CN1545146A - 功率型半导体固体照明光源及其封装制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高发光通量、高可靠性及低热阻的由金属基底与石英聚光透镜所组成的功率型半导体固体照明光源。它包括具有凹形反光碗的金属基底，固定于该凹形反光碗底部的LED管芯和聚光透镜。该聚光透镜下部可选地固定一圆筒形的金属夹套，通过金属夹套可方便地与金属基底连接。还可选地在聚光透镜的底部平面涂覆一层改变光的颜色，色温或其他性能的添加剂。本发明还提供一种功率型半导体固体照明光源的封装制备方法。

Description

功率型半导体固体照明光源及其封装制备方法

                            技术领域

本发明涉及半导体技术，具体涉及光发射二极管为主要元件的一种照明光源；本发明还涉及该照明光源的制造方法，特别是其封装结构，利用该结构来制备照明光源的方法。

                            技术背景

可见光的光发射二极管(LED)起源于20世纪90年代，是超高亮度LED应用领域的拓展，1991年，红、橙、黄色AlGaInN类高亮度LED的实用化揭开了LED发展的新篇目，使LED的应用从室内走向室外，成功的应用于各种交通信号灯、汽车尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝色、绿色AlGaInN类超高亮度LED的相继研制成功，实现了LED的超高亮度全色化。然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED半导体固体照明光源取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明灯已成为新世纪的发展目标。

由此可见，功率型半导体固体照明光源的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率(lm/W)和每一器件(组件)的发光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片取光效率很低。由于半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。

目前由于沿用了传统的指示灯型LED制造工艺和封装结构，工作电流一般为20mA，其封装热阻高达300℃/W，不能满足充分散热的要求，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外环氧树脂变黄也将使光输出降低。按照这种常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高效率和高通量的要求，从而不能达到照明光源的要求。

功率型LED在大电流下产生比φ5mm白光LED大10-20倍的光通量，因此必须通过使用有效的散热和采用不劣化的封装材料来解决光衰减问题，管壳及封装已成为研制功率型LED的关键技术之一，全新的LED功率型封装设计理念主要归纳为两类：一是单芯片功率型封装；另一是多芯片功率型封装。

有关LED的专利文献很多，例如较早的JP8-102550，没有具体叙述用于照明光源的封装。同样还有CN1296296，叙述了倒装焊接的LED器件。CN1215503和1315057公开了LED器件及其制备，其中在电极上制作一些微型凸柱以便减少电极尺寸并且完善连接，它们都使用树脂封装。JP10-200186使用抛物线反光面，但它是垂直安装。JP2001-156330在蓝宝石衬底中掺杂铬以便在550nm处有吸收，并且有炮弹型外壳聚光罩。但是以上专利公开的都使用树脂封装，没有一篇公开使用玻璃特别是石英玻璃进行封装；也没有明确将LED用于照明光源。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种高发光通量、高可靠性及低热阻的由金属基底与石英聚光透镜所组成封装结构的功率型半导体固体照明光源。

本发明另一个目的是提供一种半导体固体照明光源的封装方法来制备该照明光源。

本发明照明光源包括具有凹形反光碗11的金属基底1，固定于该凹形反光碗11底部的LED管芯3和聚光透镜2。该聚光透镜2下部可选地固定一圆筒形的金属夹套5，通过金属夹套5可方便地与金属基底1连接。另外，本发明还可选地在聚光透镜2的底部表面涂覆一层添加剂层6，例如YAG层来改变光的颜色或色温。

本发明照明光源的封装制备方法包括步骤：

1.制备具有凹形反光碗的金属基底；

2.在凹形反光碗底部形成一平面，平面的大小可容纳LED管芯，通过银浆烧结将管芯和反光碗固定；

3.金丝焊接管芯电极和基底上的管脚线；

4.制备钟罩型聚光透镜并将该透镜置于金属基底的凹槽内，通过两者之间的低温玻璃环烧结使它们固定。

本方法可选地包括在聚光透镜底部连接一种金属夹套，以便使金属夹套方便地连接金属基底。

本发明还可选地在聚光透镜的底部平面涂覆一层改变光的颜色和色温或其他性能的添加剂，例如YAG粉。

金属基底的材料没有严格限制，一般使用铁，钢，不锈钢，铜，铝或其合金，其中优选铜或钢。反光碗表面一般抛光镀银，以便增强反光；同时方便银浆烧结固定LED管芯。根据需要，管芯可以是一个或多个。当然，也可通过其他机械或粘接方式固定管芯，不过本发明优选银浆烧结法固定。因为本发明关键在于取消一切树脂，为的是结构稳定并能耐高温。因此，除银浆烧结之外，聚光透镜的材料排除树脂，一般使用玻璃，优选石英玻璃，还优选蓝宝石。它们的机械性能，导热性，透光性和耐高温性能远远高于树脂，其优点不言而喻。聚光透镜的底部平面可选地涂覆一层添加剂例如YAG，通过发出特定波长的光的管芯来激发YAG，可以获得不同颜色的光。当然，不同添加剂改变不同色泽或其他性能。如果聚光透镜下部固定一圆筒形的金属夹套，则更加容易连接金属基底。金属夹套的材料没有严格限制，正如上文金属基底所述的材料，但其内表面一般镀镍、铬、银或其合金以及其他能够形成光滑反射面的材料。镀覆的方法很多，任何方法皆可使用，这些都是本领域技术人员所熟知的。夹套和透镜的高度尺寸之比没有严格限制，只要不影响照明光源使用就行；一般在1∶5～1∶1之间。夹套和透镜的连接方式有许多，例如机械加工的紧配合套接或者用粘接剂的粘接等都可使用。而夹套和基底的连接更方便更容易，任何方式都行，例如螺旋扣接，机械紧配合连接，铆接，粘结甚至焊接等。

                           附图说明

图1是本发明功率型半导体固体照明光源的一种实施方案剖面图；

图2是本发明功率型半导体固体照明光源的一种实施方案的金属基底俯视图；

图3是本发明功率型半导体固体照明光源的另一实施方案的剖面图。

图4是本发明功率型半导体固体照明光源的又一实施方案的剖面图。

                          具体实施方式

下面参照附图结合实施例进一步详述本发明。

实施例1

请参阅图1和图2，其中金属基底1的材料为铜。金属基底1用模具冲压或车床车制成具有凹形反光碗11的形状，将该反光碗表面磨砂、抛光并镀银，形成一光滑的反射面。本实施例中的金属基底具有四个管脚12，金属基底外缘带有两个安装孔13。

四个LED管芯3通过银浆烧结法直接固定于金属基底1的凹形反光碗11底部，使得管芯3产生的热量能够通过金属基底1迅速传出。

管芯3的电极与金属基底1上的管脚线12通过金丝4仔细焊接。

将尺寸合适的石英管烧制成聚光透镜2；将该聚光透镜2置于凹形反光碗11的上方，并且嵌入金属基底1的凹槽内，用低温玻璃环通过烧结的方法与金属基底1连接。烧结时可对金属基底适当冷却。

实施例2

请参阅图3，基本按照实施例1的工序，其中在聚光透镜2的下部固定一圆筒形的铜金属夹套5；该金属夹套5内表面镀镍，形成光滑的反射面，可以将管芯3发出的光线反射，减少光吸收，提高取光效率，金属夹套5用粘结的方法与金属基底1连接，使透镜2置于凹形反光碗11的上方；该透镜2下部的金属夹套5可以增强该功率型半导体固体照明光源的散热效果。金属夹套的高度为聚光透镜高度的1/2，聚光透镜与夹套的结合部位先上车床磨圆，再车制夹套内圆直径使之紧配合，加热后套在聚光透镜上。

实施例3

与实施例1相同步骤，不同的是金属基底1的材料采用不锈钢代替铜。

实施例4

按照实施例2的相同步骤，不同的是聚光透镜2的材料采用蓝宝石代替石英玻璃，蓝宝石聚光透镜由外加工定做购置；夹套5与基底1采用螺丝扣拧接。

实施例5

请参阅图4，基本按照实施例1的步骤，其中在聚光透镜2的底部平面涂覆一层YAG粉6，通过发出特定波长的光的管芯来激发YAG粉，以获得所需颜色的光。

实施例6

与实施例4相同步骤，其中在聚光透镜2的底部平面涂覆一层YAG粉6。

本发明具有如下优点：

1)由于采用金属基底，而且管芯直接固定于该金属基底凹形反光碗底部，使管芯产生的热量能够迅速传出；

2)管芯置于金属基底的凹形反光碗底部，该凹形反光碗表面为一光滑的反射面，将管芯发出的光线向上方反射，可以减少光线的损失，提高取光效率；

3)聚光透镜材料采用导热率较高的玻璃或石英而非传统的导热率低的光学环氧树脂，从而使该功率型半导体固体照明光源在大功率情况下更好散热。若在透镜下部固定金属夹套，则散热效果更强；

4)因为透镜的设置，可以增加该功率型半导体固体照明光源的亮度及改善光的指向性，并且透镜材料稳定性高，不易出现老化衰减等现象。

5)如在透镜的底部平面涂覆一层添加剂，通过发出特定波长的光的管芯来激发该添加剂层，可以获得不同颜色的光。

与传统技术相比，本发明的进步在于：

热阻低。常规的LED较小的芯片尺寸和传统环氧封装具有很高热阻，而这种新型封装结构的热阻比常规LED大大减小。

可靠性高。不会因温度骤变环氧树脂产生内应力而使焊线断开。也不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象。

反光碗和透镜形状的最佳设计使辐射图样可控且大大提高光学效率。

以上详细叙述了本发明的封装结构，显然，本领域技术人员可作许多改良和变换，例如封装的结构和尺寸以及材料的变化等，均落入本发明的精神范围。

Claims (10)

1.一种功率型半导体固体照明光源，包括具有凹形反光碗(11)的金属基底(1)，LED管芯(3)和聚光透镜(2)。

2.根据权利要求1所述照明光源，其特征在于LED管芯通过银浆烧焊直接固定于该金属基底的凹形反光碗底部。

3.根据权利要求1所述照明光源，其特征在于聚光透镜材料为石英。

4.根据权利要求1所述照明光源，其特征在于聚光透镜置于金属基底凹形反光碗的上方，其底部与金属基底连接。

5.根据权利要求1所述照明光源，进一步包括聚光透镜下部的一种圆筒形金属夹套，该金属夹套的内表面镀有能够形成光滑反射面的材料。

6.根据权利要求1所述照明光源，进一步包括在聚光透镜的底部平面涂覆一层改变光的颜色，色温或其他性能的添加剂。

7.根据权利要求5所述照明光源，其中透镜通过金属壳与金属基底连接。

8.一种功率型半导体固体照明光源的封装制备方法，包括步骤：

制备具有凹形反光碗的金属基底；

在凹形反光碗底部形成一平面，平面的大小可容纳LED管芯，通过银浆烧结将管芯和反光碗固定；

金丝焊接管芯电极和基底上的管脚线；

制备钟罩型聚光透镜并将该透镜置于金属基底的凹槽内，通过两者之间的低温玻璃环烧结使它们固定。

9.根据权利要求8的方法，进一步包括在聚光透镜底部连接一种金属夹套，以便使金属夹套方便地连接金属基底。

10.根据权利要求8的方法，进一步包括在聚光透镜的底部平面涂覆一层改变光的颜色，色温或其他性能的添加剂。

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