專利名稱：一種照明用的led燈芯和led芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于LED照明技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到LED燈芯和LED芯片內(nèi)的熱傳導(dǎo) 技術(shù)。
背景技術(shù)：
LED散熱問(wèn)題是當(dāng)前LED照明普及推廣的一大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。由于LED芯片需要 散熱，使得LED照明燈要象現(xiàn)白熾燈和日光燈等一樣，燈芯(燈泡)是標(biāo)準(zhǔn)化的部件，并且 方便安裝，增加了一層困難。現(xiàn)LED照明燈、燈具和燈芯，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立、并便于裝配 的標(biāo)準(zhǔn)化部件，因而使得其成本更高。從單純的傳熱學(xué)來(lái)分析，LED散熱只是一常溫傳熱過(guò)程，并不復(fù)雜。但由于傳熱學(xué) 和成熟的傳熱技術(shù)知識(shí)，以及與傳熱關(guān)聯(lián)的其他基礎(chǔ)知識(shí)沒(méi)有充分地被LED行業(yè)內(nèi)人員認(rèn) 知，因而當(dāng)前LED散熱技術(shù)及產(chǎn)品被復(fù)雜化，處于初級(jí)階段。從LED結(jié)點(diǎn)到空氣對(duì)流換熱面(也就是散熱片)的傳熱過(guò)程是導(dǎo)熱過(guò)程，由于LED 晶片面積小，熱流密度非常高，該導(dǎo)熱過(guò)程在整個(gè)LED散熱中非常重要。減小導(dǎo)熱過(guò)程的熱 阻，最有效又簡(jiǎn)單的辦法就是采用高導(dǎo)熱材料，比如銅和鋁，導(dǎo)熱系數(shù)高，材料成本低，易加 工成型。但銅和鋁為金屬導(dǎo)體，作為電器的LED照明器具，必須滿足用電安全要求，LED結(jié)點(diǎn) 與散熱片(金屬外露部件)之間必須達(dá)到一定高的絕緣要求，一般耐電壓要達(dá)到上千伏的 絕緣要求。絕緣和導(dǎo)熱是相互矛盾的，現(xiàn)產(chǎn)品常常將LED晶片設(shè)置在一陶瓷絕緣襯片上，利 用陶瓷耐電壓高，導(dǎo)熱系數(shù)也不低，來(lái)解決此問(wèn)題。雖然陶瓷，比如Al2O3陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 20ff/m ·Κ，但比鋁小十倍，比銅小近二十倍，LED晶片上的熱流密度高達(dá)106W/m2 ；采用0. 2mm 厚的Al2O3絕緣襯，僅在該絕緣襯上的導(dǎo)熱溫差就要達(dá)到10°C，另外0. 2mm厚的Al2O3陶瓷 片的加工成本也不低。現(xiàn)通常都采用導(dǎo)熱性不高的固晶膠(一般為銀膠)，固定晶片，這又 導(dǎo)致晶片與絕緣襯兩界面間非常高的導(dǎo)熱溫差。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)LED散熱過(guò)程中的導(dǎo)熱過(guò)程。一、解決現(xiàn)實(shí)燈芯標(biāo)準(zhǔn) 化中的熱傳導(dǎo)問(wèn)題；二、LED芯片內(nèi)的導(dǎo)熱和絕緣之間的矛盾，提出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的技 術(shù)方案。本實(shí)用新型的技術(shù)方案LED燈芯主要包括有晶片、熱擴(kuò)散片以及導(dǎo)熱芯構(gòu)成，晶 片產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱擴(kuò)散片傳到導(dǎo)熱芯，再由熱芯傳到散熱片。本實(shí)用新型的特征是導(dǎo)熱 芯采了用鋁或銅；導(dǎo)熱芯與散熱片的(即導(dǎo)熱芯向外傳熱的)接觸傳熱面采用了圓錐柱結(jié) 構(gòu)、或螺紋柱結(jié)構(gòu)或錐形螺柱結(jié)構(gòu)；晶片是焊接貼在熱擴(kuò)散片上；熱擴(kuò)散片的面積大于五 倍的晶片面積，厚度不小于0. 5mm,并且采用銅或鋁、或銅鋁復(fù)合材料；熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱芯 之間設(shè)置有高壓絕緣層，高壓絕緣層的厚度大于0. 1mm。導(dǎo)熱芯采用圓錐柱結(jié)構(gòu)，散熱片上也有相配的圓錐孔，只要很小的推擠力，就可得 到被放大數(shù)倍的導(dǎo)熱芯圓錐柱面與散熱片的圓錐孔面之間的接觸壓力，因而接觸熱阻減小，圓錐孔和圓錐柱容易加工成型，配合精度容易保證，造價(jià)低，安裝也方便。由于螺紋柱面 的表面積被放大，接觸傳熱面積就被放大，導(dǎo)熱芯與散熱片之間的接觸熱阻就減小，比如采 用普通的60°三角牙螺紋，其表面積為圓柱面的兩倍，采用旋轉(zhuǎn)方式將LED燈芯裝入散熱 片(燈具)中，可以不需要工具，操作方便。錐形螺柱結(jié)構(gòu)則綜合了圓錐柱結(jié)構(gòu)和螺紋柱結(jié) 構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)接觸壓力大、接觸面積大，便于安裝。采用本實(shí)用新型的導(dǎo)熱芯，解決了 LED燈芯 與散熱片之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，并且便于LED燈芯的裝配，也就解決了現(xiàn)實(shí)LED燈芯標(biāo)準(zhǔn)化首 要問(wèn)題。本實(shí)用新型中的熱擴(kuò)散片，雖然與現(xiàn)產(chǎn)品的熱沉的作用和傳熱過(guò)程類似，但本實(shí) 用新型首次明確其重要作用——熱擴(kuò)散作用，并稱之為熱擴(kuò)散片。因?yàn)長(zhǎng)ED晶片面積小，如 IX Imm大小的晶片，即使耗電1.2W，其熱密度就達(dá)到106W/m2，非常之高，因而解決晶片與熱 擴(kuò)散片之間的接觸熱阻問(wèn)題成了首要問(wèn)題，而兩者之間的電絕緣問(wèn)題次之。焊接工藝，即 使采用成本最低的錫焊，金屬錫的導(dǎo)熱系數(shù)也是60W/m · K之多，比高級(jí)的導(dǎo)熱膏也要高十 倍多，因而晶片采用焊接工藝，焊接貼在熱擴(kuò)散片上，將有效降低晶片與熱擴(kuò)散片之間的導(dǎo) 熱溫差。作為熱擴(kuò)散作用的熱擴(kuò)散片不僅要采用導(dǎo)熱性高的材料，其面積和厚度也要足夠 大，因而熱擴(kuò)散片采用銅和鋁，并且要求熱擴(kuò)散片面積要5倍以上的晶片面積，厚度不小于 0. 5mm,設(shè)計(jì)時(shí)最好是選不小于10倍的晶片面積，如果晶片為1 X 1mm、Iff,熱擴(kuò)散片厚度應(yīng) 達(dá)到1. Omm以上，其目的和作用就是使熱量在熱擴(kuò)散片內(nèi)有效擴(kuò)散，降低熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱 芯之間的熱流密度。為滿足用電安全規(guī)范要求的絕緣問(wèn)題，就可以由熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱芯之 間的高壓絕緣層來(lái)解決。本實(shí)用新型中，高壓絕緣層定義為耐直流電壓達(dá)到500V以上的絕緣層。前面提出熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱芯之間的高壓絕緣層的厚度大于0. Imm,如采用Al2O3陶 瓷絕緣層，0. Imm厚耐直流電壓可達(dá)1千伏，這是為了讓熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱芯之間的絕緣層承 擔(dān)決大部分或全部安規(guī)所定的絕緣要求，減少晶片與熱擴(kuò)散片之間的絕緣要求，或根本就 不考慮兩者之間的絕緣，以降低兩者之間傳熱溫差。如果晶片與熱擴(kuò)散片之間采用錫焊，兩者之間的錫料厚為20μπι，在106W/m2熱流 密度情況下，兩者界面之間傳熱溫差計(jì)算可得At = O. 32°C，經(jīng)熱擴(kuò)散片，如果熱流密度降 低8倍為1. 25 X 105W/m2，熱擴(kuò)散片與導(dǎo)熱芯之間的高壓絕緣層采用0. 2mm厚的Al2O3陶瓷， 導(dǎo)熱系數(shù)為20W/m· K，則計(jì)算可得高壓絕緣層處的傳熱溫差A(yù)t= 1.25°C，也就是說(shuō)LED 燈芯內(nèi)的兩處界面的熱傳導(dǎo)溫差之和在2°C度內(nèi)。如果將0. 2mm厚的Al2O3陶瓷絕緣片設(shè)在 晶片和熱擴(kuò)散片(熱沉)之間(一種現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu))，僅陶瓷片兩側(cè)傳熱溫差計(jì)算可得At = 10°C，是上述的5倍之多，可見(jiàn)采用本實(shí)用新型可以顯著降低LED燈芯內(nèi)的熱傳導(dǎo)溫差。在 以后的具體實(shí)施方式
中，將進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的LED燈芯便于防水密封，大批量生產(chǎn)， 標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)由晶片和熱擴(kuò)散片組成的LED芯片部件，本實(shí)用新型還從降低導(dǎo)熱熱阻，降 低成本，方便制造方面出發(fā)，提出了具體結(jié)構(gòu)和制造方法。一、熱擴(kuò)散片采用鋁或銅、或銅鋁復(fù)合材料；晶片與熱擴(kuò)散片的焊接觸面積大于三 分之一的晶片面積；熱擴(kuò)散片上設(shè)有高壓絕緣層，或低壓絕緣層；高壓絕緣層采用通過(guò)陽(yáng) 極氧化方法，直接從熱擴(kuò)散片上的金屬鋁表面生長(zhǎng)出的氧化鋁膜，該膜的厚度大于50 μ m ； 低壓絕緣層采用了通過(guò)氣相沉積生成的陶瓷絕緣膜、或通過(guò)陽(yáng)極氧化直接從熱擴(kuò)散片上的
4金屬鋁表面生長(zhǎng)出的氧化鋁膜，該膜厚小于50 μ m。二、晶片的pn結(jié)電極為V型電極，采用倒裝結(jié)構(gòu)；熱擴(kuò)散片采用銅或鋁、或銅鋁復(fù) 合材料；晶片上設(shè)置有導(dǎo)熱焊盤；晶片與熱擴(kuò)散片的焊結(jié)接觸面積大于三分之一的晶片面 積；晶片上的η結(jié)電極和ρ結(jié)電極或部分ρ結(jié)電極外側(cè)被一層通過(guò)氣相沉積生成的陶瓷絕 緣膜覆蓋，導(dǎo)熱焊盤設(shè)在該陶瓷絕緣膜的外側(cè)。三、LED芯片中采用了絕緣片材制成的晶片定位片，晶片定位片焊接或粘接貼在熱 擴(kuò)散片上，晶片鑲嵌在定位片中的晶片定位嵌口中，晶片焊接貼在熱擴(kuò)散片上。四、一種LED芯片封裝制造方法，其特征在于采用了晶片定位板，在晶片定位片 上開(kāi)有數(shù)多晶片定位嵌口，和不少于兩個(gè)定位孔；熱擴(kuò)散片板上有相對(duì)應(yīng)的焊盤和定位孔； 晶片先固定嵌在晶片定位嵌口中，再一起貼在熱擴(kuò)散片板上，再一起加熱進(jìn)行晶片與熱擴(kuò) 散片的焊接工序；或晶片定位板先貼在熱擴(kuò)散片板上，再將晶片嵌入晶片定位嵌口中，再一 起加熱進(jìn)行晶片與熱擴(kuò)散片的焊接工序。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是一種裝配有散熱片的本實(shí)用新型LED燈芯的特征剖面示意圖，導(dǎo)熱芯為圓 錐柱結(jié)構(gòu)，示出了燈芯與散熱片的配合關(guān)系。圖2是一種本實(shí)用新型的LED燈芯的特征剖面示意圖，導(dǎo)熱芯為螺紋柱結(jié)構(gòu)。圖3是一種本實(shí)用新型的LED燈芯的特征剖面示意圖，導(dǎo)熱芯為錐形螺柱結(jié)構(gòu)，并 配有燈罩，示出了引出導(dǎo)線結(jié)構(gòu)以及密封防水措施特征。圖4是一種裝配有散熱片的本實(shí)用新型LED燈芯的特征剖面示意圖，示出了燈芯 與燈具(散熱片)之間的電的連接采用彈性觸頭與觸點(diǎn)式結(jié)構(gòu)。圖5和圖6為L(zhǎng)ED燈芯上的晶片分布示意圖，表示晶片或晶片組呈徑向散開(kāi)布置， 盡可能均勻分散。圖7是一種本實(shí)用新型的大功率LED燈芯的特征剖面示意圖，中部貫通，并設(shè)置有 散熱肋片。圖8和圖9分別是兩種本實(shí)用新型的LED芯片特征剖面示意圖，pn結(jié)電極為L(zhǎng)型 電極，特別適合碳化硅襯底的晶片。圖10是一種本實(shí)用新型的LED芯片特征剖面示意圖，pn結(jié)電極為V型電極，并且 是倒裝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱焊盤和P極焊盤為一體，特別適用于藍(lán)寶石襯底的晶片。圖11是一種圖10所示芯片的晶片特征示意圖，示出了 p、n結(jié)電極及其焊盤、陶瓷 絕緣膜、導(dǎo)熱焊盤，示出η極焊盤在四個(gè)角上。圖12是圖11中的陶瓷絕緣膜和導(dǎo)熱焊盤的示意圖。圖13是一種本實(shí)用新型的LED芯片特征剖面示意圖。圖14是一種圖13所示芯片中的晶片的特征示意圖，示出了 p、n結(jié)電極及其焊盤、 陶瓷絕緣膜、導(dǎo)熱焊盤。圖15是圖14中的陶瓷絕緣膜和導(dǎo)熱焊盤的示意圖。圖16和圖17是表示一種本實(shí)用新型的采用晶片定位板，保證晶片與熱擴(kuò)散片對(duì) 位焊接的特征示意圖，圖17是圖16的特征剖面示意圖。[0032]圖18是表示一種本實(shí)用新型的采用晶片定位板，保證晶片與熱擴(kuò)散片對(duì)位焊接 的特征示意圖。圖19、20分別是兩種本實(shí)用新型的采用了晶片定位片的LED芯片特征剖面示意 圖，L型pn結(jié)電極，適用于碳化硅襯底的晶片。圖21、22、23分別是三種本實(shí)用新型的采用了晶片定位片的LED芯片特征剖面示 意圖，V型pn結(jié)電極電極，倒裝結(jié)構(gòu)。圖24是一種圖23所示芯片中的晶片特征示意圖。圖中1、晶片，2、熱擴(kuò)散片，3、散熱片，4、高壓絕緣層，5、螺釘，6、導(dǎo)熱芯，7、散熱肋 片，8、低壓絕緣層，9、引出導(dǎo)線，10、封膠，IUPCB板，12、燈罩，13、觸點(diǎn)，14、彈性觸頭，15、襯 底，16、導(dǎo)熱焊盤，17、η極焊盤，18、η極引線，19、電極引線絕緣層，20、ρ結(jié)電極，21、陶瓷絕 緣膜，22、η結(jié)電極，23、ρ極焊盤，24、ρ極引線，25、晶片定位板，26、定位孔，27、熱擴(kuò)散片板， 28、晶片定位片，29、導(dǎo)線，30、焊料。
具體實(shí)施方式
圖1示出導(dǎo)熱芯6采用圓錐柱結(jié)構(gòu)，圓錐形柱面(即導(dǎo)熱芯向外的傳熱面)與 散熱片3的中心錐形孔緊密接觸，熱量就是通過(guò)該接觸面從導(dǎo)熱芯6傳到散熱片3上的，因 而接觸面之間的間隙要盡可能小，即配合精度要高、接觸壓力要大。圓錐柱和圓錐孔加工簡(jiǎn) 單，精度容易保證，只要很小的推擠力就可得到放大數(shù)十倍的接觸壓力，圖中采用螺釘5拉 緊力，將導(dǎo)熱芯6緊緊地被套在散熱片3的中心錐形孔中。為進(jìn)一步減小導(dǎo)熱芯與散熱片 之間的接觸熱阻，應(yīng)在柱面或孔內(nèi)涂上導(dǎo)熱膏，比如硅脂。雖然鋁的導(dǎo)熱系數(shù)不如銅，但是鋁的價(jià)格低，更容易加工成形，比如采用熱壓注工 藝，生產(chǎn)鋁導(dǎo)熱芯，效率高費(fèi)用低；又由于在導(dǎo)熱芯內(nèi)的熱流密度已被降低，因而從造價(jià)成 本來(lái)考慮，導(dǎo)熱芯最好采用鋁。圖1中示出，只有一片熱擴(kuò)散片2，有數(shù)個(gè)晶片1設(shè)置(焊接)在熱擴(kuò)散片2上， 熱擴(kuò)散片2通過(guò)高壓絕緣層4貼在導(dǎo)熱芯6的一端面，該端面將被稱為吸熱面，相對(duì)的另一 端，也就是設(shè)有螺釘5的那端稱為導(dǎo)熱芯后端。緊貼導(dǎo)熱芯吸熱面的熱擴(kuò)散片的那面稱為 熱擴(kuò)散片的B面，而設(shè)置晶片的那面稱為熱擴(kuò)散片的A面。采用陶瓷片作為高壓絕緣層，存有以下問(wèn)題一、陶瓷片加工成本不低，易碎；二、 存在陶瓷片與熱擴(kuò)散片以及導(dǎo)熱芯之間的界面接觸熱阻問(wèn)題，如果采用焊接工藝，效率低， 成本高。如果采用膠粘工藝，則接觸熱阻高。采用陽(yáng)極氧化工藝，直接從導(dǎo)熱芯或熱擴(kuò)散片 上的金屬鋁生長(zhǎng)出氧化鋁膜，作為高壓絕緣層，則消除了高壓絕緣層與熱擴(kuò)散片或?qū)嵝?之間界面的接觸熱阻問(wèn)題。陽(yáng)極氧化工藝成本低，效率高，適合大批生產(chǎn)。通過(guò)陽(yáng)極氧化生 成的氧化鋁膜，有孔隙，孔隙對(duì)導(dǎo)熱和絕緣都不利，應(yīng)進(jìn)行封孔處理，比如用絕緣漆或石蠟， 最好是采用導(dǎo)熱系數(shù)高的硅脂等材料。硬質(zhì)陽(yáng)極氧化工藝和微弧氧化(又稱微等離子體氧 化或陽(yáng)極火花沉積)工藝，生成的氧化鋁膜更加厚，更加適用于制造高壓絕緣層。圖2所示的LED燈芯，導(dǎo)熱芯6采用螺紋柱結(jié)構(gòu)，同樣也采用單片熱擴(kuò)散片結(jié)構(gòu)， 但晶片1集中設(shè)置(焊接)在熱擴(kuò)散片2的中心處，并且在熱擴(kuò)散片2的A面設(shè)置有低壓 絕緣層8。有了該絕緣層，就可在熱擴(kuò)散片的A面上設(shè)置電路和與晶片相對(duì)應(yīng)的焊盤和電極 引線，以及那些輔助元件(比如防靜電保護(hù)元件)就可和晶片一起設(shè)置在熱擴(kuò)散片上，一起封裝，這樣的結(jié)構(gòu)集成度高，便于下游生產(chǎn)。由于晶片的熱流密度高，因而降低該絕緣層的 導(dǎo)熱熱阻尤為重要，絕緣強(qiáng)度并不重要，不必達(dá)到用電安全規(guī)范要求，只要達(dá)到所用電壓的 最高值即可，220V市電峰值電壓可達(dá)到380V，也就是說(shuō)，該絕緣層絕緣強(qiáng)度最高達(dá)到450V 就可以了，此為低壓絕緣，則該絕緣層稱為低壓絕緣層。采用氣相沉積工藝生成的陶瓷膜，比如金鋼石、SiC、AlN、BN、BeCKAl2O3等陶瓷膜， 致密、絕緣性好、導(dǎo)熱性高，特別是金剛石、SiC、AlN、BN、BeO為高導(dǎo)熱性陶瓷，不僅可用于本 實(shí)用新型中的熱擴(kuò)散片A面上的低壓絕緣層，更加適用于以后將闡述的晶片上的陶瓷絕緣 膜。氣相沉積工藝包括有物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(VCD)，這兩種工藝都可用于 制造本實(shí)用新型中的低壓絕緣層。氣相沉積工藝雖然生成的陶瓷膜，致密、導(dǎo)熱性高，還能生成高導(dǎo)熱性陶瓷膜，但 陶瓷膜的厚度薄(幾微米)，成本高，特別是要得到耐壓上百伏的陶瓷膜(膜厚度要達(dá)到 10 μ m以上)，成本就更高。鋁陽(yáng)極氧化工藝同樣可用于本實(shí)用新型中熱擴(kuò)散片A面的低 壓絕緣層的制造，雖然生成的氧化鋁膜的導(dǎo)熱性不如氣相沉積工藝制造的高，但成本低，容 易得到較厚的膜，絕緣強(qiáng)度達(dá)到100V以上。設(shè)計(jì)時(shí)，低壓絕緣層的氧化鋁膜厚度應(yīng)小于 50 μ m，控制該處的導(dǎo)熱熱阻。雖然銅比鋁貴，更不容易加工成型，但由于熱擴(kuò)散片材料用量非常少，外形簡(jiǎn)單 (片狀)，制造容易，更重要的是晶片的熱流密度高，則高導(dǎo)熱性材料更重要，因而熱擴(kuò)散片 應(yīng)首先選用銅。要想在銅熱擴(kuò)散片表面生成陽(yáng)極氧化的氧化鋁絕緣層，就應(yīng)采用銅鋁復(fù)合 材料，在銅板表面覆有一層鋁。熱擴(kuò)散片A面上的鋁層厚度要薄，其厚度只要夠有于陽(yáng)極氧 化所需的鋁厚即可。圖3所示的一種本實(shí)用新型LED燈芯，導(dǎo)熱芯6采用錐形螺柱結(jié)構(gòu)，并且還配有燈 罩12，引出導(dǎo)線9穿過(guò)導(dǎo)熱芯6，從導(dǎo)熱芯的后端引出，這樣的電的連接結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)緊 湊，便于裝配，而且容易實(shí)現(xiàn)燈芯高要求的防水絕緣密封。如圖中所示，在導(dǎo)熱芯后端，引出 導(dǎo)線9引出處，設(shè)有封膠10，非常容易地實(shí)現(xiàn)引出導(dǎo)線9引出處，可靠的防水絕緣密封。燈 芯的前端的防水絕緣密封則可通過(guò)燈罩12以及灌封密封膠處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。防水絕緣對(duì)于戶 外電器，如路燈，非常重要。燈罩12不僅起著燈芯防水絕緣作用，還可用作光學(xué)上的反射、 聚光等作用。圖3中每顆晶片配有一熱擴(kuò)散片，即是多LED芯片結(jié)構(gòu)，并且高壓絕緣層4不僅在 導(dǎo)熱芯吸熱面上設(shè)有，而且在熱擴(kuò)散片的B面上也有，因而單顆LED芯片具有高壓絕緣特 性。這樣的結(jié)構(gòu)，特別適合采用陽(yáng)極氧化工藝生成氧化鋁絕緣層，比如，要實(shí)現(xiàn)絕緣強(qiáng)度達(dá) 到耐電壓2千伏，氧化鋁膜的厚度就要達(dá)到200 μ m，采用單面生長(zhǎng)，難度大，如果分成兩面， 分別生長(zhǎng)，各100 μ m厚，難度就減小，并且致密度更高，導(dǎo)熱性也更好。圖中示出有PCB板 11, LED芯片嵌裝在PCB板11中，可將LED芯片的輔助電路就設(shè)置在PCB板11上，引出導(dǎo) 線9也與PCB板11上的電路焊接連接。圖3中的燈芯與外供電源連接采用引線式，也可采用接線端子式或觸點(diǎn)或觸盤 式，接線端子或觸點(diǎn)(觸盤)設(shè)置在導(dǎo)熱芯后端，連接電線(引出導(dǎo)線9)穿過(guò)導(dǎo)熱芯，即內(nèi) 藏在導(dǎo)熱芯內(nèi)。圖4中示出的LED燈芯就采用了觸點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，燈芯上的觸點(diǎn)13與固定在散 熱片3上的彈性觸頭14相接觸，就象現(xiàn)有的燈泡一樣。通過(guò)采用專用的傳熱計(jì)算軟件，計(jì)算模擬九顆lXlmm，發(fā)熱IW的晶片，在一散熱
7片中的導(dǎo)熱傳熱過(guò)程，得出九顆晶片集中在一起時(shí)的結(jié)點(diǎn)溫度要比分散布置(相互間距 達(dá)5mm時(shí))，要高出近5°C之多。從傳熱基本知識(shí)也可分析得出，為降低導(dǎo)熱熱阻，LED晶片 在熱擴(kuò)散片上或晶片與熱擴(kuò)散片組成的LED芯片在導(dǎo)熱芯上，應(yīng)盡可能分散布置，單顆晶 片的功率盡可能小，數(shù)量盡可能多。圖5是6顆晶片在一熱擴(kuò)散片上分散布置圖。圖6示 出，四顆LED芯片在導(dǎo)熱芯6上分散布置，每顆芯片中有三顆晶片構(gòu)成的晶片組。在實(shí)際設(shè) 計(jì)應(yīng)用中，存在多顆晶片必須成組在一起，不可分的情況，比如三色基白光LED芯片中有三 顆晶片不可分開(kāi)。在設(shè)計(jì)LED燈芯時(shí)，晶片或晶片組的數(shù)量盡可能多，最少不能少于三顆或 三組，但數(shù)量太多會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加；單顆晶片的功率盡可能小，最大功率不應(yīng)大于4W， 但太小的單顆晶片功率，就意味晶片數(shù)量增加，將可能導(dǎo)致成本增加。圖5、6中的晶片或晶 片組(芯片)都呈徑向散開(kāi)，分散布置，這樣的徑向分散布置最合理。圖7所示的LED燈芯，導(dǎo)熱芯6中部貫通，并設(shè)有散熱肋片7，這樣的結(jié)構(gòu)是為大功 率LED燈芯設(shè)計(jì)的，因?yàn)闊粜竟β蚀螅蛐酒瑪?shù)量多，又要沿徑向散開(kāi)分散布置，因而 導(dǎo)熱芯外徑特別大，中心部分空置，就被利用來(lái)設(shè)置散熱肋片7，增加散熱面積，不僅減小了 整個(gè)散熱片體積，還有利于減少散熱用鋁材料。圖3、4、7中的LED芯片，在熱擴(kuò)散片2的B面設(shè)置有高壓絕緣層4，如果要通過(guò)鋁 陽(yáng)極氧化生成該高壓絕緣層，熱擴(kuò)散片2就應(yīng)采用鋁或銅鋁復(fù)合材料，最好選用銅鋁復(fù)合 材料。晶片焊接貼在熱擴(kuò)散片上，能有效解決高熱流密度引起的導(dǎo)熱溫差高的問(wèn)題，但必須 保證有足夠的焊接接觸面積。本實(shí)用新型認(rèn)為晶片與熱擴(kuò)散片之間的焊接接觸面積應(yīng)不小 于三分之一的晶片面積，同樣熱擴(kuò)散片的面積應(yīng)大于5倍(最好選不小于10倍)的晶片面 積，厚度不小于0. 5mm。圖8所示的LED芯片，pn結(jié)電極為L(zhǎng)接觸(Laterial-Contact，水平接觸)，簡(jiǎn)稱 為L(zhǎng)型電極，碳化硅襯底的LED晶片適合采用這樣的電極型式。因?yàn)镾iC可通過(guò)摻雜成為 導(dǎo)體，碳化硅襯底就可作為η結(jié)電極，襯底15外表面設(shè)置有導(dǎo)熱焊盤16，也就是η極焊盤， 此時(shí)導(dǎo)熱焊盤的面積也就是晶片1與熱擴(kuò)散片2之間的焊接接觸面積。圖8中的熱擴(kuò)散片 2的A面設(shè)有低壓絕緣層8，可通過(guò)氣相沉積或鋁陽(yáng)極氧化制得，在低壓絕緣層8表面應(yīng)有 相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱焊盤(也就是η極引線焊盤)以及η極引線。圖9所示的LED芯片和圖8所 示類似，主要不同的是圖9中，襯底15上的導(dǎo)熱焊盤16直接與熱擴(kuò)散片2上的金屬焊接， 在熱擴(kuò)散片2的B面設(shè)置有高壓絕緣層4，可通過(guò)鋁陽(yáng)極氧化制得。圖10所示的LED芯片，pn結(jié)電極為V接觸(Vertical-Contact，垂直接觸)，簡(jiǎn)稱 V型電極，并且采用倒裝結(jié)構(gòu)，也稱覆晶結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石襯底的LED晶片適合采用這樣的電極 型式。圖中示出，導(dǎo)熱焊盤16直接與熱擴(kuò)散片2的金屬表面焊接，導(dǎo)熱焊盤16與ρ結(jié)電極 20連通，導(dǎo)熱焊盤16也就是ρ極焊盤，導(dǎo)熱焊盤16與ρ結(jié)電極20間有通過(guò)氣相沉積生成 的陶瓷絕緣膜21。熱擴(kuò)散片2也就是ρ極引線，芯片的ρ極管腳可采用直接與熱擴(kuò)散片2 焊連。在熱擴(kuò)散片2的B面設(shè)置有高壓絕緣層4，可以通過(guò)鋁陽(yáng)極氧化生成。熱擴(kuò)散片2的 A面設(shè)置有η極引線18，并隔有電極引線絕緣層19，η極引線18上有焊盤，與晶片1上的η 極焊盤17直接焊接。晶片1與熱擴(kuò)散片2之間的焊接接觸面積包括有導(dǎo)熱焊盤16的面積 和η極焊盤的面積，如果導(dǎo)熱焊盤16的面積足夠大，電極引線絕緣層19的導(dǎo)熱熱阻問(wèn)題就 不重要了。從圖11、12可以看出，η結(jié)電極22和部分ρ結(jié)電極20被陶瓷絕緣膜21覆蓋， 導(dǎo)熱焊盤16在該陶瓷絕緣膜21的外側(cè)，采用這樣陶瓷絕緣膜結(jié)構(gòu)的目的是盡可能增大導(dǎo)
8熱焊盤的面積，即晶片與熱擴(kuò)散片之間的焊接接觸面積。圖13所示LED芯片與圖10所示的類似，V型電極、倒裝結(jié)構(gòu)，不同之處有n結(jié)電 極22和ρ結(jié)電極20 (除焊盤外)全部被陶瓷絕緣膜21覆蓋，導(dǎo)熱焊盤16與ρ極焊盤23 隔開(kāi)，與兩電極絕緣隔開(kāi)，參見(jiàn)圖14和圖15。熱擴(kuò)散片2的A面還設(shè)有ρ極引線24，并隔 有電極引線絕緣層19。IXlmm大的LED晶片就屬大尺寸晶片，在這樣小的面積上設(shè)置電極焊盤和導(dǎo)熱焊 盤，如圖11、14所示，電極焊盤的尺寸一般小到直徑為0. 1mm，又必須保證不得出現(xiàn)短路焊 接，因而晶片與熱擴(kuò)散片對(duì)位精度要求高。一般都采用共晶焊接，加熱時(shí)間就需幾秒鐘，如 果采用一顆一顆地對(duì)位、再加熱焊接，所需設(shè)備不僅要求高、昂貴，生產(chǎn)效率也非常低。大功 率LED芯片封裝，效率低下，成本高，也是目前LED產(chǎn)業(yè)中一大問(wèn)題。本實(shí)用新型提出一種采用晶片定位板的方法，來(lái)解決以上問(wèn)題，如圖16、17所示， 在一張晶片定位板25上開(kāi)有數(shù)多的晶片定位嵌口，晶片1被鑲嵌在晶片定位嵌口中，晶片 定位板25還開(kāi)有定位孔26，圖示出有6個(gè)定位孔26，設(shè)計(jì)時(shí)定位孔最少不得少于兩個(gè)。采 用沖切工藝加工定位孔26和晶片定位嵌口，不僅精度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，效率也高。熱擴(kuò)散片板 27上開(kāi)有相應(yīng)的定位孔，并以該定位孔為基準(zhǔn)設(shè)置有與晶片上對(duì)應(yīng)的焊盤。晶片的位置由 晶片定位板25上的晶片定位嵌口確定，晶片定位板25與熱擴(kuò)散片板27對(duì)位通過(guò)定位孔26 確定，因而就可保證每個(gè)晶片上的焊盤與熱擴(kuò)散片板上對(duì)應(yīng)的焊盤對(duì)位準(zhǔn)確，再整體一起 加熱焊接，一次完成數(shù)多顆晶片焊接(圖中有55顆)，這種方法不僅效率高，設(shè)備又簡(jiǎn)單。 加熱焊接時(shí)，需要加壓，使晶片受力貼在熱擴(kuò)散片上，保證焊接質(zhì)量。由于晶片是嵌在晶片 定位嵌口中，容易保證加壓時(shí)不移位。該工序有兩種一、晶片1先鑲嵌固定在晶片定位板 25中，通過(guò)定位孔26定位，再一起貼在熱擴(kuò)散片板27上，再一起加熱，進(jìn)行晶片與熱擴(kuò)散片 的焊接工序；二、晶片固定板25，通過(guò)定位孔26定位，先貼固定在熱擴(kuò)散片板27上，再將晶 片1鑲嵌到晶片定位嵌口中，再一起加熱，進(jìn)行晶片與熱擴(kuò)散片的焊接工序。焊接完成后， 晶片定位板可以拆除，也可以保留，如圖19、20所示，被分切留在LED芯片中的晶片定位板 就稱為晶片定位片28，此時(shí)，晶片定位片應(yīng)采用絕緣材料，可采用耐高溫的聚脂膜片。采用以上方法，不僅使晶片與熱擴(kuò)散片對(duì)位準(zhǔn)確、焊接效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，而且對(duì) 以后的工序效率提高非常有利，比如完成晶片與熱擴(kuò)散片的焊接后，大張板先分切成一條 條，即晶片與熱擴(kuò)散片成列排列，芯片的引線管腳也加工成與之相對(duì)應(yīng)的排列，這樣可以一 次對(duì)位焊接，又可一次對(duì)位灌注封膠，之后再分切成一顆顆的LED芯片。圖18示出，采用以上提出本實(shí)用新型工藝，生產(chǎn)圖5所示的單熱擴(kuò)散片多晶片的 LED芯片的方法。大張的晶片定位板和熱擴(kuò)散板，采用沖切工藝，加工出成排相連的晶片定 位片和熱擴(kuò)散片，當(dāng)對(duì)位焊接以及灌注封膠等工序完成后，再切斷相連部分，成單顆的LED芯片。圖19示出了一種帶晶片定位片的LED芯片，在晶片定位片28上設(shè)置有電極引線 及焊盤(或電路)。圖中的晶片采用L型電極，導(dǎo)熱焊盤16也就是η極焊盤，η極引線18 穿過(guò)晶片定位片28從上面引出，晶片定位片28上面設(shè)置有ρ極引線24，晶片上的ρ極焊 盤23與ρ極引線24上的焊盤通過(guò)導(dǎo)線29焊接連通。圖20所示的LED芯片，晶片上的電 極焊盤(P極焊盤23)靠著晶片的邊緣(最好設(shè)在角上)，晶片定位片28上的電極引線(ρ 極引線24)上的焊盤緊靠著晶片上對(duì)應(yīng)的焊盤(ρ極焊盤23)，直接用焊料30(比如錫)將兩電極焊盤焊接連通。圖21所示的帶晶片定位片的LED芯片，采用V型電極，倒裝結(jié)構(gòu)，熱擴(kuò)散片2的A 面設(shè)置有低壓絕緣層8，B面設(shè)置有高壓絕緣層4，低壓絕緣層8上設(shè)置有電極引線(η極引 線18，ρ極引線圖中未示出)，和導(dǎo)熱焊盤(也是ρ極引線焊盤)。圖22所示LED芯片與圖 21類似，V型電極和倒裝結(jié)構(gòu)，明顯不同的是n極焊盤17設(shè)置在晶片的側(cè)壁上，晶片定位 片28上的η極引線18的焊盤緊靠晶片側(cè)壁上的焊盤(η極焊盤17)，通過(guò)焊料30直接將兩 焊盤焊接連通。圖23和圖24示出的LED芯片，晶片四角被切，呈四分之一圓缺，晶片上的η極焊 盤17和ρ極焊盤23就設(shè)置在四個(gè)缺角的側(cè)壁內(nèi)，并且對(duì)角分布；陶瓷絕緣膜21將晶片的 一整面覆蓋，導(dǎo)熱焊盤16與兩電極絕緣隔開(kāi)，熱擴(kuò)散片2為純金屬板片，晶片上的導(dǎo)熱焊盤 16直接與熱擴(kuò)散片2的金屬焊接。這樣的結(jié)構(gòu)有利于增大導(dǎo)熱焊盤面積(焊接接觸面積)， 降低對(duì)位精度要求。圖11、14、24示出，電極焊盤都設(shè)置在角上，當(dāng)然也可設(shè)置在靠近晶片的邊緣，但 在角上更有利于充分利用晶片面積，獲得更多的發(fā)光區(qū)。圖14和圖24所示的η極和？極 焊盤都在角上，并成對(duì)角分布，晶片為長(zhǎng)方形，這樣的結(jié)構(gòu)有利于防止兩種電極焊盤對(duì)位出錯(cuò)。為提高出光率，應(yīng)在晶片定位片外表面設(shè)有反光膜，將反射到晶片定位片表面的 光，再反射出去。
權(quán)利要求一種用于照明的LED燈芯，包括有導(dǎo)熱芯(6)、熱擴(kuò)散片(2)和晶片(1)，其特征在于導(dǎo)熱芯(6)采用了鋁或銅；導(dǎo)熱芯(6)向外傳熱的接觸傳熱面采用了圓錐柱結(jié)構(gòu)、或螺紋柱結(jié)構(gòu)或錐形螺柱結(jié)構(gòu)；熱擴(kuò)散片(2)采用了銅或鋁、或銅鋁復(fù)合材料；熱擴(kuò)散片(2)的厚度不小于0.5mm，面積大于5倍的晶片面積；晶片(1)是焊接貼在熱擴(kuò)散片(2)上；熱擴(kuò)散片(2)與導(dǎo)熱芯(6)的吸熱面之間設(shè)置有高壓絕緣層(4)，高壓絕緣層(4)的厚度小于0.1mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈芯，其特征在于高壓絕緣層(4)采用了通過(guò)陽(yáng)極氧 化直接從導(dǎo)熱芯(6)上或熱擴(kuò)散片(2)上、或兩者上的金屬鋁表面生長(zhǎng)出的氧化鋁膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈芯，其特征在于晶片或晶片組是徑向散開(kāi)，分散布 置，單顆晶片的功率不大于4W。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈芯，其特征在于引出導(dǎo)線(9)從導(dǎo)熱芯(6)內(nèi)穿過(guò)， 在導(dǎo)熱芯后端伸出、或在導(dǎo)熱芯的后端設(shè)置有接電端子或觸點(diǎn)或觸盤。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED燈芯，其特征在于導(dǎo)熱芯(6)中部貫通，并設(shè)置有散熱 肋片(7)。
6.一種LED芯片，包括有晶片(1)和熱擴(kuò)散片(2)，其特征在于熱擴(kuò)散片(2)采用了 銅或鋁、或銅鋁復(fù)合材料；熱擴(kuò)散片(2)的面積大于5倍的晶片面積，厚度不于0. 5mm;晶片(1)設(shè)置有導(dǎo)熱焊盤(16)，焊貼在熱擴(kuò)散片(2)的A面，晶片(1)與熱擴(kuò)散片(2)之間的焊 接接觸面積不小于三分之一的晶片面積；熱擴(kuò)散片的B面設(shè)置有高壓絕緣層(4)或熱擴(kuò)散 片的A面設(shè)置有低壓絕緣層(8)、或熱擴(kuò)散片的A面和B面分別設(shè)置有低壓絕緣層(8)和高 壓絕緣層(4)；高壓絕緣層(4)采用了通過(guò)陽(yáng)極氧化直接從熱擴(kuò)散片上的金屬鋁表面生長(zhǎng) 出的氧化鋁膜，該氧化鋁膜的厚度大于50 μ m;低壓絕緣層(8)采用了通過(guò)氣相沉積生成的 陶瓷絕緣膜、或通過(guò)陽(yáng)極氧化直接從熱擴(kuò)散片上的金屬鋁表面生長(zhǎng)出的氧化鋁膜，該氧化 鋁膜的厚度小于50 μ m。
7.—種LED芯片，包括有晶片(1)和熱擴(kuò)散片(2)，pn結(jié)電極為V型電極，采用倒裝結(jié) 構(gòu)，其特征在于熱擴(kuò)散片(2)采用了銅或鋁、或銅鋁復(fù)合材料；熱擴(kuò)散片(2)的面積大于 5倍的晶片面積，厚度不小于0.5mm;晶片⑴設(shè)置有導(dǎo)熱焊盤(16)，晶片⑴與熱擴(kuò)散片(2)之間的焊接接觸面積不小于晶片面積的三分之一；晶片上的η結(jié)電極(22)和ρ結(jié)電極 (20)或部分ρ結(jié)電極外側(cè)被一層通過(guò)氣相沉積生成的陶瓷絕緣膜覆蓋，導(dǎo)熱焊盤(16)在該 陶瓷絕緣膜的外側(cè)。
8.—種LED芯片，包括有熱擴(kuò)散片(2)、晶片(1)和晶片定位片(28)，其特征在于 熱擴(kuò)散片(2)采用了銅或鋁、或銅鋁復(fù)合材料；熱擴(kuò)散片的面積大于5倍的晶片面積，厚度 不小于0. 5mm ；晶片定位片采用絕緣片材制成；晶片定位片(28)焊接或粘接貼在熱擴(kuò)散片 (2)的A面，晶片(1)鑲嵌在晶片定位片(28)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的LED芯片，其特征在于晶片上的η極焊盤和ρ極焊盤 分別設(shè)在四個(gè)角上，并且成對(duì)角分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED芯片，其特征在于在靠晶片(1)的邊緣或側(cè)壁設(shè)置有 電極焊盤，在晶片定位片(28)上設(shè)置有相對(duì)應(yīng)的電極引線，電極引線焊盤靠近相對(duì)應(yīng)的晶 片上的電極焊盤，兩焊盤通過(guò)導(dǎo)線或焊料直接焊接連通。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種用于照明的LED燈芯和三種LED芯片。采用圓錐柱、螺紋柱或錐形螺柱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱芯(6)，加工簡(jiǎn)單，安裝方便，解決了現(xiàn)實(shí)燈芯標(biāo)準(zhǔn)化中的熱傳導(dǎo)問(wèn)題；熱擴(kuò)散片(2)采用銅和鋁，并且面積和厚度應(yīng)足夠大，達(dá)到熱擴(kuò)散作用；晶片(1)是焊接貼在熱擴(kuò)散片(2)上，以消減兩者之間的導(dǎo)熱溫差為主，而之間的絕緣次之，安全所需的高壓絕緣層(4)設(shè)在熱擴(kuò)散片(2)與導(dǎo)熱芯(6)之間，此間的熱流密度已被熱擴(kuò)散片擴(kuò)散降低。采用晶片定位板工藝，解決了晶片(1)與熱擴(kuò)散片(2)對(duì)位焊接，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L33/64GK201689910SQ20102016686
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月21日
發(fā)明者秦彪 申請(qǐng)人:秦彪