CN101005108B - 功率型发光二极管热沉及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子技术领域，提供了一种功率型发光二极管热沉，其包括一常温金属基底、金属电极层以及一位于该两膜层之间的常温原化生长而成的金属氧化陶瓷膜层。该热沉导热性好、连接强度高且成本低。本发明还提供了一种在常规温度下制造该种节约能源、成本较低且导热性能好、连接强度高的新的功率型发光二极管热沉的制造方法。
Description
所属技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体的说是一种功率型发光二极管(LED，lightemitting diode)的热沉及其方法。
背景技术
半导体照明是蓬勃发展的新型产业，无论是在环保、节能、维护成本等方面与现有光源相比具有明显的优势，将引起照明领域的一场革命。半导体照明的核心是功率型LED器件。与传统的显示用LED不同，要求功率型LED的输出光功率和流明效率极高，目前有两类方案，其一是单芯片方案，即在一个管壳内安装一只大尺寸LED芯片；其二是多芯片(MCM，multi-chips mount)方案，即在一个管壳内安装多只大尺寸或一般尺寸LED芯片。无论哪种方案都需要加大LED的驱动电流以获得高的输出光功率，但电流加大必将引起LED热场的变化，如若不将热场的峰值降低到合理的水平并使其分布合理，即保证LED有源区(Active layer)的工作温度不高于50摄式度，热场分布均匀，否则将会降低流明效率、减小输出光功率，更为严重的是将降低LED器件的寿命。改变热场分布、降低热场的峰值的有效办法就是制作导热性能优良的LED热沉。现有常用的两种典型铝基板PCB板方案和低温陶瓷共烧技术(LTCC-M)方案的热沉分别如图1和图2所示。图1所示热沉10包括一铝基底100、无氧铜箔电极层102以及夹于其间的导热环氧树脂介质层104。图2所示热沉20包括一耐高温金属基底200、耐高温金属电极202以及夹于其间的陶瓷生粉烧结而成的氧化铝介质层204。
热沉10价格较低，电阻率高，耐压特性好，可常规机械加工，电路图形加工工艺和普通PCB相近；但是设备昂贵，热膨胀系数大，和半导体材料不匹配；且根据热阻计算公式R＝h/λ*S(S是通热面积，h是热流通过的距离，在此是介 质层膜厚，λ是导热率)，在相同S下，λ高，h越小，R越小，介质层膜的导热性能越好。该环氧树脂介质层104导热率λ低(约0.6W/m*K)，介质层膜厚只能在60um以上，所以，该热沉10热阻较大。此外，环氧树脂做介质层和金属基板是靠物理接触实现连接的，故连接强度不高，在超过100℃后，铝基板PCB介质层整体特性均变坏，不可以在150℃以上长期工作。
热沉20中的耐高温金属202主要为不锈钢、不锈钢包铜、钨合金、钼合金等贵重金属，介质层204采用低温陶瓷共烧技术将生瓷粉加玻璃粉研磨制成生瓷带，然后压放到金属基板上，在1200℃高温胚烧若干小时制成金属基板上的氧化铝陶瓷介质层，然后在介质层上涂敷金、银、铜、银钯导体浆料电路图形的电极层，在放到马福炉中850-950℃烘烧若干小时。该氧化铝陶瓷介质层204和半导体衬底热膨胀系数接近，热匹配，所以，半导体器件(如：LED)可以直接键和在该层上；导热率λ较高(3～5W/m*K)；氧化铝陶瓷介质层和金属基板是靠原子之间的互相迁移组成一过渡层，故连接强度较好，使得热沉20可以在高温下长期工作。但该氧化铝陶瓷介质层204厚度不可以小于100um，对热阻产生不利影响，且不可以采用常规机械加工工艺，整个加工过程大多在极高温度下进行，加工周期长，耗能；再者，由于耐高温金属基底200和电极202均是由不锈钢、不锈钢包铜、钨合金、钼合金等贵重金属制成，材料成本高，其中部分金属材料的热导率比铝低，如不锈钢的热导率大约是17W/m*K，铝的是247W/m*K，导热特性远比铝差。
针对目前铝基板PCB板方案与半导体衬底热失配、连接强度低、高温可靠性差、热阻较高等不足以及LTCC-M方案金属基板热导率较低、材料成本高、整个工艺过程均在高温下长时间完成，造成耗能高等缺点，开发出一种综合上述2种方案优点的新的热沉和新的工艺尤其必要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种导热性好、连接强度高且成本较低的功率型发光二极管热沉。
本发明解决的另一技术问题是提供一种节约能源、成本较低的制造上述导热性能好、连接强度高的功率型发光二极管热沉的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种功率型发光二极管热沉包括：一金属基底、双金属电极层以及一位于该两膜层之间的常温原位生长而成的金属氧化陶瓷膜层，其中，该金属电极层包括底层过渡金属及其上面的表层金属，该底层过渡金属为镍或铬，该表层金属为金，且该底层过渡金属的厚度为50nm时，该表层金属的厚度为20nm，该底层过渡金属的厚度为20nm时，该表层金属的厚度为100nm。
本发明解决其另一技术问题所采用的技术方案是：提供一种功率型发光二极管热沉的制造方法包括步骤：提供一金属基板，在金属基板上采用微弧氧化工艺原位生长形成一厚度为30μm的金属氧化陶瓷介质膜，采用刚玉粉和抛光膏对该金属氧化陶瓷介质膜进行研磨、抛光处理去除表面疏松层之后，在金属氧化陶瓷介质膜上形成金属电极层。
其中该基板是金属铝或铝合金基板，该金属氧化陶瓷膜层是氧化铝陶瓷结构层。
本发明的有益效果是：本发明功率型发光二极管热沉的介质层为原位生长的介质膜，连接强度高，其热膨胀系数与半导体衬底接近，热匹配性好，封装后的LED寿命长，可靠性高，可以在高温下长期稳定工作，最高工作温度可达400℃。该热沉基底由常温金属材料制成，价格便宜，整个工艺过程都是在常温，或只有部分工艺需要短时间的高温加工(如600℃高温烧结0.5小时，而LTCC-M需要1200-18000℃和800-9000℃若干次)，比LTCC-M节能。而且，本发明热沉加工工艺简单便捷，可于加工成整体基板后再采用传统的机械加工方式加工成所需要的式样，加工成本低，使用时，可直接将功率型LED帖片在本热沉基板上，不需要额外的热沉，应用起来加工工序也少，节省材料。
进一步的，本发明功率型发光二极管热沉基底可用铝作为基底层、氧化铝陶瓷介质膜作为介质层，由于铝导热性能好，储量广泛，成本低，重量轻；而氧化铝陶瓷膜层的热导率较高(1.5～2.5W/m*K)，厚度可以做的很薄(20um以上)，所以，在具备上述诸多有益效果的同时，其总的热阻远小于铝基PCB板(1.42℃/W，国内某产品IMS-03)，和LTCC-M接近(0.2℃/W)。
本发明功率型发光二极管热沉的制造方法整个工艺过程几乎都在常温下进 行，采用的材料为一般的低成本常温金属材料，以在金属衬底原位生长陶瓷介质膜的技术获得高硬度、导热性好、膜间强度极高的介质层，使得整个制造方法节约能源、成本较低，且制作生成的功率型发光二极管热沉导热性能好、连接强度高。
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是传统铝基板PCB板方案功率型发光二极管热沉剖面示意图。
图2是传统低温陶瓷共烧技术方案功率型发光二极管热沉剖面示意图。
图3是本发明功率型发光二极管热沉一种实施方式的剖面示意图。
图4本发明功率型发光二极管热沉另一种实施方式的剖面示意图。
具体实施方式
请参看图3，本发明功率型发光二极管热沉的一个具体实施方式30包括一常温金属基板300，在常温金属基板300上原位生长而成的金属氧化陶瓷膜层304，在金属氧化陶瓷膜层304上的金属导带电极层302该金属导带电极层302由底层305和焊接层306两层金属构成，金属导带电极层304的另一个实施方式是采用单一的金属层，见图4。
常温金属基板300厚0.2mm-10mm，最佳方案为1mm，其材料可以是纯铝、镁、钛及其合金，最佳方案是纯铝；该金属氧化陶瓷膜层302是一种氧化铝、氧化镁或氧化钛陶瓷结构层，厚度在10-80μm，最佳厚度是30μm，且最佳结构是仅在金属基板的一面生长介质层。
制造时：提供一厚度在0.2mm-10mm的纯铝、镁、钛或其合金基板，采用常规去油剂浸泡、超声浸泡等方法进行去油处理，最佳方案为于80-85℃的温度下在2-4g/l的NaOH中浸泡去油；采用微弧氧化工艺在金属基板表面生长10-80μm的氧化铝、氧化镁或氧化钛陶瓷介质层，最佳厚度是30μm；依次采用M10和M3刚玉粉和抛光膏对一面的介质层进行研磨、抛光处理，磨抛掉的最佳厚度是5μm，最终的介质层厚度是5-75μm；采用热蒸发工艺、磁控溅射工艺在介质层上生长10-60nm的镍底层或铬底层，10-60nm的金层，形成金属电极层，最佳底层金属是镍，镍和金的最佳厚度分别是50nm和20nm；采用光刻工 艺制出所需要的LED电极形状；采用冲压、铣、切割工艺制出需要的LED热沉形状，冲压工艺为最佳方案。
以上制造过程中，在生长出10-60nm的镍底层后，也可采用电镀工艺生长10-200nm的金层，形成金属电极层，镍和金的最佳厚度分别是20nm和100nm；或者采用化学镀的工艺生长出10-60nm的镍底层，采用电镀工艺生长10-200nm的金层，形成金属电极层，镍和金的最佳厚度分别是20nm和100nm；或者采用厚膜工艺丝网印刷中温导体浆料在陶瓷介质膜上，最佳导电浆料是中温银导电浆料，厚度是5-180μm，烧结温度是550-650℃，最佳厚度是25μm，最佳烧结温度是610℃，以获得本发明功率型发光二极管热沉。
本发明功率型发光二极管热沉的介质层为原位生长的介质膜，连接强度高，其热膨胀系数与半导体衬底接近，热匹配性好，封装后的LED寿命长，可靠性高，可以在高温下长期稳定工作，最高工作温度可达400℃。该热沉基底由常温金属材料制成，价格便宜，整个工艺过程都是在常温，或只有部分工艺需要短时间的高温加工(如600℃高温烧结0.5小时，而LTCC-M需要1200-1800℃和800-900℃若干次)，比LTCC-M节能。而且，本发明热沉加工工艺简单便捷，可于加工成整体基板后再采用传统的机械加工方式加工成所需要的式样，加工成本低，使用时，可直接将功率型LED帖片在本热沉基板上，不需要额外的热沉，应用起来加工工序也少，节省材料。
进一步的，本发明功率型发光二极管热沉基底用铝作为基底层、氧化铝陶瓷介质膜作为介质层，由于铝导热性能好，储量广泛，成本低，重量轻；；而氧化铝陶瓷膜层的热导率较高(1.5-2.5W/m*K)，厚度可以做的很薄(20μm以上)，所以，在具备上述诸多有益效果的同时，其总的热阻远小于铝基PCB板(1.42℃/W，国内某产品IMS-03)，和LTCC-M接近(0.2℃/W)。
本发明功率型发光二极管热沉的制造方法整个工艺过程几乎都在常温下进行，采用的材料为一般的低成本常温金属材料，以在金属衬底原位生长陶瓷介质膜的技术获得高硬度、导热性好、膜间强度极高的介质层，使得整个制造方法节约能源、成本较低，且制作生成的功率型发光二极管热沉导热性能好、连接强度高。
显然，上面仅描述了本发明较佳实施方式，在附属项和它们的等同技术里，在本发明的基本思想内更多的修改、变更和改变同样可以实现。因而，本发明及其具体实施方式不限于上述的实施方式，而是可在权利要求的范围内变化。
Claims (9)
1.一种功率型发光二极管热沉，其特征在于包括一金属基底、双金属电极层以及一位于该两膜层之间的常温原位生长而成的金属氧化陶瓷膜层，其中，该金属电极层包括底层过渡金属及其上面的表层金属，该底层过渡金属为镍或铬，该表层金属为金，且该底层过渡金属的厚度为50nm时，该表层金属的厚度为20nm，该底层过渡金属的厚度为20nm时，该表层金属的厚度为100nm。
2.如权利要求1所述的功率型发光二极管热沉，其特征在于：金属氧化陶瓷膜层的厚度为10-80μm。
3.如权利要求1所述的功率型发光二极管热沉，其特征在于：金属氧化陶瓷膜层的厚度为30μm。
4.一种功率型发光二极管热沉的制造方法，其特征在于包括步骤：提供一金属基板，在金属基板上采用微弧氧化工艺原位生长形成一厚度为30μm的金属氧化陶瓷介质膜，采用刚玉粉和抛光膏对该金属氧化陶瓷介质膜进行研磨、抛光处理去除表面疏松层之后在该金属氧化陶瓷介质膜上制作金属电极层。
5.如权利要求4所述的发光二极管热沉的制造方法，其特征在于在金属基板上形成介质膜之前，先对基板进行去油处理，且控制仅在金属基板的一面生长介质膜。
6.如权利要求4所述的发光二极管热沉的制造方法，其特征在于采用热蒸发工艺或磁控溅射工艺在介质层上生长10-60nm的底层过渡金属、10-60nm的表层金属，而形成金属电极层。
7.如权利要求4所述的发光二极管热沉的制造方法，其特征在于采用热蒸发工艺或磁控溅射工艺在介质层上生长10-60nm的底层过渡金属后，采用电镀工艺生长10-200nm的表层金属，而形成金属电极层。
8.如权利要求4所述的发光二极管热沉的制造方法，其特征在于采用化学镀的工艺在介质膜上生长出10-60nm的底层过渡金属后，采用电镀工艺生长10-200nm的表层金属，而形成金属电极层。
9.如权利要求4所述的发光二极管热沉的制造方法，其特征在于采用低温厚膜工艺在该介质膜上印出该金属电极，而形成厚度25μm的金属电极层。
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