CN104022217A - 一种大功率曲面led散热基板及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种大功率曲面LED散热基板及其封装方法，涉及LED散热基板。所述大功率曲面LED散热基板设有基底，在基底上表面设有SiO2绝缘层，在SiO2绝缘层上设有电路层，LED芯片固定于基板上，电路层通过金线与LED芯片相连，再由经过固化的荧光粉和胶的混合物包裹；基底下表面通过导热胶粘贴于金属散热片上。将PCS纺成原膜，对原膜进行不熔化预处理，将预处理过的原膜进行高温烧结成硅氧碳薄膜；对烧结成的硅氧碳薄膜进行表面热处理，在薄膜表面形成SiO2绝缘层；在SiO2绝缘层表面设置导电层，制得大功率曲面LED散热基板；使用制得的大功率曲面LED散热基板，将LED封装为曲面LED灯具。
Description
技术领域
本发明涉及LED散热基板，尤其是涉及一种大功率曲面LED散热基板及其封装方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，简称LED)是一种能将电能转化成可见光的固态半导体器件。作为最为高效、节能和环保的全新光源，LED被誉为人类照明史上的第四次革命。LED作为第四代电光源，以其体积小、发光效率高、耗电量低、响应速度快、使用寿命长等优良特性，可较好地满足绿色节能环保要求，已成为人们关注和研究的热点。目前，LED已经广泛应用于电子产品显示屏、背光源和指示灯等领域。
LED具有一些其他光源所不具备的优点。由于LED利用注入式电致发光原理，直接将电能转化成光能，其发光效率远远高于传统白炽灯和应用广泛的节能灯。LED不含有毒重金属汞，与目前使用较多的荧光灯相比，对环境没有潜在危害。此外，LED还有诸如体积小，寿命长，无辐射等优点。
目前，由于LED散热性能欠佳，使其多用于功能发光，难以大规模应用于照明市场。随着LED向高光强、大功率、小尺寸的趋势发展，其芯片热流密度及器件封装结构复杂度越来越大，散热问题日益严峻。由于高功率发出更多热，限于小体积这些热量难以散出，会直接导致器件的老化，造成荧光粉光量子产率下降，缩短其使用寿命，甚至导致芯片失效，这使得LED的散热成为阻碍其应用于照明的所面临一个问题。LED传统封装后必须采用透镜进行光设计，才能将LED光源调节为照明用的曲面光，光线在透镜中发生折射，这势必导致光损耗，降低能量利用率，这使得封装成为阻碍LED应用于照明所面临的一个问题。因此，解决大功率LED散热和封装的问题对其发展具有重要意义。
为了解决照明LED的散热问题，一种传统大功率LED灯采用将大量低功率LED排成阵列的形式，避免使用大功率LED芯片。由于采用低功率LED芯片，能有效地解决散热问题，同时采用大量LED芯片，也可以满足照明用光强。但是，由于每个LED芯片单独发光，光源不连续，致使发光不均匀，严重影响了该光源的视觉效果，长期使用会产生不适感，不适合作为照明光源使用。
一种传统大功率LED散热基板是铝基板，包括金属基底、绝缘层和电路层。采用多层设计以满足LED所需电路设计，有热导率高、成本低等优点。但芯片和散热基板间的热界面材料热阻较大，热沉导热性能不高，绝缘层一般采用热阻较大的有机材料，在使用过程中热量无法导出，影响LED的发光质量和使用寿命。另外，基板与芯片衬底不匹配以及层间材料种类不同而存在界面，使其存在热膨胀系数差异与晶格失配，导致热应力问题。在大功率LED的使用过程中，随着发光时热量积累，温度升高，热应力问题会愈发严重，难以满足高密度封装要求，导致LED发光失效。
另一种基板是陶瓷基板，主要是氮化铝陶瓷基板，包括氮化铝基底和表面铜电路层。氮化铝有较高的绝缘性、导热性、低的介电常数和介电损耗，同时兼具了铝基板中金属基底和绝缘层的优点，且具有与GaN接近的晶格匹配和热膨胀系数。但是氮化铝和表面铜电路层难以紧密接合，两者之间还有较为明显的热失配。此外，这种陶瓷基板陶瓷原料制作困难，加工成本高，使用受到限制，不适宜广泛应用。
此外，为解决大功率LED芯片材料与散热材料间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，采用Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热基板也是可行的，但生产成本过高，难以大规模应用于LED封装散热。
传统的照明用LED封装有两种。一种是SMD封装，这种封装方式是将单个LED芯片封装成LED单元，然后将这些单元排列安装在电路板上。此方法工艺流程简单，LED单元可大量生产，常应用于功能光源，装饰光源等。但是作为照明用LED，单个单元功率不足，发光强度不足以进行照明，若将多个单元组合成阵列，则会导致发光不均匀的问题。另一种是COB封装，这种封装方式直接将多个LED芯片封装成一个单元。这种封装方式得到的单元发光面积较大，光源连续均匀，但是得到的光源仍然是平行光，要经过光设计才能应用于照明。以上两种封装使用的是传统散热基板，散热性能不理想，长期使用会使工作温度升高，影响LED灯具的使用。
中国专利CN101672460A公开了一种LED散热结构，采用新型的有高放射率，耐高温且绝缘的涂布层，以达到绝缘和散热效果，省去了传统的有机绝缘层。涂布层涂布于LED焊点，且直接与空气接触，借由涂布层增大了LED的散热面积。但是，涂布层由陶瓷粉末和有机粘结剂组成，难以连接外加的金属散热片，只能通过制造空气流动散热，相比于金属散热片，这样的散热效果并不好，同时必须制造出空气流动限制了其使用范围。
中国专利CN102044620A公开了一种LED基板，将多根金属条进行排列，在间隙中填充绝缘粘性材料，制得LED基板。此基板LED散热不需经过绝缘层，导热效率大大增加，且兼具传统铝基板的优点，制作相对简便，成本低廉。但是，绝缘粘性材料与金属材料之间接合并不能达到很好的效果，绝缘材料和金属材料之间还存在热应力问题，在使用过程中有可能出现基板在绝缘材料和金属材料之间发生断裂等问题，这种基板可靠性差，使用寿命短。
中国专利CN102983249A公开了一种改进型LED基板，在传统铝基板上开设有容置孔，容置孔延伸至金属基层，并在容置孔中放入紫铜制导热块，将LED芯片置于紫铜导热块上，此外，还采用陶瓷聚合物作为绝缘层材料，代替有机绝缘层。该基板有很好的散热性能，并且一定程度上避免了金属和有机材料之间热应力引起的问题。但是陶瓷材料和金属材料难以接合，使得该基板的加工会非常困难，且其中用到较多成本较高的原料，不适合广泛应用。
此外，使用以上几种LED基板的灯具都需要进行光设计，会造成光强损失，降低了光利用率。
发明内容
本发明的目的是针对大功率LED基板散热和热失配问题，解决现有LED难以应用于照明的问题，包括散热难、光设计降低发光效率和发光不连续等问题，提供一种大功率曲面LED散热基板及其封装方法。
所述大功率曲面LED散热基板设有基底，在基底上表面设有SiO2绝缘层，在SiO2绝缘层上设有电路层，LED芯片固定于基板上，电路层通过金线与LED芯片相连，再由经过固化的荧光粉和胶的混合物包裹；基底下表面通过导热胶粘贴于金属散热片上。
所述大功率曲面LED散热基板实际上是一种以硅氧碳薄膜为基底制成的LED散热基板。
以下所述PCS代指PCS或PrCS，硅氧碳薄膜代指硅氧碳薄膜或硅氧碳异质元素改性薄膜。
所述大功率曲面LED散热基板的封装方法，包括以下步骤：
1)硅氧碳薄膜的制备：将PCS纺成原膜，对原膜进行不熔化预处理，将预处理过的原膜进行高温烧结成硅氧碳薄膜；
2)LED散热基板绝缘层的制备：对烧结成的硅氧碳薄膜进行表面热处理，在薄膜表面形成SiO2绝缘层；
3)LED散热基板导电层的制备：在SiO2绝缘层表面设置导电层，制得大功率曲面LED散热基板；
4)LED封装：使用步骤3)制得的大功率曲面LED散热基板，将LED封装为曲面LED灯具。
在步骤1)中，所述硅氧碳薄膜的制备可采用本申请人的中国专利ZL200810070533.1所公开的碳化硅薄膜成型装置，将脱泡处理后的PCS在250～280℃进行纺膜，将喷膜口处的PCS均匀缠绕在卷丝筒上，得到PCS原膜，通过调节卷丝筒的转速控制原膜的厚度。
所述不熔化预处理可以采用氧化处理或电子束处理，最好采用氧化处理，氧化处理的步骤是，将纺好的薄膜放入高温炉中，25min从室温升温至100℃，再360min升温至180～200℃，保温1～3h，加热用的高温炉最好用升温管式炉，并在升温过程中通入流量为300ml/min的空气，电子束处理的步骤是将纺好的薄膜放入电子加速器，通入氩气保护，启动电子加速器，处理30min；
所述高温烧结的步骤最好是将不熔化预处理过的薄膜，放入升温管式炉，通入惰性气体，最好是氮气保护，流量200ml/min，设置升温程序最好35min从室温升温至200℃，再200min升温至600℃，250min至850℃，100min至1000℃，200min至1200℃，保温1～3h，冷却后取出。
在步骤2)中，所述表面热处理最好采用1500℃升温管式炉，设置的升温程序最好以240min从室温升温至1200℃，全程通入气氛为空气，流量最好为200ml/min，保温30min。
在步骤3)中，设置导电层最好采用丝网印刷，丝网为两条平行直线丝网，丝网间距0.8mm，丝网宽度0.2mm，印刷的具体过程是：将丝网固定在丝网印刷支架上，将固定的硅氧碳薄膜放在丝网印刷支架台和丝网之间，再调整丝网和硅氧碳薄膜之间的距离为1mm左右，将高温银浆涂覆在一条直线丝网的一侧，然后用橡胶刮板从一侧向另一侧刮刷2～3次，在硅氧碳薄膜上形成了两条平行的高温银浆层，再将薄膜放入1200℃升温管式炉，通入氩气保护，氩气流量最好为200ml/min，设置升温程序60min从室温升温至650℃，保温30～60min；设置导电层也可以采用镀膜，如热喷涂、溅射镀膜、离子镀膜等，在薄膜表面镀铜膜或铝膜，再通过腐蚀法等方法加工将去除多余部分，形成导电层。
在步骤4)中，所述封装的方式最好采用COB封装，其具体步骤为：点胶，在电路需要的位置上点导电或绝缘胶，以便使芯片粘帖固定在基板上，最好采用机器点胶；刺片，将多个LED芯片按照电路需求固定在基板上，最好采用机械刺片，使用机械将LED芯片依次安装在基板上，也可以采用手工刺片，在显微镜下用针将LED芯片刺到相应位置上；点金线，使金线在芯片电极和外引线键合区之间形成良好的欧姆接触，用金线将LED芯片连接进基板上电路；封胶，将荧光粉与胶的混合物涂布于基板，包裹住芯粒和金线；固化，将封胶后的基板放入烘箱中烘烤固化，将经过封胶的基板在150℃烘烤120min，使银胶固化成型，制得LED单元；封装测试，将弯曲成型的LED单元封装为灯具，在加工过程中有可能出现断线等导致故障的现象，封装好的LED灯具要经过测试。
本发明以聚碳硅烷(PCS)或加入金属元素改性的聚碳硅烷(PrCS，r根据加入的金属元素决定，如加入铝元素改性的聚碳硅烷记为PACS)为原料，通过在250～350℃下熔融纺膜成型，经氧化交联或电子束交联处理，而后高温裂解烧结，制备得柔性硅氧碳薄膜或硅氧碳异质元素改性薄膜，以该薄膜为基底，对薄膜进行表面热处理，形成SiO2层作为绝缘层，并在其表面设置电路层，制作大功率曲面LED散热基板，并采用该基板以COB方式封装为灯具。
本发明具有以下优势：
1)基板主要材质为碳化硅，其性能更优越，热导率高于目前常用的铝基板，可以应用于大功率LED的封装散热；
2)绝缘层是由基板表面处理制得的SiO2层，具有较好的绝缘性，相比有机绝缘层，该层不会产生热失配问题，不会降低基板的总热导率；
3)此基板为柔性基板，具有较高的弹性模量，可以弯曲成曲面，实现不经光设计的曲面发光，避免了光设计中的光损耗，此外，可弯曲的LED可以很方便地广泛应用于各种功能光源；
4)采用涂布荧光粉的方法实现面发光，避免了发光不均匀的问题，与其曲面特点相结合，相比于传统LED灯具，更适合作为照明用光；
5)硅氧碳薄膜的硅基表面相比于其他陶瓷基板的表面更容易与导电层接合，能够较好应用；
6)采用聚碳硅烷作为原料，工艺简单，成本低，容易进行工业化。
附图说明
图1为本发明所述LED基板的截面图。在图1中，1是硅氧碳薄膜层，2是SiO2绝缘层，3是导电层，4是LED芯片，5是混合的荧光粉和胶层，6是金线。
图2为实施例1半球灯立体效果图。图2中，1是硅氧碳薄膜，4是LED芯片。
图3为实施例1半球灯单元平面示意图。在图3中，1是硅氧碳薄膜，3是导电层，4是LED芯片。
图4为实施例1半球灯单元A-A截面示意图。在图4中，1是硅氧碳薄膜，2是SiO2绝缘层，3是导电层，4是LED芯片。
图5为半球灯单元立体示意图。在图5中，1是硅氧碳薄膜，4是LED芯片。
图6为实施例2灯管立体效果图。在图6中，1是硅氧碳薄膜，3是导电层，4是LED芯片。
图7为灯管局部示意图。在图7中，1是硅氧碳薄膜，3是导电层，4是LED芯片。
图8为实施例2灯管单元平面示意图。在图8中，1是硅氧碳薄膜，3是导电层，4是LED芯片。
图9为局部放大图。在图9中，1是硅氧碳薄膜，3是导电层，4是LED芯片。
图10为实施例3灯丝立体效果图。在图10中，1是硅氧碳薄膜，4是LED芯片。
图11为实施例3灯丝平面示意图。在图11中，1是硅氧碳薄膜，4是LED芯片.
图12为经过表面热处理得到薄膜的表面SEM图。
图13为经过设置电路层得到基板的表面SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
1)硅氧碳薄膜的制备：取PCS10g放入喷膜料桶，将纺膜装置喷膜口调整为0.5mm×2.2mm，组装纺膜装置，放入真空管式炉脱泡处理：100min从室温升温至270℃，再20min升温至300℃，保温2h。取出纺膜装置，在260℃下纺膜，调节卷丝筒转速，使得PCS薄膜质地均匀。将薄膜放入高温炉进行氧化不熔化预处理，通入流量300ml/min空气，25min升温至100℃，再360min升温至190℃，保温2.5h。将薄膜放入高温炉，通入氮气保护，氮气流量300ml/min，35min从室温升温至200℃，再200min升温至600℃，250min至850℃，100min至1000℃，200min至1200℃，保温2h，取出烧制好的硅氧碳薄膜1(参见图1～5)。该薄膜表面SEM图如图12。
2)LED基板绝缘层的制备：将薄膜进行表面热处理，放入升温管式炉，通入200ml/min空气，加热至240min加热至1200℃保温30min，薄膜表面形成SiO2绝缘层2(参见图1和4)。
3)LED基板导电层的制备：将经过热处理的硅氧碳薄膜裁剪40mm×2mm长条形，取12条，在每条薄膜上用丝网印刷两条宽0.2mm，间隔0.8mm的银线，放入管式炉，通入氩气保护，20min从室温升温至650℃，保温75min，形成电路导电层3(参见图1、3和4)。经处理后，表面SEM图如图13。
4)LED的封装：在每个薄膜适当位置点胶，刺片，将3个LED芯片4(参见图1～5)等间距固定，相邻两芯片间距10mm(如图3为平面示意图，图4为截面示意图)。点金线6(参见图1)，将芯片与电路连接。将灯具单元沿40mm方向弯曲成90°圆弧，使其贴合于球面(如图5)。用混合的荧光粉和胶层5(图1)封胶，150℃烘烤固化120min，制得LED灯具单元(截面图如图1)。将得到的一组共12个圆弧形单元程放射状用导热胶粘贴于半球形散热器内壁，连接电路，封装得到近似于点光源的照明用LED灯具(如图2)。
用此方法制备的大功率LED基板主要性能如表1所示。
表1
实施例2
1)硅氧碳薄膜的制备：取PACS40g，将纺膜装置喷膜口调整为0.5mm×70mm，组装纺膜装置，放入真空管式炉脱泡处理：100min从室温升温至270℃，再20min升温至290℃，保温2.5h。取出纺膜装置，在280℃纺膜，调节卷丝筒转速，使得PACS薄膜质地均匀。放入电子加速器进行不熔化预处理，通入氩气保护，处理30min。将薄膜放入高温炉，通入氩气保护，氩气流量200ml/min，35min从室温升温至200℃，再200min升温至600℃，250min至850℃，100min至1000℃，200min至1200℃，保温2.5h，取出，得硅氧碳薄膜1(图1、6～9)。
2)LED基板绝缘层的制备：将薄膜进行表面热处理制备表面绝缘层，放入升温管式炉，通入200ml/min空气，200min加热至1200℃保温40min，表面形成SiO2绝缘层2(图1)。
3)LED基板导电层的制备：采用磁控溅射法在薄膜表面镀铜。裁剪1000mm×63mm镀铜薄膜一条，腐蚀铜层形成几组宽0.2mm，间隔0.8mm的铜线作为电路导电层3(图1、6～9)。
4)LED的封装：点胶，刺片，将多个LED芯片4(图1、6～9)固定(如图8，图9为局部示意图)，点金线6(图1)。将薄膜弯曲成180°，用混合的荧光粉和胶层5(图1)封胶，150℃烘烤150min，制得LED灯管(部分截面图如图1)。将灯管用导热胶粘贴于散热器内壁，连接电路，得到LED灯具(如图6，图7为部分节选图)。
用此方法制备的大功率LED基板主要性能如表2所示。
表2
实施例3
1)硅氧碳薄膜的制备：取PCS5g，将纺膜装置喷膜口调整为0.5mm×2.2mm，组装纺膜装置，放入真空管式炉脱泡处理：100min从室温升温至270℃，再20min升温至300℃，保温2.5h。取出纺膜装置，在270℃下纺膜，调节卷丝筒转速，使得PCS薄膜质地均匀。将薄膜放入高温炉进行氧化不熔化预处理，通入流量300ml/min空气，25min升温至100℃，再360min升温至190℃，保温2.5h。将薄膜放入高温炉，通入氮气保护，氮气流量300ml/min，35min从室温升温至200℃，再200min升温至600℃，250min至850℃，100min至1000℃，200min至1200℃，保温2.5h，取出，得硅氧碳薄膜1(图1、10和11)。
2)LED基板绝缘层的制备：将薄膜进行表面热处理，放入升温管式炉，通入200ml/min空气，加热至240min加热至1200℃保温30min，得SiO2绝缘层2(图1)。
3)LED基板导电层的制备：将经过热处理的硅氧碳薄膜裁剪120mm×2mm长条形，在薄膜表面用丝网印刷印两条宽0.2mm，间隔0.8mm的银线，放入管式炉，通入氩气保护，20min从室温升温至650℃，保温75min，形成电路导电层3(图1、11)。
4)LED的封装：点胶，刺片，将3个LED芯片4(图1、10、11)固定(如图11)，点金线6(图1)，用混合的荧光粉和胶层5(图1)封胶。将薄膜弯曲成成螺旋状，150℃烘烤150min，制得LED灯丝(如图10，截面图如图1)。将灯丝用与导线相连，悬挂于灯泡内，连接电路，得到LED灯泡。
用此方法制备的大功率LED基板主要性能同实施实例1。
Claims (10)
1.一种大功率曲面LED散热基板，其特征在于设有基底，在基底上表面设有SiO2绝缘层，在SiO2绝缘层上设有电路层，LED芯片固定于基板上，电路层通过金线与LED芯片相连，再由经过固化的荧光粉和胶的混合物包裹；基底下表面通过导热胶粘贴于金属散热片上。
2.如权利要求1所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于包括以下步骤：
1)硅氧碳薄膜的制备：将PCS纺成原膜，对原膜进行不熔化预处理，将预处理过的原膜进行高温烧结成硅氧碳薄膜；
2)LED散热基板绝缘层的制备：对烧结成的硅氧碳薄膜进行表面热处理，在薄膜表面形成SiO2绝缘层；
3)LED散热基板导电层的制备：在SiO2绝缘层表面设置导电层，制得大功率曲面LED散热基板；
4)LED封装：使用步骤3)制得的大功率曲面LED散热基板，将LED封装为曲面LED灯具。
3.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤1)中，所述硅氧碳薄膜的制备采用碳化硅薄膜成型装置，将脱泡处理后的PCS在250～280℃进行纺膜，将喷膜口处的PCS均匀缠绕在卷丝筒上，得到PCS原膜，通过调节卷丝筒的转速控制原膜的厚度。
4.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤1)中，所述不熔化预处理采用氧化处理或电子束处理。
5.如权利要求4所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于所述氧化处理的步骤是，将纺好的薄膜放入高温炉中，25min从室温升温至100℃，再360min升温至180～200℃，保温1～3h，加热用的高温炉用升温管式炉，并在升温过程中通入流量为300ml/min的空气，电子束处理的步骤是将纺好的薄膜放入电子加速器，通入氩气保护，启动电子加速器，处理30min。
6.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤1)中，所述高温烧结的步骤是将不熔化预处理过的薄膜，放入升温管式炉，通入惰性气体，流量200ml/min，设置升温程序是35min从室温升温至200℃，再200min升温至600℃，250min至850℃，100min至1000℃，200min至1200℃，保温1～3h，冷却后取出。
7.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤2)中，所述表面热处理是采用1500℃升温管式炉，设置的升温程序以240min从室温升温至1200℃，全程通入气氛为空气，流量为200ml/min，保温30min。
8.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤3)中，设置导电层采用丝网印刷，丝网为两条平行直线丝网，丝网间距0.8mm，丝网宽度0.2mm，印刷的具体过程是：将丝网固定在丝网印刷支架上，将固定的硅氧碳薄膜放在丝网印刷支架台和丝网之间，再调整丝网和硅氧碳薄膜之间的距离为1mm，将高温银浆涂覆在一条直线丝网的一侧，然后用橡胶刮板从一侧向另一侧刮刷2～3次，在硅氧碳薄膜上形成了两条平行的高温银浆层，再将薄膜放入1200℃升温管式炉，通入氩气保护，氩气流量为200ml/min，设置升温程序60min从室温升温至650℃，保温30～60min。
9.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤3)中，设置导电层采用镀膜，在薄膜表面镀铜膜或铝膜，再通过腐蚀法加工将去除多余部分，形成导电层；所述镀膜可采用热喷涂、溅射镀膜或离子镀膜。
10.如权利要求2所述一种大功率曲面LED散热基板的封装方法，其特征在于在步骤4)中，所述封装的方式采用COB封装，其具体步骤为：
点胶，在电路需要的位置上点导电或绝缘胶，以便使芯片粘帖固定在基板上；
刺片，将多个LED芯片按照电路需求固定在基板上，最好采用机械刺片，使用机械将LED芯片依次安装在基板上，也可以采用手工刺片，在显微镜下用针将LED芯片刺到相应位置上；
点金线，使金线在芯片电极和外引线键合区之间形成欧姆接触，用金线将LED芯片连接进基板上电路；
封胶，将荧光粉与胶的混合物涂布于基板，包裹住芯粒和金线；
固化，将封胶后的基板放入烘箱中烘烤固化，将经过封胶的基板在150℃烘烤120min，使银胶固化成型，制得LED单元；
封装测试，将弯曲成型的LED单元封装为灯具，在加工过程中有可能出现断线等导致故障的现象，封装好的LED灯具要经过测试。
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