專利名稱：一種復(fù)合陶瓷基板封裝的白光led及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED光源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種白光發(fā)光二極管(LED)及其制備方法，更具體的說，涉及ー種復(fù)合陶瓷基板上封裝的白光LED及其制備方法。
背景技術(shù)：
自從1993年日本科學(xué)家中村修ニ發(fā)明商用氮化物藍光發(fā)光二極管(LED)以來,氮化物L(fēng)ED的研究和應(yīng)用獲得爆炸性的擴展。其中，以大功率白光LED技術(shù)為主的半導(dǎo)體固態(tài)照明，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、安全、綠色環(huán)保備受世界各國政府青睞。國際上先后有美國能源部制定了固態(tài)照明計劃；日本于1998年制定的“21世紀照明計劃”;歐盟于2000年制定“彩虹計劃”等，積極推廣半導(dǎo)體照明，以便節(jié)省大量能源，減少ニ氧化碳排放量。
然而，到目前為止，白光LED技術(shù)轉(zhuǎn)換效率還遠沒達到理想效率，エ業(yè)水平最高為1301m/W，這使得LED電能轉(zhuǎn)化為光能效率小于30%，其它超過70%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，使芯片工作溫度升高。如果熱能不能通過有效快速散熱路徑，芯片工作溫度將持續(xù)升高，造成效率進ー步下降，熱量進一歩増大，溫度更加升高這樣ー個死循環(huán)，LED將失效。由此，大功率LED散熱是當(dāng)前普遍遇到的技術(shù)難點。當(dāng)前主流LED芯片封裝散熱是把LED芯片通過固晶膠固定在鋁基板上，導(dǎo)熱性能不佳，此外還由于芯片材料的熱脹系數(shù)和金屬材料熱脹系數(shù)相差較大，LED工作循環(huán)多次后，容易造成芯片和鋁基板間微小裂縫，增大熱阻并導(dǎo)致脫離。由此，鋁片作為封裝基板不是ー個理想選擇。為解決此類問題，勢必尋找新的封裝散熱基板材料。陶瓷材料由于良好電氣絕緣特性，與LED芯片相匹配的熱脹系數(shù)等特點，成為新一代封裝基板優(yōu)選材料，如AlN陶瓷材料，熱導(dǎo)系數(shù)達170W/mK。然而，AlN陶瓷材料制備困難，價格昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用；SiC陶瓷材料價格低廉，熱導(dǎo)系數(shù)高(單晶490W/mK，陶瓷80_270W/mK)，但SiC基板燒結(jié)溫度很高，難以制備成基板。很多陶瓷基板材料趨向于價格低的氧化鋁陶瓷。但氧化鋁的熱導(dǎo)系數(shù)并不高，只有24. 7ff/mK左右，在氧化鋁陶瓷材料上封裝LED功率密度仍難以提高。為此，必須在價格和性能方面尋找適當(dāng)?shù)钠胶恻c。我們通過研究發(fā)現(xiàn)，可以把高熱導(dǎo)材料如納米SiC或AlN或C納米線添加入Al2O3基質(zhì)陶瓷中，形成復(fù)合材料，燒結(jié)形成陶瓷基板，并在基板上封裝白光LED。此復(fù)合陶瓷優(yōu)點是燒結(jié)溫度不是太高，熱導(dǎo)系數(shù)大，原因是基板材料以Al2O3材料為基體，納米添加相如SiC或AlN可以分布在Al2O3顆?？p隙之間，形成SiC或AlN導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，電聲子熱傳導(dǎo)除了可以通過Al2O3傳導(dǎo)外，還可以通過第二相如納米SiC網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱，形成基質(zhì)相和添加相兩相并聯(lián)電聲子熱傳導(dǎo)機制，提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；此外，由于添加相是納米結(jié)構(gòu)，可以填補基質(zhì)陶瓷顆粒之間縫隙，增強陶瓷材料的韌性，如納米SiC添加入Al2O3增強機制。此外，此陶瓷如若用于LED，表面必須覆銅金屬化，以便能夠固晶。當(dāng)前エ業(yè)化通常是通過在陶瓷表面壓延銅片，之后通過加熱高溫，使銅與陶瓷融合，稱為共晶焊。也可采用濺射方法在陶瓷表面濺射覆銅，使銅原子在陶瓷表面附著力增強，制備得高性能覆銅陶瓷金屬化基板。在獲得上述金屬化陶瓷基板上，繼續(xù)刻蝕電路，按照LED封裝エ藝，利用COB技術(shù)單顆粒封裝LED或集成封裝LED，可以制備得到低熱阻高效LED顆粒或LED光源模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低熱阻、高性能的大功率白光LED及其制備方法。本發(fā)明提供的大功率白光LED，采用復(fù)合陶瓷基板作為散熱基板；所述基板是通過在基質(zhì)陶瓷材料中添加高熱導(dǎo)第二相陶瓷材料經(jīng)燒結(jié)制備而成，具有高導(dǎo)熱、高絕緣、成本低、韌性好，與芯片熱脹系數(shù)匹配，制作電氣線路簡單的特點；在此基板上封裝LED芯片，可以簡化封裝結(jié)構(gòu)，縮短散熱路徑；所制備LED熱阻小、效率高、光衰小、壽命長、成本低，適用于大功率LED照明。本發(fā)明提供的大功率白光LED，其基本構(gòu)造包括散熱基板、LED芯片、金絲連線、熒 光粉和硅膠，其中，散熱基板采用復(fù)合陶瓷基板，該復(fù)合陶瓷基板由含有60-95%摩爾的納米基質(zhì)陶瓷和5-40%摩爾的納米添加陶瓷經(jīng)燒結(jié)制成，并在表面實施陶瓷金屬化。
本發(fā)明中，所述納米基質(zhì)陶瓷可以是納米氧化鋁或納米氮化鋁，納米添加陶瓷可以是納米碳化硅、納米氮化鋁、碳納米線或納米氧化銀等。例如所述復(fù)合陶瓷基板可以由5-40%摩爾的納米碳化硅添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成，可以由5-40%摩爾的納米氮化鋁添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成，可以由5-40%摩爾的碳納米線添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成，可以由5-40%摩爾的碳納米線添加入60-95%摩爾的納米氮化鋁組成，可以由5-40%摩爾的納米氧化銀添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成。本發(fā)明中，所述納米基質(zhì)陶瓷和納米添加陶瓷的晶體形態(tài)可以是納米顆?；蚣{米晶須；納米基質(zhì)陶瓷優(yōu)選納米顆粒，納米添加陶瓷優(yōu)選納米晶須。更為具體的是，納米基質(zhì)陶瓷的納米顆粒粒徑為IO-IOOOnm,優(yōu)選30_100nm ;納米添加陶瓷的納米顆粒徑粒為10-500nm,優(yōu)選20_100nm ;納米添加陶瓷的納米晶須的直徑為10_500nm，長度為1-50 μ m，優(yōu)選直徑為lO-lOOnm，長度為1_10 μ m。其中，納米晶須形成復(fù)合材料具有熱導(dǎo)性好，韌性強，強度高等優(yōu)點。不同比例納米基質(zhì)陶瓷和納米添加陶瓷混合可以調(diào)節(jié)基板導(dǎo)熱系數(shù)，得到適用不同要求LED復(fù)合陶瓷基片。本發(fā)明所需納米氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、碳納米線、氧化銀原材料均可以從市場上購得；納米氧化鋁也可以用共沉淀法按現(xiàn)有技術(shù)制備得到稱量適量AlCl3 ·6Η20，加入適量去離子水，攪拌溶化成溶液，之后在適當(dāng)溫度下加入氨水，共沉淀生成Al (OH) 3,過濾烘干可制備得到不同納米徑粒的氧化鋁粉末。本發(fā)明所述白光LED制作包括兩個部分制作復(fù)合陶瓷板和在基板上封裝白光LED。I.納米復(fù)合陶瓷板制作，具體包括納米復(fù)合陶瓷粉末均勻化，復(fù)合陶瓷粉末燒結(jié)成型化，基片表面金屬化，銅膜或銅/銀雙層膜線路化線路化四個階段。(I)納米復(fù)合陶瓷粉末均勻化。推薦利用濕法球磨法，具體為混合物粉料適當(dāng)攪拌均勻后裝入球磨機球磨罐中球磨均勻化。其中，為防止球磨過程中顆粒團聚，根據(jù)需要，粉末中添加聚酯類、聚酯鹽類或聚氨酯類分散穩(wěn)定劑，如BYK104S等；也可添加表面活性齊U，如NP9、NP10、0P15等，調(diào)制納米粒子的表面，促進納米粒子自組裝。分散穩(wěn)定劑和表面活性劑的添加種類和用量是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知或依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定。(2)復(fù)合陶瓷粉末燒結(jié)成型化。利用等靜壓制作生坯，生坯高溫?zé)Y(jié)成型。具體是從上述球磨罐中取出陶瓷粉末，必要時適當(dāng)加入粘結(jié)劑(如聚こニ烯醇)；粉末裝入模具并在模具中等靜壓成型制成生坯料，等靜壓壓強推薦50-300MPa ;模具退模，生坯料取出；高溫氮氣氛圍常壓或熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度推薦為1600-1800 °C;陶瓷片表面拋光。本步驟涉及等靜壓壓力和燒結(jié)溫度是本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定。(3)基片表面金屬化。技術(shù)方案可采取共晶焊法或濺射覆銅法，優(yōu)選濺射覆銅法。所述共晶焊法，包括銅箔在陶瓷表面壓延；壓延后燒結(jié)，燒結(jié)溫度900-1100 °C得到銅膜，厚度為1-ΙΟμπι。燒結(jié)目的是使銅原子擴散進入陶瓷基體，増加粘結(jié)力。所述濺射覆銅法按常用射頻濺射法濺射銅膜在陶瓷基片上，銅膜厚度O. 2-2 μ m,具體エ藝參數(shù)按本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知或根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定；還可以在上述濺射銅膜上再濺射ー層銀膜，銀膜厚度20_200nm。(4)銅膜，或銅/銀雙層膜線路化。利用濕法刻蝕エ藝刻蝕銅膜，或銅/銀雙層膜電氣線路。電氣線路的參數(shù)和圖案按單顆粒LED芯片封裝和多顆粒芯片封裝要求具體確
定。 II.在復(fù)合陶瓷板上封裝白光LED
利用常規(guī)C0B(chip on board)封裝エ藝單顆粒封裝或多芯片集成封裝制作白光LED,基本步驟如下
(I)固晶，將單顆LED芯片或多芯片用焊錫層固定在上述復(fù)合陶瓷板的碗杯上。推薦利用金錫焊料焊接；金錫焊料中金錫合金重量比4 :1，焊接溫度為300-310°C ;金錫焊料共晶熔化后降溫，將LED芯片固定在金屬化基板上。(2)打金線，將LED芯片正負電極利用金絲連接到基板正負電極上。(3)熒光膠涂覆，將含有熒光粉的硅膠涂覆在LED芯片上，轉(zhuǎn)換芯片藍光成白光，制成白光LED。具體エ藝參數(shù)按本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知或根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定。本發(fā)明的重要創(chuàng)新是采用復(fù)合陶瓷基板材料封裝白光LED，降低LED熱阻和成本。其原理是利用高熱導(dǎo)納米晶陶瓷添加入基體陶瓷材料中，形成納米晶網(wǎng)絡(luò)，電子聲子熱導(dǎo)不僅在基質(zhì)陶瓷材料中傳遞，也通過納米晶網(wǎng)絡(luò)傳遞，實現(xiàn)熱并聯(lián)傳遞路徑，提高陶瓷基片材料的導(dǎo)熱系數(shù)和韌性，降低成本，也即降低封裝其上白光LED整體熱阻和成本。本發(fā)明有益效果是白光LED封裝結(jié)構(gòu)簡單，熱阻小，高效，抗光衰能力佳，成本低廉；適用于制造低成本高效大功率白光LED。


圖I是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號I.納米基質(zhì)陶瓷顆粒，2.納米添加陶瓷，3.碗杯內(nèi)環(huán)，4.碗杯外環(huán)，5.銅膜，6.刻蝕槽，7.發(fā)光芯片，8.金錫焊料，9.金絲連線，10.黃色熒光膠。
具體實施例方式本發(fā)明中使用的術(shù)語，除另有說明，具有一般專業(yè)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解含義。下面結(jié)合具體實施例和附圖I對本發(fā)明進行詳細說明。具體制備步驟如下I、稱取納米添加陶瓷和納米基質(zhì)陶瓷粉末，以5-40%摩爾和60-95%摩爾的比例攪拌混
ム
ロ O2、上述混合物初步攪拌混合均勻，利用球磨機球磨混合。3、等靜壓制作生坯，生坯高溫?zé)Y(jié)成型。具體是從上述球磨罐中取出陶瓷粉末；適當(dāng)加入粘結(jié)劑如聚こニ烯醇黏膠；粉末裝入模具中并在模具中等靜壓成型制成生坯料，等靜壓壓強50-300MPa;所述生坯料由納米基質(zhì)陶瓷顆粒I和納米添加陶瓷顆粒2組成復(fù)合陶瓷生坯料；生坯料帶有內(nèi)環(huán)碗杯3和外環(huán)碗杯4 ;其特征是碗杯內(nèi)環(huán)直徑5mm，深O. 5mm ；外環(huán)碗杯直徑8mm,深O. 2mm。4、模具退模，生坯料取出。5、高溫常壓或熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度推薦為1600-1800 °C，保溫時間1_10小吋。待降溫適中，從爐腔中取出陶瓷片。6、陶瓷片表面拋光。7、基片表面金屬化。技術(shù)方案可采取共晶焊技術(shù)和濺射法，推薦采用射頻濺射法。濺射銅膜5，其特征是銅膜厚度O. 5 -2 μ m，推薦I μ m ;或銅/銀雙層膜5，其特征是銅/銀雙層膜銅膜厚度O. 5 -2 μ m，推薦I μ m ;銀膜厚20_200nm，推薦lOOnm。8、銅膜，銅/銀雙層膜線路化。利用標(biāo)準濕法刻蝕エ藝刻蝕銅膜，銅/銀雙層膜電氣線路，形成刻蝕槽6?？涛g電流其特征是可以刻蝕單芯片封裝線路；也可以刻蝕多芯片封裝線路；根據(jù)實際LED燈具要求確定線路設(shè)計。9、將LED芯片7用焊錫層8固定在上述基板固晶杯銅膜5上，具體是利用金錫焊料焊接；金錫合金重量比4 :1，焊接溫度300-310°C ;金錫焊料共晶融化后降溫，將LED芯片固定在金屬化基板上。10、利用金絲球焊機在LED芯片正負極打金線9在基板正負極。11、將含黃色銀光粉熒光膠10覆蓋LED芯片。12、在60-150 °C烘烤上述LED 1_5小時，待熒光膠固化得陶瓷基板封裝白光LED。為更進一步解釋清楚復(fù)合陶瓷基板LED制備，下面以具體實施例說明。實施例I稱量適量AlCl3 · 6H20,加入適量去離子水，攪拌溶化成溶液，在適當(dāng)60°c溫度下加入I: 5的氨水，共沉淀生成Al (OH)3，過濾烘干可制備得到氧化鋁粉末。其后，按Al203/SiC為4 :1的比例在氧化鋁粉末中加入納米碳化硅粉體(碳化硅可從中科院北京化冶所購買，平均直徑30nm)，混合均勻，經(jīng)球磨、等靜壓成型、制作生坯，在氮氣常壓氣氛爐中以1600-1750 °C燒結(jié)。其中，等靜壓壓強為80Mpa，常壓高溫?zé)Y(jié)保溫時間10小時，待溫度降到300 ° C以下，取出得到直徑3cm，厚度I. 2mm帶有3個耳孔陶瓷基片。經(jīng)下列エ藝制備得到LED
I、陶瓷片表面拋光。2、利用酒精，丙酮清洗表面，用去離子水沖洗干凈并在200°C烘烤10-60分鐘。3、在陶瓷表面利用射頻等離子體濺射制作銅/銀膜；銅/銀雙層膜厚度分別為I μ m 和 IOOnm0、
4、利用標(biāo)準濕法刻蝕エ藝刻蝕銅膜電氣線路，制作三顆粒固晶杯。5、將三顆LED芯片固定在上述基板固晶杯上，具體是利用金錫焊料焊接；金錫合金重量比4 :1，焊接溫度300°C ;金錫焊料共晶融化后降溫，將LED芯片固定在覆銅基板上。
6、利用金絲球焊機在LED芯片正負極打線在基板正負極。7、將含黃色銀光粉熒光膠填充三個固晶杯，完全覆蓋三個LED芯片。8、在120 °C烘烤上述LED I小時，待熒光膠固化得陶瓷基板封裝LED。實施例2 稱量適量氧化鋁粉末和氧化銀粉末，按Al2O3AgO為10 :1的比例混合均勻，經(jīng)球磨、等靜壓成型、制作生坯，在常壓氣氛爐中以1600-1750 °C燒結(jié)。其中，等靜 壓壓強為lOOMpa，常壓高溫?zé)Y(jié)保溫時間10小時，待溫度降到300 0C以下，取出得到直徑3cm，厚度I. 2_帶有3個耳孔陶瓷基片。經(jīng)與實施例I相同エ藝制備得到LED。實施例3稱量適量氧化鋁粉末和氮化鋁粉末，按Al2O3AlN為4 :1的比例混合均勻，經(jīng)球磨、等靜壓成型、制作生坯，在常壓氣氛爐中以1600-1750 °C燒結(jié)。其中，等靜壓壓強為lOOMpa，常壓高溫?zé)Y(jié)保溫時間10小時，待溫度降到300 °C以下，取出得到直徑3cm，厚度I. 2mm帶有3個耳孔陶瓷基片。經(jīng)與實施例I相同エ藝制備得到LED。
權(quán)利要求
1.ー種復(fù)合陶瓷基板封裝的白光LED，包括散熱基板、LED芯片、金絲連線、熒光粉和硅膠，其特征在于，所述散熱基板采用復(fù)合陶瓷基板，該復(fù)合陶瓷基板由含有60-95%摩爾的納米基質(zhì)陶瓷和5-40%摩爾的納米添加陶瓷經(jīng)燒結(jié)制成，并在其表面實施陶瓷金屬化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的白光LED，其特征在于，所述納米基質(zhì)陶瓷是納米氧化鋁或納米氮化鋁，所述納米添加陶瓷是納米碳化硅、納米氮化鋁、碳納米線或納米氧化銀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述復(fù)合陶瓷基板由5-40%摩爾的納米碳化硅添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成，或者由5-40%摩爾的納米氮化鋁添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成，可或者由5-40%摩爾的碳納米線添加入60-95%摩爾的納米氧化招組成，或者由5-40%摩爾的碳納米線添加入60-95%摩爾的納米氮化招組成,或者由5-40%摩爾的納米氧化銀添加入60-95%摩爾的納米氧化鋁組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述納米基質(zhì)陶瓷和納米添加陶瓷的晶體形態(tài)是納米顆?；蚣{米晶須。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的白光LED，其特征在于，所述納米基質(zhì)陶瓷的納米顆粒粒徑為lO-lOOOnm，納米添加陶瓷的納米顆粒徑粒為10_500nm ;納米添加陶瓷的納米晶須的直徑為 10-500nm，長度為 1-50 μ m。
6.一種如權(quán)利要求I所述的白光LED的制備方法，其特征在于具體步驟包括兩個階段制作復(fù)合陶瓷基板和封裝白光LED ； I.制作納米復(fù)合陶瓷板，包括納米復(fù)合陶瓷粉末均勻化，復(fù)合陶瓷粉末燒結(jié)成型化，基板表面金屬化，銅膜或銅/銀雙層膜線路化四個步驟 (1)納米復(fù)合陶瓷粉末均勻化，利用濕法球磨法，將混合陶瓷粉料攪拌均勻后裝入球磨機球磨罐中球磨均勻化； (2)復(fù)合陶瓷粉末燒結(jié)成型化，利用等靜壓制作生坯，生坯高溫?zé)Y(jié)成型，其步驟是從上述球磨罐中取出陶瓷粉末，裝入模具，并在模具中等靜壓成型制成生坯料，等靜壓壓強為50-300MPa ;模具退模，生坯料取出；高溫氮氣氛圍常壓或熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600-1800° C ;陶瓷片表面拋光； (3)復(fù)合基板表面金屬化，采取共晶焊法或濺射覆銅法，所述共晶焊法，包括銅箔在陶瓷表面壓延；壓延后燒結(jié)，燒結(jié)溫度900-1100 °C得到銅膜，厚度為1-10 μ m;所述濺射覆銅法按射頻濺射法濺射銅膜在陶瓷基片上，銅膜厚度O. 2-2 μ m,或者在上述濺射銅膜上再濺射ー層銀膜，銀膜厚度20-200nm ； (4)銅膜，或銅/銀雙層膜線路化，利用濕法刻蝕エ藝刻蝕銅膜，或銅/銀雙層膜電氣線路，電氣線路的參數(shù)和圖案按單顆粒LED芯片封裝和多顆粒芯片封裝要求具體確定； II.封裝白光LED 利用COB封裝エ藝單顆粒封裝或多芯片集成封裝制作白光LED。
全文摘要
本發(fā)明屬于LED光源技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種在復(fù)合陶瓷基板上封裝的白光發(fā)光二極管(LED)。本發(fā)明白光發(fā)光二極管包括散熱基板、LED芯片、金絲連線、熒光粉和硅膠，其中所述散熱基板采用復(fù)合陶瓷基板，該復(fù)合陶瓷基板由納米基質(zhì)陶瓷添加納米晶高熱導(dǎo)陶瓷材料經(jīng)燒結(jié)制成，即由60-95%摩爾的納米基質(zhì)陶瓷和5-40%摩爾的納米添加陶瓷組成，并在表面實施陶瓷金屬化。本發(fā)明利用納米晶高熱導(dǎo)陶瓷材料添加入陶瓷基體材料中，形成納米晶網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高熱導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)熱傳導(dǎo)路徑，降低以此陶瓷材料封裝的白光LED熱阻；本發(fā)明制造白光LED封裝結(jié)構(gòu)簡單、熱阻小、高效、抗光衰能力佳、成本低；適用于制造低成本高效大功率白光LED。
文檔編號H01L33/64GK102683570SQ20121014944
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者崔旭高, 梅永豐, 黃高山 申請人:復(fù)旦大學(xué)