CN102709439B

CN102709439B - Led陶瓷支架的制备方法

Info

Publication number: CN102709439B
Application number: CN201210139133.8A
Authority: CN
Inventors: 吴朝晖; 刘浩; 韦元宝; 徐芳莉
Original assignee: Dongguan Kechenda Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Yanzong Industry Investment Development Co.,Ltd.
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102709439A

Abstract

本发明公开一种LED陶瓷支架及其制备方法，包括陶瓷基板和铜线路；该陶瓷基板上设有通孔，该铜线路穿过该通孔，铜线路与陶瓷基板之间设有钛层，该钛层的厚度为0.05～0.2μm；LED陶瓷支架依次经过打孔、超声波清洗、离子源蚀刻、磁控溅镀、化学沉铜、贴干膜、曝光、显影、电镀加厚、镀锡、去干膜、去钛、铜层及去锡步骤制成；藉此，由于采用导热系数大于20W/m·K的Al₂O₃陶瓷作为基材，故而散热性好；由于采用超声波清洗、离子源蚀刻及磁控溅射对陶瓷基板进行处理，并配合溅镀合适厚度的钛层，因此各金属层附着力高；本发明制备方法重复性好，成本低，产品结构精细，散热性好，布线精度高，产品可直接用作精密型高功率LED芯片支架。

Description

LED陶瓷支架的制备方法

技术领域

本发明涉及LED支架领域技术，尤其是指一种LED陶瓷支架及其制备方法。

背景技术

LED（Light Emitting Diode）是发光二级管的简称，是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，其核心是LED 芯片，由P 型和N型半导体材料构成PN 结，通过电子和空穴在PN 结内的复合，将电能转化为光。与自炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小，全固态，长寿命，环保，省电等一系列优点，已广泛用于通用照明，汽车照明、扮饰照明、电话闪光灯、大中尺寸显示屏光源模块中，被公众广泛认可为继白炽灯、气体放电灯之后的第三代革命性照明光源。

LED芯片支架是一种底座电子元件，是LED封装的重要元件之一，主要为LED芯片及其相互联线提供机械承载、支撑、气密性保护和促进LED器件散热等功能。近年来，随着半导体材料和封装工艺的完善、光通量和出光效率的提高，功率型LED已在城市景观、交通标志、LCD背光源、汽车照明、广告牌等特殊照明领域得到应用，并向普通照明市场迈进。然而，随着LED芯片输入功率的不断提高，大耗散功率带来的大发热量及要求高的出光效率给LED芯片支架提出了更新、更高的要求。对高功率LED产品来讲，其芯片支架要求具有高电绝缘性、高稳定性、高导热性及与芯片匹配的热膨胀系数(CTE)、平整性和较高的强度。

传统上最常用作LED芯片支架的有FR4印刷电路板（PCB）、金属芯印刷电路板(MCPCB)及贴片式PPA支架。PCB板和PPA支架的热传导率约在0.3W/(m·K)左右、热膨胀系数约在13～17ppm/K。其优点是技术相对成熟，成本低廉，缺点是热性能较差，一般只能应用于传统的低功率LED。MCPCB板是将热导系数相对高的金属(如铝、铜)装进PCB板内，以此来强化散热效果。但MCPCB板中绝缘层导热系数极低，因此绝缘层成为该结构基板的散热瓶颈，影响整个基板的散热效果，使得整体的热导率也只为1～2.2 W/(m·K)；同时由于绝缘层的存在，使得其无法承受高温焊接，从而影响了封装工艺的实施，限制了封装结构的优化，因此不利于LED散热。

陶瓷材料具有高的导热系数、与LED芯片相近的热膨胀系数、高耐热及抗紫外辐射等特点，能有效地解决热歪斜及黄化问题，应用于LED支架极具竞争力。采用低温共烧技术制备的LTCC陶瓷支架在LED产业中已经被使用，但LTCC为了降低烧结温度，于材料中加入了玻璃材料,使整体的热传导率降低至2～3W/mK之间。再者，LTCC 使用网印方式印制线路，使线路本身具有线径宽度不够精细、以及网版张网问题，导致线路精准度不足、表面平整度不佳等现象，加上多层叠压烧结又有基板收缩比例的问题要考量，并不符合高功率小尺寸的需求。因此，开发出同时具有高散热性、高布线精度的LED陶瓷支架将极大促进高功率LED在照明领域的应用和推广。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种LED陶瓷支架及其制备方法，其能有效解决现有之LED支架散热能力不足和布线精度不高等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种LED陶瓷支架，包括有陶瓷基板以及设置于陶瓷基板上的铜线路；该陶瓷基板上设置有通孔，该铜线路穿过该通孔，铜线路的上下两端分别延伸并露出陶瓷基板的上下表面，铜线路与陶瓷基板之间设置有钛层，该钛层的厚度为0.05～0.2μm。

作为一种优选方案，所述陶瓷基板的主要成分为氧化铝，氧化铝的质量百分含量大于95%。

作为一种优选方案，所述陶瓷基板和铜线路的上下表面均镀有镍层，该镍层的表面上镀有金层或银层。

作为一种优选方案，所述金层或银层的厚度为5～10μm。

一种LED陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：

（1）打孔，在陶瓷基板上进行打孔而形成通孔，为LED陶瓷支架的导电连接作前处理；

（2）超声波清洗，对打孔后的陶瓷基板进行超声波清洗，然后烘干，去除陶瓷基板表面及通孔内壁面上的杂质和沾污；

（3）离子源蚀刻，对超声波清洗后的陶瓷基板表面及通孔内壁面进行线性离子源蚀刻处理；

（4）磁控溅镀，以真空磁控溅镀方式在离子源蚀刻后的陶瓷基板表面及通孔内壁面上依序形成一钛层以及一铜层，该钛层的厚度为0.05～0.2μm；

（5）化学沉铜，利用化学沉铜消除前述步骤（4）中陶瓷基板表面及通孔内壁上不具有导电作用的气孔或者气泡，使陶瓷基板表面及通孔内壁面能够完全地导通；

（6）贴干膜、曝光、显影，在沉铜后的陶瓷基板上贴干膜，然后利用光罩于陶瓷基板的表面上进行曝光、显影处理，以获得线路图案；

（7）电镀加厚，在陶瓷基板的线路图案上电镀铜加厚，并填充前述通孔而形成铜线路；

（8）镀锡，在铜线路表层镀锡，以保护铜线路不被蚀刻掉；

（9）去干膜，去除陶瓷基板表面上残留的干膜；

（10）去钛、铜层，利用蚀刻方式去除陶瓷基板表面除铜线路以外的钛层及铜层；

（11）去锡，去除铜线路表层的锡层。

作为一种优选方案，步骤（4）中溅镀所形成的铜层厚度为0.5～2.0μm。

作为一种优选方案，步骤(5)中化学沉铜的厚度为2～5μm。

作为一种优选方案，进一步包括有以下步骤：

（12）镀镍，在前述陶瓷基板和铜线路的表面镀上镍层；

（13）镀金/银，在前述镍层的表面镀上金层或者银层。

作为一种优选方案，步骤（13）中镀金层或者银层的厚度为5～10μm。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

由于采用导热系数大于20W/m·K的Al₂O₃陶瓷作为基材，故而散热性好；由于采用超声波对陶瓷基板进行清洗，用离子源对陶瓷基板进行表面蚀刻及磁控溅射进行表面金属化，并配合溅镀合适厚度的钛层，因此各金属层附着力高；由于以曝光、显影及蚀刻方式形成导电线路，故可使线路细直平整；本发明制备方法重复性好，成本低，产品结构精细，散热性好，布线精度高，产品可直接用作精密型高功率LED芯片支架。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的工艺流程图；

图2是本发明之较佳实施例中制作过程的第一状态示意图；

图3是本发明之较佳实施例中制作过程的第二状态示意图；

图4是本发明之较佳实施例中制作过程的第三状态示意图；

图5是本发明之较佳实施例中制作过程的第四状态示意图；

图6是本发明之较佳实施例中制作过程的第五状态示意图；

图7是本发明之较佳实施例中制作过程的第六状态示意图；

图8是本发明之较佳实施例中制作过程的第七状态示意图；

图9是图8中A位置处的放大示意图。

附图标识说明：

10、陶瓷基板 11、通孔

20、铜线路 30、钛层

40、镍层 50、金层或银层

101、铜层 102、化学沉铜

103、干膜 104、光罩

105、锡层。

具体实施方式

请参照图1至图9所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有陶瓷基板10以及设置于陶瓷基板10上的铜线路20。

如图9所示，该陶瓷基板10上设置有通孔11，该陶瓷基板10的主要成分为氧化铝（Al₂O₃），氧化铝（Al₂O₃）的质量百分含量大于95%，质量百分含量大于95%的Al₂O₃陶瓷导热系数大于20W/m·K，符合高功率LED支架散热性的要求。

该铜线路20穿过该通孔11，铜线路20的上下两端分别延伸并露出陶瓷基板10的上下表面，铜线路20与陶瓷基板10之间设置有钛层30，该钛层30将铜线路20与陶瓷基板10粘结在一起，该钛层30的厚度为0.05～0.2μm；以及，该陶瓷基板10和铜线路20的上下表面均镀有镍层40，该镍层40的表面上镀有金层或银层50，该金层或银层50的厚度为5～10μm。

详述本实施例LED 陶瓷支架的制作过程，包括有打孔；超声波清洗；离子源蚀刻；磁控溅镀；化学沉铜；贴干膜、曝光、显影；电镀加厚；镀锡；去干膜；去钛、铜层；去锡；镀镍；镀金/银等步骤，具体如下：

（1）打孔，在陶瓷基板10上进行打孔而形成通孔11，为LED陶瓷支架的导电连接作前处理，如图2所示，该陶瓷基板10上打出了若干通孔11。

（2）超声波清洗，对打孔后的陶瓷基板10进行超声波清洗，然后烘干，以去除陶瓷基板10表面及通孔11内壁面上的杂质和沾污等。

（3）离子源蚀刻，对超声波清洗后的陶瓷基板10表面及通孔11内壁面进行线性离子源蚀刻处理，离子源蚀刻进一步去除了陶瓷基板10表面的杂质，使陶瓷基板10表层原子活化，提高了Al₂O₃与钛层的界面反应程度，增加了陶瓷基板10表面金属膜的附着力。

（4）磁控溅镀，如图3所示，以真空磁控溅镀方式在离子源蚀刻后的陶瓷基板10表面及通孔11内壁面上依序形成一钛层30以及一铜层101，该钛层30的厚度为0.05～0.2μm，溅镀所形成的铜层101厚度为0.5～2.0μm；在磁控溅射过程中，如果钛层30和铜层101过薄，附着力将下降；但如果增加钛层30和铜层101厚度，溅射时间将延长，生产效率将下降，而且溅射过程中陶瓷基板10温度将升高，热残余应力增加，陶瓷基板10将产生微裂纹。

由于陶瓷基板10经过超声波清洗和离子源蚀刻，并且选择了合适范围厚度的钛层，与现有技术相比，本实施例中铜层101可承受的拉力大大提升，铜层101与陶瓷基板10之间的结合强度增强，具体测试数据如表1：

表1

（5）化学沉铜，主要是在磁控溅镀钛/铜层的步骤后，因为在溅镀的过程中会形成有无数个气孔或是气泡，这些气孔或是气泡则在日后形成陶瓷基板10的电连接时，会造成无法达到完全连通的效果，而且，若是前述的通孔11的尺寸小于100μm，则溅镀过程中将无法在过小的通孔11的内壁面上形成一层导电层，所以在溅镀钛/铜层的步骤后，需进行化学沉铜102，将影响陶瓷基板10电连接的因素完全去除，也就是说，经由化学沉铜102，即可将直径过小的铜孔内壁也附上一层铜，使陶瓷基板10的上下表面实现完全地电导通，该化学沉铜102的厚度为2～5μm，化学沉铜102厚度过薄，将不能完全地消除陶瓷基板10表面残留的不具导电功能的气孔或者气泡；但如果过厚，将极大降低生产效率。

（6）贴干膜、曝光、显影，这一步骤主要是在陶瓷基板10上欲形成线路的表面贴附一层干膜103（如图4所示），干膜103是一种对紫外线反应的聚合性树脂，其功能在聚合后保护线路不被蚀刻掉。曝光步骤是将线路制成正版的光罩104后，先行定位及平贴于贴好干膜103的陶瓷基板10上，再经曝光机进行抽真空，压板及紫外线照射而完成，其中紫外线的照射将使干膜103产出聚合作用，而由于光罩104的使用，其上的线路部分紫外线无法透射，因此，干膜103上未被紫外线照射的部分将无法产生聚合作用（如图5所示）。显影步骤则是利用显影液将未产生聚合的干膜部分去除，将需要保留的线路显现出来，以此，由前述制造工艺步骤所制作出来的线路图案具有细直平整的特性。

（7）电镀加厚，这一步骤是在前述贴干膜、曝光、显影步骤中陶瓷基板10表面所形成的线路图案上电镀加厚并填充前述通孔11而形成适当厚度的铜线路20（如图6所示），由于以电镀加厚形成铜线路20，故具备理想的电传导特性及热散效果。

（8）镀锡，在铜线路20表层镀锡层105，以保护铜线路20后续“去除钛/铜层”步骤中不被蚀刻掉。

（9）去干膜，去除陶瓷基板10表面上残留的干膜103, 去除干膜103后的陶瓷基板10如图7所示。

（10）去钛、铜层，利用蚀刻方式去除陶瓷基板10表面除铜线路20以外的钛层30及铜层101。

（11）去锡，去除铜线路20表层的锡层105；

（12）镀镍，在前述陶瓷基板10和铜线路20的表面镀上镍层40，该镍层40是为避免铜线路20中的铜离子迁移至后续形成的金层或者银层50中。

（13）镀金/银，是于前述铜线路20的表面再镀上金层或者银层50，该金层或者银层50的厚度为5～10μm，此时线路将符合高功率LED芯片支架的要求。

经过上述步骤后制得的LED陶瓷支架至少具备以下优点：

1、线路细直、平整度更佳：此为高精密LED芯片支架对线路的基本要求，现通过前述曝光、显影及蚀刻步骤所产生的线路结构细密，符合高布线精度的要求，另外，通过超声波清洗和离子源蚀刻，并配合钛层的厚度为0.05～0.2μm，使得线路与陶瓷基板的结合强度更强，产品的使用性能更佳。

2、具高导热效率及电气特性：由于本发明以电镀方式直接形成适当厚度的铜线路，电传导效率佳，而铜线路本身具有理想的散热效果，因此具备理想的导电性、散热性以及稳定的物理特性。

3、制作成本低：由于本发明以电镀方式直接形成适当厚度的铜线路，其本身已具备理想的电性，并且本发明在陶瓷基板的选用上，对于氧化铝成分要求较低（大于95%），故可有效降低制造成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上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方案的范围内。

Claims

1.一种LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（3）线性离子源蚀刻，对超声波清洗后的陶瓷基板表面及通孔内壁面进行线性离子源蚀刻处理；

（4）真空磁控溅镀，以真空磁控溅镀方式在离子源蚀刻后的陶瓷基板表面及通孔内壁面上依序形成一钛层以及一铜层，该钛层的厚度为0.05～0.2μm；

（5）化学沉铜，利用化学沉铜消除前述步骤（4）中由真空磁控溅镀在陶瓷基板表面及通孔内壁上产生的不具有导电作用的气孔或者气泡，使陶瓷基板表面及通孔内壁面能够完全地导通；

（8）镀锡，在铜线路表层镀锡，以保护铜线路在后续去除铜、钛层步骤中不被蚀刻掉；

（9）去干膜，去除陶瓷基板表面上残留的干膜；

（11）去锡，去除铜线路表层的锡层。

2.根据权利要求1所述的LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：所述陶瓷基板的主要成分为氧化铝，氧化铝的质量百分含量大于95%。

3.根据权利要求1所述的LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：步骤（4）中真空磁控溅镀所形成的铜层厚度为0.5～2.0μm。

4.根据权利要求1所述的LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：步骤(5)中化学沉铜形成的铜的厚度为2～5μm。

5.根据权利要求1所述的LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：进一步包括有以下步骤：

（12）镀镍，在前述步骤（11）后的陶瓷基板和铜线路的表面镀上镍层；

（13）镀金/银，在前述镍层的表面镀上金层或者银层。

6.根据权利要求5所述的LED陶瓷支架的制备方法，其特征在于：步骤（13）中金层或者银层的厚度为5～10μm。