CN209515738U - 大功率GaN基LED的散热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大功率GaN基LED的散热结构，其包括LED芯片单元、导电胶、石墨烯薄膜、覆铜陶瓷基板、导热硅脂、散热器，LED芯片单元采用倒装方式与覆铜陶瓷基板上铜层连接。其中采用化学气相沉积法在设计好的图形化DBC基板上生长石墨烯，作为与芯片侧面接触的散热层，在不影响本身芯片上下面热传导的前提下，利用石墨烯的横向高热导率，将芯片四周侧面的热量迅速横向传递到石墨烯散热层上继而传递到基板上，增加了新的热传导路径；采用芯片倒装的互连方式缩短热传导路径，增强整体结构的散热性能，实现局部高热流密度热点的有效散热，从而降低LED器件的最高温度，提升GaN基LED的发光效率和使用寿命。

Description

大功率GaN基LED的散热结构

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种大功率GaN基LED的散热结构。

背景技术

LED广泛应用在新能源汽车领域，在汽车中的使用包括第三刹车灯、左右尾灯、方向灯和仪表盘、音响的指示灯等，市场十分庞大。近年来，LED的材料和结构都得到了较大的发展。就目前来看GaN基LED发光效率能够达到231lm/W，如果在相同的发光强度下，相比传统LED器件有着较为显著的优势，能起到良好的节约能源的效果。由此可见，GaN基LED器件在新能源汽车这一领域扮演着重要角色。

大功率LED普遍存在热管理问题，高热量会对器件的效率和寿命造成很大的危害。大功率LED在使用过程中，如果热量不能及时散出，会导致PN结结温升高，LED主波长或λp就会向长波长漂移，影响发光颜色，初始亮度也会下降。温度过高会使LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰。而且过高的温度会使LED的封装材料向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升，从而导致LED开路和失效。由于LED在汽车中的广泛应用，结合LED发热带来的负面影响，极大可能造成安全方面的问题。

为了保证大功率LED的可靠运行，就必须要解决其散热问题。传统的散热结构有硅基芯片倒装结构、金属线路板结构和微泵浦结构，但都存在一定的缺陷，比如硅基芯片，硅片的导热性能是有限的；金属线路板结构的PCB板导热性能很差；微泵浦结构过于复杂，不适用于所有器件。所以研究新型散热方式具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大功率GaN基LED的新型散热结构，在覆铜陶瓷基板上按照设计好的图形结构用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，得到基于石墨烯的图形化覆铜陶瓷基板，图形位置对应芯片的安装位置，让芯片恰好嵌入设计好的图形中，使LED芯片除正面和背面的四周与石墨烯薄膜相接触，增加散热途径，提高LED整体的散热能力。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

所述的大功率GaN基LED的散热结构，包括LED芯片单元、导电胶、石墨烯薄膜、覆铜陶瓷基板、导热硅脂、散热器，其中覆铜陶瓷基板具有上铜层和下铜层，LED芯片单元采用倒装方式与覆铜陶瓷基板上铜层连接，覆铜陶瓷基板下铜层通过导热硅脂连接散热器，所述覆铜陶瓷基板的上铜层上有容纳LED芯片单元的图形沟槽，在上铜层表面制作有图形化的石墨烯薄膜，LED芯片单元倒装在所述图形沟槽中，LED芯片单元的正面通过导电胶与上铜层连接，LED芯片单元的四周与上铜层上的石墨烯薄膜接触，LED芯片单元之间通过覆铜陶瓷基板内的电路实现连接。

进一步的，所述导电胶是石墨烯粉末填充的环氧树脂导电胶。

进一步的，所述石墨烯薄膜厚度为18～20μm。

进一步的，覆盖在图形沟槽中的导电胶厚度为10±0.5μm。

进一步的，所述LED芯片单元包括在蓝宝石衬底正面依次层叠制作的n型GaN层、GaN基量子阱层和p型GaN层，在p型GaN层表面制作有p型电极，在n型GaN层表面还制作有n型电极。

进一步的，所述散热器是翅片形状，材质是金属铝。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下优点：

1、本实用新型增加的石墨烯薄膜在没有改变原有散热通道的前提下，增加了新的散热途径，通过石墨烯优异的横向热传导能力，从芯片的侧面将热量快速有效的传导到整个石墨烯薄膜上，进而通过石墨烯薄膜传递到基板至散热器，有效的降低了器件的最高温度。

2、本实用新型以石墨烯粉末填充的环氧树脂材料制成的导电胶作为LED芯片单元与覆铜陶瓷基板间的互连材料，增强了芯片到基板的热传导能力，同时LED芯片倒装的方式也提高了器件整体结构的散热能力，在高数量、高密度的芯片封装造成的高热流密度中起到了非常重要的作用。

附图说明

图1是本实用新型提出的大功率GaN基LED的散热结构示意图。

图2是本实用新型提出的芯片结构示意图。

图3a是本实用新型提出的基于石墨烯的图形化DBC基板示意图。

图3b是本实用新型提出的带有石墨烯薄膜的大功率GaN基LED的散热结构局部示意图。

图4是传统的大功率GaN基LED散热结构及热传导路径示意图。

图5是本实用新型提出的大功率GaN基LED的热传导路径示意图。

图6是本实用新型提出的大功率GaN基LED上表面热传导路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1和图2，本实用新型提出了一种大功率GaN基LED的散热结构，包括LED芯片单元21、导电胶7、石墨烯薄膜13、覆铜陶瓷基板、导热硅脂11、散热器12，其中覆铜陶瓷基板具有上铜层8和下铜层10，LED芯片单元21采用倒装方式与覆铜陶瓷基板上铜层8连接，覆铜陶瓷基板下铜层10通过导热硅脂11连接散热器。覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper,DBC)是在AlN陶瓷基板9的上表面具有上铜层8，下表面具有下铜层10的基板。所述覆铜陶瓷基板的上铜层8上设计有容纳LED芯片单元21的图形沟槽，在上铜层8表面制作有图形化的石墨烯薄膜13，LED芯片单元21倒装在所述图形沟槽中，LED芯片单元21的正面通过导电胶7与上铜层8连接，LED芯片单元21的四周与上铜层8上的石墨烯薄膜13接触，LED芯片单元21之间通过覆铜陶瓷基板内的电路实现连接。

本实用新型采用化学气相沉积法在设计好的覆铜陶瓷基板上生长图形化石墨烯薄膜，作为与LED芯片侧面接触的散热层，在不影响本身芯片上下面热传导的前提下，利用石墨烯的横向高热导率，将芯片四周侧面的热量迅速横向传递到石墨烯散热层上，继而传递到基板上，增加了新的热传导路径；采用芯片倒装的互连方式缩短热传导路径，增强整体结构的散热性能，实现局部高热流密度热点的有效散热，从而降低LED器件的最高温度，提升GaN基LED的发光效率和使用寿命。

本实用新型还提出了上述结构的制作工艺，以使用图形化蓝宝石衬底上制作的LED芯片单元为例，包括以下步骤：

步骤1.实施例所用的蓝宝石衬底1为图形化蓝宝石衬底(PSS)，用干法刻蚀在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面两面都制作凹半球形图形，表面清洗后，采用MOCVD方法在蓝宝石的外延生长面生长GaN缓冲层，再相继沉积n型GaN层2、GaN基量子阱层3、p型GaN层4。然后在在p型GaN层上蒸镀一层Ni-Au组成的金属电极层(即p型电极5)，在n型GaN层上蒸镀n型电极6，电极材料为Pt，完成LED芯片单元21的制作。

步骤2.采用化学气相沉积法直接在DBC基板上生长石墨烯。

参见图3a，在芯片对应的安装位置，在上铜层8上设计了9个与芯片形状大小相匹配的图形沟槽，实施例中图形沟槽包括9个1×1mm的正方形凹槽。采用化学气相沉积法在整个上铜层8上生长18～20μm厚的石墨烯薄膜，在所有对应的图形沟槽位置采用印刷技术将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液绘制在石墨烯薄膜13的表面上，其形状大小与图形沟槽一样，呈网格状，然后在空气中静置半个小时，即可得到在石墨烯表面的PMMA薄膜。在上述完成图案绘制的石墨烯薄膜表面滴加少许的PDMS(聚二甲基硅氧烷)液体，覆盖所有的PMMA涂抹的位置，然后加热烘干使PDMS固化，形成保护层，然后将PDMS保护层从石墨烯薄膜13上揭去。由于PMMA和PDMS的粘结力较强，同时PMMA和其覆盖的石墨烯也有较强的作用力，而PDMS与石墨烯的粘结力较弱，因此PMMA及其覆盖的石墨烯将随着PDMS一起被剥离，最后在石墨烯薄膜13上留下所需要的图形，从而得到基于石墨烯的图形化DBC基板。

步骤3.采用微机械剥离法或化学氧化还原法制备的石墨烯粉末，填充到以环氧树脂为基体的导电胶7中，增强导热导电性能，用于芯片与基板间的互连。

步骤4.在DBC基板上的图形沟槽底面进行点胶，用石墨烯粉末填充的导电胶7覆盖在图形沟槽中，其厚度为10±0.5μm。然后将步骤1制作完成的裸芯片的正面倒置安放在对应的图形沟槽中，参见图3b，热处理至芯片牢牢的固定在基板上，并且LED芯片单元21的四周与上铜层8上的石墨烯薄膜13接触。完成LED芯片单元21通过导电胶7与覆铜陶瓷基板的互连。

步骤5.覆铜陶瓷基板与散热器12的互连。清洁散热器12和基板下铜层10表面，干燥后，在散热器中央点少量导热硅脂11，均匀涂抹开，然后将步骤4的结构平贴在散热器12表面，固定使之紧密贴合。完成整体结构的基本封装。

传统的大功率GaN基LED的散热结构如图4所示，LED芯片单元21上出现高热流密度热点，由于芯片采用倒装的互连方式，热量直接向芯片正面传导，向下通过互连材料逐层传递到基板、散热器。少部分热量向芯片背面传导，蓝宝石的导热性能不足，无法通过背面传递较多热量。这样的热传导路径热传导能力有限，对散热器的要求较高，需要较大的翅片散热器或性能更好的散热装置，且难以满足未来大功率LED的需求。

本实用新型提出的一种大功率GaN基LED的新型散热结构，热传导路径如图5和图6所示，芯片内部产生的高热流密度热点，由于LED芯片单元21的侧四周与石墨烯薄膜13的接触，基于不破坏原有热传导路径的前提下，提供了新的热传导路径。利用石墨烯的横向高热导率，迅速的将热点产生的高热量传递到整个石墨烯薄膜13上，石墨烯薄膜13与DBC基板的上铜层8的大面积接触，能够使热量迅速的传递到基板上，热量依次通过上铜层8，AlN陶瓷基板9，下铜层10，导热硅脂11至散热器12。迅速的降低了整个器件的最高温度。

本实用新型采用化学气相沉积法制备的图形化石墨烯通过与芯片的四周侧面接触，发挥其优异的横向热传导性能，将芯片上的局部热点产生的热量迅速传递到整个面，增强了整个散热结构的横向导热性能。包括采用微机械剥离法或化学氧化还原法制备的石墨烯粉末，填充到以环氧树脂为基体的导电胶中，增强其导热导电性能，用于芯片与基板互连，增强了器件的纵向热传导能力。横向和纵向热传导能力的增强显著有效的降低了器件的最高温度，提高了器件的散热性能。芯片倒装的互连方式，蓝宝石图形化衬底均为器件发光效率和使用寿命的提升提供了很大的作用。

本实用新型将具有高热导率的石墨烯应用在大功率GaN基LED器件中，解决大功率LED的散热瓶颈问题，从而使得大功率照明灯因LED的发热而带来的安全隐患与使用寿命的问题得到了很好的改善。石墨烯材料具有高热导的优良特性，未来可能替代传统LED器件的散热结构，同时也为LED照明产品的成本下降提供了更加优良的方案。

本实用新型所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.大功率GaN基LED的散热结构，包括LED芯片单元(21)、导电胶(7)、石墨烯薄膜(13)、覆铜陶瓷基板、导热硅脂(11)、散热器(12)，其中覆铜陶瓷基板具有上铜层(8)和下铜层(10)，LED芯片单元(21)采用倒装方式与覆铜陶瓷基板上铜层(8)连接，覆铜陶瓷基板下铜层(10)通过导热硅脂(11)连接散热器(12)，其特征是，所述覆铜陶瓷基板的上铜层(8)上有容纳LED芯片单元(21)的图形沟槽，在上铜层(8)表面制作有图形化的石墨烯薄膜(13)，LED芯片单元(21)倒装在所述图形沟槽中，LED芯片单元(21)的正面通过导电胶(7)与上铜层(8)连接，LED芯片单元(21)的四周与上铜层(8)上的石墨烯薄膜(13)接触，LED芯片单元(21)之间通过覆铜陶瓷基板内的电路实现连接。

2.如权利要求1所述的大功率GaN基LED的散热结构，其特征是，所述导电胶(7)是石墨烯粉末填充的环氧树脂导电胶。

3.如权利要求1所述的大功率GaN基LED的散热结构，其特征是，所述石墨烯薄膜(13)厚度为18～20μm。

4.如权利要求1所述的大功率GaN基LED的散热结构，其特征是，覆盖在图形沟槽中的导电胶(7)厚度为10±0.5μm。

5.如权利要求1所述的大功率GaN基LED的散热结构，其特征是，所述LED芯片单元(21)包括在蓝宝石衬底(1)正面依次层叠制作的n型GaN层(2)、GaN基量子阱层(3)和p型GaN层(4)，在p型GaN层(4)表面制作有p型电极(5)，在n型GaN层(2)表面还制作有n型电极(6)。

6.如权利要求1所述的大功率GaN基LED的散热结构，其特征是，所述散热器(12)是翅片形状，材质是金属铝。