一種led芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件，所述發光組件包括銅熱沉、設置在銅熱沉上方的中間有LED芯片安裝孔的陶瓷基板，設置在陶瓷基板的邊緣的正負電極，設置在芯片安裝孔內的LED芯片，涂覆在LED芯片上的熒光粉層；所述銅熱沉和陶瓷基板之間設置有銅氧共晶焊接層；所述LED芯片和正負電極之間電連接，所述正負電極與電源連接。本發明的發光組件明顯提高了可靠性及延長了使用壽命，提高了光效。
【專利說明】一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于LED領域，尤其涉及一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]LED芯片僅有15-25%的電能轉化為光能，其余則轉化為熱能。隨著LED芯片制造技術的提聞，單顆芯片的功率不斷提聞，廣生的熱量也隨著提聞，熱量的提聞如果不能及時散失到周圍環境，就會提高芯片溫度，使光效降低，芯片壽命衰減，顯色性等性能改變，為了解決散熱問題，先后經歷了 FR-4印制板，MCPCB(金屬復合基板)，陶瓷線路板。
[0003]例如專利CN102263195A提到將陶瓷環通過導熱粘膠劑和熱沉連接，在陶瓷表面粘接熒光粉散熱片，軟性PCB電極，然后將芯片直接焊接到熱沉上，以期降低熒光粉的溫度，防止黃化及顯色性。該專利雖然在一定程度上改善了散熱問題，但由于每種方法的不同，其局限性也不同。FR-4及MCPCB板由于中間絕緣層為有機粘結劑，熱導較低，僅為
0.2-3ff/m.K，僅適用于功率較小的芯片。陶瓷基板熱導率有很大提到，例如氧化鋁陶瓷為25ff/m.k，同時陶瓷材料除了導熱率較高外，其熱膨脹系數與硅芯片相近，這樣就可以減少芯片和基板，以及連線之間由于熱膨脹或收縮造成的失效。眾所周知，金屬材料由于自由電子的運動，熱導最高，例如銅的為386W/m.K。所以為了進一步降低熱阻，人們提出了 COHS技術，直接將芯片焊接到金屬熱沉上。但金屬熱沉的熱膨脹系數較大，例如最常作為熱沉的銅的熱膨脹系數為16ppm/k,而芯片的熱膨脹系數僅為4ppm/k,所以如何降低金屬熱沉的膨脹系數成為此技術的關鍵。
[0004]專利CN102263195A僅提出了將芯片直接焊接到熱沉上，該專利重點為在陶瓷表面粘結熒光粉散熱片，導走熒光粉的溫度，減少熒光粉黃化以及色溫變化，但是其降低熱阻的性能還是比較差。
【發明內容】
[0005]本發明為解決現有的發光組件存在降低熱阻性能差的技術問題，提供一種降低熱阻性能好的發光組件及其制備方法。
[0006]本發明公開了一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件，所述發光組件包括銅熱沉、設置在銅熱沉上方的中間有LED芯片安裝孔的陶瓷基板，設置在陶瓷基板的邊緣的正負電極，設置在芯片安裝孔內的LED芯片，涂覆在LED芯片上的熒光粉層；所述銅熱沉和陶瓷基板之間設置有銅氧共晶焊接層；所述LED芯片和正負電極之間電連接，所述正負電極與電源連接。
[0007]本發明還提供了一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件的制備方法，該方法包括以下步驟:
S1、陶瓷和銅熱沉共晶焊接:將陶瓷基板和銅熱沉疊合在一起進行共晶焊接； 52、在陶瓷的另一側，制作正負電極；
53、將LED芯片通過陶瓷上的安裝孔焊接到銅熱沉表面，之后將LED芯片焊點和電極連
接；
54、環氧樹脂灌封，固化，焊接電源。
[0008]本發明通過將銅熱沉和低熱膨脹系數的陶瓷牢靠焊接，降低銅熱沉的熱膨脹系數，實現LED芯片和金屬銅的可靠連接，降低熱阻，從而降低LED芯片的結溫，提高光效，延長使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是發光組件的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0010]為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0011]本發明公開了一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件，所述發光組件包括銅熱沉、設置在銅熱沉上方的中間有LED芯片安裝孔的陶瓷基板，設置在陶瓷基板的邊緣的正負電極，設置在芯片安裝孔內的LED芯片，涂覆在LED芯片上的熒光粉層；所述銅熱沉和陶瓷基板之間設置有銅氧共晶焊接層；所述LED芯片和正負電極之間電連接，所述正負電極與電源連接。
[0012]本發明選用高導熱的銅作為銅熱沉，通過陶瓷和金屬銅熱沉銅的銅氧共晶焊接，可以將銅的熱膨脹系數降低到略比陶瓷材料高些，這樣就可以直接將LED芯片焊接到高熱導的金屬表面了。
[0013]根據本發明所提供的發光組件，優選地，所述LED芯片是藍寶石襯底，電極同側。
[0014]根據本發明所提供的發光組件，為了使銅熱沉與陶瓷基板之間的結合更好，優選地，所述銅熱沉的厚度為0.1-lmm，所述陶瓷基板的厚度為0.25-0.63mm，所述銅氧共晶焊接層的厚度為0.5-10 μ m。
[0015]根據本發明所提供的發光組件，優選地，所述陶瓷基板的厚度大于LED芯片的厚度。這種結構具有凹杯狀結構，便于環氧樹脂的灌封。
[0016]根據本發明所提供的發光組件，為了提高安全性，優選地，所述電源為隔離驅動電源。
[0017]優選地，所述安裝孔及正負電極表面涂覆有鎳金合金。
[0018]所述銅熱沉為銅，所述陶瓷基板內的LED芯片安裝孔可以是將陶瓷基板用打孔、切割形成。
[0019]本發明還提供了一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件的制備方法，該方法包括以下步驟:
51、陶瓷和銅熱沉共晶焊接:將陶瓷基板和銅熱沉疊合在一起進行共晶焊接；
52、在陶瓷的另一側，制作正負電極；
53、將LED芯片通過陶瓷上的安裝孔粘接到銅熱沉表面，之后將LED芯片焊點和電極通過金線連接；
S4、環氧樹脂灌封，固化，焊接電源。
[0020]根據本發明所提供的制備方法，優選地，在共晶焊接之前對銅熱沉層進行表面預氧化。更優選地，所述預氧化為:將銅熱沉需要和陶瓷共晶焊接的一面在500-1000°C，氧含量在50_1000ppm的氣氛中氧化10_60min。
[0021]根據本發明所提供的制備方法，優選地，所述共晶焊接是在氮氣保護氣氛下于1065-1080 O 下保溫 10-60min。
[0022]根據本發明所提供的制備方法，優選地，在步驟S2之后、S3之前在安裝孔及正負電極表面沉積鎳金合金。
[0023]所述LED芯片安裝孔可以在陶瓷成型的時候形成也可以經過激光打孔、切割后形成。
[0024]對附圖的描述:
如圖1，所述發光組件包括銅熱沉1、設置在銅熱沉I上方的中間有LED芯片安裝孔6的陶瓷基板2，設置在陶瓷基板2的邊緣的正負電極3，設置在芯片安裝孔6內的LED芯片4，涂覆在LED芯片4上的熒光粉層5 ;所述銅熱沉I和陶瓷基板2之間通過銅氧共晶焊接層7連接；所述LED芯片4和正負電極3之間通過焊線焊接，所述正負電極與電源連接。所述安裝孔及正負電極表面沉積有鎳金合金8。
[0025]下面通過具體的實施例對本發明作進一步詳細的描述。
[0026]實施例1
1、對厚度為0.1mm的陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安裝孔的陶瓷基板；
2、將厚度為0.1mm的銅片進行預氧化:在800°C，氧含量為IOOppm的氣氛中氧化60min ；
3、將預氧化的銅片和切割好的陶瓷疊合，在氮氣保護氣氛中1072°C保溫30min后冷卻到室溫；
4、再在陶瓷另一側絲網印刷銅電極，在800°C，氮氣保護氣氛種燒結IOmin;5、最后在LED安裝孔及電極表面沉積N1-Au ；
6、功率為2W的LED芯片通過固晶工藝焊接到銅熱沉表面；
7、將芯片和陶瓷表面電極通過打金線連接；
8、灌封熒光粉和環氧樹脂于安裝孔中，將隔離驅動電源和電極互聯，最后將其安裝到散熱系統中，得到產品Al。
[0027]實施例2
1、對厚度為2mm陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安裝孔的陶瓷基板；
2、將厚度為IOOmm銅片進行預氧化:在800°C，氧含量為IOOppm的氣氛中氧化60min；
3、將預氧化的銅片和切割好的陶瓷疊合，在氮氣保護氣氛中1072°C保溫30min后冷卻到室溫；
4、在陶瓷另一側物理氣相沉積一層銅，覆感光油墨，曝光、顯影，電鍍加厚露出的線路到一定厚度，去除油墨，再將其放入蝕銅溶液中至未電鍍加厚部分的銅消失；
5、最后在LED安裝孔及電極表面沉積N1-Au；
6、功率為2W的芯片通過固晶工藝到銅熱沉表面；7、將芯片和陶瓷表面電極通過打金線連接；
8、灌封熒光粉和環氧樹脂于安裝孔中，將隔離驅動電源和電極互聯，最后將其安裝到散熱系統中，得到產品A2。
[0028]對比例I
1、對陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安裝孔的陶瓷基板；
2、在陶瓷的一側印刷銅電極，然后在800°C氮氣保護氣氛中燒結lOmin，冷卻到室溫；
3、將其另一側用導熱膠粘結到銅熱沉上；
4、再在陶瓷另一側絲網印刷銅電極，在800°C，氮氣保護氣氛種燒結IOmin;5、最后在LED安裝孔及電極表面沉積N1-Au ；
6、2W芯片通過固晶工藝到銅熱沉表面；
7、將芯片和陶瓷表面電極通過打金線連接；
8、灌封熒光粉和環氧樹脂于安裝孔中，將隔離驅動電源和電極互聯，最后將其安裝到散熱系統中，得到產品BI。
[0029]對比例2
1、在雙面陶瓷覆銅(DBC)板表面通過貼膜、曝光、顯影、蝕刻等工藝形成線路；
2、最后在LED安裝孔及電極表面沉積N1-Au；
3、2W芯片通過固晶工藝安裝到DBC覆銅板表面；
4、未安裝芯片另一面銅面通過共晶釬焊到銅熱沉表面；
5、將芯片和陶瓷表面電極通過打金線連接；
6、制作防止環氧樹脂溢流擋墻，灌封熒光粉和環氧樹脂于擋墻內，將隔離驅動電源和電極互聯，最后將其安裝到散熱系統中，得到產品B2。
[0030]測試方法及結果
1、可靠性測試
將實施例和對比例中制作的產品A1、A2、B1和B2放入0°C冰水混合物中5min，然后快速拿出放入100°C的沸水中5min，這樣往復進行冷熱沖擊實驗，每經歷一次冰水和沸水計一次循環。結果見表1。
[0031]2、LED 結溫 Tj 測試
將K型熱電偶的測溫點置于散熱墊上，測出散熱墊的溫度為Tc，因為Tj=Rjc *P+Tc(Rjc為芯片的熱阻參數，P為轉化為熱量的功率)，所以可以得到結溫Tj。結溫越高光效越低、壽命越短。結果見表1。
[0032]表1
【權利要求】
1.一種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件，其特征在于，所述發光組件包括銅熱沉、設置在銅熱沉上方的中間有LED芯片安裝孔的陶瓷基板，設置在陶瓷基板的邊緣的正負電極，設置在芯片安裝孔內的LED芯片，涂覆在LED芯片上的熒光粉層；所述銅熱沉和陶瓷基板之間設置有銅氧共晶焊接層；所述LED芯片和正負電極之間電連接，所述正負電極與電源連接。
2.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述LED芯片是藍寶石襯底、電極同側的LED芯片。
3.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述銅熱沉的厚度為0.1-lOOmm，所述陶瓷基板的厚度為0.l_2mm，所述銅氧共晶焊接層的厚度為0.0l-1OOym0
4.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述陶瓷基板的厚度大于LED芯片的厚度。
5.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述電源為隔離驅動電源。
6.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述安裝孔及正負電極表面沉積有鎳金合金。
7.—種LED芯片直接焊接到銅熱沉表面的發光組件的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 51、陶瓷和銅熱沉共晶焊接:將陶瓷基板和銅熱沉疊合在一起進行共晶焊接； 52、在陶瓷的另一側，制作正負電極； 53、將LED芯片通過陶瓷上的安裝孔焊接到銅熱沉表面，之后將LED芯片焊點和電極連接； 54、環氧樹脂灌封，固化，焊接電源。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，在共晶焊接之前對銅熱沉層進行表面預氧化。
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述預氧化為:將銅熱沉需要和陶瓷共晶焊接的一面在500-1000°C，氧含量在50-1000ppm的氣氛中氧化10_60min。
10.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述共晶焊接是在氮氣保護氣氛下于 1065-1080°C 下保溫 10-60min。
11.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，在步驟S2之后、S3之前在安裝孔及正負電極表面沉積鎳金合金。
【文檔編號】H01L33/64GK103887396SQ201210559347
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年12月21日
【發明者】林信平, 任永鵬, 徐強 申請人:比亞迪股份有限公司