CN100375300C - 大功率发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种大功率发光二极管，它包括有至少一个发光二极管芯片，所述芯片p-n结外表面上的光反射金属电极经高热导率材料直接贴装在一个金属底座上或经热导率比铜高几倍的金刚石基板贴装在一个金属底座上，所述高热导率粘贴材料可为混有小银珠或小金珠的焊锡、金刚石粉导热胶或混有银珠、银粉的导热胶；所述芯片的电极经金刚石基板上的导电层或电路板引出，所述金属底座有至少一个螺丝或螺丝孔，用于和散热器相连接；芯片和金属底座上有透光介质和透镜，也还可有发光材料，它可用于制造发光二极管灯、太阳能发光二极管灯、液晶显示的背照明和信息显示等。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发光二极管，特别是一种大功率、高效率、长寿命的发光二极管，用于照明、交通灯和信息显示等。
背景技术
大功率发光二极管的芯片在工作时会产生大量的热量，使芯片的温度迅速升高，而发光二极管芯片的发光效率几乎随芯片温度的上升而直线下降。如何最大限度地减小发光二极管的热阻、将芯片产生的热量有效地传导和散发掉，使发光二极管芯片工作在较低的温度下、是制造大功率发光二极管及其应用的关键。
现有技术的大功率发光二极管、芯片被安装在一个硅基板上，其间用焊锡连结，焊锡的热导率仅为铜的1/6；且接触面积小、仅约芯片面积的1/4，厚度大、约0.07mm；硅基板厚约0.1mm，其热导率只有约铜的1/3，同时其间还有电介质层，热阻大、而热流密度很大，芯片温度很容易上升，使发光效率下降。
其次，现有技术的大功率发光二极管的金属底座通常被安装在一个铝基电路板上，然后再与散热装置接触。金属底座面积小，例如小于直径6mm，铝的热导率仅约为铜的1/2.5，金属底座与铝基电路板之间、铝基电路板和散热装置之间均有热导率远小于铜的热导胶层，热阻很大、芯片温度容易升高；同时，长时间工作很容易导致导热胶裂开，而使热阻大增，从而导致发光二极管过热而烧毁。
图1为典型的现有技术的大功率发光二极管及其与散热器连结的结构示意图。其中101为发光二极管芯片，102为芯片的基板，103为芯片的p-n结，104为p-n结外表面上的光反射金属p电极，105为n电极，106为电极上和硅基板107上的电介质层，108为可焊材料，109为焊锡，110为硅基板上的导电层；111为金属底座，112为铝基线路板的铝板，113散热器，114为导热胶层，115为金丝球焊引出线，116硅基板上的隔离层。
所述现有技术的大功率发光二极管用焊锡连结芯片和硅基板，焊锡109的热导率仅为铜的1/6，且接触面积小、仅约芯片面积的1/4，厚度大、约0.06mm，硅基板的热导率也只有约铜的1/3，同时其间还有电介质层，热阻大、热流密度很大，芯片结温容易上升，使发光效率下降。
另一方面，发光二极管的金属底座被安装在一个铝基电路板上，然后再与散热装置接触。金属底座与散热装置接触的面积小，例如小于直径6mm，铝的热导率仅约为铜的1/2.5，金属底座与铝基电路板之间、铝基电路板和散热装置之间均有热导率远小于铜、厚度大的热导胶层114，热阻很大，长时间工作容易导致导热胶裂开，而使热阻大增，从而导致发光二极管过热而烧毁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热阻很小的大功率、高效率、长寿命发光二极管，它包括有至少一个发光二极管芯片，芯片p-n结外表面有光反射金属电极，至少一个基板和一个金属底座，其特征在于所述芯片p-n结外表面上的光反射金属电极经高热导率材料贴装在金刚石的基板上，金刚石基板的另一面经软的高热导率导热胶固定在金属底座上，芯片p-n结的电极经金刚石基板上的导电层引出。
所述的金刚石基板上面向芯片的一面有电路导电层，并通过混有小银珠或小金珠的焊锡作为高热导率材料与芯片p-n结外表面上的光反射金属电极相接，芯片p-n结的电极经该导电层用引出线引出，且引出线是垂直向下或从侧面引出，也可经固定螺丝的中心引出。
所述的金属底座有至少一个用于和散热器连结的螺丝或螺丝孔，且金属底座与散热器接触的底面面积大于30mm2。
所述的高热导率材料为Z方向导电的、混有小银珠、小金珠、小焊锡或小铜珠的高热导率胶。
所述的金刚石基板的另一面有可焊金属层，其经软的高热导率导热胶与金属底座固连。
所述金属底座和芯片上有透光介质，金属底座上、芯片周围有形状为锥面或曲面的光反射器。
所述的透光介质上有透镜、发光材料。
所述的混有小银珠或小金珠的焊锡层的厚度小于0.04mm，与芯片的接触面积大于芯片面积的30％。
所述的软的高热导率导热胶为焊锡、混有银粉的焊锡、银浆胶或金刚石粉胶。
所述的芯片为至少二个，且为相同发光色或不同发光色的芯片。
本发明的目的也可通过如下技术方案来完成，它包括有至少一个发光二极管芯片，芯片p-n结外表面有光反射金属电极，至少一个金属底座，其特征在于所述的至少一个发光二极管芯片的p-n结外表面上的光反射金属电极经高热导率层直接粘贴于金属底座上；在金属底座上的芯片电极焊接处有绝缘层和导电层，发光二极管芯片的电极经导电粘结剂由所述导电层引出。
所述的高热导率层为不导电的、颗粒小于0.04mm的细金刚石粉胶或氧化物导热胶。
所述的高热导率层为混有小银珠、小金珠或小铜珠的焊锡或导电胶。
本发明与现有技术相比，具有结构合理、制作工艺简单，使用方便，安全可靠，适用范围广，能实现大功率、高效率、长寿命的技术效果等特点。
附图说明：
图1为现有技术的大功率发光二极管及其与散热器连结的结构示意图。
图2为本发明的大功率发光二极管及其与散热器连结的一个实施例的结构示意图。
图3为本发明的大功率发光二极管及其与散热器连结的又一个实施例的结构示意图。
图4为本发明的大功率发光二极管的一个实施例的结构示意图。
图5为本发明的大功率发光二极管的又一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明主要包括有至少一个发光二极管芯片，所述芯片p-n结外表面上的光反射金属电极经混有小银珠或小金珠的焊锡贴装在一个热导率比硅基板高的金刚石基板上；所述混有小银珠或小金珠的焊锡在焊锡熔化时被小银珠或小金珠吸附而不会流开去引起电极短路、即在焊接处无需电介质层，同时其厚度可由小银珠或小金珠的直径控制，其厚度可很薄、例如小于0.04mm，与芯片的接触面积可很大、例如大于芯片面积的30％；所述金刚石基板的面向芯片的一面有可焊的电路导电层，芯片的电极经金刚石基板上的导电层引出；所述金刚石基板的另一面有可焊的导电层，用软的高热导率导热胶、例如焊锡、混有银粉的焊锡、银浆胶或金刚石粉胶等固定在发光二极管的金属底座上；所述金属底座有至少一个螺丝或螺丝孔，用于和散热器相连接；芯片和金属底座上有透光介质和透镜，同时还可有发光材料。所述芯片p-n结上的金属电极经高热导率焊锡和金刚石基板贴装在金属底座上，所制成的发光二极管的热阻很小；同时，所述金属底座上有至少一个螺丝或螺丝孔，用于和散热器连接和紧密热接触，二者之间有高热导率导热胶、例如银浆胶、金刚石粉胶等，而此导热胶层的厚度因有螺丝固定而接近于零；所述金属底座与散热器有较大的接触面积，例如大于30mm2，以进一步降低热阻；从而使芯片p-n结与散热装置之间的热阻很小，可让芯片产生的热有效地散发掉，以制成高效率、长寿命的大功率发光二极管。
本发明也可以将所述芯片p-n结外表面上的光反射金属电极经高热导率材料直接贴装在一个金属的底座上；所述芯片的电极经引线或电路板引出，所述金属底座有至少一个螺丝或螺丝孔，用于和散热器相连接；芯片和金属底座上有透光介质和透镜，也可还有发光材料。所述芯片p-n结上的金属电极经高热导率材料直接贴装在金属底座上，所制成的发光二极管的热阻很小，为避免p、n电极短路、n电极的非引出线焊结处可覆有一层电介质层。
所述芯片p-n结上金属电极和高热导率材料底座之间的高热导率材料为混有小银珠、小金珠或小铜珠的低热阻焊锡。
所述芯片p-n结上金属电极和金属底座之间的高热导率材料也可为Z方向导电的高热导率胶，例如混有导电的小银珠、小金珠、小焊锡珠或小铜珠的导热胶，所述导热胶为不导电的金刚石粉胶、氧化物导热胶等。芯片用所述导热胶和底座固定、并加压力后让导热胶固化，加压力的同时也可加超声波，使导电小珠和金属电极及金属底座接触处局部溶化以增大接触面积；所述导电小珠使上下电极、即Z方向电连结，而不会使横向导电或使p、n电极短路。
所述芯片p-n结上金属电极和金属底座之间的高热导率材料也为导电或不导电的导热胶，例如银浆胶、金刚石粉胶、氧化物导热胶等。
所述金属底座的材料为铜、银、铝、合金或其它高热导率材料，其安装芯片的一面可为光反射面。
所述芯片周围、透光介质中或透光介质和透镜之间可有发光材料。
下面将结合附图对本发明作详细介绍。
图2为本发明的大功率发光二极管及其与散热器连结的一个实施例的结构示意图。图2中201为至少一个发光二极管芯片，202为芯片的基板，203为芯片的p-n结，204为p-n结外表面上的光反射金属电极，例如p电极，p-n结的另一电极，例如n电极；207为金刚石基板，其热导率比硅基板高得多，芯片p-n结外表面上的光反射金属电极204经混有小银珠或小金珠217的高热导率焊锡218贴装在金刚石基板207上；所述混有小银珠或小金珠的焊锡在焊锡熔化时焊锡被小银珠或小金珠吸附而不会流淌开去引起电极短路、即在焊接处无需电介质层，同时其厚度可由小银珠或小金珠的直径控制，其厚度可很薄、例如小于0.04mm，与芯片的接触面积可很大、例如大于芯片面积的30％；金刚石基板207面向芯片的一面有可焊的电路导电层210，芯片的电极经金刚石基板上的导电层210引出；金刚石基板207的另一面可有可焊的高热导率层220，例如银、铜或合金等，用软的高热导率导热胶214、例如焊锡、混有银粉的焊锡、银浆胶或金刚石粉胶等固定在发光二极管的金属底座211上；所述金属底座有至少一个螺丝或螺丝孔(见图4)，用于和散热器213相连接；芯片和金属底座上有透光介质和透镜，同时还可有发光材料(见图4)。所述芯片p-n结上的金属电极204经高热导率焊锡和金刚石基板贴装在金属底座上，所制成的发光二极管的热阻很小；同时，所述金属底座上有至少一个螺丝或螺丝孔，用于和散热器连接和紧密热接触，二者之间有高热导率导热胶219、例如银浆胶、金刚石粉胶等，而此导热胶层的厚度因有螺丝固定而接近于零；而且金属底座有较大的接触底面积、例如大于30mm2用于与散热器接触，以进一步降低热阻；从而使芯片p-n结与散热装置之间的热阻很小，可让芯片产生的热有效地散发掉，以制成高效率、长寿命的大功率发光二极管。图2中其它数字的意义与图1中所示的相同。
图3为本发明的大功率发光二极管及其与散热器连结的又一个实施例的结构示意图。其特征在于芯片p-n结上的光反射金属电极304经不导电的高热导率层318直接粘贴于金属底座311上，所述高热导率层318为颗粒大小小于0.04mm的细金刚石粉胶、氧化物导热胶等；金属底座311上芯片电极焊接处有绝缘层321和导电层322，发光二极管芯片的电极经导电粘结剂323由导电层322引出；导电粘结剂323为混有小银珠、小金珠或小铜珠324的焊锡或导电胶，选用较小的小珠324可使高热导率层318很薄，例如小于0.04mm，从而得到很小热阻的发光二极管。如果金属电极304不需要和金属底座绝缘、则高热导率层318也可用与323相似的导电粘结剂。图3中其它数字的意义与图2中所示的相同。
图4为本发明的大功率发光二极管的一个实施例的结构示意图。图4中401为至少一个发光二极管芯片，402为芯片的基板，403为芯片的p-n结，404为p-n结外表面上的光反射金属电极，芯片403用图2所示的方法、首先安装在金刚石基板407上，然后用软的高热导率导热胶418、例如焊锡、混有银粉的焊锡、银浆胶或金刚石粉胶等固定在发光二极管的金属底座411上；芯片401的电极经金刚石基板上的导电层和引出线415、417引出；所述金属底座有至少一个螺丝425或螺丝孔，用于和散热器连接；底座411上芯片401周围为光反射面430，芯片和金属底座上有透光介质426和透镜427，同时还可有发光材料428。金属底座与散热器接触的底面429有较大的接触底面积、例如大于30mm2，以进一步降低热阻，从而使芯片p-n结与散热装置之间的热阻很小，可让芯片产生的热有效地散发掉，以制成高效率、长寿命的大功率发光二极管。底座411上方周围有绝缘层421，其上有导电层422，用于和引线415及引出线417相连结，引出线417可以是垂直向下，也可从侧面引出，如431所示，也可经通孔432从螺丝425的中心引出，如433所示。所述的至少一个芯片401可以是相同发光色或不同发光色的。
图5为本发明的又一大功率发光二极管实施例的结构示意图。其特征在于至少一个发光二极管芯片501的安装方法与图3相同；且在芯片501周围有一光反射器534，535为其反射面，其形状可为锥面或曲面，它可把发光二极管芯片501原本向侧面发射的光发射向前方，如图5中536所示；537为发光二极管引出线的焊接处。图5中其它数字所代表的意义与图3和4中所示的相同。
图4和5中的光反射面430、534和535也可不用，以得到大出射角的光。
本发明要求保护的范围不限于本文中介绍的各实施例，涉及的专门技术是本专业一般人员所熟悉的，因此只要了解本发明的内容，可以做各种形式的变换和代换。
Claims (13)
1.一种发光二极管，它包括有至少一个发光二极管芯片，芯片p-n结外表面有光反射金属电极，至少一个金刚石基板，至少一个金属底座，其特征在于所述芯片p-n结外表面上的光反射金属电极经高热导率材料贴装在金刚石基板上的导电层上，金刚石基板的另一面经软的高热导率导热胶固定在金属底座上，芯片p-n结外表面上的光反射电极经金刚石基板上的导电层引出。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的金属底座有至少一个用于和散热器连结的螺丝或螺丝孔，且金属底座与散热器接触的底面面积大于30mm2。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于所述的金刚石基板上面向芯片的一面有电路导电层，并通过混有小银珠或小金珠的焊锡作为高热导率材料与芯片p-n结外表面上的光反射金属电极相接，芯片p-n结的电极经该导电层用引出线引出，且引出线是垂直向下或从侧面引出或经固定螺丝的中心引出。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于所述的高热导率材料为混有小银珠、小金珠、小焊锡或小铜珠的高热导率胶。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于所述的金刚石基板的另一面有可焊金属层，其经高热导率的软导热胶与金属底座固连。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于所述金属底座和芯片上有透光介质和透镜，金属底座上、芯片周围有形状为锥面或曲面的光反射器。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于所述的透光介质中、透光介质与透镜之间或芯片周围有发光材料。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的混有小银珠或小金珠的焊锡层的厚度小于0.04mm，与芯片的接触面积大于芯片面积的30％。
9.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于所述的高热导率的软导热胶为焊锡、混有银粉的焊锡、银浆胶或金刚石粉胶。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的芯片为至少二个，且为相同发光色或不同发光色的芯片。
11.一种发光二极管，它包括有至少一个发光二极管芯片，芯片p-n结外表面有光反射金属电极，至少一个金属底座，其特征在于所述的至少一个发光二极管芯片的p-n结外表面上的光反射金属电极经不导电的高热导率层直接粘贴于金属底座上；金属底座上芯片电极焊接处有绝缘层和导电层，发光二极管芯片的光反射金属电极经导电粘结剂由导电层引出。
12.根据权利要求11所述的发光二极管，其特征在于所述的不导电的高热导率层为颗粒小于0.04mm的细金刚石粉胶或氧化物导热胶。
13.根据权利要求11所述的发光二极管，其特征在于所述的导电粘结剂为混有小银珠、小金珠或小铜珠的焊锡或导电胶。
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