CN101777620A - 一种以石墨材料作为基板的大功率led引线框架及制备方法 - Google Patents

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胡启胜
马洪毅
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Abstract

本发明一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架及制备方法，涉及半导体发光二极管产品及生产工艺，尤其是高导热大功率半导体发光二极管产品及生产工艺；它包括自下而上的底层、中间绝缘与导热层和表面导电层；底层是采用高热导率材料石墨制作基板的石墨层，中间绝缘与导热层是采用高导热陶瓷材料制作的陶瓷绝缘层，上层为金属导电层；导电层上分布有导电线路；本发明基板具有良好的导热性能、电气绝缘性能等，适用于大功率LED发光二极管器基板，以及对导热与散热要求较高的LED光源器件等。

Description

一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架及制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光二极管产品及生产工艺，尤其是高导热大功率半导体发光二极管产品及生产工艺。
背景技术：
在LED封装技术的不断发展的过程中，随着LED芯片的亮度等级越来越高，大功率LED取代传统照明已经成为大势所趋。而封装技术的改进、以及越来越小体积的要求、发光效率的要求越来越高等，传统的工艺改进已经不能满足越来越高的要求。这样就必须藉由材料上去根本解决LED的芯片的散热问题，以降低结温，提升光通量，延长寿命等。目前，大功率LED的引线框架的材料主要以铜、铝为主，然后在这些金属表面再用粘接的方式覆盖绝缘层，最后在绝缘层上敷设电路，而粘接用的导热的绝缘层，目前最好的进口导热胶的导热能力也只有20W/mK，一般都只有5W/mK。因此，虽然，铜、铝的导热系数都在250W/mK以上，而经过了绝缘层的阻热后，其导热能力大打折扣。使大功率LED的芯片结温不能很好的传导到外部，从而限制了大功率LED的光通量提升，使大功率LED不能很好的发挥其优势。
石墨具有低密度、耐火、吸波、低热膨胀系数以及耐化学腐蚀性能等优良性能，早期主要用于航天领域，现在由于电子产品体积越来越趋于微型化，热量散失成为关注焦点，近年石墨开始尝试应用于微电子领域。
随着科技的不断发展，功率型LED的芯片工艺不断发展，芯片亮度等级不断提升，但芯片在发光过程中因为电阻或光阻等会产生热量，这个热量就是行业所讲的结温，符号Tj。如果这个结温能够控制在85℃以下，则LED可以保持高的出光量，但随着结温的升高，LED的出光量将会下降，LED失效的可能性就会增加。只要能够将结温控制的越低，LED的寿命就越长，甚至可以进一步提升出光量。因此，如何将芯片发光时所产生的热量导出，将是关键。
发明内容：
本发明的目的在于：克服现有的技术上的不足，从基础入手，采用石墨制作引线框架，旨在有效解决芯片散热问题，改善导热性能，延长LED寿命，提高可靠性提供一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架及制备方法。
它包括自下而上的底层、中间绝缘与导热层和表面导电层；底层是采用高热导率材料石墨制作基板的石墨层，中间绝缘与导热层是采用高导热陶瓷材料制作的陶瓷绝缘层，上层为金属导电层；导电层上分布有导电线路。
采用如下工艺步骤完成：
A、石墨的选择：选取含碳量在98％以上且导热系数在150W/m.K的石墨原料；
B、石墨材料加工；对选取的石墨基材进行高温2000℃真空煅烧，再进行沿轴方向的8-10T模压成型；
C、石墨材料表面处理；对表面进行整平处理至≤10^-3mm；
D、在经处理后的石墨材料表面热喷涂陶瓷绝缘层，厚度约0.1-0.5mm；
E、在陶瓷绝缘层表面敷设金属导电层，厚度约0.3-1.5mm；
F、蚀刻电路；
G、完成成品。
所述的陶瓷绝缘层其厚度在5-1500um，其导热系数在100W/mK以上，电阻＞100MΩ。
本发明具有如下特点：
1、采用石墨作为主材，利用石墨的高导热性能与较底的热膨胀系数，采用热喷涂等工艺将高导热的陶瓷绝缘层强力附着在石墨表面，由于石墨的热膨胀系数与陶瓷的热膨胀系数比较接近，不至于产生形变，降低热传导能力。石墨材料具备无毒无害的环保要求，同时因为其成本低廉，可以降低大功率LED的成本，并提升出光量。
2、高导热陶瓷绝缘层也具备较低的热膨胀系数，不至于在芯片受热的情况下产生形变，与石墨或表层电路产生缝隙，降低整个引线框架的导热能力。而高导热陶瓷绝缘层具备较大的电阻，在陶瓷绝缘层厚度80um以上时，其电阻＞100MΩ。
3、石墨具备一定的导电能力，但比金属稍差，相当于一个电阻，为静电耗散材料，可以吸收表面的静电，提升LED的抗静电能力。
4、高导热陶瓷具备较高的机械强度与韧度，能够避免在切削、加工等工艺环节时，与两边结合层产生裂缝，提高可靠性。
5、本发明所生产的引线框架，可以大规模运用在高可靠性的，高散热要求的器件上，如大功率LED或其他器件。
附图说明：
附图1是本发明的主视结构图；
附图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式：
自下而上设置底层(1)、中间绝缘与导热层(2)和表面导电层(3)；底层(1)是采用高热导率材料石墨制作基板的石墨层，中间绝缘与导热层(2)是采用高导热陶瓷材料制作的陶瓷绝缘层，上层为金属导电层(3)；导电层(3)上分布有导电线路。
采用如下步骤完成：
A、石墨的选择：选取含碳量在98％以上的石墨材料，且导热系数在150W/m.K的石墨原料。普通石墨导热系数在100W/m.K左右，而单晶石墨理论导热系数在2100W/m.K，所以石墨的导热能力的提升空间较大；
B、石墨材料加工；对选取的石墨基材进行高温2000℃真空煅烧，再进行沿轴方向的8-10T模压成型，重而提升石墨内部单晶致密结构，减少空隙，增加导热能力50％，到300W/m.K；
C、石墨材料表面处理；对表面进行整平处理至≤10^-3mm；
D、在经处理后的石墨材料表面热喷涂陶瓷绝缘层，厚度约0.1-0.5mm；
E、在陶瓷绝缘层表面敷设金属导电层，厚度约0.3-1.5mm；
F、蚀刻电路；
G、完成成品。
所述的陶瓷绝缘层其厚度在5-1500um，其导热系数在100W/mK以上，电阻＞100MΩ。
石墨，作为一种碳系材料，石墨是一种碳原子之间呈六角环形平面网格的多层叠合晶体。虽然石墨属于无机非金属材料，但因它具有良好的热、电传导性而被称为半金属。石墨具有比某些金属还要高的热、电传导性，同时具有远比金属为低的热膨胀系数、很高的熔点和化学稳定性。利用其易于加工，成本低(约铜的1/3价格)、导热性高(约达到铜的1.2倍)等特点，以降低热阻，延长寿命，增加功率。石墨在非氧化性介质中是化学惰性的，具有很好的耐腐蚀性，除强酸和强氧化性介质外，石墨不受其他酸、碱、盐的腐蚀，不与任何有机化合物起反应。

Claims (3)

1.一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架，其特征在于：它包括自下而上的底层、中间绝缘与导热层和表面导电层；底层是采用高热导率材料石墨制作基板的石墨层，中间绝缘与导热层是采用高导热陶瓷材料制作的陶瓷绝缘层，上层为金属导电层；导电层上分布有导电线路。
2.一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架制备方法，其特征在于：采用如下工艺步骤完成：
A、石墨的选择：选取含碳量在98％以上且导热系数在150W/m.K的石墨原料；
B、石墨材料加工；对选取的石墨基材进行高温2000℃真空煅烧，再进行沿轴方向的8-10T模压成型；
C、石墨材料表面处理；对表面进行整平处理至≤10^-3mm；
D、在经处理后的石墨材料表面热喷涂陶瓷绝缘层，厚度约0.1-0.5mm；
E、在陶瓷绝缘层表面敷设金属导电层，厚度约0.3-1.5mm；
F、蚀刻电路；
G、完成成品。
3.如权利要求2所述的一种以石墨材料作为基板的大功率LED引线框架制备方法，其特征在于：所述的陶瓷绝缘层其厚度在5-1500um，其导热系数在100W/m K以上，电阻＞100MΩ。
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