CN102368529A - 一种大功率led光源封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种大功率LED光源封装结构提供一种应用LTCC(Low temperature co-fired ceramic，低温共烧陶瓷)技术的大功率LED光源封装结构。该封装结构包括陶瓷基板、固定在基板上的LED芯片以及金属散热底座。本发明中，低温共烧陶瓷基板为薄片状，在薄片上印刷导电通道，导电通道与其他电传导体互相独立。LTCC的层数和其中的电路布局根据设计需要而定。为了进一步提高结构的导热性能，采用大面积的金属材料将芯片底部的热迅速导出至金属散热底座。本发明的封装结构适用于大功率、多芯片的封装，可用于三基色及白光LED光源的封装。

Description

一种大功率LED光源封装结构
技术领域
本发明属于半导体封装技术领域，主要涉及大功率发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)光源的封装技术，低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)，以及LED光源的封装结构。
技术背景
作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。随着超高亮LED的出现，LED在各种信号显示和照明光源领域的应用大大扩展，主要有汽车内外灯，交通信号灯，照明，室内外信息显示屏和背光源等。
LED的核心部分是PN结，注人的电子与空穴在PN结复合时把电能直接转换为光能，但并不是所有转换的光都能发射到LED外，它会在PN结和环氧树脂/硅胶内部被吸收片转化为热能，这种热能对灯具产生巨大副作用，如果不能有效散热，会使LED内部温度升高，温度越高，LED的发光效率越低，且LED的寿命越短。严重情况下，会导致LED晶片立刻失效，所以散热仍是大功率LED应用的巨大障碍。
伴随着LED电流强度和发光量的增加，LED芯片的发热量也随之上升，对于高功率LED，输入能源的80％都以热的形式消耗掉。如果这些热量不能及时排出外界，造成芯片的温升效应，LED的寿命和光输出就会大打折扣。传统的LED使用PCB板封装基座，其热传导率仅约为0.36W/m·K，已远远不能满足高功率LED的散热要求。
低温共烧陶瓷技术是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉整合组件技术。LTCC价格低廉，而且容易成形，可以内置复杂的电路，在设计灵活性、布线密度和可靠性方面提供了巨大的潜能，为电子元器件以及模块小型化、轻量化提供了比较好的解决途径，因此在国内外越来越受到重视。
所谓LTCC技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件(如电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入其中，然后叠压在一起，在1000℃以下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。
与其它集成技术相比，LTCC有着众多优点：第一，陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路***的品质因数，增加了电路设计的灵活性；第二，可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命；第三，可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，免除了封装组件的成本，在层数很高的三维电路基板上，实现无源和有源的集成，有利于提高电路的组装密度，进一步减小体积和重量。因此，LTCC基板是光电子封装的理想材料。
国外对采用LTCC技术的LED封装结构进行了大量的研究。US 20050161682 A1提出一种适用于高温下工作的LED封装结构，采用LTCC与金属共烧结合的基板，LED芯片的电极通过金垫与金属基体相连接，金属基体作为导热和导电通道。US 7183640 B2通过在LED芯片底部增加AlN导热柱设计，增大芯片的散热面积，使热量迅速从金属基板导出。国内对LED封装的散热结构也提出了很多方案。CN 1215503和CN 1315057公开了LED器件及其制备，其中在电极上制作一些微型凸柱以便减少电极尺寸并完善连接。CN 101159300A公开了采用Cu基座替代Al基座，但依然采用高热阻的PCB板。在LTCC技术应用方面，CN 1905223A提出了热电分离设计的低温共烧陶瓷LED光源封装结构，也采用了与上述专利US 7183640B2相似的导热柱结构，不同的是导热柱填充的是银浆。上述导热柱的设计利用了LTCC可印刷的工艺条件，提高了低温共烧陶瓷层的热传导性能，但是导热柱的体积、数量有限，限制了封装结构导热性能的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用LTCC技术的大功率高导热LED光源封装结构。
本发明的封装结构包括陶瓷基板、固定在基板上的LED芯片以及金属散热底座，其特征在于：所述的封装结构采用LTCC基板并且芯片颗粒底部通过金属导热腔与金属散热底座相焊接，大大提高了封装结构的导热性能，有利于延长LED光源的使用寿命。
作为上述发明的进一步说明，LTCC基板内设计了导热腔，导热腔与导电通道由LTCC隔开，芯片颗粒底部、金属导热腔、金属散热底座直接焊接。
所述金属导热腔可以填充焊料或其他金属导热体。
所述LTCC基板为薄片状，外形根据需要而定。基板材料以各种热传导系数较好的陶瓷原料为主，如氧化铝(Al2O3)，氮化铝(AlN)，优选AlN及其复合陶瓷材料。
所述的LTCC基板内置电极作为导电通道，电极材料使用金、银、铜或镍等金属，LTCC基板的层数和其中的电路设计根据需要而定，电路层为1层或多层。
所述导热腔是通过在每一层LTCC生瓷薄片上切割或冲孔，然后层叠形成，形成的腔体可以填充金属共烧，也可以在烧结后采用金属焊料填充。
所述金属散热底座为可焊接底座，优先使用具有优良导热性能的铝合金、铜合金等金属基板。
本发明采用以上技术方案具有以下优点：
1.传统的电路板采用PCB电路板，铜箔导电层需要使用FR-4环氧树脂粘接金属底座，热阻大；LTCC基板以内置电极的方式组成LED光源的绝缘和电路层，整个封装结构的导热能力大大提高，热阻得到有效的降低。
2.采用金属导热腔，LTCC层数较少时，芯片可直接焊接于金属散热底座；LTCC层数较多时，金属导热腔内可填充热膨胀系数匹配较好的金属导热体，与其他专利的金属导热拄相比，大大提高了芯片的散热面积。
3.金属导热腔的设计使得芯片颗粒产生的热量迅速从金属导出，防止芯片的热量累积，有利于提高芯片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明封装结构示意图，其中：1、金线；2、LED芯片；3、固晶胶；4、热沉；5、电极；6、焊料；7、LTCC陶瓷片；8、导电浆料；9、金属散热底座；10、金属导热体。
图2单个LED的LTCC基板表面示意图。
图3为LTCC基板上多个LED颗粒与散热底座连接示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1A所示，设计单层简单电路，共需要两层LTCC生瓷薄片(7)。首先，在第一层陶瓷片(7)上印刷导电浆料(8)银浆，构成设计需要的电路，并在陶瓷片(7)中间位置冲孔，切割出导热腔型。然后，在导电层上叠加第二层LTCC生瓷薄片(7)，露出电极位置(如附图2所示)，第二层生瓷薄片也切割出跟第一层陶瓷片一样的导热腔型，共烧以结合为一体构成LTCC基板。LTCC基板与金属散热底座(9)铝合金基板通过焊料(6)与LED芯片紧密连接。同时，LED芯片颗粒的电极(5)通过焊料(6)焊接在LTCC基板上。
实施例二
设计多层电路，所需的LTCC层数增多，电路、导热腔制程如实施例一所示。导热腔轴向尺寸增大，不适宜采用焊料连接芯片颗粒和金属散热底座，此时选用热膨胀系数与LTCC材料匹配的金属导热体(10)Cu-Mo-Cu合金与LTCC基板共烧，并预留一定的焊接位置，如图1B所示，烧成后的LTCC基板再与金属散热底座、芯片颗粒相焊接。
本实施例中，LED阵列根据需要，可设计成不同数量的圆形排列、菱形交错排列等，不受限制。
当然，上述实例仅是本发明的实施之一，本发明并不局限于上述具体实施例，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，例如，将LTCC基板外形改变、导热腔腔型改变、使用Cu-Mo-Cu以外金属等，在不脱离本发明的精神下，都在本发明所要求保护范围。

Claims (8)

1.一种大功率LED光源封装结构，包括陶瓷基板、固定在基板上的LED芯片以及金属散热底座，其特征在于：所述的芯片颗粒底部通过金属导热腔与金属散热底座相焊接。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：所述导热腔与导电通道由LTCC基板隔开，导热腔由焊料或与陶瓷热匹配较好的金属合金填充。
3.根据权利要求2所述的LTCC基板，其特征在于：LTCC基板的陶瓷层由热传导系数较好的陶瓷原材料组成，优选AlN及其复合陶瓷材料。
4.根据权利要求2所述的LTCC基板，其特征在于：所述LTCC基板内外层电极材料使用金、银、铜或镍。
5.根据权利要求2所述的LTCC基板，其特征在于：所述LTCC基板层数在2层或以上。
6.根据权利要求2所述的LTCC基板，其特征在于：电路层层数为1层或多层。
7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：导热腔形状为圆柱形或长方体形。
8.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：可以在LTCC基板上同时封装一个或一个以上的LED芯片。
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