高功率LED兼容集成封装模块转让专利
申请号 : CN200710067900.8
文献号 : CN100593852C
文献日 : 2010-03-10
发明人 : 王德苗 , 苏达 , 徐文彬 , 任高潮 , 李侃 , 王耀民 , 陈洪璆
申请人 : 浙江大学
摘要 :
本发明专利涉及一种半导体照明器件，特别是涉及高功率LED兼容集成封装模块；它包括金属散热器和LED芯片，其特征在于所述金属散热器上设有反光杯，金属散热器和反光杯表面依次设置有用薄膜技术制作的绝缘膜层和多层膜系电极层，在金属散热器上还设置了薄膜电阻，反光杯内设有LED芯片，该LED芯片倒装焊接在反光杯中的多层膜系电极层上，多层膜系电极层上设有缝隙；本发明的结构设计合理、紧凑，制作方便、成本低廉，是一种集散热器、绝缘层、内部热沉、限流电阻、反光杯、LED于一体的LED兼容集成封装模块。
权利要求 :
1、高功率LED兼容集成封装模块，包括金属散热器和LED芯片，其特征在于所述金属散热器上设有反光杯，金属散热器和反光杯表面依次设置有用薄膜技术制作的绝缘膜层和多层膜系电极层，所述多层膜系电极层由依次布置的、采用溅射工艺与掩模制备方法制备的过渡膜、阻挡膜、焊接膜构成；所述过渡膜由钛、镍、钨、钼、铬等任一种薄膜材料构成；所述阻挡膜由镍或镍合金薄膜构成；所述焊接膜由银或金的薄膜材料构成；在所述绝缘膜层上还设置了薄膜电阻，所述薄膜电阻由镍铬合金等薄膜材料构成，采用溅射加掩模制作在所述绝缘膜层上，其两端分别与多层膜系电极层和电极引线连接；反光杯内设有LED芯片，该LED芯片倒装固定在反光杯中的多层膜系电极层上，多层膜系电极层上设有缝隙，该缝隙将多层膜系电极层分隔成相互绝缘的两部分，位于缝隙两侧的多层膜系电极层分别与LED芯片的正极和负极相连接。
2、 根据权利要求1所述高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所述 金属散热器由铝质或者铜质或其它热传导率大的金属板材或者散热器型材构 成，所述散热器型材为底面带有散热片结构的金属型材，其表面布置有至少 一个呈抛物面的反光杯，反光杯的焦点处设有凸台。
3、 根据权利要求1所述的高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所 述绝缘膜层由氧化铝、碳化硅、氮化铝、氧化铍等中任一种绝缘强度好、导 热系数高的陶瓷薄膜材料构成，其厚度为io — ioo微米。
4、 根据权利要求1所述的高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所 述的过渡膜的厚度为30 — 500纳米。
5、 根据权利要求1所述的高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所 述的阻挡膜的厚度为500 — 15QQ纳米。
6、 根据权利要求1所述的高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所 述焊接膜的厚度为50 — 1000纳米。述的阻挡膜的厚度为500—1500纳米。6、 根据权利要求1所述的高功率LED兼容集成封装模块，其特征在于所 述焊接膜的厚度为50—1000纳米。
7、 根据权利要求1所述的髙功率LBD兼容集成封装模块，其特征在于所 述的绝缘膜层采用阳极氧化、溅射、离子镀等薄膜制备工艺中的任一种直接 制备在金属散热器和反光杯的表面。
说明书 :
髙功率LED兼容集成封装模块
技术领域
本发明专利涉及一种半导体照明器件，特别是涉及高功率LED兼容集成 封装模块。 背录技术
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积 小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城 市夜景等领域。
随着LED单位亮度的不断提高，驱动电流大幅度增加，散热问题已经成 为高功率LED商品化的最大障碍。针对髙功率LED的封装散热难题，国际上 巳开发出以下三类新的封装结构：（1) US2003089917专利提出了一种倒装芯 片(FCLED)结构，将LED芯片倒装连接到硅片或陶瓷片上，然后将其用导热胶 粘接到散热器上；（2) US7070418专利提出了一种多级热沉（heat sink)结 构，将芯片封接到覆有几毫米厚铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属 夹层的PCB板上，然后再用导热胶将其封装到散热片上；（3)国内最近报道 了一种在散热器上安装一个微泵浦制冷系统的散热结构，LED芯片通过内部热 沉粘接到散热器上。上述技术中，倒装结构可使PN结的热量不必经由芯片的 蓝宝石衬底，而是通过热导率更高的硅或陶瓷衬底到达散热器，可降低内部 接口热沉的热阻。但是，热阻是与热沉的厚度成正比的，由于受硅片机械强
度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就 制约了其传热性能的提高；多级热沉结构的缺陷在于，夹层中的PCB板是热
的不良导体，它会阻碍热量的传导；结构复杂的微泵浦结构其制冷性较好， 但如果内部热沉的热阻很大，则其热传导就会大打折扣。对于LED器件来说，其总热阻是PN结到外界环境传热回路上几个热沉的 热阻之和，其中包括LBD本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导 热胶的热阻、PCB板的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热 沉的热阻等，传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。上述的 LED封装结构几乎都存在内部热沉多、总热阻大这样一个共性问题，这就大大
制约了其传热性能与散热效率的进一步提高。
另一方面，限流电阻是LED电路中不可缺少的组成部分，也是热源之一。
特别是大功率LED，限流电阻的工作电流达到几百毫安，其产生的热量对于 LED电路的影响与破坏力甚大。但是现有技术中的限流电阻几乎全都采用贴片 电阻，不仅其热量不能被有效传导，危害整个LED电路，而且其封装兼容性 较差，结构不够紧凑。 发明内容
本发明的目的在于提供一种内部热沉热阻小、散热性能优良的LED兼容 集成封装模块。
本发明是通过这样的方法来实现的：它包括金属散热器和LED芯片，其 特征在于所述金属散热器上设有反光杯，金属散热器和反光杯表面依次设置 有用薄膜技术制作的绝缘膜层和多层膜系电极层，所述多层膜系电极层由依 次布置的、釆用溅射工艺与掩模制备方法制备的过渡膜、阻挡膜、焊接膜构 成；所述过渡膜由钛、镍、钨、钼、铬等任一种薄膜材料构成；所述阻挡膜 由镍或镍合金薄膜构成；所述焊接膜由银或金的薄膜材料构成；在所述绝缘 膜层上还设置了薄膜电阻，所述薄膜电阻由镍铬合金等薄膜材料构成，采用 溅射加掩模制作在所述绝缘膜层上，其两端分别与多层膜系电极层和电极引 线连接；反光杯内设有LED芯片，该LED芯片倒装固定在反光杯中的多层膜 系电极层上，多层膜系电极层上设有缝隙，该缝隙将多层膜系电极层分隔成 相互绝缘的两部分，位于缝隙两侧的多层膜系电极层分别与LED芯片的正极 和负极相连接。由于本发明采用在金属散热器和反光杯表面依次设置绝缘膜、多层膜系
电极膜以及薄膜电阻，并将LED芯片倒装焊接在反光杯中的多层膜系电极层 上的结构，能够大幅度减少内部热沉数，而且把接口热沉以及限流电阻直接 以薄膜的形式制作在金属散热器上，从而大幅度降低了 LED系统的总热阻， 提高了散热性能。本结构设计合理、紧凑，制作方便、成本低廉，是一种集 散热器、绝缘层、内部热沉、限流电阻、反光杯、LED于一体的LED兼容集成 封装模块。，
以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，但本发明保护内容 不局限于附图和具体实施方式所反映的内容。 附图说明
图1是本发明的A—A线剖视的局部结构放大示意图。 图2是本发明的LED兼容集成封装模块的结构示意图。 附图标号说明：1—金属散热器；2—绝缘膜层；3—多层膜系电极层；31 —过渡膜；32—阻挡膜；33—焊接膜；4—反光杯；41-凸台；5-缝隙；6—LED 芯片；7—焯锡；8—薄膜电阻；81 —电阻膜；82—薄膜电阻的过渡层；9—多
层膜系电极引线。 具体实施方式
参见图l、图2:本发明包括
所述金属散热器1和LED芯片6,所述金属散热器1上设有反光杯4，金 属散热器1和反光杯4表面依次设置有用薄膜技术制作的绝缘膜层2和多层 膜系电极层3,所述多层膜系电极层3由依次布置的、釆用溅射工艺与掩模制 备方法制备的过渡膜31、阻挡膜32、焊接膜33构成；该多层膜系电极层3 用真空溅射工艺和设有图形的掩模制备方法制备在上述绝缘膜层2上；过渡 膜31由钛、镍、钨、钼、铬等任一种薄膜材料构成、其厚度为30—500纳米， 其作用是用来匹配应力;所述阻挡膜32由镍或镍合金薄膜构成,其厚度为500 一150Q纳米；阻挡膜32用来阻挡高温焊锡熔蚀；焊接膜33由银或金的薄膜材料构成，其厚度为50 — 1000纳米，焊接膜33用来导通电流、焊接LED芯 片6;在所述绝缘膜层2上还设置了薄膜电阻8，所述薄膜电阻8由镍铬合金 等薄膜材料构成，采用溅射加掩模制作在所述绝缘膜层2上，其两端分别与 多层膜系电极层3和电极引线9连接；反光杯4内设有LED芯片6，该LED芯 片6倒装固定在反光杯4中的多层膜系电极层3上，多层膜系电极层3上设 有缝隙5,该缝隙5将多层膜系电极层3分隔成相互绝缘的两部分，位于缝隙 5两侧的多层膜系电极层3分别与LED芯片6的正极和负极相连接。
所述金属散热器1由铝质或者铜质或其他热传导率高的金属板材或者散 热器型材构成，其表面至少设有一个用来布置LED芯片6、提高出光率的反光 杯4，所述反光杯4呈抛物面状，抛物面的焦点处设有凸台41;为了提高热 辐射效率，金属散热器1表面可进行发黑处理；所述散热器型材为底面带有 散热片结构的金属型材，该型材具有较好的散热效果；在需要的情况下，金 属散热器l的底部可以设置制冷微泵浦、风扇等强制散热装置。
所述绝缘膜层2由氧化铝、碳化硅、氮化铝、氧化铍等中任一种绝缘强度 好、导热系数高的陶瓷薄膜材料构成，其厚度为10 — 100微米。该绝缘膜层2 采用阳极氧化、溅射、离子镀中的一种工艺方法直接制备在金属散热器1和 反光杯4的表面。
所述多层膜系电极层3延伸布置到所述凸台41上，凸台41上的多层膜 系电极层3设有缝隙5， LED芯片6两个电极通过焊锡7倒装焊接在所述凸台 41缝隙5两侧的焊接膜33上。
所述薄膜电阻8由镍铬合金等薄膜材料构成，采用溅射加掩模制作在所 述绝缘膜层2上，其两端分别与多层膜系电极层3和电极引线9连接。为了 减小电阻膜81的应力，可在镀制电阻膜81之前先镀一层电阻膜81的过渡层 82，为了获得精度较高的电阻阻值，可以在镀完上述膜层后，在镀膜机外用 激光刻蚀技术进行精确调节。
本发明的结构设计，主要从减少内部热沉数量着手，并把必不可少的接层2是釆用热导 率比硅片好的、厚度远远小于硅片的氮化铝、碳化硅或氧化铍薄膜中的一种， 氧化铝的热导率虽然低于硅，但因其厚度薄，故其热阻小。作为接口热沉的 多层膜系电极层3又是直接设置于所述绝缘膜层2上，LED与多层膜系电极层 3之间的焊料选用比导电胶传热特性更好的焊锡7，因而本发明的总热阻可以 大大低于现有技术，体现出内部热阻小、散热效率髙的特点。
在本发明中，由于把必不可少的限流电阻以薄膜电阻8结构直接制作在 金属散热器1的绝缘膜2上，使限流电阻发出的热量被快速传导，因此大幅 度降低了限流电阻发出热量对LED电路的危害。
本发明把绝缘层、电极层、限流电阻以及反光杯直接制作在金属散热器 上，实现了一种兼容集成封装结构，其积构合理、紧凑。
本发明所用的制作材料不含R0HS标准以及国家环保条例禁用物质，多层 膜系电极层3能阻挡无铅焊料高温熔蚀，整个制造工艺又在真空环境中进行， 毋需经过光刻腐蚀，因此其制作工艺也是一种绿色制造工艺。
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积 小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城 市夜景等领域。
随着LED单位亮度的不断提高，驱动电流大幅度增加，散热问题已经成 为高功率LED商品化的最大障碍。针对髙功率LED的封装散热难题，国际上 巳开发出以下三类新的封装结构：（1) US2003089917专利提出了一种倒装芯 片(FCLED)结构，将LED芯片倒装连接到硅片或陶瓷片上，然后将其用导热胶 粘接到散热器上；（2) US7070418专利提出了一种多级热沉（heat sink)结 构，将芯片封接到覆有几毫米厚铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属 夹层的PCB板上，然后再用导热胶将其封装到散热片上；（3)国内最近报道 了一种在散热器上安装一个微泵浦制冷系统的散热结构，LED芯片通过内部热 沉粘接到散热器上。上述技术中，倒装结构可使PN结的热量不必经由芯片的 蓝宝石衬底，而是通过热导率更高的硅或陶瓷衬底到达散热器，可降低内部 接口热沉的热阻。但是，热阻是与热沉的厚度成正比的，由于受硅片机械强
度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就 制约了其传热性能的提高；多级热沉结构的缺陷在于，夹层中的PCB板是热
的不良导体，它会阻碍热量的传导；结构复杂的微泵浦结构其制冷性较好， 但如果内部热沉的热阻很大，则其热传导就会大打折扣。对于LED器件来说，其总热阻是PN结到外界环境传热回路上几个热沉的 热阻之和，其中包括LBD本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导 热胶的热阻、PCB板的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热 沉的热阻等，传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。上述的 LED封装结构几乎都存在内部热沉多、总热阻大这样一个共性问题，这就大大
制约了其传热性能与散热效率的进一步提高。
另一方面，限流电阻是LED电路中不可缺少的组成部分，也是热源之一。
特别是大功率LED，限流电阻的工作电流达到几百毫安，其产生的热量对于 LED电路的影响与破坏力甚大。但是现有技术中的限流电阻几乎全都采用贴片 电阻，不仅其热量不能被有效传导，危害整个LED电路，而且其封装兼容性 较差，结构不够紧凑。 发明内容
本发明的目的在于提供一种内部热沉热阻小、散热性能优良的LED兼容 集成封装模块。
本发明是通过这样的方法来实现的：它包括金属散热器和LED芯片，其 特征在于所述金属散热器上设有反光杯，金属散热器和反光杯表面依次设置 有用薄膜技术制作的绝缘膜层和多层膜系电极层，所述多层膜系电极层由依 次布置的、釆用溅射工艺与掩模制备方法制备的过渡膜、阻挡膜、焊接膜构 成；所述过渡膜由钛、镍、钨、钼、铬等任一种薄膜材料构成；所述阻挡膜 由镍或镍合金薄膜构成；所述焊接膜由银或金的薄膜材料构成；在所述绝缘 膜层上还设置了薄膜电阻，所述薄膜电阻由镍铬合金等薄膜材料构成，采用 溅射加掩模制作在所述绝缘膜层上，其两端分别与多层膜系电极层和电极引 线连接；反光杯内设有LED芯片，该LED芯片倒装固定在反光杯中的多层膜 系电极层上，多层膜系电极层上设有缝隙，该缝隙将多层膜系电极层分隔成 相互绝缘的两部分，位于缝隙两侧的多层膜系电极层分别与LED芯片的正极 和负极相连接。由于本发明采用在金属散热器和反光杯表面依次设置绝缘膜、多层膜系
电极膜以及薄膜电阻，并将LED芯片倒装焊接在反光杯中的多层膜系电极层 上的结构，能够大幅度减少内部热沉数，而且把接口热沉以及限流电阻直接 以薄膜的形式制作在金属散热器上，从而大幅度降低了 LED系统的总热阻， 提高了散热性能。本结构设计合理、紧凑，制作方便、成本低廉，是一种集 散热器、绝缘层、内部热沉、限流电阻、反光杯、LED于一体的LED兼容集成 封装模块。，
以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，但本发明保护内容 不局限于附图和具体实施方式所反映的内容。 附图说明
图1是本发明的A—A线剖视的局部结构放大示意图。 图2是本发明的LED兼容集成封装模块的结构示意图。 附图标号说明：1—金属散热器；2—绝缘膜层；3—多层膜系电极层；31 —过渡膜；32—阻挡膜；33—焊接膜；4—反光杯；41-凸台；5-缝隙；6—LED 芯片；7—焯锡；8—薄膜电阻；81 —电阻膜；82—薄膜电阻的过渡层；9—多
层膜系电极引线。 具体实施方式
参见图l、图2:本发明包括
所述金属散热器1和LED芯片6,所述金属散热器1上设有反光杯4，金 属散热器1和反光杯4表面依次设置有用薄膜技术制作的绝缘膜层2和多层 膜系电极层3,所述多层膜系电极层3由依次布置的、釆用溅射工艺与掩模制 备方法制备的过渡膜31、阻挡膜32、焊接膜33构成；该多层膜系电极层3 用真空溅射工艺和设有图形的掩模制备方法制备在上述绝缘膜层2上；过渡 膜31由钛、镍、钨、钼、铬等任一种薄膜材料构成、其厚度为30—500纳米， 其作用是用来匹配应力;所述阻挡膜32由镍或镍合金薄膜构成,其厚度为500 一150Q纳米；阻挡膜32用来阻挡高温焊锡熔蚀；焊接膜33由银或金的薄膜材料构成，其厚度为50 — 1000纳米，焊接膜33用来导通电流、焊接LED芯 片6;在所述绝缘膜层2上还设置了薄膜电阻8，所述薄膜电阻8由镍铬合金 等薄膜材料构成，采用溅射加掩模制作在所述绝缘膜层2上，其两端分别与 多层膜系电极层3和电极引线9连接；反光杯4内设有LED芯片6，该LED芯 片6倒装固定在反光杯4中的多层膜系电极层3上，多层膜系电极层3上设 有缝隙5,该缝隙5将多层膜系电极层3分隔成相互绝缘的两部分，位于缝隙 5两侧的多层膜系电极层3分别与LED芯片6的正极和负极相连接。
所述金属散热器1由铝质或者铜质或其他热传导率高的金属板材或者散 热器型材构成，其表面至少设有一个用来布置LED芯片6、提高出光率的反光 杯4，所述反光杯4呈抛物面状，抛物面的焦点处设有凸台41;为了提高热 辐射效率，金属散热器1表面可进行发黑处理；所述散热器型材为底面带有 散热片结构的金属型材，该型材具有较好的散热效果；在需要的情况下，金 属散热器l的底部可以设置制冷微泵浦、风扇等强制散热装置。
所述绝缘膜层2由氧化铝、碳化硅、氮化铝、氧化铍等中任一种绝缘强度 好、导热系数高的陶瓷薄膜材料构成，其厚度为10 — 100微米。该绝缘膜层2 采用阳极氧化、溅射、离子镀中的一种工艺方法直接制备在金属散热器1和 反光杯4的表面。
所述多层膜系电极层3延伸布置到所述凸台41上，凸台41上的多层膜 系电极层3设有缝隙5， LED芯片6两个电极通过焊锡7倒装焊接在所述凸台 41缝隙5两侧的焊接膜33上。
所述薄膜电阻8由镍铬合金等薄膜材料构成，采用溅射加掩模制作在所 述绝缘膜层2上，其两端分别与多层膜系电极层3和电极引线9连接。为了 减小电阻膜81的应力，可在镀制电阻膜81之前先镀一层电阻膜81的过渡层 82，为了获得精度较高的电阻阻值，可以在镀完上述膜层后，在镀膜机外用 激光刻蚀技术进行精确调节。
本发明的结构设计，主要从减少内部热沉数量着手，并把必不可少的接层2是釆用热导 率比硅片好的、厚度远远小于硅片的氮化铝、碳化硅或氧化铍薄膜中的一种， 氧化铝的热导率虽然低于硅，但因其厚度薄，故其热阻小。作为接口热沉的 多层膜系电极层3又是直接设置于所述绝缘膜层2上，LED与多层膜系电极层 3之间的焊料选用比导电胶传热特性更好的焊锡7，因而本发明的总热阻可以 大大低于现有技术，体现出内部热阻小、散热效率髙的特点。
在本发明中，由于把必不可少的限流电阻以薄膜电阻8结构直接制作在 金属散热器1的绝缘膜2上，使限流电阻发出的热量被快速传导，因此大幅 度降低了限流电阻发出热量对LED电路的危害。
本发明把绝缘层、电极层、限流电阻以及反光杯直接制作在金属散热器 上，实现了一种兼容集成封装结构，其积构合理、紧凑。
本发明所用的制作材料不含R0HS标准以及国家环保条例禁用物质，多层 膜系电极层3能阻挡无铅焊料高温熔蚀，整个制造工艺又在真空环境中进行， 毋需经过光刻腐蚀，因此其制作工艺也是一种绿色制造工艺。