CN100397669C - 一种使用热电分离设计的低温共烧陶瓷的led光源的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种使用热电分离设计的低温共烧陶瓷的LED光源封装结构。对基板进行热电分离设计，采用专用导热柱和导热焊盘对LED进行散热，通过导通的银柱将LED芯片产生的热量传到外部的散热装置。并且提供了一种利用该封装结构来制备高亮度LED光源的方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，具体涉及光发射二极管(Light-Emitting Diode，LED)光源的封装技术和低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)技术；本发明还涉及该光源的封装制备方法。
技术背景
随着超高亮LED的出现，其效率越来越高，且价格逐渐下降。同时LED具有寿命长、耐震动、发光效率高、无干扰、不怕低温、无汞污染问题和性价比高等特点。超高亮度LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主要有汽车内外灯、各种交通信号灯，室内外信息显示屏和背光源。
因此，高亮度LED光源的研发和产业化将成为今后发展的一个重要方向，其技术关键是不断提高发光效率(lm/W)和每一器件(组件)的发光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片取光效率很低。由于半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。
原有产品由于沿用了传统的指示灯型LED制造工艺和封装结构，使用的是热传导性较差的树脂封装材料，其封装热阻高，不能满足充分散热的要求，需要加大封装尺寸来提高散热性。散热性差致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。按照这种常规理念设计和制作的LED根本无法达到高效率和高通量的要求，从而不能达到高亮度LED光源的要求。
高亮度LED光源在大电流下工作，因此必须通过使用有效的散热和采用不劣化的封装材料来解决光衰减问题，管壳及封装已成为研制功率型LED光源的关键技术之一。
在光电子器件中，封装往往占成本的60％-90％，其中80％的制造成本又来自于组装和封装工艺，因此封装在降低成本上扮演了举足轻重的角色，成为近年发达国家研究的热门课题。对于光电子封装也必须注重综合设计能力，这主要包括光学设计、电设计、热设计以及机械设计。
低温共烧陶瓷技术(LTCC)是近年来兴起的一种另人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，涉及电路设计、材料科学、微波技术等广泛的领域。它是用于实现高集成度、高性能电子封装的技术，在设计的灵活性、布线密度和可靠性方面提供了巨大的潜能。由于它在信息时代为各种电子系统的元器件以及模块小型化、轻量化提供了比较好的解决途径，因此在国内国际上越来越受到重视，广泛应用于基板材料、封装材料以及微波器件材料等。
所谓LTCC技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并可将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在800℃～900℃下烧结，制成多层互连基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。
LTCC综合了高温共烧陶瓷技术和厚膜技术的特点，提供了一种高密度、高可靠性、高性能及低成本的互连封装形式。LTCC以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式。
利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点，首先，多层互连，提高了模块可靠性，减少了体积，一次成型，提高了生产效率，适应批量生产；其次，可适应大电流及耐高温特性要求，比普通PCB电路基板具有优良的热传导性；LTCC基板陶瓷材料，介电常数较小，有非常优良的高频特性；可内埋无源元件，有利于提高电路的组装密度；具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的共振频率温度系数，是多芯片组装首选多层基板；可以制做多达几十层电路基板；可以制作细线结构，线宽/间距可达100μm～200μm，甚至可达50μm；制作工艺一次烧结成型，印制精度高，多层基板生瓷带可进行逐步检查，有利于生产效率提高，降低成本，同时避免多次高温烧结，以及制造过程中因中间错误而带来产品性能降低与废品率增大。
因此，LTCC基板及互连材料是光电子封装的理想材料。
有关LED的专利文献很多，例如CN1296296，叙述了倒装焊接的LED器件。CN1215503和1315057公开了LED器件及其制备，其中在电极上制作一些微型凸柱以便减少电极尺寸并且完善连接。US20050161682A1提出一种适于较高温度工作的LED封装结构，是使用金属与LTCC结合的基板，并在LTCC上形成导电和导热焊盘。但是以上专利没有一篇公开热电分离设计的封装结构，也没有明确在基板中使用专用的导热柱设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用热电分离设计的低温共烧陶瓷(LTCC)的LED光源封装结构。
本发明另一个目的是提供一种利用该封装结构来制备高亮度LED光源的方法。
本发明高亮度LED光源的封装结构主要包括低温共烧陶瓷基板1和固定在基板上的LED芯片2，基板的上表面具有放置LED芯片的凹坑。低温共烧陶瓷基板为平板状，导电通路和导热通路互相独立。
LTCC基板1的外形根据需要确定，为了节省材料和便于批量生产，一般优选为长方形。LTCC基板的材料以各种陶瓷原料为主，热传导系数大于3·0W/m·K。如96％或99％的氧化铝(Al2O3)、氧化铍(BeO)和氮化铝(AlN)。氧化铝陶瓷的热传导系数可达20～30W/m·K，氮化铝陶瓷的热传导系数更高达170～180W/m·K，热导率越高，越能简化热设计，明显提高电路的寿命和可靠性；内外层电极使用银、金、铜或镍等金属，LTCC基板的层数和其中的电路根据设计需要而定。整个基板的热膨胀系数不大于7×10-6/℃。
LTCC的制作工艺流程一般为：粉末制作-流延基片制作-打孔-电子浆料填孔及内层印刷-压合-烧结-清洗-外层印刷-性能检测。
图1是LTCC的结构剖面示意图。其中11是各层陶瓷层，12是用于实现各层之间电连接的连通孔，13是各内层印刷的电路、电极，14是外层印刷的电路、电极。各陶瓷层上浆料按照设计印刷成所需的电路、电极，并按照设计通过连通孔内的浆料互相导通，形成LED元件所需的电极和电气通路。
从其结构可以看出，LTCC实现多层互连，而且可以制作细线结构，加上其优良的导热性能、热膨胀系数等特性，可适应大电流及耐高温要求，提高了可靠性，减少了体积。而且可以将光学、电学以及热学功能集成在一起，不但增强高亮度、功率型LED的产品特性，还能简化封装结构和封装工艺，减小尺寸，对于提高设计灵活度有很大的帮助。
为了进一步提高导热性能，对LTCC基板进行热电分离设计，如图2、图3所示。该结构中，导电通路和导热通路互相独立，而不是共用，采用专用导热柱和导热焊盘对LED进行散热，能够大幅度提高散热性能。其中12是电气连通孔，15是导热柱，16、17分别是焊线电极和焊料(锡)电极，18是导热焊盘。导热柱中充满高导热性的金属浆料，浆料的热传导系数不小于150W/m·K，将陶瓷板不同面之间的导热焊盘连接起来，一般浆料为银浆；导热柱为圆孔，直径在0.1mm到0.3mm之间。封装时，LED芯片放置于一边的导热焊盘上，形成良好的热接触，另一边的导热焊盘则用焊料与散热装置焊接。在热电分离设计中，其中起散热作用最大的是中间导通的银柱，通过导通的银柱将LED芯片产生的热量传到外部的散热装置；并且中间的银柱数量越多，面积越大，相应导热效果会更好。
为了便于LED芯片2的封装，LTCC基板的上表面具有凹坑，LED芯片放置于其中；该凹坑可为柱形、碗形或杯形，凹坑的形状和大小根据需要确定，并且凹坑表面为高反射层；凹坑底部平面具有导热焊盘，两侧具有焊线电极；LED芯片固定于导热焊盘上。LED芯片的数量可为一个或多个，并且不受发光的波长的限制。本发明的封装结构适用于多芯片的封装，可用于三基色或更多颜色的LED封装。
LED芯片固定并焊线完成后，用合适的胶注入LTCC基板的凹坑内，实现对LED芯的灌封。
本发明还可选的在LTCC基板的凹坑上方固定光学透镜，以使LED光源发出的光形成合适的光分布。可用镶嵌或粘合的方法固定透镜。
由于LTCC是多层互连并易高度集成，具有设计的灵活性，可以利用LTCC基板轻易实现单色或多色LED的组合封装、阵列封装，形成集成LED光源。只需要设计LTCC基板的电路，而封装结构和工艺基本不变，仍然非常简化。假如要用传统的封装结构的LED制作集成光源，则必须另外设计PCB板，再把已封装好的LED安装到上面，结构、工艺复杂之外，还降低了可靠性，另外散热性能与用LTCC基板进行组合封装不可同日而语。
本发明高亮度LED光源的制备方法包括步骤：
1.制备热电分离设计的LTCC基板，根据封装需要在多层陶瓷片上形成相应的电路和电极，并有专用导热柱和导热焊盘；基板上表面具有凹坑，该凹坑的形状和大小根据需要确定，凹坑底部平面的大小可容纳LED芯片；凹坑底部平面具有导热焊盘，两侧具有焊线电极；LTCC基板加工及涂层印刷技术是已有技术，与本申请的发明点无关，无需赘述。
2.将LED芯片固定在基板上表面的凹坑底部平面内的导热焊盘上。
3.用金丝焊接LED芯片的电极和基板上的电极。
4.用合适的胶注入陶瓷基板的凹坑内，实现对LED芯的灌封。
可选的在LTCC基板的凹坑上方固定光学透镜。
陶瓷基板热传导系数较高，有利于LED芯片的散热。基板的形状也没有严格限制，为了利于加工和封装工艺，优选长方形。LTCC基板的层数根据设计需要而定。基板上的电路一般用银浆印刷形成；银层的厚度、形状和位置可以根据使用需要设计，基板上的电极数量没有限制，根据使用LED芯片的数量而定。可通过粘接方式固定芯片，优选使用高导热性能的胶粘接固定；也可通过共晶焊的方式，可有效的降低结构的热阻。根据需要，芯片可以是一个或多个。灌封胶优选使用光学透过率高的胶，能够减少光损失。透镜的目的是改善LED光源的光分布，满足特定的光学需要，透镜可用粘合剂或镶嵌等方式安装于陶瓷基板上。对于阵列封装LED光源，上述制备方法和工艺基本不变，只是LED芯片的数量不同，而阵列中LED芯片的数量、分布形式、发光波长、功率、亮度等参数均不受限制，可根据使用需要而定，并设计相应的LTCC基板。下面参照附图结合实施例进一步详述本发明。
附图说明
图1是本发明中低温共烧陶瓷基板的结构剖面示意图；
图2是本发明中采用导热柱设计的LTCC基板的正面示意图；
图3是本发明中采用导热柱设计的LTCC基板的剖面示意图；
图4是本发明中单芯片封装结构LED的剖面示意图；
图5是本发明中单芯片封装结构LED的结构示意图；
图6是本发明中一种多芯片封装结构LED的示意图；
图7是本发明中一种阵列封装结构LED的示意图。
具体实施方式
实施例一 一种使用LTCC基板的单芯片LED光源的封装结构
请参阅图4、图5，LTCC基板1为长方形，并采用如图2、3所示的热电分离结构。
导热柱中充满银浆，通过银柱将LED芯片产生的热量传到LED背面。
其中上层陶瓷板的中心有一用于放置LED芯片2的圆柱形凹坑。
LTCC基板已根据封装需要制作了相应的电路和电极，背面有2个电极，用于LED的供电。
一个LED芯片2用高导热性能的胶直接固定在基板凹坑底部平面内的导热焊盘上，使得芯片产生的热量能够通过LTCC基板迅速传出；LED芯片的功率为1W。
LED芯片2的电极与LTCC基板1上的电极通过金丝3焊接。
LED芯片固定并焊线完成后，用光学透过率高的灌封胶4注入LTCC基板的凹坑内，并使其固化。
实施例二 另一种使用LTCC基板的单芯片LED光源的封装结构
基本按照与实施例一相同的步骤，不同的是灌封胶4内混有一定比例的YAG粉，通过发出特定波长的光的芯片来激发YAG粉，以获得所需颜色的光。并且在LTCC基板的凹坑上方粘合一个透镜5，透镜的材料为光学塑料PMMA(压克力)，注塑制造。
实施例三 一种使用LTCC基板的多芯片LED光源的封装结构
基本按照与实施例一相同的步骤，不同的是采用了RGB三基色封装，请参阅图6，即使用三颗LED芯片，颜色分别是红、绿、蓝，三颗LED芯片的工作电流均为20mA，一起固定在LTCC基板同一个凹坑底部的平面上；LTCC基板已根据封装需要制作了相应的电路和电极，使三颗LED芯片能够独立供电控制，LTCC基板背面有六个电极，每二个电极独立控制一个芯片。
实施例四 一种使用LTCC基板的阵列封装结构的LED光源
请参阅图7，LTCC基板1为长方形，采用热电分离结构。
导热柱中充满银浆，通过银柱将LED芯片产生的热量传到LED背面。
根据该组合光源的需要，其中上层陶瓷板的设置了一组用于放置LED芯片2的圆柱形凹坑。
在基板上每个凹坑中的导热焊盘上，均用高导热性能的胶固定了一个LED芯片2，使得芯片产生的热量能够通过LTCC基板迅速传出；每个LED芯片的功率为1W。
每个LED芯片的电极与LTCC基板上的电极通过金丝3焊接。
LED芯片固定并焊线完成后，用光学透过率高的灌封胶4注入LTCC基板的凹坑内，并使其固化。
灌封胶4内混有一定比例的YAG粉，通过发出特定波长的光的芯片来激发YAG粉，以获得所需颜色的光。
LTCC基板的层数根据电路的需要确定，已根据封装需要制作了相应的电路和电极，基板背面有电极，用于该LED组合光源的供电和控制。
在本实施例中，LED阵列为4×6，矩形排列。根据需要，也可设计成不同数量的圆形排列、菱形交错排列等，不受限制。
实施例五 另一种使用LTCC基板的阵列封装结构的LED光源
基本按照与实施例四相同的步骤，不同的是采用了RGB三基色封装，即在基板上的每个凹坑内，都有三颗LED芯片，颜色分别是红、绿、蓝，三颗LED芯片的工作电流均为20mA；LTCC基板的层数根据电路的需要确定，已根据封装需要制作了相应的电路和电极，使阵列内的三色LED芯片能够独立供电控制。基板背面有电极，用于该LED组合光源的供电和控制。
LTCC优良的热传导性、热膨胀系数、成本低及制作周期短的特点使其成为光电子封装的理想材料。陶瓷互连材料的热导率都很高，热导率越高，越能简化热设计，明显提高电路的寿命和可靠性，而热电分离结构中的专用导热柱可以大幅度增强热传导性。借助LTCC和热电分离技术，将光学、电和热学的功能集成在一起，不但增强产品特性而且减小尺寸。
从上可知，本发明提供了一种使用热电分离设计的低温共烧陶瓷的LED光源封装结构。具有结构简单、高发光通量、高可靠性及低热阻的优点。并且提供了一种利用该封装结构来制备高亮度LED光源的方法。显然，本领域技术人员可作许多改良和变换，例如封装的结构和尺寸以及材料的变化等，均落入本发明的精神范围。
Claims (3)
1.一种使用热电分离设计的低温共烧陶瓷的LED光源的制备方法，包括如下步骤：
提供一个平板状低温共烧陶瓷基板，在该基板的中部设置贯通基板的多个导热柱，在导热柱的上下表面形成多个导热焊盘，在导热柱两侧形成贯通基板的电气连通孔，在电气连通孔的上下表面形成焊线电极；
将LED芯片固定在基板上表面的导热焊盘上；
用金线连接LED芯片电极和基板上的焊线电极；
使用光学透过率高的胶灌封LED芯片。
2.根据权利要求1的制备方法，还包括在LED芯片上方设置光学透镜。
3.根据权利要求1的制备方法，导热柱的材料为银。
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