CN101188224A - 高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法 - Google Patents

高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法。本发明采用多颗大功率发光二极管LED芯片集成在氮化铝AlN和低温共烧陶瓷LTCC叠层基板上，从衬底、粘结层和基板三个层次上提高大功率发光二极管LED芯片的散热能力。其制备方法包括如下工艺步骤：按设计确定发光二极管LED芯片颗数、烧制叠层基板和电极层、通过共晶工艺将大功率发光二极管LED芯片键合到氮化铝AlN层、线键合和硅胶灌封。本模块散热性能好，提高了多芯片集成大功率发光二极管的光效及可靠性，可应用于照明领域。

Description

高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用陶瓷叠层基板封装的多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法，该发明可以提高大功率LED的散热性能，提高大功率LED的亮度及可靠性，推动LED进入普通照明领域。
背景技术
大功率白光LED的实现方法主要有两种，一是直接封装大功率LED芯片；二是通过封装多个小功率芯片组合成大功率。封装单颗大尺寸LED芯片，首先制作大尺寸(大于1mm×1mm)的LED芯片技术有难度，其次，单颗大功率LED热源集中，散热问题更加难以解决，而且出光面积小导致出光效率低；多芯片集成型白光LED有独特的优势：通过不同的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动器设计，提高整体发光效能，降低成本；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源。如果采用传统小功率LED芯片(额定电流20mA)会使器件体积偏大、多点发光，二次光学设计的难度加大，而且会由于引线过多遮挡出光量使出光效率下降，因此芯片的面积是封装大功率LED要考虑的一个因素。
目前LED芯片和封装水平、发光效率虽然比白炽灯高，但和荧光灯相比，并不占优势，价格高出很多。寿命方面，大功率白光LED目前寿命只有几千小时，与理论值几万小时相差较多。造成这些问题的主要原因就是制约大功率LED发展的瓶颈——散热没有解决好。为提高LED的亮度，传统解决方法就是单纯的增加输入功率或者通过增加LED的集成量，当LED芯片输入功率达到极限时，继续增加功率的输入，不仅不会提高亮度，反而会因为热量的增加引起光子复合效率低甚至波长红移，导致发光均匀性差、光色不一致；而通过增加LED的集成量会使器件体积进一步变大，而且热源过于集中，也会引起结温升高，导致发光效率及可靠性的降低，综合考虑功率与尺寸对大功率LED出光效率及散热的影响。
LED的P-N结作为热源，产生的热量依此经过LED衬底、粘结层、基板，然后通过热沉散到周围环境，衬底、粘结层以及基板都是造成散热瓶颈的层次；蓝宝石衬底如果不采用倒装，热导率只有38W/mK；传统LED芯片与基板的粘结都是采用银浆，但银浆热导率仅仅20W/mK；目前采用最多的铝基板虽然热导率较高，但是芯片粘结层与基板之间还有一层氧化铝层，热导率只有8W/mK左右，而且其热膨胀系数较大，这些都是造成大功率LED散热瓶颈的原因。本专利从这三个层次分别加以改善，降低大功率LED的热阻，提高其可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块及其制备方法，提高了大功率LED的光效及可靠性。
为达到上述目的，本发明的构思是：针对当前大功率LED存在的缺陷：低热导率蓝宝石衬底、低热导率的银浆粘结层以及热膨胀系数与LED芯片不匹配以及热导率过低的氧化层；采用热导率高的SiC衬底的芯片或者采用蓝宝石衬底剥离后的芯片、采用金锡共晶焊代替银浆、采用热膨胀系数与LED芯片匹配的AlN与LTCC陶瓷叠层基板，通过封装大功率LED芯片来集成大功率的白光LED可以解决散热问题的同时，减小器件体积，提高大功率LED的出光效率以及可靠性。
本发明采用金锡共晶焊实现若干串并联的大功率(如SiC热导率是蓝宝石衬底热导率的10倍左右)LED芯片与AlN与LTCC叠层陶瓷基板的贴合。金锡合金的热导率为57W/mK，相比银浆粘结层，热导率可以提高2-3倍；AlN热膨胀系数为4.4×10-6/℃，与SiC衬底的4.3×10-6/℃非常匹配，从衬底、粘结层、基板三个层次上来提高大功率LED的散热能力。
本发明的高散热性能多芯片集成大功率白光LED模块，包括串并联电路设计、AlN与LTCC陶瓷叠层基板的结构设计以及金锡无空洞共晶工艺。
上述高散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中的芯片采用串并联组合。
上述高散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中复杂的电路都内置在易于成型的LTCC层中，然后将LTCC层与AlN层叠层。
上述高散热性能多芯片集成大功率白光LED模块中AlN与大功率LED芯片采用金锡无空洞共晶技术实现。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，包括多个发光二极管LED芯片、基板、电极层及引线，其特征在于：
所述的发光二极管LED芯片为大功率发光二极管LED芯片，如1mm×1mm的SiC衬底芯片或者1mm×1mm的激光剥离蓝宝石衬底的芯片等；
所述的基板叠层基板：上层为低温共烧陶瓷LTCC层，下层为氮化铝AlN层；
所述的电极层内置在低温共烧陶瓷LTCC中；
所述的氮化铝层有表面金属层，通过共晶粘结层与发光二极管LED芯片键合。
上述LED芯片为大功率发光二极管芯片；
上述的多颗发光二极管LED芯片和电极层通过引线与氮化铝AlN表面金属层连接，实现串并联；
上述的氮化铝AlN层与低温共烧陶瓷LTCC层通过银Ag或者耐高温胶烧结叠层，低温共烧陶瓷LTCC层形成一个空腔，在该空腔中实现氮化铝AlN层上装贴发光二极管LED芯片。
一种高散热多芯片集成大功率白光LED模块的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：
1)按设计的串并联电路及总功率确定所需大功率SiC衬底发光二极管芯片或者激光剥离蓝宝石衬底发光二极管芯片的颗数；
2)根据设计的结构形状，高温共烧氮化铝AlN层，并在氮化铝AlN层上制作相应的表面金属层；
3)在低温共烧共烧陶瓷LTCC层上冲出相应的空腔，然后通过丝网印刷工艺制作相应的串并联电路，最后将多层LTCC以及印刷的电极层低温共烧在一起；
4)氮化铝AlN层与低温共烧陶瓷LTCC层共烧叠层制作：通过金属银Ag或者耐高温胶将两层烧结在一起；
5)通过金锡无空洞共晶工艺将发光二极管LED芯片键合到氮化铝AlN层的表面金属层；
6)引线键合；
7)荧光粉涂抹以及硅胶灌封。
上述步骤1)中的发光二极管LED芯片大功率LED芯片；
上述步骤2)中电极材料为钯银或者金Au；
上述步骤5)中共晶工艺中焊料为80Au20Sn或者锡Sn片；
上述步骤6)中键合引线材料为金Au；
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的俯视结构示意图。
图3截面图。
图4基板局部放大图
具体实施方式
现将参照附图充分地描述本发明。
参见图1、图2、图3、图4、图5，本高散热性能多芯片集成大功率白光发光二极管模块包含有发光二极管芯片5、氮化铝AlN层1、低温共烧陶瓷LTCC层2、电极层3、AlN表面金属层4、共晶粘结层6、引线7以及氮化铝背部导热焊料层8；其中电极材料为钯银或者金，氮化铝层背面有焊料层。
本高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块的制备工艺如下：
首先在1600-1900℃高温下将氮化铝AlN生瓷片烧好，在800-900℃下将氧化铝LTCC生瓷片烧结好，然后再通过丝网印刷工艺印刷钯银电极浆层，再通过低温共烧将多层LTCC烧结在一起后再将AlN层与LTCC层叠层，考虑到Au线键合的需要，钯银电极层厚度要大于10μm，根据实际功率改变电极宽度来满足电流的要求；完成基板以及内置电路层的制备。
然后通过金锡共晶工艺将LED芯片键合到AlN基板上；
最后通过金线键合，并涂抹荧光粉以及硅胶灌封完成器件制备。

Claims (8)

1.一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，包括多个发光二极管LED芯片(5)、基板、电极层(3)及引线(2)，其特征在于：
1)所述的发光二极管LED芯片(5)为大功率发光二极管LED芯片，由P电极、N电极和SiC衬底或者激光剥离蓝宝石衬底芯片构成；
2)所述的基板叠层基板：上层为低温共烧陶瓷LTCC层(2)，下层为氮化铝AlN层(1)；
3)所述的电极层(3)内置在低温共烧陶瓷LTCC(2)中；
4)所述的氮化铝层(1)有表面金属层(4)，通过共晶粘结层(6)与发光二极管LED芯片(5)键合；
5)所述的氮化铝层背部有与热沉散热片连接的导热焊料层(8)。
2.根据权力要求1所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，其特征在于所述的发光二极管LED芯片(5)为大功率芯片，如1mm×1mm的SiC衬底芯片或者1mm×1mm的激光玻璃蓝宝石衬底芯片。
3.根据权力要求1所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，其特征在于所述的多颗发光二极管LED芯片(5)和电极层(3)通过引线(7)与氮化铝表面金属层(4)的连接实现串并联组合。
4.根据权力要求1所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，其特征在于氮化铝AlN层(1)与低温共烧陶瓷LTCC层(2)通过银Ag或者耐高温胶烧结叠层；低温共烧陶瓷LTCC层(2)中间是一个空腔，在该空腔内实现氮化铝AlN层(1)上装贴发光二极管LED芯片(5)。
5.一种高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方法，用于制备根据权力要求1所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块，其特征在于工艺步骤如下：
1)按设计的串并联电路及总功率确定所需大功率SiC衬底或者激光剥离蓝宝石衬底发光二极管芯片(5)的颗数；
2)根据设计的结构形状，高温共烧氮化铝AlN层(1)，并在氮化铝AlN层(1)上制作相应的表面金属层(4)；
3)在低温共烧共烧陶瓷LTCC层(2)上冲出相应的空腔，然后通过丝网印刷工艺制作相应的串并联电路，最后将多层LTCC以及电极层(3)低温共烧在一起；
4)氮化铝AlN层与低温共烧陶瓷LTCC层共烧叠层制作：通过金属银Ag或者耐高温胶将两层烧结在一起；
5)通过金锡AuSn20无空洞共晶工艺将发光二极管LED芯片(5)键合到氮化铝AlN层(1)的表面金属层(4)；
6)引线键合；
7)荧光粉涂抹以及硅胶灌封。
6.根据权力要求5所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方法，其特征在于所述步骤2)中，所述电极层(3)材料为钯银或者金Au；
7、根据权力要求5所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方法，其特征在于所述步骤5)中，所述的基板与芯片共晶焊料为80Au20Sn或者锡Sn片；
8.根据权力要求5所述的高散热多芯片集成大功率白光发光二极管模块制备方法，其特征在于所述步骤6)中引线材料为金Au。
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