一种led芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件，所述发光组件包括铜热沉、设置在铜热沉上方的中间有LED芯片安装孔的陶瓷基板，设置在陶瓷基板的边缘的正负电极，设置在芯片安装孔内的LED芯片，涂覆在LED芯片上的荧光粉层；所述铜热沉和陶瓷基板之间设置有铜氧共晶焊接层；所述LED芯片和正负电极之间电连接，所述正负电极与电源连接。本发明的发光组件明显提高了可靠性及延长了使用寿命，提高了光效。
【专利说明】一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于LED领域，尤其涉及一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]LED芯片仅有15-25%的电能转化为光能，其余则转化为热能。随着LED芯片制造技术的提闻，单颗芯片的功率不断提闻，广生的热量也随着提闻，热量的提闻如果不能及时散失到周围环境，就会提高芯片温度，使光效降低，芯片寿命衰减，显色性等性能改变，为了解决散热问题，先后经历了 FR-4印制板，MCPCB(金属复合基板)，陶瓷线路板。
[0003]例如专利CN102263195A提到将陶瓷环通过导热粘胶剂和热沉连接，在陶瓷表面粘接荧光粉散热片，软性PCB电极，然后将芯片直接焊接到热沉上，以期降低荧光粉的温度，防止黄化及显色性。该专利虽然在一定程度上改善了散热问题，但由于每种方法的不同，其局限性也不同。FR-4及MCPCB板由于中间绝缘层为有机粘结剂，热导较低，仅为
0.2-3ff/m.K，仅适用于功率较小的芯片。陶瓷基板热导率有很大提到，例如氧化铝陶瓷为25ff/m.k，同时陶瓷材料除了导热率较高外，其热膨胀系数与硅芯片相近，这样就可以减少芯片和基板，以及连线之间由于热膨胀或收缩造成的失效。众所周知，金属材料由于自由电子的运动，热导最高，例如铜的为386W/m.K。所以为了进一步降低热阻，人们提出了 COHS技术，直接将芯片焊接到金属热沉上。但金属热沉的热膨胀系数较大，例如最常作为热沉的铜的热膨胀系数为16ppm/k,而芯片的热膨胀系数仅为4ppm/k,所以如何降低金属热沉的膨胀系数成为此技术的关键。
[0004]专利CN102263195A仅提出了将芯片直接焊接到热沉上，该专利重点为在陶瓷表面粘结荧光粉散热片，导走荧光粉的温度，减少荧光粉黄化以及色温变化，但是其降低热阻的性能还是比较差。
【发明内容】
[0005]本发明为解决现有的发光组件存在降低热阻性能差的技术问题，提供一种降低热阻性能好的发光组件及其制备方法。
[0006]本发明公开了一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件，所述发光组件包括铜热沉、设置在铜热沉上方的中间有LED芯片安装孔的陶瓷基板，设置在陶瓷基板的边缘的正负电极，设置在芯片安装孔内的LED芯片，涂覆在LED芯片上的荧光粉层；所述铜热沉和陶瓷基板之间设置有铜氧共晶焊接层；所述LED芯片和正负电极之间电连接，所述正负电极与电源连接。
[0007]本发明还提供了一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件的制备方法，该方法包括以下步骤:
S1、陶瓷和铜热沉共晶焊接:将陶瓷基板和铜热沉叠合在一起进行共晶焊接； 52、在陶瓷的另一侧，制作正负电极；
53、将LED芯片通过陶瓷上的安装孔焊接到铜热沉表面，之后将LED芯片焊点和电极连
接；
54、环氧树脂灌封，固化，焊接电源。
[0008]本发明通过将铜热沉和低热膨胀系数的陶瓷牢靠焊接，降低铜热沉的热膨胀系数，实现LED芯片和金属铜的可靠连接，降低热阻，从而降低LED芯片的结温，提高光效，延长使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是发光组件的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0010]为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0011]本发明公开了一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件，所述发光组件包括铜热沉、设置在铜热沉上方的中间有LED芯片安装孔的陶瓷基板，设置在陶瓷基板的边缘的正负电极，设置在芯片安装孔内的LED芯片，涂覆在LED芯片上的荧光粉层；所述铜热沉和陶瓷基板之间设置有铜氧共晶焊接层；所述LED芯片和正负电极之间电连接，所述正负电极与电源连接。
[0012]本发明选用高导热的铜作为铜热沉，通过陶瓷和金属铜热沉铜的铜氧共晶焊接，可以将铜的热膨胀系数降低到略比陶瓷材料高些，这样就可以直接将LED芯片焊接到高热导的金属表面了。
[0013]根据本发明所提供的发光组件，优选地，所述LED芯片是蓝宝石衬底，电极同侧。
[0014]根据本发明所提供的发光组件，为了使铜热沉与陶瓷基板之间的结合更好，优选地，所述铜热沉的厚度为0.1-lmm，所述陶瓷基板的厚度为0.25-0.63mm，所述铜氧共晶焊接层的厚度为0.5-10 μ m。
[0015]根据本发明所提供的发光组件，优选地，所述陶瓷基板的厚度大于LED芯片的厚度。这种结构具有凹杯状结构，便于环氧树脂的灌封。
[0016]根据本发明所提供的发光组件，为了提高安全性，优选地，所述电源为隔离驱动电源。
[0017]优选地，所述安装孔及正负电极表面涂覆有镍金合金。
[0018]所述铜热沉为铜，所述陶瓷基板内的LED芯片安装孔可以是将陶瓷基板用打孔、切割形成。
[0019]本发明还提供了一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件的制备方法，该方法包括以下步骤:
51、陶瓷和铜热沉共晶焊接:将陶瓷基板和铜热沉叠合在一起进行共晶焊接；
52、在陶瓷的另一侧，制作正负电极；
53、将LED芯片通过陶瓷上的安装孔粘接到铜热沉表面，之后将LED芯片焊点和电极通过金线连接；
S4、环氧树脂灌封，固化，焊接电源。
[0020]根据本发明所提供的制备方法，优选地，在共晶焊接之前对铜热沉层进行表面预氧化。更优选地，所述预氧化为:将铜热沉需要和陶瓷共晶焊接的一面在500-1000°C，氧含量在50_1000ppm的气氛中氧化10_60min。
[0021]根据本发明所提供的制备方法，优选地，所述共晶焊接是在氮气保护气氛下于1065-1080 O 下保温 10-60min。
[0022]根据本发明所提供的制备方法，优选地，在步骤S2之后、S3之前在安装孔及正负电极表面沉积镍金合金。
[0023]所述LED芯片安装孔可以在陶瓷成型的时候形成也可以经过激光打孔、切割后形成。
[0024]对附图的描述:
如图1，所述发光组件包括铜热沉1、设置在铜热沉I上方的中间有LED芯片安装孔6的陶瓷基板2，设置在陶瓷基板2的边缘的正负电极3，设置在芯片安装孔6内的LED芯片4，涂覆在LED芯片4上的荧光粉层5 ;所述铜热沉I和陶瓷基板2之间通过铜氧共晶焊接层7连接；所述LED芯片4和正负电极3之间通过焊线焊接，所述正负电极与电源连接。所述安装孔及正负电极表面沉积有镍金合金8。
[0025]下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0026]实施例1
1、对厚度为0.1mm的陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安装孔的陶瓷基板；
2、将厚度为0.1mm的铜片进行预氧化:在800°C，氧含量为IOOppm的气氛中氧化60min ；
3、将预氧化的铜片和切割好的陶瓷叠合，在氮气保护气氛中1072°C保温30min后冷却到室温；
4、再在陶瓷另一侧丝网印刷铜电极，在800°C，氮气保护气氛种烧结IOmin;5、最后在LED安装孔及电极表面沉积N1-Au ；
6、功率为2W的LED芯片通过固晶工艺焊接到铜热沉表面；
7、将芯片和陶瓷表面电极通过打金线连接；
8、灌封荧光粉和环氧树脂于安装孔中，将隔离驱动电源和电极互联，最后将其安装到散热系统中，得到产品Al。
[0027]实施例2
1、对厚度为2mm陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安装孔的陶瓷基板；
2、将厚度为IOOmm铜片进行预氧化:在800°C，氧含量为IOOppm的气氛中氧化60min；
3、将预氧化的铜片和切割好的陶瓷叠合，在氮气保护气氛中1072°C保温30min后冷却到室温；
4、在陶瓷另一侧物理气相沉积一层铜，覆感光油墨，曝光、显影，电镀加厚露出的线路到一定厚度，去除油墨，再将其放入蚀铜溶液中至未电镀加厚部分的铜消失；
5、最后在LED安装孔及电极表面沉积N1-Au；
6、功率为2W的芯片通过固晶工艺到铜热沉表面；7、将芯片和陶瓷表面电极通过打金线连接；
8、灌封荧光粉和环氧树脂于安装孔中，将隔离驱动电源和电极互联，最后将其安装到散热系统中，得到产品A2。
[0028]对比例I
1、对陶瓷利用激光打孔、切割，形成具有LED安装孔的陶瓷基板；
2、在陶瓷的一侧印刷铜电极，然后在800°C氮气保护气氛中烧结lOmin，冷却到室温；
3、将其另一侧用导热胶粘结到铜热沉上；
4、再在陶瓷另一侧丝网印刷铜电极，在800°C，氮气保护气氛种烧结IOmin;5、最后在LED安装孔及电极表面沉积N1-Au ；
6、2W芯片通过固晶工艺到铜热沉表面；
7、将芯片和陶瓷表面电极通过打金线连接；
8、灌封荧光粉和环氧树脂于安装孔中，将隔离驱动电源和电极互联，最后将其安装到散热系统中，得到产品BI。
[0029]对比例2
1、在双面陶瓷覆铜(DBC)板表面通过贴膜、曝光、显影、蚀刻等工艺形成线路；
2、最后在LED安装孔及电极表面沉积N1-Au；
3、2W芯片通过固晶工艺安装到DBC覆铜板表面；
4、未安装芯片另一面铜面通过共晶钎焊到铜热沉表面；
5、将芯片和陶瓷表面电极通过打金线连接；
6、制作防止环氧树脂溢流挡墙，灌封荧光粉和环氧树脂于挡墙内，将隔离驱动电源和电极互联，最后将其安装到散热系统中，得到产品B2。
[0030]测试方法及结果
1、可靠性测试
将实施例和对比例中制作的产品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，这样往复进行冷热冲击实验，每经历一次冰水和沸水计一次循环。结果见表1。
[0031]2、LED 结温 Tj 测试
将K型热电偶的测温点置于散热垫上，测出散热垫的温度为Tc，因为Tj=Rjc *P+Tc(Rjc为芯片的热阻参数，P为转化为热量的功率)，所以可以得到结温Tj。结温越高光效越低、寿命越短。结果见表1。
[0032]表1
【权利要求】
1.一种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件，其特征在于，所述发光组件包括铜热沉、设置在铜热沉上方的中间有LED芯片安装孔的陶瓷基板，设置在陶瓷基板的边缘的正负电极，设置在芯片安装孔内的LED芯片，涂覆在LED芯片上的荧光粉层；所述铜热沉和陶瓷基板之间设置有铜氧共晶焊接层；所述LED芯片和正负电极之间电连接，所述正负电极与电源连接。
2.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于，所述LED芯片是蓝宝石衬底、电极同侧的LED芯片。
3.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于，所述铜热沉的厚度为0.1-lOOmm，所述陶瓷基板的厚度为0.l_2mm，所述铜氧共晶焊接层的厚度为0.0l-1OOym0
4.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于，所述陶瓷基板的厚度大于LED芯片的厚度。
5.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于，所述电源为隔离驱动电源。
6.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于，所述安装孔及正负电极表面沉积有镍金合金。
7.—种LED芯片直接焊接到铜热沉表面的发光组件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 51、陶瓷和铜热沉共晶焊接:将陶瓷基板和铜热沉叠合在一起进行共晶焊接； 52、在陶瓷的另一侧，制作正负电极； 53、将LED芯片通过陶瓷上的安装孔焊接到铜热沉表面，之后将LED芯片焊点和电极连接； 54、环氧树脂灌封，固化，焊接电源。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在共晶焊接之前对铜热沉层进行表面预氧化。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化为:将铜热沉需要和陶瓷共晶焊接的一面在500-1000°C，氧含量在50-1000ppm的气氛中氧化10_60min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述共晶焊接是在氮气保护气氛下于 1065-1080°C 下保温 10-60min。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2之后、S3之前在安装孔及正负电极表面沉积镍金合金。
【文档编号】H01L33/64GK103887396SQ201210559347
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】林信平, 任永鹏, 徐强 申请人:比亚迪股份有限公司