CN117334795B - 一种基于陶瓷围坝的高功率led封装结构的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED高功率封装领域，具体为一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用。本发明将最上层瓷片经过激光切割，切割出阵列通孔，在最上层瓷片的下表面或非最上层瓷片的上下表面涂敷焊料或焊片；按照瓷片通孔层‑铜层‑瓷片层‑铜层的顺序，将瓷片和铜片从上往下排列，制得待烧结件；采用AMB工艺进行真空活性钎焊烧结，再进行线切割处理，制得陶瓷围坝覆铜基板；将基板内贴附焊片、芯片，经热压烧结、灌注环氧树脂进行固化，最后在下一层铜片两端焊接导线，接通电源，LED芯片发光。通过以上制备步骤，本发明能够提高LED封装结构的性能和可靠性。
Description
本发明涉及LED高功率封装领域，具体为一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用。
背景技术
随着功率器件对功率输出的要求越来越高，热传导变得至关重要。在面对日常生活中所使用的高功率LED发光器件中，覆铜陶瓷基板作为功率器件的散热核心就显得尤为重要。
然而，在使用传统的焊接方法进行焊接时，常常会出现虚焊的情况，并且焊接围坝的结构工艺也较为复杂。现有技术中至少存在如下问题：
1、焊接效果不佳：基板与高功率芯片之间焊接效果不佳，容易出现虚焊、脱落等情况；
2、多道工序：传统焊接方法需要多道工序来制作基板所需的围坝，导致生产效率较低；
3、复杂工艺：传统的覆铜陶瓷基板通常需要在基板上电镀金属围坝来实现散热效果，这一工艺相对复杂。
因此，我们提出一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，包括以下步骤：
步骤S1：使用激光切割技术将瓷片切割出阵列通孔，制得通孔瓷片，再将通孔瓷片的两端长度切割成比铜片的长度小3～10mm，制得最上层瓷片；
步骤S2：将陶瓷板的上表面、下表面分别采用丝网印刷工艺涂覆焊料，形成焊料层，在焊料层的表面分别放置一张铜片，形成金属层，制得待烧结件；
步骤S3：在待烧结件的上表面、下表面分别放置压头，采用AMB(钎焊)烧结工艺进行真空活性钎焊烧结，烧结温度为600～950℃，烧结时间为60～480min，制得烧结件；按照AMB覆铜板生产加工流程，对烧结件依次进行贴膜、曝光、显影、铜蚀刻和焊料蚀刻的步骤，在铜片表面形成条形凹槽，制得表面蚀刻有条形凹槽的铜片；
步骤S4：将步骤S3制得的表面蚀刻有条形凹槽的铜片和步骤S1制得的最上层瓷片分别进行表面除油，再分别进行表面清洗后，将最上层瓷片的通孔中心对准铜片的条形凹槽中心，进行烧结，制得陶瓷覆铜基板；待陶瓷覆铜基板冷却至室温后，使用金属钨线，将其平行于最上层瓷片的上表面，并对准通孔中心进行纵向切割，直到达到下一层铜片条形凹槽位置时，结束切割，制得陶瓷围坝覆铜基板；
步骤S5：使用清洗液对陶瓷围坝覆铜基板进行表面处理，在表面处理好的陶瓷围坝覆铜基板条形凹槽的两端处先贴附银焊片，再贴附芯片，确保每个围坝位置芯片正负极方向都一致，然后在200～250℃下热压烧结5～30min，在通孔位置灌注环氧树脂进行固化，最后在最下层铜片的两端焊接正极导线、负极导线，接通电源，LED芯片发光。
进一步的，所述步骤S1中瓷片为Al2O3、AlN、Si3N4中的一种，厚度为0.15～1mm。
进一步的，所述步骤S1中铜片为表面处理过的无氧化层金属铜，厚度为0.1～0.4mm。
进一步的，所述步骤S2中焊料层的厚度为5～15μm。
进一步的，所述步骤S2中待烧结件的制备工艺还包括以下几种情况：
情况1：将陶瓷板的上表面、下表面分别贴敷活性金属焊片，在金属焊片的表面分别放置一张铜片，制得待烧结件；
情况2：将最上层瓷片的下表面涂敷丝网印刷焊料，形成焊料层，在焊料层的下表面放置一张铜片，在铜片的下表面放置陶瓷板，在陶瓷板的下表面放置一张铜片，制得待烧结件；
情况3：将最上层瓷片的下表面贴敷活性金属焊片，在金属焊片的下表面放置一张铜片，在铜片的下表面放置陶瓷板，在陶瓷板的下表面放置一张铜片，制得待烧结件；
情况4：将最上层瓷片的下表面涂敷焊料，形成焊料层，在焊料层的下表面放置一张铜片，在铜片的下表面放置双面贴敷焊片陶瓷板，在双面贴敷焊片陶瓷板的下表面放置一张铜片，制得待烧结件；
情况5：将最上层瓷片的下表面贴敷焊片，在焊片的下表面放置一张铜片，在铜片的下表面放置双面贴敷焊片陶瓷板，在双面贴敷焊片陶瓷板的下表面放置一张铜片，制得待烧结件。
进一步的，所述步骤S3中压头为玻璃、陶瓷、石墨块、刚玉砖中的一种。
进一步的，所述步骤S3中铜蚀刻的工艺条件为：铜离子质量浓度为2～3g/L，铜络合剂选用质量分数为1.5～2.0％的亚氨基二乙酸，过氧化氢质量分数为15～20％，温度为30～45℃，时间5～25min。
进一步的，所述步骤S3焊料蚀刻的蚀刻液包括：300～500g/L氯化铁、2～3g/L盐酸、10～30g/L次氯酸钠、0.05～0.10g/L苯丙三氮唑，温度为30～45℃，时间10～25min。
进一步的，所述步骤S3中条形凹槽的宽度为0.1～1mm，相邻条形凹槽的间距与最上层瓷片切割的通孔中心间距一致。
进一步的，所述步骤S4中表面除油工艺使用的溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的一种。
进一步的，所述步骤S4中切割处理使用的是金刚石线切割机。
进一步的，所述步骤S5中银焊片的大小随LED芯片正负极大小来定。
进一步的，所述步骤S5中固化工艺条件为：固化温度80～150℃，固化时间10～60min。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用，包括四层覆铜陶瓷基板制备，其中最上层瓷片经过激光切割，切割出阵列通孔，在最上层瓷片的下表面或非最上层瓷片的上下表面涂敷焊料或焊片，然后按照瓷片通孔层～铜层～瓷片层～铜层的顺序，将瓷片和铜片从上往下排列，制得待烧结件；在待烧结件上下放置压头，采用AMB工艺进行真空活性钎焊烧结，使瓷片和铜片牢固地结合在一起。使用钨线切割最上层陶瓷层及下一层铜层，制得陶瓷围坝覆铜基板；通过以上制备步骤，本发明主要解决了传统焊接方法中焊层散热差、成本高、工艺复杂、效率低等问题。
2、本发明的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备及应用，提供了一种新型LED银片焊接方式，有效解决了传统焊接方法中容易出现的虚焊、脱落等问题，提高了焊接效果的稳定性和可靠性；本发明采用覆铜基板烧结陶瓷围坝四层结构，简化了制造工艺，提高了生产效率；本发明提供一种高功率散热基板可直接灌胶结构，简化了结构工艺，降低了制造成本；本发明提供一种倒装LED无金线电流传递模式，改变了传统LED封装结构中金线传递电流的方式，提高了电流传递效率和可靠性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明陶瓷覆铜基板最上层瓷片图；
图2是本发明陶瓷覆铜基板待烧结件主视图；
图3是本发明陶瓷覆铜基板左视图；
图4是本发明陶瓷围坝覆铜基板截面示意图；
图5是本发明陶瓷围坝覆铜基板立体结构图；
图6是本发明陶瓷围坝覆铜基板结构图；
图7是本发明陶瓷围坝覆铜基板正负极封装结构图(未焊接芯片)；
图8是本发明陶瓷围坝覆铜基板芯片焊接封装结构图(已焊接芯片)；
图9是本发明陶瓷围坝覆铜基板芯片焊接封装俯视图(已焊接芯片)；
图中：101：最上层瓷片，102：陶瓷板，103：铜片，104：条形凹槽，301：正极，302：负极，303：芯片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，包括以下步骤：
步骤S1：使用激光切割技术将瓷片切割出阵列通孔，制得通孔瓷片，再将通孔瓷片的两端长度切割成比铜片的长度小3mm，制得最上层瓷片101；
步骤S2：将陶瓷板102的上表面、下表面分别采用丝网印刷工艺涂覆焊料，形成焊料层，在焊料层的表面分别放置一张铜片103，形成金属层，制得待烧结件；
步骤S3：在待烧结件的上表面、下表面分别放置压头，采用AMB烧结工艺进行真空活性钎焊烧结，烧结温度为600℃，烧结时间为60min，制得烧结件；按照AMB覆铜板生产加工流程，对烧结件依次进行贴膜、曝光、显影、铜蚀刻和焊料蚀刻的步骤，在铜片103表面形成条形凹槽，制得表面蚀刻有条形凹槽104的铜片103；
步骤S4：将步骤S3制得的表面蚀刻有条形凹槽104的铜片103和步骤S1制得的最上层瓷片101分别进行表面除油，再分别进行表面清洗后，将最上层瓷片101的通孔中心对准铜片103的条形凹槽104中心，进行烧结，制得陶瓷覆铜基板；待基板冷却至室温后，再进行线切割处理，使用厚度为0.5mm的金属钨线，将其平行于最上层瓷片101的上表面，并对准通孔中心进行纵向切割，直到达到下一层铜片103的凹槽位置时，结束切割，制得陶瓷围坝覆铜基板；
步骤S5：使用清洗液对陶瓷围坝覆铜基板进行表面处理，在表面处理好的陶瓷围坝覆铜基板条形凹槽104的两端处先贴附银焊片，再贴附芯片303，确保每个围坝位置芯片正负极方向都一致，然后在200℃下热压烧结5min，在通孔位置灌注环氧树脂进行固化(固化温度80℃，固化时间60min)，最后在最下层铜片103的两端焊接正极301导线、负极302导线，接通电源，LED芯片发光。
实施例2：一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，包括以下步骤：
步骤S1：使用激光切割技术将瓷片按照直径为10mm的尺寸切割出阵列通孔，制得通孔瓷片，再将通孔瓷片的两端长度切割成比铜片的长度小1mm，制得最上层瓷片101；
步骤S2：将陶瓷板102的上表面、下表面分别采用丝网印刷工艺涂覆焊料，形成焊料层，在焊料层的表面分别放置一张铜片103，形成金属层，制得待烧结件；
步骤S3：在待烧结件的上表面、下表面分别放置压头，采用AMB烧结工艺进行真空活性钎焊烧结，烧结温度为950℃，烧结时间为480min，制得烧结件；按照AMB覆铜板生产加工流程，对烧结件依次进行贴膜、曝光、显影、铜蚀刻和焊料蚀刻的步骤，在铜片103表面形成条形凹槽104，制得表面蚀刻有条形凹槽104的铜片103；
步骤S4：将步骤S3制得的表面蚀刻有条形凹槽104的铜片103和步骤S1制得的最上层瓷片101分别进行表面除油，再分别进行表面清洗后，将最上层瓷片101的通孔中心对准铜片103的条形凹槽104中心，进行烧结，制得基板；待基板冷却至室温后，再进行线切割处理，使用厚度为1mm的金属钨线，将其平行于最上层瓷片101的上表面，并对准通孔中心进行纵向切割，直到达到下一层铜片103凹槽位置时，结束切割，制得陶瓷围坝覆铜基板；
步骤S5：使用清洗液对陶瓷围坝覆铜基板进行表面处理，在表面处理好的陶瓷围坝覆铜基板内的条形凹槽104的两端处先贴附银焊片，再贴附芯片303，确保每个围坝位置芯片正负极方向都一致，然后在250℃下热压烧结30min，在通孔位置灌注环氧树脂进行固化(固化温度150℃，固化时间10min)，最后在最下层铜片103的两端焊接正极301导线、负极302导线，接通电源，LED芯片发光。
实验
| 实施例1 | 实施例2 | |
| LED持续发光7天亮度变化 | 无明显变化 | 无明显变化 |
| 基板工作温度 | 30℃ | 30℃ |
| 裸芯片无基板工作温度 | 40℃ | 40℃ |
| 陶瓷围坝与金属围坝成本对比 | 降低 | 降低 |
| 与传统围坝相比工艺难易程度 | 简单 | 简单 |
根据上表中的数据，可以清楚得到以下结论：
在进行持续工作后，LED芯片性能未进行明显衰退，对于＞1W多颗大功率同时工作的LED芯片，覆铜陶瓷基板能够及时导热不影响芯片工作状态。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程方法物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程方法物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：使用激光切割技术将瓷片切割出阵列通孔，制得通孔瓷片，再将通孔瓷片的两端长度切割成比铜片的长度小3～10mm，制得最上层瓷片(101)；
步骤S2：将陶瓷板(102)的上表面、下表面分别采用丝网印刷工艺涂覆焊料，形成焊料层，在焊料层的表面分别放置一张铜片(103)，形成金属层，制得待烧结件；
步骤S3：在待烧结件的上表面、下表面分别放置压头，采用钎焊烧结工艺进行真空活性钎焊烧结，烧结温度为600～950℃，烧结时间为60～480min，制得烧结件；按照钎焊覆铜板生产加工流程，对烧结件依次进行贴膜、曝光、显影、铜蚀刻和焊料蚀刻的步骤，在铜片(103)表面形成条形凹槽(104)，制得表面蚀刻有条形凹槽(104)的铜片(103)；
步骤S4：将步骤S3制得的表面蚀刻有条形凹槽(104)的铜片(103)和步骤S1制得的最上层瓷片(101)分别进行表面除油，再分别进行表面清洗后，将最上层瓷片的通孔中心对准铜片(103)的条形凹槽(104)中心，进行烧结，制得陶瓷覆铜基板；待陶瓷覆铜基板冷却至室温后，再进行线切割处理，使用金属钨线，将其平行于最上层瓷片(101)的上表面，并对准通孔中心进行纵向切割，直到达到下一层铜片(103)的条形凹槽(104)位置时，结束切割，制得陶瓷围坝覆铜基板；
步骤S5：使用清洗液对陶瓷围坝覆铜基板进行表面处理，在表面处理好的陶瓷围坝覆铜基板条形凹槽(104)的两端处先贴附银焊片，再贴附芯片(303)，确保每个围坝位置芯片正负极方向都一致，然后在200～250℃下热压烧结5～30min，在通孔位置灌注环氧树脂进行固化，最后在最下层铜片(103)的两端焊接正极(301)导线、负极(302)导线，接通电源，LED芯片发光。
2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S1中瓷片为Al2O3、AlN、Si3N4中的一种，厚度为0.15～1mm，铜片为表面处理过的无氧化层金属铜，厚度为0.1～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S2中焊料层的厚度为5～15μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S3中铜蚀刻的工艺条件为：铜离子质量浓度为2-3g/L，铜络合剂选用质量分数为1.5～2.0％的亚氨基二乙酸，过氧化氢质量分数为15～20％，温度为30～45℃，时间5～25min。
5.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S3中焊料蚀刻的蚀刻液包括：300～500g/L氯化铁、2～3g/L盐酸、10～30g/L次氯酸钠、0.05～0.10g/L苯丙三氮唑，温度为30～45℃，时间10～25min。
6.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S3中条形凹槽的宽度为0.1～1mm，相邻条形凹槽的间距与最上层瓷片切割的通孔中心间距一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S4中表面除油工艺使用的溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构的制备，其特征在于：所述步骤S5中固化工艺条件为：固化温度80～150℃，固化时间5～60min。
9.根据权利要求1～8任一项所述制备制得的一种基于陶瓷围坝的高功率LED封装结构。
10.一种根据权利要求9所述的高功率LED封装结构制备的LED发光器件。
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