[发明专利]一种大功率曲面LED散热基板及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及LED散热基板，尤其是涉及一种大功率曲面LED散热基板及其封装方法。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，简称LED)是一种能将电能转化成可见光的固态半导体器件。作为最为高效、节能和环保的全新光源，LED被誉为人类照明史上的第四次革命。LED作为第四代电光源，以其体积小、发光效率高、耗电量低、响应速度快、使用寿命长等优良特性，可较好地满足绿色节能环保要求，已成为人们关注和研究的热点。目前，LED已经广泛应用于电子产品显示屏、背光源和指示灯等领域。

LED具有一些其他光源所不具备的优点。由于LED利用注入式电致发光原理，直接将电能转化成光能，其发光效率远远高于传统白炽灯和应用广泛的节能灯。LED不含有毒重金属汞，与目前使用较多的荧光灯相比，对环境没有潜在危害。此外，LED还有诸如体积小，寿命长，无辐射等优点。

目前，由于LED散热性能欠佳，使其多用于功能发光，难以大规模应用于照明市场。随着LED向高光强、大功率、小尺寸的趋势发展，其芯片热流密度及器件封装结构复杂度越来越大，散热问题日益严峻。由于高功率发出更多热，限于小体积这些热量难以散出，会直接导致器件的老化，造成荧光粉光量子产率下降，缩短其使用寿命，甚至导致芯片失效，这使得LED的散热成为阻碍其应用于照明的所面临一个问题。LED传统封装后必须采用透镜进行光设计，才能将LED光源调节为照明用的曲面光，光线在透镜中发生折射，这势必导致光损耗，降低能量利用率，这使得封装成为阻碍LED应用于照明所面临的一个问题。因此，解决大功率LED散热和封装的问题对其发展具有重要意义。

为了解决照明LED的散热问题，一种传统大功率LED灯采用将大量低功率LED排成阵列的形式，避免使用大功率LED芯片。由于采用低功率LED芯片，能有效地解决散热问题，同时采用大量LED芯片，也可以满足照明用光强。但是，由于每个LED芯片单独发光，光源不连续，致使发光不均匀，严重影响了该光源的视觉效果，长期使用会产生不适感，不适合作为照明光源使用。

一种传统大功率LED散热基板是铝基板，包括金属基底、绝缘层和电路层。采用多层设计以满足LED所需电路设计，有热导率高、成本低等优点。但芯片和散热基板间的热界面材料热阻较大，热沉导热性能不高，绝缘层一般采用热阻较大的有机材料，在使用过程中热量无法导出，影响LED的发光质量和使用寿命。另外，基板与芯片衬底不匹配以及层间材料种类不同而存在界面，使其存在热膨胀系数差异与晶格失配，导致热应力问题。在大功率LED的使用过程中，随着发光时热量积累，温度升高，热应力问题会愈发严重，难以满足高密度封装要求，导致LED发光失效。

另一种基板是陶瓷基板，主要是氮化铝陶瓷基板，包括氮化铝基底和表面铜电路层。氮化铝有较高的绝缘性、导热性、低的介电常数和介电损耗，同时兼具了铝基板中金属基底和绝缘层的优点，且具有与GaN接近的晶格匹配和热膨胀系数。但是氮化铝和表面铜电路层难以紧密接合，两者之间还有较为明显的热失配。此外，这种陶瓷基板陶瓷原料制作困难，加工成本高，使用受到限制，不适宜广泛应用。

此外，为解决大功率LED芯片材料与散热材料间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，采用Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热基板也是可行的，但生产成本过高，难以大规模应用于LED封装散热。

传统的照明用LED封装有两种。一种是SMD封装，这种封装方式是将单个LED芯片封装成LED单元，然后将这些单元排列安装在电路板上。此方法工艺流程简单，LED单元可大量生产，常应用于功能光源，装饰光源等。但是作为照明用LED，单个单元功率不足，发光强度不足以进行照明，若将多个单元组合成阵列，则会导致发光不均匀的问题。另一种是COB封装，这种封装方式直接将多个LED芯片封装成一个单元。这种封装方式得到的单元发光面积较大，光源连续均匀，但是得到的光源仍然是平行光，要经过光设计才能应用于照明。以上两种封装使用的是传统散热基板，散热性能不理想，长期使用会使工作温度升高，影响LED灯具的使用。

中国专利CN101672460A公开了一种LED散热结构，采用新型的有高放射率，耐高温且绝缘的涂布层，以达到绝缘和散热效果，省去了传统的有机绝缘层。涂布层涂布于LED焊点，且直接与空气接触，借由涂布层增大了LED的散热面积。但是，涂布层由陶瓷粉末和有机粘结剂组成，难以连接外加的金属散热片，只能通过制造空气流动散热，相比于金属散热片，这样的散热效果并不好，同时必须制造出空气流动限制了其使用范围。