CN102683570A - 一种复合陶瓷基板封装的白光led及其制备方法 - Google Patents

一种复合陶瓷基板封装的白光led及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于LED光源技术领域，具体为一种在复合陶瓷基板上封装的白光发光二极管(LED)。本发明白光发光二极管包括散热基板、LED芯片、金丝连线、荧光粉和硅胶，其中所述散热基板采用复合陶瓷基板，该复合陶瓷基板由纳米基质陶瓷添加纳米晶高热导陶瓷材料经烧结制成，即由60-95%摩尔的纳米基质陶瓷和5-40%摩尔的纳米添加陶瓷组成，并在表面实施陶瓷金属化。本发明利用纳米晶高热导陶瓷材料添加入陶瓷基体材料中，形成纳米晶网络，实现高热导网络热传导路径，降低以此陶瓷材料封装的白光LED热阻；本发明制造白光LED封装结构简单、热阻小、高效、抗光衰能力佳、成本低；适用于制造低成本高效大功率白光LED。

Description

一种复合陶瓷基板封装的白光LED及其制备方法
技术领域
本发明属于LED光源技术领域，具体涉及一种白光发光二极管(LED)及其制备方法，更具体的说，涉及一种复合陶瓷基板上封装的白光LED及其制备方法。
背景技术
自从1993年日本科学家中村修二发明商用氮化物蓝光发光二极管(LED)以来，氮化物LED的研究和应用获得爆炸性的扩展。其中，以大功率白光LED技术为主的半导体固态照明，具有电光转换效率高、寿命长、安全、绿色环保备受世界各国政府青睐。国际上先后有美国能源部制定了固态照明计划；日本于1998年制定的“21世纪照明计划”；欧盟于2000年制定“ 彩虹计划”等，积极推广半导体照明，以便节省大量能源，减少二氧化碳排放量。
然而，到目前为止，白光LED技术转换效率还远没达到理想效率，工业水平最高为130lm/W，这使得LED电能转化为光能效率小于30%，其它超过70%的电能转化为热能，使芯片工作温度升高。如果热能不能通过有效快速散热路径，芯片工作温度将持续升高，造成效率进一步下降，热量进一步增大，温度更加升高这样一个死循环，LED将失效。由此，大功率LED散热是当前普遍遇到的技术难点。
当前主流LED芯片封装散热是把LED芯片通过固晶胶固定在铝基板上，导热性能不佳，此外还由于芯片材料的热胀系数和金属材料热胀系数相差较大，LED工作循环多次后，容易造成芯片和铝基板间微小裂缝，增大热阻并导致脱离。由此，铝片作为封装基板不是一个理想选择。为解决此类问题，势必寻找新的封装散热基板材料。陶瓷材料由于良好电气绝缘特性，与LED芯片相匹配的热胀系数等特点，成为新一代封装基板优选材料，如AlN陶瓷材料，热导系数达170W/mK。然而，AlN陶瓷材料制备困难，价格昂贵，难以大规模应用；SiC陶瓷材料价格低廉，热导系数高(单晶490W/mK，陶瓷80-270W/mK)，但SiC基板烧结温度很高，难以制备成基板。很多陶瓷基板材料趋向于价格低的氧化铝陶瓷。但氧化铝的热导系数并不高，只有24.7W/mK左右，在氧化铝陶瓷材料上封装LED功率密度仍难以提高。为此，必须在价格和性能方面寻找适当的平衡点。我们通过研究发现，可以把高热导材料如纳米SiC或AlN或C纳米线添加入Al2O3基质陶瓷中，形成复合材料，烧结形成陶瓷基板，并在基板上封装白光LED。此复合陶瓷优点是：烧结温度不是太高，热导系数大，原因是基板材料以Al2O3材料为基体，纳米添加相如SiC或AlN可以分布在Al2O3颗粒缝隙之间，形成SiC或AlN导热网络，电声子热传导除了可以通过Al2O3传导外，还可以通过第二相如纳米SiC网络导热，形成基质相和添加相两相并联电声子热传导机制，提高复合材料的热导率；此外，由于添加相是纳米结构，可以填补基质陶瓷颗粒之间缝隙，增强陶瓷材料的韧性，如纳米SiC添加入Al2O3增强机制。此外，此陶瓷如若用于LED，表面必须覆铜金属化，以便能够固晶。当前工业化通常是通过在陶瓷表面压延铜片，之后通过加热高温，使铜与陶瓷融合，称为共晶焊。也可采用溅射方法在陶瓷表面溅射覆铜，使铜原子在陶瓷表面附着力增强，制备得高性能覆铜陶瓷金属化基板。
在获得上述金属化陶瓷基板上，继续刻蚀电路，按照LED封装工艺，利用COB技术单颗粒封装LED或集成封装LED，可以制备得到低热阻高效LED颗粒或LED光源模块。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低热阻、高性能的大功率白光LED及其制备方法。
本发明提供的大功率白光LED，采用复合陶瓷基板作为散热基板；所述基板是通过在基质陶瓷材料中添加高热导第二相陶瓷材料经烧结制备而成，具有高导热、高绝缘、成本低、韧性好，与芯片热胀系数匹配，制作电气线路简单的特点；在此基板上封装LED芯片，可以简化封装结构，缩短散热路径；所制备LED热阻小、效率高、光衰小、寿命长、成本低，适用于大功率LED照明。
本发明提供的大功率白光LED，其基本构造包括散热基板、LED芯片、金丝连线、荧光粉和硅胶，其中，散热基板采用复合陶瓷基板，该复合陶瓷基板由含有60-95%摩尔的纳米基质陶瓷和5-40%摩尔的纳米添加陶瓷经烧结制成，并在表面实施陶瓷金属化。  
本发明中，所述纳米基质陶瓷可以是纳米氧化铝或纳米氮化铝，纳米添加陶瓷可以是纳米碳化硅、纳米氮化铝、碳纳米线或纳米氧化银等。例如：所述复合陶瓷基板可以由5-40%摩尔的纳米碳化硅添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，可以由5-40%摩尔的纳米氮化铝添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，可以由5-40%摩尔的碳纳米线添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，可以由5-40%摩尔的碳纳米线添加入60-95%摩尔的纳米氮化铝组成，可以由5-40%摩尔的纳米氧化银添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成。
本发明中，所述纳米基质陶瓷和纳米添加陶瓷的晶体形态可以是纳米颗粒或纳米晶须；纳米基质陶瓷优选纳米颗粒，纳米添加陶瓷优选纳米晶须。更为具体的是，纳米基质陶瓷的纳米颗粒粒径为10-1000nm，优选30-100nm；纳米添加陶瓷的纳米颗粒径粒为10-500nm，优选20-100nm；纳米添加陶瓷的纳米晶须的直径为10-500nm，长度为1-50μm，优选直径为10-100nm，长度为1-10μm。其中，纳米晶须形成复合材料具有热导性好，韧性强，强度高等优点。不同比例纳米基质陶瓷和纳米添加陶瓷混合可以调节基板导热系数，得到适用不同要求LED复合陶瓷基片。
本发明所需纳米氧化铝、碳化硅、氮化铝、碳纳米线、氧化银原材料均可以从市场上购得；纳米氧化铝也可以用共沉淀法按现有技术制备得到：称量适量AlCl3·6H2O，加入适量去离子水，搅拌溶化成溶液，之后在适当温度下加入氨水，共沉淀生成Al(OH)3，过滤烘干可制备得到不同纳米径粒的氧化铝粉末。 
本发明所述白光LED制作包括两个部分：制作复合陶瓷板和在基板上封装白光LED。
I. 纳米复合陶瓷板制作，具体包括纳米复合陶瓷粉末均匀化，复合陶瓷粉末烧结成型化，基片表面金属化，铜膜或铜/银双层膜线路化线路化四个阶段。
(1) 纳米复合陶瓷粉末均匀化。推荐利用湿法球磨法，具体为混合物粉料适当搅拌均匀后装入球磨机球磨罐中球磨均匀化。其中，为防止球磨过程中颗粒团聚，根据需要，粉末中添加聚酯类、聚酯盐类或聚氨酯类分散稳定剂，如BYK104S等；也可添加表面活性剂，如NP9、NP10、OP15等，调制纳米粒子的表面，促进纳米粒子自组装。分散稳定剂和表面活性剂的添加种类和用量是本领域技术人员所熟知或依据现有技术确定。
(2) 复合陶瓷粉末烧结成型化。利用等静压制作生坯，生坯高温烧结成型。具体是从上述球磨罐中取出陶瓷粉末，必要时适当加入粘结剂（如聚乙二烯醇）；粉末装入模具并在模具中等静压成型制成生坯料，等静压压强推荐50-300MPa；模具退模，生坯料取出；高温氮气氛围常压或热压烧结，烧结温度推荐为1600-1800 oC；陶瓷片表面抛光。本步骤涉及等静压压力和烧结温度是本技术领域技术人员所熟知，可根据现有技术确定。
(3)基片表面金属化。技术方案可采取共晶焊法或溅射覆铜法，优选溅射覆铜法。所述共晶焊法，包括铜箔在陶瓷表面压延；压延后烧结，烧结温度900-1100 oC得到铜膜，厚度为1-10μm。烧结目的是使铜原子扩散进入陶瓷基体，增加粘结力。所述溅射覆铜法按常用射频溅射法溅射铜膜在陶瓷基片上，铜膜厚度0.2-2μm，具体工艺参数按本技术领域人员所熟知或根据现有技术确定；还可以在上述溅射铜膜上再溅射一层银膜，银膜厚度20-200nm。
(4)铜膜，或铜/银双层膜线路化。利用湿法刻蚀工艺刻蚀铜膜，或铜/银双层膜电气线路。电气线路的参数和图案按单颗粒LED芯片封装和多颗粒芯片封装要求具体确定。
II. 在复合陶瓷板上封装白光LED
利用常规COB(chip on board)封装工艺单颗粒封装或多芯片集成封装制作白光LED,基本步骤如下：
(1) 固晶，将单颗LED芯片或多芯片用焊锡层固定在上述复合陶瓷板的碗杯上。推荐利用金锡焊料焊接；金锡焊料中金锡合金重量比4：1，焊接温度为300-310oC；金锡焊料共晶熔化后降温，将LED芯片固定在金属化基板上。 
(2) 打金线，将LED芯片正负电极利用金丝连接到基板正负电极上。
(3) 荧光胶涂覆，将含有荧光粉的硅胶涂覆在LED芯片上，转换芯片蓝光成白光，制成白光LED。
具体工艺参数按本技术领域人员所熟知或根据现有技术确定。 
本发明的重要创新是采用复合陶瓷基板材料封装白光LED，降低LED热阻和成本。其原理是利用高热导纳米晶陶瓷添加入基体陶瓷材料中，形成纳米晶网络，电子声子热导不仅在基质陶瓷材料中传递，也通过纳米晶网络传递，实现热并联传递路径，提高陶瓷基片材料的导热系数和韧性，降低成本，也即降低封装其上白光LED整体热阻和成本。
本发明有益效果是：白光LED封装结构简单，热阻小，高效，抗光衰能力佳，成本低廉；适用于制造低成本高效大功率白光LED。
附图说明
图1 是本发明一个实施例的结构示意图。
图中标号：1.纳米基质陶瓷颗粒，2.纳米添加陶瓷，3.碗杯内环，4.碗杯外环，5.铜膜，6.刻蚀槽，7.发光芯片，8.金锡焊料，9. 金丝连线，10.黄色荧光胶。
具体实施方式
本发明中使用的术语，除另有说明，具有一般专业领域普通技术人员所理解含义。
下面结合具体实施例和附图1对本发明进行详细说明。
具体制备步骤如下：
1、称取纳米添加陶瓷和纳米基质陶瓷粉末，以5-40%摩尔和60-95%摩尔的比例搅拌混合。
2、上述混合物初步搅拌混合均匀，利用球磨机球磨混合。
3、等静压制作生坯，生坯高温烧结成型。具体是从上述球磨罐中取出陶瓷粉末；适当加入粘结剂如聚乙二烯醇黏胶；粉末装入模具中并在模具中等静压成型制成生坯料，等静压压强50-300MPa；所述生坯料由纳米基质陶瓷颗粒1 和纳米添加陶瓷颗粒2 组成复合陶瓷生坯料；生坯料带有内环碗杯3 和外环碗杯4；其特征是碗杯内环直径5mm，深0.5mm；外环碗杯直径8mm，深0.2mm。
4、模具退模，生坯料取出。
5、高温常压或热压烧结，烧结温度推荐为1600-1800 oC，保温时间1-10小时。待降温适中，从炉腔中取出陶瓷片。
6、陶瓷片表面抛光。
7、基片表面金属化。技术方案可采取共晶焊技术和溅射法，推荐采用射频溅射法。溅射铜膜5，其特征是铜膜厚度0.5 -2μm，推荐1μm；或铜/银双层膜5，其特征是铜/银双层膜铜膜厚度0.5 -2μm，推荐1μm；银膜厚20-200nm，推荐100nm。
8、铜膜，铜/银双层膜线路化。利用标准湿法刻蚀工艺刻蚀铜膜，铜/银双层膜电气线路，形成刻蚀槽6。刻蚀电流其特征是可以刻蚀单芯片封装线路；也可以刻蚀多芯片封装线路；根据实际LED灯具要求确定线路设计。
9、将LED芯片7 用焊锡层8 固定在上述基板固晶杯铜膜5 上，具体是利用金锡焊料焊接；金锡合金重量比4：1，焊接温度300-310oC；金锡焊料共晶融化后降温，将LED芯片固定在金属化基板上。
10、利用金丝球焊机在LED芯片正负极打金线9 在基板正负极。
11、将含黄色银光粉荧光胶10 覆盖LED芯片。
12、在60-150 oC烘烤上述LED 1-5小时，待荧光胶固化得陶瓷基板封装白光LED。
为更进一步解释清楚复合陶瓷基板LED制备，下面以具体实施例说明。
实施例1  称量适量AlCl3·6H2O，加入适量去离子水，搅拌溶化成溶液，在适当60 oC温度下加入1: 5的氨水，共沉淀生成Al(OH)3，过滤烘干可制备得到氧化铝粉末。其后，按Al2O3/SiC为4：1的比例在氧化铝粉末中加入纳米碳化硅粉体(碳化硅可从中科院北京化冶所购买，平均直径30nm)，混合均匀，经球磨、等静压成型、制作生坯，在氮气常压气氛炉中以1600-1750 oC烧结。其中，等静压压强为80Mpa，常压高温烧结保温时间10小时，待温度降到300 oC以下，取出得到直径3cm，厚度1.2mm带有3个耳孔陶瓷基片。经下列工艺制备得到LED：
1、陶瓷片表面抛光。
2、利用酒精，丙酮清洗表面，用去离子水冲洗干净并在200oC烘烤10-60分钟。
3、在陶瓷表面利用射频等离子体溅射制作铜/银膜；铜/银双层膜厚度分别为1μm和100nm。
4、利用标准湿法刻蚀工艺刻蚀铜膜电气线路，制作三颗粒固晶杯。
5、将三颗LED芯片固定在上述基板固晶杯上，具体是利用金锡焊料焊接；金锡合金重量比4：1，焊接温度300oC；金锡焊料共晶融化后降温，将LED芯片固定在覆铜基板上。
6、利用金丝球焊机在LED芯片正负极打线在基板正负极。
7、将含黄色银光粉荧光胶填充三个固晶杯，完全覆盖三个LED芯片。
8、在120 oC烘烤上述LED 1小时，待荧光胶固化得陶瓷基板封装LED。
实施例2  称量适量氧化铝粉末和氧化银粉末，按Al2O3/AgO为10：1的比例混合均匀，经球磨、等静压成型、制作生坯，在常压气氛炉中以1600-1750 oC烧结。其中，等静压压强为100Mpa，常压高温烧结保温时间10小时，待温度降到300 oC以下，取出得到直径3cm，厚度1.2mm带有3个耳孔陶瓷基片。经与实施例1相同工艺制备得到LED。
实施例3  称量适量氧化铝粉末和氮化铝粉末，按Al2O3/AlN为4：1的比例混合均匀，经球磨、等静压成型、制作生坯，在常压气氛炉中以1600-1750 oC烧结。其中，等静压压强为100Mpa，常压高温烧结保温时间10小时，待温度降到300 oC以下，取出得到直径3cm，厚度1.2mm带有3个耳孔陶瓷基片。经与实施例1相同工艺制备得到LED。

Claims (6)

1. 一种复合陶瓷基板封装的白光LED，包括散热基板、LED芯片、金丝连线、荧光粉和硅胶，其特征在于，所述散热基板采用复合陶瓷基板，该复合陶瓷基板由含有60-95%摩尔的纳米基质陶瓷和5-40%摩尔的纳米添加陶瓷经烧结制成，并在其表面实施陶瓷金属化。
2. 根据权利要求1所述的白光LED，其特征在于，所述纳米基质陶瓷是纳米氧化铝或纳米氮化铝，所述纳米添加陶瓷是纳米碳化硅、纳米氮化铝、碳纳米线或纳米氧化银。
3. 根据权利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述复合陶瓷基板由5-40%摩尔的纳米碳化硅添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，或者由5-40%摩尔的纳米氮化铝添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，可或者由5-40%摩尔的碳纳米线添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成，或者由5-40%摩尔的碳纳米线添加入60-95%摩尔的纳米氮化铝组成，或者由5-40%摩尔的纳米氧化银添加入60-95%摩尔的纳米氧化铝组成。
4. 根据权利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述纳米基质陶瓷和纳米添加陶瓷的晶体形态是纳米颗粒或纳米晶须。
5. 根据权利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述纳米基质陶瓷的纳米颗粒粒径为10-1000nm，纳米添加陶瓷的纳米颗粒径粒为10-500nm；纳米添加陶瓷的纳米晶须的直径为10-500nm，长度为1-50μm。
6.一种如权利要求1所述的白光LED的制备方法，其特征在于具体步骤包括两个阶段：制作复合陶瓷基板和封装白光LED；
I. 制作纳米复合陶瓷板，包括纳米复合陶瓷粉末均匀化，复合陶瓷粉末烧结成型化，基板表面金属化，铜膜或铜/银双层膜线路化四个步骤：
(1) 纳米复合陶瓷粉末均匀化，利用湿法球磨法，将混合陶瓷粉料搅拌均匀后装入球磨机球磨罐中球磨均匀化；
(2) 复合陶瓷粉末烧结成型化，利用等静压制作生坯，生坯高温烧结成型，其步骤是从上述球磨罐中取出陶瓷粉末，装入模具，并在模具中等静压成型制成生坯料，等静压压强为50-300MPa；模具退模，生坯料取出；高温氮气氛围常压或热压烧结，烧结温度为1600-1800 oC；陶瓷片表面抛光；
(3)复合基板表面金属化，采取共晶焊法或溅射覆铜法，所述共晶焊法，包括铜箔在陶瓷表面压延；压延后烧结，烧结温度900-1100 oC得到铜膜，厚度为1-10μm；所述溅射覆铜法按射频溅射法溅射铜膜在陶瓷基片上，铜膜厚度0.2-2μm，或者在上述溅射铜膜上再溅射一层银膜，银膜厚度20-200nm；
(4)铜膜，或铜/银双层膜线路化，利用湿法刻蚀工艺刻蚀铜膜，或铜/银双层膜电气线路，电气线路的参数和图案按单颗粒LED芯片封装和多颗粒芯片封装要求具体确定；
II. 封装白光LED
利用COB封装工艺单颗粒封装或多芯片集成封装制作白光LED。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20120919

Assignee: Taizhou Huaqiang Lighting Equipment Co., Ltd.

Assignor: Fudan University

Contract record no.: 2013320000089

Denomination of invention: White light LED (Light Emitting Diode) packaged on composite ceramic substrate and preparation method thereof

License type: Exclusive License

Record date: 20130312

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151202

Termination date: 20180515

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