CN106129240B - 基于石墨烯材质的大功率led芯片及其cob封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开本发明一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片及COB封装方法，该大功率LED芯片包括：透镜、光源组件、PCB板以及散热基板，透镜与PCB板之间形成封闭空间，光源组件设置于该封闭空间内，且光源组件通过第一粘结层与PCB板的一侧连接，PCB板的相对另一侧通过第二粘结层与散热基板连接；第一粘结层与第二粘结层分别包括：多层石墨烯材料以及导热胶。本发明基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法可以有效提高大功率LED芯片的散热效果，延长其使用寿命。

Description

基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法

技术领域

本发明涉及大功率LED单芯片的技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法。

背景技术

随着微光机电加工技术的进步和制造工艺的改进，LED芯片的封装结构和工艺不断进步，单芯片尺寸的LED功率越来越高，芯片的光效越来越好，大功率LED在同样亮度下，耗电量是普通白炽灯的1/10，是荧光灯管的1/4，节能环保效益非常显著，广泛应用在商业照明、工业照明和可穿戴照明领域。大功率器件的输入功率在1W以上，芯片尺寸在1mm×mm到2.5mm×2.5mm之间，芯片的功率密度很大。目前，大功率LED 80％的输入功率都转化为热能，这些热量如果不能及时地排出，会使得LED灯发光效率降低、荧光粉加速老化、使用寿命缩短。基于目前的半导体制造技术，LED芯片趋于大功率化，芯片尺寸趋于小型化，***散发的热量越来越多，对大功率LED芯片进行优良的散热设计变得尤为重要。

针对大功率LED芯片散热设计，要考虑***的发热功耗，体积和重量要求，以及散热装置的可操作性。采用有效的热沉结构来将大功率LED***的热量散发出去，热沉结构有主动式散热和被动式散热之分，主动式散热有加装风扇、热管、液体对流等方式，被动式散热通过散热片、具有散热效果的机械结构来散热。

故一种可以有效提高散热效果，延长使用寿命的基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法亟待提出。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法，该技术可以有效提高大功率LED芯片的散热效果，延长其使用寿命。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于石墨烯材质的大功率LED芯片包括：透镜、光源组件、PCB板以及散热基板，透镜与PCB板之间形成封闭空间，光源组件设置于该封闭空间内，且光源组件通过第一粘结层与PCB板的一侧连接，PCB板的相对另一侧通过第二粘结层与散热基板连接；

第一粘结层与第二粘结层均包括：多层石墨烯材料以及导热胶。

本发明一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片结构简单，采用石墨烯材料可以有效实现散热，延长大功率LED芯片的使用寿命。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，光源组件包括：LED晶片以及包覆于LED晶片外表面的荧光体，LED晶片通过第一粘结层与PCB板连接。

采用上述优选的方案，荧光体为荧光粉混着胶层，荧光体立体均匀地涂覆在LED晶片上，保证光色的均匀性。

作为优选的方案，散热基板为工字型AlN陶瓷基板热沉。

采用上述优选的方案，散热效果好。

作为优选的方案，在工字型AlN陶瓷基板热沉内设有多个微通道。

采用上述优选的方案，能够增大散热面积。

作为优选的方案，在每个微通道的内壁上涂覆有多层石墨烯材料。

采用上述优选的方案，散热效果好。

作为优选的方案，在透镜的外表面上均匀涂覆有亲水涂层。

采用上述优选的方案，透镜表面涂覆一层亲水涂层能够有效提高出光效率，对透镜表面有一定的机械保护作用。

作为优选的方案，PCB板上设有静电保护电路、控制补偿电路以及驱动电路。

采用上述优选的方案，结构简单。

基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法，用于封装基于石墨烯材质的大功率LED芯片，具体包括以下步骤：

1)用扩张机将整张LED晶片薄膜均匀扩张；

2)用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板的一侧上，形成第一粘结层；

3)工作人员将LED晶片用刺晶笔刺在PCB板上，将刺好LED晶片放在温度箱中静置，待导热胶固化后从温度箱中取出；

4)用真空吸笔将组成静电保护电路、控制补偿电路、驱动电路的电子元器件点在PCB板上，将PCB板放置在恒温恒湿箱中静置；

5)用铝丝焊线机进行COB封装的内引线焊接；

6)将混有荧光粉的胶层用点胶机均匀涂覆在LED晶片上，形成荧光体；

7)将透镜粘接在PCB板上；

8)最后，利用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板上，形成第二粘结层，将PCB板和散热基板进行连接。

本发明基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法封装密度好、光密度高、散热性能佳。

作为优选的方案，还包括以下步骤：

9)在透镜的外表面涂覆均匀有亲水涂层。

采用上述优选的方案，透镜表面涂覆一层亲水涂层能够有效提高出光效率，对透镜表面有一定的机械保护作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于石墨烯材质的大功率LED芯片的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的工字型AlN陶瓷基板热沉的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的双层石墨烯材料的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的双层石墨烯材料的俯视图。

其中：1透镜、2光源组件、21 LED晶片、22荧光体、3 PCB板、4散热基板、5第一粘结层、6第二粘结层、7微通道、8亲水涂层。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法的其中一些实施例中，

如图1所示，基于石墨烯材质的大功率LED芯片包括：透镜1、光源组件2、PCB板3以及散热基板4，透镜1与PCB板3之间形成封闭空间，光源组件2设置于该封闭空间内，且光源组件2通过第一粘结层5与PCB板3的一侧连接，PCB板3的相对另一侧通过第二粘结层6与散热基板4连接；

第一粘结层5与第二粘结层6均包括：双层石墨烯材料以及导热胶。

光源组件2包括：LED晶片21以及包覆于LED晶片外表面的荧光体22，LED晶片通过第一粘结层5与PCB板3连接。

散热基板4为工字型氮化铝(AlN)陶瓷基板热沉，在工字型AlN陶瓷基板热沉内设有多个微通道7，在每个微通道7的内壁上涂覆有双层石墨烯材料。

PCB板3上设有静电保护电路、控制补偿电路以及驱动电路。

基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法，用于封装基于石墨烯材质的大功率LED芯片，具体包括以下步骤：

1)用扩张机将整张LED晶片薄膜均匀扩张；

2)用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板3的一侧上，形成第一粘结层5；

3)工作人员将LED晶片用刺晶笔刺在PCB板3上，将刺好LED晶片放在温度箱中静置，待导热胶固化后从温度箱中取出；

4)用真空吸笔将组成静电保护电路、控制补偿电路、驱动电路的电子元器件点在PCB板3上，将PCB板3放置在恒温恒湿箱中静置；

5)用铝丝焊线机进行COB封装的内引线焊接；

6)将混有荧光粉的胶层用点胶机均匀涂覆在LED晶片21上，形成荧光体22；

7)将透镜1粘接在PCB板3上；

8)利用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板3上，形成第二粘结层6，将PCB板3和散热基板4进行连接。

LED芯片有金属支架式封装、表面贴片式封装、晶片直装式(COB，Chip On Board)封装、***级封装式等四种形式。金属支架式封装热阻较大、寿命较短；表面贴片式封装可靠性高，便于自动化生产；***封装式产品的良品率不高、投资成本较大。随着电子元器件向着微纳米尺度转变，COB封装具有高封装密度、高出光密度等特性，并且散热功能较佳，选用COB封装结构的大功率LED芯片能够满足半导体照明行业的发展要求与市场需求。值得注意的是，在COB封装后，可以用专用检测工具检测COB封装的质量。

本发明的散热基板4采用表面加工成工字型形状的AlN陶瓷基板热沉结构，并且在内部开有微通道7，微通道7类似于毛细血管，能够快速散热，这样的设计能够满足大功率LED芯片的散热要求，另一方面产品的制造成本相比较于主动式散热也有一定的降低。

石墨烯是众多碳质材料的基元，硬度高，具有优异的电学和热学特性，单层石墨烯热导率值高达3080～5150W/mK，单层石墨烯通过堆叠方式可以形成多层石墨烯，实验制备的石墨烯都存在一定的厚度，本实施例选用双层石墨烯作为大功率LED芯片的热界面材料，能有效的解决半导体照明技术中散热方面的问题。

本发明一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片的工作过程如下：

当接通电源后，LED晶片开始工作并产生热量，第一粘结层5将热量转移给PCB板3，PCB板3的下端面连接第二粘结层6，第二粘结层6将热量转移到散热基板4，散热基板4利用其内部独特的多个微通道7和内部管壁上粘有的石墨烯材料，可以迅速将LED晶片散发的热量散发掉。

本发明一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法具有以下有益效果：

第一，透镜1能够减小LED向外发出的光的损失。

第二，荧光粉混着胶层立体均匀地涂覆在LED晶片上，形成荧光体，这样能够保证光色的均匀性。

第三，PCB板3为金属材质，其是大功率LED芯片的供电载体，同时也是散热载体，PCB板3上有静电保护电路、控制补偿电路、驱动电路。

第四，第一粘结层5用于连接LED晶片和金属PCB板3，将LED芯片散发出来的热量转移给金属PCB板3，工字型AlN陶瓷基板热沉通过第二粘结层6和金属PCB板3进行热的传递。

第五，采用COB封装结构封装密度好、光密度高、散热性能佳，采用石墨烯材料作为散热结构的热界面材料，导热系数是铝板的四倍，能够简化大功率LED芯片的热沉结构，快速冷却LED芯片和功率元件。

第六，如图2所示，工字型AlN热沉结构的微通道7，类似于毛细血管，可以增大散热面积，使得一部分热量通过小细管散发掉，微通道7的内壁喷涂双层石墨烯材料。

第七，如图3和4所示，图3为热量传导的主要材料双层石墨烯材料的结构图，将其混合着导热胶连接LED晶片和金属PCB板3，沉积在工字型AlN陶瓷基板热沉上，并喷涂在微通道7的内壁上，更加有利于热量的散发。

本发明一种基于石墨烯材质的大功率LED芯片及其COB封装方法提出基于石墨烯材质的散热设计，采用COB封装，通过改变散热材料和热沉结构来改善大功率LED芯片存在的散热问题。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在透镜1的外表面上均匀涂覆有亲水涂层8。

同时，基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法还包括以下步骤：

9)在透镜1的外表面均匀涂覆有亲水涂层8。

采用上述优选实施例的方案，透镜1表面涂覆一层亲水涂层8能够有效提高出光效率，对透镜1表面有一定的机械保护作用，减小水滴和灰尘对LED照明的影响。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于石墨烯材质的大功率LED芯片，其特征在于，包括：透镜、光源组件、PCB板以及散热基板，所述透镜与所述PCB板之间形成封闭空间，所述光源组件设置于该封闭空间内，且所述光源组件通过第一粘结层与所述PCB板的一侧连接，所述PCB板的相对另一侧通过第二粘结层与所述散热基板连接；

所述第一粘结层与所述第二粘结层均包括：多层石墨烯材料以及导热胶；

所述散热基板为工字型AlN陶瓷基板热沉，在所述工字型AlN陶瓷基板热沉内设有多个微通道，在每个所述微通道的内壁上涂覆有多层石墨烯材料。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯材质的大功率LED芯片，其特征在于，所述光源组件包括：LED晶片以及包覆于所述LED晶片外表面的荧光体，所述LED晶片通过所述第一粘结层与所述PCB板连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯材质的大功率LED芯片，其特征在于，在所述透镜的外表面上均匀涂覆有亲水涂层。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯材质的大功率LED芯片，其特征在于，所述PCB板上设有静电保护电路、控制补偿电路以及驱动电路。

5.基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法，用于封装权利要求4所述的基于石墨烯材质的大功率LED芯片，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)用扩张机将整张LED晶片薄膜均匀扩张；

2)用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板的一侧上，形成第一粘结层；

3)工作人员将LED晶片用刺晶笔刺在PCB板上，将刺好LED晶片放在温度箱中静置，待导热胶固化后从温度箱中取出；

4)用真空吸笔将组成静电保护电路、控制补偿电路、驱动电路的电子元器件点在PCB板上，将PCB板放置在恒温恒湿箱中静置；

5)用铝丝焊线机进行COB封装的内引线焊接；

6)将混有荧光粉的胶层用点胶机均匀涂覆在LED晶片上，形成荧光体；

7)将透镜粘接在PCB板上；

8)利用点胶机将混有石墨烯材料的导热胶点在PCB板上，形成第二粘结层，将PCB板和散热基板进行连接。

6.根据权利要求5所述的基于石墨烯材质的大功率LED芯片的COB封装方法，其特征在于，还包括以下步骤：

9)在所述透镜的外表面均匀涂覆有亲水涂层。