率等问题仍有待解决。于是新型荧光体的研究引起了人们的关注。
YAG晶体对可见光和红外光有良好的透光性，并且具有熔点高(1930℃)、强度大、热导率高、物理化学性能稳定等特点，无论作为功能材料，还是作为结构材料均显示出极佳的应用前景。YAG透明陶瓷的优点主要有：(1)容易制造，设备成本低，制备时间短，适合流水线作业、大批量生产；用提拉法制备单晶需要几周，但是制备陶瓷只需要几天的时间；(2)可以获得大尺寸、各种形状的多晶陶瓷材料，提高材料的应用范围；(3)陶瓷材料不受分凝效应的限制，可以获得掺杂浓度高、掺杂均匀的YAG透明陶瓷。
金锡合金的钎焊温度范围适用于对稳定性要求很高的元器件组装。同时，这些元器件也能够承受随后在相对低一些的温度利用无铅焊料的组装。在室温条件下，金锡合金的屈服强度很高。即使在250-260℃的温度下，它的强度也能够胜任气密性的要求。材料的强度与一些高温钎焊材料相当，但是钎焊过程可以在相对低得多的温度下完成。此外，金锡共晶焊还有无需助焊剂、低粘滞性及热导率相对较高等优点。
目前LED芯片和封装水平、发光效率虽然比白炽灯高，但和荧光灯相比，并不占优势，价格高出很多。寿命方面，大功率白光LED目前寿命只有几千小时，与理论值几万小时相差较多。造成这些问题的主要原因就是制约大功率LED发展的瓶颈——散热没有解决好。为提高LED的亮度，传统解决方法就是单纯的增加输入功率或者通过增加LED的集成量，当LED芯片输入功率达到极限时，继续增加功率的输入，不仅不会提高亮度，反而会因为热量的增加引起光子复合效率低甚至波长红移，导致发光均匀性差、光色不一致；而通过增加LED的集成量会使器件体积进一步变大，而且热源过于集中，也会引起结温升高，导致发光效率及可靠性的降低，综合考虑功率与尺寸对大功率LED出光效率及散热的影响。
LED的P-N结作为热源，产生的热量依次经过LED衬底、粘结层、基板，然后通过热沉散到周围环境，衬底、粘结层以及基板都是造成散热瓶颈的层次；蓝宝石衬底如果不采用倒装，热导率只有38W/mK；传统LED芯片与基板的粘结都是采用银浆，但银浆热导率仅仅20W/mK；目前采用最多的铝基板虽然热导率较高，但是芯片粘结层与基板之间还有一层氧化铝层，热导率只有8W/mK左右，而且其热膨胀系数较大；对于大功率多芯片LED模块，特别是LED灯具，仅靠衬底、粘结层和基板的散热是满足不了要求的，这些都是造成大功率LED散热瓶颈的原因。本专利从这几个层次分别加以改善，降低大功率LED的热阻，提高大功率LED器件的可靠性和效率。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块及其制备方法，提高了大功率LED的光效及可靠性。
为达到上述目的，本发明的构思是：针对当前大功率LED存在的缺陷：铝质基板散热能力有限、低热导率的银浆粘结层以及热膨胀系数；采用热导率高的铜Cu或铝Al作衬底并镀上热导率较高的氮化铝AlN薄膜作为绝缘层的基板，使用金锡共晶粘结层取代银浆，使用荧光粉胶饼，并在金属铜或铝层中安装热管来解决大功率LED的散热问题，并且采用透明陶瓷对LED模块进行二次光学设计，提高大功率LED的出光效率以及可靠性。
本发明采用金锡共晶焊实现大功率(如SiC热导率是蓝宝石衬底热导率的10倍左右)LED芯片与镀有氮化铝AlN薄膜的铜Cu质或铝Al质基板的贴合。金锡合金的热导率为57W/mK，相比银浆粘结层，热导率可以提高2～3倍；氮化铝AlN的热导率约为200W/mK左右，比热导率只有8W/mK的氧化铝绝缘层高出很多。LED的二次光学设计对LED照明的普及非常重要，本发明采用单色性好、热导率高的透明陶瓷作为LED的光学透镜，从散热和配光两个方面改善了LED的性能。本发明从衬底、粘结层、基板、荧光粉等多个层次上来改善大功率LED的散热能力和光学特性。
本发明涉及的一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块，包括荧光粉胶饼、镀有氮化铝AlN薄膜层的铜Cu或铝Al基板的结构设计、热管的设计、YAG透明陶瓷的设计以及金锡无空洞共晶工艺。
上述集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块中的氮化铝薄膜通过磁控溅射沉积薄膜制备技术在铜Cu或铝Al上制得的。
上述集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块中氮化铝AlN薄膜与大功率LED芯片的连接采用金锡无空洞共晶技术实现。
上述集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块中的热管安装于铜Cu质或铝Al质基板与金属散热片之间。
上述集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块中的YAG透明陶瓷直接贴在硅胶层上。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块，包括发光二极管LED芯片(1)，其特征在于：
以表面镀有氮化铝AlN薄膜的金属基板为载体，所述载体下部焊接有热管，热管底端焊接有散热片，所述载体上部焊接有一个金属框，所述金属框内布置有单个或多个所述发光二极管LED芯片，发光二极管LED芯片上部为有机硅胶灌封，所述有机硅胶上部为荧光粉胶体层。
所述的发光二极管LED芯片为大功率发光二极管LED芯片，如1mm×1mm的SiC衬底芯片或者1mm×1mm的激光剥离蓝宝石衬底的芯片等。
所述金属基板：为铜Cu或铝Al基板。
所述的热管为铜Cu管，截面形状为方形，管内注有相变冷却材料，管内具有有效的真空度；所述热管与所述散热片之间焊接连接。
所述的金属框为铝Al材料，其下表面为覆铜层，铜层与铝层中间还有一层绝缘层，可以通过回流焊技术与金属基基板直接焊接在一起，而且所述金属框内表面呈反光角度，并镀有银反射层。
所述发光二极管LED芯片通过回流焊或者共晶焊接在金属基板上。
所述荧光粉胶体层中间厚，周围薄；所述荧光粉胶体层是硅胶与荧光粉的混合胶体，或者是YAG透明陶瓷。
一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
1)按设计的芯片间的连接方式及总功率确定所需大功率SiC衬底发光二极管芯片或者激光剥离蓝宝石衬底发光二极管芯片(1)的颗数，对于单颗芯片的大功率LED器件则无需计算。
2)根据设计的结构形状，通过磁控溅射沉积薄膜制备技术在铜Cu或铝Al基板(11)上镀上氮化铝AlN薄膜层(10)，并在氮化铝AlN薄膜层(10)上制作金属层(9)以作为LED的电极层(9)。
3)在AlN薄膜层(10)上涂上铜Cu层(8)。
4)用回流焊技术将基板(11)、散热片(13)和热管(14)焊接在金属基板(11)上；
5)引线键合，发光二极管LED芯片(1)表面硅胶层(3)的灌封。
6)硅胶层(3)与荧光粉混合体(4)或者YAG透明陶瓷覆盖于硅胶层(3)上；
上述步骤1)中的发光二极管LED芯片(1)为大功率LED芯片。
上述步骤2)中电极材料为金Au。
在上述步骤3)中镀的铜Cu层(8)上涂上绝缘层(7)以连接金属反射罩(6)和金属基板(11)；通过金锡无空洞共晶工艺将发光二极管LED芯片(1)粘合到氮化铝AlN薄膜层(10)的表面金电极层(9)上。
上述金属反射罩(6)的材质为铝Al，并且内部进行了反光设计以及涂上了反光材料。
上述共晶工艺中焊料为80Au20Sn或者锡Sn片。
上述步骤4)中的散热片(13)材料是铝Al，热管(14)材料是铜Cu。
上述步骤5)中键合引线材料为金Au。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用热导率高的铜Cu作为衬底并镀上热导率较高的氮化铝AlN薄膜作为绝缘层的基板，提高发光二极管LED模块的散热性能。
2.采用金锡共晶焊取代银浆，金锡共晶焊接层的热导率比银浆粘结层的热导率高2～3倍。
3.在金属铜Cu或铝Al基板上安装热管，很大程度上解决了大功率发光二极管LED模块的散热问题。
4.采用透明陶瓷对发光二极管LED模块进行二次光学设计，提高大功率发光二极管LED模块的出光效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明的截面图。
图2是本发明的俯视结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实例结合附图说明如下：参见图1、图2，本集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块包含有大功率LED芯片1、共晶粘结层2、硅胶3、YAG荧光粉胶体4(或YAG透明陶瓷)、金线5、反射罩6、绝缘层7、金属铜Cu层8、电极层9、AlN陶瓷10、金属基基板11、回流焊接层12、散热片13和热管14。本大功率LED模块以表面镀有氮化铝AlN薄膜10的金属基板11为载体，所述载体下部焊接有热管14，热管底端焊接有散热片13，所述载体上部焊接有一个金属框6，所述金属框6内布置有单个或多个所述发光二极管LED芯片1，发光二极管LED芯片1上部为有机硅胶3灌封，所述有机硅胶上部为荧光粉胶体层4。
上述金属基板11为铜Cu或铝Al基板。
上述热管14为铜Cu管，截面形状为方形，管内注有相变冷却材料，管内具有有效的真空度；所述热管14与所述散热片13之间焊接连接。
上述金属框6为铝材料，其下表面为覆铜层8，铜层8与铝层6中间还有一层绝缘层7，可以通过回流焊技术与金属基基板10直接焊接在一起，而且所述金属框6内表面呈反光角度，并镀有银反射层。
上述荧光粉胶体层4中间厚，周围薄；所述荧光粉胶体层4是硅胶与荧光粉的混合胶体，或者是YAG透明陶瓷。
本集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块制备工艺如下：首先在铜Cu(或铝Al)基板上镀上一层AlN薄膜。AlN薄膜的制备采用超高真空多功能磁控溅射镀膜设备，溅射靶为直径75mm的高纯A1靶(99.999％)，99.999％的高纯Ar和N2分别作溅射气体和反应气休。为得到含氧低的氮化铝AlN，在氩Ar气氛下预溅射铝Al靶10min，然后充入N2再混气溅射Al靶5分钟。主要通过调整分压比和溅射功率来优化膜层的各种性能，调整制备时间来获得不同厚度的氮化铝AlN薄膜。
然后再通过丝网印刷工艺印刷金Au电极浆层，考虑到封装时金Au线键合的需要，金Au电极层厚度要大于10μm，根据实际功率改变电极宽度来满足电流的要求；完成基板以及内置电路层的制备。然后通过金锡共晶工艺将LED芯片键合到镀有氮化铝AlN薄膜的铜Cu或铝Al基板上。最后通过金线键合，硅胶灌封并贴上YAG透明陶瓷完成器件制备。

Claims (5)

1.一种集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块，包括发光二极管LED芯片(1)，其特征在于以表面镀有氮化铝AlN薄膜(10)的金属基板(11)为载体，所述载体下部焊接有热管(14)，热管底端焊接有散热片(13)，所述载体上部焊接有一个金属框(6)，所述金属框(6)内布置有单个或多个所述发光二极管LED芯片(1)，发光二极管LED芯片(1)上部为有机硅胶(3)灌封，所述有机硅胶上部为荧光粉胶体层(4)；所述金属基板(11)为铜Cu或铝Al基板；所述热管(14)材料为铜Cu管，截面形状为方形，管内注有相变冷却材料，管内具有有效的真空度；所述金属框(6)为铝材料，其下表面为覆铜层(8)，铜层(8)与铝层(6)中间还有一层绝缘层(7)，通过回流焊技术与金属基基板(11)直接焊接在一起，而且所述金属框(6)内表面呈反光角度，并镀有银反射层；所述发光二极管LED芯片(1)通过回流焊或者共晶焊接在金属基板(11)上；所述荧光粉胶体层(4)中间厚，周围薄；所述荧光粉胶体层(4)是硅胶与荧光粉的混合胶体。
2.一种根据权利要求1所述的集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块的制造方法，其特征在于工艺步骤如下：
a.首先通过磁控溅射设备完成金属基基板(11)的氮化铝薄膜(10)镀膜工艺；
b.根据不同的发光二极管LED芯片(1)的数量设计不同的线路，完成金属基基板(11)上氮化铝薄膜(10)表面的电极层(9)的制作工艺；
c.在氮化铝AlN薄膜层(10)上涂上铜Cu层(8)；
d.完成热管(14)与散热片(13)的焊接；
e.通过回流焊接将大功率LED芯片(1)、热管(14)及散热片(13)焊接在金属基基板(11)上；
f.引线键合、发光二极管LED芯片(1)表面硅胶灌封；
g.硅胶与荧光粉混合体(4)或者YAG透明陶瓷，覆盖于硅胶(3)上表面。
3.根据权利要求2所述的集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块的制造方法，其特征在于所述步骤b中，所述电极层(9)为金Au或者银Ag。
4.根据权利要求2所述的集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块的制造方法，其特征在于所述步骤d中，所述的热管(14)与散热片(13)通过回流焊焊接在一起。
5.根据权利要求2所述的集成金属基氮化铝薄膜基板与热管的大功率LED模块的制造方法，其特征在于所述步骤d、e中焊料为80Au20Sn、96.5/3/0.5的SnAgCu或者95.5/4/0.5的SnAgCu。
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Application publication date: 20100317

Assignee: Shanghai Toplight Tech. Co., Ltd.

Assignor: Shanghai semiconductor lighting engineering technology research center|Shanghai University

Contract record no.: 2012310000163

Denomination of invention: Integrated metal matrix aluminium nitride film substrate, high-power LED module of heat pipe and manufacturing method thereof

Granted publication date: 20111123

License type: Exclusive License

Record date: 20120912

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