专利名称：用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED发明技术领域，特别地，涉及一种采用类金刚石膜-铜复合材料作为散热装置的发光二极管照明装置。
背景技术：
液晶显示、室内照明、路灯、汽车灯是当前LED灯应用的热门领域，然而这些应用要么需要LED排列密集，要么要求输入大电流，并且都有要求长时间点亮情况下稳定工作。 大约85%-—90%的电能要转化为热能，因此在这些应用领域中LED发热问题变得显著。倘若不解决散热问题，将有两个主要影响(1)发光亮度减弱、( 使用寿命衰减。目前，通常使用的铝基板、铜基板、共烧陶瓷和系统电路板都不能满意地解决LED照明装置散热问题。 另外，现有的LED照明装置散热结构设计也需要不断地改进。把类金刚石膜-铜复合材料用于LED照明的散热装置具有很好的前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有LED照明装置的散热问题，提供一种用类金刚石膜-铜复合材料作为散热装置的发光二极管照明装置。本发明主要通过如下技术方案来实现。用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，包括LED、反射杯和类金刚石膜-铜复合材料做成的散热基板，所述散热基板的下表面直接和空气接触，LED通过固晶胶或金属共晶焊直接安置在散热基板的上表面，所述散热基板的上表面设有电路层，电路层开有供LED穿过的孔。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，所述散热基板由铜板和附着在铜板上表面和下表面的类金刚石膜组成。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案所述散热基板的上表面设有电路层，LED通过引脚和电路层相连接。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，电路层上方是反射杯，LED位于反射杯中，反射杯内表面涂有高反射物质，上表面为粗糙表面。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，反射杯为类金刚石膜-铜复合材料，上表面为类金刚石薄膜。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，LED上方还设有还包括散热板，散热板开有容纳LED透镜的孔，且散热板与LED透镜的外壁紧密接触。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，散热板是类金刚石膜-铜复合材料，且上下表面至少有一个表面覆有类金刚石膜。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，散热板和散热基板之间通过导热柱相连。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，所述LED有多个，散热板相应开有多个供LED穿过的孔。作为上述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置的优化技术方案，所述类金刚石膜-铜复合材料的由如下方法制得通过微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，其中入射微波为TElO模，微波频率为 Γ2. 45GHz，微波功率为85(T950W;采用抛光后的(100)面硅片作为基片，先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗，每种试剂清洗5、分钟，然后用氮气吹干；调节氢气流量为10-50sccm，甲烷流量为5-50sccm，衬底真空为(l.(T5. 0) X 10_3Pa，注入负偏压为 1(T30KV，脉冲频率为10(Γ300ΗΖ，脉宽为1(Γ20μ8 ；沉积过程中基片温度保持在30(T500°C， 沉积时间为15 20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到30-50Mm ；然后通过电子束蒸镀在压强小于1. OXlO-5Pa条件下蒸镀2飞小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜；再把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中清洗，得所述类金刚石膜-铜复合材料。本发明散热基板通过等离子增强化学气相沉积在铜表明沉积一层类金刚石膜。可以做出不同的尺寸和外形，增大散热基板与空气的接触面积，形成对流散热，增强散热效果。散热基板上方可以放置反射杯，反射杯也是类金刚石膜-铜复合材料，反射杯有良好的散热功能；散热基板上方也可以选择放置散热板，散热板是类金刚石膜-铜复合材料，它和 LED透镜紧密接触，把LED的热量横向传导出来。上面的散热板和下面的散热基板通过铜柱稳固结合，散热板和下面的散热基板之间也可有热量传导，加速热量向空气的传输。与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果
1)本发明使用了独特的散热板结构，它和LED紧密耦合，耦合位置是LED透镜。3)本发明结构中上方的散热板和下方的散热基板有机互联，加强热传导。3)本发明的反射杯上表面做粗化处理。4)本发明的散热板是类金刚石膜-铜复合材料。5)本发明的散热结构可使用于不同LED阵列。6)金刚石是热导率最高的物质，热导率可达2000W/m. K ；。铜的热导率为397W/ m.K。两者的热到率都非常地高，在本发明限定的工艺条件下，通过等离子增强化学气相沉积技术在铜上镀上金刚石膜，薄膜的厚度可以调节。类金刚石膜热导率可超过900W/m. K，类金刚石膜和铜复合材料的热导率远大于目前用于LED照明装置散热的散热材料。其次，该复合材料可以制成不同的结构。把这种复合材料用于LED照明装置，肯定会大大提升散热效率，有效地解决LED因为大量发热带来的亮度下降和寿命缩短的问题。
图Ia为第一实施例的LED照明装置结构示意图。图Ib为LED的结构示意图。图2为第二实施例的LED照明装置结构示意图。图3a为第三实施例的LED照明装置结构示意图。图北为第三实施例中散热板的上表面结构图。
图3c为第三实施例中散热板和散热基板的结合方式示意图。图中1散热基板；11类金刚石膜；12铜板；3电路层；4固晶胶；5LED ；51LED透镜； 52LED主体部分；53引脚；6反射杯；8散热板；81散热板上的孔。
具体实施例方式参阅图1至图3所示，本发明给出的采用类金刚石-铜复合材料作为散热装置的发光二极管照明装置的较佳实施例，但本发明的实施方式不限于此。如图Ia所示LED5通过固晶胶4直接放置在金刚石粉和铜粉复合材料制成的散热基板1上表面在中心位置。散热基板1是类金刚石-铜复合材料，散热基板1由铜12和位于它上表面和下表面的类金刚石膜11组成。散热基板1上方有电路层3。电路层3中心都有孔，孔的位置和LED5的位置对应。电路层3通过引脚53把外界的电流供给LED5。电路层上方是反射杯6，反射杯6包围LED5，反射杯6是铜，也可以是别的高热导材料，比如金属合金、塑料、陶瓷。反射杯内表面是高反射物质，比如聚合物、金属薄膜。反射杯6底部有孔，反射杯6把入射到其表面的光向上反射，反射杯6的尺寸和形状可以改变。反射杯6上表面进行了粗化处理，表面可以为类金刚石膜11，这增大反射杯与空气的接触面积，增强反射杯与空气的对流辐射。表面的粗化形貌可以改变。LED5的热量通过散热基板1和反射杯 6向空气辐射。如图Ib所示LED5包括LED透镜51、LED主体部分52和引脚53。散热基板1的制作方法是，通过等微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，入射微波为TElO模，微波系统频率为2. 45GHz，微波功率为850W。由于类金刚石膜和铜的浸润性不好，难以在其上生长出连续的类金刚石薄膜。我们采用抛光后的(100)硅片作为基片，使用前先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗，每种试剂清洗5分钟，然后用氮气吹干。然后调节氢气流量为10-50sCCm，甲烷流量为5-50sccm。衬底真空为5. OX 10 ,注入负偏压为20KV，脉冲频率为100HZ，脉宽为 20μ8。沉积过程中基片温度保持在500°C，沉积时间为20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到 30-50Mffl。然后我们通过电子束蒸镀在压强小于1.0X IO-5Pa条件下蒸镀2小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后我们用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜，铜也可以镀的更厚。铜可以起到支撑作用，防止类金刚石膜碎裂。再用配比为&S04:H202:H20=3:1:1 的溶液把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中(HF:H20=1:19)清洗60s。这样就得到了复合基板，之后我们可以机械加工出我们想要的散热基板。这里面我们也可以不经过电子束蒸镀和电镀工艺，就可得到类金刚石膜，这类金刚石膜可以用来粘贴在其它高导热材料表面上。如图2所示一个LED矩阵结构，行数和列数至少有一个大于1。反射杯是一个整体，反射杯底面有孔的阵列，孔的大小略大于LED5，图中LED5的引脚53和电路层3良好接触，引脚刚刚好在电路层之上。反射杯是高热导材料，比如铜、陶瓷、合金等，这里也可以考虑加只有一个大孔的反射杯，把所有LED5包围。如图3(a)所示图中多个LED5放置在散热基板1上，散热基板1由铜板和附着在铜板12上方和下方的类金刚石膜11组成。LED模组上面有散热板8，散热板8是类金刚石膜-铜复合材料，散热板8可以是一个表面覆有类金刚石膜，也可以上下两个表面都覆有类金刚石膜。散热板8上面有和LED (5)的LED透镜51大小尺寸适合的孔81，孔81和LED透镜51 —一对应，把散热板平放到LED5上，LED透镜51穿在孔81中，并且透出头。LED透镜 51和散热板8紧密接触。LED5产生的热量经过散热板8传导出。散热板8也可以适用单个LED的情形。这里的散热基板1可以粗化处理，也可以做出鳍片。如图北所示一种孔的排布方式，根据照明需要可以设计不同的排列。如图3c所示散热板8和散热基板1，通过柱子来互联，散热板8下表面有柱状突起，柱子是高热导材料，比如铜。散热基板1上表面有圆孔，半径和柱状突起一致，设计出一定数量的柱状突起和圆孔，散热板8和散热基板1会稳固地结合在一起。也可以由其他的互联实现方法和互联方式。散热板8和散热基板形成一个整体，这样的立体空间更有利于散热。LED工作时候的热量除了向下通过散热基板1向空气辐射，也可以通过LED上方的透镜51，向散热板8扩散，经过散热板8向空气辐射。我们知道大多数透镜51是环氧树脂或者硅胶，长时间发热除了热膨胀问题，热膨胀是导致引线断裂而导致LED失效的一个主要原因。更重要的是老化问题，老化后期透光性能大大降低，因此该该散热结构的设计，在加强散热的同时，在延长LED寿命方面也会有很好的表现。
权利要求
1.用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于包括LED(5)、 反射杯(6)和类金刚石膜-铜复合材料做成的散热基板(1)，所述散热基板(1)的下表面直接和空气接触，LED (5)通过固晶胶(4)或金属共晶焊直接安置在散热基板(1)的上表面， 所述散热基板(1)的上表面设有电路层(3)，电路层(3)开有供LED (5)穿过的孔。
2.根据权利要求1所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，散热基板(1)由铜板(12)和附着在铜板(12)上表面和下表面的类金刚石膜(11) 组成。
3.根据权利要求1所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，所述散热基板(1)的上表面设有电路层(3)，LED (5)通过引脚(53)和电路层(3) 相连接。
4.根据权利要求1所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，电路层上方是反射杯(6)，LED (5)位于反射杯中，反射杯内表面涂有高反射物质， 上表面为粗糙表面。
5.根据权利要求4所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，反射杯为类金刚石膜-铜复合材料，上表面为类金刚石薄膜。
6.根据权利要求1所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于LED (5 )上方还设有还包括散热板(8 )，散热板(8 )开有容纳LED透镜(51)的孔，且散热板(8 )与LED透镜(51)的外壁紧密接触。
7.根据权利要求1所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于散热板(8)是类金刚石膜-铜复合材料，且上下表面至少有一个表面覆有类金刚石膜。
8.根据权利要求7所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，散热板(8 )和散热基板(1)之间通过导热柱相连。
9.根据权利要求8所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，所述LED (5)有多个，散热板(8)相应开有多个供LED (5)穿过的孔。
10.根据权利要求9所述用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其特征在于，所述类金刚石膜-铜复合材料的由如下方法制得通过微波共振等离子增强化学气相沉积技术让氢气和甲烷反应生成类金刚石膜，其中入射微波为TElO模，微波频率为 Γ2. 45GHz，微波功率为85(T950W;采用抛光后的(100)面硅片作为基片，先依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗，每种试剂清洗5、分钟，然后用氮气吹干；调节氢气流量为10-50sccm，甲烷流量为5-50sccm，衬底真空为(l.(T5. 0) X 10_3Pa，注入负偏压为 1(T30KV，脉冲频率为10(Γ300ΗΖ，脉宽为1(Γ20μ8 ；沉积过程中基片温度保持在30(T500°C， 沉积时间为15 20小时，沉积的类金刚石膜厚度达到30-50Mm ；然后通过电子束蒸镀在压强小于1. OXlO-5Pa条件下蒸镀2飞小时在类金刚石膜上镀一层5-8nm的铜，随后用硫酸铜溶液在铜上面电镀10-30毫米厚的铜；再把硅基片腐蚀掉，最后在HF溶液中清洗，得所述类金刚石膜-铜复合材料。
全文摘要
本发明公开了用类金刚石膜-铜复合材料散热的发光二极管照明装置，其包括LED(5)、反射杯(6)和类金刚石膜-铜复合材料做成的散热基板(1)，所述散热基板(1)的下表面直接和空气接触，LED(5)通过固晶胶(4)或金属共晶焊直接安置在散热基板(1)的上表面，所述散热基板(1)的上表面设有电路层(3)，电路层(3)开有供LED(5)穿过的孔。本发明采用类金刚石膜-铜复合材料，以最短路径从大功率LED提取热量，并且直接向空气散热，可以有效地降低LED照明装置的热阻，同时兼顾发光特性，且结构简单、容易制作。
文档编号H01L33/64GK102509758SQ20111033416
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月29日 优先权日2011年10月29日
发明者姚光锐, 张涛, 范广涵, 许毅钦, 贺龙飞, 郑树文, 龚长春 申请人:华南师范大学