CN101465399A - 用金刚石膜作热沉材料的led芯片基座及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的用金刚石膜作热沉材料的LED芯片基座及制作方法涉及LED热沉的技术领域。本发明的结构由1为贴片区，2为电极打线区，3为底部焊盘，4为电导通孔，5为反射杯，6为导热柱，7为散热焊盘，9为金刚石膜，10为上陶瓷层，20为下陶瓷层构成；方法是在陶瓷基座的下陶瓷层20上生长CVD金刚石膜或焊接CVD自支撑金刚石膜做LED芯片的热沉系统。本发明涉及的热沉导热性好，降低产品的热阻，使热量尽快散发出去，提高LED的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和延长了产品的寿命。

Description

用金刚石膜作热沉材料的LED芯片基座及制作方法
技术领域
本发明属于LED热沉的技术领域，特别涉及LED芯片陶瓷基座与CVD金刚石膜结合做LED新型热沉材料。
背景技术
LED全称为半导体发光二极管，可直接将电能转化成光能。半导体元器件通常对温度十分敏感，对于大功率LED来说，P-N结的温度上升非常明显，而许多应用又需要将多个大功率LED密集矩阵排列使用，其散热问题尤其明显。长时间发热或过高的温度会严重影响器件的效率、稳定性和使用寿命，所以热沉材料的选用是提高LED性能需要考虑的问题。而当前需要耐高温的LED，以长时间照明的路灯、需强光照明的医疗灯具、大面积显示屏等用途为主，因此必须选择可高度散热的LED商品。
和本发明接近的是潮州三环(集团)股份有限公司的发明专利(申请号200810066253.3，200810066254.8)。公开的一种高功率LED陶瓷封装基座，是在原有结构的基础上，将基座的下陶瓷层改为“由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成”。上述专利提到了一种SMD高功率LED的Al2O3或AlN陶瓷封装基座，提高了SMD高功率LED封装基座散热性能，增强了LED产品耐高低温冲击性能。但是Al2O3(热导率18-20W/mk)和AlN(170-230W/mk)陶瓷的导热率低，仍达不到高度散热的LED商品的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：基于现有陶瓷封装基座的不足之处，本发明设计了一种用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座；并解决将金刚石膜与基座的下陶瓷层固定在一起的问题。采用金刚石膜作为LED的热沉，使其散热性能得到明显的改善。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座，结构包括上陶瓷层10、下陶瓷层20。在上陶瓷层10上面安装有反射杯5，下陶瓷层20上面安装有贴片区1、电极打线区2，在下陶瓷层20内开有竖直的电导通孔4和装有竖直的导热柱6，在下陶瓷层20下面安装有底部焊盘3和散热焊盘7。下陶瓷层20采用Al2O3陶瓷材料或AlN陶瓷材料。
本发明在下陶瓷层20上表面或/和下表面上有金刚石膜9；在下陶瓷层20内打孔放入导热柱6，导热柱6采用高导热材料，如CVD金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等材料的，增强基座纵向及横向传热效果。导热柱6可采用激光切割法制得。
同Al2O3陶瓷(热导率18-20W/mk)或AlN陶瓷(170-230W/mk)相比，金刚石(热导率1300-2000W/mk)的热导率要高10倍甚至百倍，因此在Al2O3或AlN陶瓷上增加金刚石膜做热沉，增加高导热材料的导热柱，可将LED工作中产生的热以更快的速率导出，提高LED的使用效能。
为了用金刚石膜做LED芯片基座的热沉材料，可以采用如下两个方案将金刚石膜制作在下陶瓷层20表面上。
方案一：在通常Al2O3或AlN陶瓷基座的下陶瓷层20表面上沉积金刚石膜，利用金刚石膜的高热导率，将LED器件工作中的散热加速传递出去，提高LED的工作效率。
方案二：在通常Al2O3或AlN陶瓷基座的下陶瓷层20表面上焊接化学气相沉积(CVD)的自支撑金刚石膜做成LED芯片的热沉系统。利用金刚石膜的高热导率，将LED器件工作中的散热加速传递出去，提高LED的工作效率。
沉积金刚石膜的具体技术方案如下：
一种用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座的制作方法，首先在下陶瓷层20的表面沉积金刚石膜，再在下陶瓷层20上安装上陶瓷层10和反射杯5，最后在下陶瓷层20内装入导热柱6。所述的沉积金刚石膜，是在AlN陶瓷材料的下陶瓷层20上沉积金刚石膜，或在Al2O3陶瓷材料的下陶瓷层20上先镀一层AlN膜做过渡层再沉积金刚石膜，是采用化学气相沉积(CVD)方法沉积金刚石膜。
化学气相沉积方法可以是微波等离子体CVD法(MPCVD)、电子辅助热灯丝CVD法(EA-HFCVD)、直流热阴极辉光等离子体CVD法或直流喷射等离子体CVD方法等。前述的化学气相沉积方法沉积金刚石膜的工艺条件与现有的工艺条件基本相同。
焊接化学气相沉积(CVD)的自支撑金刚石膜的具体技术方案如下：
一种用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座的制作方法，首先用化学气相沉积(CVD)方法制备自支撑金刚石膜，再在下陶瓷层20的表面焊接金刚石膜，最后在下陶瓷层20上安装上陶瓷层10和反射杯5，在下陶瓷层20内装入导热柱6。所述的制备自支撑金刚石膜，是以清洁处理和金刚石粉研磨过的钼片或硅片为衬底，以甲烷和氢气为反应气体在衬底上沉积CVD金刚石膜，沉积结束后CVD金刚石膜与衬底分离。
所述的在下陶瓷层20的表面焊接金刚石膜，可参考专利“金刚石厚膜与硬质基体形成牢固连接的方法”(申请号200410010895.3)、金刚石厚膜热沉基板的金属化工艺”(申请号99124561.X)、“化学气相沉积金刚石厚膜的焊接方法”(申请号200310107647.6)以及潮州三环的发明专利“一种SMD高功率LED陶瓷封装基座”(申请号200810066253.3，200810066254.8)的焊接方法。
本发明的主要优点是：本发明涉及的热沉导热性好，降低产品的热阻，使热量尽快散发出去，提高LED的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和延长了产品的寿命。所使用的CVD金刚石膜硬度高，生长条件参数的控制要求不严，反应室压强和混合气体浓度的范围较宽，成膜面积大，易和Al2O3或AlN陶瓷兼容，结构简单，能够实现工业化。
附图说明
图1是现有陶瓷LED封装基座的装置结构示意图。
图2是本发明的陶瓷LED封装基座的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明的陶瓷LED封装基座的结构如图2所示，1为贴片区，2为电极打线区，3为底部焊盘，4为电导通孔，5为反射杯，6为导热柱，7为散热焊盘，9为金刚石膜，10为上陶瓷层，20为下陶瓷层。
实施例2
在Al2O3陶瓷基座上沉积金刚石膜，由微波等离子体CVD法(MPCVD)制备的。具体步骤如下：
第一步对LED芯片的Al2O3陶瓷衬底(下陶瓷层20)先进行清洁处理，用丙酮、酒精分别超声清洗5min。
第二步在Al2O3陶瓷衬底上用磁控溅射方法镀一层高热导率的AlN膜做过渡层，以防止生长的金刚石膜从Al2O3陶瓷上脱落。溅射靶使用Al靶，气氛N2和Ar气，气压为1-3Pa，功率为80-150W，时间为5-60min。
第三步将镀有AlN膜的Al2O3陶瓷衬底放入CVD金刚石膜生长反应室内，通入反应气体甲烷和氢气，反应室内压强为6k-15kPa，功率为1000-3000W，H2流量为500sccm，甲烷流量为10-30sccm，衬底温度700-900℃。膜生长速率1-20μm/h，生长时间10-200小时。
第四步，生长完毕，装配上陶瓷层10、反射杯5、贴片区1、电极打线区2、导热柱6、底部焊盘3和散热焊盘7等。与现有的装配方法和装配过程相同。
实施例3
在AlN陶瓷基座上沉积金刚石膜，由微波等离子体CVD法(MPCVD)制备的。具体步骤如下：
第一步对LED芯片的AlN陶瓷衬底(下陶瓷层20)先进行清洁处理，用丙酮、酒精分别超声清洗5min，再用平均粒径为0.5μm的金刚石粉末或研磨膏对其进行研磨，使其表面产生均匀划痕并且残留部分金刚石颗粒，以提高金刚石膜的成核率。
第二步将AlN陶瓷衬底放入CVD金刚石生长反应室内，通入反应气体甲烷和氢气，反应室内压强为6k-15kPa，功率为1000-3000W，H2流量为500sccm，甲烷流量为10-30sccm，衬底温度700-900℃。膜生长速率1-20μm/h，生长时间10-200小时。
第三步，生长完毕，与实施例1一样装配其他部件。
实施例4
采用电子辅助热灯丝CVD法(EA-HFCVD)制备自支撑金刚石膜，再将其焊接在Al2O3或AlN陶瓷基座(下陶瓷层20)上做LED芯片的热沉系统。具体步骤如下：
第一步衬底选用钼片。衬底先进行清洁处理，用丙酮、酒精分别超声清洗5min，再用平均粒径为0.5μm的金刚石粉末或研磨膏对其进行研磨，使其表面产生均匀划痕并且残留部分金刚石颗粒，以提高金刚石膜的成核率。
第二步将衬底放入反应室内通入反应气体甲烷和氢气，H2流量为200sccm，甲烷流量为2-6sccm，反应室内压强为3k-4k Pa。此时加电流点亮灯丝，灯丝由钽丝绕制而成，温度大约是2000℃，距离衬底表面约3cm，衬底温度在700-900℃。膜生长速率5-7μm/h，生长时间20-300小时。
第三步CVD金刚石膜生长过程中，加偏压，产生辉光等离子体，提高沉积速率和质量。
第四步，生长过程结束后，CVD金刚石膜与衬底分离，形成自支撑金刚石膜。
第五步，将自支撑CVD金刚石膜用激光切割机根据要求切割成所需尺寸和形状，并焊接在Al2O3或AlN陶瓷基座的表面上，再与实施例1一样装配其他部件。
实施例5
还可以用直流热阴极辉光等离子体CVD法，直流喷射等离子体CVD等方法沉积金刚石膜。即，不局限于实施例1、2、3中所提及的CVD金刚石膜的生长方法，本发明可采用其他的金刚石生长方法。

Claims (3)

1、一种用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座，结构包括上陶瓷层10、下陶瓷层20；在上陶瓷层10上面安装有反射杯5；下陶瓷层20上面安装有贴片区1、电极打线区2，在下陶瓷层20内开有竖直的电导通孔4和装有竖直的导热柱6，在下陶瓷层20下面安装有底部焊盘3和散热焊盘7；下陶瓷层20采用Al2O3陶瓷材料或A1N陶瓷材料；其特征是，在下陶瓷层20上表面或/和下表面上有金刚石膜9；所述的导热柱6是CVD金刚石、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼材料的。
2、一种权利要求1的用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座的制作方法，首先在下陶瓷层20的表面沉积金刚石膜，再在下陶瓷层20上安装上陶瓷层10和反射杯5，最后在下陶瓷层20内装入导热柱6；所述的沉积金刚石膜，是在A1N陶瓷材料的下陶瓷层20上沉积金刚石膜，或在Al2O3陶瓷材料的下陶瓷层20上先镀一层A1N膜做过渡层再沉积金刚石膜，是采用化学气相沉积方法沉积金刚石膜。
3、一种权利要求1的用金刚石膜做热沉材料的LED芯片基座的制作方法，其特征是，首先用化学气相沉积(CVD)方法制备自支撑金刚石膜，再在下陶瓷层20的表面焊接金刚石膜，最后在下陶瓷层20上安装上陶瓷层10和反射杯5，在下陶瓷层20内装入导热柱6；所述的制备自支撑金刚石膜，是以清洁处理和金刚石粉研磨过的钼片或硅片为衬底，以甲烷和氢气为反应气体在衬底上沉积CVD金刚石膜，沉积结束后CVD金刚石膜与衬底分离。
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