CN102543983A

CN102543983A - 一种led集成光源

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Publication number: CN102543983A
Application number: CN2011104075906A
Authority: CN
Inventors: 于正国; 杨佳; 包磊; 牛玥; 潘凌怡; 徐俊峰; 李盼; 朱亮
Original assignee: ANHUI LADER OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI LADER OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种LED集成光源，其包括封装框架、电性焊接在该封装框架内的若干LED芯片以及设置在该封装框架上且覆盖该若干LED芯片的透明封装材料膜，该封装框架包括封装基板以及固定在该封装基板上的环氧玻璃纤维板。该封装基板包括裸铜平板热管以及设置在该平板热管外表面的镀层，该镀层从内而外依次包括亮铜层、镀镍层、镀银层以及防氧化层，该若干LED芯片直接焊接在该封装基板的防氧化层上。所述LED集成光源，克服长久以来平板热管无法应用于半导体封装领域的偏见，从而LED芯片可以直接焊接在具有平板热管的封装基板上，从而与传统的LED集成光源相比，体积较小。

Description

一种LED集成光源

技术领域

本发明涉及一种照明设备，尤其涉及一种LED集成光源。

背景技术

目前LED照明领域中，LED封装主要有以下几种形式：1.直插式，2.支架式，3.贴片式，4.COB集成封装。其中COB集成封装技术具有减少热阻的散热优势，且具有高封装密度和高出光密度的特性，被各企业所青睐。随着技术的不断发展，COB基板材料也有了进一步的改进，从早期的FR4等环氧树脂基板，发展到铝基板、铜基板，再到目前部分企业所采用的陶瓷基板，基板的散热性能不断改进，COB光源的可靠性逐步提高。

对COB集成光源自身而言，芯片距离较近，热密度较高，如果不能将热量迅速导出，在额定电流下使用，光通的损失会较高； COB光源面积较单晶集成的小，需要将热快速的横向、纵向导出到散热片上，才能有效控制芯片结温。因此需要一种基板能迅速的将COB光源释放的热量导入散热器中，同时也要消除芯片局部过热的情况出现。市场上现有的LED集成光源，基板主要使用铜、铝或者陶瓷，导热系数较环氧树脂有一定的提高，但还不足以迅速、全面的导出光源所产生的热量，因此，集成光源尤其是大功率集成光源存在着光衰严重、光效较低的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种LED集成光源，其旨在解决COB光源热密度过高，无法将热量迅速导出的问题。

本发明是这样实现的，一种LED集成光源，其包括封装框架、电性焊接在该封装框架内的若干LED芯片以及设置在该封装框架上且覆盖该若干LED芯片的透明封装材料膜，该封装框架包括封装基板以及固定在该封装基板上的环氧玻璃纤维板，其中，该封装基板包括裸铜平板热管以及设置在该平板热管外表面的镀层，该镀层从内而外依次包括亮铜层、镀镍层、镀银层以及防氧化层，该若干LED芯片直接焊接在该封装基板的防氧化层上。

作为上述方案的进一步改进，该环氧玻璃纤维板通过耐高温粘结胶固定在该封装基板的防氧化层上，该封装材料膜的周边固定在该环氧玻璃纤维板远离该封装基板的一侧上。

作为上述方案的进一步改进，该环氧玻璃纤维板包括第一膜层、与该第一膜层形状相同的第二膜层以及夹设在该第一膜层与该第二膜层之间的两个相对间隔设置的焊盘，该第一膜层开设有贯穿其自身的第一通孔以及两个形状一致的第二通孔，每个焊盘呈门形，该两个焊盘的一端延伸至该两个第二通孔的下方，该两个焊盘的中部部分延伸在该第一通孔内。

作为上述方案的进一步改进，该镀镍层的厚度范围为0.05~0.1μm。

作为上述方案的进一步改进，该镀银层为纯银层，该防氧化层为银的掺杂物层。

作为上述方案的进一步改进，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为0.6~3.0μm。优选地，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为1.0~1.5μm。更优选地，该镀银层与该防氧化层的总体厚度为1.2μm。

作为上述方案的进一步改进，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为0.6~3.0μm，且该镀银层的厚度不低于1.0μm。优选地，镀银层与该防氧化层的总体厚度为1.2μm。

本发明提供的LED集成光源，由于其采用的平板热管通过多层镀膜处理，具有较高的反射率，且能直接在具有该平板热管的封装基板上焊接LED芯片，从根本上解决芯片（半导体）热密度过高，无法将热量迅速导出的问题，保证LED芯片的寿命及性能，从而克服长久以来平板热管无法应用于半导体封装领域的偏见。因此，环氧玻璃纤维板可以直接通过耐高温粘结胶固定在具有平板热管的封装基板上，从而与传统的封装框架相比，该封装基板费用低，工艺简单，可任意更改环氧玻璃纤维板的形状，同时也不影响封装基板的更换。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的LED集成光源的分解图。

图2为图1中LED集成光源的封装框架的立体图。

图3为图2中封装框架的立体分解图。

图4为图3中封装框架的部分立体分解图。

图5为图2中封装框架的封装基板的剖视示意图。

图6为图5中封装基板在高温高湿条件下的光通量变化趋势图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，为本发明较佳实施方式提供的适用于半导体行业的LED集成光源300的结构示意图。LED集成光源300包括封装框架200、电性焊接在封装框架300内的若干LED芯片301以及设置在封装框架200上且覆盖若干LED芯片301的透明封装材料膜303。

请一并参阅图3及图4，封装框架200包括封装基板100以及固定在封装基板100上的环氧玻璃纤维板（FR4板）30，FR4板30通过耐高温粘结胶固定在封装基板100上。封装材料膜303的周边固定在FR4板30远离封装基板200的一侧上。在本实施方式中，封装材料膜303为硅胶层。

FR4板30包括第一膜层39、与第一膜层39形状大致相同的第二膜层38以及夹设在第一膜层39与第二膜层38之间的两个相对间隔设置的焊盘40。第一膜层39开设有贯穿其自身的第一通孔31以及两个形状一致的第二通孔33。每个焊盘40大致呈门形，两个焊盘40的一端延伸至两个第二通孔33的下方，从两个第二通孔33内的焊盘40上设置引线既可作为正电极或负电极使用。焊盘40的中部部分延伸在第一通孔内31，以方便焊接LED芯片。在本实施方式中，若干LED芯片301为若干串接的LED芯片组，当然在其它实施方式中，LED芯片301也可采用并联或混接的方式。

在焊接LED芯片（图未示）时，直接将LED芯片焊接在第一通孔31内，且LED芯片电性连接在两个焊盘40之间，此时，只要在两个第二通孔33处搭接电源即可使LED芯片发光。

请结合图5，封装基板100包括裸铜平板热管10以及设置在平板热管10外表面的镀层20。镀层20将平板热管10包裹在内，镀层20包括从内而外的四层结构：第一层为亮铜层21；第二层为镀镍层23；第三层为镀银层25；第四层为防氧化层27。若干串LED芯片组301直接焊接在封装基板200的防氧化层27上。在平板热管10的外表面上镀亮铜层21的主要目的是为了使平板热管10表面光滑，无拉丝、沙孔的作用，从而使平板热管10整体应力均匀。亮铜层21的厚度在达到上述目的的情况下一般越薄越好。

镀镍层23主要起过渡作用，在亮铜层21的基础上再增加过渡层，避免不同镀层之间（亮铜层21与镀银层25之间）在温度升高的情况下，由于热应力不同而出现亮铜层21与镀银层25分层的现象。过渡层的厚度范围为0.05~0.1μm，在该范围内是越薄越好。

镀银层25可以起到增加反射率的作用，在本实施方式中，镀银层25为纯银层，防氧化层27为银的掺杂物层，其掺杂物为能让银产生抗氧化物的材质。镀银层25与防氧化层27的总体厚度可选范围为1.0~1.5μm，优选地，为1.2μm。另外，镀银层25的厚度越薄越好，但是其厚度尽量不要低于1.0μm，这样达成的效果最好，比如当镀银层25的厚度为0.8μm时，虽然也可以接受，但是焊接在封装基板100上的LED灯使用500个小时后有可能会出现银层发黑现象。银的掺杂物层即防氧化层27必须要有，添加掺杂物可以防止纯银层即镀银层25氧化，否则镀银层25很容易被氧化成暗褐色，而影响反射率、焊接性能。在满足镀银层25高于1.0μm的条件下，银的掺杂物层越薄越好。

将使用封装基板100的LED集成光源（100W）处在高温高湿的条件下，即湿度为70%、温度为45℃的环境中，连续点亮1850小时，其光衰仅为2.2%，效果良好（请参阅表1与图6）。在实验当中，存在环境温度的影响、荧光粉是否完全激发、导热膏与基板间是否接触充分以及测量误差等影响，因此会出现光通量上下波动的情况，±2%的误差范围是可允许的范围。通过对普通LED集成光源在同样条件下进行测试，1000小时其光衰就为14%左右，2000小时其光衰已达到20%。

表1

高温高湿的条件是在高温高湿箱中进行的，是通过气流流动使箱子里面的环境保持在需要的温度和湿度，如果放进去一个温度高的物体，那气流就会将该物体产生的热量带走，使物体的温度也保证在一定的范围内。因此，在本实施方式中的高温高湿试验中，封装基板将保持45℃。高温高湿实验确定的是在恶劣条件下对芯片的影响，而温度实验是需要在常温（指环境温度25℃）下进行的，在本实施方式中，除非有特殊说明，否则温度数据均是在常温条件下测量得到，而芯片影响是在高温高湿条件下得出，其中，常温条件：环境温度25℃，100W光源的多组LED芯片连续使用1850小时；高温高湿条件：湿度为70%、温度为45℃的恒定环境，100W光源的多组LED芯片连续使用1850小时。使用封装基板100的LED集成光源，其在连续使用1850小时的整个过程中，温度基本保持在55℃，在一般芯片所能承受的范围内。

封装基板100保证焊接在其上的LED芯片高亮度输出的同时，在高湿度环境中基板不发生变异，不会影响LED芯片的光通量。然而得出封装基板100的上述结构不是一蹴而就的，而是在科学研究的基础上以及结合大量的实验得出来的，是需要付出创造性劳动的，其克服长久以来平板热管10无法应用于半导体封装领域的偏见，下文将结合表2大致叙述整个研发过程。

1.技术人员在平板热管10上做了比较常规的喷粉处理，即在平板热管10的外表面喷金属材质的粉末层，再直接焊接LED芯片。在湿度为70%、温度为45℃的高温高湿环境中实验，发现其光通量较差，光效比较低；在常温条件试验中，该封装基板一直处于高温（85℃），表面氧化发黑。

2.在平板热管10的外表面设置镍层，再直接焊接LED芯片。在测温过程中发现：虽然与喷粉处理相比，该封装基板的温度从85℃下降到78.3℃，但是还是处于高温状态。而且在高温高湿条件中发现：LED芯片光衰严重。

3.在平板热管10的外表面设置银层，再直接焊接LED芯片。在高温高湿条件中发现：上述两个方案相比，该封装基板的起初光通量明显提高，应力还可以，但是随着使用时间的推进，其防氧化能力很弱表面氧化发黑，光通量急剧下降。在常温条件试验中，该封装基板测得的温度为65.5℃。

4.在平板热管10的外表面依次设置镍、铜、银层，再直接焊接LED芯片。在高温高湿条件中发现：部分铜与银分层，表面氧化发黑。

5.在平板热管10的外表面依次设置铜、银层，再直接焊接LED芯片。在高温高湿条件中发现：部分铜与银分层，镀层脱落，表面氧化发黑。

6.在平板热管10的外表面依次设置铜、银、防氧化层，再直接焊接LED芯片。在高温高湿条件中发现：部分铜与银分层，银表面为黄褐色。

表2

通过上述研究，最后在平板热管10的外表面依次设置铜、镍、银、防氧化层，然而发现采用纯银层和银的掺杂物层相结合的效果更为突出。一开始设计的方案，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为0.6~3μm，虽然可以克服以上六个技术方案的缺陷，但是发现，当该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为1.0~1.5μm时，其效果来的更好。最后通过不断地试验数据研究，发现该镀银层与该防氧化层的总体厚度为1.2μm时，效果还要好。另外还发现，镀银层25的厚度越薄越好，但是其厚度尽量不要低于1.0μm，其效果更佳，如表1及图6所示，不但温度可以达到55℃，相比上述任何方案都要低，而且其光效率又能保持较高水平。

因此，封装基板100可以做为半导体行业的封装基板，提高基板的反射率，可直接在该基板上焊接半导体，同时从根本上解决芯片热密度过高，无法将热量迅速导出的问题，保证芯片的寿命及性能。

封装框架200在组装时，先将固定有焊盘40的FR4板30涂抹耐高温粘结胶，涂抹时，只涂抹在FR4板30具有焊盘40的一侧上；接着将固定有焊盘40的FR4板30通过耐高温粘结胶固定在封装基板100上；之后，将多组串联的LED芯片301直接焊接在封装基板100的第一通孔31内的防氧化层27上，且每组串联的LED芯片的两端分别与FR4板30的两个焊盘40电性连接；最后在多组串联的LED芯片301上封装一层封装材料膜303（即硅胶层），以保护芯片不受外界影响及破坏，该硅胶层要覆盖所有的芯片，并且硅胶边缘要大于FR4板30上放置芯片的框架尺寸，防止由于芯片与框架温差引起硅胶与框架之间产生缝隙，空气进入对芯片造成影响。

该耐高温粘结胶具有抗氧化、防潮、抗裂化和耐高温等特性，为了确定耐高温胶类型我们做了以下实验研究，如表3所示。

表3

鉴于实验结果，我们采用单组份粘结剂做为耐高温粘结胶，然后将FR4板40粘结到封装基板100上。

综上所述，本发明实施方式提供的LED集成光源，由于其采用的平板热管通过多层镀膜处理，具有较高的反射率，且能直接在具有该平板热管的封装基板上焊接LED芯片，从根本上解决芯片（半导体）热密度过高，无法将热量迅速导出的问题，保证LED芯片的寿命及性能，从而克服长久以来平板热管无法应用于半导体封装领域的偏见。因此，环氧玻璃纤维板可以直接通过耐高温粘结胶固定在具有平板热管的封装基板上，从而与传统的封装框架相比，该封装基板费用低，工艺简单，可任意更改环氧玻璃纤维板的形状，同时也不影响封装基板的更换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LED集成光源，其包括封装框架、电性焊接在该封装框架内的若干LED芯片以及设置在该封装框架上且覆盖该若干LED芯片的透明封装材料膜，该封装框架包括封装基板以及固定在该封装基板上的环氧玻璃纤维板，其特征在于，该封装基板包括裸铜平板热管以及设置在该平板热管外表面的镀层，该镀层从内而外依次包括亮铜层、镀镍层、镀银层以及防氧化层，该若干LED芯片直接焊接在该封装基板的防氧化层上。

2.如权利要求1所述的LED集成光源，其特征在于，该环氧玻璃纤维板通过耐高温粘结胶固定在该封装基板的防氧化层上，该封装材料膜的周边固定在该环氧玻璃纤维板远离该封装基板的一侧上。

3.如权利要求1所述的LED集成光源，其特征在于，该环氧玻璃纤维板包括第一膜层、与该第一膜层形状相同的第二膜层以及夹设在该第一膜层与该第二膜层之间的两个相对间隔设置的焊盘，该第一膜层开设有贯穿其自身的第一通孔以及两个形状一致的第二通孔，每个焊盘呈门形，该两个焊盘的一端延伸至该两个第二通孔的下方，该两个焊盘的中部部分延伸在该第一通孔内。

4.如权利要求1所述的LED集成光源，其特征在于，该镀镍层的厚度范围为0.05~0.1μm。

5.如权利要求1所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层为纯银层，该防氧化层为银的掺杂物层。

6.如权利要求1或5所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为0.6~3.0μm。

7.如权利要求6所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层与该防氧化层的总体厚度范围为1.0~1.5μm。

8.如权利要求7所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层与该防氧化层的总体厚度为1.2μm。

9.如权利要求6所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层的厚度不低于1.0μm。

10.如权利要求9所述的LED集成光源，其特征在于，该镀银层与该防氧化层的总体厚度为1.2μm。