一種高散熱性led芯片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高散熱性LED芯片及其制備方法。通過在LED芯片表面沉積一層透明導熱膜，增強芯片表面的熱量傳導能力，降低芯片溫度，改善芯片表面溫場的均勻性。該透明導熱膜選用ZrO2和Ag鍍膜材料，采用物理氣相沉積方法，在LED芯片襯底上依次生長ZrO2膜層，Ag膜層和ZrO2膜層的組合結構，該組合膜層能夠實現(xiàn)芯片表面的透明導熱功能。本發(fā)明能夠有效降低LED芯片溫度，延緩芯片老化，能夠減小芯片表面的溫場梯度，改善芯片表面發(fā)光的一致性。
【專利說明】一種高散熱性LED芯片及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于LED【技術領域】，涉及一種具備高散熱性能的大功率白光LED芯片及其 制備方法。
【背景技術】
[0002] LED照明是21世紀最引人矚目的新【技術領域】一個焦點。LED研究以及產業(yè)化將成 為今后光電子、材料、能源、半導體行業(yè)等多個行業(yè)的另一個重要發(fā)展方向。美、日、歐競相 投入大量資金開發(fā)LED綠色光源。我國自"八五"期間就十分關注LED發(fā)展，通過"863"科 技攻關、高新技術創(chuàng)新、產業(yè)化資金重點支持，已取得研發(fā)成果和諸多專利，但白光LED核 心技術研發(fā)及產業(yè)化情況與發(fā)達國家相比尚有一定差距。隨著高亮度大功率LED技術的飛 速發(fā)展，一旦解決了在性能和成本上的問題，將會對傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)。圖一為大功 率白光LED芯片工作原理圖。圖中1-藍光LED -部分藍光激發(fā)2-熒光粉涂層發(fā)射黃光， 另外一部分藍光透過2-熒光粉涂層發(fā)射出來，由2-熒光粉涂層發(fā)射的黃光與透射的藍光 混合得到白光。2-熒光粉涂層涂敷在4-LED芯片襯底上。4-LED芯片襯底和3-封裝外殼 通過導熱膠連接在一起。
[0003] LED光源在發(fā)生電致作用時只能夠將能量的15% -20%轉化為光能，其余 80% -85%的全部轉化為無用的熱能，導致LED溫度升高。溫度的升高是LED的最大威脅之 一，不僅影響LED的電氣性能，而且縮短LED的使用壽命。1)發(fā)光強度降低。隨著芯片結溫 的增加，芯片的發(fā)光效率也會隨之減少，芯片結溫越高，發(fā)光強度下降越快。
[0004] 2)發(fā)光主波長偏移。當LED溫度升高時，LED的波長的大致變化規(guī)律為每升高 l〇°C，波長紅移lnm，主波長的變化將會引起混色效果的變化，還會偏移熒光粉的激發(fā)峰值， 致使轉換效率下降。
[0005] 3)限制了芯片面積的加大。由于芯片主要是傳導散熱，在芯片上形成從中心到邊 緣的溫度梯度，各點溫度的差別引起顏色的不同。
[0006] 4)嚴重降低LED的壽命，加速LED的光衰。在LED連續(xù)點亮的過程中，熱量不能及 時散出，芯片溫度的升高，加速熒光粉鏈結劑的老化，引起光衰。依照阿雷紐斯法則，溫度每 升高1(TC壽命會縮短1倍。在設計LED發(fā)光器件時，主要考慮以下兩方面：一方面改善器 件內部結構，提高發(fā)熱芯片向外殼傳導熱量的能力；另一方面選擇導熱性能優(yōu)越的封裝材 料。對于選擇性能優(yōu)越的封裝材料，已經做過相當多的研究，有較好的成效。而提高發(fā)熱芯 片向外傳導熱量，目前常用的方法是選擇熱導率好和耐高溫的藍寶石襯底（藍寶石熱導系 數(shù)46WAm. K)，石英熱導系數(shù)1. 45WAm. K))和改善熒光粉涂層的質量，但是效果有限。Cree 公司采用碳化硅襯底（熱導系數(shù)490WAm. K))，導熱性能要比藍寶石高將近20倍，但是碳化 硅的成本昂貴，目前只有Cree使用，且有專利保護。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種高散熱性LED芯片及其制備方法。通過在LED芯片襯 底和熒光粉涂層之間生成一種透明導熱膜，使芯片產生的熱量沿著該膜層傳導到外圍的散 熱機構，降低芯片溫度，提高芯片表面的溫場均勻性，同時保證有高的光譜透過率，不影響 光的出射效果。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0009] -種高散熱性LED芯片，包括LED芯片襯底、熒光粉涂層和透明導熱膜，所述透明 導熱膜位于LED芯片襯底和熒光粉涂層之間，從LED芯片襯底表面開始依次為Zr0 2膜層， Ag膜層和Zr02膜層。
[0010] 進一步地，所述LED芯片襯底為石英玻璃。
[0011] 進一步地，所述Zr02膜層，Ag膜層和Zr02膜層的厚度從LED芯片襯底表面開始依 次為：35 ?45nm，12 ?15nm，40 ?45nm。
[0012] 上述Zr02/Ag/Zr02透明導熱膜是通過在LED芯片襯底上涂敷一層金屬銀的導熱層 來改善芯片向外圍殼體的熱量傳遞；借助于金屬誘導透射理論，增加匹配層，降低銀膜的反 射，設計出介質-金屬的混合多層膜結構。該結構有很好的熱傳導性，同時具有高的光譜透 過率。
[0013] 一種高散熱性LED芯片的制備方法，通過在LED芯片襯底和熒光粉涂層之間生長 透明導熱膜來實現(xiàn)，所述透明導熱膜從LED芯片襯底表面開始依次為Zr0 2膜層，Ag膜層和 Zr02膜層。
[0014] 進一步地，上述方法還包括在生長透明導熱膜之前，對LED芯片襯底進行離子清 洗處理。
[0015] 進一步地，所述LED芯片襯底為石英玻璃。
[0016] 進一步地，采用物理氣相沉積方法在LED芯片襯底上生長透明導熱膜。
[0017] 進一步地，上述物理氣相沉積在真空室中進行，真空室的氣體壓力小于 1. 0Xl(T3Pa，溫度為 50±5°C。
[0018] 進一步地，所述Zr02膜層，Ag膜層和Zr02膜層的厚度從LED芯片襯底表面開始依 次為：35 ?45nm，12 ?15nm，40 ?45nm。
[0019] 進一步地，上述方法還包括使用導熱膠將生長有透明導熱膜的LED芯片襯底和 LED外殼連接在一起。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是有效解決大功率白光LED芯片的散熱問題。具體體現(xiàn)在以下 方面：降低芯片的溫度，減緩芯片老化失效；降低芯片表面的溫度梯度，提高芯片表面的顏 色一致性和亮度一致性；同時，透明導熱膜的單件成本大約3. 0元，由于襯底材料使用石英 玻璃代替藍寶石，襯底成本大幅下降。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1是現(xiàn)有技術中白光LED芯片工作原理圖，其中：1_藍光LED ;2_熒光粉涂層； 3-封裝外殼；4-LED芯片襯底。
[0022] 圖2是本發(fā)明制作的LED芯片襯底的結構圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0024] 本發(fā)明的具體實現(xiàn)，包括以下幾個步驟：
[0025] 1、清洗基片。選用石英材料襯底，對其表面進行超聲波清洗，去除表面污染物。
[0026] 2、使用卡具將清洗好的襯底放入鍍膜機真空室。
[0027] 3、鍍膜機真空室氣體壓力小于1. 0X10_3Pa，真空室溫度50±5°C。
[0028] 4、鍍膜前使用Kaufman離子源清洗襯底5-10分鐘，離子源屏壓500V，離子束流 100mA。
[0029] 5、按照圖2所示結構鍍制樣品：石英襯底/(35?45nm)Zr02/(12?15nm)Ag/ (40 ?45nm) Zr02。
[0030] 6、將鍍有透明導熱膜的芯片襯底和LED外殼使用導熱膠連接在一起。
[0031] 實施例1
[0032] 使用經過光學拋光的石英基材，尺寸0 20 X 1mm。
[0033] 使用超聲波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，無水乙醇清洗，純水清潔，IPA蒸干。
[0034] 在制備透明導熱薄膜時，該制備方法基于以下條件，真空蒸發(fā)鍍膜機，鍍膜機配置 有電子槍蒸發(fā)系統(tǒng)、晶體膜厚控制系統(tǒng)、Kaufman離子源，離子源供氣系統(tǒng)，離子源工作氣體 為氦氣，基材置于真空室，真空室的氣體壓力小于1. 0X 10 3Pa，溫度為50±5°C。
[0035] 對石英基材進行鍍膜前離子清洗處理，增強基材的表面活性。通過氬氣流量調節(jié) 真空度為1. 〇?1. 2X 10_2Pa，離子源偏壓500V，離子束流100mA，離子處理時間為8分鐘。 關閉離子源電源和氬氣。鍍第一層21〇 2層，蒸發(fā)速率0.3nm/s，膜層厚度40nm。鍍第二層 金屬Ag層，蒸發(fā)速率0. 8nm/s，膜層厚度14nm。鍍第三層Zr02層，蒸發(fā)速率0. 3nm/s，膜層 厚度為40nm。膜層鍍完以后，等待30分鐘取出樣品，即得到透明導熱薄膜。將鍍有透明導 熱膜的芯片襯底和LED外殼使用導熱膠連接在一起。
[0036] 實施例2
[0037] 使用經過光學拋光的石英基材，尺寸0 20 Xlmm。
[0038] 使用超聲波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，無水乙醇清洗，純水清潔，IPA蒸干。
[0039] 在制備透明導熱薄膜時，該制備方法基于以下條件，真空蒸發(fā)鍍膜機，鍍膜機配置 有電子槍蒸發(fā)系統(tǒng)、晶體膜厚控制系統(tǒng)、Kaufman離子源，離子源供氣系統(tǒng)，離子源工作氣體 為氦氣，基材置于真空室，真空室的氣體壓力小于1. 0X 10 3Pa，溫度為50±5°C。
[0040] 對石英基材進行鍍膜前離子清洗處理，增強基材的表面活性。通過氬氣流量調節(jié) 真空度為1. 0-1. 2 X10_2Pa，離子源偏壓500V，離子束流100mA，離子處理時間為8分鐘。關 閉離子源電源和氬氣。鍍第一層21〇 2層，蒸發(fā)速率0.3nm/s，膜層厚度35nm。鍍第二層金 屬Ag層，蒸發(fā)速率0. 8nm/s，膜層厚度15nm。鍍第三層Zr02層，蒸發(fā)速率0. 3nm/s，膜層厚 度為45nm。膜層鍍完以后，等待30分鐘取出樣品，即得到透明導熱薄膜。將鍍有透明導熱 膜的芯片襯底和LED外殼使用導熱膠連接在一起。
[0041] 實施例3
[0042] 使用經過光學拋光的石英基材，尺寸0 20 X 1mm。
[0043] 使用超聲波清洗基片表面：WIN-15溶液浸泡，無水乙醇清洗，純水清潔，IPA蒸干。
[0044] 在制備透明導熱薄膜時，該制備方法基于以下條件，真空蒸發(fā)鍍膜機，鍍膜機配置 有電子槍蒸發(fā)系統(tǒng)、晶體膜厚控制系統(tǒng)、Kaufman離子源，離子源供氣系統(tǒng)，離子源工作氣體 為氦氣，基材置于真空室，真空室的氣體壓力小于1. 0X 10 3Pa，溫度為50±5°C。
[0045] 對石英基材進行鍍膜前離子清洗處理，增強基材的表面活性。通過氬氣流量調節(jié) 真空度為1. 0-1. 2 X10_2Pa，離子源偏壓500V，離子束流100mA，離子處理時間為8分鐘。關 閉離子源電源和氬氣。鍍第一層21〇 2層，蒸發(fā)速率0.3nm/s，膜層厚度45nm。鍍第二層金 屬Ag層，蒸發(fā)速率0. 8nm/s，膜層厚度12nm。鍍第三層Zr02層，蒸發(fā)速率0. 3nm/s，膜層厚 度為43nm。膜層鍍完以后，等待30分鐘取出樣品，即得到透明導熱薄膜。將鍍有透明導熱 膜的芯片襯底和LED外殼使用導熱膠連接在一起。
[0046] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術制作的LED芯片的主要性能指標比較如表1所示：
[0047] 表1本發(fā)明制作的LED芯片主要性能指標
[0048]
【權利要求】
1. 一種高散熱性LED芯片，包括LED芯片襯底、熒光粉涂層和透明導熱膜，所述透明導 熱膜位于LED芯片襯底和熒光粉涂層之間，從LED芯片襯底表面開始依次為Zr0 2膜層，Ag 月旲層和Zr021旲層。
2. 如權利要求1所述的高散熱性LED芯片，其特征在于，所述LED芯片襯底為石英玻 3? 〇
3. 如權利要求1所述的高散熱性LED芯片，其特征在于，所述Zr02膜層，Ag膜層和Zr02 膜層的厚度從LED芯片襯底表面開始依次為：35?45nm，12?15nm，40?45nm。
4. 一種高散熱性LED芯片的制備方法，通過在LED芯片襯底和熒光粉涂層之間生長 透明導熱膜來實現(xiàn)，所述透明導熱膜從LED芯片襯底表面開始依次為Zr0 2膜層，Ag膜層和 Zr02膜層。
5. 如權利要求4所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，還包括在生長透明 導熱膜之前，對LED芯片襯底進行離子清洗處理。
6. 如權利要求4所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，所述LED芯片襯底 為石英玻璃。
7. 如權利要求4所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，采用物理氣相沉積 方法在LED芯片襯底上生長透明導熱膜。
8. 如權利要求7所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，所述物理氣相沉積 在真空室中進行，真空室的氣體壓力小于l.〇Xl(T 3pa，溫度為50±5°C。
9. 如權利要求4所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，所述Zr02膜層， Ag膜層和Zr02膜層的厚度從LED芯片襯底表面開始依次為：35?45nm，12?15nm，40? 45nm〇
10. 如權利要求4所述的高散熱性LED芯片的制備方法，其特征在于，還包括使用導熱 膠將生長有透明導熱膜的LED芯片襯底和LED外殼連接在一起。
【文檔編號】H01L33/64GK104157747SQ201410403646
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】鄭琪, 王華清, 李榮源, 董煒瑋, 齊向波, 馬利偉 申請人:大恒新紀元科技股份有限公司