CN202616297U

CN202616297U - 一种高功率led散热陶瓷基板

Info

Publication number: CN202616297U
Application number: CN 201220055344
Authority: CN
Inventors: 王青山; 舒丽君; 周文贤; 谢惠姻
Original assignee: GAOXIN LOW CARBON ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GAOXIN LOW CARBON ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2022-02-20

Abstract

本实用新型公开一种高功率LED散热陶瓷基板，该产品由陶瓷胚体(1)、导电线路(2)、固晶金属层(3)、导电金属层(4)、导热金属层(5)及至少一对电极(8)组成。该陶瓷基板采用氮化铝陶瓷胚体，通过电镀工艺复合多层金属化层形成线路和金属层，结构设计合理，有效解决LED散热问题，表面平整度高，有效解决传统固晶工艺存在的问题；同时提高线路精密度及厚度，适合高功率且小尺寸LED发展需求。

Description

一种高功率LED散热陶瓷基板

技术领域

本发明涉及一种高功率LED散热陶瓷基板，该陶瓷基板可以有效地解决高功率LED的散热问题，可以广泛应用于汽车照明、交通信号灯、显示器背光、室内外照明等领域。

技术背景

全球性能源短缺和环保问题已经成为影响未来世界经济和社会发展的战略性问题，受到国家政府、科技界、企业家的极大关注和高度重视。发光二极管(Light Emitting Diode，LED)产品具有节能、环保、寿命长、启动时间短、结构牢固、体积小、高效等优势，广泛应用于显示、照明等领域，已成为引领未来照明的先进技术。随着高功率LED照明时代的来临，寻求LED散热方案已成为业界必需解决的问题。

随着LED光效的提高，一方面芯片越做越小，在一定大小的外延片，可切割的芯片数越多，从而降低单颗芯片的成本，降低了价格。如出现6mil。另一方面单芯片功率越做越大，如3W，将来往5W，10W发展。这在功率需求的照明等应用中可以减少芯片使用数，降低应用系统的成本。随着LED功率的提升，LED基板的散热能力成为其重要的材料特性之一，如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热，以降低LED芯片的温度，增加发光效率与延长LED寿命显得越来越重要。因此，基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时，重要的评估项目之一。就LED芯片承载基板的发展而言，传统PCB的基板材质具有高度商业化的特色，在LED发展初期有着相当的影响力。然而随着LED功率的提升，对散热要求越来越高，陶瓷基板材料因具有较高导热率逐渐成为高效能LED的主要散热基板材料，并逐渐被市场接受进而广泛使用。

现阶段研究较多的陶瓷散热基板种类共有高温共烧多层陶瓷(High-Temperature Co-fired Ceramic，HTCC)、低温共烧多层陶瓷基板(Low-Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)、直接接合铜基板(Direct Bonded Copper，DBC)、直接镀铜基板(Direct Plate Copper，DPC)四种。其中，LTCC散热基板在LED产业中已经被广泛的使用，但LTCC为了降低烧结温度，于材料中加入了30％～50％的玻璃材料，使整体的热传导率降低至2～3W/mK之间，比其他陶瓷基板都还要低。而且，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，以及网版张网等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虑，并不符合高功率小尺寸的需求，因此在LED产业的应用目前多以高功率大尺寸，或是低功率产品为主。而与LTCC工艺相似的HTCC，需要在1300～1600℃的高温进行烧结，属于较早期发展的技术，但由于烧结温度较高使其电极材料的选择受限，目前鲜少使用于LED产业，且HTCC与LTCC有相同的问题，亦不适用于高功率小尺寸的LED产品。为了使DBC的铜层与陶瓷基板附着性佳，必须因采用1065～1085℃高温熔炼，制造费用较高，且有基板与Cu板间有微气孔问题不易解决，使得DBC产品产能与良率受到极大的考验；再者，若要制作细线路必须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄，却造成表面平整度不佳的问题，若将产品使用于共晶/覆晶工艺的LED产品相对较为严苛。因此，目前上述的制作工艺不能有效地解决LED的散热问题。

陶瓷材料的选用。氧化铝(Al₂O₃)陶瓷导热率相对较低，在大功率、高密度封装器件运行时须强制散热才可满足要求。氧化铍(BeO)陶瓷导热性能最好，但因环保问题，基本上被淘汰。碳化硅(SiC)陶瓷金属化后键合不稳定，作为绝缘基板用时，会引起热导率和介电常数的改变。氮化铝(AlN)陶瓷具有高的导热性能，其热传导系数是Al₂O₃热传导系数10倍，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可达到目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。虽然目前国内制造技术还需改进，价格也比较昂贵，所以采用AlN陶瓷材料做绝缘导热基板已是大势所趋。

为了有效地解决LED散热问题，本发明选用AlN陶瓷材料作为陶瓷基板原材料，采用的电镀工艺不但提高了线路的精密度，增加线路的厚度提高基板的导热性能，更好地解决了LED的散热问题，提高了LED的寿命以及发光效率。而且表面平整度高、线路对位精准度误差值小，完全避免了收缩比例、网版张网、表面平整度等问题。本发明所制作的陶瓷基板产品属于新一代的陶瓷基板的研发产品，可以与LED芯片达到共晶焊接技术结合，优化的封装结构，有效解决了传统固晶工艺存在的导热率过低、厚度不易控制等问题，从而取代传统LED点胶封装生产方式。该项LED产品可运用在更苛刻的外在环境及更高亮度的照明产品上，完全可以解决高功率LED的散热问题。在高功率LED陶瓷散热领域，本发明将是最适合高功率且小尺寸LED发展需求的陶瓷散热基板。

实用新型内容

本发明的目的在于公开一种高功率LED散热陶瓷基板，该产品克服现有陶瓷基板的缺陷，解决上述现有产品的不足，有效地解决LED散热问题，表面平整度高，有效解决传统固晶工艺存在的问题，同时提高线路精密度及厚度，适合高功率且小尺寸LED发展需求。

本发明的又一目的是，提升电路的分辨能力，提高线路精密度；同时提高线路、金属层的平整度，从而可以实现与高功率LED芯片共晶，适合大功率的芯片封装作业。其线路加厚及导通孔镀铜，提高陶瓷基板散热能力，可提高产品寿命；电镀直接形成铜线路，铜线路本身具有理想的电传导特性，且同时兼具理想导热效果。因此，本发明有效解决散热问题，同时适合高功率且小尺寸LED发展需求。

为了达到上述目的，本发明一种高功率LED散热陶瓷基板采取以下的技术方案来实现。

本发明一种高功率LED散热陶瓷基板，包括一陶瓷胚体，陶瓷胚体可以为一氮化铝陶瓷胚体。采用溅镀或真空镀膜或化学镀的方式在陶瓷胚体上镀一层薄铜金属化层，再采用黄光微影及电镀方式在薄铜上镀铜金属化层和导电线路，然后在铜金属化层上电镀银或金或镍金属化层。

在陶瓷胚体正面中部有一固晶金属层，其具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层、铜金属化层、银或金或镍金属化层。

在陶瓷胚体正面设有导电金属层，具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层、铜金属化层、银或金或镍金属化层。

在陶瓷胚体背面敷设有导热金属层，其具有至少两层金属化层，从下至上依次为：薄铜金属化层、铜金属化层。

在固晶金属层两端至少布置一对电极，其具有至少三层金属化层，从下至上依次为：薄铜金属化层、铜金属化层、银或金或镍金属化层。

在陶瓷胚体正面，从电极引出导电线路，其具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层、铜金属化层、银或金或镍金属化层。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)散热佳、匹配性高。热应力系数与LED芯片匹配，提高产品的可靠性。与传统的铝基电路板MCPCB(散热系数1～2W/mk)相比，氮化铝陶瓷(170～230W/mk)具有更高的导热系数，散热效果显著，有效地解决了LED的散热问题。即使LED产品可运用在更苛刻的外在环境及更高亮度的照明产品上，也可以解决高功率LED的散热问题。

(2)可靠性高。由于氮化铝陶瓷胚体与铜金属的热膨胀系数相差较大，因此在使用中易产生热应力，在氮化铝陶瓷胚体和铜金属化层之间制备一层薄铜金属化层，作为过渡层的薄铜金属化层缓解了热应力造成的影响，提高了基板的可靠性。

(2)线路密度高。采用黄光微影、电镀等工艺制作导电层线路，可提升电路的分辨能力，可以做出的线路又精细又直，提高线路密度，提高陶瓷基板的散热效果；提高导电密度、相对位置精度，不会造成LED芯片器件偏移的问题。符合LED的功率越来越高，尺寸越来越小的趋势。

(3)金属层平整度高。通过电镀工艺进行金属层平坦化工作，易于实现与高功率LED芯片共晶焊接的工艺，可提高产品寿命外，也适合大功率的芯片封装作业。

(4)简化制作工艺，降低成本。氮化铝陶瓷胚体和铜金属化层具有较高的导热系数，导热率较高，散热效果好，无须再设金属化孔增加导热率，简化了制作工艺，成本降低。由于本发明是采用电镀工艺形成适当厚度的铜金属线路，铜金属线路比银、金等金属线路材料便宜。不存在高温烧结而影响线路与基板的结合力，对陶瓷原料成分的要求可以适当降低，故可以降低制作成本。也不存在LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜制程的网版张网问题。

(5)保证了金属线路层与氮化铝陶瓷胚体之间很强的附着力和高的电导率。在制备工艺上实现了薄铜金属化层与氮化铝陶瓷胚体的高强度结合，解决了以往铜金属化层与氮化铝陶瓷之间的结合力问题，并使电镀铜金属化层厚度均匀一致。

为能进一步了解前述目的及本发明的技术特征，附以图式详细说明。

附图说明：

本发明一种高功率LED散热陶瓷基板。

图1本发明一种高功率LED散热陶瓷基板较佳实施例仰视图。

图2本发明一种高功率LED散热陶瓷基板较佳实施例俯视图。

图3本发明一种高功率LED散热陶瓷基板较佳实施例剖示图。

图中附号说明：1陶瓷胚体；2导电线路；3固晶金属层；4导电金属层；5导热金属层；6银/金/镍金属化层；7铜金属化层；8电极；9薄铜金属化层。

具体实施方式

以下是本发明一种高功率LED散热陶瓷基板制法，现结合附图对本发明的较佳实施例详细说明如下：

图1是本发明一种高功率LED散热陶瓷基板第一较佳实施例仰视图，图2是图1第一较佳实施例的俯视图。图3是本发明一种高功率LED散热陶瓷基板第二较佳实施例剖示图。

如图1所示，本发明的实施例一种高功率LED散热陶瓷基板，其包括：一陶瓷胚体1、一固晶金属层3、导电线路2、导电金属层4、导热金属层5及至少一对电极8。陶瓷胚体1为氮化铝陶瓷胚体。由于陶瓷胚体1具有良好的导热性，因此可有效地将LED芯片产生的热能传出，从而提高LED芯片的使用寿命及提高LED发光效率。

如图1所示，陶瓷基板具有一固晶金属层3、导电线路2、导电金属层4、导热金属层5及至少一对电极8。固晶金属层3是用以设置LED芯片，LED芯片通过金线与电极8导通。电极8通过导电金属层4和导电线路在测试阶段实现外部电路连接，从而测试LED芯片是否正常发光，无需金属化孔。

如图1所示，为了使得提高陶瓷基板的散热效果，又可在陶瓷基板中设计导热金属层5，LED芯片产生的热量由固晶金属层3通过陶瓷胚体1传到导热金属层5，再由导热金属层5迅速地散热到空气中，从而提高陶瓷基板的散热。导热金属层的面积越大其散热效果越好。

如图1所示，导电金属层4、导电线路2可以由薄铜金属化层9、铜金属化层7，以及银或金或镍金属化层6形成。采用黄光微影和电镀等工艺制作导电金属层和导电线路，提升电路的分辨能力，可以做出的线路又精细又直，提高线路密度，提高陶瓷基板的散热效果；相对位置精度高，不会造成LED芯片器件偏移的问题。符合LED的功率越来越高，尺寸越来越小的趋势。

薄铜金属化层9是在氮化铝陶瓷胚体和铜金属层之间的一层薄铜金属化层，作为过渡层的薄铜金属化层缓解了氮化铝陶瓷胚体与铜金属之间热应力造成的影响，提高了基板的可靠性。实现了薄铜金属化层与氮化铝陶瓷的高强度结合，解决了以往只能铜金属化层与氮化铝陶瓷之间的结合力问题，并使电镀铜金属层厚度均匀一致。

铜金属化层7导热率高，铜金属线路比银、金等金属线路材料便宜，降低成本。银或金或镍金属化层6，由于其化学稳定性较好，可以防止铜金属化层沾污或者金属氧化，长期储存而不氧化，保证基板的可焊性及外观。

经上述说明可看出本发明的制作方法，具备散热佳、可靠性高、线路密度高、无收缩率匹配的问题、金属层平整度高、制作成本低等优点。

在高效能、高产品品质、高生产率的要求下，高散热效果、高精准度的陶瓷基板工艺将成为趋势，本发明一种高功率LED陶瓷基板突破了目前厚膜工艺产品所无法突破的瓶颈。在高功率LED散热领域，可以说本发明是最适合高功率且小尺寸LED发展需求的陶瓷散热基板。

上述实施例仅为本实用新型较佳实施例而已，并非用以限制本实用新型的范围，举凡熟悉此项技艺的人士，运用本实用新型说明书及权利要求范围所作的产品等效结构变化，理应包括于本专利申请的范围之内。

Claims

1.一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于包括：一陶瓷胚体(1)、一固晶金属层(3)、导电线路(2)、导电金属层(4)、导热金属层(5)及至少一对电极(8)。陶瓷基板具有一固晶金属层(3)、导电线路(2)、导电金属层(4)、导热金属层(5)及至少一对电极(8)。固晶金属层(3)是用以设置LED芯片，LED芯片通过金线与电极(8)导通。电极(8)通过导电金属层(4)和导电线路在测试阶段实现外部电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的陶瓷胚体(1)为氮化铝陶瓷胚体。

3.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的固晶金属层(3)，位于陶瓷胚体(1)正面中部，具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层(9)、铜金属化层(7)、银或金或镍金属化层(6)。

4.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的导电线路(2)，其从电极(8)引出，设于陶瓷胚体(1)正面，具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层(9)、铜金属化层(7)、银或金或镍金属化层(6)。

5.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的导电金属层(4)，设于陶瓷胚体(1)正面，具有至少三层金属化层，从里至外依次为：薄铜金属化层(9)、铜金属化层(7)、银或金或镍金属化层(6)。

6.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的导热金属层(5)，其敷设在陶瓷胚体(1)背面，具有至少两层金属化层，从下至上依次为：薄铜金属化层(9)、铜金属化层(7)。

7.根据权利要求1所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的至少一对电极(8)，其布置在固晶金属层(3)两端，具有至少三层金属化层，从下至上依次为：薄铜金属化层(9)、铜金属化层(7)、银或金或镍金属化层(6)。

8.根据权利要求3-7任一所述的一种高功率LED散热陶瓷基板，其特征在于其中所述的薄铜金属化层(9)，在陶瓷胚体(1)和铜金属化层(7)之间作为过渡层。