CN112968110B - 一种全无机封装大功率led器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED封装技术领域,提供了一种全无机封装大功率LED器件及其制作方法。其中制作方法包括:制作包含基板和围坝的支架:在基板的非围坝覆盖区域制作贯穿基板且对称间隔分布的两个通孔组件,并在围坝和基板内制作连通该通孔组件的传热通道以在支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔;然后在基板对应位置上分别制作第一焊盘对和第二焊盘对;使用高温共烧陶工艺对该支架进行烧结;在收容空腔中制作热传导结构:先在收容空腔中形成金属毛细结构,然后抽真空,注入制冷液,最后密封;将LED芯片焊接在第一焊盘对上;将盖板焊接在围坝上。本发明提供的制作方法简单易实现,通过增加LED器件散热面积来显著提升散热性能,适用于制作大功率LED。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装技术领域,更具体而言,涉及一种全无机封装大功率LED器件及其制作方法。
背景技术
UV LED电光转换效率低,大部分能量转化为热量发出。UV LED结温要求较高,热衰较快,因而目前行业内多采用导热率较高的覆铜氮化铝陶瓷支架(铜的导热系数为377W/m·K,氮化铝陶瓷单晶理论导热系数为170W/m·K以上)来提升器件散热性能。随着UV LED行业发展及其产品越来越高的要求,更高功率、更低热阻、更高可靠性的UV LED器件应用将会是未来趋势。目前UV LED器件散热依靠氮化铝和铜这两种材料,但是利用单一的材料导热性能始终有极限,对于集成度高、功率大的UV LED器件,即使是铜的导热系数仍然无法满足散热要求,导致器件热量升高,UV LED芯片结温上升而出现光衰。
发明内容
本发明提供了一种全无机封装大功率LED器件及其制作方法,以解决现有技术中通过使用具有高导热性能的材料来提升LED器件的散热性能的方法无法满足集成度高、功率大的UV LED器件的散热要求问题。
本发明一方面提供了一种制作全无机封装大功率LED器件方法,所述方法包括:
制作支架:提供第一陶瓷柸片,将所述第一陶瓷柸片制作成包含基板和围坝的支架,基板包括第一表面及相对设置的第二表面,围坝设于第一表面;在基板的非围坝覆盖区域制作贯穿基板且对称间隔分布的两个通孔组件,并在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔;然后在基板的第一表面制作覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对及在基板的第二表面制作覆盖两个所述收容空腔的第二焊盘对,并在所述第二焊盘对上制作连通所述收容空腔的圆孔;
使用高温共烧陶工艺对所述支架进行烧结;
在所述收容空腔中制作热传导结构:制备金属浆料,并通过圆孔将所述金属浆料均匀灌入所述收容空腔,然后加热灌有金属浆料的支架以在所述收容空腔中形成金属毛细结构;将所述收容空腔的真空度抽成预设真空度后,向其中注入制冷液,然后再对所述收容空腔进行密封;
提供LED芯片,将所述LED芯片焊接在所述第一焊盘对上;
提供盖板,将所述盖板焊接在所述围坝上。
优选的,所述在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔,包括:
沿所述基板的边缘位置制作贯穿所述基板且对称间隔分布的两个半口字型的第一凹槽,并在所述基板的介于所述第一凹槽和所述通孔组件之间位置上制作连通所述第一凹槽和所述通孔组件的连通槽;按照所述第一凹槽在所述基板上的位置,在所述围坝的对应位置上制作不贯穿所述围坝且对称间隔分布的两个半口字型的第二凹槽。
优选的,所述在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔,包括:
沿所述基板的边缘位置制作贯穿所述基板且对称间隔分布的两个半口字型的第一凹槽,并在所述基板的介于所述第一凹槽和所述通孔组件之间位置上制作连通所述第一凹槽和所述通孔组件的连通槽;按照所述第一凹槽在所述基板上的位置,在所述围坝的对应位置上制作贯穿所述围坝且对称间隔分布的两个半口字型的第二凹槽;
所述制作支架,还包括:提供第二陶瓷柸片,将所述第二陶瓷柸片制作成覆盖所述围坝顶端的盖片以对所述第二凹槽的顶端进行密封。
优选的,采用冲压工艺或CNC工艺在所述基板上制作所述第一凹槽、所述通孔组件以及所述连通槽;以及
采用冲压工艺或CNC工艺在所述围坝上制作所述第二凹槽。
优选的,所述在基板的第一表面制作覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对及在基板的第二表面制作覆盖两个所述收容空腔的第二焊盘对,并在所述第二焊盘对上制作连通所述收容空腔的圆孔,包括:
在基板第一表面固定覆盖所述第一表面的第一钨片及在基板第二表面固定覆盖所述第二表面的第二钨片;
采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述第一钨片以形成两个对称间隔分布的第一焊盘,及采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述第二钨片以形成两个对称间隔分布的第二焊盘,及采用湿法刻蚀工艺在所述第二焊盘上形成所述圆孔。
优选的,所述制作方法还包括:在烧结后的围坝顶部制作焊接层;
所述将所述盖板焊接在所述围坝上,包括:将所述盖板焊接在所述焊接层上。
优选的,所述在烧结后的围坝顶部制作焊接层,包括:
采用电子束蒸发工艺在烧结后的围坝顶部蒸镀金属膜作为所述焊接层,所述金属膜的材料选自金属Cr、Ti、Ni或Au中的任意一种或者多种的组合。
本发明另一方面提供了一种全无机封装大功率LED器件,所述全无机封装大功率LED器件包括支架、LED芯片和盖板;所述支架包括基板和围坝,所述基板的中间位置上设有贯穿所述基板且对称间隔分布的两个通孔组件,每个所述通孔组件中包括至少一个通孔,相邻所述通孔间相连通;所述基板包括第一表面及相对设置的第二表面,所述基板的第一表面设有覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对,所述LED芯片设于所述第一焊盘对上;所述围坝设于所述第一表面且围设在所述第一焊盘对周围,所述盖板设于所述围坝的远离所述第一表面侧;所述围坝和所述基板内还设有连通所述通孔组件的传热通道,所述传热通道与所述通孔组件共同形成收容空腔,所述收容空腔中形成有金属毛细结构;所述基板的第二表面还设有覆盖所述收容空腔的第二焊盘对,所述第一焊盘对和所述第二焊盘对通过所述金属毛细结构实现电连通;所述收容空腔内形成预设真空度,所述金属毛细结构中填充有制冷液。
优选的,所述传热通道包括设于所述基板内的第一凹槽及设于所述围坝内的第二凹槽,所述第一凹槽的一端与所述通孔组件相连通,所述第一凹槽的另一端与所述第二凹槽相连通。
优选的,所述第一凹槽呈半口字型或呈1字型;和/或
所述第二凹槽呈半口字型或呈1字型。
与现有技术相比,本发明提供的全无机封装大功率LED器件的制作方法简单易实现,而通过在支架内部形成连通的收容空腔,并在收容空腔中制作热传导结构,利用制冷液的气相/液相变化机制将LED芯片工作时产生的热量传导至围坝以及基板的边缘区域,实现增加整个LED器件的散热面积,从而提升LED器件散热性能的目的,因此本发明提供的制作方法尤其适用于制作大功率LED器件。
附图说明
图1是本发明一个实施例制作全无机封装大功率LED器件的方法流程示意图;
图2是图1所示方法中各步骤对应的LED器件的剖视结构示意图;
图3是图2中基板的俯视结构示意图;
图4是图2中围坝的仰视结构示意图;
图5是图1所示方法中焊盘的制作过程示意图;
图6是图5(c)的正视结构示意图;
图7是图5(c)的俯视结构示意图;
图8是本发明另一个实施例中制作的全无机封装大功率LED器件的剖视结构示意图;
图9是本发明又一个实施例中制作的全无机封装大功率LED器件的剖视结构示意图;
图10是图9中围坝和盖片的俯视结构示意图;
图11是本发明实施例全无机封装大功率LED器件与现有技术中全无机封装LED器件的热力分布模拟示意对比图;
图12是本发明实施例全无机封装大功率LED器件与现有技术中全无机封装LED器件的LED芯片的结温随驱动电流的变化趋势图;
附图标记:全无机封装大功率LED器件100;基板1;第一表面11;第二表面12;第一凹槽13;通孔组件14;通孔141;连通槽15;第一隔板16;LED芯片2;围坝3;第二凹槽31;第二隔板321;盖片33;盖板4;第一焊盘对5;第一正极焊盘51;第一负极焊盘52;第一钨片53;第二焊盘对6;第二正极焊盘61;第二负极焊盘62;第二钨片63;圆孔64;标记65;收容空腔7;金属毛细结构8;焊接层9。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
图1为本发明一个实施例制作全无机封装大功率LED器件的方法流程示意图,图2是图1所示方法中各步骤对应的LED器件沿图3中A-A向的剖视结构示意图,图3是图2中基板的俯视结构示意图,图4是图2中围坝的仰视结构示意图,图5是图1所示方法中焊盘的制作过程示意图,图6是图5(c)的正视结构示意图,图7是图5(c)的俯视结构示意图。需要说明的是,若有实质上相同的结果,本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限。如图1所示,该方法包括:
步骤S101:制作支架:提供一陶瓷柸片,将该陶瓷柸片制作成包含基板1和围坝3的支架,基板1包括第一表面11及相对设置的第二表面12,围坝3设于第一表面11;在基板1的非围坝覆盖区域制作贯穿基板1且对称间隔分布的两个通孔组件14,沿基板1的边缘位置制作贯穿基板1且对称间隔分布的两个半口字型的第一凹槽13,并在基板1的介于第一凹槽13和通孔组件14之间位置上制作连通该第一凹槽13和通孔组件14的连通槽15;按照第一凹槽13在基板1上的位置,在围坝3的对应位置上制作不贯穿该围坝3且对称间隔分布的两个半口字型的第二凹槽31;第二凹槽31、第一凹槽13、连通槽15以及通孔组件14之间依次连通以在支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔7;然后在基板的第一表面11制作覆盖两个通孔组件14的第一焊盘对5及在基板的第二表面12制作覆盖两个收容空腔7的第二焊盘对6,并在第二焊盘对6上制作连通收容空腔7的圆孔64。
步骤S102:使用高温共烧陶(HTCC)工艺对该支架进行烧结。
步骤S103:在烧结后的围坝3顶部制作焊接层9。
步骤S104:在收容空腔7中制作热传导结构:制备金属浆料,并通过圆孔64将该金属浆料均匀灌入收容空腔7中,然后加热灌有金属浆料的支架以在收容空腔7中形成金属毛细结构8;将收容空腔7的真空度抽成预设真空度后,向其中注入制冷液,最后对该收容空腔7进行密封。
步骤S105:提供LED芯片2和盖板4,先将LED芯片2焊接在第一焊盘对5上,然后将盖板4焊接在焊接层9上。
具体的,在步骤S101中,使用机械加工方式,如冲压工艺或CNC工艺,在基板1上制作第一凹槽13、通孔组件14以及连通槽15,制得的基板1的俯视图如图3中所示。需要说明的是,在本实施例中,每个通孔组件14包括两个通孔141,相邻通孔141之间相连通。在本发明其他实施例中,每个通孔组件14也可以只包括一个通孔141,或者包括更多个通孔141,但是每个通孔组件14中,相邻通孔141之间相连通,可以减少在第二焊盘对6上设置的圆孔64的个数、减少后续抽真空次数、灌金属浆料次数等,达到简化工艺的效果。同理,使用机械加工方式,如冲压工艺或CNC工艺,在围坝3上制作第二凹槽31,制得的围坝3的仰视图如图4中所示。
需要说明的是,在本实施例中,基板1和围坝3分别为两个独立的结构,可以分开制作相应凹槽结构,后期经过高温共烧陶(HTCC)工艺烧结成一体结构。可选的,在本发明其他实施例中,基板1和围坝3也可以为一体成型结构,如图8中所示,具体制作方法可以为:提供一个相比较于实施例更厚的陶瓷柸片,陶瓷柸片包括上下相对设置的两个表面,先自上表面中心位置凹陷形成围坝以及用于设置LED芯片的收容空间,然后在非围坝区域制作贯穿陶瓷柸片且对称间隔分布的两个通孔组件,以及自下表面边缘位置凹陷形成一个更深的凹槽(凹陷深度可以为本实施例中第一凹槽和第二凹槽的凹陷深度和),再在该更深的凹槽和通孔组件之间位置上制作连通槽,通孔组件、连通槽、该更深的凹槽之间依次连通以形成对称间隔设置的两个收容空腔。第一焊盘对和第二焊盘对的制作方法同本实施例。
需要说明的是,在本实施例中,将第二凹槽31的深度控制在未贯穿围坝3。在本发明其他实施例中,如图9中所示,在围坝3的对应位置上制作贯穿该围坝3的第二凹槽31(如图10中所示),支架还包括一个由陶瓷柸片制成的较薄的呈回字型盖片33(如图10中所示),用于对第二凹槽31的顶端进行密封。具体也是通过步骤S102中的高温共烧陶(HTCC)工艺与围坝3烧结成一体结构。
优选的,在步骤S101中,陶瓷柸片的材质为氮化铝材料,其导热系数高。
具体的,在步骤S101中,结合图5-7中所示,第一焊盘对5和第二焊盘对6通过如下方法制作:先分别在第一表面11上固定第一钨片53以及在第二表面12上固定第二钨片63。具体的,该第一钨片53覆盖第一表面11,第二钨片63覆盖第二表面12。更具体的,第一钨片53的厚度为40-60μm,如50μm厚;第二钨片63的厚度为90-110μm,如100μm厚。然后采用湿法刻蚀工艺分别刻蚀该第一钨片53和第二钨片63,以分别得到第一焊盘对5(如图5(c)和图6中所示)和第二焊盘对6(如图5(b)和图7中所示)。其中,第二焊盘对6上还刻蚀有圆孔64,圆孔64与收容空腔7相连通,作为后续灌入金属浆料、抽真空以及注入制冷液的通道。需要说明的是,在本实施例中,圆孔对64设置在基板1的边缘区域,与第一凹槽13连通。在本发明的其他实施例中,也可以将圆孔64设置在通孔组件14所在位置以与通孔组件14相连通,或者将圆孔64设置在连通槽15所在位置以与连通槽15连通。无论哪种设置方式,位于LED器件同侧的圆孔与收容空腔相连通,以便后续进行灌入金属浆料、抽真空以及注入制冷液操作。另外,第二焊盘对上刻蚀有标记65,用于区分正负电极。
具体的,在步骤S102中,通过使用高温共烧陶(HTCC)工艺对支架进行烧结后得到如图2(a)中所示的结构。从图2(a)中可以看到,两个收容空腔7沿第一隔板16所在平面对称间隔分布。
具体的,在步骤S103中,采用电子束蒸发方式在烧结后的围坝顶部蒸镀金属膜作为焊接层,如图2(b)中所示,焊接层用于后续与镀膜盖板焊接。可选的,金属膜的材料选自金属Cr、Ti、Ni或Au中的任意一种或者多种的组合。在一优选实施例中,在围坝顶部依次蒸镀金属Cr、Ti、Ni、Au。
具体的,在步骤S104中,先制备金属浆料。可选的,制备金属浆料过程包括:先按照金属固形物的质量占金属浆料总质量的83~90%的比例配置金属固形物和有机物,然后进行混合得到金属浆料。有机物在加热过程中挥发,金属固形物烧结后形成金属毛细结构8。其中,金属固形物又包括第一金属粉末和第二金属粉末。金属毛细结构8是整体通气的连接状态,整体的疏松致密程度是由金属固形物与有机物的质量比决定,也受第一金属粉末和第二金属粉末的质量比和尺寸比例影响。在一优选实施例中,第一金属粉末由铜粉组成,第二金属粉末由铜粉或者银粉组成,第一金属粉末呈球状,第二金属粉末呈球状或者正四面体状,且第一金属粉末的颗粒平均粒径与第二金属粉末的颗粒平均粒径或颗粒平均边长比例为2.5:1~4:1。在该优选实施例中,有机物包括扩散剂、稳定剂和有机溶剂。其中,扩散剂选自丙烯酸、丙烯酰胺中的任意一种或两种的组合,其用于对第一金属粉末及第二金属粉末(主要是对第二金属粉末)的表面进行润湿,降低颗粒间的表面能,从而使得第一金属粉末和第二金属粉末均匀分散在有机溶剂中。稳定剂由醋酸乙酯等热稳定性相对较强的有机物组成,其作用是保持金属浆料的整体物理形态稳定性。有机溶剂选自乙醇、甲苯异丁基甲酮中的任意一种或两种的组合,其用于包裹以上材料,并保持金属浆料的流动性。
需要说明的是,第一焊盘对5和第二焊盘对6是金属毛细结构8实现电连接,因此,为了使金属毛细结构8在第一焊盘对5和第二焊盘对6之间起到稳定的导电作用,将金属浆料中金属固形物的质量占比控制在83~90%。更优选的,控制金属浆料中金属固形物的质量占比为85~88%。可以理解的是,当金属固形物含量过高时,如超过本发明中限定的90%时,金属浆料的流动性显著降低,会大大增加将其均匀填充到收容空腔7中的操作难度。而当金属固形物含量过低时,如低于本发明中限定的83%时,试验发现会降低第一焊盘对5与第一焊盘对6之间的电连接稳定性,当LED芯片2长期在不稳定的电连接下工作时,会严重缩短LED芯片2的使用寿命。
具体的,在步骤S104中,当金属浆料制备完成后,使用中空焊管通过圆孔64对将该金属浆料灌入至收容空腔7中,再使用真空离心搅拌机,使金属浆料均匀灌满在收容空腔7中;最后加热收容空腔7中的金属浆料形成金属毛细结构8。可选的,加热收容空腔中的金属浆料形成金属毛细结构8的过程包括:先在220-230℃下烘烤80-100min以挥发质量占比约99.5%的有机物,然后在阶梯温度下进行烧结,如按照如下阶梯温度150-270-380-550-300℃进行烧结,烧结结束后得到金属毛细结构8。优选的,先在225℃下烘烤90min。优选的,在550℃烧结时,保持烧结时间大于45min。
具体的,在步骤S104中,金属毛细结构8制作完成后,继续使用中空焊管通过圆孔将收容空腔7中的真空度抽成预设真空度,然后使用中空焊管向其中注入制冷液(图2(c)中未示出),最后将中空焊管通电与钨片形成电阻焊接至圆孔64,以对收容空腔7进行密封,密封后的结构图如图2(c)中所示。金属毛细结构8和制冷液共同形成热传导结构。优选的,制冷液选自去离子水、酒精、甲醇、丙酮或其它低沸点且不导电液体中的任意一种。为了使制冷液较容易吸热蒸发为气态,将收容空腔7内的预设真空度设置为制冷液的临界真空度。比如,当制冷液为去离子水时,将收容空腔内的预设真空度设置为5.031-5.6235kPa。
可以理解的是,制冷液的注入量,与金属毛细结构8中毛细孔的总体积呈正相关,且不完全充满金属毛细结构8的毛细孔。经过多次试验,优选控制制冷液的液态体积(即呈液态时的体积)占毛细孔总体积的15~18%即可。
具体的,在步骤S105中,先使用锡膏焊接或者共晶工艺将LED芯片固晶焊接在第一焊盘对上,然后将镀有焊接层的盖板共晶焊接在围坝顶部的焊接层上,制成全无机封装大功率LED器件,如图2(d)中所示。可选的,LED芯片2为UV LED芯片。
本实施例提供的全无机封装大功率LED器件的制作方法简单易实现,而通过在支架内部形成连通的收容空腔7,并在收容空腔7中制作热传导结构,利用制冷液的气相/液相变化机制将LED芯片2工作时产生的热量传导至围坝3以及基板1的边缘区域,实现增加整个LED器件的散热面积,从而提升LED器件散热性能的目的,因此本实施例提供的制作方法尤其适用于制作大功率LED器件。
本发明另一方面还提供了一种全无机封装大功率LED器件100,请结合图2-10所示,该全无机封装大功率LED器件100包括支架、LED芯片2、盖板4,支架又包括基板1和围坝3;其中,基板1包括第一表面11及相对设置的第二表面12,第一表面11上设有第一焊盘对5,围坝3设于第一表面11且围设在第一焊盘对5周围;LED芯片2设于第一焊盘对5上且与其电性连接;盖板4焊接于围坝3的远离基板1侧,盖板4悬空于LED芯片2的上方。
具体的,如图2中所示,第一焊盘对5包括对称间隔分布的第一正极焊盘51和第一负极焊盘52,LED芯片2的正极与该第一正极焊盘51电性连接,LED芯片2的负极与该第一负极焊盘52电性连接。
进一步的,如图2中所示,基板1的与围坝3相对位置上设有自第一表面11朝向第二表面12方向凹陷形成的两个呈对称间隔分布的第一凹槽13,围坝3的与基板1相对位置上设有自围坝3的靠近第一表面11侧朝向远离第一表面11方向凹陷形成的两个呈对称间隔分布的第二凹槽31,位于LED器件100同侧的第一凹槽13与第二凹槽31相连通。
进一步的,如图2中所示,第二表面12的与第一焊盘对5相对位置上设有第二焊盘对6,基板1的介于第一焊盘对5和第二焊盘对6之间位置上贯穿开设两个呈对称间隔分布的通孔组件14,基板1上还形成有连通通孔组件14和第一凹槽13的连通槽15。
具体的,如图2中所示,第二焊盘对6包括对称间隔分布的第二正极焊盘61和第二负极焊盘62,其中,第一正极焊盘51和第二正极焊盘61位于LED器件100同一侧,第一负极焊盘52和第二负极焊盘62位于LED器件100同另一侧。每个通孔组件14中包括至少一个通孔141,相邻通孔141之间相连通,如本实施例图3中所示每个通孔组件14由2个通孔141组成,相邻通孔141之间连通。
需要说明的是,如图2,3,5,6中所示,基板1的中间位置上形成有第一隔板16,以将LED芯片2的正极电通道和负极电通道隔开。优选的,在本实施例中,第一焊盘对5、第二焊盘对6、两个第一凹槽13、两个第二凹槽31、两个通孔组件14、两个连通槽15均沿该第一隔板16所在平面对称。
进一步的,如图2中所示,通孔组件14、连通槽15、第一凹槽13和第二凹槽31共同形成收容空腔7。结合图2中所示,收容空腔7中形成有金属毛细结构8,第一焊盘对5和第二焊盘对6通过该金属毛细结构8实现电连通。收容空腔7内形成预设真空度,该金属毛细结构8中填充有制冷液(图中未示出)。在收容空腔7内形成预设真空度,有利于制冷液吸收热量汽化。
需要说明的是,金属毛细结构8呈致密金属网状结构,包含很多交错设置的毛细孔,制冷液在毛细孔的毛细作用力下,可以从第二焊盘对6的位置被吸至第一焊盘对5位置或者靠近第一焊盘对5位置。
本实施例提供的高热可靠性全无机封装LED器件100,制冷液在金属毛细结构8的毛细作用力下被吸至第一焊盘对5或者靠近第一焊盘对5位置,当LED芯片2工作时,产生热量,因为收容空腔7内形成预设真空度,所以靠近第一焊盘对5(即热源周围)的制冷液可以很容易地吸收热量而蒸发为气态,气态下的制冷液分子间相互挤压,流动性增强,流动到其它温度相对低的毛细孔内,如形成于围坝3内的金属毛细结构8的毛细孔中时或者基板1的边缘区域时,冷却变为液态,然后又通过毛细作用力被吸至第一焊盘对5或者靠近第一焊盘对5位置,进行下一轮的吸热蒸发,循环往复。通过在基板1和围坝3上形成连通的收容空腔7,并在其中形成金属毛细结构8以及填充制冷液,再利用制冷液的气相/液相变化机制将LED芯片2工作时产生的热量传导至围坝3,实现除了通过基板1第二表面12散热外,还能通过围坝3进行散热。而现有技术中的实心围坝主要用于支撑盖板实现全无机封装,几乎不起散热功能,并且基板边缘区域起到的散热效果不显著,因此,本发明提供的全无机封装大功率LED器件100相比较于现有技术,在传统直接热传递模型上增加制冷液热传递模型,使LED芯片工作时产生的热量迅速传递至围坝以及基板边缘散热区域,使得整体散热面积显著增加,因此散热性能能够得到显著提升,具备高热可靠性。
在一优选实施例中,该金属毛细结构8是通过将金属浆料均匀灌入收容空腔7再加热后形成,并且,为了使金属毛细结构8在第一焊盘对5和第二焊盘对6之间起到稳定的导电作用,控制金属浆料中金属固形物的质量占比为83~90%。更优选的,控制金属浆料中金属固形物的质量占比为85~88%。可以理解的是,当金属固形物含量过高时,如超过本发明中限定的90%时,金属浆料的流动性显著降低,会大大增加将其均匀填充到收容空腔7中的操作难度。而当金属固形物含量过低时,如低于本发明中限定的83%时,试验发现会降低第一焊盘对5与第一焊盘对6之间的电连接稳定性,当LED芯片2长期在不稳定的电连接下工作时,会严重缩短LED芯片2的使用寿命。
可选的,金属浆料包括金属固形物和有机物,金属固形物又包括第一金属粉末和第二金属粉末,有机物在加热过程中挥发,金属固形物烧结形成金属毛细结构8。金属毛细结构8是整体通气的连接状态,整体的疏松致密程度是由金属固形物与有机物的质量比决定,也受第一金属粉末和第二金属粉末的质量比和尺寸比例影响。在一优选实施例中,第一金属粉末呈球状,第二金属粉末呈球状或者正四面体状,且第一金属粉末的颗粒平均粒径与第二金属粉末的颗粒平均粒径或颗粒平均边长比例为2.5:1~4:1。
可选的,第一金属粉末由铜粉组成,第二金属粉末由铜粉或者银粉组成。
在该优选实施例中,有机物包括扩散剂、稳定剂和有机溶剂。其中,扩散剂选自丙烯酸、丙烯酰胺中的任意一种或两种的组合,其用于对第一金属粉末及第二金属粉末(主要是对第二金属粉末)的表面进行润湿,降低颗粒间的表面能,从而使得第一金属粉末和第二金属粉末均匀分散在有机溶剂中。稳定剂由醋酸乙酯等热稳定性相对较强的有机物组成,其作用是保持金属浆料的整体物理形态稳定性。有机溶剂选自乙醇、甲苯异丁基甲酮中的任意一种或两种的组合,其用于包裹以上材料,并保持金属浆料的流动性。
具体的,加热金属浆料形成金属毛细结构8的过程包括:先在220-230℃下烘烤80-100min,以挥发质量占比约99.5%的有机物,然后在阶梯温度下进行烧结,如按照如下阶梯温度150-270-380-550-300℃进行烧结,烧结结束后得到金属毛细结构8。优选的,先在225℃下烘烤90min。优选的,在550℃烧结时,保持烧结时间大于45min。
在一些可选实施例中,制冷液选自去离子水、酒精、甲醇、丙酮或其它低沸点且不导电液体中的任意一种。优选的,为了使制冷液较容易吸热蒸发为气态,将收容空腔7内的预设真空度设置为制冷液的临界真空度。比如,当制冷液为去离子水时,将收容空腔7内的预设真空度设置为5.031-5.6235kPa。
可以理解的是,制冷液的注入含量,与金属毛细结构8中毛细孔的总体积呈正相关,且不完全充满金属毛细结构8的毛细孔。经过多次试验,优选控制制冷液的液态体积(即呈液态时的体积)占毛细孔总体积的15~18%即可。
在上述实施例的基础上,在一优选实施例中,如图2,3,5中所示,为了降低在基板1上加工形成连通槽对15的工艺难度,设置第一凹槽对13贯穿基板1,连通槽15自第二表面12朝向第一表面11方向凹陷形成,即可实现连通第一凹槽13和通孔组件14的作用。需要说明的是,为了保证收容空腔7的密封性以及基板1对围坝3内周壁的支撑作用,设置连通槽15不贯穿基板1的第一表面11。
在本发明的其它实施例中,如图9,10中所示,支架还包括盖片33,第二凹槽31沿LED器件100的厚度方向(如图9中所示的Z方向)贯穿围坝3,盖片33盖合在围坝3顶端以对第二凹槽31进行密封。围坝3的与第一隔板16相对位置上形成有第二隔板321,第二隔板321连接围坝3的内周壁和外周壁。第二隔板321同样用于将LED芯片2的正极电通道和负极电通道隔开。需要说明的是,在本发明的其它实施例中,围坝3与盖片33也可以为一体成型结构,如图2中所示。
在上述实施例基础上,在一实施例中,基板1与围坝3为一体成型结构,如图8中所示。
在上述实施例基础上,在一实施例中,围坝3与盖板4之间夹设焊接层9,该焊接层9用于将盖板4焊接在围坝3上。优选的,该焊接层9由金属Cr、Ti、Ni、Au依次层叠形成。
在上述实施例基础上,在一实施例中,盖板4为石英玻璃。
在上述实施例基础上,在一实施例中,LED芯片2为UV LED芯片。
需要说明的是,第一凹槽13和第二凹槽31沿LED器件100的厚度方向的投影形状不仅限于图3,4,6,10中所示的半“口”字形结构,也可以为其它形状,如“1”字形。但是其形状会影响LED器件100的整体散热面积大小,比如,在本实施例中,第一凹槽13和第二凹槽31沿LED器件100的厚度方向的投影形状均呈半“口”字形结构,围坝3的四周壁均可以用于辅助散热,因此LED器件100的总散热面积有5面。当第一凹槽13和第二凹槽31沿LED器件100的厚度方向的投影形状均呈“1”字形时,围坝3只有2面参与散热,因此LED器件100的总散热面积有3面。
在上述优选实施例基础上,在一具体实施例中,基板1和围坝3的材料均为氮化铝;第一焊盘对5和第二焊盘对6的材料均为钨片,具体的,第一焊盘对5为50μm厚度的钨片,第二焊盘对6为100μm厚的钨片;第一凹槽13和第二凹槽31沿LED器件100的厚度方向的投影形状均呈半“口”字形结构。当LED芯片工作时,测量了该LED器件不同关键点的温度,并通过MATLAB软件模拟了LED芯片工作时,LED器件的热力分布图,如图11(a)中所示。同时,按照同样的方法测量了具有实心围坝结构的LED器件不同关键点的温度,并通过MATLAB软件模拟了LED芯片工作时,LED器件的热力分布图,如图11(b)中所示。对比发现,本发明提供的LED器件,当LED芯片工作,产生热量时,其热量从LED芯片所在中心位置向围坝四周及基板边缘区域呈扩散趋势;而现有技术中的具有实心围坝结构的LED器件,当LED芯片工作,产生热量时,其热量均集中在LED芯片周围,实心围坝及基板边缘区域看不到热量分布。可见,本发明提供的LED器件相比较于现有技术,由于增加了围坝作为散热面,因此整体散热面积显著增加,从而散热性能能够得到显著提升,具备高热可靠性。
另外,结合图12所示,图12为本发明中的LED器件的LED芯片的结温Tj(℃)与现有技术中具有实心围坝结构的LED器件的LED芯片的结温Tj(℃)随着驱动电流增大的变化趋势图。从图12中可以看到,本发明中的LED器件的LED芯片的结温(实施例)低于现有技术中的LED器件的LED芯片的结温(对照例),并且,随着驱动电流的逐渐增大,本发明中的LED器件的散热性能优势越显著,可见,本发明提供的LED器件结构相比较于现有技术具有更高的散热性能,尤其适用于大功率LED芯片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制作全无机封装大功率LED器件方法,其特征在于,所述方法包括:
制作支架:提供第一陶瓷柸片,将所述第一陶瓷柸片制作成包含基板和围坝的支架,基板包括第一表面及相对设置的第二表面,围坝设于第一表面;在基板的非围坝覆盖区域制作贯穿基板且对称间隔分布的两个通孔组件,并在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔;然后在基板的第一表面制作覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对及在基板的第二表面制作覆盖两个所述收容空腔的第二焊盘对,并在所述第二焊盘对上制作连通所述收容空腔的圆孔;
使用高温共烧陶工艺对所述支架进行烧结;
在所述收容空腔中制作热传导结构:制备金属浆料,并通过所述圆孔将所述金属浆料均匀灌入所述收容空腔,然后加热灌有金属浆料的支架以在所述收容空腔中形成金属毛细结构;将所述收容空腔的真空度抽成预设真空度后,向其中注入制冷液,然后再对所述收容空腔进行密封;
提供LED芯片,将所述LED芯片焊接在所述第一焊盘对上;
提供盖板,将所述盖板焊接在所述围坝上。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔,包括:
沿所述基板的边缘位置制作贯穿所述基板且对称间隔分布的两个半口字型的第一凹槽,并在所述基板的介于所述第一凹槽和所述通孔组件之间位置上制作连通所述第一凹槽和所述通孔组件的连通槽;按照所述第一凹槽在所述基板上的位置,在所述围坝的对应位置上制作不贯穿所述围坝且对称间隔分布的两个半口字型的第二凹槽。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在围坝和基板内制作连通所述通孔组件的传热通道以在所述支架上形成对称间隔分布的两个收容空腔,包括:
沿所述基板的边缘位置制作贯穿所述基板且对称间隔分布的两个半口字型的第一凹槽,并在所述基板的介于所述第一凹槽和所述通孔组件之间位置上制作连通所述第一凹槽和所述通孔组件的连通槽;按照所述第一凹槽在所述基板上的位置,在所述围坝的对应位置上制作贯穿所述围坝且对称间隔分布的两个半口字型的第二凹槽;
所述制作支架,还包括:提供第二陶瓷柸片,将所述第二陶瓷柸片制作成覆盖所述围坝顶端的盖片以对所述第二凹槽的顶端进行密封。
4.如权利要求2或3所述的方法,其特征在于,采用冲压工艺或CNC工艺在所述基板上制作所述第一凹槽、所述通孔组件以及所述连通槽;以及
采用冲压工艺或CNC工艺在所述围坝上制作所述第二凹槽。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在基板的第一表面制作覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对及在基板的第二表面制作覆盖两个所述收容空腔的第二焊盘对,并在所述第二焊盘对上制作连通所述收容空腔的圆孔,包括:
在基板第一表面固定覆盖所述第一表面的第一钨片及在基板第二表面固定覆盖所述第二表面的第二钨片;
采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述第一钨片以形成两个对称间隔分布的第一焊盘,及采用湿法刻蚀工艺刻蚀所述第二钨片以形成两个对称间隔分布的第二焊盘,及采用湿法刻蚀工艺在所述第二焊盘上形成所述圆孔。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在烧结后的围坝顶部制作焊接层;
所述将所述盖板焊接在所述围坝上,包括:将所述盖板焊接在所述焊接层上。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述在烧结后的围坝顶部制作焊接层,包括:
采用电子束蒸发工艺在烧结后的围坝顶部蒸镀金属膜作为所述焊接层,所述金属膜的材料选自金属Cr、Ti、Ni或Au中的任意一种或者多种的组合。
8.一种全无机封装大功率LED器件,其特征在于,所述全无机封装大功率LED器件包括支架、LED芯片和盖板;所述支架包括基板和围坝,所述基板的中间位置上设有贯穿所述基板且对称间隔分布的两个通孔组件,每个所述通孔组件中包括至少一个通孔,相邻所述通孔间相连通;所述基板包括第一表面及相对设置的第二表面,所述基板的第一表面设有覆盖两个所述通孔组件的第一焊盘对,所述LED芯片设于所述第一焊盘对上;所述围坝设于所述第一表面且围设在所述第一焊盘对周围,所述盖板设于所述围坝的远离所述第一表面侧;所述围坝和所述基板内还设有连通所述通孔组件的传热通道,所述传热通道与所述通孔组件共同形成收容空腔,所述收容空腔中形成有金属毛细结构;所述基板的第二表面还设有覆盖所述收容空腔的第二焊盘对,所述第一焊盘对和所述第二焊盘对通过所述金属毛细结构实现电连通;所述收容空腔内形成预设真空度,所述金属毛细结构中填充有制冷液。
9.如权利要求8所述的全无机封装大功率LED器件,其特征在于,所述传热通道包括设于所述基板内的第一凹槽及设于所述围坝内的第二凹槽,所述第一凹槽的一端与所述通孔组件相连通,所述第一凹槽的另一端与所述第二凹槽相连通。
10.如权利要求9所述的全无机封装大功率LED器件,其特征在于,所述第一凹槽呈半口字型或呈1字型;和/或
所述第二凹槽呈半口字型或呈1字型。
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Denomination of invention: A fully inorganic packaged high-power LED device and its manufacturing method Effective date of registration: 20231026 Granted publication date: 20220211 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: HUAYINXIN (WUHAN) TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980062852 |