CN101828275A - Led封装基板以及使用该led封装基板的led封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配备了LED元件的LED封装基板以及使用该LED封装基板的LED封装。提供一种在散热性上有优势，并且能够同时解决可靠性、量产性、成本的问题的LED封装基板。其特征在于，设置连接在LED元件(105)的n极(105a)上的n电极(101)与连接在LED元件(105)的p极(105b)上的p电极(102)的间隔，使其最窄部分在20～500μm范围内，上述最窄部分的至少一部分或全部中填充了陶瓷(103)。

Description

LED封装基板以及使用该LED封装基板的LED封装

技术领域

本发明涉及一种搭载了LED元件的LED封装基板以及使用该基板的LED封装。

背景技术

近年来，人们从节能的观点出发，在各方面进行了各种各样的节能相关产品的开发。作为低功耗的发光二极管、即LED(LinghtEmitting Diode)也是这样的产品之一，特别是由于蓝色LED元件的成功开发，白色LED的生产也成为了可能，所以，引起了将其应用在液晶背光和一般照明中这样的动作，并在一部分产品中已经开始了应用。

以这种白色LED来说，例如在专利文献1的图1中展示了一种：其在将蓝色LED元件搭载在炮弹型的LED封装上之后，用含有荧光体的树脂密封，合成LED元件的蓝色光和透过荧光体而激发出的光，得到白色。

像这样的LED封装已经作为世界标准性的封装形状而被确立，其在量产性/成本上都有优势，所以在市场上大量流通。然而，近年来伴随着LED元件的输出增大，由LED元件产生的热量大幅增加，其结果，如上所述的炮弹型封装的散热跟不上，温度上升造成的LED元件的发光效率下降成为了一个重大的问题。

为了解决这个散热问题，到目前为止已提出了各种改良过的LED封装。

例如在专利文献2中，展示了一种对封装材质使用高热传导性的氮化铝，在氮化铝基板上印刷电极图案，并通过LED元件的倒装(flipchip)安装来获得高散热性的LED封装。

但是，在上述LED封装中有这样的缺点：由于有印刷电极图案的工艺所以在大量生产性上产生了难度，成本也将增加，此外由于作为原材料使用高价的氮化铝，封装的价格还将上升。除此以外，由于时下的LED元件的进一步高输出化，即使具有氮化铝的热传导率，其散热能力也开始产生不足，等等有许多问题需要改善。

另外，专利文献3中提出了一种用金属填充在基板上形成的通孔而形成散热路径，将LED元件在其上倒装安装的LED封装。

这种LED封装，在专利文献3中没有记载金属的具体名称，但可以通过将银或铜用作填充金属来得到高散热性。然而实际上存在这样的缺陷：如果使银或铜溶浸在通孔中，则由于凝固收缩，通孔与这些填充金属将会剥离，最坏的情况下填充金属将脱落、断线。为了消除该缺陷，需要在使用将填充金属的粉末和玻璃粉末混合而成的金属浆(metal paste)来填充通孔后，在金属成分的熔点以下烧结固化。但其中，由于在金属成分中混入了玻璃成分，所以金属成分本来所具有的热传导性发挥不出来。另外，存在通孔填充时一般是采用丝网印刷，但这时存在量产性和制造成本方面产生难度的问题。

此外，专利文献4展示了一种利用白色的散热树脂对以铜为主体的引线框架和散热用的金属板进行一体化的LED封装。这种LED封装在原料上采用低价的铜，并且不经复杂的工序就可以制造，所以在成本上有优势，此外，如果散热树脂的热传导率充分，还可以期待良好的散热性。但是，在专利文献4中散热树脂的热传导率最高水平也就是为10W/m·K左右，显著低于引线框架和散热金属板的热传导率，其结果是阻碍了从引线框架到散热金属板的热量移动，实际上难以发挥良好的散热性。进而还要考虑到，由于树脂的低耐热性，在以长时间连续点亮状态使用LED的情况下，由于上述散热性的问题将引起封装温度升高、树脂热变形或劣化的状况。因此，需要散热效率良好但较窄的电极缝隙，并且其间隔需要精度的倒装安装不适于该封装构造。

即，如图6(a)所示，在倒装安装中，将LED元件201的n极201a以及p极201b直接接合在LED封装基板202的n电极202a以及p电极202b上，所以与图6(b)所示的基于导线W的导线安装相比，来自LED元件201的发光部201c的热量容易通过LED封装基板202散逸，在散热性上有优势。但是，在倒装安装中，需要配合LED元件201的n极201a以及p极201b将n电极202a、p电极202b间的缝隙202c设置得较窄，而且严格要求其精度，所以，在LED封装基板容易由于热变形等而引起变形、劣化的情况下不适于倒装安装。

此外，专利文献4中举出的树脂都不胜短波长光，来自LED元件的光和太阳光会引起变黄、劣化等，其结果是，存在使封装的寿命降低等很多缺陷。

为了使LED作为一般照明而普及，除了散热性还需要同时满足可靠性(耐UV性、耐湿性等耐气候性、耐热性、机械强度等)、量产性、成本的要求。然而如上所述重视散热性而实施改良的结果是，可靠性、量产性、成本将恶化等，尚未找到能兼顾上述四个要素而改善的LED封装。

专利文献1：JP特许第2927279号公报

专利文献2：JP特开2004-207367号公报

专利文献3：JP特开2002-289923号公报

专利文献4：JP特开2007-173441号公报

发明内容

本发明要解决的问题在于：提供一种散热性优异，还能同时解决可靠性、量产性、成本的问题的LED封装基板以及使用它的LED封装。

为了解决上述问题，本申请的发明人，作为电极用材料用由具有良好热传导性且比较便宜的铜为主体的金属作为基础，作为构造用材料不采用树脂而是采用以强度和耐气候性见长的陶瓷，作为LED元件的安装方式以有利于放热的倒装安装方式为前提条件，对该封装构造进行研究。结果发现了在具有可以倒装安装的窄小电极间隔的电极对(n极以及p电极)中，通过在该电极对之间填充陶瓷，能够解决各种问题的构造，进而加以应用展开，最终发明了散热性优异并且同时解决了可靠性、量产性、成本的问题的LED封装基板。

即，本发明的LED封装基板，是搭载了LED元件的LED封装的基板，其特征在于，连接在LED元件的n极上的n电极与连接在LED元件的p极上的p电极的间隔，其最窄部分在20～500μm范围内，上述最窄部分的至少一部分或全部中填充了陶瓷。

这样，通过将n电极与p电极的间隔限制在20～500μm范围内，能够将LED元件直接在电极上倒装安装，能够最大程度地缩短LED发热部与电极的距离，所以能够进行高效率的散热。并且，通过在该n/p电极间填充陶瓷，利用填充的陶瓷在热性/机械性方面的稳定性，保持n/p电极间的稳固。其结果，能够得到精度良好地维持电极间隔的尺寸，即使进行LED元件的超声波接合等，也能进行不使n电极和p电极产生翘曲或变形的稳定的倒装安装，并且没有热变形、光劣化、吸湿劣化的可靠性高的LED封装。

另外，在n/p电极间隔不足20μm的情况下，陶瓷的填充变困难。而在n/p电极间隔超过500μm的情况下，不可能进行以往的350μm见方尺寸的LED元件的倒装安装，即使在使用大型的1mm见方尺寸的LED元件的情况下，接合LED元件与电极的焊盘与LED元件的接触面积或与电极的接触面积也将减小，结果，从LED元件到电极的传热量降低，不能进行良好的散热。

在本发明中，n电极以及p电极优选由引线框架形成。由此，能够抑制n/p电极间隔因产品不同而产生的不稳定，所以能降低陶瓷的填充不良，并且使LED元件的自动安装变得容易。进而，对于该制法可以采用连续压制加工等在量产性方面有优势的工序，能够提供在量产性和成本方面都有优势的LED封装基板。

本发明的LED封装基板散热性优异，并且能够同时解决可靠性、量产性、成本的问题，作为大功率LED或适于照明LED用封装卓有成效。

附图说明

图1示出了本发明的LED封装基板的第1实施例，(a)是其平面图，(b)是(a)的A-A剖面图。

图2示出了由引线框架来形成图1所示的LED封装基板的例子。

图3示出了本发明的LED封装基板的第2实施例，(a)是其平面图，(b)是(a)的B-B剖面图。

图4示出了本发明的LED封装基板的第3实施例的剖面图。

图5示出了本发明的在LED封装基板上倒装安装LED元件的例子，(a)是其平面图，(b)是(a)的C-C剖面图。

图6示出了将LED元件安装在基板上的形态，(a)为倒装安装，(b)为导线安装。

符号说明

100：LED封装基板；101：n电极；102：p电极；103：陶瓷；104：引线框架；105：LED元件；105a：n极；105b：p极；106：焊盘；107：反射器(开口反射部)；107a：反射面；108a～108d：散热器；109：绝缘层；110：基座；111：开口部；201：LED元件；201a：n极；201b：p极；201c：发光部；202：LED封装基板；202a：n电极；202b：p电极；202c：电极缝隙。

具体实施方式

在本发明的LED封装基板中，向n/p电极间的陶瓷的填充方法不管用什么方法只要能够填充即可，可以通过例如使用具有热可塑性的陶瓷坯体的嵌件成型(insert molding)或基体上注塑成型(out-sertmolding)、使用熔融或半熔融状态的陶瓷原料的喷出成型等，来进行填充。

此外，在用引线框架形成n电极以及p电极的情况下，该引线框架可以通过压制加工、放电加工、腐蚀加工等来制作，但在考虑到量产性和尺寸精度的情况下，最好采用压制加工。

电极材质优选为热传导率为300W/m·K以上的铜或铜合金。具体而言，在充分考虑到热传导性以及可靠性的情况下，优选为含铜率99.9％以上的无氧铜类合金，其中，最好为对纯度99.9％以上的无氧铜添加了0.015～0.15质量％的Zr而成的合金，或对纯度99.9％以上的无氧铜添加了0.10～0.15质量％的Zn而成的合金。通过这样由热传导率在300W/m·K以上的铜或铜合金构成电极，与混合了玻璃成分的金属浆或氮化铝相比，能得到更大的热传导率，得到高的散热效果。进而由于比金属浆和氮化铝便宜，所以能够提供将成本控制得很低的LED封装基板。

此外，优选对于本发明的LED封装基板的LED元件搭载面，利用与在n/p电极间填充的陶瓷相同的材质，以环绕LED元件的搭载部的方式形成开口反射部、即反射器(reflector)。该反射器的形成也可以通过与陶瓷填充不同的工序进行，但是在考虑到该生产前置时间(leadtime)的情况下，最好在填充陶瓷的同时形成。另外，以提高LED封装基板的强度为目的，也可以在与LED封装基板的反射器形成面(LED元件搭载面)相反的面上形成由绝缘体构成基座。该基座的材质可以是任意的绝缘体，但优选与在n/p电极间填充的陶瓷相同的材质，尤其是如果能够通过嵌件成型来同时进行向n/p电极间的陶瓷填充、反射器形成、基座形成，则能削减前置时间，在量产性提高/成本削减这两方面都极有效。此外，也可以在上述反射器的上部安装由与上述反射器不同的材质构成的追加反射器。该追加反射器的材质可以是任意材质，但也可以由例如铝、表面经过镀铝处理或镀银处理后的不锈钢、白色度值高的陶瓷等制作。

进而在本发明中，优选作为陶瓷使用在烧制温度1050℃以下能够烧制的陶瓷，将n/p电极与陶瓷直接接合并进行一体化。由此，保持n/p电极间更稳固，并且能够简化制造工序，以低成本提供可靠性高的LED封装基板。作为在烧制温度1050℃以下能够烧制的陶瓷，最好为烧制温度600～960℃左右的硼硅酸盐类玻璃或在硼硅酸盐类玻璃中混合40体积％以下的铝、氧化镁、硫酸钡中的某一种而成的材料。另外，对于陶瓷材质，可以根据其目的和电极材质的热膨胀系数，来选择具有适当的热膨胀系数的陶瓷材质。另外，关于直接接合的方法，可以是任何方法，但有例如在使用添加了粘合剂而给予了热可塑性的陶瓷坯体来进行嵌件成型或基体上注塑成型之后进行脱脂、一体烧制的方法，和使陶瓷原料熔融或半熔融地喷出成型并进行一体化的方法等。

进而，该陶瓷优选烧制后的白色度在JIS(Japanese IndustrialStandards，日本工业规格)P8148(JIS2001年度版)中所确定的白色度值、即70％以上，更优选地白色度值在85％以上。由此能够提高光反射率，能提供取光效率高的LED封装基板。

此外，在本发明中，优选对于在n/p电极与陶瓷的一体化后至少暴露在空气中的n/p电极的表面，用基于银或铝的金属实施镀覆处理。由此，能够提高光反射率，能提供取光效率高的LED封装基板，并且由于抑制了n/p电极的表面氧化，所以能够提供可靠性高的LED封装基板。另外，由于在n/p电极与陶瓷的一体化前进行上述的镀覆处理的情况下，由于一体化时的加热时，镀覆材质与由铜或铜合金构成的n/p电极将发生化学反应，发生光反射率的降低和电极形状的变化，作为LED封装基板的实用性将降低，所以优选在一体化后进行镀覆处理。

进而，在本发明中，为了提高散热性，优选在n/p电极上结合散热器以进行热量的传递、即热性结合。作为其结合形式可以是以下的任意一种：(1)将散热器与n/p电极中的至少一个进行热性结合的形式；(2)分别将各散热器与n/p电极进行热性结合的形式；(3)隔着绝缘层将一个散热器与n/p电极进行热性接合的形式。为了提高散热效率，上述(3)中所用的绝缘层的热传导率优选在300W/m·K以上，作为这样的绝缘层用材料，有例如进行了绝缘处理的石墨片、碳纳米管复合塑料等。此外，如果进行了热性结合，则散热器的安装位置没有限制，例如可以安装在电极外引线部或电极背面(与LED元件搭载面相反的面)等。

而且，通过将上述的本发明的LED封装基板用作基板，能提供一种散热性优异，并且能同时解决可靠性、量产性、成本的问题的LED封装。

实施例

以下，根据附图说明本发明的实施例。

[实施例1]

图1示出了本发明的LED封装基板的第1实施例，(a)是其平面图，(b)是(a)的A-A剖面图。在图1(b)中放大示出了搭载在LED封装上的LED元件。

图1所示的LED封装基板100是本发明的基本形，具备电极对：n电极101和p电极102，具有在其最窄部分填充有陶瓷103的构造。

这样的LED封装基板100，如图2所示，可以利用引线框架104来制作。

具体而言，首先通过压制加工等来加工由铜或具有300W/m·K以上的热传导率的铜合金构成的金属板，得到具备n电极101以及p电极102的引线框架104。这时，形成n电极101以及p电极102的最窄部分的间隔在20～500μm范围内，但如果最终最窄部分的间隔在20～500μm范围内，则也可以采用例如该间隔形成在500μm以上之后，使引线框架104变形为使该间隔在20～500μm范围内等的方法。此外，在本实施例中虽然仅图示了n/p电极对的最窄部分是一个位置的情况的例子，但也可以设置成形成两个位置以上的最窄部分，能够搭载多个LED元件。进而，对于该引线框架104的n/p电极最窄部分，填充陶瓷103，单片化，形成LED封装基板。另外，陶瓷的填充方法可以使用任意方法，例如可以通过基体上注塑成型来进行填充。

在该LED封装基板100上，如图1(b)所示倒装安装LED元件105。具体而言，介由焊盘106在LED封装基板100的n极101上连接LED元件105的n极105a，介由焊盘106在p极102上连接LED元件105的p极105b。虽然未图示搭载了LED元件105的LED封装的整体像，但和通常一样，具有树脂密封LED元件105的构造。

另外，在图1(b)中，陶瓷103被填充到n/p电极最窄部分的中央部，但填充位置不限于此，也可以填充到n/p电极最窄部分的上部、下部或者全部中。此外，如果处于在n/p电极最窄部分的一部分或全部中填充有陶瓷103并且没有妨碍LED元件105的搭载的状态下，则既可以漫过该n/p电极最窄部分来填充，也可以在n/p电极最窄部分以外的n/p电极的间隙填充。

[实施例2]

图3示出了本发明的LED封装基板的第2实施例，(a)是其平面图，(b)是(a)的B-B剖面图。在图3(b)中并列示出了搭载在LED封装上的LED元件。

该实施例，以环绕LED封装基板100的LED元件105的搭载部的方式，由与填充到n/p电极间的陶瓷103相同的材质形成开口反射部即反射器107，进而由与陶瓷103相同的材质在与LED元件105搭载面相反的面上形成基座110。

具体而言，首先通过压制加工等来加工由铜或具有300W/m·K以上的热传导率的铜合金构成的金属板，得到将n/p电极的最窄部分形成在20～500μm范围内的电极对。其后，在该电极对间填充1050℃以下能够烧制且烧制后的白色度在JIS P8148(JIS2001年度版)中所确定的白色度值即70％以上的陶瓷103的坯体，进而使用由与陶瓷103相同的材质构成的陶瓷坯体，以环绕LED搭载部的方式形成具有反射面107a的反射器107。该反射器107的反射面107a根据其目的的不同可以形成为任意的倾角以及形状。进而，在与LED元件105搭载面相反的面上形成由与陶瓷103相同的材质构成的基座110。进而，在该基座上可以根据需要形成用于接合n/p电极与散热器的开口部111。

对于将这样得到的LED封装基板前驱体脱脂/烧结后并露出的n电极101以及p电极102的表面，实施银或铝的镀覆处理，形成LED封装基板100。另外，进行烧结时，以防止陶瓷的收缩开裂为目的，可以采用一边施加负重一边进行烧结的无收缩烧结法。此外，在进行镀覆处理时，以提高光泽度和硬度等为目的，可以在进行了最佳的底层镀覆之后再进行精加工的镀银或镀铝。

[实施例3]

图4示出了本发明的LED封装基板的第3实施例的剖面图。

该实施例是为了进一步提高散热性而在LED封装基板的n/p电极上热性结合散热器的例子。

图4(a)的例子是将散热器108a直接接合在p电极102的下表面(与LED元件搭载面相反的面)上例子。该接合方法可以是形成将电极与散热器热性结合的形态的任意方法，例如，激光熔接或焊接等熔接法、使用热传导性高的接着剂的接着法等方法。

图4(b)的例子是分别将散热器108b直接接合在n电极101的下表面上、散热器108c直接接合在p电极102的下表面上的例子。作为该接合方法可以与上述相同应用熔接法或接着法等方法。

图4(c)的例子是将散热器108d隔着具有300W/m·K以上的热传导率的绝缘层109接合在n电极101以及p电极102的下表面上的例子。n/p电极、绝缘层以及散热器的接合可以是能形成热性接合的形态的任意方法，例如，超声波熔接法、使用高热传导性接着剂的接着法等方法。

这样得到的LED封装基板100，如图5所示，在将LED元件105倒装安装时发挥最大的效果，使产生的热量沿着图中箭头的路径，效率良好地向散热器108b、108c传递。另外，倒装安装的具体形式如图1(b)所说明的那样。

此外，从LED元件105产生的光被镀覆处理后的n/p电极101、102的表面、具有白色度70％以上的陶瓷103的表面以及反射器107的反射面107a效率良好地反射，形成取光效率良好的LED封装基板。进而，通过用金属以及陶瓷构成LED封装基板100，能够抑制n/p电极101、102在LED元件105安装时的歪斜或变形，进而能够形成没有由于从LED元件105产生的热量引起的变形、由于短波长光引起的劣化、由于空气湿度引起的劣化的、可靠性极高的LED封装基板。此外，如图2所说明地那样，能够采用引线框架方式，所以可以采用连续压制加工等在量产性上优异的制法，在成本方面也极有成效。

虽未图示，但对于这样得到的LED封装基板100倒装安装LED元件105，用混有荧光体的硅树脂密封LED元件105，形成LED封装。

[实施例4]

作为本发明的LED封装基板与以往的LED封装基板的比较，用尺寸10mm见方、铜电极厚度0.3mm、银电极厚度10μm、氮化铝基板厚度0.3mm试制了以下三种LED封装基板：(X)图5所示的LED封装基板中，电极101以及102由具有热传导率394W/m·K的铜构成且陶瓷103具有85％的白色度；(Y)图6(a)所示的LED封装基板中，基板202的材质由热传导率170W/m·K且具有35％的白色度的氮化铝构成，电极202a以及202b由含有30质量％玻璃成分的银构成；(Z)图6(b)所示的LED封装基板中，基板202的材质由热传导率170W/m·K且具有35％的白色度的氮化铝构成。其中，为了使(X)、(Y)、(Z)的比较公平，虽未图示，但在(Y)以及(Z)的下部安装了与(X)的散热器108b以及108c形状和材质相同的散热器。此外，未安装图5所示的反射器107。为了测定LED元件表面的温度，没有进行树脂的LED元件的密封。进而，(X)以及(Y)采用倒装安装、(Z)采用导线安装，搭载了同一种类/同一尺寸的LED元件，接入20mA的电流，进行发光试验，利用温度记录法(thermography)进行LED元件的表面温度测定。测定当LED元件的表面温度恒定时的各个LED元件表面温度的结果是，(X)为38℃，(Y)为52℃，(Z)为121℃。根据阿伦纽斯(Arrhenius)法则，这个结果表示(X)的寿命相对于(Y)为2.6倍，相对于(Z)为315倍，或者因此表示在以相同寿命来设计的情况下，(X)的方案可以更加高密度地安装LED元件，本发明的优越性得到了确认。此外，关于各个取光效率，在通过基于积分球的放射束测定来进行比较的情况下，放射束分别为(X)：14.88mW，(Y)：12.78mW，(Z)：10.89mW，(X)最高。

[产业上的可利用性]

如上所述，通过使用本发明中的LED封装基板，LED封装的高散热性化、高可靠性化、易量产化、低成本化得到推进，所以除了高密度地搭载LED元件的LED照明装置之外，还能恰当地使用在将三色LED元件用作像素的LED彩色电视、可以连接USB端口使用的小型放映机等上，进而由于大大有助于这些产品的市场普及，因此本发明在产业上的利用价值极大。

Claims (12)

1.一种LED封装基板，是搭载了LED元件的LED封装的基板，其特征在于，

连接在LED元件的n极上的n电极与连接在LED元件的p极上的p电极的间隔，其最窄部分在20～500μm范围内，上述最窄部分的至少一部分或全部中填充了陶瓷。

2.根据权利要求1所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述n电极以及p电极由引线框架形成。

3.根据权利要求1或2所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述n电极以及p电极由热传导率为300W/m·K以上的铜或铜合金构成。

4.根据权利要求1至3中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

以环绕LED元件的搭载部的方式形成开口反射部，上述开口反射部由与上述陶瓷相同的材质形成。

5.根据权利要求1至4中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述陶瓷为在烧制温度1050℃以下能够烧制的陶瓷。

6.根据权利要求1至5中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述陶瓷为由JIS2001年度版的JIS P8148所确定的白色度在70％以上的陶瓷。

7.根据权利要求1至6中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述n电极以及p电极与上述陶瓷直接接合，成为一体。

8.根据权利要求1至7中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述n电极以及p电极的表面的至少一部分利用基于银或铝的金属进行了镀覆处理。

9.根据权利要求1至8中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

对于上述n电极以及p电极的至少一个，结合散热器以进行传热。

10.根据权利要求1至8中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

对于上述n电极以及p电极，分别结合各自的散热器以进行传热。

11.根据权利要求1至8中任意一项所记载的LED封装基板，其特征在于，

上述n电极以及p电极隔着热传导率在300W/m·K以上的绝缘层而与一个散热器结合以进行传热。

12.一种LED封装，使用权利要求1至11中任意一项所记载的LED封装基板作为基板。

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