CN102185039A - 一种提高led集成面光源安规绝缘耐压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，利用陶瓷覆铜板作为支架，陶瓷覆铜板的下层为铜基层，陶瓷覆铜板中间的绝缘层为陶瓷材料，陶瓷覆铜板的上层为铜导电层，铜导电层中可腐蚀出承载作用的铜箔岛，该方法按照以下步骤实施：第一步，确定支架上LED总个数Q，即确定支架上铜箔岛的总个数Q；第二步，确定支架上层的单个铜箔岛的尺寸；第三步，确定支架上铜箔岛的矩阵横排M及竖排N的数目，且M×N＝Q；第四步，按照单个铜箔岛的尺寸，岛矩阵的数目Q，各个铜箔岛之间的间距及整板边缘距离，确定支架的总体长宽尺寸。本发明的方法不仅能够满足安规2500V以上的绝缘耐压要求，同时不影响原有的散热效果。
Description
技术领域
本发明属于LED半导体固态照明技术领域，涉及一种提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法。
背景技术
LED作为照明光源得到越来越广泛的应用，但LED灯具在通过安规绝缘耐压检测时，或多或少都遇到困难，特别是集成面光源，由于考虑良好的散热需求，普遍采用LED芯片用导电银浆直接粘接到一块热电的良导体(如铜板)上的工艺，这样只凭借LED芯片衬底来机械绝缘，即便是最低500V的绝缘耐压，也很难通过。而根据LED光源工作电压的不同，需要500V到2000V不等的绝缘耐压要求，考虑到工艺余量，必须达到2500V的绝缘耐压要求。
现有技术工艺中，在典型的集成面光源结构中，承载LED芯片部分为良导热导体铜基板，具体工艺是将若干个LED芯片，无论是采用正装还是倒装芯片，用导电银浆直接粘接到一块热电的良导体(如铜支架)上，采取超声波压焊用金丝互联各电极，只凭借LED芯片衬底(正装芯片的蓝宝石衬底、倒装芯片的硅衬底，厚500nm左右)来机械绝缘，通过500um左右的半导体材料机械绝缘500V以上是不可靠的，同时导电银浆粘接时会进一步缩短500um的绝缘距离，安规绝缘会进一步不可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，解决了现有技术不能可靠满足安规2500V以上的绝缘耐压要求的问题。
本发明采用的技术方案是，一种提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，利用陶瓷覆铜板作支架，陶瓷覆铜板由上、中、下三层结构组成，下层为铜基层，中间的绝缘层为陶瓷材料，上层为铜导电层，在铜导电层中腐蚀出承载作用的铜箔岛，铜箔岛的数目及排列方式按照以下步骤确定：
第一步，根据所需光源总功率W和单颗LED芯片的额定功率P，确定支架上LED总个数Q，Q＝W÷P，即确定支架上铜箔岛的个数Q；
第二步，根据选用的单颗LED芯片在支架上所需的安装尺寸，确定支架上层铜导电层的单个铜箔岛的尺寸；
第三步，根据LED总个数Q，确定支架上铜箔岛的矩阵横排M及竖排N的数目，并且M×N＝Q；
第四步，按照单个铜箔岛的尺寸，铜箔岛的矩阵数目为M×N，相邻铜箔岛之间的隔离间距为1mm，整板边缘隔离距离为1mm，最终确定支架的总体长宽尺寸。
本发明的有益效果是，不仅能够满足安规2500V以上的绝缘耐压要求，同时不影响原有直接粘接工艺时的散热效果。
附图说明
图1是本发明选用的陶瓷覆铜板的结构示意图；
图2是按照本发明方法制作的25W的LED集成面光源支架示意图，绝缘层选用三氧化二铝陶瓷材料；
图3是按照本发明方法制作的100W-200W的LED集成面光源支架示意图，绝缘层选用氮化铝陶瓷材料。
图中，1.铜导电层，2.绝缘层，3.铜基层，4.铜箔岛，5.陶瓷覆铜板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
现有典型LED结构在集成封装时，厚度小于500um，芯片最底层蓝宝石衬底作为机械绝缘层与金属底座用导电银浆粘接，P电极和N电极作为供电端子。另外，在倒装封装时，硅衬底作为机械绝缘层，厚度小于500um，左右焊盘作为正负供电端子，芯片最下层硅衬底作为机械绝缘层与金属底座用导电银浆粘接。
图1为本发明选用的陶瓷覆铜板(简称DCB板)5的绝缘层为三氧化二铝的“三明治”结构，下层为导热的铜基层3，一般为整体全覆铜；中间的绝缘层2为三氧化二铝或氮化铝材料，既强绝缘又高导热；上层为工艺承载的铜导电层1，按需求可腐蚀出不同图形的承载铜箔岛4。
参照表1，是绝缘层2为三氧化二铝的陶瓷覆铜板5的典型参数，三氧化二铝具有高达24-28W/mK导热系数，同时仅有0.25mm/0.38mm厚度，与上下铜层熔合，整体具有极低的热阻。
表1，绝缘层为三氧化二铝的陶瓷覆铜板5的相关性能参数
| 参数名称 | 材料名称：三氧化二铝(≥96％) |
| 最大规格mm×mm | 138×188 |
| 瓷片厚度mm | 0.25，0.38，0.5，0.63±0.07(标准)，0.76，1.0 |
| 热导率W/m.K | 24～28 |
| 瓷片介电强度KV/mm | ＞14 |
| 瓷片介质损耗因数 | ≤3×10-4(25℃/1MHZ) |
| 瓷片介电常数 | 9.4(25℃/1MHZ) |
| 铜箔厚度(mm) | 0.1～0.60.3±0.015(标准) |
| 铜箔热导率W/m.K | 385 |
| 表面镀镍层厚度μm | 1～7 |
| 表面粗糙度μm | Rp≤7，Rt≤30，Ra≤3 |
| 平凹深度μm | ≤30 |
| 铜键合力N/mm | ≥6 |
| 抗压强度N/Cm2 | 7000～8000 |
| 表面镀金层厚度μm | 0.075～0.1 |
| 热膨胀系数ppm/K | 7.4(在50～200℃) |
| DCB板弯曲率Max | ≤150μm/50mm(未刻图形时) |
| 应用温度范围℃ | -55～850(惰性气氛下) |
| 氢脆变 | 至400℃ |
例如，在承载49颗LED的DCB板支架，根据单颗LED芯片功率，可形成25W 50W集成面光源，总尺寸22mm×22mm。底层全铜，中间层为小于0.38mm(最好0.25mm)厚三氧化二铝陶瓷层，上层为制作的49个LED灯(7×7)的铜箔岛4，单岛尺寸为2mm×2mm、厚为0.3mm，上可镀0.075～0.1um银层，以方便芯片用导电银浆粘接，腐蚀掉铜层的隔墙宽1mm，整板边缘留1mm腐蚀掉铜层的隔离带，加强绝缘，芯片之间采取超声波压焊，用金丝互联各电极，整面板用透明硅胶保护，硅胶同时也起到加强绝缘功效，整体面光源可大余量通过安规2500V绝缘耐压。
因此，LED集成面光源，不仅要满足安规2500V以上的绝缘耐压要求，也要不影响原有直接粘接工艺时的散热效果。选用绝缘层为三氧化二铝(氧化铝)的陶瓷覆铜板5既有极小的热阻，又有4000V以上的绝缘耐压，采用绝缘层为三氧化二铝的陶瓷覆铜板5(DCB板)做支架，起到绝缘并导热的功能，足以用作LED集成面光源支架。
本发明方法，选用绝缘层2小于等于0.38mm(优选0.25mm)的瓷片厚度，上下层(铜导电层1和铜基层3)的铜箔厚度为标准的0.3mm双面板三氧化二铝(或氮化铝)的DCB板，根据LED芯片大小，按要求加工制作DCB板支架，按照以下步骤实施：
第一步，根据所需光源总功率W和单颗LED芯片额定功率P，确定DCB板上LED总个数Q，Q＝W÷P，即确定了支架上铜箔岛4的个数Q；
第二步，根据选用的单颗功率LED的芯片尺寸，确定DCB板支架铜导电层1的铜箔岛4单元尺寸，该尺寸一般大于LED芯片一点即可。如果按现有1W的LED尺寸为1.5mm×1.5mm，岛单元可选2mm×2mm单元尺寸；
第三步，根据Q，确定支架上铜箔岛4矩阵横排M及竖排N的数目，并且M×N＝Q，排列时可能存在有M＝N的情况；
第四步，通过单岛尺寸2mm×2mm，岛矩阵Q＝M×N，岛之间1mm隔离间距，整板边缘1mm隔离距离来确定支架的外形长宽尺寸。
实施例1
参照图2，为承载50颗LED的双面的三氧化二铝的陶瓷覆铜板5支架，根据单颗LED芯片功率，可形成25W-50W集成面光源，总尺寸31mm×16mm。底层全铜，中间绝缘层2选用0.38mm厚三氧化二铝的陶瓷层，上层为制作的50个LED铜箔岛4，单岛尺寸为2mm×2mm、厚0.3mm的铜箔岛4，上可镀0.075-0.1um银层，以方便单颗LED芯片用导电银浆粘接，腐蚀掉铜层的隔墙宽1mm，整板边缘留1mm腐蚀掉铜层的隔离带。
实施例2
参照图3，为承载100颗LED的双面的氮化铝陶瓷覆铜板5支架，考虑到高功率散热，支架选用氮化铝陶瓷覆铜板5，根据单颗LED芯片功率，可形成100W-200W集成面光源，总尺寸31mm×31mm。底层为全铜，中间的绝缘层2选用0.25mm厚氮化铝陶瓷绝缘层，氮化铝的导热系数高达170-220W/mK，可以进一步减小热阻，满足高功率散热要求。上层制作100个LED粘接铜箔岛4，单岛尺寸为2mm×2mm、厚0.3mm的铜箔岛4，上可镀0.075-0.1um银层，以方便单颗LED芯片用导电银浆粘接，腐蚀掉铜层的隔墙宽1mm，整板边缘留1mm腐蚀掉铜层的隔离带。
Claims (3)
1.一种提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，其特征在于，利用陶瓷覆铜板(5)作支架，陶瓷覆铜板(5)由上、中、下三层结构组成，下层为铜基层(3)，中间的绝缘层(2)为陶瓷材料，上层为铜导电层(1)，在铜导电层(1)中腐蚀出承载作用的铜箔岛(4)，铜箔岛(4)的数目及排列方式按照以下步骤确定：
第一步，根据所需光源总功率W和单颗LED芯片的额定功率P，确定支架上LED总个数Q，Q＝W÷P，即确定支架上铜箔岛(4)的个数Q；
第二步，根据选用的单颗LED芯片在支架上所需的安装尺寸，确定支架上层铜导电层(1)的单个铜箔岛(4)的尺寸；
第三步，根据LED总个数Q，确定支架上铜箔岛(4)的矩阵横排M及竖排N的数目，并且M×N＝Q；
第四步，按照单个铜箔岛(4)的尺寸，铜箔岛(4)的矩阵数目为M×N，相邻铜箔岛(4)之间的隔离间距为1mm，整板边缘隔离距离为1mm，最终确定支架的总体长宽尺寸。
2.根据权利要求1所述的提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，其特征在于：所述的绝缘层(2)选用三氧化二铝或氮化铝材料。
3.根据权利要求1所述的提高LED集成面光源安规绝缘耐压的方法，其特征在于：所述的绝缘层(2)厚度为0.38mm或0.25mm，铜导电层(1)和铜基层(3)的厚度均为0.3mm。
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