专利名称：具有微通道散热器的led模块及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种LED模块及制备方法，尤其是一种具有微通道散热器的LED模块及制备方法。
背景技术：
LED (Light Emitting Diode)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。散热问题是制约大功率LED普及的瓶颈问题之一，如果热量不能迅速耗散，将使LED结温过高，从而影响LED的使用寿命和可靠性。当前主流的LED封装的热流通道为由LED芯片至固晶层，再传导至基板、导热胶以及散热器，这种封装形式产生了多个接触热阻芯片与基板之间的接触热阻，基板绝缘层产生的接触热阻，基板与散热器之间的接触热阻，这些接触热阻导致整个LED热流通道的热阻较大，不利于PN结发出的热量迅速传至散热介质。小功率LED模块由于发热量不大，散热问题不严重，因此只要运用一般的铜箔印刷电路板即可。但随着高功率LED的盛行，铜箔印刷电路板已不足以应付散热需求。目前应用较广泛的LED散热器主要以铝基板散热器为主，但是由于其散热介质主要以空气为主， 而空气为热的不良导体，因此对其散热效果有很大的限制，再者，传统封装LED方式中存在的各种接触热阻，不利于实现小面积、小体积下超大功率LED的集成，而且以铝基板散热器为主的LED散热器也不利于延长了 LED的寿命和提高LED使用的可靠性。因此，如何提供一种LED模块及其制造技术，以克服现有技术中的种种问题，实已成为本领域的从业者亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有微通道散热器的 LED模块及其制备方法，以解决现有技术中的LED模块热流通道的热阻较大，不利于实现小面积、小体积下超大功率LED的集成，以及LED的寿命不高和可靠性不强等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有微通道散热器的LED模块的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤步骤一，提供一半导体衬底，并依次在所述半导体衬底上生长缓冲层，N型GaN层、量子阱层、及P型GaN层，然后在所述P型GaN层上形成P型欧姆接触以制备出P电极，接着剥离所述半导体衬底并去除所述缓冲层，最后在所述N型GaN层上形成N型欧姆接触以制备出N电极，以制备出一 LED芯片；步骤二，提供一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底，刻蚀所述硅衬底的下表面，以在所述硅衬底的底部形成多个朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，然后将一密封层键合于所述硅衬底的下表面，以使各该沟道形成在所述的相对两侧面上分别具有进口及出口的用以流通冷却液的多个微通道，并于所述硅衬底的上表面形成一绝缘层，以制备出一微通道散热器；步骤三，于所述绝缘层上制作正、负电极板，将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正上，然后使用金丝球焊机将一金丝键合于所述N电极与所述负电极板之间以完成电性连接，同时于所述正、负电极板上分别制备出对应电性连接于一外部电源的正、负电极连接端；以及步骤四，在所述LED芯片上涂覆荧光粉，然后藉由硅胶进行灌封，以密封所述正、负电极板， LED芯片，金线以及荧光粉于所述微通道散热器的绝缘层上，最后进行烘烤固化，以完成所述LED模块的制备。在本发明制备方法的步骤一中，还包括对所述P电极与N电极的表面进行镀金的步骤。其中，所述缓冲层、N型GaN层、量子阱层及P型GaN层的生长方法为金属有机化合物化学气相淀积法。在本发明制备方法的步骤二中，刻蚀所述硅衬底的下表面的刻蚀方法为反应离子刻蚀法。所述沟道的宽度为ΙΟμπι至ΙΟΟΟμπι。所述冷却液为纯水、乙醇，添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。在本发明制备方法的步骤二中，所述密封层的材质为硅或者铜，藉由导热密封材料键合于所述硅衬底的下表面。具体地，将所述密封层键合于所述硅衬底下表面的键合方法为阳极键合法。在本发明制备方法的步骤二中，所述绝缘层为氮化铝材质，并该氮化铝材质的绝缘层表面镀有一层金或银，用以制作所述正、负电极板，以将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正电极板上。在本发明制备方法的步骤三中，将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正电极板上的合金为金锡合金，具体地，是将所述LED芯片的P电极通过合金工艺键合在所述正电极板上。在本发明制备方法的步骤四中，所述荧光粉为YAG荧光粉，所述硅胶为进行了一次光学设计的有机硅。本发明还提供一种具有微通道散热器的LED模块，其至少包括微通道散热器，包括一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底、位于所述硅衬底的上表面的绝缘层及位于所述硅衬底的下表面得密封层，所述硅衬底的底部形成多个朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，所述封层键合于所述硅衬底的下表面，以使各该沟道形成在所述相对两侧面上分别具有进口及出口的用以流通冷却液的多个微通道；正、负电极板，呈互相间隔设置于所述绝缘层上，并分别具有电性连接于一外部电源的正、负电极连接端；至少一 LED芯片，倒置于所述正电极板上，包括具有P电极的P型GaN层、位于所述P型GaN层上的量子阱层、 以及位于所述量子阱层上并具有N电极的N型GaN层，其中，所述N电极藉由一金线与所述负电极板相连接；荧光粉，涂覆于所述N电极上；以及硅胶层，灌装于所述绝缘层上，并将所述正、负电极板，LED芯片，金线以及荧光粉密封其中。在本发明的LED模块中，所述LED芯片通过金锡合金工艺倒置在所述正电极板上。 具体地，所述P电极通过合金工艺连接于所述绝缘层上。在本发明的LED模块中，所述沟道的宽度为ΙΟμπι至ΙΟΟΟμπι。所述冷却液为纯水、乙醇、添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。所述密封层为硅或铜，并藉由导热密封材料键合于所述硅衬底的下表面。所述的荧光粉为YAG荧光粉。所述硅胶层为进行了一次光学设计的有机硅胶。在本发明的LED模块中，所述LED芯片为两个或多个，并以串联、并联或混联的方式电性连接于所述正、负电极板之间。如上所述，经由本发明的制备方法制得的LED模块主要包括具有微型通道的微通道散热器及LED芯片，其中，所述的微通道散热器以硅为衬底，且该硅衬底的底部具有用以流通冷却液的多个微通道，由于该微通道的特征尺寸在ΙΟμπι至ΙΟΟΟμπι，具有较大的体积 /面积比、较高的对流热传导系数、较小的质量和体积等优点。所述LED芯片通过合金工艺直接倒装在所述的微通道散热器上，该LED芯片工作中所产生的热量通过合金层就能传导到所述微通道散热器上，以使其可以冷却热流密度达790W/cm2的集成电路，非常适用于高热流密度封装器件的冷却。因而，本发明的LED模块更利于热传导，具有很高的散热效率， 克服了传统散热器以热的不良导体空气为传导介质的缺陷，非常适合于大功率LED封装的冷却，避免了传统封装工艺中的热阻过多的问题，本发明的制备方法工艺简单，可用于大规模的工业生产。
图Ia至图Ic显示为本发明制备方法的步骤一中所呈现的结构示意图。图加至图2b分别显示为本发明LED模块中微通道散热器的横向及纵向剖面图。图3显示为本发明制备方法的步骤三完成后的结构示意图。图4显示为完成本发明制备方法后最终呈现的LED模块的结构示意图。
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上表面”、“下表面”、“左”、“右”、“中间”、“二”及“一” 等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。请参阅图Ia至图4，显示为本发明的制备方法中依据各步骤呈现的LED模块截面结构示意图。如图所示，本发明提供一种具有微通道散热器的LED模块的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤请参阅图Ia至图lc，如图所示，首先进行步骤一，制备一 LED芯片，即提供一半导体衬底11，该半导体衬底11的材料可为硅、碳化硅或蓝宝石等。以(CH3)3Al (三甲基铝)为 Al (铝)源，NH3 (氨气)为N(氮)源，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述半导体衬底11上生长一例如为AlN (氮化铝)材质的缓冲层12 ；以(CH3)3Ga (三甲基镓)为( (镓) 源，NH3为N源，SiH4 (硅烷)用作为N型掺杂剂，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述缓冲层12上生长N型GaN层13 ；以(CH3) 3In (三甲基铟)为h (铟)源，(CH3) 3Ga为Ga
6源，NH3为N源，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述的N型GaN层13上生长hGaN/ GaN多量子阱层14 ； (CH3) 3Ga为( 源，NH3为N源，Mg (C5H5) 2 ( 二茂镁)作为P型掺杂剂，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述的^GaN/GaN多量子阱层14上生长P型GaN层 15 ；然后在所述P型GaN层15上通过键合的方法制备出一层Ag(银)反光层(未予以图示)形成P型欧姆接触，在所述^Vg反光层上通过蒸镀或者离子溅射方法镀金以制备出P电极16，接着利用刻蚀的方法剥离所述半导体衬底11并去除所述缓冲层12，最后在所述N型 GaN层13上通过蒸镀或者离子溅射方法镀金形成N型欧姆接触以制备出N电极17，以制备出所述LED芯片1。请参阅图加至图2b，如图所示，接着进行步骤二，提供一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底21，采用反应离子刻蚀法刻蚀所述硅衬底21的下表面，以在所述硅衬底21的底部形成多个宽度为10 μ m至1000 μ m朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，然后将一密封层23利用阳极键合工艺键合于所述硅衬底21的下表面，以使各该沟道形成在所述的相对两侧面上分别具有进口 221及出口 222的用以流通冷却液(未予以图示)的多个微通道22，本实施方式中，该密封层23为硅或者铜。所述冷却液为纯水、乙醇，添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。最后以(CH3)3Al为Al源，NH3 源，采用金属有机化合物化学气相淀积法于所述微通道散热器的硅衬底21的上表面生长例如为AlN材质的绝缘层对，然后在所述绝缘层M上通过蒸镀或者离子溅射方法镀一层金或者银以制备出一微通道散热器2。在此需要说明的是，所述微通道22的进口 221与出口 222与一外部的动力装置 (未予以图示)连接，以提供所述冷却液流通所需的动力，进而形成冷却液的循环，以利导热。请参阅图3，如图所示，然后进行步骤三，于所述绝缘层M上制作正、负电极板31 及32，将所述LED芯片1通过合金工艺倒装在所述正电极板31上，需要特别说明的是，在本实施方式中，于步骤一中可以制作两个或者多个LED芯片1，因而在本步骤中，可以将两个或者多个相同的LED芯片1通过合金工艺分别倒装在所述正电极板31上，以便在后续的步骤中制备出具有串联、并联或混联在所述正电极板31与负电极板32之间的两个或者个 LED芯片1的LED模块。然后使用金丝球焊机将一金丝6键合于所述N电极17与所述负电极板32之间以完成电性连接，同时于所述正、负电极板31及32上分别制备出对应电性连接于一外部电源的正、负电极连接端33及34 ；将所述LED芯片1的所述P电极16通过合金工艺倒装在所述正电极板31上，在本实施方式中，采用的合金为金锡合金。请参阅图4，如图所示，最后进行步骤四，在所述LED芯片1上涂覆YAG荧光粉5， 然后藉由经过一次光学设计的有机硅胶7进行灌封，以密封所述正电极板31、负电极板32， LED芯片1，金线6以及荧光粉5于所述微通道散热器的绝缘层M上，最后进行烘烤固化， 以完成所述LED模块的制备。本发明还提供一种具有微通道散热器的LED模块，请参阅图4，如图所示，所述LED 模块包括微通道散热器2，正、负电极板31及32，两个或多个LED芯片1，荧光粉5，以及硅胶层7。所述微通道散热器2包括一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底21、通过金属有机化合物化学气相淀积法淀积于所述硅衬底21的上表面的绝缘层M，该绝缘层的材质为 AlN,以保护所述的微通道散热器2及位于硅衬底下表面的密封层23，所述硅衬底21的底部有多个宽度为10 μ m至1000 μ m朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，所述密封层23键合于所述硅衬底21的下表面，该密封层23的材质为硅或者铜，以使各该沟道形成在所述相对两侧面上分别具有进口 221及出口 222的用以流通冷却液的多个微通道22，呈如图加所示。该微通道22流通的冷却液为纯水、乙醇、添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。需要特别说明的是，所述微通道22的进口 221与出口 222与一外部的动力装置 (未予以图示)连接，以提供所述冷却液流通所需的动力，进而形成冷却液的循环，以利导热。所述正电极板31与负电极板32的材质为金或者银，通过淀积然后刻蚀的方法间隔制备于所述绝缘层M上，并分别具有电性连接于一外部电源的正电极连接端33与负电极连接端34。所述金锡合金层4为通过所述的合金工艺在正电极板31上形成的一层金锡合金层4。所述LED芯片1包括具有P电极16的P型GaN层15，所述P电极的材质为金， 与金锡合金层4相连，所述P电极16与P型GaN层15之间还有一层键合于P型GaN层15 上的银反光层(未予以图示)；位于所述P型GaN层上的hGaN/GaN多量子阱层14;以及位于所述hGaN/GaN多量子阱层14上并具有N电极17的N型GaN层13，所述N电极17的材质为金，其中，一金线6通过金丝球焊机键合连接于所述N电极17与所述负电极板32之间。需要特别说明的是，在本实施方式中，所述LED芯片1为两个，并以串联的方式电性连接于所述正、负电极板31及32之间。当然，应允实际需求，在其他的实施方式中，所述 LED芯片1亦可为多个，采用串联、并联或混联的方式电性连接于所述正、负极板31及32之间。所述荧光粉5的材质为YAG荧光粉，涂覆于所述N电极17上。所述硅胶层7灌装于所述绝缘层M上，所述硅胶层为进行了一次光学设计的有机硅胶，并将所述正电极板31、负电极板32，LED芯片1，金线6以及荧光粉5密封其中。本发明工艺简单但效果优良，将所述的LED芯片通过合金工艺直接倒装在所述的微通道散热器上，所述LED芯片工作中所产生的热量只需通过所述合金层就能传导到所述微通道散热器上，避免了传统封装工艺中的热阻过多的问题，大大的增大了热量的传导效率。所述的微通道散热器以硅为衬底，在所述硅衬底制造出多个宽度为ΙΟ-ΙΟΟΟμπι的沟道，所述沟道通以流体介质进行热传导，克服了传统散热器以热的不良导体空气为传导介质的缺陷，具有很高的散热效率，非常适合于大功率LED封装的冷却。所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法工艺简单，可用于大规模的工业生产。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤步骤一，提供一半导体衬底，并依次在所述半导体衬底上生长缓冲层，N型GaN层、量子阱层、及P型GaN层，然后在所述P型GaN层上形成P型欧姆接触以制备出P电极，接着剥离所述半导体衬底并去除所述缓冲层，最后在所述N型GaN层上形成N型欧姆接触以制备出N电极，以制备出一 LED芯片；步骤二，提供一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底，刻蚀所述硅衬底的下表面，以在所述硅衬底的底部形成多个朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，然后将一密封层键合于所述硅衬底的下表面，以使各该沟道形成在所述的相对两侧面上分别具有进口及出口的用以流通冷却液的多个微通道，并于所述硅衬底的上表面形成一绝缘层，以制备出一微通道散热器；步骤三，于所述绝缘层上制作正、负电极板，将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正电极板上，然后使用金丝球焊机将一金丝键合于所述N电极与所述负电极板之间以完成电性连接，同时于所述正、负电极板上分别制备出对应电性连接于一外部电源的正、负电极连接端；以及步骤四，在所述LED芯片上涂覆荧光粉，然后藉由硅胶进行灌封，以密封所述正、负电极板，LED芯片，金线以及荧光粉于所述微通道散热器的绝缘层上，最后进行烘烤固化，以完成所述LED模块的制备。
2.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤一中还包括对所述P电极与N电极的表面进行镀金的步骤。
3.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述缓冲层、N型GaN层、量子阱层及P型GaN层的生长方法为金属有机化合物化学气相淀积法。
4.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二中刻蚀所述硅衬底的下表面的刻蚀方法为反应离子刻蚀法。
5.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的密封层的材质为硅或者铜，藉由导热密封材料键合于所述硅衬底的下表面。
6.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二中将所述密封层键合于所述硅衬底下表面的键合方法为阳极键合法。
7.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的所述沟道的宽度为ΙΟμπι至ΙΟΟΟμπι。
8.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的冷却液为纯水、乙醇，添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。
9.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述绝缘层为氮化铝材质，并该氮化铝材质的绝缘层表面镀有一层金或银，用以制作所述正、负电极板，以将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正电极板上。
10.根据权利要求9所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤三中将所述LED芯片通过合金工艺倒装在所述正电极板上的合金为金锡合金。
11.根据权利要求10所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤三中将所述LED芯片的P电极通过合金工艺键合在所述正电极板上。
12.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤四中所述荧光粉为YAG荧光粉。
13.根据权利要求1所述的具有微通道散热器的LED模块的制备方法，其特征在于，所述步骤四中所述硅胶为进行了一次光学设计的有机硅。
14.一种具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述LED模块至少包括微通道散热器，包括一具有上、下表面及四周侧面的硅衬底、位于所述硅衬底上表面的绝缘层及位于所述硅衬底下表面的密封层，所述硅衬底的底部形成多个朝向该下表面开口并贯穿相对两侧面的沟道，所述密封层键合于所述硅衬底的下表面，以使各该沟道形成在所述相对两侧面上分别具有进口及出口的用以流通冷却液的多个微通道；正、负电极板，呈互相间隔设置于所述绝缘层上，并分别具有电性连接于一外部电源的正、负电极连接端；至少一 LED芯片，倒置于所述正电极板上，包括具有P电极的P型GaN层、位于所述P 型GaN层上的量子阱层、以及位于所述量子阱层上并具有N电极的N型GaN层，其中，所述 N电极藉由一金线与所述负电极板相连接；荧光粉，涂覆于所述N电极上；以及硅胶层，灌装于所述绝缘层上，并将所述正、负电极板，LED芯片，金线以及荧光粉密封其中。
15.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述LED芯片通过金锡合金工艺倒置在所述正电极板上。
16.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述P电极通过合金工艺键合于所述正电极板上。
17.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述沟道的宽度为 IOymM 1000 μ m。
18.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述冷却液为纯水、乙醇、添加有纳米颗粒的水、或添加有纳米颗粒的乙醇。
19.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述密封层为硅或铜，并藉由导热密封材料键合于所述硅衬底的下表面。
20.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述的荧光粉为YAG荧光粉。
21.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述硅胶层为进行了一次光学设计的有机硅胶。
22.根据权利要求14所述的具有微通道散热器的LED模块，其特征在于，所述LED芯片为两个或多个，并以串联、并联或混联的方式电性连接于所述正、负电极板之间。
全文摘要
本发明公开了一种具有微通道散热器的LED模块及其制备方法，该LED模块主要包括具有微型通道的微通道散热器及LED芯片，所述的微通道散热器以硅为衬底，且该硅衬底的底部具有用以流通冷却液的多个微通道，所述LED芯片通过合金工艺直接倒装在所述的微通道散热器上，该LED芯片工作中所产生的热量通过合金层就能传导到所述微通道散热器上，进而更利于热传导，具有很高的散热效率，克服了传统散热器以热的不良导体空气为传导介质的缺陷，非常适合于大功率LED封装的冷却，避免了传统封装工艺中的热阻过多的问题，本发明的制备方法工艺简单，可用于大规模的工业生产。
文档编号H01L33/00GK102280540SQ20111023797
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者吴军, 孙宙琰, 郑利红 申请人:上海亚明灯泡厂有限公司