CN104157747A - 一种高散热性led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高散热性LED芯片及其制备方法。通过在LED芯片表面沉积一层透明导热膜，增强芯片表面的热量传导能力，降低芯片温度，改善芯片表面温场的均匀性。该透明导热膜选用ZrO2和Ag镀膜材料，采用物理气相沉积方法，在LED芯片衬底上依次生长ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层的组合结构，该组合膜层能够实现芯片表面的透明导热功能。本发明能够有效降低LED芯片温度，延缓芯片老化，能够减小芯片表面的温场梯度，改善芯片表面发光的一致性。
Description
技术领域
本发明属于LED技术领域，涉及一种具备高散热性能的大功率白光LED芯片及其制备方法。
背景技术
LED照明是21世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点。LED研究以及产业化将成为今后光电子、材料、能源、半导体行业等多个行业的另一个重要发展方向。美、日、欧竞相投入大量资金开发LED绿色光源。我国自“八五”期间就十分关注LED发展，通过“863”科技攻关、高新技术创新、产业化资金重点支持，已取得研发成果和诸多专利，但白光LED核心技术研发及产业化情况与发达国家相比尚有一定差距。随着高亮度大功率LED技术的飞速发展，一旦解决了在性能和成本上的问题，将会对传统的照明光源提出挑战。图一为大功率白光LED芯片工作原理图。图中1-蓝光LED一部分蓝光激发2-荧光粉涂层发射黄光，另外一部分蓝光透过2-荧光粉涂层发射出来，由2-荧光粉涂层发射的黄光与透射的蓝光混合得到白光。2-荧光粉涂层涂敷在4-LED芯片衬底上。4-LED芯片衬底和3-封装外壳通过导热胶连接在一起。
LED光源在发生电致作用时只能够将能量的15％-20％转化为光能，其余80％-85％的全部转化为无用的热能，导致LED温度升高。温度的升高是LED的最大威胁之一，不仅影响LED的电气性能，而且缩短LED的使用寿命。1)发光强度降低。随着芯片结温的增加，芯片的发光效率也会随之减少，芯片结温越高，发光强度下降越快。
2)发光主波长偏移。当LED温度升高时，LED的波长的大致变化规律为每升高10℃，波长红移1nm，主波长的变化将会引起混色效果的变化，还会偏移荧光粉的激发峰值，致使转换效率下降。
3)限制了芯片面积的加大。由于芯片主要是传导散热，在芯片上形成从中心到边缘的温度梯度，各点温度的差别引起颜色的不同。
4)严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。在LED连续点亮的过程中，热量不能及时散出，芯片温度的升高，加速荧光粉链结剂的老化，引起光衰。依照阿雷纽斯法则，温度每升高10℃寿命会缩短1倍。在设计LED发光器件时，主要考虑以下两方面：一方面改善器件内部结构，提高发热芯片向外壳传导热量的能力；另一方面选择导热性能优越的封装材料。对于选择性能优越的封装材料，已经做过相当多的研究，有较好的成效。而提高发热芯片向外传导热量，目前常用的方法是选择热导率好和耐高温的蓝宝石衬底(蓝宝石热导系数46W/(m.K)，石英热导系数1.45W/(m.K))和改善荧光粉涂层的质量，但是效果有限。Cree公司采用碳化硅衬底(热导系数490W/(m.K))，导热性能要比蓝宝石高将近20倍，但是碳化硅的成本昂贵，目前只有Cree使用，且有专利保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高散热性LED芯片及其制备方法。通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生成一种透明导热膜，使芯片产生的热量沿着该膜层传导到外围的散热机构，降低芯片温度，提高芯片表面的温场均匀性，同时保证有高的光谱透过率，不影响光的出射效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高散热性LED芯片，包括LED芯片衬底、荧光粉涂层和透明导热膜，所述透明导热膜位于LED芯片衬底和荧光粉涂层之间，从LED芯片衬底表面开始依次为ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层。
进一步地，所述LED芯片衬底为石英玻璃。
进一步地，所述ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层的厚度从LED芯片衬底表面开始依次为：35～45nm，12～15nm，40～45nm。
上述ZrO2/Ag/ZrO2透明导热膜是通过在LED芯片衬底上涂敷一层金属银的导热层来改善芯片向外围壳体的热量传递；借助于金属诱导透射理论，增加匹配层，降低银膜的反射，设计出介质-金属的混合多层膜结构。该结构有很好的热传导性，同时具有高的光谱透过率。
一种高散热性LED芯片的制备方法，通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生长透明导热膜来实现，所述透明导热膜从LED芯片衬底表面开始依次为ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层。
进一步地，上述方法还包括在生长透明导热膜之前，对LED芯片衬底进行离子清洗处理。
进一步地，所述LED芯片衬底为石英玻璃。
进一步地，采用物理气相沉积方法在LED芯片衬底上生长透明导热膜。
进一步地，上述物理气相沉积在真空室中进行，真空室的气体压力小于1.0×10-3Pa，温度为50±5℃。
进一步地，所述ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层的厚度从LED芯片衬底表面开始依次为：35～45nm，12～15nm，40～45nm。
进一步地，上述方法还包括使用导热胶将生长有透明导热膜的LED芯片衬底和LED外壳连接在一起。
本发明的有益效果是有效解决大功率白光LED芯片的散热问题。具体体现在以下方面：降低芯片的温度，减缓芯片老化失效；降低芯片表面的温度梯度，提高芯片表面的颜色一致性和亮度一致性；同时，透明导热膜的单件成本大约3.0元，由于衬底材料使用石英玻璃代替蓝宝石，衬底成本大幅下降。
附图说明
图1是现有技术中白光LED芯片工作原理图，其中：1-蓝光LED；2-荧光粉涂层；3-封装外壳；4-LED芯片衬底。
图2是本发明制作的LED芯片衬底的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明的具体实现，包括以下几个步骤：
1、清洗基片。选用石英材料衬底，对其表面进行超声波清洗，去除表面污染物。
2、使用卡具将清洗好的衬底放入镀膜机真空室。
3、镀膜机真空室气体压力小于1.0×10-3Pa，真空室温度50±5℃。
4、镀膜前使用Kaufman离子源清洗衬底5-10分钟，离子源屏压500V，离子束流100mA。
5、按照图2所示结构镀制样品：石英衬底/(35～45nm)ZrO2/(12～15nm)Ag/(40～45nm)ZrO2。
6、将镀有透明导热膜的芯片衬底和LED外壳使用导热胶连接在一起。
实施例1
使用经过光学抛光的石英基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备透明导热薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发系统、晶体膜厚控制系统、Kaufman离子源，离子源供气系统，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力小于1.0×10-3Pa，温度为50±5℃。
对石英基材进行镀膜前离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0～1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。镀第一层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度40nm。镀第二层金属Ag层，蒸发速率0.8nm/s，膜层厚度14nm。镀第三层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度为40nm。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到透明导热薄膜。将镀有透明导热膜的芯片衬底和LED外壳使用导热胶连接在一起。
实施例2
使用经过光学抛光的石英基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备透明导热薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发系统、晶体膜厚控制系统、Kaufman离子源，离子源供气系统，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力小于1.0×10-3Pa，温度为50±5℃。
对石英基材进行镀膜前离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0-1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。镀第一层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度35nm。镀第二层金属Ag层，蒸发速率0.8nm/s，膜层厚度15nm。镀第三层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度为45nm。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到透明导热薄膜。将镀有透明导热膜的芯片衬底和LED外壳使用导热胶连接在一起。
实施例3
使用经过光学抛光的石英基材，尺寸￠20×1mm。
使用超声波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，无水乙醇清洗，纯水清洁，IPA蒸干。
在制备透明导热薄膜时，该制备方法基于以下条件，真空蒸发镀膜机，镀膜机配置有电子枪蒸发系统、晶体膜厚控制系统、Kaufman离子源，离子源供气系统，离子源工作气体为氩气，基材置于真空室，真空室的气体压力小于1.0×10-3Pa，温度为50±5℃。
对石英基材进行镀膜前离子清洗处理，增强基材的表面活性。通过氩气流量调节真空度为1.0-1.2×10-2Pa，离子源偏压500V，离子束流100mA，离子处理时间为8分钟。关闭离子源电源和氩气。镀第一层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度45nm。镀第二层金属Ag层，蒸发速率0.8nm/s，膜层厚度12nm。镀第三层ZrO2层，蒸发速率0.3nm/s，膜层厚度为43nm。膜层镀完以后，等待30分钟取出样品，即得到透明导热薄膜。将镀有透明导热膜的芯片衬底和LED外壳使用导热胶连接在一起。
本发明与现有技术制作的LED芯片的主要性能指标比较如表1所示：
表1本发明制作的LED芯片主要性能指标
根据上表可以看出，通过本发明的方法制作LED芯片可以降低芯片的温度，减缓芯片老化失效；降低芯片表面的温度梯度，提高芯片表面的颜色一致性和亮度一致性；同时，由于衬底材料使用石英玻璃代替蓝宝石，衬底成本大幅下降。
Claims (10)
1.一种高散热性LED芯片，包括LED芯片衬底、荧光粉涂层和透明导热膜，所述透明导热膜位于LED芯片衬底和荧光粉涂层之间，从LED芯片衬底表面开始依次为ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层。
2.如权利要求1所述的高散热性LED芯片，其特征在于，所述LED芯片衬底为石英玻璃。
3.如权利要求1所述的高散热性LED芯片，其特征在于，所述ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层的厚度从LED芯片衬底表面开始依次为：35～45nm，12～15nm，40～45nm。
4.一种高散热性LED芯片的制备方法，通过在LED芯片衬底和荧光粉涂层之间生长透明导热膜来实现，所述透明导热膜从LED芯片衬底表面开始依次为ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层。
5.如权利要求4所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，还包括在生长透明导热膜之前，对LED芯片衬底进行离子清洗处理。
6.如权利要求4所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，所述LED芯片衬底为石英玻璃。
7.如权利要求4所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法在LED芯片衬底上生长透明导热膜。
8.如权利要求7所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积在真空室中进行，真空室的气体压力小于1.0×10-3Pa，温度为50±5℃。
9.如权利要求4所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，所述ZrO2膜层，Ag膜层和ZrO2膜层的厚度从LED芯片衬底表面开始依次为：35～45nm，12～15nm，40～45nm。
10.如权利要求4所述的高散热性LED芯片的制备方法，其特征在于，还包括使用导热胶将生长有透明导热膜的LED芯片衬底和LED外壳连接在一起。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141119 |