CN101335319B - 一种高功率led陶瓷封装基座及其生产工艺 - Google Patents

一种高功率led陶瓷封装基座及其生产工艺 Download PDF

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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，在上陶瓷层还设有用于安装光学透镜用的光学透镜安装区和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区，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，所述的上陶瓷层和下陶瓷层由相同或不同的陶瓷材料制成，且在所述上陶瓷层的底面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内填充有无机介质材料，两陶瓷层间用无机熔封介质材料烧结方式连接。本发明提高了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

一种高功率LED陶瓷封装基座及其生产工艺
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的寿命和出光率都会大打折扣；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。近年逐步被较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、可设计反射杯及导热柱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。 
目前高功率LED的陶瓷封装基座主要是由两层不同材料构成(上层为金属 材料，如铝合金，下层为氧化铝基材的覆铜板)。由于覆铜板成本高昂，并且由于没有导热柱的设计而导致热传导率受氧化铝所限，只有约18～20W/mK；而且上下层的组合为用胶合剂粘结，其气密性不佳而导致耐环境性不好，同时胶合剂形成的固化层会阻碍上下基座间热传导。现有技术的产品结构如图1和图2所示，上层为铝合金环，下层为氧化铝基材的覆铜板，上层提供反射杯，下层安装芯片，并实现与底层电极电导通。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；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散热焊盘6，安装光学透镜用的光学透镜安装区7，用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区8。 
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，无法达到高功率、长寿命的技术要求。2)、现有的陶瓷封装基座主要的两大缺点是：第一，两层采用两种热膨胀系数相差大的材料，且两层的结合是用胶合剂粘合，粘合强度在受热环境下极易减弱，导致结合强度及气密性差，甚至会产生上下两层分离，不能满足潮湿环境的使用。且粘合形成的固化层，易阻碍着上下基座间的热传导；第二，底层陶瓷材料无导热柱设计，热导率受限于陶瓷材料的性能，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，在上陶瓷层还设有用于安装光学透镜的光学透镜安装区和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区，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，所述的上陶瓷层和下陶瓷层均由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，或者，上陶瓷层由LTCC材料制成和下陶瓷层由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成。且在所述上陶瓷层的底面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内填充有无机介质材料，上、下两陶瓷层通过无机熔封介质材料烧结的方式连接，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。 
所述的反射杯由氧化铝材料制成，在反射杯的反射面上电镀或真空溅射金属层，可以提高反射杯的反射率。 
所述的反射杯用低温共烧陶瓷(Low-temperature cofired ceramics，简称LTCC)材料制成，因为LTCC材料本身具有良好的反光性，所以不需要像氧化铝或氮化铝材料反射杯的反射面再电镀或真空溅射金属层。 
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，贴片区还设有用银Ag、钨W、钼Mo或铜Cu等高导热材料填充的高导热柱，高导热柱用于将芯片产生的热量快速导出，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，散热焊盘能够辅助散热。 
所述的高导热柱由银、钨、钼或铜金属填充而成，用于增强陶瓷基座纵向的传热效果。 
下陶瓷层材料为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)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，上陶瓷层为相同或不同的陶瓷材料，提供反射杯及光学透镜安装位置；上陶瓷层和下陶瓷层的结合通过无机熔封介质材料烧结，再经电镀制成全陶瓷的基座。 
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： 
下陶瓷层材料为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)陶瓷，上陶瓷层为相同或不同的陶瓷材料，Ag、W、Mo或Cu为金属化材料。 
1、下陶瓷层用W、Mo金属化材料时： 
1)下陶瓷层：原材料分散→成型→切片→冲孔→灌封(印孔)→平面印刷→叠层/加压→压槽→排胶/烧结。 
2)上陶瓷与下陶瓷材料相同，为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)陶瓷时： 
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀或真空溅射金属层。 
上陶瓷与下陶瓷材料不相同，上陶瓷层为LTCC材料，下陶瓷层为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)陶瓷时： 
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结。 
3)在上述上陶瓷层和下陶瓷层制作完成后，将上陶瓷层叠设于下陶瓷层上侧，在上陶瓷层底面的环形凹槽内放置无机介质材料再经对位、定位烧结结合和电镀镍和银制成陶瓷封装基座。 
2、下陶瓷层用Ag、Cu金属化材料时： 
1)下陶瓷层：原材料分散→成型→切片→冲孔→叠层/加压→压槽→排胶/烧结→灌封(印孔)→平面印刷→烧结。 
2)上陶瓷与下陶瓷材料相同，为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)陶瓷时： 
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀/真空溅射金属层。 
上陶瓷与下陶瓷材料不相同，上陶瓷层为LTCC材料，下陶瓷层为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AIN)陶瓷时： 
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结。 
3)在上述上陶瓷层和下陶瓷层制作完成后，将上陶瓷层叠设于下陶瓷层上侧，在上陶瓷层底面的环形凹槽内放置无机介质材料再经对位、定位烧结结合和电镀制成陶瓷封装基座。 
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陶瓷封装基座的上陶瓷层基材为Al2O3或者AIN陶瓷或者为LTCC材料，其热导率高。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)机械性能强。上陶瓷层和下陶瓷层采用的都是陶瓷材料烧结合成，其粘接性得到极大提高，具有较高的机械强度，适用于下道工序生产安装的制作，适用于终端成品应用的各种机械强度的需要。 
(3)陶瓷基座与芯片的热膨胀系数相匹配。在实际使用中，热膨胀系数相匹配更能保证产品耐高低温度的冲击性能，大大提高LED产品的可靠性、稳定性。 
(4)耐环境变化性能优越，下陶瓷层和上陶瓷层都是陶瓷的材料，上下陶瓷层结合改用无机熔封介质材料烧结的连接工艺，使得上下两陶瓷层材料热膨胀系数一致，当温度变大时，不会出现漏气现象，气密性得以保证，保护了芯片及其封装材料，从而提高了LED产品的耐环境性。 
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是本发明实施例一的整体结构侧视图； 
图4是本发明实施例一的整体结构俯视图； 
图5是本发明实施例二的整体结构侧视图； 
图6是本发明实施例二的整体结构俯视图； 
图7是本发明实施例三的整体结构侧视图； 
图8是本发明实施例三的整体结构俯视图； 
图9是本发明实施例四的整体结构侧视图； 
图10是本发明实施例四的整体结构俯视图。 
附图标记说明： 
1、贴片区            2、打线区                3、底部焊盘 
4、电导通孔          5、反射杯                6、散热焊盘 
7、光学透镜安装区    8、二次光学组件安装区    9、高导热柱 
10、上陶瓷层       11、下陶瓷层          12、无机介质材料 
具体实施方式
参照图3至图10，本发明是这样实施的： 
在图3和图4中，一种高功率LED陶瓷封装基座由上陶瓷层10和下陶瓷层11构成，上陶瓷层10设有反射杯5、光学透镜安装区7和二次光学组件安装区8，下陶瓷层11用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层11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11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11和上陶瓷层10可以由相同的氧化铝或氮化铝陶瓷材料制成；也可由不相同的陶瓷材料制成，下陶瓷层11由氧化铝或氮化铝陶瓷材料制成，上陶瓷层10由LTCC材料制成。且上陶瓷层10的底面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内填充有无机介质材料12，上陶瓷层10和下陶瓷层11通过无机介质材料12烧结的方式连接，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，本实施例中，无机介质材料12为无机熔封介质材料，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。 
下陶瓷层11设有相连的高导热柱9和散热焊盘6，高导热柱9设于下陶瓷层11内部，高导热柱9的上侧与贴片区相连接，高导热柱9用于将芯片产生的热导出，散热焊盘6设于下陶瓷层11的下侧，用于将高导热柱9导出的热散逸出来，高导热柱9的下侧与散热焊盘6相连接。 
在图5和图6的实施例二中，其和实施例一设置用于安装芯片的贴片区1数量一样，均为一个。在图7和图8的实施例三以及图9和图10的实施例四中，设置有三个用于安装芯片的贴片区1。其也可以根据不同的需要设置不同数量的贴片区1。 
在本实施例中，高导热柱9由银金属制成，热导率约为430W/mK，另外高导热柱9也可以由银、钨、钼或铜等金属填充而成，用于增强陶瓷封装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 (8)

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(11)构成，上陶瓷层(10)提供反射杯(5)，在上陶瓷层(10)还设有用于安装光学透镜用的光学透镜安装区(7)和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区(8)，下陶瓷层(11)用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层(11)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(11)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：所述的上陶瓷层(10)和下陶瓷层(11)由相同或不同的陶瓷材料制成，且在所述上陶瓷层(10)的底面设置有环形凹槽，所述环形凹槽内填充有无机介质材料(12)，两陶瓷层间用无机介质材料(12)烧结方式连接，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，所述陶瓷材料为高温氧化铝或氮化铝陶瓷材料，其热导率分别为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，其特征在于所述的无机介质材料(12)为无机熔封介质材料。
3.根据权利要求1所述的一种高功率LED陶瓷封装基座，其特征在于所述的反射杯(5)由氧化铝或氮化铝材料制成，在反射杯(5)的反射面上电镀或真空溅射金属层，用于提高反射杯(5)的反射率。
4.根据权利要求1所述的一种高功率LED陶瓷封装基座，其特征在于所述的反射杯(5)用低温共烧陶瓷材料制成，依靠材料自身良好的反光性提高反射杯(5)的反射率。
5.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(11)可以设有多个相连的高导热柱(9)和散热焊盘(6)，高导热柱(9)设于下陶瓷层(11)内部，高导热柱(9)的上侧与贴片区(1)相连接，高导热柱(9)用于将芯片产生的热导出，散热焊盘(6)设于下陶瓷层(11)的下侧，用于将高导热柱(9)导出的热散逸出来，高导热柱(9)的下侧与散热焊盘(6)相连接。
6.根据权利要求5所述的一种高功率LED陶瓷封装基座，其特征在于所述的高导热柱(9)由银、钨、钼或铜金属填充而成，用于增强基座纵向传热效果。
7.一种高功率LED陶瓷封装基座的生产工艺，其特征在于：
下陶瓷层(11)材料为氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷，上陶瓷层(10)为相同或不同的陶瓷材料，当下陶瓷层(11)用W、Mo金属化材料时：
1)下陶瓷层(11)：原材料分散→成型→切片→冲孔→灌封→平面印刷→叠层/加压→压槽→排胶/烧结；
2)上陶瓷与下陶瓷材料相同，为氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷时：
上陶瓷层(10)：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀或真空溅射金属层；
上陶瓷与下陶瓷材料不相同，上陶瓷层为低温共烧陶瓷材料，下陶瓷层为氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷时：
上陶瓷层(10)：原材料分散→成型→排胶/烧结。
3)在上述上陶瓷层(10)和下陶瓷层(11)制作完成后，将上陶瓷层(10)叠设于下陶瓷层(11)上侧，在上陶瓷层(10)底面的环形凹槽内放置无机介质材料(12)再经对位、定位烧结结合和电镀制成陶瓷封装基座。
8.根据权利要求7所述的高功率LED陶瓷封装基座的生产工艺，其特征在于所述的下陶瓷层(11)用银或铜为金属化材料时：
1)下陶瓷层(11)：原材料分散→成型→切片→冲孔→叠层/加压→压槽→排胶/烧结→灌封(印孔)→平面印刷→烧结；
2)上陶瓷与下陶瓷材料相同，为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀/真空溅射金属层；
上陶瓷与下陶瓷材料不相同，上陶瓷层为低温共烧陶瓷材料，下陶瓷层为氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结；
3)在上述上陶瓷层(10)和下陶瓷层(11)制作完成后，将上陶瓷层(10)叠设于下陶瓷层(11)上侧，在上陶瓷层(10)底面的环形凹槽内放置无机介质材料(12)再经对位、定位烧结结合和电镀制成陶瓷封装基座。
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