CN201412705Y - 高效散热led照明光源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种成本低、散热效果好、生产效率高、制造精确度高的高效散热LED照明光源。本实用新型包括LED裸芯片(1)、金属基板(2)，金属基板(2)的上表面沉积有导热绝缘层，导热绝缘层上沉积有金属层(6)，金属层(6)的上表面覆盖有防焊层(8)，导热绝缘层由二氧化硅层(30)或氮化硅层(31)或二氧化硅层(30)与氮化硅层(31)组合构成，金属层(6)根据LED裸芯片(1)的串并联连接关系构成预先设定的电路连线及图形，LED裸芯片(1)分为若干组正装或倒装在各金属层(6)上，各组内部的LED裸芯片(1)之间及若干组LED裸芯片(1)之间均通过金属层(6)相连接组成电路。本实用新型可广泛应用于LED光源领域。

Description

高效散热LED照明光源
技术领域
本实用新型涉及一种高效散热LED照明光源。
背景技术
将多个LED裸芯片集成在一个线路板上称为集成芯片。无论是单电极LED裸芯片、双电极LED裸芯片还是倒装LED裸芯片均可应用在LED集成芯片上。LED集成芯片中常用到铝基板，现有的照明LED铝基板由金属铝或铝合金作为衬底，在上面涂覆有机物或无机物导热绝缘层，在导热绝缘层上再覆盖铜箔。由于其导热绝缘层能耐高压(＞1500V/min)及衬底散热性较佳，所以被广泛应用在LED领域。其应用方式为在铝基板上按照传统单层印刷线路板的制造方式将铜箔用丝网印刷及蚀刻方式形成电路，再将防焊层覆盖在铝基板上，仅裸露出需要焊接部位的铜箔即成。这种采用传统方式制造的铝基板，由于其使用工艺精度较差，难以精确控制导热绝缘层的厚度，为了保证其耐压性能，必须对导热绝缘层的厚度留有较大余量，一般导热绝缘层的厚度在80～100μm，因此导热绝缘层的厚度较大，其导热及散热效果因此大大降低。
现有的照明用LED单颗芯片大多采用面积较大的功率型LED芯片，其成本较高，由于芯片面积较大，热源集中，因此散热效果不好；同时，这种LED芯片较难实现多芯片集成；采用这种芯片制造光源时，需要先将单颗大功率LED裸芯片封装在带金属衬底的贴片封装内，然后再将若干个封装好的贴片式芯片通过串并联关系接于带电路的铝基板上。目前还有采用集成LED芯片制造光源的方法，其需要先将多颗LED裸芯片通过串并联组合连接封装在带金属衬底的贴片封装内，然后再将若干个封装好的贴片式集成芯片通过串并联关系接于带电路的铝基板上。这种集成LED芯片的光源的制造过程需要首先对LED裸芯片进行一次封装，再在带电路的铝基板上进行二次封装，因此其工艺复杂，成本较高，生产效率较低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、散热效果好、生产效率高、制造精确度高的高效散热LED照明光源。
本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括LED裸芯片，所述LED裸芯片包括衬底和N型外延层、P型外延层，所述高效散热LED照明光源还包括金属基板，所述金属基板的上表面沉积有导热绝缘层，所述导热绝缘层上沉积有金属层，所述金属层的上表面除焊点、芯片及打线位置外的其余部分覆盖有防焊层，所述导热绝缘层由二氧化硅层或氮化硅层或二氧化硅层与氮化硅层组合构成，所述金属层根据所述LED裸芯片的串并联连接关系构成预先设定的电路连线及图形，所述LED裸芯片分为若干组正装或倒装在各所述金属层上，各组内部的所述LED裸芯片之间及若干组所述LED裸芯片之间均通过所述金属层相连接组成电路，所述金属层引出阳极接点和阴极接点。
所述LED裸芯片上及其周围覆盖硅胶或树脂形成保护层，所述保护层将所述LED裸芯片及用于封装的金属线或焊球覆盖；或者，所述LED裸芯片上覆盖有荧光粉层，所述荧光粉层的周围覆盖硅胶或树脂形成保护层，所述保护层将所述荧光粉层、所述LED裸芯片及用于封装的金属线或焊球覆盖。
各组内部的所述LED裸芯片之间互相串联或并联或串并联组合连接，若干组所述LED裸芯片之间互相串联或并联或串并联组合连接。
所述金属基板为铝基板或铜基板，所述金属基板的厚度为1～3mm，所述金属层的上表面为反光面，所述金属层采用铜或铝或硅铝合金制造，所述金属层的厚度为1～5μm。
所述导热绝缘层的耐压值大于1500V/min或3500V/min。
所述LED裸芯片为单电极芯片或双电极芯片。
本实用新型的有益效果是：由于本实用新型包括金属基板，所述金属基板的上表面沉积有导热绝缘层，所述导热绝缘层上沉积有金属层，所述金属层的上表面除焊点、芯片及打线位置外的其余部分覆盖有防焊层，所述导热绝缘层由二氧化硅层或氮化硅层或二氧化硅层与氮化硅层组合构成，所述金属层根据所述LED裸芯片的串并联连接关系构成预先设定的电路连线及图形，所述LED裸芯片分为若干组正装或倒装在各所述金属层上，各组内部的所述LED裸芯片之间及若干组所述LED裸芯片之间均通过所述金属层相连接组成电路，所述金属层引出阳极接点和阴极接点，本实用新型通过集成电路的制造工艺在所述金属基板上沉积所述导热绝缘层及所述金属层，由于集成电路的制造工艺精度高，使得导热绝缘层的厚度可以精确控制，在满足耐高压的情况下，可尽量减少所述导热绝缘层的厚度，本实用新型的导热绝缘层的厚度可在10μm之内，仅为传统单层线路板的制造方法形成的导热绝缘层厚度的几分之一，甚至几十分之一，同时集成电路工艺中采用的导热绝缘层的材料二氧化硅及氮化硅的导热系数高，使得本实用新型导热绝缘层的导热性能优异，整体平均导热系数是传统铝基板的导热系数的80～100倍，因此导热性大大提高，因此能够减少散热基板的尺寸，有利于光源的小型化；而且本实用新型在所述金属基板上形成所述金属层后直接将分成若干组的所述LED裸芯片正装或倒装连接在所述金属层上，只通过一次封装就可成为一个独立的光源，相对于现有技术LED铝基板光源需要二次封装的特点，本实用新型只通过一次封装就能够实现LED裸芯片之间的串并联组合关系，一次封装后的光源直接接于驱动电路就可以发光工作，简化了工艺步骤，节省了封装材料，节约了成本，使得生产效率大幅提高；另外本实用新型通过所述导热绝缘层将所述LED裸芯片发光产生的热量直接传导到所述金属层上并通过所述金属基板再散发到外界，热传递路径相比现有技术也大为缩短，热量传导速度更快，导热及散热效果更好，延长了LED裸芯片的使用寿命，故本实用新型成本低、散热效果好、生产效率高、制造精确度高；
由于本实用新型的各组内部的所述LED裸芯片之间互相串联或并联或串并联组合连接，若干组所述LED裸芯片之间互相串联或并联或串并联组合连接，因此各所述LED裸芯片相互间可以产生串联或并联或串并联组合连接等多种电路连接方式，应用调整自由，可广泛应用于交、直流及高、低压及不同功率的灯具中，故本实用新型可实现在铝基板上的LED多种连接方式，应用范围广。
附图说明
图1是本实用新型实施例的高效散热LED照明光源的正面结构示意图；
图2是图1所示I处局部放大结构示意图；
图3是图2所示的B-B断面结构示意图；
图4、图5是本实用新型实施例高效散热LED照明光源的制造方法中步骤(b)过程的断面结构示意图；
图6、图7是本实用新型实施例高效散热LED照明光源的制造方法中步骤(c)过程的断面结构示意图
图8是本实用新型实施例高效散热LED照明光源的制造方法中步骤(d)完成后的断面结构示意图；
图9本实用新型实施例高效散热LED照明光源的制造方法中步骤(e)完成后的断面结构示意图。
具体实施方式
如图1～图3所示，本实施例的高效散热LED照明光源为一应用于220V交流电的工矿灯的光源，包括LED裸芯片1、金属基板2，所述LED裸芯片1为双电极芯片，所述LED裸芯片1包括衬底10和N型外延层11、P型外延层12，所述衬底10为氧化铝(蓝宝石，Al2O3)衬底，当然所述衬底10也可以为砷化镓(GaAs)或碳化硅(SiC)等其他材料的衬底，所述金属基板2为铝基板，厚度为2mm，当然也可以采用铜基板，所述金属基板2的厚度可为1～3mm，所述金属基板2的上表面沉积有导热绝缘层，所述导热绝缘层上沉积有金属层6，所述金属层6的上表面除焊点、芯片及打线位置外的其余部分覆盖有防焊层8，以避免不同的所述金属层6之间短路及误焊，还可以防止触电，所述导热绝缘层由二氧化硅层30与氮化硅层31组合构成，所述导热绝缘层的耐压值大于1500V/min，当然，所述导热绝缘层的耐压值也可以为其他值如3500V/min，所述导热绝缘层的厚度越大，其耐压值也越大，所述导热绝缘层也可以由二氧化硅层30或氮化硅层31单独构成，所述金属层6根据所述LED裸芯片1的串并联连接关系构成预先设定的电路连线及图形，所述P型外延层12、所述N型外延层11分别通过两个金属线43、45焊接在相邻的两个所述金属层6上以实现LED芯片的正装，所述金属层6的上表面为反光面，所述金属层6采用铝制造，厚度为2μm，当然也可以采用铜或硅铝合金制造，所述金属层6的厚度可为1～5μm，所述金属层6既是电极、导电体，又是LED裸芯片的散热传导片，还是底面光线的反光体。
所述LED裸芯片1分为8组，每组包括25个所述LED裸芯片1，每组内部的25个所述LED裸芯片1之间全部串联连接，当然也可以根据实际使用要求将各组内部的所述LED裸芯片1之间互相并联或串并联组合连接，8组所述LED裸芯片1再分为两个大组，每个大组各包括4组所述LED裸芯片1，4组所述LED裸芯片1之间互相串联，两个大组再并联在一起，当然各组所述LED裸芯片1之间也可以完全互相串联或并联或采用其他串并联组合方式，各组内部的所述LED裸芯片1之间及8组所述LED裸芯片1之间均通过所述金属层6相连接组成电路，所述金属层6引出阳极接点60和阴极接点61。所述LED裸芯片1上覆盖有荧光粉层7，所述荧光粉层7的周围覆盖硅胶或树脂形成保护层5，所述保护层5将所述荧光粉层7、所述LED裸芯片1及用于封装的金属线或焊球覆盖，以防止金属线折断，同时可保护所述LED裸芯片1不受外界环境变化的影响。
如图3～图9所示，本实施例的高效散热LED照明光源的制造方法包括以下步骤：
(a)金属基板预处理：对所述金属基板2的上表面进行平整抛光处理，以便沉积导热绝缘层；
(b)形成导热绝缘层：采用常压化学气相法在350～450℃下在所述金属基板2的上表面沉积厚度为1～3μm的二氧化硅层30作为缓冲层，以使导热绝缘层与所述金属基板2的结合紧密，如图4所示，然后在200～350℃下采用电浆化学气相法在所述二氧化硅层30上沉积厚度为1～10μm的氮化硅层31，所述二氧化硅层30及所述氮化硅层31共同构成导热绝缘层，使得所述导热绝缘层的耐压值大于1500V/min，此步骤最后形成的断面图如图5所示；当然，也可以采用常压化学气相法在所述金属基板2的上表面沉积厚度为2～10μm的二氧化硅层30单独作为导热绝缘层；或者，采用电浆化学气相法在所述金属基板2的上表面沉积厚度为2～10μm的氮化硅层31单独作为导热绝缘层；
(c)形成金属层：以溅镀的方法在所述导热绝缘层上沉积厚度为1～5μm的金属铝，当然也可以沉积硅铝合金，或者，在所述导热绝缘层上覆上铜箔，如图6所示；然后在光刻机上利用金属光刻掩模版进行光刻，或者，采用丝网印刷方法形成金属层的图形；再用湿法蚀刻工艺对金属铝或铜箔进行蚀刻，蚀刻后剩余的金属铝或铜箔构成所述金属层6及阳极接点60和阴极接点61，此步骤最后形成的断面图如图7所示；
(d)形成防焊层：在所述金属层6的上表面除焊点、芯片及打线预留位置外的其余部分以丝网印刷方式涂覆形成所述防焊层8，此步骤最后形成的断面图如图8所示；
(e)LED裸芯片封装：将若干组所述LED裸芯片1的所述衬底10用超声键合或用银浆或锡粘合在所述铝基板2的所述金属层6上，所述LED裸芯片1的两个电极接点分别通过两个金属线43、45焊接在所述金属层6上进行正装封装，构成光源的连接电路；
(f)形成荧光粉层：作为白光LED应用，在封装在所述金属层6上的蓝光LED裸芯片1上覆盖预先调制好的荧光粉，其厚度为0.2～0.5mm，再经过高温固化形成所述荧光粉层7；
(g)形成保护层：在所述荧光粉层7上于所述LED裸芯片1上及其周围的相应位置覆盖硅胶或树脂，经过高温固化形成保护层5，所述保护层5将所述LED裸芯片1及用于封装的金属线43、45覆盖，以防止金属线折断，同时可保护所述LED裸芯片1不受外界环境变化的影响。
本实用新型中，所述LED裸芯片1的数量不限于实施例中所述，所述LED裸芯片1的分组数量及每组内部的所述LED裸芯片1的数量也不限于实施例中所述，所述LED裸芯片1也可以为单电极芯片，因此所述LED裸芯片1既可以正装也可以倒装在各所述金属层6上，在制造不同的交、直流及高、低压及不同功率的灯具中(比如12V直流大功率太阳能路灯、220V交流大功率路灯、220V交流LED灯管等灯具)可灵活设置，应用范围广，实施例中仅是举例说明。
当所述LED裸芯片1为单电极芯片时，所述LED裸芯片1的衬底10为砷化镓或碳化硅衬底，在所述步骤(e)中，将所述衬底10用银浆或锡粘合在所述金属基板2的所述金属层6上，所述LED裸芯片1的一个电极接点通过金属线焊接在所述金属层6上进行正装封装。
当所述LED裸芯片1为倒装封装时，在所述步骤(e)中，植焊球于所述金属层6上，再通过超声键合的方法将所述LED裸芯片1倒装在所述焊球上，所述焊球为金球栓或铜球栓或锡球。
本实用新型突破了本领域的固有思维模式，通过集成电路的制造工艺在所述金属基板2上沉积所述导热绝缘层及所述金属层6，由于集成电路的制造工艺精度高，使得导热绝缘层的厚度可以精确控制，在满足耐高压的情况下，可尽量减少所述导热绝缘层的厚度，本实用新型的导热绝缘层的厚度可在10μm之内，仅为传统单层线路板的制造方法形成的导热绝缘层厚度的几分之一，甚至几十分之一，同时集成电路工艺中采用的导热绝缘层的材料二氧化硅及氮化硅的导热系数高，使得本实用新型导热绝缘层的导热性能优异，整体平均导热系数是传统铝基板的导热系数的80～100倍，因此导热性大大提高，因此能够减少散热基板的尺寸，有利于光源的小型化；而且本实用新型在所述金属基板2上形成所述金属层6后直接将分成若干组的所述LED裸芯片1正装或倒装连接在所述金属层6上，只通过一次封装就可成为一个独立的光源，相对于现有技术LED铝基板光源需要二次封装的特点，本实用新型只通过一次封装就能够实现LED裸芯片之间的串并联组合关系，一次封装后的光源直接接于驱动电路就可以发光工作，简化了工艺步骤，节省了封装材料，节约了成本，使得生产效率大幅提高；另外本实用新型通过所述导热绝缘层将所述LED裸芯片1发光产生的热量直接传导到所述金属层6上并通过所述金属基板2再散发到外界，热传递路径相比现有技术也大为缩短，热量传导速度更快，导热及散热效果更好，延长了LED裸芯片的使用寿命，因此本实用新型的高效散热LED照明光源成本低、散热效果好、生产效率高、制造精确度高；另外，本实用新型的高效散热LED照明光源的各所述LED裸芯片1相互间可以产生串联或并联或串并联组合连接等多种电路连接方式，应用调整自由，可广泛应用于路灯、工矿灯、LED灯管、普通照明灯等交、直流及高、低压及不同功率的灯具中。
本实用新型可广泛应用于LED光源领域。

Claims (7)

1、一种高效散热LED照明光源，包括LED裸芯片(1)，所述LED裸芯片(1)包括衬底(10)和N型外延层(11)、P型外延层(12)，其特征在于：所述高效散热LED照明光源还包括金属基板(2)，所述金属基板(2)的上表面沉积有导热绝缘层，所述导热绝缘层上沉积有金属层(6)，所述金属层(6)的上表面除焊点、芯片及打线位置外的其余部分覆盖有防焊层(8)，所述导热绝缘层由二氧化硅层(30)或氮化硅层(31)或二氧化硅层(30)与氮化硅层(31)组合构成，所述金属层(6)根据所述LED裸芯片(1)的串并联连接关系构成预先设定的电路连线及图形，所述LED裸芯片(1)分为若干组正装或倒装在各所述金属层(6)上，各组内部的所述LED裸芯片(1)之间及若干组所述LED裸芯片(1)之间均通过所述金属层(6)相连接组成电路，所述金属层(6)引出阳极接点(60)和阴极接点(61)。
2、根据权利要求1所述的集成LED芯片的光源，其特征在于：所述LED裸芯片(1)上及其周围覆盖硅胶或树脂形成保护层(5)，所述保护层(5)将所述LED裸芯片(1)及用于封装的金属线或焊球覆盖。
3、根据权利要求1所述的集成LED芯片的光源，其特征在于：所述LED裸芯片(1)上覆盖有荧光粉层(7)，所述荧光粉层(7)的周围覆盖硅胶或树脂形成保护层(5)，所述保护层(5)将所述荧光粉层(7)、所述LED裸芯片(1)及用于封装的金属线或焊球覆盖。
4、根据权利要求1至3任意一项所述的集成LED芯片的光源，其特征在于：各组内部的所述LED裸芯片(1)之间互相串联或并联或串并联组合连接，若干组所述LED裸芯片(1)之间互相串联或并联或串并联组合连接。
5、根据权利要求1至3任意一项所述的高效散热LED照明光源，其特征在于：所述金属基板(2)为铝基板或铜基板，所述金属基板(2)的厚度为1～3mm，所述金属层(6)的上表面为反光面，所述金属层(6)采用铜或铝或硅铝合金制造，所述金属层(6)的厚度为1～5μm。
6、根据权利要求1至3任意一项所述的高效散热LED照明光源，其特征在于：所述导热绝缘层的耐压值大于1500V/min或3500V/min。
7、根据权利要求1至3任意一项所述的高效散热LED照明光源，其特征在于：所述LED裸芯片(1)为单电极芯片或双电极芯片。
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