一种散热基座及其制备方法、相关发光模块及制备方法与流程

本发明涉及散热领域，特别是涉及一种散热基座及其制备方法、相关发光模块及制备方法。

背景技术：

众所周知，固态光源如led或者激光二极管(ld,laserdiode)发出的蓝色激发光，用其激发黄色或者绿色荧光粉材料能够得到相应颜色的光。在这种短波波长的激发光源激发荧光材料发生波长转换得到长波长的相应色光的同时，一部分能量也被转化成热量释放出来。随着激发光光功率的提升，得到的转换后的色光光通量不但增加，同时伴随的热量也不断增大，大量热量的积累使得荧光材料的温度不断升高，从而影响了荧光材料的量子转换效率。因此，需要一个高效的导热界面层快速将荧光物质层的热量传递出来。

针对上述问题，现有技术中，以陶瓷材料作为承载荧光材料层的基板，然而，虽然陶瓷材料的耐高温性能优异，但其导热效果仍难以满足荧光材料层大功率发光发热的需求。因此，在上述技术基础上，研究人员采用陶瓷表面金属化等技术，使荧光材料层与陶瓷基板通过该金属化层连接，从而改善荧光材料层的散热。该技术采用磁控溅射工艺在陶瓷表面镀制各种金属膜，然而这种技术成本较高，并且对基板的平面度也要求也较高。

因此，一种低成本、制作精度要求低的散热结构亟待开发。

技术实现要素：

针对上述现有技术中荧光材料层散热难、散热结构制备成本高、精度要求高的缺陷，本发明提供一种低成本、简单易行的散热基座，包括陶瓷基层，该陶瓷基层包括一凹槽；还包括散热体，该散热体填充于该 陶瓷基层的凹槽内，该散热体为金属粉末与粘结材料的混合烧结体。

优选的，该陶瓷基层包括氮化铝基层或氧化铝基层。

优选的，该金属粉末包括铜粉、银粉、金粉、银包覆铜粉、金包覆铜粉中的一种或几种。

优选的，该粘结材料包括玻璃粉。

优选的，该凹槽的深度小于该凹槽底面的最小外接圆直径。

优选的，该陶瓷基层还包括位于该凹槽底面的凸起。

优选的，该凸起为圆柱形凸起。

本发明还提供了一种发光模块，包括上述任一项所述的散热基座，还包括荧光发光层，荧光发光层与散热体紧密连结。

优选的，散热体为银粉与粘结材料的混合烧结体，荧光发光层为镀有高反射银层的荧光陶瓷片。

优选的，散热体通过焊锡膏与荧光发光层连结。

本发明还提供了一种制备散热基座的方法，包括以下步骤：

步骤a：在陶瓷基层表面刻蚀出一凹槽；

步骤b：将金属粉末与粘结材料混合，得到混合材料；

步骤c：将混合材料填充所述凹槽；

步骤d：将陶瓷基层在氮气气氛或氮氢混合气气氛下烧结，得到凹槽内填充有散热体的散热基座，散热体为金属粉末与粘结材料的混合烧结体；各步骤的次序为abcd或bacd。

优选的，陶瓷基层包括氮化铝基层或氧化铝基层，步骤a包括用激光刻蚀陶瓷基层表面，得到凹槽。

优选的，步骤a包括刻蚀出深度相同的凹槽，然后在该凹槽基础上刻蚀出不同深度的凹槽，使得形成凸起。

优选的，金属粉末包括铜粉、银粉、金粉、银包覆铜粉、金包覆铜粉中的一种或几种，粘结材料包括玻璃粉。

优选的，金属粉末的粒径为10～15μm。

优选的，步骤b包括，将金属粉末、粘结材料和挥发性有机溶剂混合研磨，并随后烘干、过筛，得到混合粉体材料。

优选的，步骤b包括，将金属粉末、粘结材料和有机载体混合，得 到混合材料，有机载体包括溶质和溶剂，溶质包括聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚碳酸亚丙酯、乙基纤维素中的一种或几种，溶剂包括丙二醇二乙酸酯、萜品醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚中的一种或几种；步骤d包括，将填充有混合材料的陶瓷基层放入炉中高温脱脂，然后在氮气气氛或氮氢混合气气氛下烧结，得到散热基座。

优选的，脱脂温度低于烧结温度。

本发明还提供了一种发光模块的制备方法，包括上述任一项散热基座的制备方法，还包括步骤：在散热体表面刷焊锡膏，将镀有金属反射层的荧光发光层的金属反射层一面经焊锡膏焊接在散热体上。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

本发明通过将金属粉末与粘结材料的混合烧结体填充于陶瓷基层的凹槽内，结合烧结金属层的工艺与激光表面蚀刻技术制备一种高导热界面层，并将该工艺方法有效的应用在半导体光源封装中，利用混合烧结体的高导热率和陶瓷基层的高耐热性能、结构稳定性，提升了发光发热层与陶瓷基层之间的导热效率，使得发光发热层能够在更高的功率下工作，极大的改善了其性能。

附图说明

图1为本发明实施例一的散热基座的结构示意图；

图2为本发明实施例一的变形实施例的散热基座的结构示意图；

图3为本发明实施例二的散热基座的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

请参见图1，图1为本发明实施例一的散热基座的结构示意图，包括俯视图和剖面图，该散热基座100包括陶瓷基层102和散热体101，其中，陶瓷基层102包括一凹槽，散热体101填充于该凹槽内。这种设计方案，使得散热体能够接收来自其表面的热量，并迅速将热量传导至整个散热体，再经由散热体101与陶瓷基层102的凹槽的接触面将热量传递给陶瓷基层102。在本实施例中，散热体101为金属粉末与粘结材 料的混合烧结体，该散热体101的热导率优于陶瓷基层102，而陶瓷基层102的耐热性能优于散热体101，其凹槽能够使得散热体101被固定而不变形，保证了整个散热基座100的稳定性。

在本实施例中，陶瓷基层包括氮化铝基层或氧化铝基层，其耐热性能好，而且导热性能在陶瓷中属于导热率较高的。

在本实施例中，金属粉末包括铜粉、银粉、金粉、银包覆铜粉、金包覆铜粉中的一种或几种。其中，银包覆铜粉和金包覆铜粉分别为通过在铜粉表面喷涂或溅射银粉和金粉获得的，这几种金属粉末都具有导热性能好、化学性能稳定的优点，适于长期稳定导热。

在本实施例中，粘接材料为玻璃粉，通过玻璃粉与金属粉末混合后在较高温度下形成散热体的浆料，易于填充陶瓷基层102的凹槽，该玻璃粉既增加了在制备过程中散热体浆料的流动性，又保证了散热基座100在工作温度下结构稳定不形变的要求。

在本实施例的进一步的实施方式中，陶瓷基层102的凹槽为侧壁垂直于陶瓷基层102的表面的结构，而且该凹槽的深度小于该凹槽底面的最小外接圆的直径。这种结构设置，使得散热体101与陶瓷基层102的接触面大部分位于凹槽的底面，从而增强了热量的纵向传导，避免了热量在靠近散热体外露表面的位置的积累。

请参见图2，图2为本发明实施例一的变形实施例的散热基座的结构示意图，包括俯视图和剖面图。该散热基座100包括陶瓷基层102、散热体101。其中，陶瓷基层102包括一凹槽，散热体101填充于该凹槽内，陶瓷基层102还包括位于凹槽底面的凸起103。该设计方案在实施例一的基础上增加了凹槽底面的凸起103，一方面，可以使得散热体101与陶瓷基层102之间结合更加紧密，增强结构粘结力；另一方面，还可以使得散热体101与陶瓷基层102之间的接触面积进一步增大，从而增大传热面积。

本实施例中，凸起103为圆柱形凸起。本领域技术人员也可以根据需要和加工难度设计其他形状的凸起。

在本实施例一及其变形实施例中，图1和图2都是散热基座的一部分的结构示意图，散热基座也可以是其他形状的结构。如图3所示，为 本发明实施例二的散热基座的结构示意图。该散热基座100包括散热体101、陶瓷基层102及位于陶瓷基层102的凹槽底面的凸起103。本实施例的散热基座100为一圆盘形，沿圆周方向，陶瓷基层102包括一圆环形的凹槽，凹槽底面包括多个凸起103，散热体101填充于凹槽内。本实施例的散热基座100可以应用于转动散热结构。

本发明的又一实施例提供了一种发光模块，包括本发明上述实施例中的散热基座，还包括荧光发光层，该荧光发光层与散热体101紧密连结。在该实施例基础上，本发明的又一实施例中，散热体101为银粉与粘结材料(如玻璃粉)的混合烧结体，荧光发光层为一荧光陶瓷片，该荧光陶瓷片的底面镀有高反射率的银层反射膜，该荧光陶瓷片通过银层反射膜与散热体101热压粘结在一起，形成牢固的结构，从而构成完整的发光模块。当然，在散热体101为其他材质，例如铜粉与玻璃粉的混合烧结体的方案，散热体101与荧光发光层通过焊锡膏连结为一体。

本实施例中，荧光发光层接收激发光(例如激光)照射，产生荧光受激光的同时，发出大量的热量，该热量通过荧光发光层与散热体的接触面传导至散热体101，热量在散热体101中迅速扩散至散热体101与陶瓷基层102的全部接触面，并将通过陶瓷基层102最终完全发散出去。该种技术方案中，避免了现有技术中荧光发光层产生的热量直接传导至陶瓷基层的低热传导率现象。

本发明的又一实施例提供了一种发光模块，该发光模块包括如图3及其实施例二所述的圆盘形散热基座，其中，还包括圆环形的荧光发光层，该荧光发光层与填充圆环形凹槽的散热体紧密连结。本实施例技术方案中，发光模块为一荧光色轮，激发光源在该荧光色轮上形成一光斑，随着荧光色轮的转动，该光斑在荧光色轮上形成环形的轨迹，发出受激光的同时，放出大量的热，该热量经散热体传导至陶瓷基层后被发散。该结构的荧光色轮相对于现有技术大大改善了散热性能，同时避免了荧光发光层与陶瓷基层的接触面因热量和温度的分布不均匀而产生的荧光发光层脱落和/或陶瓷基层的破裂。同时，散热体的组成成分与荧光发光层底面的金属反射层材料相近，有利于结合的牢固性。

本发明的又一实施例提供了散热基座的制备方法，包括以下步骤：

步骤a：在陶瓷基层表面刻蚀出一凹槽；

步骤b：将金属粉末与粘结材料混合，得到混合材料；

步骤c：将混合材料填充所述凹槽；

步骤d：将陶瓷基层在氮气气氛或氮氢混合气气氛下烧结，得到凹槽内填充有散热体的散热基座，散热体为金属粉末与粘结材料的混合烧结体；

各步骤的次序为abcd或bacd，即其中步骤a和步骤b的次序可以调换。

本实施例中，陶瓷基层包括氮化铝基层或氧化铝基层，其耐热性能好，而且导热性能在陶瓷中属于导热率较高的，所述步骤a包括用激光刻蚀所述陶瓷基层表面，得到凹槽。进一步的，在本实施例中，可选的，步骤a包括在陶瓷基层表面激光刻蚀出带有凸起的凹槽。具体地，可以首先在陶瓷基层表面刻蚀出深度相同的凹槽，然后在该凹槽基础上，在凹槽底部平面选择性刻蚀出不同深度的凹槽，使得形成凸起。该凸起可以增强散热体与陶瓷基层的结构粘结力、增大散热体与陶瓷基层的传热面积。

本实施例中，金属粉末包括铜粉、银粉、金粉、银包覆铜粉、金包覆铜粉中的一种或几种，粘结材料包括玻璃粉。其中，银包覆铜粉和金包覆铜粉分别为通过在铜粉表面喷涂或溅射银粉和金粉获得的，这几种金属粉末都具有导热性能好、化学性能稳定的优点，适于长期稳定导热。通过玻璃粉与金属粉末混合后在较高温度下形成散热体的浆料，易于填充凹槽，该玻璃粉既增加了在制备过程中散热体浆料的流动性，又保证了散热基座在工作温度下结构稳定不形变的要求。

本实施例中，步骤b包括，将金属粉末、粘结材料和挥发性有机溶剂混合研磨，并随后烘干、过筛，得到所述混合粉体材料。其中，挥发性有机溶剂包括但不限于乙醇、丙酮和环己烷，用于使金属粉末与粘结材料充分混合，其沸点低于水，能够在稍高温度下(例如80℃)充分挥发，不会残留在混合粉体材料中。研磨是固体混料方式的一种，也可以采用其他的混料方式。在烘干材料后，通过过筛，使得混合粉体材料的细密、易铺设填充于凹槽。在本实施例中，金属粉末的粒径为10～15μm， 易于混料、易于烧结成型。

本实施例中，步骤c将上述混合粉体材料填充于凹槽，可以采取将粉体材料刮平的方式，也可以将粉体材料压入凹槽内，再刮去表面多余的部分，该步骤c最优以使混合材料恰好填充满凹槽为准。

本实施例中，步骤d将凹槽内填充有混合材料的陶瓷基层在氮气气氛或氮氢混合气气氛下烧结，得到凹槽内填充有散热体的散热基座。可以将凹槽内填充有混合材料的陶瓷基层放入氮气气氛下的管式炉中烧结，使得金属粉末与粘结材料的混合材料熔融(这里是指粘结材料软化为液相，金属粉末不融化)，由于是在氮气气氛下，金属粉末不会氧化成低热导率的金属氧化物。在本实施例的其他实施方式中，也可以采用氮气与氢气的混合气体作为保护气氛气体(例如含氢气5％vol或10％vol的混合气体)，其目的都是为了防止金属粉末被氧化。

在本发明的又一实施例中，提供了散热基座的又一制备方法。与上述实施例的制备方法的区别在于，在步骤b中包括，将金属粉末、粘结材料和有机载体混合，得到混合材料。其中，有机载体包括溶质和溶剂，溶质包括聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚碳酸亚丙酯、乙基纤维素中的一种或几种，溶剂包括丙二醇二乙酸酯、萜品醇、二乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇丁醚中的一种或几种。利用该有机载体，可以使金属粉末与粘结材料充分均匀混合，得到浆液状的混合材料。

在步骤c中，将上述浆液状的混合材料均匀涂覆并填充在凹槽中，烘干，涂覆方式可以采取刮涂或者丝网印刷等，烘干条件在80℃左右。

所述步骤d包括，将填充有混合材料的陶瓷基层放入炉中高温脱脂，然后在氮气气氛或氮氢混合气气氛下烧结，得到散热基座。这里是一个包括至少两步骤的过程：首先，通过高温脱脂，将混合材料中的有机载体分解、蒸发，使得混合材料仅剩金属粉末和粘结材料，从而保证制备出的散热体的高热导率；其次，在高温脱脂后进行烧结，该步骤与上述实施例的制备方法相同，使得金属粉末与粘结材料的混合材料熔融，形成散热体。在本实施例中，高温脱脂过程的温度低于烧结温度，这样可以避免粘结材料过早融化，进而避免有机载体被粘结材料封入散热体中。

本实施例与上述实施例的制备方法的区别，主要在于混合金属粉末 与粘结材料的方法不同，其都可以达到均匀混合的效果。

在本发明的又一实施例中，还提供了一种发光模块的制备方法，该制备方法在上述实施例制备散热基座的基础上，进一步包括如下步骤：在散热体表面刷焊锡膏，将镀有金属反射层的荧光发光层的金属反射层一面经所述焊锡膏焊接在散热体上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。