CN101341803A - 用于led基台的多孔电路材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括陶瓷基板和设置在其上的电路的基台。该电路包括导电多孔材料，该导电多孔材料包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属，至少部分所述导电多孔材料的表面包含所述非贵金属的氧化物，且所述陶瓷基板经由所述非贵金属的所述氧化物结合到所述多孔导电材料。

Description

用于LED基台的多孔电路材料

本发明涉及包括陶瓷基板和设置在其上的电路的基台(submount)，以及涉及包括至少一个发光二极管和本发明的基台的发光器件。本发明进一步涉及本发明中的这种基台和这种发光器件的制造方法。

基于半导体的发光器件是目前可利用的最有效和最耐用的光源之一，例如基于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的发光器件。

在基于LED的发光器件中，发光二极管通常设置在基板上，并与设置在基板上的电路连接。

在效果高达每平方毫米3瓦的单一固态发光器件或总效果高达100瓦或更高的这种器件阵列的高功率应用当中，大量的热从发光器件中散出。在这样的高功率应用当中很容易就会达到高达250℃的温度。

这种高功率应用要求在器件中使用特殊的材料。一方面，电路材料和基板材料都必须能经受住高温。另一方面，电路材料和基板材料都必须能够处理这种器件中的高电流。对于电路来说，这就要求材料具有高导电性，而对于基板来说，这就要求材料具有良好的绝缘能力。

同时，这一领域中的日益激烈的竞争要求必须易于以大批量和低成本的方式制造所述器件。

这种类型的发光器件的一个例子描述在Suehiro等人名下的美国专利申请US 2004/0169466当中，该申请所示为具有AlN基板的基于发光二极管的器件，在所述基板上通过镀Ag形成电路。

然而，US2004/0169466中所述的镀Ag电路的热膨胀系数远高于AlN基板的热膨胀系数。因此，器件中的高温度变化在器件中产生温度所致的应力，导致所镀电路断开或所镀电路从基板上剥落的可能性很大。

在US 2004/0169466中，这个问题通过在AlN基板的背侧上设置发散板(radiation plate)，用以将热量从基板导出到周围的空气当中进行解决。这个解决办法降低了发生不利温度变化的可能性。然而，这并没有消除在发生不利的温度变化情况下所镀电路断开和剥落的现实问题。

本发明的一个目的是要克服这一问题，并提供一种基台，特别是一种用于在其上设置发光二极管和/或其它散热部件的基台，其包括设置在基板上的电路，该基台能抵抗高温和温度变化。

本发明的另一个目的是提供器件，特别是发光器件或其它散热器件，其包括设置在这种基台上的发光二极管和/或其它散热部件，其中所述基台能抵抗高温和温度变化。

本发明的又一目的是要提供一种能抵抗高温和温度变化的上述基台和/或器件的制造方法。

本发明的又一目的是要提供可以用于制造上述这种基台和/或器件的部件。发明者已发现，使用一种液体组合物可以至少部分地实现上述的目标，所述液体组合物包含分散在液体介质中的用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒。本发明人已发现，当在基板上设置这种液体组合物并充分加热时，所述颗粒熔融(fuses)而液体介质蒸发，产生多孔性结构，同时非贵金属氧化，由此在基板表面上形成多孔导电材料，并且该材料显示出由于氧化所致的与基板的牢固结合。

因此，本发明在第一方面涉及包括陶瓷基板和设置在其上的电路的基台，其中所述电路包括导电多孔材料，所述导电多孔材料包括用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属。至少部分所述导电多孔材料的表面包含所述非贵金属的氧化物，并且所述陶瓷基板通过所述非贵金属的所述氧化物与所述多孔导电材料结合。

通常情况下，所述多孔组合物的孔隙度范围是25至75％。

这种基台具有超越常规基台的若干优点。例如，电路的多孔结构使电路更具延性(ductile)，并因此当安置它的基板比如由于温度的变化而膨胀或收缩时其不会轻易破裂。

此外，非贵金属的氧化物显示出与陶瓷基板的牢固结合，这防止电路从基板上剥落。

在本发明的基台中，表面包含所述非贵金属的氧化物的所述导电多孔材料的部分可富集所述非贵金属。因此，电路的被氧化部分比电路的未氧化部分包含更多的非贵金属。在非贵金属的氧化期间，在某些情况下它们可以向正在形成的多孔材料的表面迁移，形成具有更高的所述(被氧化的)非贵金属浓度的聚集体(aggregates)。这导致一系列离散的用于基板与电路之间结合的位置，这产生延性的电路。

在本发明的实施方案中，所述至少一种贵金属可选自于银、金、钯、铂、铼以及它们的组合。

这一组中的贵金属显示出高电容(electrical capacity)，因此适合作为电路材料的主要导电元素。

在本发明的实施方案中，所述至少一种非贵金属可选自于铅、钒、碲、铋、砷、锑、锡、铬以及它们的组合。

这一组中的非贵金属易被氧化，并且这些非贵金属的氧化物显示出与陶瓷基板的牢固结合。

在优选的实施方案中，贵金属是银，非贵金属是铅和钒。氧化时，铅和钒一起形成提供与基板牢固结合的钒酸铅玻璃。

在本发明的实施方案中，陶瓷基板可以包括选自于氮化铝和碳化硅的材料。

一般而言，比起诸如氧化铝或二氧化硅基板的氧化物基板来说，优选的是非氧化物基板，例如上面所提到的那些，但不限于此，这是由于非氧化物基板与电路中被氧化的非贵金属形成更牢固的结合。

在本发明的实施方案中，形成电路的导电多孔材料的热膨胀系数可以与所述陶瓷基板的热膨胀系数相匹配。

有利的是，基板材料和电路材料的热膨胀系数是匹配的，因为这进一步缓解在电路与基板之间的结合上由温度变化所致的应力。

进一步有利的是，电路材料和与电路相连的任何散热电气部件的热膨胀系数是匹配的，因为这会进一步缓解在电路与这种电气部件之间的结合上由温度变化所致的应力。

在第二方面中，本发明提供一种发光器件，所述发光器件包括本发明的基台和设置在基台上并与电路电连接的至少一个发光二极管。

在第三方面中，本发明提供用于发光二极管的基台的制造方法。

这样的方法可以包括提供陶瓷基板；在所述陶瓷基板上设置组合物的电路图案，该组合物包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒，所述颗粒被分散在液体介质中；以及在至少部分液体介质被蒸发和至少部分所述非贵金属被氧化的温度下加热所述组合物。

在液体组合物中，在颗粒表面的部分贵金属被氧化。然而，当加热时，被氧化的贵金属释放其氧原子。另一方面，在这一加热过程中掺杂到贵金属内的非贵金属变得更被氧化，提供了经由所述氧化物的氧原子与陶瓷基板结合的机会。

在这一加热步骤期间，组合物的颗粒熔融到一起，且由于液体介质(通常是油)的蒸发，该加热之后留下的结构为结合到基板表面的多孔导电材料。

在本发明的实施方案中，所述至少一种贵金属可选自于银、金、钯、铂、铼以及它们的组合。

这一组中的贵金属显示出高电容，因此适合作为电路材料的主要导电元素。此外，这些贵材料(noble materials)的氧化物在所述非贵金属易被氧化的温度下释放它们的氧。

在本发明的实施方案中，所述至少一种非贵金属可选自于铅、钒、碲、铋、砷、锑、锡、铬以及它们的组合。

这一组中的非贵金属在被氧化的贵材料释放它们的氧原子的温度下易被氧化，并且这些非贵金属的氧化物显示出与陶瓷基板的牢固结合。

在本发明的实施方案中，加热是在约250℃至约500℃的温度范围进行的，通常介于300至450℃之间。

通常来说，加热进行的时间为3至25分钟，例如为5至20分钟，如10至15分钟。

在第四方面中，本发明提供发光器件的制造方法，该方法可以包括：根据本发明的基台的制造方法；在基板上设置至少一个发光二极管；和使所述至少一个发光二极管与电路电连接。

在本发明的实施方案中，在加热过程中可将至少一个发光二极管设置到陶瓷基板上，使得借助于该加热该至少一个发光二极管与电路电连接并与基台结合。

在第五方面中，本发明提供了包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒的组合物用于制造本发明的基台或其它器件的用途，其中所述颗粒被分散在液体介质当中。

现在参考附图对本发明的这些以及其它方面进行更详细的描述，所述附图显示的是目前本发明优选的实施方案。附图不是按比例绘制的，且为了方便辨认，一些尺寸或一些部件的大小可能是夸大的。

图1a所示为本发明的发光器件的透视图，所述发光器件包括本发明的基台和设置在其上的发光二极管。图1b为沿图1a中的线I-I的截面图。

图2为根据本发明得到的电路材料的SEM照片(扫描电子显微镜)，显示出了该材料的多孔结构，其中箭头A表示材料中富集(被氧化的)非贵金属的部分，即，材料的其中非贵金属的含量较高的部分。

本发明的发光器件100示于图1a和1b。该器件包括本发明的基台，所述基台包括基板101和设置在其上的电路102。由此在合适的区域上，发光二极管(LED)103与基板101物理连结，并通过导电的焊料凸点(solder bumps)104电连接至电路102。

任选的是，为了从器件中导出热量，可以在基板101的底侧设置散热器(heat sink)105，例如在对应于LED 103位置的位置上进行设置。

基板101可以是本领域的技术人员众所周知的、适合用作发光二极管或其它散热电气部件的基板的任何陶瓷材料。合适的陶瓷基板的例子包括氧化铝、石英、锆酸钙、镁橄榄石(frostbite)、SiC、石墨、熔融二氧化硅(fused silica)、莫来石(mulite)、堇青石、氧化锆、氧化铍和氮化铝(AlN)。优选的是，基板由AlN或SiC制成。陶瓷基板由于具有良好的电绝缘性能和高导热性能而是优选的。由此对于设置在基台上的电气部件可以容许高驱动电流。同时，由这种电气部件散发的热被有效地从器件中导出。

如在下文中将讨论的那样，非氧化物基板是优选的，因为它们提供与电路的牢固结合。

AlN是优选的基板材料，因为它具有良好的电绝缘性能，同时结合了高导热性能和相对低的热膨胀系数。

电路103包括导电多孔材料，该导电多孔材料包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属。至少部分所述导电多孔材料的表面包含所述非贵金属的氧化物。通常，陶瓷基板101通过所述非贵金属的所述氧化物与多孔导电材料结合。

用于本发明的金属的例子包括在空气和/或水的存在下在高达至少300℃温度下不发生氧化的金属。这种金属的例子包括贵金属，如Ag、Au、Pt、Pd和Re以及这些的组合。

银(Ag)由于具有高电导率和高热导率而是优选的金属。由此对于与电路连接的电气部件可以容许高驱动电流。同时，由这种电气部件散发的热被有效地从器件中导出。

电路材料还包含表面包含被氧化的非贵金属的部分，所述被氧化的非贵金属是例如铅、钒、碲、铋、砷、锑、锡、铬及其组合的氧化物。通常，这些氧化物形成所述材料表面上的玻璃相。

非贵金属的一个优选的组合为铅和钒，其在氧化态形成在部分电路表面上的钒酸铅玻璃相。

电路材料具有多孔结构。电路材料的孔隙度范围通常是约25至约75％，例如在约40至60％的范围。

也可以采用具有更高及更低孔隙度的电路材料。

有利的是，选择电路材料的孔隙度和组成比，使得电路材料的热膨胀系数与基板材料的热膨胀系数相匹配。

这里，电路材料的多孔结构是有利的，因为这使得电路比非多孔形式更具延性。

本文中的术语“匹配的热膨胀系数”涉及电路的热膨胀系数(CTE)与基板材料的热膨胀系数之间的差。为了达成匹配，该差应如此之小，以致因为这两种材料之间的热膨胀系数存在差异，而由温度变化所致的应力不会造成电路断开或电路从基板上剥落。

此外，还应该优选使电路材料的热膨胀系数与设置在基台上且与电路连接的任何散热电气部件的热膨胀系数相匹配，这种散热电气部件例如为发光二极管。如果基板材料的热膨胀系数不同于散热电气部件(发光二极管)的热膨胀系数，则电路材料的热膨胀系数应处于基板材料热膨胀系数与散热电气部件热膨胀系数之间。

通常情况下，如在下面优选制造方法的记载中更详细地描述的那样，作为液体组合物在基板表面上施加电路，所述液体组合物包含在通常为油的液体介质中的用非贵金属掺杂的贵金属颗粒。然后将设置到基板上的液体组合物加热到非贵金属氧化且油从液体组合物中蒸发的温度。冷却后所留下的是多孔及固态/无定形的电路材料，它具有关于热膨胀系数、热导率和电导率的理想性能。

此外，在该加热过程期间，被氧化的非贵金属牢固地结合到基板材料，由此，所得到的电路被机械地紧固到基板表面上。非贵金属的氧化物与基板材料牢固结合，特别是在基板材料为非氧化物陶瓷材料，该表面易于结合氧的情况下。

除了所得到的牢固的机械结合外，在氧化过程期间非贵金属和与电路接触的材料之间的结合还提供了对可用作封装物(encapsulants)的材料的良好结合，所述封装物用于将光耦合出LED，例如玻璃或陶瓷封装物。

所述电路材料还可以适合于附加部件与基台的结合及光学连接。例如在某些情况下，可能希望在基台上设置的LED的顶上连接光学部件，例如折射元件，例如透镜或散射部件。特别是在这种部件由陶瓷或玻璃材料制成的情况下，所述电路材料可以提供基台和这种光学部件之间的良好的光学耦合以及机械性的牢固连接。

此外，电路材料的贵金属通常是反射性的，通过在基板表面附近接近LED设置这种材料，由LED发出的光可以在电路材料中被反射，从而提高器件的光利用率。

在本发明的发光器件中可以使用任何类型的发光二极管(LED)103，包括基于无机的LED、基于有机的LED(OLED)和基于聚合物的LED(polyLED)。此外，本发明的发光器件在每个基台上可以包括多于一个的LED。

尤其是，如本领域的技术人员将会意识到的那样，优选无机LED，其至少在短时间段上可以经受住用于制造电路的高温(～250-500℃)。

图1中示出倒装型(flip-chip type)LED，阳极和阴极连接器均设置在LED的下侧。然而，也可以使用其它类型的LED，例如自上而下型(top-to-bottom type)的LED，阳极和阴极连接器设置在LED的相对侧上。所述电路材料良好地适用于焊线(wire bonds)的附着，例如来自自上而下LED顶侧的焊线的附着。

本发明的基台用于高功率的LED是特别有利的，例如效果高达3瓦/mm²或更高的LED，因为这种LED在运转当中散热很多，并且本发明的基台特别设计用于处理高电流和高温度变化。

如图1所示，LED通过焊料凸点104与电路连接。这种焊料凸点可以是本领域技术人员已知的任何适当的材料，包括但不限于铟、金、AuSn、PbSn、SnAgCu、BiSn、PbAg和AgCu。

然而，在本发明的一些实施方案中，可以省去焊料凸点104，或者使之由电路材料制成。例如，当采用耐高温的LED(或待与电路连接的其它电气部件)时，可以在加热步骤之前将它们安置成与液体电路组合物相接触，从而使得它们在氧化过程期间存在。这使LED与电路之间产生牢固的机械结合，且如上所述，在LED与电路之间(以及通过被氧化的电路材料而与基板之间)产生良好的光学耦合。

如上所述的基台(即，基板和设置在其上的电路)形成了本发明的优选方面。

如上所述包括本发明的基台和与之连接的LED的发光器件，形成本发明的另一优选方面。

用来形成电路的液体组合物包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒，所述颗粒被分散在液体介质当中。所述贵金属和非贵金属如先前所披露的那样进行选择。

通常情况下，该液体介质为油。液体介质有利的是应该能够在250至500℃、通常为300至450℃的温度范围进行蒸发。

所述金属在液体组合物中存在的形式优选为尺寸范围是约1-100μm的颗粒，例如为约1至约10μm大小的细颗粒，如约1至约5μm。或者，金属的形式为薄片，其厚度为约1至约10μm，例如为约1至约5μm，通常为2μm左右，且其直径为约10至约100μm，例如为约10至约50μm，通常为30μm左右。

适于使用形式的液体组合物的粘度取决于预期的施加方法，并且可以从喷墨印刷施加的1mPas数量级到模版印刷(stencil printing)施加的10-100Pas变化。

已在实践中成功应用的这种液体组合物的一个例子包含作为贵金属的银的颗粒，掺杂有作为非贵金属的铅和钒。

上述的液体组合物在本发明基台制造中的用途形成了本发明的优选方面。

通常是通过包含以下的方法制造本发明的基台：(i)提供陶瓷基板材料；(ii)在基板材料上设置液体组合物的电路图案，所述液体组合物包含用非贵金属掺杂的贵金属的颗粒；和(iii)在这样的温度下加热该液体组合物，其中在该温度下至少部分液体介质蒸发且非贵金属发生氧化，例如从而形成玻璃相，导致产生自支撑的多孔导电固体/无定形化合物。

在本方法中，基板和液体组合物如上文所述。

用于形成玻璃相和蒸发液体介质的温度可以为约250℃至约500℃。通常，该温度为约350℃。通常将基台置于该温度下达约3至约20分钟的一段时间，例如约10分钟，以充分地蒸发液体介质和氧化非贵金属。或者，可能需要更长或更短的时间以达到，或者更长或更短的时间已足以达到，所需的最终结果。

可以通过任何适当的方法将液体组合物设置到基板上，包括但不限于喷墨印刷、针转移、分配(dispensing)和模版印刷。

用于基台制造的方法形成了本发明的优选方面。

图2显示的是通过本发明的方法在AlN基板上得到的多孔电路材料的SEM图像。该SEM图像中的刻度标记相当于50μm的距离。

为了得到该多孔结构，液体组合物的颗粒包含大约97.2％(w/w)的Ag、0.6％(w/w)的V和2.2％(w/w)的Pb，相当于大约97.5摩尔％Ag、1.25摩尔％V和1.25摩尔％Pb。

颗粒占液体组合物的大约50体积％。

将所述组合物设置到AlN基板上，并在350℃加热15分钟。

由此得到的图2中的多孔结构包含了若干暗色部分(箭头A所示处)，其是多孔材料具有钒酸铅玻璃(被氧化的非贵金属)表面的部分。该图像清楚地表明形成了许多这种离散的部分。

对所形成的结构进行元素分析，总组成如下面表1所示，其中Al部分来自于AlN基板。

表1

^*在该元素分析中没有检测氧和氮的贡献。

从这些结果显而易见，Ag、V和Pb之间的元素比例接近其初始值。

对SEM图像中由箭头A所指处的部分单独进行元素分析，该暗色部分的组成如下面表1所示，其中Al部分来自于AlN基板。

表2

^*在该元素分析中没有检测氧和氮的贡献。

这些结果清楚地显示了在多孔材料的暗色区域中非贵金属V和Pb的富集。

本发明的发光器件可以通过基于制造基台的上述方法的方法制造。

在一个实施方案中，如上文所述制造基台，按本领域技术人员已知的常规方法，借助于焊料凸点使一个LED或多个LED与电路连接。

在另一实施方案中，通过在上文的基台制造方法中的步骤(ii)及步骤(iii)之间在基板上设置一个LED(或多个LED)，使得LED在加热步骤期间存在，并因此在玻璃形成过程期间电连接到和任选地光学连接到电路，制造发光器件。这里产生了牢固的LED-电路连接。此外，可以省却常规使用的焊料凸点以及单独的焊接(soldering)步骤。

本领域的技术人员可以意识到，本发明绝不限于上文所述的优选实施方案。相反，在所附权利要求的范围内可以作出多种修改和变动。例如，本发明的基台并不局限于与发光二极管结合使用。本领域的技术人员可以意识到，这种基台也可以与任何电气部件结合使用，尤其有利的是与散热电气部件结合使用，通常是半导体部件，例如非发光二极管、晶体管等。本发明的器件还可以包括附加的部件。此外，本发明的器件通常与提供驱动电气部件的电流的驱动单元连接或可与之连接。

总之，本发明涉及包括陶瓷基板和设置在其上的电路的基台，其中所述电路包括导电多孔材料，该导电多孔材料包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属，至少部分所述导电多孔材料的表面包含所述非贵金属的氧化物，且所述陶瓷基板经由所述非贵金属的所述氧化物与所述多孔导电材料结合。

Claims (22)

1.一种基台，包括陶瓷基板(101)和设置在其上的电路(102)，其特征在于

所述电路(102)包括导电多孔材料，该导电多孔材料包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属，

至少部分所述导电多孔材料的表面包含所述非贵金属的氧化物，和

所述陶瓷基板经由所述非贵金属的所述氧化物结合到所述多孔导电材料。

2.根据权利要求1的基台，其中，表面包含所述非贵金属的氧化物的所述导电多孔材料的所述部分富集所述非贵金属。

3.根据权利要求1或2的基台，其中所述多孔组合物的孔隙度范围是25至75％。

4.根据前述权利要求任一项的基台，其中所述贵金属选自于银、金、钯、铂、铼以及它们的组合。

5.根据前述权利要求任一项的基台，其中所述非贵金属选自于铅、钒、碲、铋、砷、锑、锡、铬以及它们的组合。

6.根据前述权利要求任一项的基台，其中所述至少一种贵金属是银，所述至少一种非贵金属是铅和钒。

7.根据前述权利要求任一项的基台，其中所述陶瓷基板(101)包括选自于氮化铝和碳化硅的材料。

8.根据前述权利要求任一项的基台，其中所述导电多孔材料的热膨胀系数与所述陶瓷基板的热膨胀系数相匹配。

9.一种发光器件(100)，包括根据前述权利要求任一项的基台，和设置在所述基台上并与所述电路(102)电连接的至少一个发光二极管(103)。

10.基台的制造方法，包括：

提供陶瓷基板；

在所述陶瓷基板上设置组合物的电路图案，该组合物包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒，所述颗粒被分散在液体介质中；和

在至少部分所述液体介质被蒸发和至少部分所述非贵金属被氧化的温度下加热所述组合物。

11.根据权利要求10的方法，其中所述贵金属选自于银、金、钯、铂、铼以及它们的组合。

12.根据权利要求10至11任一项的方法，其中所述非贵金属选自于铅、钒、碲、铋、砷、锑、锡、铬以及它们的组合。

13.根据权利要求10至12任一项的方法，其中所述至少一种贵金属是银，所述至少一种非贵金属是铅和钒。

14.根据权利要求10至13任一项的方法，其中所述陶瓷基板(101)包括选自于氮化铝和碳化硅的材料。

15.根据权利要求10至14任一项的方法，其中所述加热是在约250℃至约500℃的温度范围进行的。

16.根据权利要求10至15任一项的方法，其中所述加热进行的时间为3至25分钟。

17.根据权利要求10至16任一项的方法，其中通过印刷将所述组合物设置到所述陶瓷基板上。

18.发光器件的制造方法，包括根据权利要求10至17任一项的方法，还包括：

在所述基板上设置至少一个发光二极管；和

使所述至少一个发光二极管与所述电路电连接。

19.根据权利要求18的发光器件的制造方法，其中在所述加热期间将至少一个发光二极管设置到所述陶瓷基板上，从而使所述至少一个发光二极管连接并结合到所述电路。

20.组合物在制造基台中的用途，该组合物包含用至少一种非贵金属掺杂的至少一种贵金属的颗粒，所述颗粒被分散在液体介质中。

21.可由根据权利要求10至17任一项的方法得到的基台。

22.可由根据权利要求18至19任一项的方法得到的发光器件。

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