CN102290524A - 一种led器件及其led模组器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于LED技术领域，具体公开了一种LED器件及其LED模组器件。本发明LED器件，包括基板、以及倒装在基板上的多个LED芯片，其基板的绝缘层采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，在基板的P区金属电极层和N区金属电极层的上表面、以及P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有第一散热层，第一散热层同样采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，在所述第一散热层的上表面、或者在LED芯片的P型氮化镓的下表面设置有一高反射层。将前述LED器件经过封装即得本发明的LED模组器件。本发明通过材料和结构的改进获得了更好的散热性能、以及发光效率，适应了LED的发展要求。

Description

一种LED器件及其LED模组器件
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种倒装的高散热、高光效的LED器件及其LED模组器件。
背景技术
为了获得更高亮度的LED，通常增加LED的输入电流，但是随着电流的增加，LED芯片产生的热量急剧增加，如不能及时、有效的将多余的热量导出，LED光效将迅速下降，严重缩短LED寿命。
随着LED应用领域日趋广泛，出现了各种LED封装结构光源，它包括LED芯片和基板。其中，传统的金属基电路板(MCPCB)就是一种散热性能相对较优的基板，其通常结构包括位于底层的金属基底、位于所述金属基底之上的绝缘层、以及位于所述绝缘层之上的电路层；其中，金属基底由热传导率极佳的铝、铜金属制成；其中，绝缘层由高分子聚合物制成，由于高分子材料的导热系数仅为0.2～0.5W/mK，从而导致MCPCB的热传导率也仅有1W/mK～2.2W/mK。因此，传统金属基电路板(MCPCB)的散热性能仍然不好。
为了进一步提高其散热性能，有人将高导电材料复合到绝缘层的高分子聚合物材料中。虽然，该措施在一定程度上提升了传统MCPCB产品的热传导率，但其MCPCB整体主轴方向的热传导率亦仅能提升至3～5W/mK左右，远不能满足高功率LED产品散热需求。
类金刚石膜(DLC)有极佳的热导率(600-1200W/mk)，具有12倍于铜材的热扩散性、高材料强度、高抗侵性等显著优点，用于金属电路板之绝缘层材料取代传统金属电路板的绝缘层，可使金属电路板绝缘层的热导率提升百倍以上，且DLC的CTE(热膨胀系数)(7～9ppm/℃)与LED芯片、硅或者蓝宝石材料的基板较匹配，不会因热产生热应力及热形变，在提高散热性能的同时，还可以有效解决各材料间热膨胀系数不一致带来的问题，进一步提升LED产品的品质与可靠性。
其中，美国专利US20050276052A1就公开了一种利用类金刚石膜(DLC)取代高分子聚合物作为绝缘层的高散热性的LED模块结构：它以氮化铝(AlN)陶瓷材料作为基底，类金刚石膜(DLC)取代高分子聚合物作为绝缘层，基板上的电路层直接与LED芯片电气连接。此种封装方式增强了LED的散热性能，但是由于AlN陶瓷较脆弱易碎，产品良率难以保证。
此外，美国专利US20070035930A1公开了另一种高散热性的LED封装结构，在基板(PCB)的电路层上部分覆盖、或者全部覆盖一层DLC薄膜、或者在PCB板上、下表面均覆盖DLC薄膜，以加强LED芯片在基板上横向散热能力。这种封装方式虽然也能提高LED散热能力，但是由于DLC本身为不透明薄膜，对LED光线有一定的吸收，会导致光效有所降低。
发明内容
针对现有技术的以上不足，本发明的第一目的在于提供一种散热性能更佳、且发光效率更高的LED封装结构，本发明的第二目的在于提供一种散热性能更佳、且发光效率更高的LED模组器件。
为了实现本发明的第一发明目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种LED器件，包括基板、以及倒装在所述基板上的多个LED芯片，所述基板包括金属基底、生长在所述金属基底上表面的绝缘层、以及生长在所述绝缘层上的金属电极层，所述金属电极层包括相互独立的P区金属电极层和N区金属电极层，所述绝缘层采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，在所述P区金属电极层和N区金属电极层的上表面、以及所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有第一散热层，所述第一散热层同样采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，在所述第一散热层的上表面、或者在LED芯片的P型氮化镓的下表面设置有一高反射层。
进一步，为了方便加工，在所述P区金属电极层上设置有方便基板和LED芯片电气连接的P焊垫，在所述N区金属电极层上设置有方便基板和LED芯片电气连接的N焊垫，为了防止P/N焊垫与反射层发生电气连接，在所述P焊垫的侧壁和N焊垫的侧壁也附着有类金刚石膜(DLC)或金刚石膜。
进一步，为了增加光输出效率，在所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有一方形凹槽。
进一步，为了提升光效，在所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有一倒梯形凹槽。
可选的，所述金属基底的金属材料为铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、或镍(Ni)。
可选的，所述高反射层由以下任一种材料形成的单层状的反射层、或以下多种材料周期交替生长形成的多层状的分布布拉格反射层：
铟(In)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、一氧化钛(TiO)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、以及二氧化锆(ZrO2)。
为了实现本发明的第二发明目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种根据所述LED器件制成的LED模组器件，包括：
LED器件，包括基板、以及倒装在所述基板上的多个LED芯片；
围坝胶，包围在所述LED芯片的四周；以及
光转化物质层，封盖在所述LED芯片的上方。
进一步，为了实现不同光型的要求，在所述光转化物质层上还设置有一光学结构层。
可选的，所述光学结构层的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、或者柿饼形。
可选的，所述光学结构层的材料为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅胶(Silicone)、聚丙烯(EP)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PET)、以及玻璃中的一种或者几种。
可选的，所述围坝胶为DAM胶、乳白色不吸光热固性材料、或白色不吸光热固性材料。
可选的，所述光转化物质层为有机染料、稀土有机配合物、稀土无机发光材料、或者半导体量子点。
可选的，所述多个LED芯片在所述基板上的排布形状呈方形、多边形、或圆形。
本发明在将绝缘层材料改为热导率极佳的类金刚石膜(DLC)或金刚石膜的同时，还在P区金属电极层和N区金属电极层的上表面、以及P区金属电极层和N区金属电极层之间设置了相同材料的第一散热层，从而大大提供了本发明的散热性能；为了克服类金刚石膜(DLC)或金刚石膜带来的光效降低的缺陷，本发明通过在第一散热层的上表面、或者在LED芯片的P型氮化镓的下表面设置一高反射层，可以显著提高LED器件发光效率。
因此，本发明LED器件和LED模组器件，相对于现有技术不仅仅散热性能更佳，而且发光效率更高。
附图说明
图1是现有LED芯片的结构示意图；
图2是本发明LED器件实施例1的结构示意图；
图3是本发明LED器件实施例2的结构示意图；
图4是本发明LED器件实施例3的结构示意图；
图5是本发明LED器件实施例4的结构示意图；
图6是本发明LED器件实施例5的结构示意图；
图7是本发明LED模组器件实施例6的整体结构示意图；
图8是本发明LED模组器件实施例6的结构示意图；
图9是本发明LED模组器件实施例6的俯视图；
图10是本发明LED模组器件实施例7的整体结构示意图；
图中：
1-LED芯片；11-蓝宝石衬底；12-N型氮化镓；13-多层量子阱发光层；14-P型氮化镓；15-P电极；16-金属凸点；17-N电极；
2-基板；21-P区金属电极层；22-N区金属电极层；23-绝缘层；24-金属基底；25-第一散热层；26-P焊垫；27-N焊垫；
3-反射层；
4-外封装结构；41-围坝胶；42-光转化物质层；43-光学机构层；
5-LED模组正极；
6-LED模组负极。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本实施例公开了一种LED器件，包括多个LED芯片1(图中仅示意性画出了一个LED芯片的情况)、以及基板2，所示LED芯片1倒装在基板2上。
如图1所述，LED芯片1包括蓝宝石衬底11、N型氮化镓12、多层量子阱发光层13、P型氮化镓14、P电极15、金属凸点16和N电极17。在蓝宝石衬底11上生长成N型氮化镓12，N型氮化镓12上生长成发光层13，发光层13上生长有P型氮化镓14。通过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等工艺步骤，最后经过裂片工艺，在P型氮化镓14层上形成P电极15和金属凸点16，在N型氮化镓12上形成N电极17和金属凸点16，而且P电极15和N电极17位于LED芯片的同一侧。
其中，金属凸点16的材料可以为Ag、Au、Al、Cu、Cr、Ni中的一种、多种或其合金，其位置可以在基板2的金属电极层的P区21和N区22上、芯片欧姆接触层上或两者均有，制造金属凸点16的工艺可以是蒸发、电镀、金属线植球工艺。
如图2所示，基板2包括金属基底24、生长在金属基底24上表面的绝缘层23、以及生长在绝缘层23上的金属电极层，金属电极层包括相互独立的P区金属电极层21和N区金属电极层22，在P区金属电极层21上设置有方便基板2和LED芯片1电气连接的P焊垫26，在N区金属电极层22上设置有方便基板2和LED芯片1电气连接的N焊垫27，为了防止P/N焊垫(26、27)与反射层3发生电气连接，在P焊垫26的侧壁和N焊垫27的侧壁也附着有类金刚石膜(DLC)或金刚石膜。
其中，金属基底24的金属材料为铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、或镍(Ni)。其中，绝缘层23采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，以提高该LED器件的散热效果。
其中，在P区金属电极层21和N区金属电极层22的上表面、以及P区金属电极层21和N区金属电极层22之间设置有第一散热层25，第一散热层25同样采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得，进一步提高其散热效果。
其中，在第一散热层25的上表面设置有一高反射层3，以提高该LED器件的光效。
其中，高反射层3由以下任一种材料形成的单层状的反射层：
铟(In)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、一氧化钛(TiO)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、以及二氧化锆(ZrO2)。
本发明可以通过反应离子刻蚀(RIE)、研磨、抛光工艺露出金属电路层上P焊垫26和N焊垫27，LED芯片1上的P电极15和N电极17可以通过Soder、各项异性导电薄膜或共晶键合的方式分别与基板2相应的P焊垫26及N焊垫27进行电连接。
以下详细说明本实施例LED器件的制造方法：
步骤S1：制造LED芯片1。在蓝宝石衬底11上生长有N型氮化镓12、P型氮化镓14、发光层13的外延片上，经过光刻、刻蚀、金属层沉积和钝化层保护等系列工艺步骤，在LED芯片上形成P电极15和N电极17及电极上的金属凸点16。
步骤S2：制造基板2。通过化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PE-CVD)在金属基底24上表面生长绝缘层23，通过电镀工艺在绝缘层23上生长金属电极层。金属电路层上表面CVD、PE-CVD或蒸镀工艺分别沉积第一散热层25和反射层3，通过反应离子刻蚀(RIE)、研磨、抛光工艺等工艺露出金属层P焊垫26和N焊垫27。
步骤S3：将LED芯片1倒装焊接在基板2的上表面。通过soder回流、各项异性导电薄膜加热、施加外力或共晶方式将S1步骤LED芯片1上的P电极15和N电极17的金属凸点16分别与金属基板相应的P焊垫和N焊垫键合实现电连接。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的不同在于：高反射层3的位置设置在LED芯片1的P型氮化镓14的下表面。
本实施例，由于反射层3设在P型氮化镓层14上，则沉积在金属电极层上的第一散热层25厚度可以与基板2上P焊垫26和N焊垫27高度相同；由于第一散热层采用的是类金刚石膜(DLC)或金刚石膜，具有高的散热性，可以加速LED芯片散发的热量在横向的流通，迅速将热量导入到金属基板，且由于类金刚石膜(DLC)或金刚石膜具有坚硬、耐磨的优异特性，沉积在金属电极层上的类金刚石膜(DLC)或金刚石膜对金属电路层起到很好的保护作用。
实施例3
如图4所示，本实施例与实施例1的不同在于：
(1)在P焊垫26的侧壁和N焊垫27的侧壁也附着有类金刚石膜(DLC)或金刚石膜，以进一步提高该LED器件的散热效果。
(2)其高反射层3由以下多种材料周期交替生长形成的多层状的分布布拉格反射层：
铟(In)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、一氧化钛(TiO)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、以及二氧化锆(ZrO2)。
布拉格反射层是由两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，能够将射向基板的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布布拉格反射层法可以直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次加工处理，有很好的成本优势。
实施例4
如图5所示，本实施例与实施例1的不同在于：在P区金属电极层21和N区金属电极层22之间设置有一方形凹槽。
由于类金刚石膜(DLC)或金刚石膜的厚度一般在1微米至几微米间，在此厚度范围可以进行有效的凹槽刻蚀。凹槽的形成增加了光的传输路径，能够使得使得光线在凹槽内经过多次反射最终通过蓝宝石面发射，可以有效的增加光输出效率。
实施例5
如图6所示，本实施例与实施例4的不同在于：在P区金属电极层21和N区金属电极层22之间设置的凹槽呈倒梯形。
本实施例与实施例4相比，倒梯形结构斜边长度较方形凹槽垂直距离大，且倒梯形结构上部有较大的开口，可以减少入射到凹槽底部发射出去的光在凹槽侧壁的折射次数，进一步提升光效。
实施例6
如图7所示，本实施例由实施例1-5公开的LED器件所制成的LED模组器件，它包括包括LED器件以及包裹在该LED器件外的外封装结构。其中，LED器件包括基板2、以及倒装在基板2上的多个LED芯片1。其中，外封装结构包括围坝胶41和光转化物质层42，围坝胶41包围在LED芯片1的四周，光转化物质层42封盖在所述LED芯片1的上方。
其中，围坝胶41为DAM胶、乳白色不吸光热固性材料、或白色不吸光热固性材料。它可用工艺控制其高度、宽度以及所围多颗LED芯片的区域范围，具有很大的灵活性，方便对产品进行设计，且围坝胶本身具有硅胶的高可靠性，可以得到高性能的产品。
其中，光转化物质层42为有机染料、稀土有机配合物、稀土无机发光材料、或者半导体量子点，有机染料具体可选用芳香烷染料、偶氮染料等等，稀土有机配合物具体可选用铕掺杂二苯甲酰基甲烷(DBM:Eu2+)、铽掺杂对羟基苯甲酸(PHBA:Tb3+)等等，稀土无机发光材料具体可选用钇铝石榴石(YAG)、铝酸镥(LuAG)等等，半导体量子点具体可选用硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)等等。光转化物质层42，用于将多颗LED芯片1发出的光色转化为想要的光色，如将蓝光转化为白光等，光转换物质层42为单一层或者多级分层结构。
其中，多个LED芯片1在基板2上的排布形状呈方形、多边形、圆形或者其他形状。
以下详细说明本实施例LED器件的制造方法：
步骤S1：制造多颗LED芯片1。该步骤与实施例1中的步骤相同。
步骤S2：制造基板2。通过化学气相沉积法(CVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PE-CVD)在金属基底24上表面生长绝缘层23，通过电镀工艺在绝缘层23上生长金属电极层。金属电路层上表面CVD、PE-CVD或蒸镀工艺分别沉积第一散热层25和反射层3，通过反应离子刻蚀(RIE)、研磨、抛光工艺等工艺露出金属层P焊垫26和N焊垫27。
步骤S3：将LED芯片1倒装焊接在基板2的上表面。通过soder回流、各向异性导电薄膜加热、施加外力或共晶方式将S1步骤LED芯片1上的P电极15和N电极17的金属凸点16分别与金属基板相应的P焊垫和N焊垫键合实现电连接。LED芯片在基板4上有多种排布方式，不同的排布方式实现不同出光目标，如图8和9所示。
步骤S4：在上述LED芯片1***点围坝胶41。编辑点胶程序，采用半自动机械手在多颗LED芯片***点围坝胶。通过控制点胶气压和点胶时间来控制围坝的高度和宽度。
步骤S5：在围坝胶41围闭的区域内点光转换物质层42。将YAG基黄色光转换物质预先混入透明胶和稀释剂中制成荧光胶混合物，然后采用注射器在围坝胶41内注射光转换物质42。
实施例7
如图10所示，本实施例与实施例6不同在于：在光转化物质层42上还设置有一光学结构层43。
该光学结构层43的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、柿饼形中的一种。不同的形状可以实现该封装结构不同的光型要求，其材料为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅胶(Silicone)、聚丙烯(EP)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PET)、以及玻璃中的一种或者几种。其实现工艺，可为传统的模具注塑成型或模定成型。
本发明将LED芯片1倒装在以类金刚石膜(DLC)或金刚石膜为绝缘层的基板2上，有效地改善了LED器件的散热效果。并通过在金属电极层上沉积第一散热层和反射层，加强了LED芯片横向散热，同时反射层的存在提高了LED出光效率，获得了高散热、高光效的LED器件。
本发明在LED模组器件的封装结构上，采用COB封装工艺。以屏障材料做围坝，工艺上容易控制围坝的高度、宽度以及所围多颗LED芯片的区域范围，具有很大的灵活性，方便对产品进行设计，且围坝胶本身具有硅胶的高可靠性，可以得到高性能的产品。
本发明还可以具有多种实施例，如对MCPCB基板进行改进，增强类金刚石膜(DLC)或金刚石膜与基板之间的结合以及加强基板的绝缘设计的多层结构。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种LED器件，包括基板、以及倒装在所述基板上的多个LED芯片，所述基板包括金属基底、生长在所述金属基底上表面的绝缘层、以及生长在所述绝缘层上的金属电极层，所述金属电极层包括相互独立的P区金属电极层和N区金属电极层，其特征在于：
所述绝缘层采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得；
在所述P区金属电极层和N区金属电极层的上表面、以及所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有第一散热层，所述第一散热层同样采用类金刚石膜(DLC)或金刚石膜制得；
在所述第一散热层的上表面、或者在LED芯片的P型氮化镓的下表面设置有一高反射层。
2.根据权利要求1所述的LED器件，其特征在于：
在所述P区金属电极层上设置有方便基板和LED芯片电气连接的P焊垫；
在所述N区金属电极层上设置有方便基板和LED芯片电气连接的N焊垫；
在所述P焊垫的侧壁和N焊垫的侧壁也附着有类金刚石膜(DLC)或金刚石膜。
3.根据权利要求1或2所述的LED器件，其特征在于：
在所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有一方形凹槽。
4.根据权利要求1或2所述的LED器件，其特征在于：
在所述P区金属电极层和N区金属电极层之间设置有一倒梯形凹槽。
5.根据权利要求1或2所述的LED器件，其特征在于：
所述金属基底的金属材料为铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、或镍(Ni)。
6.根据权利要求1或2所述的LED器件，其特征在于：
所述高反射层由以下任一种材料形成的单层状的反射层、或以下多种材料周期交替生长形成的多层状的分布布拉格反射层：
铟(In)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、一氧化钛(TiO)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、以及二氧化锆(ZrO2)。
7.一种根据权利要求1所述LED器件制成的LED模组器件，其特征在于，包括：
LED器件，包括基板、以及倒装在所述基板上的多个LED芯片；
围坝胶，包围在所述LED芯片的四周；以及
光转化物质层，封盖在所述LED芯片的上方。
8.根据权利要求7所述的LED模组器件，其特征在于：
在所述光转化物质层上还设置有一光学结构层。
9.根据权利要求8所述的LED模组器件，其特征在于：
所述光学结构层的形状为半球形、方形、椭圆形、菲涅尔形、蜂窝形、花生形、圆锥形、正六边形、或者柿饼形。
10.根据权利要求8所述的LED模组器件，其特征在于：
所述光学结构层的材料为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅胶(Silicone)、聚丙烯(EP)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PET)、以及玻璃中的一种或者几种。
11.根据权利要求7至10任一项所述的LED模组器件，其特征在于：
所述围坝胶为DAM胶、乳白色不吸光热固性材料、或白色不吸光热固性材料。
12.根据权利要求7至10任一项所述的LED模组器件，其特征在于：
所述光转化物质层为有机染料、稀土有机配合物、稀土无机发光材料、或者半导体量子点。
13.根据权利要求7至10任一项所述的LED模组器件，其特征在于：
所述多个LED芯片在所述基板上的排布形状呈方形、多边形、或圆形。
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