CN101980389B - 一种大功率led用平板式陶瓷封装散热模组及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有立体布线结构和散热沟槽的平板式陶瓷封装散热模组，为大功率LED的封装和/或热管理提供了高效率、高可靠性的一体化解决方案。利用陶瓷材料的热电分离特性，应用一体化的陶瓷-金属复合材料，同时实现了传统方案中需要用两种材料分别实现的绝缘和导热特性。其有益效果是：1、消除了散热瓶颈，使得热量从LED芯片顺畅地传导到整个散热模组，继而通过散热沟槽形成的空气自然对流将热量有效地发散到空气中，有助于降低LED芯片温度；2、规格统一的平板式结构，便于加工操作，有利于大规模生产及应用。

Description

一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种LED的陶瓷封装基板，尤其是一种适用于大功率LED的陶瓷散热热沉及其制造方法。

背景技术

由于近二成的居民用电被用于照明，而传统白炽灯只能以5％左右的低效率将电能转化为光能，所以具有更高能量转化效率的节能照明技术在世界范围内都受到特别的重视。其中，LED技术因其具备发光效率高、使用寿命长、驱动电压低、安全性好、开关响应速度快、环境友好等优点，目前在市面上最受瞩目，最近十余年间技术水平亦飞速发展。

尽管LED照明技术有着突出的优点和光明的应用前景，但是迄今为止，它在大规模商业应用方面仍受限于成本以及一些技术问题。其中，热管理是大功率LED应用中极重要的技术课题，它关系到大功率LED的可靠性和发光效率。

由于LED进行能量转化的场所是在发光半导体薄膜的p-n结狭小的界面上，因此，尽管单颗LED装置的整体功率比较小，但是在发光芯片上的功率密度却很大，而在LED工作过程中，未能完全转化为光能的那部分电能，相当于在以＞300W/cm2的功率密度在加热芯片区域(可参考：A.Christensen and S.Graham，Thermal Effects in Packaging High Power LightEmitting Diode Arrays.Appl.Thermal Eng.29，364(2009).)。而根据文献报道，当LED芯片的工作温度从40℃提升到50℃，其工作寿命最多有可能从42,000小时缩短到18,000小时(可参考：N.Narendran and Y.Gu，Life ofLED-Based White Light Sources.IEEE/OSA J.DisplayTechnol.1，167(2005).)；而且，随着芯片温度进一步提高，还将在工作过程中出现临时性的光衰、色差等一系列问题。可见，过高温度对LED有着极为不利的影响；另外，由于单粒LED的输出亮度无法跟传统光源相比，实际的照明应用中常将多粒LED集成在一起，进行集中发光照明，这样一来，***整体就会产生极高的温度，对散热能力也有着更为苛刻的要求。

目前业内大功率LED散热的通用方案如图1所示：厂商LED灯粒4焊接在PCB3表面的电路图案上，然后再把PCB板3用导热胶2粘在金属热沉1上；图2是这种组合结构的侧面示意图，其中，PCB板3的作用是提供电路，金属热沉1的作用是吸纳LED产生的热量并向空气中散发出去。在这种通用方案中，PCB和导热胶会构成热量传递的瓶颈：由于制作PCB的树脂材料(如FR4)的热导率通常不高于1W/m·K，所以即便热沉材料使用高热导率的金属，如铝(室温热导率为237W/m·K)甚至铜(室温热导率为401W/m·K)，也无法很好地解决大功率LED的散热问题。近年来，也有厂商采用更高性能的MCPCB(metal core printed circuit board，金属芯印刷电路板)取代普通PCB来固定LED灯粒，不过MCPCB表面氧化膜的热导率通常也只在2-5W/m·K之间(可参考：李华平，柴广跃，彭文达和牛憨笨，“大功率LED的封装及其散热基板研究”，《半导体光电》，28，47(2007)。)，可见其在实际使用过程中，仍然是散热瓶颈所在。

此外如图1中所示，目前通用的方案是把封装好的LED灯粒焊接到热沉上面，其所存在的问题是：热沉结构复杂，并且异形形状在工业生产中不利于大规模生产；而且，目前厂商所使用的方法，是将LED灯粒的封装和在热沉上的焊接工序分开进行的，而不是把LED芯片直接封装到带有封装的热沉上，因而其生产工艺繁琐，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种散热能力强，平板结构，且LED封装和散热一体化，利于生产的陶瓷封装散热模组及该陶瓷封装散热模组的制作方法。

一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，具有多层陶瓷结构，该多层陶瓷主要由无沟槽平面层及带沟槽平面层相互层叠组成，其中带沟槽平面层的沟槽具有供空气流通进行热交换的进、出气口，所述无沟槽平面层及带沟槽平面层由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为20-25W/m·K和200-250W/m·K，可有效提高模组的散热能力；同时，与等体积热沉相比，沟槽结构增大了散热面积。

作为上述方案的进一步改进，所述的多层陶瓷沿厚度方向穿设有高导热柱，沿宽度方向夹设有高导热板，高导热板与高导热柱相接触，高导热柱用于将LED芯片产生的热量导出，高导热柱和高导热板由金属如钨、钼、银或铜等填充而成，用于增强模组的纵向传热效果。

上述多层陶瓷外侧的上、下陶瓷面及沟槽的内陶瓷面设有与高导热柱相接触的高导热散热板。高导热散热板用于将高导热柱导出的热量横向传导出来，同时将传导出来的热量散到空气中；其中高导热散热板由钨、钼、银或铜金属牢固的附着在陶瓷表面而成，用于增强模组的横向传热效果同时利于将高导热柱和高导热板导出的热量散到外界空气中。

作为上述方案的进一步改进，所述多层陶瓷的最上层陶瓷面上附着有至少一组LED芯片封装基座及相配的芯片贴片区；或至少一组LED灯粒焊接应用电路及相配的灯粒贴片区；采用LED直接封装在模组上面的结构，减少了散热热阻，同时减少了将LED封装基座或LED灯粒焊接应用电路再次固定在热沉上这一工序。

上述大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，原材料分散：按一定的配比将陶瓷粉末、有机分散剂、有机粘结剂、溶剂及助剂通过球磨分散、混合工艺加工而形成陶瓷浆料；

步骤2，流延：将加工好的陶瓷浆料均匀地涂布在薄膜上，烘干得到陶瓷生带；

步骤3，成型：将流延制成的陶瓷生带用模具或切刀制成一定尺寸的陶瓷生坯；

步骤4，冲孔：在陶瓷生坯上冲制孔，所述孔为通孔、腔体或沟槽；

步骤5，填孔：用金属浆料填充陶瓷生坯上的孔，或在陶瓷生坯上的孔的孔壁挂金属浆料；

步骤6，平面印刷：在陶瓷生坯表面印刷导电图形或散热板；

步骤7，叠层及加压：将多片经加工的单层陶瓷生坯叠合在一起并加压形成整体的陶瓷模组；

步骤8，切割：将叠层及加压好的陶瓷模组，按要求切割形成一定深度的槽；

步骤9，排胶及烧结，将切割好的陶瓷模组中的有机物通过高温排除干净，并将陶瓷模组置于还原性气体下烧结形成致密的整体；

步骤10，电镀或化学镀：在金属化层的表面镀上所需的光量金属层。

本发明与现有技术相比，具有以下几个特点：

1、散热性好，本发明大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组基材为氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷，热导率高，且在模组的纵向设有钨(W)、钼(Mo)、银(Ag)或铜(Cu)等金属填充的高导热柱辅助散热，增强热沉的纵向导热；在模组的横向同时设有钨(W)、钼(Mo)、银(Ag)或铜(Cu)等金属附着高导热散热板辅助散热，增强热沉的横向导热以及散热；此外，热沉可有直接封装芯片的封装，减少了LED封装芯片和热沉焊接的瓶颈热阻；因此，本发明的大功率LED平板式陶瓷封装散热模组可以一体化、全方位增强LED芯片的导热和散热效果，散热能力卓越；

2、本发明采用的平板多沟槽式结构，体积小，散热面积大，易于工业安装使用，沟槽式结构所应用的烟囱原理，加强空气对流，提高了等散热面积情况下的散热效率，并且沟槽式结构还增大了同体积热沉的散热面积，提高散热效果；

3、本发明采用的平板式结构，有利于热沉的工业化大规模生产，也有利于最终产品的工业化应用。；

4、LED芯片可以直接在热沉上封装，减少了当前生产过程中将LED芯片封装后与热沉再次焊接这一工序，简化了生产流程，降低了生产成本。

综上可见，本发明所提供的大功率LED用平板式散热模组，具备有较好的散热性能，其在应用于大功率LED上，能够改善LED芯片因发热所引起的光衰大及寿命下降的问题；并且，本发明简化了热沉的结构，有利于安装使用和大规模工业生产，也有利于LED的工业化大规模生产，减少了生产工序，降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：

图1为现有大功率LED热沉的拆分结构示意图；

图2为现有大功率LED热沉的整体结构的侧视图；

图3为本发明实施例一的整体结构剖视图；

图4为本发明实施例一的整体结构俯视图；

图5为本发明实施例一的整体结构仰视图；

图6为本发明实施例二的整体结构剖视图；

图7为本发明实施例二的整体结构俯视图；

图8为本发明实施例二的整体结构仰视图；

图9为本发明实施例三的整体结构剖视图；

图10为本发明实施例三的整体结构俯视图；

图11为本发明实施例三的整体结构仰视图；

图12为本发明中增设灯粒焊接应用电路及灯粒贴片区的结构示意图。

具体实施方式

参照图9及图11所示的实施例三，本发明所提供的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，该模组由无沟槽平面层1及带沟槽平面层2相互交叉层叠的多层陶瓷结构构成，其中，带沟槽平面层2的沟槽具有进气口和出气口，能使气体流通并进行热交换，且沟槽能够增大与空气接触的面积，提高相同体积下模组的散热效率；此外，所述的无沟槽平面层1及带沟槽平面层2由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为20-25W/m·K和200-250W/m·K，具有较高导热能力。

作为优选的实施方式，所述多层陶瓷的最上层陶瓷面上可直接牢固附着有LED，可以是至少一组LED芯片封装基座5及相配的芯片贴片区6。将LED直接封装在模组上面，减少了散热热阻，同时减少了将LED封装基座5或LED灯粒焊接应用电路5再次固定在热沉上这一工序。

参照图3至图5所示的第一种实施例，同样的，它具有由无沟槽平面层1及带沟槽平面层2相互交叉层叠的多层陶瓷结构，带沟槽平面层2的沟槽具有进气口和出气口，无沟槽平面层1及带沟槽平面层2由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，同样的，还可以在最上层陶瓷面上直接附着安装LED的结构：LED芯片封装基座5及贴片区6。

本实施例中，无沟槽平面层1及带沟槽平面层2的层叠方式为：一带沟槽平面层2的上下分别叠加无沟槽平面层1，组成一组多层陶瓷，多层陶瓷再依次叠加组合，成为模组，此外在该基础上，所述的多层陶瓷沿厚度方向穿设有高导热柱7，高导热柱7用于将LED芯片工作时产生的热量由最上层导出到下方；而在沿陶瓷层的宽度方向设有接触高导热柱7的高导热板3，高导热板3为夹设于每一组多层陶瓷之间的结构，且其面积形状与多层陶瓷的面积形状相同，利于分散热量；高导热柱7和高导热板3由钨、钼、银或铜金属填充而成，用于增强模组的纵向传热效果，以将热量快速在陶瓷层之间传递。

并且，在多层陶瓷与外界空气接触的陶瓷面，包括多层陶瓷外侧的上陶瓷面4、下陶瓷面8，以及上述沟槽的内陶瓷面9，还可增设与高导热柱7相接触的高导热散热板，该高导热散热板由钨、钼、银或铜金属牢固的附着在陶瓷表面而成，用于增强模组的横向传热效果，同时利于将高导热柱7和高导热板9导出的热量散到外界空气中。

参照图6至图8为本发明的第二种实施例，其基本结构与上述实施例相同，均具有由无沟槽平面层1及带沟槽平面层2相互交叉层叠的多层陶瓷结构，带沟槽平面层2的沟槽具有进气口和出气口，无沟槽平面层1及带沟槽平面层2由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成，并且还可以在最上层陶瓷面上直接附着安装LED芯片的LED芯片封装基座5及贴片区6。其在多层陶瓷沿厚度方向穿设有高导热柱7，沿宽度方向夹设有高导热板3，在多层陶瓷与外界空气接触的陶瓷面，包括多层陶瓷外侧的上陶瓷面4、下陶瓷面8，以及上述沟槽的内陶瓷面9，还可设有相连的高导热散热板，用于增强模组的横向传热效果，同时利于将高导热柱7和高导热板9导出的热量散到外界空气中。

在该实施例中，高导热板3是位于高导热柱7之间的，且与高导热柱7接触，这样可用于增强模组整体的纵向传热效果，利于隔层陶瓷之间的热量传递。

在上述几种实施例的基础上，所述的高导热柱7、高导热板3以及高导热散热板优选方案为由钨金属填充而成，其热导率约可达到为200W/m·K，具备极好的导热效果。并且，除了能够附着LED芯片封装基座5及相配的芯片贴片区6外，也可以附着至少一组LED灯粒焊接应用电路5及相配的灯粒贴片区6，取决于具体的应用环境。

本发明所提供的大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其生产工艺流程为：

原材料分散→流延→成型→冲孔(沟槽)→填孔(印孔)→平面印刷→叠层及加压→切割→排胶及烧结→电镀(化学镀)。

其中，

原材料分散为，按一定的配比将陶瓷粉末、有机分散剂、有机粘结剂、溶剂及其它助剂通过球磨等分散、混合工艺加工而形成陶瓷浆料；

流延为，将加工好的陶瓷浆料均匀地涂布在薄膜上，烘干得到陶瓷生坯；

成型为，将流延制成的陶瓷生带用模具或切刀制成一定尺寸的陶瓷生坯；

冲孔为，根据产品设计需要，在切割好的陶瓷生坯上冲制通孔、腔体或沟槽；

填孔为，根据需要，用金属浆料填充陶瓷生坯上的通孔，或在陶瓷生坯上的通孔、腔体或沟槽的壁上挂金属浆料；

平面印刷为，根据产品设计，在陶瓷生坯表面印刷导电图形或散热板；

叠层及加压为，根据产品设计，将几片已经加工完成的单层陶瓷生坯叠合在一起并加压形成整体的陶瓷模组；

切割为，将叠层及加压好的陶瓷模组，按设计要求切割形成一定深度的槽，以便后续分成单只产品。

排胶及烧结为，将加工完成的生坯中的有机物通过高温排除干净，并在还原性气氛下烧结形成致密的整体，由于其均为高温加热工艺，因此可在同时进行；

电镀或化学镀为，在印刷金属化层，如钨、钼、铜、银等的表面镀上所需的光亮金属层，如镍、铜、银、金等。

通过上述步骤，即可制造出本发明的平板式陶瓷封装散热模组，它具备有较好的散热性能，因此应用于大功率LED上，能够改善LED芯片因发热所引起的光衰大及寿命下降的问题。

当然，上面仅是本发明一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，因此，凡是依据本发明的技术实质对上面实例所作的任何细微修改、等同变化或修饰，均仍属于本发明技术内容的范围内。

Claims (8)

1.一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，具有多层陶瓷结构，其特征在于：所述多层陶瓷由无沟槽平面层（1）及带沟槽平面层（2）相互层叠组成，其中带沟槽平面层（2）的沟槽具有供空气流通进行热交换的进、出气口，所述无沟槽平面层（1）及带沟槽平面层（2）由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述的多层陶瓷沿厚度方向穿设有高导热柱（7），沿宽度方向夹设有与高导热柱（7）相接触的高导热板（3），所述高导热柱（7）和高导热板（3）由钨、钼、银或铜填充而成。

3. 根据权利要求2所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述多层陶瓷外侧的上、下陶瓷面（4、8）及所述沟槽的内陶瓷面（9）设有与高导热柱（7）相接触的高导热散热板，高导热散热板由钨、钼、银或铜金属附着在陶瓷表面形成。

4. 根据权利要求1或2或3所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述多层陶瓷的最上层陶瓷面上附着有至少一组LED芯片封装基座（5）及相配的芯片贴片区（6）。

5. 根据权利要求1或2或3所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述多层陶瓷的最上层陶瓷面上附着有至少一组LED灯粒焊接应用电路（5’）及相配的灯粒贴片区（6’）。

6. 根据权利要求2所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述高导热柱（7）和高导热板（3）由热导率为200W/m·K的钨金属填充而成。

7. 根据权利要求3所述的一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组，其特征在于：所述高导热散热板由热导率为200W/m·K的钨金属填充而成。

8. 一种大功率LED用平板式陶瓷封装散热模组的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，原材料分散：按一定的配比将陶瓷粉末、有机分散剂、有机粘结剂、溶剂及助剂通过球磨分散、混合工艺加工而形成陶瓷浆料；

步骤2，流延：将加工好的陶瓷浆料均匀地涂布在薄膜上，烘干得到陶瓷生带；

步骤3，成型：将流延制成的陶瓷生带用模具或切刀制成一定尺寸的陶瓷生坯；

步骤4，冲孔：在陶瓷生坯上冲制孔，所述孔为通孔、腔体或沟槽；

步骤5，填孔：用金属浆料填充陶瓷生坯上的孔，或在陶瓷生坯上的孔的孔壁挂金属浆料；

步骤6，平面印刷：在陶瓷生坯表面印刷导电图形或散热板；

步骤7，叠层及加压：将多片经加工的单层陶瓷生坯叠合在一起并加压形成整体的陶瓷模组；

步骤8，切割：将叠层及加压好的陶瓷模组，按要求切割形成一定深度的槽；

步骤9，排胶及烧结，将切割好的陶瓷模组中的有机物通过高温排除干净，并且将陶瓷模组置于还原性气体下烧结形成致密的整体；

步骤10，电镀或化学镀：在金属化层的表面镀上所需的光亮金属层。

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