CN102432346A - 一种用于大功率led封装的陶瓷基板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：准备表面经过处理的陶瓷基板，在其上覆设预制好的氧化亚铜浆料，并形成线路图形，然后，通过烘干、烧结、还原及镀膜工艺，制备出表面金属层光滑致密的陶瓷基板。本发明通过在陶瓷基板表面采用厚膜技术结合敷铜原理实现金属化。无需薄膜制备工艺所需昂贵的镀膜设备和复杂工艺以及直接覆铜的特殊技术；同时结合直接覆铜的原理提高金属层与陶瓷的敷接强度，减少热冲击带来的剥落问题。本发明工艺简单、无需大型设备、原料便宜成品率高，金属图形化方便，表面光洁度高，特别是基板界面铜层厚度可控，使功率电子器件工作更加稳定。

Description

一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有优异性能的陶瓷基板的制备方法，尤其涉及陶瓷基板表面金属线路的制备方法，根据上述制备方法制备的陶瓷基板可用于大功率LED的封装，属于电子封装技术领域。

 

背景技术

随着电子技术的发展，电子产品朝着高集成，小体积，大功率，高速度的方向发展，使得电子元器件的发热量越来越大，因此对电子器件封装的散热性提出更高的要求。

与传统照明相比，大功率LED由于具有高光效，长寿命，小尺寸等优点而备受人们的关注。在LED芯片的耗散能量中有将近70%的能量转化为热，如果不能将这部分热量有效的散发出去，LED的P-N结的温度将急剧上升，LED的发光效率将急剧下降，可靠性（寿命，色温）降低，同时能够使器件产生机械应力，引起某些部件老化，导致质量问题。LED光源的热量主要通过芯片的承载基板将热传导散去，而随着LED光效的提高，传统的PCB已经不能应付散热的需求，整个LED的散热瓶颈出现在LED芯片的承载基板上，因此提高LED封装基板的散热性成为LED发展的趋势。

LED颗粒基板作为LED芯片与系统电路板之间热能导出的媒介，籍由打金线，粘结、共晶或覆晶制程与LED芯片结合。要求LED基板材料必须具有高的电绝缘性、高稳定性、高热导率、与芯片相接近的热膨胀系数，以及高平整度和强度。目前常用的基板材料包括硅、金属（铝，铜）、陶瓷（Al2O3，AlN，SiC）和复合材料。由于硅基板加工困难成本高；单一金属材料的导电和热膨胀系数失配问题，很难满足大功率LED封装基板的苛刻要求。

陶瓷材料因具有可靠性高、导热性好、热膨胀系数与芯片材料匹配、电绝缘强度高等优点，被视为大功率LED理想的散热材料。CREE、PHILIPS等公司将陶瓷基板应用于大功率LED封装中，并且将静电保护电路，共晶焊接层，驱动电路等集成其上，具有结构简单，热界面少，散热性能高，为LED封装提供可靠的解决方案。

LED封装陶瓷基板表面金属化层制作工艺主要有厚膜工艺、薄膜工艺和直接覆铜工艺。厚膜法采用丝网印刷技术将银浆印刷到陶瓷基板上，再经干燥、烧结等步骤制成。工艺过程简单，但容易产生线路粗糙，平整度差等问题。基板上覆银会因为银的迁移降低产品的性能，同时银层的热冲击性能较差。薄膜DPC工艺是先在基板上溅射Ti，然后溅射Cu层，再经过后期电镀加厚和光刻制程处理而成。表面平整光滑、线路精确。缺点需要溅射镀膜设备和光刻设备，成本高，工艺复杂，生产效率低。直接覆铜法是利用共晶技术在在铜层与陶瓷层之间形成中间相实现铜与金属的连接。具有敷接强度高，但表面平整度差，技术要求高，工艺复杂。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，通过使用一种新型的陶瓷表面金属化制备工艺，开发出具有良好的导热与绝缘性能的、适用于大功率LED封装的陶瓷基板。通过分析陶瓷基板表面金属线路的制备工艺，考虑金属与陶瓷的连接性能，结合现有的薄膜法、厚膜法和直接敷铜技术，利用直接覆铜的原理制备出以浆料形成厚膜金属层的陶瓷基板。

为了实现上述目的，本发明采用如技术方案：

一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)：用机械或化学的方法处理陶瓷表面的油污或杂质，再经抛光得到平整表面，所述的陶瓷为氧化铝，氮化铝，SiC，SiAlON中的一种或者他们之间的复相陶瓷；

步骤2)：氧化亚铜浆料，其特征由下述原料按质量百分比制成：

氧化亚铜颗粒50%-80%、氯醋树脂或聚酯树脂1.5%-5%、溶剂10%-40%、防沉剂0.1%-2%、增稠剂0.1%-3%；

所述溶剂为乙二醇乙醚或者松油醇中一种或者两种；所述的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、二（二辛基焦磷酰基）含氧乙酸脂钛的一种或者几种；所述的防沉剂为聚乙烯蜡、聚酰胺蜡、油酸酰胺蜡的一种或者几种；

氧化亚铜浆料的制备，可采用如下方法之一：

方法Ⅰ：包括如下步骤：

a)：将氯醋树脂或聚酯树脂溶于溶剂之中，然后用在70-90℃恒温加热至完全溶解，过滤制得有机载体；

b)：将氧化亚铜颗粒、防沉剂和增稠剂加入到步骤a)中获得的有机载体中，搅拌均匀，制得浆料；

方法Ⅱ：包括如下步骤：

a)：将氯醋树脂或聚酯树脂溶于溶剂之中，然后用在70-90℃恒温加热至完全溶解，过滤制得有机载体；

b)：将增稠剂在酒精中稀释成体积比为0.5%-5%的溶液，搅拌均匀；

c)：将氧化亚铜颗粒加入到步骤b）制得的溶液中，搅拌均匀，后在60-70℃烘干，研磨粉碎；

d)：将步骤c）制备氧化亚铜颗粒与防沉剂加入到步骤a)中制得的有机载体中，搅拌均匀，制得浆料；

步骤3)：将步骤2）制备的氧化亚铜浆料，涂覆于步骤1）处理后的陶瓷基板上，形成线路图形；

步骤4)：将步骤3）制备陶瓷基板在100-300℃烘干后，经过高温1100℃-1200℃在空气中烧结1-3小时后，在陶瓷表面获得涂层；

步骤5)：将步骤4）制备陶瓷基板在还原气氛中经400℃-800℃还原1-3小时，在陶瓷表面获得铜层；

步骤6)：将步骤5）制备的陶瓷基板进行表面镀膜，获得表面金属层光滑致密的陶瓷基板。

本发明的有意效果在于通过在陶瓷基板表面采用厚膜技术结合敷铜原理实现金属化。无需薄膜制备工艺所需昂贵的镀膜设备和复杂工艺以及直接覆铜的特殊技术；同时结合直接覆铜的原理提高金属层与陶瓷的敷接强度，减少热冲击带来的剥落问题，同时又采用厚膜和电镀化学镀的方法提高表面平整度，并且结合丝网印刷、光刻或者直接喷涂技术实现表面线路线路图形化。

 

附图说明

1 陶瓷基板表面金属化制备工艺流程图；

2 陶瓷基板结构示意图；

3 陶瓷基板用于LED封装的结构示意图。

 

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例，仅用于说明本发明，但并不限于本发明的实施范围：

本发明以下的实施例中所采用的氧化亚铜颗粒、氯醋树脂或聚酯树脂、乙二醇乙醚、松油醇、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、二（二辛基焦磷酰基）含氧乙酸脂钛、聚乙烯蜡、聚酰胺蜡、油酸酰胺蜡都是从市场上可获得的。

实施例1

步骤1：在70℃恒温条件下，将5克氯醋树脂溶于40克乙二醇乙醚中，至完全溶解，过滤得有机载体；将3克γ-氨丙基三乙氧基硅烷在乙醇中稀释成体积比为5%的溶液，后加入粒径为10μm的50克氧化亚铜颗粒，搅拌均匀，在70℃烘干，将研磨粉碎后的颗粒、2克聚乙烯蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将氧化铝陶瓷经过机械抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用丝网印刷将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在300℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1150℃保温2小时后随炉冷却，然后将制得的基板放入管式炉中，在N₂+H₂的混合气体（体积比为2:1）中加热至800℃还原1小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用电镀在铜层表面制备Cu/Ni/In层，获得成品。

 

实施例2

步骤1：在90℃恒温条件下，将1.5克聚酯树脂溶于5克乙二醇乙醚和10克松油醇中，至完全溶解，过滤得有机载体；将0.1克乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷在乙醇中稀释成体积比为0.1%的溶液，后加入粒径为0.1μm的80克氧化亚铜颗粒，搅拌均匀，在60℃烘干，将研磨粉碎后的颗粒、0.1克聚酰胺蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将SiC陶瓷经过机械抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用喷涂辅以掩膜的方式将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在100℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1200℃保温1小时后随炉冷却。然后将制得的基板放入管式炉中，在Ne+NH₃的混合气体（体积比为1:1）中加热至400℃还原3小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用化学镀在铜层表面制备Mg/Cr/Ag层，获得成品。

 

实施例3

步骤1：在80℃恒温条件下，将3克聚酯树脂溶于35克松油醇中，至完全溶解，过滤得有机载体；将1克二（二辛基焦磷酰基）含氧乙酸脂钛在乙醇中稀释成体积比为1%的溶液，后加入粒径为50μm的60克氧化亚铜颗粒，搅拌均匀，在65℃烘干，将研磨粉碎后的颗粒、1克油酸酰胺蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将氮化铝陶瓷经过化学抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用旋转涂膜辅以光刻的方式将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在200℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1100℃保温2小时后随炉冷却。然后将制得的基板放入管式炉中，在Ar+CO的混合气体（体积比为2:1）中加热至600℃还原2小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用蒸镀在铜层表面制备Zn/Cr/Sn层，获得成品。

 

实施例4

步骤1：在70℃恒温条件下，将3克氯醋树脂溶于10克乙二醇乙醚和20克松油醇中，至完全溶解，过滤得有机载体；将1.5克乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷在乙醇中稀释成体积比为2%的溶液，后加入粒径为5μm的70克氧化亚铜颗粒，搅拌均匀，在70℃烘干，将研磨粉碎后的颗粒、1.5克聚酰胺蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将SiAlON陶瓷经过化学抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用旋转涂膜辅以掩膜的方式将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在300℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1100℃保温2小时后随炉冷却。然后将制得的基板放入管式炉中，在Ne+CH₄的混合气体（体积比为2:1）中加热至500℃还原2小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用磁控溅射在铜层表面制备Fe/Ti/Al层，获得成品。

 

实施例5

步骤1：在70℃恒温条件下，将3克氯醋树脂溶于20克乙二醇乙醚和20克松油醇中，至完全溶解，过滤得有机载体；将1克γ-氨丙基三乙基硅烷，粒径为5μm的55克氧化亚铜颗粒、1克聚乙烯蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将氧化铝陶瓷经过机械抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用丝网印刷的方式将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在200℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1150℃保温2小时后随炉冷却。此时涂层中有机物燃烧挥发完毕，获得致密的氧化铜涂层，氧化铜与氧化铝界面层发生共晶反应，紧密结合。然后将制得的基板放入管式炉中，在N₂+H₂的混合气体（体积比为2:1）中加热至600℃还原2小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用化学气相沉积法在铜层表面制备Cu/Ni/Au层，获得成品，这样就获得了的LED高导热封装基板。

 

实施例6

步骤1：在70℃恒温条件下，将2克氯醋树脂溶于25克乙二醇乙醚和10克松油醇中，至完全溶解，过滤得有机载体；将0.5克乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷，粒径为1μm的65克氧化亚铜颗粒、1克油酸酰胺蜡加入到上述有机载体中，搅拌均匀，得到浆料；

步骤2：将氧化铝陶瓷经过机械抛光后在乙醇中超声清洗，烘干；随后用喷涂辅以掩膜的方式将步骤1制得的浆料涂覆陶瓷基板上形成线路图形，在200℃条件下烘干；

步骤3：将步骤2制得的带有涂层的陶瓷基板放入电炉中，空气中加热至1150℃保温2小时后随炉冷却。此时涂层中有机物燃烧挥发完毕，获得致密的氧化铜涂层，氧化铜与氧化铝界面层发生共晶反应，紧密结合。然后将制得的基板放入管式炉中，在N₂+H₂的混合气体（体积比为4:1）中加热至600℃还原2小时，表面获得铜层；

步骤4：将步骤3制得的陶瓷基板利用离子镀法在铜层表面制备Cu/Ag层，获得成品，这样就获得了的LED高导热封装基板。

通过本发明方法制备的陶瓷基板适于大功率LED、微电子器件、电力电子器件、光电子器件、MEMS器件的封装。参见图1至图3例举的LED封装结构，其中，附图标记：1～陶瓷基板、2～线路层，3～金线，4～粘结层或共晶焊接层，5～LED芯片。

上述实施例并非是对可实现本发明目的的全部实施例进行的穷举，总之，当氧化亚铜颗粒大小为0.1μm-50μm；陶瓷基板上形成的线路图形的厚度为20-150μm；还原气氛为，氢气，CO，NH3，CH4的一种或几种，或者与氮气，氦气，氖气,氩气的一种或者几种的混合气体；镀膜方式为电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀或化学气相沉剂中的一种或者几种复合；镀膜金属为Cu，Ni，Ti，Al，Au，Mg，Fe、Zn、Mo、Mn、Co、In、Ag，Cr，Sn的一种或者几种的复合；按照本发明的基本构思，采用本方法中的工艺步骤、工艺条件均能够实现本发明的目的。

Claims (12)

1.一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)：用机械或化学的方法处理陶瓷表面的油污或杂质，再经抛光得到平整表面，所述的陶瓷为氧化铝，氮化铝，SiC，SiAlON中的一种或者他们之间的复相陶瓷；

步骤2)：氧化亚铜浆料，其由下述原料按质量百分比制成：

氧化亚铜颗粒50%-80%、氯醋树脂或聚酯树脂1.5%-5%、溶剂10%-40%、防沉剂0.1%-2%、增稠剂0.1%-3%；

所述溶剂为乙二醇乙醚或者松油醇中一种或者两种；所述的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、二（二辛基焦磷酰基）含氧乙酸脂钛的一种或者几种；所述的防沉剂为聚乙烯蜡、聚酰胺蜡、油酸酰胺蜡的一种或者几种；

氧化亚铜浆料的制备，包括如下步骤：

a)：将氯醋树脂或聚酯树脂溶于溶剂之中，然后用在70-90℃恒温加热至完全溶解，过滤制得有机载体；

b)：将增稠剂在酒精中稀释成体积比为0.5%-5%的溶液，搅拌均匀；

c)：将氧化亚铜颗粒加入到步骤b）制得的溶液中，搅拌均匀，后在60-70℃烘干，研磨粉碎；

d)：将步骤c）制备氧化亚铜颗粒与防沉剂加入到步骤a)中制得的有机载体中，搅拌均匀，制得浆料；

步骤3)：将步骤2）制备的氧化亚铜浆料，涂覆于步骤1）处理后的陶瓷基板上，形成线路图形；

步骤4)：将步骤3）制备陶瓷基板在100-300℃烘干后，经过高温1100℃-1200℃在空气中烧结1-3小时后，在陶瓷表面获得涂层；

步骤5)：将步骤4）制备陶瓷基板在还原气氛中经400℃-800℃还原1-3小时，在陶瓷表面获得铜层；

步骤6)：将步骤5）制备的陶瓷基板进行表面镀膜，获得表面金属层光滑致密的陶瓷基板。

2.根据权利要求1所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述的氧化亚铜颗粒大小为0.1μm-50μm。

3.根据权利要求1或2所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中采用的涂覆工艺为丝网印刷，喷涂或者旋转涂膜并结合预制掩膜或光刻实现线路图形化。

4.根据权利要求3所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述线路图形的厚度为20-150μm。

5.根据权利要求4所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中的还原气氛为，氢气，CO，NH₃，CH₄的一种或几种，或者与氮气，氦气，氖气,氩气的一种或者几种的混合气体。

6.根据权利要求5所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中采用的镀膜方式为电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀或化学气相沉积中的一种或者几种复合；所述的镀膜金属为Cu，Ni，Ti，Al，Au，Mg，Fe、Zn、Mo、Mn、Co、In、Ag，Cr，Sn、Pt、Pd的一种或者几种的复合。

7.一种用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)：用机械或化学的方法处理陶瓷表面的油污或杂质，再经抛光得到平整表面，所述的陶瓷为氧化铝，氮化铝，SiC，SiAlON中的一种或者他们之间的复相陶瓷；

步骤2)：氧化亚铜浆料，其由下述原料按质量百分比制成：

氧化亚铜颗粒50%-80%、氯醋树脂或聚酯树脂1.5%-5%、溶剂10%-40%、防沉剂0.1%-2%、增稠剂0.1%-3%；

所述溶剂为乙二醇乙醚或者松油醇中一种或者两种；所述的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、二（二辛基焦磷酰基）含氧乙酸脂钛的一种或者几种；所述的防沉剂为聚乙烯蜡、聚酰胺蜡、油酸酰胺蜡的一种或者几种；

氧化亚铜浆料的制备，包括如下步骤：

a)：将氯醋树脂或聚酯树脂溶于溶剂之中，然后用在70-90℃恒温加热至完全溶解，过滤制得有机载体；

b)：将氧化亚铜颗粒、防沉剂和增稠剂加入到步骤a)中获得的有机载体中，搅拌均匀，制得浆料；

步骤3)：将步骤2）制备的氧化亚铜浆料，涂覆于步骤1）处理后的陶瓷基板上，形成线路图形；

步骤4)：将步骤3）制备陶瓷基板在100-300℃烘干后，经过高温1100℃-1200℃在空气中烧结1-3小时后，在陶瓷表面获得涂层；

步骤5)：将步骤4）制备陶瓷基板在还原气氛中经400℃-800℃还原1-3小时，在陶瓷表面获得铜层；

步骤6)：将步骤5）制备的陶瓷基板进行表面镀膜，获得表面金属层光滑致密的陶瓷基板。

8.根据权利要求7所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述的氧化亚铜颗粒大小为0.1μm-50μm。

9.根据权利要求7或8所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中采用的涂覆工艺为丝网印刷，喷涂或者旋转涂膜并结合预制掩膜或光刻实现线路图形化。

10.根据权利要求9所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述线路图形的厚度为20-150μm。

11.根据权利要求10所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中的还原气氛为，氢气，CO，NH₃，CH₄的一种或几种，或者与氮气，氦气，氖气,氩气的一种或者几种的混合气体。

12.根据权利要求11所述的用于大功率LED封装的陶瓷基板的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中采用的镀膜方式为电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀或化学气相沉积中的一种或者几种复合；所述的镀膜金属为Cu，Ni，Ti，Al，Au，Mg，Fe、Zn、Mo、Mn、Co、In、Ag，Cr，Sn、Pt、Pd的一种或者几种的复合。

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