CN104009028B - 陶瓷基板和散热衬底的大功率led集成封装方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法及结构。该封装结构至少包括：一表面设置有金属焊盘的中空的电路板；以及焊接在所述中空的电路板中的高导热基板，其相对两面分别镀有合金层，且在其中一面的合金层上覆盖有可焊且导电的材料层、另一面的合金层通过共晶、回流焊或激光焊接等方式与金属衬底结合；在所述可焊且导电的材料层上焊接有至少一LED芯片，并形成有与所述至少一LED芯片电性连通的电流驱动线路，其中，所述电流驱动线路与所述金属焊盘电性连通。本发明的封装结构由于电流通路与散热通路相分离，由此不仅能实现多芯片集成，且具有良好的散热性能，还可以被应用到高发光功率密度的场合，例如汽车前灯、投影仪、路灯等。

Description

陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法及结构

技术领域

本发明涉及LED封装领域，特别是涉及一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法及结构。

背景技术

现有大功率LED的封装技术主要以金属框架和陶瓷基板封装为主。该些封装方式最大的缺点就是无法解决电流通路和散热通路之间的矛盾，导致器件尺寸大，在集成方面存在一定的局限性，无法做到高密度和多点阵集成。

例如，在申请号为200820237597.1的中国专利文献中，公开了一种多芯片的表面贴装LED模组封装结构。该封装结构是在氮化铝陶瓷基板上印制有线路和焊盘，多颗LED芯片直接黏结在氮化铝陶瓷基板的正面，由金线将LED芯片与氮化铝陶瓷基板电性接通；在LED芯片周边盖有金属底座，金属底座全表面电镀亮银层，在金属底座上盖有玻璃透镜，LED芯片表面涂装荧光涂层。以该种方式形成的封装结构，最大功率可达到3W，器件热阻是10K/W。

又例如，在申请号为201010604319.7的中国专利文献中，公开了一种多芯片组大功率LED封装结构。该封装结构由基板、多个LED封装单元和电路导线组成，其中，基板正面均匀分布多个封装单元，电路导线印刷在基板正面，基板由下层的铜散热基板和上层的绝缘层构成。该种封装方式构成的封装结构，虽然铜的导热系数是390W/mK，但由于绝缘层的导热系数只有0.24W/mK，绝缘层厚度一般在25微米以上，则热阻是1.04K·cm2/W，在集成时，还要充分考虑基板上的铜箔面积，如果间距按2*2mm计算(不考虑走线)，其热阻是25K/W；如果单个LED封装单元按3W运作，器件工作热阻达到近75K/W，同样不利于集成条件下的散热要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法及结构，以实现多芯片集成封装，同时具备很好的散热性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其至少包括：在高导热基板的相对两面分别镀上合金层后，再将其中一面覆盖可焊且导电的材料层；基于光刻技术及至少一待封装的LED芯片的排列方式在所述可焊且导电的材料层上形成用于与各待封装的LED芯片连接的电流驱动线路；将各待封装的LED芯片焊接在所述可焊且导电的材料层上的相应位置，并与相应的电流驱动线路电性连通；将所述高导热基板另一面的合金层与金属衬底相结合；以及在一中空的电路板表面形成金属焊盘，并将焊接有LED芯片的高导热基板焊接在所述中空的电路板中，将金属焊盘与电流驱动线路电性连通，并将各LED芯片及电流驱动线路予以密封。

优选地，各待封装的LED芯片通过电流驱动线路形成共阴、共阳、串联及矩阵连接中的一种或多种。

优选地，基于超声热压的键合方式将金属焊盘与电流驱动线路通过金属细丝或细金属带相连接。

优选地，基于真空镀膜方式在所述高导热基板的相对两面分别蒸镀上合金层。

优选地，基于共晶焊或回流焊方式将待封装的LED芯片焊接在所述可焊且导电的材料层上。

本发明还提供一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其至少包括：一表面设置有金属焊盘的中空的电路板；焊接在所述中空的电路板中的高导热基板，其相对两面分别镀有合金层，且在其中一面的合金层上覆盖有可焊且导电的材料层、另一面的合金层上结合有金属衬底；在所述可焊且导电的材料层上焊接有至少一LED芯片，并形成有与所述至少一LED芯片电性连通的电流驱动线路，其中，所述电流驱动线路与所述金属焊盘电性连通。

优选地，各待封装的LED芯片通过电流驱动线路形成共阴、共阳、串联及矩阵连接中的一种或多种。

优选地，所述可焊且导电的材料层的材料为金或银。

优选地，金属焊盘与电流驱动线路通过金属细丝或细金属带相连接。

优选地，所述金属衬底与所述中空的电路板呈层叠状。

如上所述，本发明的热电分离的大功率LED封装方法及结构，具有以下有益效果：能实现电流通路与散热通路的分离，进而既能实现多芯片集成封装，同时又具备很好的散热性能；可以被应用到高发光功率密度的场合，例如汽车前灯、投影仪、路灯等。

附图说明

图1a至1f显示为本发明的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法的流程图。

元件标号说明

1 陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构

11 高导热基板

12 合金层

13 可焊且导电的材料层

14、14’ 电流驱动线路

15 LED芯片

16 钝化膜

17 金属衬底

18 中空的电路板

181 金属焊盘

182 金属细丝

183 定位孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1a至1f。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图所示，本发明提供一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法。所述方法主要包括步骤S1至S5。

在步骤S1中，在高导热基板11的上下两表面分别镀上合金层12后，再将上表面覆盖可焊且导电的材料层13，如图1a所示。

其中，高导热基板11采用绝缘且导热高的材料，优选但不限于：氮化铝(AlN)或碳化硅(SIC)等。

例如，如果采用AlN陶瓷作基板，一块2mm*2mm*0.3mm的陶瓷基板的热阻Rth为：Rth＝0.3×10-3/(2×10-3×2×10-3×150)＝0.5K/W，可见，使用高导热陶瓷基板具备很好的散热条件。

其中，所述合金层12的材料可以采用任意一种合金，例如，含有钛(Ti)、镍(Ni)及金(Au)的合金或含有Ti、铂(Pt)及Au的合金等。.

优选地，可采用真空镀膜方式在所述高导热基板11的上下两表面分别蒸镀上合金层12，在上表面再由纯金或纯银覆盖，使其具备良好的可焊性和导电性。

接着，在步骤S2中，基于光刻技术将正面已经镀好的金属层刻蚀出第一层LED芯片连接的电流驱动线路14，如图1b所示。

接着，在步骤S3中，利用等离子增强化学气相沉积方法在高导热基板正面沉积一层钝化膜16，然后再利用光刻技术刻蚀出芯片放置窗口和线路连接窗口，如图1c所示；随后，再通过真空镀膜蒸镀合金层并以纯金和纯银覆盖，再按各LED芯片排列方式和电流驱动线路图，通过光刻方法，光刻出第二层LED芯片的电流驱动线路14’，如图1d所示；随后再在相应位置通过共晶焊、激光焊或回流焊等方式来焊接各LED芯片15，必要时利用引线将LED芯片与电流驱动线路连接；通过这种方式很容易实现几十微米间距的LED集成和点阵排列；而且只要应用条件满足，芯片集成度和集成方式可以随意变换。

其中，所述钝化膜16的材料可以为二氧化硅或氮化硅等。

此外，也可根据实际需要，在光刻出第二层LED芯片的电流驱动线路14’后，再进行第三层LED芯片的电流驱动线路的制备等，由此可实现各LED芯片的共阴、共阳、串联及矩阵连接等。

接着，在步骤S4中，将所述高导热基板11另一面的合金层12与金属衬底17相结合。

其中，金属衬底17的材料优选但不限于铜等。

优选地，可通过共晶焊、激光焊或回流焊等方式将高导热基板11另一面的合金层12与金属衬底17结合在一起，由此可形成非常好的散热通道；而且，高导热陶瓷基板正反面彼此绝缘，所以大功率LED器件实现了热电分离。

接着，在步骤S5中，在中空的电路板18的表面形成金属焊盘181，并将焊接有LED芯片的高导热基板及金属衬底11与所述电路板18紧密结合，将金属焊盘181与电流驱动线路电性连通。

具体地，在LED芯片集成后，再在高导热陶瓷基板周围焊接上一块电路板(PCB板)，PCB板上按照芯片电流驱动方式，布置了对应的电源线焊盘，可以与驱动线路电源连接。高导热陶瓷基板上的驱动电流引出线位置与PCB板上的电源线焊盘相对应，两者之间利用金属细丝或细金属带182、并通过超声热压的键合方式连接，如图1e、1f所示；随后，再采用透明硅胶将LED芯片及电流驱动线路等予以密封，此外，也可在增设玻璃透镜或塑料透镜后再用透明硅胶来密封等。

需要说明的是，上述步骤S4的顺序并非以本实施例为限，事实上，步骤S4也可以在步骤S1、S2或S5之后进行等。

由此，经过上述工艺步骤后制备形成的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED封装结构1包括：表面设置有金属焊盘181的中空的电路板18；焊接在所述中空的电路板18中的高导热基板11，其相对两面分别镀有合金层12，且在上表面的合金层12上覆盖有金或银材料层13、下表面的合金层12上结合有金属衬底17；在所述金或银材料层13上焊接有多个LED芯片15，并形成有与所述多个LED芯片15电性连通的电流驱动线路14，其中，所述电流驱动线路14与所述金属焊盘181电性连通且被透明硅胶等密封。

优选地，各LED芯片15通过电流驱动线路14形成共阴、共阳、串联、矩阵连接等。

优选地，金属焊盘181与各电流驱动线路可通过金属细丝或细金属带182相连接。

优选地，所述金属衬底17与所述中空的电路板18呈层叠状。

优选地，为方便使用，在所述中空的电路板18上开设了多个定位孔183。

综上所述，本发明的热电分离的大功率LED封装结构以高导热陶瓷基板为核心，并与金属衬底相结合，通过热、电分离(电流与散热通路隔离)来实现多芯片集成封装，其具备很好的散热性能；可以被应用到高发光功率密度的场合，例如汽车前灯、投影仪、路灯等。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其特征在于，所述陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法至少包括：

在高导热基板的相对两面分别镀上合金层后，再将其中一面覆盖可焊且导电的材料层；

基于光刻技术及至少一待封装的LED芯片的排列方式在所述可焊且导电的材料层上形成第一层用于与各待封装的LED芯片连接的电流驱动线路；

在所述高导热基板正面沉积一层钝化膜，再刻蚀出芯片放置窗口和线路连接窗口，随后再通过真空镀膜蒸镀合金层，再按各LED芯片排列方式和电流驱动线路图，通过光刻方法光刻出第二层LED芯片的电流驱动线路；

将各待封装的LED芯片焊接在所述可焊且导电的材料层上的相应位置，并与相应的电流驱动线路电性连通；

将所述高导热基板另一面的合金层与金属衬底相结合；

在一中空的电路板表面形成金属焊盘，并将焊接有LED芯片的高导热基板焊接在所述中空的电路板中，将金属焊盘与电流驱动线路电性连通，并将各LED芯片及电流驱动线路予以密封。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其特征在于：各待封装的LED芯片通过电流驱动线路形成共阴、共阳、串联及矩阵连接中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其特征在于：基于超声热压的键合方式将金属焊盘与电流驱动线路通过金属细丝或细金属带相连接。

4.根据权利要求1所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其特征在于：基于真空镀膜方式在所述高导热基板的相对两面分别蒸镀上合金层。

5.根据权利要求1所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装方法，其特征在于：基于共晶焊、激光焊或回流焊方式将待封装的LED芯片焊接在所述可焊且导电的材料层上；基于共晶焊、激光焊或回流焊方式将合金层与金属衬底相结合。

6.一种陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其特征在于，所述陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构至少包括：

一表面设置有金属焊盘的中空的电路板；

焊接在所述中空的电路板中的高导热基板，其相对两面分别镀有合金层，且在其中一面的合金层上覆盖有可焊且导电的材料层、另一面的合金层上结合有金属衬底；

在所述可焊且导电的材料层上焊接有至少一LED芯片，并形成有第一层与所述至少一LED芯片电性连通的电流驱动线路；在所述可焊且导电的材料层上沉积一层钝化膜，且刻蚀有芯片放置窗口和线路连接窗口；在所述钝化膜上通过真空镀膜蒸镀合金层，并按各LED芯片排列方式和电流驱动线路图，在所述合金层通过光刻方法光刻出第二层LED芯片的电流驱动线路；其中，所述电流驱动线路与所述金属焊盘电性连通且均被密封。

7.根据权利要求6所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其特征在于：各待封装的LED芯片通过电流驱动线路形成共阴、共阳、串联及矩阵连接中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其特征在于：所述可焊且导电的材料层的材料为金、银、铝或合金。

9.根据权利要求6或7所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其特征在于：金属焊盘与电流驱动线路通过金属细丝或细金属带相连接。

10.根据权利要求6所述的陶瓷基板和散热衬底的大功率LED集成封装结构，其特征在于：所述金属衬底与所述中空的电路板呈层叠状。