CN100583476C - 一种高功率led陶瓷封装基座 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种陶瓷封装基座，尤其涉及到一种SMD高功率LED陶瓷封装基座。其由上陶瓷层和下陶瓷层构成，上陶瓷层提供反射杯，上陶瓷层用LTCC玻璃陶瓷材料制成，下陶瓷层上侧设有打线区和底部焊盘，基座还设有电导通孔，所述的下陶瓷层由高导热性的氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能。其有益效果是：提高了SMD高功率LED封装基座散热性能，改善因温升导致LED芯片光衰大及寿命下降的问题；增强LED产品耐高低温度冲击性能，提高产品的可靠性、稳定性；降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及到一种陶瓷封装基座，尤其涉及到一种SMD高功率LED陶瓷封装基座。
背景技术
LED作为一种新型光源，由于具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小使彩度更高等传统光源无可比拟的优势而得到了空前发展。伴随着LED电流强度和发光量的增加，LED芯片的发热量也随之上升，对于高功率LED，输入能源的80％都以热的形态消耗掉。如果这些热量不能及时排出外界，造成芯片的温升效应，LED的寿命和光输出都会大打折扣；传统使用的环氧树脂封装基座的热传导率仅为0.47W/mK，已经远远不能满足高功率的LED的散热要求。近年逐步被高导热率的铝金属基板替代，铝基板受绝缘有机材料的影响，热传导率为1～2.2W/mK，能够满足部分较高功率LED的封装要求，但铝基板的热膨胀系数与LED芯片差异很大，当温度变化很大或封装作业不当时极易产生热歪斜，引发芯片瑕疵及发光效率降低。由于LED亮度随驱动电流的增大而增大，对更高亮度的LED，铝基板已经无法满足其散热要求，陶瓷封装基座因具有热导率高、热膨胀系数与高亮度LED晶体匹配、电绝缘强度高、可设计反光杯及导热通孔等可以有效的解决这些问题而成为高功率LED的理想散热基座材料。
就应用于高功率LED的陶瓷封装基座而言，目前主要是由两层LTCC陶瓷材料构成。由于LTCC材料强度差，并且热传导率仅为约3W/mk，在贴片区尽管有设置银填充的导热孔辅助散热，热纵向导热性较好，但由于LTCC陶瓷导热率低，横向导热能力差，所以封装整体散热性被大大削弱。
现有技术的产品结构如图1至图3所示，由两层LTCC陶瓷构成，上层提供反射杯，下层安装芯片，并实现与底层电极电导通。贴片区设置向下的导热通孔。其中贴片区1用于安装芯片；打线区2通过焊接导线连接芯片的电极；底部焊盘3通过基座金属化布线，实现与芯片两个电极的连接；电导通孔4连接上下两层金属化布线，实现上下电导通，可以设在产品内部或在边缘；反射杯5起到聚光及反射增加亮度的作用；用于辅助散热作用的高导热柱6；用于辅助散热作用的导热焊盘7。
上述结构的缺点及导致原因包括：1)、环氧树脂封装基座及铝基板热导率低，且热膨胀系数与高功率LED芯片相差太大，导致发光效率和寿命大打折扣，没能达到高功率、长寿命的技术要求。2)、现有的LTCC陶瓷封装基座主要有两个缺点：第一点是两层均使用LTCC陶瓷材料，所以机械强度相对较差；第二点是由于底层陶瓷LTCC材料热导率低，基座横向散热性能差，因此大大削弱了封装基座的整体散热性能，并且影响高功率LED的寿命及发光效率。
基于现有陶瓷封装基座的不足之处，本发明人设计了“一种高功率LED陶瓷封装基座”。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种提高SMD高功率LED封装基座散热性能和增强LED产品耐高低温度冲击性能，并且提高产品可靠性及稳定性的高功率LED陶瓷封装基座。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高功率LED陶瓷封装基座，该基座由上陶瓷层和下陶瓷层构成，上陶瓷层提供反射杯，上陶瓷层用LTCC玻璃陶瓷材料制成，下陶瓷层用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层上侧设有用于安装芯片的贴片区和通过焊接导线连接芯片电极的打线区，下陶瓷层下侧设有通过基座金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘，基座还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电导通的电导通孔，该电导通孔可设在基座的内部或边缘；上陶瓷层中的反射杯起到聚光及反射增加亮度的作用，所述的下陶瓷层由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为18～20W/mK和170～230W/mK。
所述的下陶瓷层可以设有相连的高导热柱和散热焊盘，高导热柱设于下陶瓷层内部，高导热柱的上侧与贴片区相连接，高导热柱用于将芯片产生的热导出，散热焊盘设于下陶瓷层的下侧，用于将高导热柱导出的热散逸出来，高导热柱的下侧与散热焊盘相连接。
所述的上陶瓷层反射杯角度可任意变化，采用高反射率的LTCC玻璃陶瓷材料制成，反射杯壁可不金属化。
所述的高导热柱由银、钨、钼或铜金属填充而成，用于增强基座纵向的传热效果。
底层基体材料为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷，提供支撑芯片并布线实现与底层电极电导通及散热用，上层LTCC玻璃陶瓷材料，提供反射杯。贴片区可以设有用Ag、W、Mo或Cu等高导热材料填充的导热柱，导热柱上下两面均设有散热焊盘辅助散热。
单颗陶瓷封装基座产品可以安装单芯片或多芯片，底层内部布线图形及设计层数可根据安装芯片数量及种类而相应变化。也可多颗陶瓷封装基座形成封装联片。
本发明基座的具体生产工艺流程如下：
1)、底层为Al2O3陶瓷或AlN陶瓷，上层为LTCC陶瓷，W或者Mo为金属化材料：
底层：原材料分散→流延→切片→冲孔→灌封(印孔)→平面印刷→(叠层/加压)→刻槽→排胶/烧结
上层：原材料分散→流延→切片→冲孔(腔)→平面印刷(印孔)→刻槽
两层完成后再叠层→加压→烧结→电镀。
2)、底层为Al2O3陶瓷或AlN陶瓷，上层为LTCC陶瓷，Ag或者Cu为金属化材料：
底层：原材料分散→流延→切片→冲孔→刻槽→排胶/烧结→灌封(印孔)→平面印刷
上层：原材料分散→流延→切片→冲孔(腔)→平面印刷→刻槽
两层完成后再叠层→加压→烧结→(电镀)。
本发明一种高功率LED陶瓷封装基座的有益效果是：提高了SMD高功率LED封装基座散热性能，改善因温升导致LED芯片光衰大及寿命下降的问题；增强LED产品耐高低温度冲击性能，提高产品的可靠性、稳定性；降低生产成本。与现有技术相比，本发明具备有以下几个特点：
(1)散热性好，本发明LED陶瓷封装基座底层基材为Al2O3或者AlN陶瓷，热导率高。在基座贴片区可设有用Ag、W、Mo或Cu等金属填充的高导热柱辅助散热，增强基座纵向及横向传热效果，很好的解决了基座散热的关键问题。
(2)上陶瓷层设计反射杯，增强光的输出并能控制发射角度，反射杯由高反射率LTCC玻璃陶瓷制成，反射杯壁可不金属化。
(3)热膨胀系数与高功率LED芯片接近，耐高低温度冲击性能强，提高LED产品的可靠性、稳定性。
(4)底层陶瓷材料改为高强度的Al2O3或者AlN陶瓷，封装基座整体机械强度得到极大提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有陶瓷LED封装基座的整体结构侧视图；
图2是现有陶瓷LED封装基座的整体结构俯视图；
图3是现有陶瓷LED封装基座的整体结构仰视图；
图4是本发明实施例一的整体结构侧视图；
图5是本发明实施例一的整体结构俯视图；
图6是本发明实施例一的整体结构仰视图；
图7是本发明实施例二的整体结构侧视图；
图8是本发明实施例二的整体结构俯视图；
图9是本发明实施例二的整体结构仰视图；
图10是本发明实施例三的整体结构侧视图；
图11是本发明实施例三的整体结构俯视图；
图12是本发明实施例三的整体结构仰视图；
图13是本发明实施例四的整体结构侧视图；
图14是本发明实施例四的整体结构俯视图；
图15是本发明实施例四的整体结构仰视图。
具体实施方式
参照图4至图15，本发明是这样实施的：
一种高功率LED陶瓷封装基座，该基座由上陶瓷层10和下陶瓷层20构成，上陶瓷层10提供反射杯，上陶瓷层10用LTCC玻璃陶瓷材料制成，下陶瓷层20用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层20上侧设有用于安装芯片的贴片区1和通过焊接导线连接芯片电极的打线区2，下陶瓷层20下侧设有通过基座金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘3，基座还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电导通的电导通孔4，该电导通孔4可设在基座的内部或边缘；上陶瓷层10中的反射杯5起到聚光及反射增加亮度的作用，下陶瓷层20由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为18～20W/mK和170～230W/mK。
该下陶瓷层20可设有相连的高导热柱6和散热焊盘7，高导热柱6设于下陶瓷层20内部，高导热柱6的上侧与贴片区相连接，高导热柱6用于将芯片产生的热导出，散热焊盘7设于下陶瓷层20的下侧，用于将高导热柱6导出的热散逸出来，高导热柱6的下侧与散热焊盘7相连接。上陶瓷层10反射杯角度可任意变化，上陶瓷层10由高反射率LTCC玻璃陶瓷制成，反射杯壁可不金属化。
在本实施例中，高导热柱6由银金属制成，热导率约为430W/mK，另外高导热柱6也可以由钨、钼或铜等金属填充而成，用于增强基座纵向的传热效果。
以上所述，仅是本发明一种高功率LED陶瓷封装基座的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对上面实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术内容的范围内。
Claims (3)
1、一种高功率LED陶瓷封装基座，该基座由上陶瓷层(10)和下陶瓷层(20)构成，上陶瓷层(10)提供反射杯，上陶瓷层(10)用LTCC玻璃陶瓷材料制成，下陶瓷层(20)用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层(20)上侧设有用于安装芯片的贴片区(1)和通过焊接导线连接芯片电极的打线区(2)，下陶瓷层(20)下侧设有通过基座金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘(3)，基座还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电导通的电导通孔(4)，该电导通孔(4)可设在基座的内部或边缘，上陶瓷层(10)中的反射杯(5)起到聚光及反射增加亮度的作用，本发明的特征在于：所述的下陶瓷层(20)由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为18～20W/mK和170～230W/mK。
2、根据权利要求1所述的一种高功率LED陶瓷封装基座，其特征在于所述的下陶瓷层(20)可以设有相连的高导热柱(6)和散热焊盘(7)，高导热柱(6)设于下陶瓷层(20)内部，高导热柱(6)的上侧与贴片区(1)相连接，高导热柱(6)用于将芯片产生的热导出，所述的高导热柱(6)由银、钨、钼或铜金属填充而成，用于增强基座纵向传热效果，散热焊盘(7)设于下陶瓷层(20)的下侧，用于将高导热柱(6)导出的热散逸出来，高导热柱(6)的下侧与散热焊盘(7)相连接。
3、根据权利要求1或2所述的一种高功率LED陶瓷封装基座，其特征在于所述的上陶瓷层(10)反射杯角度可任意变化，上陶瓷层(10)采用LTCC玻璃陶瓷材料制成，材料反射率高，反射杯壁可不金属化。
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