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CN203377255U - Led散热支架 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出了一种LED散热支架，包括：金属热沉；第一陶瓷基板，第一陶瓷基板形成在金属热沉的上表面上，用于支撑LED芯片；以及第二陶瓷基板，第二陶瓷基板形成在金属热沉之上且位于第一陶瓷基板外围，用于支撑LED芯片的电极。本实用新型解决了与厚度相关的热导和强度之间的矛盾，将热导和机械强度分开设计，且中间芯片安装区形成凹杯状结构，易于后续灌封，以及不同区域使用不同侧重点的材料，从而降低了成本。

Description

LED散热支架
技术领域
本实用新型属于LED(发光二极管)制造技术领域，具体涉及一种LED散热支架。
背景技术
LED芯片仅有15-25%的电能转化为光能，其余则转化为热能。热能如果不能及时散失到周围环境，芯片温度就会提高，使光效降低，芯片寿命衰减，显色性等性能改变。为了解决散热问题，技术人员先后采用了FR-4印制板，MCPCB(金属复合基板)，陶瓷线路板等进行散热。其中，FR-4热导率小于1W/m·K，MCPCB热导率约2-3W/m·K，而Al2O3热导率为25W/m·K，由此可见，陶瓷线路板具有最高的热导率。对于芯片封装，陶瓷还具有低热膨胀系数，高绝缘强度的优点，所以陶瓷线路板越来越受到重视，技术人员提出了陶瓷混合电路（HIC）、低温共烧（LTCC）、高温共烧（HTCC）、陶瓷和铜共晶焊接（DBC），以及陶瓷表面镀铜法（DPC）等技术并应用于LED制造工艺中。
现有技术都是将线路制作在高导热的陶瓷基板表面，但陶瓷材料比较脆容易碎裂，所以为了保证强度，都要使用较厚的陶瓷。陶瓷增厚，热导降低，显然与厚度相关的热导和强度成了一对矛盾。同时这些陶瓷电路板还需要额外的工艺才能和高导热的金属热沉焊接，增加了工艺难度和成本。
实用新型内容
本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本实用新型的目的在于提出一种适用于大功率LED的LED散热支架。
根据本实用新型的LED散热支架，包括：金属热沉；第一陶瓷基板，所述第一陶瓷基板形成在所述金属热沉的上表面上，用于支撑LED芯片；以及第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板形成在所述金属热沉之上且位于所述第一陶瓷基板外围，用于支撑LED芯片的电极。
可选地，所述第一陶瓷基板的厚度小于所述第二陶瓷基板的厚度。
可选地，所述第一陶瓷基板的下表面的面积小于所述金属热沉的上表面的面积。
可选地，所述第一陶瓷基板的热导率高于所述第二陶瓷基板的热导率。
可选地，所述第一陶瓷基板的热膨胀系数低于所述第二陶瓷基板的热膨胀系数。
可选地，所述第二陶瓷基板的强度系数高于所述第一陶瓷基板的强度系数。
可选地，所述第一陶瓷基板为AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷或BeO陶瓷。
可选地，所述第二陶瓷基板为Al2O3陶瓷或ZrO2陶瓷。
可选地，所述第一陶瓷基板的厚度为0.1-0.6mm，所述第二陶瓷基板的厚度为0.6-5mm。
可选地，所述第二陶瓷基板的中间形成有孔，所述第一陶瓷基板位于所述第二陶瓷基板的孔中。
由上可知，根据本实用新型的LED散热支架，至少具有下列优点：
1.解决了与厚度相关的热导和强度之间的矛盾，将热导和机械强度分开设计，在与芯片焊接区使用薄的第一陶瓷基板，在其它区域使用厚的第二陶瓷基板。
2.由于第一陶瓷基板和第二陶瓷基板的厚度差异，中间芯片安装区形成凹杯状结构，易于后续灌封。
3.不同区域使用不同侧重点的材料，从而降低成本。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本实用新型的LED散热支架的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如背景技术中描述的，现有技术为了保证基板强度，都是将芯片焊接在较厚的陶瓷表面，然后再和金属热沉焊接，这样增加了热阻，不利于芯片热量的传递。本实用新型旨在解决上述问题，提出了如图1所示的LED散热支架。
如图1所示，根据本实用新型的LED散热支架，包括：金属热沉10；第一陶瓷基板20，第一陶瓷基板20形成在金属热沉10的上表面上，用于支撑LED芯片；以及第二陶瓷基板，第二陶瓷基板30形成在金属热沉10之上且位于第一陶瓷基板20外围，用于支撑LED芯片的电极。本实用新型将热导和机械强度分开设计，在中央的芯片安装区域使用一种陶瓷基板，在其它区域使用另一种陶瓷基板。
可选地，第一陶瓷基板20的厚度小于第二陶瓷基板30的厚度。这样，由于中央和外围的陶瓷基板的厚度差异，中央芯片安装区域形成了凹杯状结构，易于后续灌封。
可选地，第一陶瓷基板20的下表面的面积小于金属热沉10的上表面的面积。这样的结构有利于散热。更加优选地，第一陶瓷基板20和第二陶瓷基板30的下表面的面积之和小于金属热沉10上表面的面积。
可选地，第一陶瓷基板20的热导率高于第二陶瓷基板30的热导率。这意味着位于中央芯片安装区域的第一陶瓷基板20比外围的第二陶瓷基板30更容易散热，第一陶瓷基板20主要起散热作用。
可选地，第一陶瓷基板20的热膨胀系数低于第二陶瓷基板30的热膨胀系数。这意味着位于中央芯片安装区域的第一陶瓷基板20比外围的第二陶瓷基板30更不容易热变形，特别是在第一陶瓷基板20较薄的前提前，如果热膨胀系数过大，则容易热应力而破裂，因此要求第一陶瓷基板20的热膨胀系数相对低。
可选地，第二陶瓷基板30的强度系数高于第一陶瓷基板20的强度系数。这意味着位于外围的第二陶瓷基板30比中央芯片安装区域的第一陶瓷基板20更牢固，第二陶瓷基板30主要起强度支撑作用。
可选地，第一陶瓷基板20为AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷或BeO陶瓷。综合前面的性质要求，第一陶瓷基板20优选厚度薄、绝缘强度高、热膨胀系数低，热导率高，易于和金属进行可靠焊接的AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷或BeO陶瓷等材料。
可选地，第二陶瓷基板30为Al2O3陶瓷或ZrO2陶瓷。第二陶瓷基板30优选为厚度大，强度高，绝缘强度高，易于和金属可靠焊接的Al2O3陶瓷或ZrO2陶瓷等材料。
可选地，第一陶瓷基板20的厚度为0.1-0.6mm，第二陶瓷基板30的厚度为0.6-5mm。
可选地，第二陶瓷基板20的中间形成有孔，第一陶瓷基板20位于第二陶瓷基板30的孔中。
由上可知，根据本实用新型的LED散热支架，至少具有下列优点：
1.解决了与厚度相关的热导和强度之间的矛盾，将热导和机械强度分开设计，在与芯片焊接区使用薄的第一陶瓷基板，在其它区域使用厚的第二陶瓷基板。
2.由于第一陶瓷基板和第二陶瓷基板的厚度差异，中间芯片安装区形成凹杯状结构，易于后续灌封。
3.不同区域使用不同侧重点的材料，从而降低成本。
为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的LED散热芯片，下面介绍该LED散热芯片的形成方法。
（1）在0.6-5mm厚度Al2O3陶瓷基板一侧通过HIC，高能离子诱导化学沉积（SBID）等技术形成铜电极，此技术为本领域公开技术，不再赘述。之后根据芯片尺寸及设计需要将陶瓷基板切割，打孔，得到图1中的第二陶瓷基板30。
（2）用化学镀或物理气相沉积的方法，在0.1-0.6mm厚度的AlN陶瓷基板表面形成0.5-10μm厚度的金属铜，金属化后将其用激光切割成与步骤(1)中孔尺寸对应的薄圆片，得到图1中的第一陶瓷基板20。
（3）将铜热沉在50-300ppm的含氧氮气中于600-1000℃氧化10-60min，得到图1中的金属热沉10。铜具有很高的热导率，同时易于和陶瓷焊接，所以优选铜热沉。为了将陶瓷和铜热沉可靠焊接，本实用新型优选铜氧共晶焊接。
（4）将铜材料金属热沉10中预氧化的一面和Al2O3材料的第二陶瓷基板30叠合，再将AlN材料第一陶瓷基板20的未金属化的一侧通过第二陶瓷基板30中的孔和金属热沉10叠合。需要说明的是，此时选用AlN作为第一陶瓷基板20，优选在其表面氧化一层很薄Al2O3层，改善与铜氧共晶的润湿性。
（5）将上述（4）中所得样品放入氮气保护气氛下在1065-1083℃保温烧结5-30min。
（6）将LED芯片共晶焊接到图1所示的第一陶瓷基板20之上的位置，将芯片焊点和基板电极通过金连线相连。
（7）灌封环氧荧光粉和透明密封树脂。
（8）金属铜热沉焊接到散热装置上，连接驱动电源。
为了证明本实用新型的优点，申请人做了对照实验，下面通过具体的几次实验作为示例对本实用新型作进一步详细的描述。
实施例1
在1mm厚度的氧化铝基板上印刷铜电极，然后在1100℃下氮气保护气氛中烧结，最后将基板切割成Φ2.5mm大小，同时在正中间打出Φ1mm的孔，得到附图中的第二陶瓷基板30；在0.25mm厚度的氧化铝基板上通过化学镀形成厚度为2μm的铜，再将其切割出Φ1mm的圆片，得到附图中的第一陶瓷基板20；将铜热沉在600℃，300ppm含氧的氮气中氧化30min，得到附图中的铜热沉10，之后将第二陶瓷基板30中无电极的一侧和金属热沉10中预氧化的一侧叠合，将第一陶瓷基板20中无金属的一侧通过第二陶瓷基板30中的孔和金属热沉10叠合。将上述组合物放入1072℃，氮气保护的气氛炉中保温10min。最后将5W芯片通过共晶焊接到金属热沉10表面，在将芯片焊点和第二陶瓷基板30上电极相连，灌封荧光粉及环氧树脂，将金属热沉10的另一侧焊接到散热装置上。得到产品P1。
实施例2
在2mm厚度的氧化铝基板上印刷铜电极，然后在1100℃下氮气保护气氛中烧结，最后将基板切割成Φ2.5mm大小，同时在正中间打出Φ1mm的孔，得到附图中的第二陶瓷基板30；将0.38mm厚度的氮化铝基板在1100℃空气中氧化30min，之后在基板的氮化铝基板一侧通过化学镀沉积厚度为2μm的铜，再将其切割出Φ1mm的圆片，得到附图中的第一陶瓷基板20；将铜热沉在600℃，300ppm含氧的氮气中氧化30min，得到附图中金属热沉10，之后将第二陶瓷基板30中无电极的一侧和金属热沉10中预氧化的一侧叠合，将第一陶瓷基板20中无金属的一侧通过第二陶瓷基板30中的孔和金属热沉10叠合。将上述组合物放入1072℃，氮气保护的气氛炉中保温10min。最后将5W芯片通过共晶焊接到金属热沉10表面，在将芯片焊点和第二陶瓷基板30上电极相连，灌封荧光粉及环氧树脂，将金属热沉的另一侧和散热装置连接，得到产品P2。
对比例1
在陶瓷厚为0.3mm，铜厚为0.1mm的双面氧化铝陶瓷覆铜（DBC）板表面通过贴膜、曝光、显影、蚀刻等工艺形成电极，将其切割为Ф2.5mm大小的封装支架，芯片通过固晶工艺安装到DBC覆铜板表面，5W芯片和陶瓷表面电极通过金线连接，制作防止环氧树脂溢流挡墙，灌封荧光粉和环氧树脂于挡墙内，将覆铜板的另一侧和散热装置连接，得到产品P3。
对上述的P1、P2及P3作跌落试验：即将样品从高度为1.5m处垂直自由掉下到地面瓷板上，观察边缘陶瓷破裂情况，出现裂纹，测试结束，记录跌落次数。以及，对P1、P2及P3作LED结温Tj测试：即将K型热电偶的测温点置于散热垫上，测出散热垫的温度为Tc，因为Tj=Rjc·P+Tc（Rjc为芯片的热阻参数，P为转化为热量的功率），所以可以得到结温Tj。实验结果如下表：
P1 P2 P3
跌落次数（次） 28 42 6
Tj（℃） 92 68 126
通过以上对比试验，我们发现本实用新型的样品在强度和热导方面都得到了加强和改善。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种LED散热支架，其特征在于，包括：
金属热沉；
用于支撑LED芯片的第一陶瓷基板，所述第一陶瓷基板形成在所述金属热沉的上表面上；以及
用于支撑电极的第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板形成在所述金属热沉之上且位于所述第一陶瓷基板外围。
2.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板的厚度小于所述第二陶瓷基板的厚度。
3.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板的下表面的面积小于所述金属热沉的上表面的面积。
4.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板的热导率高于所述第二陶瓷基板的热导率。
5.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板的热膨胀系数低于所述第二陶瓷基板的热膨胀系数。
6.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第二陶瓷基板的强度系数高于所述第一陶瓷基板的强度系数。
7.如权利要求1-6任意一项所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板为AlN陶瓷、Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷或BeO陶瓷。
8.如权利要求1-6任意一项所述的LED散热支架，其特征在于，所述第二陶瓷基板为Al2O3陶瓷或ZrO2陶瓷。
9.如权利要求1或2所述的LED散热支架，其特征在于，所述第一陶瓷基板的厚度为0.1-0.6mm；所述第二陶瓷基板的厚度为0.6-5mm。
10.如权利要求1所述的LED散热支架，其特征在于，所述第二陶瓷基板的中间形成有孔，所述第一陶瓷基板位于所述第二陶瓷基板的孔中。
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