CN101188260A - 大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷层与氮化铝陶瓷叠层基板及其制备方法。本叠层基板的上层为低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层，而下层为氮化铝AlN陶瓷基板。低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层内分布电极层。其制备方法步骤为：高温共烧氮化铝AlN陶瓷基板，低温烧结LTCC陶瓷层并在LTCC陶瓷层上冲出方形或者圆形的适合安装大功率发光二极管LED的空腔，然后在LTCC陶瓷层上通过丝网印刷电路导带，并将多层LTCC陶瓷层低温共烧，最后将氮化铝AlN层与LTCC陶瓷层通过银金属或者耐高温胶烧结在一起，形成叠层基板。

Description

大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝AlN叠层基板，可以提高大功率LED的散热能力及电流负载能力，为大功率LED成为照明光源提供条件。

背景技术

发光二极管LED要取代白炽灯以及荧光灯作为照明光源，必须到达一定的功率，从而达到足够的亮度，通常可以从两种途径考虑：第一种途径就是，可以考虑采用小功率LED集成的方法，即通过集成多颗小功率的LED达到足够的功率，从而满足亮度的要求，但存在诸多缺点：因为多芯片集成光源是通过串并联实现的，从而产品成品率较低，失效率较高；体积偏大，会限制其在许多场合下的应用；而且由于多点发光，二次光学设计的难度加大。第二种途径是通过提高单颗LED的功率，直接封装大功率L ED芯片，典型的以Lumileds公司为代表，1W和3W大功率白光LED已经上市。

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。研究表明，影响大功率白光LED的寿命最主要的原因就是产生的热量不能及时散出，根据美国光电产业协会(0IDA)的研究报告，只有当单个封装的大功率LED器件功率达到7.5W以上，发光效率超过200lm/W，才有可能替代现有的各种照明光源，成为民用照明的主要光源。传统的金属基板散热能力虽然很好，但是普遍热膨胀系数较高，比如铝基板热膨胀系数是LED芯片热膨胀系数的5倍之多；AlN陶瓷基板导热性能优越，热膨胀系数与LED芯片衬底热膨胀系数接近，AlN是在高温下烧结的，只能采用耐高温的电极材料，如W，电阻率较高，自身产生的热量较大。LTCC低温共烧陶瓷价格低廉，而且容易成形，可以内置复杂的电路，但是热导率不高(2W/mk)，制约了LTCC在大功率LED的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对已有基板技术存在的缺陷：LTCC陶瓷基板热导率低，只有2W/mk，AlN陶瓷基板由于导带只能采用耐高温的金属，电阻率较高，自身产生的热量较大。提供一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板，充分利用AlN陶瓷基板的高导热性，结合LTCC陶瓷基板的易成形、可以内置复杂电路、烧结温度低等优点，实现叠层基板的高导热性、低电阻率、低应力以及复杂形状的优越性能。

为达到以上目的，本发明的构思是：上层采用易成形、低介电常数、低热膨胀系数、可内置复杂电路、成本低廉的LTCC陶瓷层，下层采用热导率高达180W/mK，热膨胀系数约4.4×10^-6/℃的AlN陶瓷基板，比单纯应用LTCC陶瓷基板散热能力最大可提高100倍，导电性能上可采用Ag系或者Au系导带代替W导带，如采用Ag系，电阻率由5.65×10^-8Ω·m降低到1.586×10^-8Ω·m，可提高导电率，降低自身产生的热量；Ag的热导率为428W/mk，也要比钨高出数倍，可以兼顾提高散热能力。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板，包括基板，其特征在于所

述的基板为叠层基板，其上层为低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层，下层为氮化铝AlN陶瓷基板：

上述低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层内分布电极层，即导带；

上述低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层形成一个安装大功率发光二极管LED芯片的方形或者圆形空腔；

一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：

1)高温烧结氮化铝AlN层，并将多层氮化铝AlN陶瓷共烧，形成氮化铝基板，低温烧结LTCC层后在LTCC上冲出适合安装大功率发光二极管LED芯片的空腔；

2)然后丝网印刷电路导带，最后将多层LTCC层通过低温共烧在一起；

3)将AlN层与LTCC层通过粘结材料共烧在一起，形成叠层基板；

在上述步骤2)中电极材料为银系或者金系；

在上述步骤3)中粘结材料为金属银Ag或者耐高温胶；

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和优点：

本发明的LTCC与AlN叠层大功率LED基板充分结合了AlN陶瓷基板高导热率与LTCC陶瓷基板低电阻率、可内置复杂电路的优点，使得叠层基板即具有高的热导率，又具有可制作低电阻率电路及复杂形状基板的优点，与单纯的AlN基板相比较具有：导带低电阻率，自身产生的热量少；比单纯的LTCC陶瓷基板相比具有高几十甚至百倍的热导率；在大功率LED要成为照明光源的驱动下，具有广阔的应用前景和市场前景。

附图说明

图1是用本发明叠层基板构建大功率发光二极管的离题结构示意图。

图2是图1示例的俯视结构示意图。

图3是图1示例的剖视示意图。

图4是本发明叠层基板实施例一的结构示意图。

图5本发明叠层基板实施例二结构图。

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和图3、图4，用本发明叠层基板的大功率发光二极管包含有氮化铝AlN陶瓷层1、低温共烧陶瓷LTCC层2、LED芯片3、引线4、内置的电极5、银浆粘结层6、以及电极延伸部分7；电极材料为Ag系或者Au系。

实施例一，参见图4，本叠层基板的上层为LTCC陶瓷层2，下层为AlN陶瓷层1。

本大功率LED用LTCC与AlN叠层陶瓷基板的制备工艺如下：

首先在1600-1900℃下高温共烧AlN层，在800-900℃下将氧化铝LTCC烧结完毕，然后通过丝网印刷工艺印刷Ag浆层或者Au浆层印刷到LTCC上，再将LTCC多层通过低温共烧在一起，最后将AlN层与LTCC层共烧，形成叠层基板，考虑到Au线键合的需要，Ag电极层厚度要大于10μm，Au电极层厚度要大于8μm，根据实际功率改变电极宽度来满足电流的要求。

基板完成之后，将1mm×1mm芯片底部通过银浆粘结到AlN基板上，导电银浆厚度大约0.1mm，然后将芯片顶部电极通过引线键合到LTCC层上内电极5，键合线为Au线。实施例二：参见图5，实施例二与实施例一相同，不同之处在于：电极长度与LTCC凹槽外边缘齐平，不再延伸弯曲到AlN层背部。

Claims (6)

1.一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板，包括基板，其特征在于所述的基板为叠层基板：其上层为低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层，下层为氮化铝AlN陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与淡化铝叠层基板，其特征在于所述的低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层内分布有电极层，即电路导带；

3.根据权利要求1所述的大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与淡化铝叠层基板，其特征在于所述的低温共烧陶瓷LTCC陶瓷层形成安装大功率发光二极管LED芯片的方形或者圆形空腔；

4.一种大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板的制备方法，用于制备根据权利1所述的大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板，其特征在于工艺步骤如下：

a.高温烧结氮化铝AlN层，并将多层氮化铝AlN陶瓷共烧，形成氮化铝基板，

低温烧结LTCC陶瓷层并在LTCC层上冲出适合安装大功率发光二极管LED芯片的空腔；

b.在LTCC陶瓷层上通过丝网印刷电路导带，并将多层LTCC陶瓷层共烧在一起；

c.将氮化铝AlN层与低温共烧陶瓷层通过粘结材料共烧，形成叠层基板。

5.根据权利要求4所述的大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的电极材料为银Ag系或者金Au系；

6.根据权利要求4所述的大功率发光二极管用低温共烧陶瓷与氮化铝叠层基板的制备方法，其特征在于，步骤c中，粘结材料为银Ag系或者耐高温胶。

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