CN201307606Y - 一种新型陶瓷封装基座 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及到一种陶瓷封装基座，尤其涉及到一种高功率的新型陶瓷封装基座。该基座由上陶瓷层和下陶瓷层构成，上陶瓷层提供反射杯，在上陶瓷层还设有用于安装光学透镜的光学透镜安装区和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区，下陶瓷层用于安装芯片并实现与底层电极电导通，采用多层陶瓷叠层工艺；下陶瓷层上侧设有用于安装芯片的固晶区和通过焊接导线连接芯片电极的打线区，下陶瓷层上侧还设有适合钎焊工艺连接的钎焊区。本实用新型的有益效果是：提高了SMD高功率LED封装基座散热性能，改善因温升导致LED芯片光衰大及寿命下降的问题；增强LED产品耐高低温度冲击性能，提高产品的可靠性、稳定性；降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及到一种陶瓷封装基座，尤其涉及到一种高功率的新型陶瓷封装基座。
背景技术
LED作为一种新型光源，由于具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小使彩度更高等传统光源无可比拟的优势而得到了空前发展。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％都以热的形态消耗掉。如果这些热量不能及时排出外界，造成芯片的温升效应，LED的寿命和出光率都会大打折扣；传统使用的环氧树脂封装基座的热传导率仅为0.47W/mK，已经远远不能满足高功率的LED的散热要求。近年逐步被较高导热率的铝金属基板替代，铝基板受绝缘有机材料的影响，热传导率为1～2.2W/mK，能够满足部分较高功率LED的封装要求，但铝基板的热膨胀系数与LED芯片差异很大，当温度变化很大或封装作业不当时极易产生热歪斜，引发芯片瑕疵及发光效率降低。由于LED亮度随驱动电流的增大而增大，对更高亮度的LED，铝基板已经无法满足其散热要求，陶瓷封装基座因具有热导率高、热膨胀系数与高亮度LED晶体匹配、电绝缘强度高、可设计反射杯及导热柱等可以有效的解决这些问题而成为高功率LED的理想散热基座材料。
目前高功率LED的陶瓷封装基座主要是由两层不同材料构成(上层为金属材料，如镀银的铜，下层为氧化铝基材的敷铜板)。由于敷铜板成本高昂，并且由于没有导热柱的设计而导致热传导率受氧化铝所限，只有约18～20W/mK；而且上下层的组合必须绝缘，故需涂覆一层绝缘漆进行隔绝，再用胶合剂粘结，其气密性不佳而导致耐环境性不好，同时绝缘漆及胶合剂形成的固化层会阻碍上下基座间热传导。现有技术的产品结构如图1和图2所示，上层为镀银的铜环，下层为氧化铝基材的敷铜板，上层提供反射杯，下层安装芯片，并实现与底层电极电导通。其中固晶区1用于装芯片；打线区2通过焊接导线连接芯片的电极；底部焊盘3通过基座金属化布线，实现与芯片两个电极的连接；电导通孔4连接上下两层金属化布线，实现上下电导通；反射杯5起到聚光及反射增加亮度的作用；用于辅助散热作用的散热焊盘6，安装光学透镜用的光学透镜安装区7，用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区8。
上述结构的缺点及导致原因包括：1)、环氧树脂封装基座及铝基板热导率低，且热膨胀系数与高功率LED芯片相差太大，导致发光效率和寿命大打折扣，无法达到高功率、长寿命的技术要求。2)、现有的陶瓷封装基座主要的两大缺点是：第一，两层采用胶合剂粘合，粘合强度在受热环境下极易减弱，导致结合强度及气密性差，甚至会产生上下两层分离，不能满足潮湿环境的使用。且粘合形成的固化层，易阻碍着上下基座间的热传导；第二，底层陶瓷材料的热导率受限于陶瓷材料的性能，因此大大削弱了封装基座的整体散热性能，并且影响高功率LED的寿命及发光效率。
基于现有陶瓷封装基座的不足之处，本发明人设计了“一种新型陶瓷封装基座”。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种提高SMD高功率LED封装基座散热性能和增强LED产品耐高低温度冲击性能，并且提高产品可靠性及稳定性的新型陶瓷封装基座。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型陶瓷封装基座，该基座由上层(陶瓷或金属)和下陶瓷层构成，上层(陶瓷或金属)提供反射杯，在上层(陶瓷或金属)还设有用于安装光学透镜的光学透镜安装区和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区，下陶瓷层用于安装芯片并实现与底层电极电导通，采用多层陶瓷叠层工艺；下陶瓷层上侧设有用于安装芯片的固晶区和通过焊接导线连接芯片电极的打线区，下陶瓷层上侧还设有适合钎焊工艺连接的钎焊区，另外在上侧留有4个供检测用的较小电极，防止使用环境导致短路；下陶瓷层的叠层之间设有金属化区，金属化区为连接上下侧电极的金属化布线，与上下侧电极构成相应的电路；金属化区是为了连接上下侧电极，其好处是：1、减少上下层连接处的金属电极面积，仅留有4个供检测用的电极小孔，避免了因进行上下层的金属纤焊而发生的短路。2、避免在使用过程中因环境影响，电流容易击穿了上金属环或金属纤焊与金属电极间的较小空间而发生短路。下陶瓷层下侧设有通过金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘，下陶瓷层还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电连接的电导通孔，该电导通孔可设在下陶瓷层的内部或边缘；上层(陶瓷或金属)中的反射杯起到聚光及反射以提高出光量的作用。所述上陶瓷层为表面电镀或真空溅射的氧化铝或氮化铝陶瓷材料，或为LTCC材料制成；所述上金属层为镀银的铜；所述的下陶瓷层由氧化铝陶瓷材料或氮化铝陶瓷材料制成。上层(陶瓷或金属)与下陶瓷层使用银铜焊料通过钎焊工艺来连接，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能和气密性；高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为18～20W/mK和170～230W/mK。
所述的反射杯由金属铜制成，在反射杯表面电镀金属银，可以提高反射杯的反射率。
所述的反射杯由氧化铝材料制成，在反射杯的反射面上电镀或真空溅射金属层，可以提高反射杯的反射率。
所述的反射杯用低温共烧陶瓷(Low-temperature cofired ceramics，简称LTCC)材料制成，因为LTCC材料本身对可见光全波段具有很高的反射率，所以不需要像氧化铝或氮化铝陶瓷材料反射杯的反射面再电镀或真空溅射金属层。
所述的下陶瓷层可以设有相连的高导热柱或块和散热焊盘，高导热柱或块设于下陶瓷层内部，高导热柱或块的上端与固晶区相连接，用银Ag、钨W、钼Mo或铜Cu等高导热材料填充的高导热柱或块，数量可以是多个或单个，高导热柱或块用于将芯片产生的热量快速导出，导热柱或块横截面积越大，导热性能越好；高导热柱或块的下端与散热焊盘相连接，散热焊盘设于下陶瓷层的下侧，用于将高导热柱或块导出的热散逸出来；散热焊盘连接外部散热装置，能够辅助散热。
所述的高导热柱或块由银、钨、钼或铜等高导热材料填充而成，用于增强陶瓷基座纵向的导热性能。
下陶瓷层材料为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷，提供支撑芯片的位置并金属化布线，与底层电极实现电导通及与底层散热焊盘实现热导通；上层(陶瓷或金属)可以为与下层相同或不同的陶瓷材料或金属材料，提供反射杯及光学透镜安装位置；上层(陶瓷或金属)和下陶瓷层的结合使用银铜焊料通过钎焊工艺来连接，再经电镀制成基座。
单颗陶瓷封装基座产品可以安装单芯片或多芯片，底层内部布线图形及设计层数可根据安装芯片数量及种类而相应变化。也可多颗陶瓷封装基座形成封装联片。
本发明基座的具体生产工艺流程如下：
下陶瓷层材料为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷，上层可以为相同或不同的陶瓷材料或金属材料，Ag、W、Mo或Cu为金属化材料。
下陶瓷层用W、Mo金属化材料时：
下陶瓷层：原材料分散→成型→切片→冲孔→灌封(印孔)→平面印刷→叠层/加压→压槽→排胶/烧结。
上层与下陶瓷层材料相同，为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀/真空溅射金属层。
上层与下陶瓷层材料不相同，上陶瓷层为LTCC材料，下陶瓷层为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结。
上层为金属材料时，加工成型金属环。
下陶瓷层和上层完成后再对位→定位/钎焊结合→电镀镍和银。
下陶瓷层用Ag、Cu金属化材料时：
下陶瓷层：原材料分散→成型→切片→冲孔→叠层/加压→压槽→排胶/烧结→灌封(印孔)→平面印刷→烧结。
上层与下陶瓷层材料相同，为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结→电镀/真空溅射金属层。
上层与下陶瓷层材料不相同，上陶瓷层为LTCC材料，下陶瓷层为氧化铝(Al2O3)陶瓷或者氮化铝(AlN)陶瓷时：
上陶瓷层：原材料分散→成型→排胶/烧结。
上层为金属材料时，加工成型金属环。
下陶瓷层和上层完成后再对位→定位/钎焊结合→电镀镍和银。
本发明一种新型陶瓷封装基座的有益效果是：提高了SMD高功率LED封装基座散热性能，改善因温升导致LED芯片光衰大及寿命缩短的问题；增强LED产品耐高低温度冲击性能，提高产品的可靠性、稳定性，降低生产成本。与现有技术相比，本发明具备有以下几个特点：
(1)散热性好。本发明LED陶瓷封装基座的上陶瓷层基材为Al2O3或者AlN陶瓷或者为LTCC材料或金属材料，其热导率高。在基座固晶区可设有用Ag、W、Mo或Cu等高导热材料填充的高导热柱或块辅助导热，增强基座纵向及横向传热效果，很好的解决了基座散热的关键问题。
(2)机械性能高。上下层都是由陶瓷材料烧结而成或由金属加工而成，具有较高的机械强度，适用于下道工序生产安装的制作，适用于终端成品应用的各种机械强度的需要。
(3)陶瓷基座与芯片的热膨胀系数相匹配。在实际使用中，热膨胀系数相匹配更能保证产品耐高低温度的冲击性能，大大提高LED产品的可靠性、稳定性。
(4)耐环境变化性能优越。上层和下层结合改用银铜焊料通过钎焊工艺来连接，使上下两层材料与介质材料的热膨胀系数相近；当温度变化剧烈时，不致出现漏气现象，气密性得以保证，保护了芯片及其封装材料，从而提高了LED产品的耐环境性。
(5)在下陶瓷层的金属化区可以减少上下层连接处的金属电极面积，而仅留有供检测用的电极小孔，避免了因进行上下层的金属纤焊而发生的短路。另外还可以避免在使用过程中因环境影响，电流容易击穿了上金属环或金属纤焊与金属电极间的较小空间而发生短路。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有陶瓷LED封装基座的整体结构侧视图；
图2是现有陶瓷LED封装基座的整体结构俯视图；
图3是本发明实施例一的整体结构侧视图；
图4是本发明实施例一的整体结构俯视图；
图5是本发明实施例二的整体结构侧视图；
图6是本发明实施例二的整体结构俯视图。
附图标记说明：
1、固晶区 2、打线区 3、底部焊盘
4、电导通孔 5、反射杯 6、散热焊盘
7、光学透镜安装区 8、二次光学组件安装区 9、高导热柱或块
10、上层 11、下陶瓷层 12、钎焊区
13、电极 14、金属化区
具体实施方式
参照图3至图6，本发明是这样实施的：
在图3至图4中，一种新型陶瓷封装基座由上层10和下陶瓷层11构成，上层10由陶瓷或金属制成，上层10设有反射杯5、光学透镜安装区7和二次光学组件安装区8，下陶瓷层11用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层11上侧设有用于安装芯片的固晶区1和通过焊接导线连接芯片电极的打线区2，下陶瓷层11下侧设有通过基座金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘3，下陶瓷层11设有金属化区14，金属化区14为用于连接上下侧电极的金属化布线，基座还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电导通的电导通孔4，该电导通孔4可设在基座的内部或边缘。上层10中的反射杯5起到聚光及反射增加亮度的作用，下陶瓷层11和上层10可以由相同的氧化铝或氮化铝陶瓷材料制成；也可由不相同的陶瓷材料制成，下陶瓷层11由氧化铝或氮化铝陶瓷材料制成，上层10由LTCC材料制成。上层10和下陶瓷层11通过钎焊区12烧结的方式连接，用于提高封装基座整体机械强度及散热性能，在本实施例中，下陶瓷层11上侧留有4个供检测用的较小电极13，高温氧化铝和氮化铝陶瓷材料的热导率分别为18～20W/mK和170～230W/mK。在实施例一中，高导热柱或块9的数量为8个，其不仅限于8个，可以根据不同的需求设置不同的高导热柱或块9。
下陶瓷层11设有相连的高导热柱或块9和散热焊盘6，高导热柱或块9设于下陶瓷层11内部，高导热柱或块9的上侧与固晶区1相连接，高导热柱或块9用于将芯片产生的热量导出，散热焊盘6设于下陶瓷层11的下侧，用于将高导热柱或块9导出的热量散逸出来，高导热柱或块9的下侧与散热焊盘6相连接。
在图5和图6的实施例二中，其和实施例一不同在于高导热柱或块9的数量为1个。另外其也可以根据不同的需要设置不同数量的固晶区1。
在本实施例中，高导热柱或块9由银金属制成，热导率约为430W/mK，另外高导热柱或块9也可以由银、钨、钼或铜等金属填充而成，用于增强陶瓷封装基座纵向的传热效果。
以上所述，仅是本发明一种新型陶瓷封装基座的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对上面实施例所作的仟何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术内容的范围内。
Claims (6)
1、一种新型陶瓷封装基座，该基座由上层(10)和下陶瓷层(11)构成，上层(10)由陶瓷或金属制成，下陶瓷层(11)采用多层陶瓷叠层而成，上层(10)提供反射杯(5)，在上层(10)还设有用于安装光学透镜用的光学透镜安装区(7)和用于安装二次光学组件的二次光学组件安装区(8)，下陶瓷层(11)用于安装芯片并实现与底层电极电导通，下陶瓷层(11)上侧设有用于安装芯片的固晶区(1)和通过焊接导线连接芯片电极的打线区(2)，下陶瓷层(11)下侧设有通过基座金属化布线实现与芯片两个电极连接的底部焊盘(3)，下陶瓷层(11)还设有用于连接上下两层金属化布线以实现上下电连接的电导通孔(4)，该电导通孔(4)可设在下陶瓷层的内部或边缘，上层(10)中的反射杯(5)起到聚光及反射以提高出光量的作用，本发明的特征在于：所述的下陶瓷层(11)上侧设有适合钎焊工艺连接的钎焊区(12)，上层(10)和下陶瓷层(11)之间用钎焊工艺相连接。
2、根据权利要求1所述的一种新型陶瓷封装基座，其特征在于所述的下陶瓷层(11)陶瓷叠层之间设有金属化区(14)，金属化区(14)设有连接上下侧电极的金属化布线，在下陶瓷层(11)上侧设有金属化区(14)连接用于检测的电极。
3、根据权利要求1所述的一种新型陶瓷封装基座，其特征在于所述的反射杯(5)由氧化铝或氮化铝材料制成，在反射杯(5)的反射面上电镀或真空溅射金属层，用于提高反射杯(5)的反射率。
4、根据权利要求1所述的一种新型陶瓷封装基座，其特征在于所述的反射杯(5)用由金属铜制成，在反射杯(5)表面电镀用于提高反射杯反射率的金属银。
5、根据权利要求1所述的一种新型陶瓷封装基座，其特征在于所述的下陶瓷层(11)可以设有多个相连的高导热柱或块(9)和散热焊盘(6)，高导热柱或块(9)设于下陶瓷层(11)内部，高导热柱或块(9)的上侧与固晶区(1)相连接，高导热柱或块(9)用于将芯片产生的热导出，散热焊盘(6)设于下陶瓷层(11)的下侧，用于将高导热柱或块(9)导出的热散逸出来，高导热柱或块(9)的下侧与散热焊盘(6)相连接。
6、根据权利要求5所述的一种新型陶瓷封装基座，其特征在于所述的高导热柱或块(9)由银、钨、钼或铜金属填充而成，用于增强基座纵向传热效果。
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