一种UVLED陶瓷基座的封装方法及UVLED陶瓷基座封装结构与流程

本发明涉及led封装领域，具体而言，涉及一种uvled陶瓷基座的封装方法及uvled陶瓷基座封装结构。

背景技术：

随着led技术的快速发展以及可见光领域的日趋成熟，短波长的紫外光发光二极管(uvled)逐渐被广大研究人员所关注，由于其光谱波段集中在紫外范围内，相比传统紫外光源，拥有独一无二的优势，包括功耗低、发光响应快、可靠性高、辐射效率高、寿命长、对环境无污染、结构紧凑等诸多优点，故其具有广阔的市场应用前景，在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、白光照明以及军事探测等领域都有重大应用价值。

目前led的主流封装方式是采用有机封装，且主要封装材料多为环氧树脂及硅树脂等有机材料。若对紫外led而言，由于紫外光波长更短，辐射能量高，这些有机材料受到其长时间照射容易出现老化，从而降低led芯片的发光效率，影响其使用性能和寿命。目前为了提高uvled的寿命及使用性能，目前业内主要通过以下两种方式进行改善:一是从光和热等多方面延缓有机材料老化速度，在有机封装材料添加光稳定剂、抗氧剂和热稳定剂等方面来进行改善，但此方法并没有彻底解决根本问题，依然存在led失效的风险。二、采用无机材料进行封装，现有uvled陶瓷基座主要通过共烧技术也即htcc或ltcc实现，这两种方法虽然能避免有机材料的使用并且气密性较好，但各自依然存在一些工艺上所带来的缺点。

针对htcc技术：也即在陶瓷粉中添加增塑剂、分散剂、粘结剂等有机成分，配成泥状浆料，用流延法制成生坯；然后依据各层的设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生胚层叠加，最后在1500～1700℃高温下烧结并形成陶瓷基座。

针对ltcc技术：与htcc类似，只是在陶瓷粉中混入30％-50％低熔点玻璃料，使烧结温度降低至850-900℃，因此可以采用导电率更好的铜银等金属作为电极和布线材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种uvled陶瓷基座的封装方法，在实现对uvled陶瓷基座的无机封装基础上，低温制备出导电性及导热性均良好的uvled陶瓷基座，并解决了金属层与陶瓷及框体结合力差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种uvled陶瓷基座封装结构，其能够提高uvled陶瓷基座的稳定性及可靠性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种uvled陶瓷基座的封装方法，其包括：

在陶瓷烧结体基板上设置金属层，得到陶瓷金属衬板前体，金属层包括电路连接部以及围绕电路连接部的封装连接部；

在封装连接部上设置焊料层；以及

将封装金属框附于焊料层后进行封接。

一种uvled陶瓷基座封装结构，其是采用上述的封装方法封装而成的。

本发明实施例的有益效果是：

1、本发明选用主要成分为低熔点且导电性优异的银或银铜合金作为电路浆料层，并且基板选用陶瓷烧结体基板，无需加入过多低熔点玻璃料来降低烧结温度，导热性提高。故本发明制备uvled陶瓷基座具有导热性、导电性均良好并且烧结温度低等优点。

2、本发明通过选用与金属层热膨胀系数相匹配且延展性较好的框体如银、铜等与陶瓷金属衬板进行封接，封接后陶瓷基座残余应力较小，并且封接过程中封装金属框通过与焊料层形成的共晶液相，其能与陶瓷金属衬板得到较好的结合，并形成了致密的整体结构。由此制备uvled陶瓷基座气密性良好，且金属层与框体及陶瓷烧结体基板结合力均较好，从而提高了uvled陶瓷基座的稳定性及可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，

下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的uvled陶瓷基座的封装方法的工艺流程图；

图2为本发明的uvled陶瓷基座封装结构的结构示意图；

图3为本发明的uvled陶瓷基座封装结构的陶瓷金属衬板的局部放大图；

图4为本发明的uvled陶瓷基座封装结构在设置led芯片后的结构示意图；

图5为本发明中实施例1制备的uvled陶瓷基座气密性测试图片；

图6为本发明中实施例1制备uvled陶瓷基座结合力测试后图片，其中图a为金属层与陶瓷结合力测试后图片，图b为金属层与框体结合力测试后图片。

图标：100-uvled陶瓷基座封装结构；110-陶瓷烧结体基板；120-金属层；121-电路连接部；122-封装连接部；123-第一金属层；124-第二金属层；130-焊料层；140-封装金属框；150-陶瓷金属衬板；200-led芯片；210-导电线。

需要说明的是，本发明的金属层120在陶瓷烧结体基板110上沿横向划分，金属层120包括电路连接部121和封装连接部122；沿纵向划分，金属层120包括第一金属层123和第二金属层124。因此，也可以理解：电路连接部121和封装连接部122均包括第一金属层123和第二金属层124。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

现有的uvled陶瓷基座制作工艺主要为共烧技术也即htcc或ltcc。发明人在研究中发现，以上工艺存在一定的问题。

例如，htcc技术存在烧结温度高，能耗巨大，金属导体材料选择受限且导电性差等缺点，目前导体材料主要为熔点较高的钨、钼、锰等金属及其合金。

ltcc技术中，由于制备的uvled陶瓷基座热导率相对较低，且共烧的材料存在匹配性问题，导致其烧结后易变形开裂，使得金属层与陶瓷结合力相对较差(＜50n)，因而也导致uvled陶瓷基座应用时可靠性较低。

依据现有技术的缺陷，本发明提出一种制作uvled陶瓷基座封装结构的工艺。

本发明的一种uvled陶瓷基座封装结构100的封装方法如图1所示的工艺流程图，包括以下步骤：

步骤1：设置金属层120

在陶瓷烧结体基板110上设置金属层120，获得陶瓷金属衬板150的前体。陶瓷烧结体基板可为氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或氮化硅陶瓷，优选设置：氮化铝陶瓷作为陶瓷烧结体基板，陶瓷烧结体基板的形状和厚度均不受限制，只要能够用于制备金属化陶瓷基板即可。金属层120包括电路连接部121以及围绕电路连接部121的封装连接部122。较佳地，通过印刷方式设置金属层120。其中，印刷可以分一次或多次，如两次、三次、四次以及更多次进行。

在一些示例中，印刷设置金属层120是分两次进行的，且印刷工艺可通过以下内容而被限定。

首先，在陶瓷烧结体基板110上进行第一次印刷，印刷的金属浆料为第一金属浆料。

第一金属浆料包括第一导电成分。第一导电成分包括ag和cu及活性成分，用于在陶瓷烧结体基板110上形成导电层。活性成分包括ti、zr和hf中的至少一种。例如，活性成分为ti，或者活性成分为zr，或者活性成分为hf，或者活性成分为ti和hf的混合物，或者活性成分为ti和zr的混合物，或者活性成分为zr和hf的混合物，或者活性成分为ti、zr和hf的混合物。

本发明采用的陶瓷烧结体基板110是氮化铝陶瓷，活性成分中的活性元素ti、zr或hf与氮化铝反应形成结合层，例如氮化铝与ti反应生成氮化钛，使得金属层120与陶瓷烧结体基板110能够紧密结合。同时，如果使用氧化铝陶瓷烧结体基板，则钛与氧化铝反应生成氧化钛；类似的实施方式还可以是：使用氮化硅陶瓷烧结体基板，则钛与氮化硅反应生成氮化钛和硅化钛。

按质量百分比计，ag、cu占第一导电成分总量的95％-98％，活性成分占第一导电成分总量的2％-5％。按照该配比形成的第一金属浆料以及由第一金属浆料形成的第一金属层123，该金属层中的活性成分高温下能够直接与陶瓷烧结体基板110反应形成结合层，从而保证金属层与陶瓷烧结体基板紧密结合。第一金属浆料除上述第一导电成分和活性成分以外，还包括有机粘结剂及有机溶剂等其他有机成分。

然后，在第一金属浆料上进行第二次印刷，印刷的金属浆料为第二金属浆料。

第二金属浆料的粘度小于第一金属浆料的粘度，使得第二金属浆料在陶瓷烧结体基板110上的流动性大于第一金属浆料在陶瓷烧结体基板110上的流动性，从而弥补第一金属浆料在陶瓷烧结体基板110上形成的小凹坑，使得整个金属层120的表面更加光滑平整。第二金属浆料包括第二导电成分。第二导电成分包括ag和cu。第二导电成分的银铜质量比大于第一导电成分的银铜质量比。也即是，第二导电成分中按质量百分比计银所占的比重相对于第一导电成分中大。第二金属浆料除上述第二导电成分以外，还包括有机粘结剂及有机溶剂等其他有机成分。

因此，按照上述方法设置的金属层120在真空烧结后实质包括两层，即由第一金属浆料形成的第一金属层123以及由第二金属浆料形成的第二金属层124。如图3所示，由第一金属浆料制成的第一金属层123设置于陶瓷烧结体基板110的表面。由第二金属浆料制成的第二金属层124设置于第一金属层123的表面。

步骤2：设置焊料层130和封装金属框140

在金属层120的封装连接部122上设置焊料层130。焊料层130也采用印刷的方式设置。焊料层130是由银铜浆料制成的。焊料层130按质量百分比计包括72～77％的ag和23～28％的cu。

将封装金属框140附于焊料层130。封装金属框140的材质可以是银或铜，优先设置金属框为cu，尤其是无氧铜。其能够很好地与陶瓷金属衬板150的前体进行封接匹配。在将封装金属框140附于焊料层130之前对封装金属框140进行预处理，预处理先后包括除油和去氧化步骤，以除去封装金属框140表面的油污及表面的氧化物。

步骤3：封装金属框140与陶瓷金属衬板150的前体真空封接

在上述步骤完成之后，将陶瓷金属衬板150的前体以及封装金属框140一起在真空条件下封接。封接温度为780℃-950℃，封接时间为10min-60min。真空条件为真空度高于5×10^-2pa，也即是压力低于5×10^-2pa。

在封接过程中，焊料层130与封装金属框140能够形成共晶液相，使得封装金属框140通过设置在陶瓷金属衬板150前体上的焊料层130与陶瓷金属衬板150的前体得到良好的接触，并形成了致密整体结构，进而使得制备的uvled陶瓷基座封装结构100具有气密性优良及其各部彼此间结合力优异等优点。

根据上述封装方法制备出的uvled陶瓷基座封装结构100如图2所示，uvled陶瓷基座封装结构100包括陶瓷金属衬板150、焊料层130以及封装金属框140。其中，陶瓷金属衬板150包括陶瓷烧结体基板110和金属层120。金属层120采用印刷的方式设置在陶瓷烧结体基板110的两侧表面。焊料层130设置在金属层120的封装连接部122上。封装金属框140设置在焊料层130上，构成用于封装led芯片200的框架结构。

请参照图3，沿纵向划分，金属层120包括由上述第一金属浆料形成的第一金属层123以及由第二金属浆料形成的第二金属层124。第一金属层123设置在陶瓷烧结体基板110的两侧表面，第二金属层124设置在第一金属层123的表面。

请参照图4，led芯片200设置在金属层120的电路连接部121上，并且led芯片200通过导电线210与金属层120的电路连接部121连接。led芯片200是紫外光led芯片。

需要说明的是，本发明的金属层120并非是设置在陶瓷烧结体基板上连续的层结构，而是根据所需电路图形呈现出电路图案，因此，金属层120的电路连接部121和封装连接部122可连续、可不连续，本发明对此没有限制。金属层120的电路连接部121主要指金属层120的用于设置led芯片200以及导电线210的部分。金属层120的封装连接部122主要指金属层120的用于设置焊料层130以及封装金属框140的部分。

通过上述封装方法的uvled陶瓷基座气密性良好，同时具有烧结温度低、导电性和导热性均较好、金属层与框体及陶瓷烧结体基板结合力均较好等优点，从而提高了其后续应用时的稳定性及可靠性。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1

选取114.3mm×114.3mm的氮化铝陶瓷烧结体基板110对其表面进行超声波清洗处理后待用。通过第一次印刷将第一金属浆料印刷在陶瓷烧结体基板110表面上，形成第一金属层123。通过第二次印刷将第二金属浆料印刷在由第一金属浆料形成的第一金属层123上，形成第二金属层124。通过第一次印刷和第二次印刷，在陶瓷烧结体基板110上设置金属层120，从而获得陶瓷金属衬板150的前体。

在金属层120的封装连接部122上设置焊料层130。焊料层130的设置也采用印刷的方式，其中，焊料层130按质量百分比计包括72％的ag以及28％的cu。

在本实施例中，封装金属框140是由无氧铜制成的。对封装金属框140进行预处理。具体为，预处理先后包括除油及去氧化处理，也即先利用重油清洗剂对封装金属框140进行除油处理。其次，在室温(20℃-30℃)下，使用质量分数为10wt％的硫酸溶液浸泡3min进行去氧化处理，去除铜箔表面的氧化物，然后吹干，除去铜箔表面的杂质。然后将经预处理后材质为无氧铜的封装金属框140附于焊料层130。

最后，将陶瓷金属衬板150的前体和封装金属框140在真空条件下进行封接。封接温度为850℃，封接时间为30min，真空度为1×10^-3pa。

由此，便制得本发明的uvled氮化铝陶瓷基座封装结构，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

实施例2

除封装金属框为ag框，预处理工序中往重油清洗剂添加3-5g高目数氧化铝抛光粉，同时实现除油及去氧化处理之外，其他与实施例1一样。由此，便制得本发明的uvled氮化铝陶瓷基座封装结构，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

实施例3

除陶瓷烧结体基板材质为氧化铝之外，其他与实施例1一样。

由此，便制得本发明的uvled陶瓷基座封装结构，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

比较例1

除封装金属框为铁镍合金框，预处理工序仅包括除油步骤之外，其他与实施例1一样。

由此，便制得uvled氮化铝陶瓷基座，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

比较例2

选用市售的低温共烧技术(ltcc)制备的uvled氧化铝陶瓷基座，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

比较例3

选用市售的高温共烧技术(htcc)制备的uvled氧化铝陶瓷基座，进而对其进行相关测试，测试结果见表1。

uvled陶瓷基座评价：

1)气密性评价：

常温下在uvled陶瓷基座中封装框内滴红墨水，滴定时既要保证红墨水与框内壁四周接触，也要禁止其从框上表面溢出；滴红墨水后静置2h，观察其渗透情况。

2)结合力评价

a.金属层与陶瓷烧结体基板

利用焊锡片(φ2mm)将t针与金属层方块(2*2mm)焊接在一起，然后采用电子万能拉力试验机(鑫鸿xdl-500n)将t针从陶瓷金化基板上拉脱，得到的拉力值(n)，并观察其分离现象，样品测试数量为20pcs。若金属层与陶瓷分离，结合力ng则评价为“×”；若金属层与陶瓷混合分离，则结合力ok，则评价为“○”。然后统计各分离状态数量作为评价结果。

b.金属层与框体

框体剥离后利用体视显微镜观察其与陶瓷烧结体基板的各自分离状态，样品测试数量为100pcs。若框体与陶瓷烧结体基板上金属层分离则金属层与框体间结合力差，评价为“×”；若框体与陶瓷烧结体基板呈混合分离，也即基板表面陶瓷被剥离，金属层与框体间结合力优异，则评价为“○”。若以上两种分离状态均存在，则结合力一般，评价为“△”，然后统计各分离状态数量作为评价结果。

3)耐冷热冲击性能评价

采用型号tsg-71s-a型温度冲击试验箱，将uvled陶瓷基座样品从-40℃升到125℃，用时6min，然后从125℃降到-40℃，用时4min，再将样品从-40℃升到125℃，用时6min，如此循环，每50次循环目视观察样品是否出现裂纹或剥离。

表1.测试结果

由上表可知，本发明中实施例制备的陶瓷基座2h后红墨水无渗透，也即气密性全部ok，具体见图5。而比较例1制备的陶瓷基座2h后红墨水存在渗透现象。这主要是因为其框体为可伐合金，其与金属层热膨胀系数匹配性及延展性均相对较差，在烧结时易产生较大残余应力，从而导致其与陶瓷金属衬板结合欠佳，影响了uvled陶瓷基座气密性及可靠性。

对各组陶瓷基座进行结合力测试，将金属层与陶瓷基板及框体剥离后，除了比较例1，其他各组分离状态全部均为混合分离。另外还可以看出相对比较例2、3制备的陶瓷基座，本发明实施例制备陶瓷基座的金属层与陶瓷基板剥离后拉力值较大，其值均远大于100n，说明本发明金属层与陶瓷基板及框体结合力均优异，具体见图6。

对各组陶瓷基座进行耐热冲击测试，结果显示各实施例制备的陶瓷基座耐热冲击性较好，均大于2000次，而其他比较例制备的陶瓷基座均小于800次。说明本发明制备的uvled陶瓷基座可靠性较高。

另外本发明选用主要成分为银铜合金作为电路浆料层，相对比较例3选用的钨浆料，其具有更低的熔点且更高的导电性。其次在比较例2陶瓷基座制备工艺中，生坯片和金属浆料的烧结是同时进行的，为了降低生坯的烧结温度，往往需要在生坯中过多低熔点玻璃料，这会大大降低陶瓷基座的导热性。而本发明中选用的基板为陶瓷烧结体基板，也即生坯片和金属浆料的烧结是逐次进行，无需往生坯中加入低熔点玻璃料，其导热性更高。因此可以得出，本发明uvled陶瓷基座同时具有较高的导电性和导热性，并且烧结温度低等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。