一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的led光源器件及其制备方法

一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的led光源器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件及其制备方法，本发明的LED光源器件包括LED芯片、散热器、塑封部，所述散热器由碳化硅陶瓷制成，所述LED芯片由所述塑封部封装在所述散热器上。本发明采用芯片+散热器一体封装与灯具外形垂直整合技术，自成一体，不仅简化了封装工艺，改变了封装结构，而且将导热、散热一体化，减少了热传导中间环节，提高了产品质量的可靠性。
【专利说明】一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件及其 制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明属LED照明光源领域，具体涉及一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的 LED光源器件及其制备方法。

【背景技术】
[0002] 近年来，在全球节能减排的倡导和各国政府相关政策支持下，LED照明得到快速的 发展。目前，作为全球最受瞩目的新一代光源，因其具有寿命长、体积小、节能、高亮、低热、 响应速度快、抗震、无污染、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的"绿色 照明光源"。LED大规模应用于普通照明是一个必然的趋势。作为LED产业链中承上启下的 LED封装，在整个产业链中起着关键的作用。对于封装而言，其关键技术归根结底在于如何 在有限的成本范围内尽可能多的提取LED芯片发出的光，同时降低封装热阻，提高可靠性。 在封装过程中，封装结构和封装方式占主要影响因素。随着LED高光效化、功率化、高可靠 性和低成本的不断发展，对封装的要求也越来越高，一方面LED封装在兼顾发光角度、光色 均匀性等方面时必须满足具有足够高的取光效率和光通量；另一方面，同时也是最重要的 是，封装必须满足芯片的散热要求，进而提升LED寿命。因此，芯片、荧光粉、散热器等封装 材料以及相应的封装结构、封装方式及待发展创新，以提高LED的散热能力和出光效率。
[0003] 国内LED行业技术水平：目前，LED封装形式多种多样，但整体沿用半导体封装 工艺技术，以适应不同的应用场合、不同的外形尺寸、不同的散热方案和发光效果。主 要的封装形式包括：直插式封装（LAMP-LED)、表面帖装封装（SMD-LED)、功率型封装 (High-Power-LED)、板上芯片封装（C0B-LED)等类型。而C0B封装结构是目前国内外产业界 趋于认同的LED通用照明产业主流方案。以上封装结构形式无论那种，都或多或少存在着 芯片整合亮度、色温调和与系统整合的技术问题，同时还存在热界面过多、热阻较大、可靠 性不高、容易出现光衰和死灯问题。就当前和未来的市场需求来看，背光和照明将成为最为 主要应用。就LED器件的品质来看，对LED可靠性、光效、寿命等的要求越来越高，小规模、 低水平的封装已经不能满足应用领域对LED的品质需求。为此，全世界LED通用照明产业 界都在努力寻求高散热封装结构的生产方案。
[0004] LED封装现状及不足；一般来说，封装的功能在于提供芯片足够的保护，防止芯片 在空气中长期暴露或机械损伤而失效，以提高芯片的稳定性。对于LED封装，不仅要有良好 的光取出效率，而且还要有良好的散热性。散热问题已成为影响LED寿命、光效、光衰等技 术参数的重要因素。目前用来散热的材料主要有铝、工程导热塑胶、陶瓷等。以铝基板作为 C0B封装材料，由于其封装结构热阻较大，可靠性不高，容易出现光衰和死灯现象，而利用工 程塑胶实现散热是最近才兴起的一种方式，但其热导率低，且成本目前还相对较高，至于氧 化铝陶瓷基板，虽然热阻很低，是C0B封装的理想材料之一，但由于加工不易，成本高，仅有 部分光源晶片的载体采用到。LED在实际应用中，人们为了把LED结温降下来，在设计LED 灯具时，不管是按传统SMD封装还是按COB金属基板封装的光源，最后都必需配上专用散热 器，目的是将热能先从金属基板导至散热器（铝散热鳍片、散热外壳等）再通过散热器扩散 到空气中，因此造成LED灯具固体交界面过多，产生很大的接触热阻，严重影响了 LED灯具 散热效果。除了上述问题外，LED灯具存在标准化问题，所有封装厂商与照明成品工厂的标 准无法对接。为了解决大功率LED封装散热问题，就必须在封装设计过程中，尽可能采用 工艺较少的封装形式，同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面，以降低封装热阻， 提高出光效率，延长芯片的使用寿命。


【发明内容】

[0005] 在综合分析散热结构、散热材料和封装形式对散热性能影响的基础上，本发明研 发了一种新的封装技术，即COR (Chip on the radiator) -体封装结构。该C0R -体封装 结构形式，采用芯片+散热器一体封装与灯具外形垂直整合技术，自成一体。不仅简化了封 装工艺，改变了封装结构，而且将导热、散热一体化，减少了热传导中间环节，提升了运行效 率，降低生产成本，提高了产品质量的可靠性。不仅产品环保，而且生产过程也干净，噪音 低，无污染，其生产的LED球泡，筒灯，射灯，以及大、中型工矿灯等产品，广泛适用于室内外 等公共照明。
[0006] COR (Chip on the radiator)中文含义解释：散热器上的芯片。将LED裸芯片直 接黏贴在散热器件上（一体封装）的集成面光源技术。该技术剔除了支架概念和基板概 念，无电镀、无回流焊、无贴片工序，不仅省去了支架和金属基板，而且省去了为加工金属材 料封装基板绝缘层的复杂制作工艺。因此，工序减少三分之一，成本节约三分之一，热阻也 减少三分之一，散热效率提高三分之一。
[0007] C0R具体结构形式，是将η颗LED裸芯片直接黏贴在散热器件上，并将导线/焊线 直接焊接在（FPC)柔性线路板上，再透过封胶的技术，有效的将封装步骤转移到散热器件 上，而直接形成一种新型LED光源器件，使导热、散热一体化。与金属材料封装的C0B结构 相比，不仅省去了金属材料制作的基板，使传热通道上的热阻减少30 %，而且省去了为加工 金属材料封装基板绝缘层的复杂制作工艺，生产成本下降了 30%，可靠性提升一倍。就整 个灯具来说减少了大量的具有强烈化学污染的PCB制程。
[0008] 作为制备散热器件的材料，除具备基本的高导热和布置电路功能外，还要求具有 一定的绝缘、耐热、相匹配的膨胀系数。而碳化硅陶瓷材料，不仅具备高散热效率、耐热电、 膨胀系数匹配等性能外，同时还有望在封装器件的光学性能上有所突破，实现点、面结合的 高光通量LED封装。本发明采用碳化硅陶瓷制成散热器，充分利用了碳化硅陶瓷材料的优 点。
[0009] 碳化硅陶瓷散热材料其主要成分是以碳化硅为主体并辅以纳米氮化硅镁、纳米氮 化铝、高球形度氧化铝等多种或其中一到两种超高导热填料的组合而成。根据每种材料的 粒径、形态，掺杂分数，使用粒径不同的粒子，最大限度充填各粒径之间缝隙，使体系中的导 热路径网络得以形成。
[0010] 进一步的，本发明的以碳化硅陶瓷制成的散热器中，内部设有导热孔，增加了对流 介质空气的对流通道，有利于热量的散发；
[0011] 进一步的，本发明的以碳化硅陶瓷制成的散热器低端设有空腔，加大了与对流介 质空气的接触面，形成冷热空气交换室，使热能在对流介质空气中快速交换流动，加速了热 量的扩散。
[0012] COR-体封装结构形式，是在对COB封装结构的深度研究后形成的新技术。该技术 采用了以碳化硅陶瓷材料制备的散热器作为LED芯片直接承载体。并通过独立自主开发与 之配套的软件程序和自行研发制作的专业工具所形成的核心软硬件技术，将导热、散热一 体化，减少热传导中间环节；提高散热效率；增加芯片的寿命；剔除了金属基板和其复杂的 加工制程，满足了 LED行业对芯片的散热要求和高效率集成化要求，创造性地解决了大功 率LED封装结构导致的散热难的技术瓶颈。
[0013] 如现有大功率50W以上LED路灯、工矿灯，为了散热需要，仅专用金属散热器件的 重量就达几十斤。如采用本发明结构，LED灯具整体重量可减轻50%以上。
[0014] C0R达到的技术水平：C0R -体封装结构形式是在现有C0B封装结构的基础上进 行大胆创新研发出来的一种新型封装结构技术。该结构形式通过对LED封装结构进行可靠 的热设计，采取并实施有效的热控制措施，充分结合室内通用照明的高光效.无眩光.无闪 烁.高显指的使用特点，从C0R-体封装结构形式到灯具外形全系统进行了全方位整合，将 导热、散热一体化，大大减化了生产工序，降低了生产成本，减少了热传导中间环节，提高了 出光效率，延长了芯片的使用寿命。为我国在LED封装领域开辟了新的天地，造就了独有的 新型封装结构形式。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是现有错基板C0B封装结构不意图
[0016] 图2是现有铜基板C0B封装结构不意图
[0017] 图3是本发明C0R封装结构示意图
[0018] 图4是本发明C0R封装平面图 [0019] 图5是本发明C0R封装剖面图
[0020] 附图标号说明
[0021] 1、LED 芯片
[0022] 2、荧光胶
[0023] 3、散热器
[0024] 4、键合线
[0025] 5、围墙胶
[0026] 6、线路板
[0027] 7、导热孔
[0028] 8、冷热空气交换室
[0029] 11、绝缘层
[0030] 12、铝基板
[0031] 13、铜基板

【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明所述一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器 件的制备方法做详细说明：
[0033] -、准备阶段：烧结制备碳化硅陶瓷散热器件
[0034] 本阶段可分为如下步骤：1、模具制作，2、配比、搅拌混合料、3、制坯，4、烧结。
[0035] 本阶段工艺参照现有碳化硅陶瓷制作工艺：即在碳化硅颗粒混合物中，（本实施 例可采用60-100目型号碳化娃粉末）加入5%?10%超高导热填料和一定比例无机粘结 剂（微晶高岭土），以一定的温度制度反应烧结，把坚硬的碳化硅结合起来，形成致密的网 络结构。以达到有效的热传导，获得高导热体系。
[0036] 影响高温结构陶瓷制品强度和热导率的主要因素是气孔大小及数量。本实施例中 的碳化硅陶瓷材料中的气孔完全被填充，因而强度和热导率大大提高。
[0037] 本实施例可以采用以下两种烧结方式制备碳化硅陶瓷：
[0038] 1、反应烧结碳化硅：在碳化硅中加入金属硅粉和碳，在1450°C埋碳烧成，使硅粉 与碳反应生成低温型β - SiC，将原碳化硅颗粒结合起来。另一种方法：由碳与金属硅直 接反应生成碳化硅制品，即用碳或碳与碳化硅成型，埋硅烧成。两方法均可制成性能良好的 碳化硅陶瓷制品。由于制品中一般含有游离硅8%?15%及少量游离碳，使其使用温度低 于1400°C以下。其导热系数、耐冲击性良好，但强度、硬度、耐腐蚀性差。反应烧结碳化硅制 品在烧结前后尺寸几乎不变，因此，成型后可加工成任意形状和尺寸，尤适合大规模、复杂 形状的产品。
[0039] 2、重结晶碳化硅陶瓷：经净化处理的碳化硅微粉和超微粉，混入一定量的结合剂， 成型后在2200?2400°C烧成。碳化硅颗粒之间再结晶，而直接结合，碳化硅含量达99%。 较以上各种结合相碳化硅陶瓷制品，重结晶碳化硅制品，具有更高的热态机械强度、导热 率、耐热震性及抗氧化性
[0040] 本实施例优选具有如下特征的碳化娃陶瓷：密度术3. 0g/cm3 (density)，气孔率 永 0· 1% (porosity),强度为 250Mpa (常温）和 250Mpa (1300 °C ) (hardness),热膨胀系数 为 4.5X10-6/K(Coefficient of thermal expansion)，热传导率为 150W/m.k(coefficient of thermal conductivity),比热为 1.7X10j/kg°C (specific heat)。
[0041] 本阶段采用相应的模具，将碳化硅烧结成所需形状，在本示例中，碳化硅陶瓷烧结 成圆柱型，内部设有贯通两端面的若干导热孔，增加了对流介质空气的对流通道，有利于加 快热量的传导散发。此外在圆柱的一端设有一空腔，增大了与对流介质空气的接触面，形成 冷热对流介质空气的交换室，通过与对流介质空气的不断交换，有利于及时将热量带到空 气中，达到散热目的。
[0042] 二、C0R封装阶段：
[0043] 第一步：清理、平整散热器件（芯片安放基座）。在C0R的工艺流程中，由于碳化 硅陶瓷在烧结过程中粘有碳化硅残渣及器件表面晶体粒径大小不一，在下阶段的安放固定 线路板和固晶及焊线等工序易造成不良产品的增多和报废；为了解决这一问题，就必须有 意识的用专业设备、人工等对散热器件表面进行清洁，平整。
[0044] 第二步：青胶。采用点胶机将适量的银浆点正在FPC柔性线路板上。热处理至线 路板牢固地固定在散热器表面为止。
[0045] 第三步：固晶。采用全区域视觉定位系统的固晶设备，将芯片用导热银胶固定在 FPC柔性线路板对应的位置。
[0046] 第四步：烘干。将粘好裸片放入热循环烘箱中恒温静置一段时间，也可以自然固化 (时间较长）。
[0047] 第五步：邦定（打线）。采用金丝焊线机将晶片与FPC板上对应的焊盘金丝进行 桥接，即C0R的内引线焊接。
[0048] 第六步：前测。使用专用检测工具（高精密度稳压电源）检测C0R光源，或采用线 视觉检测仪检测，将不合格的光源重新返修。
[0049] 第七步：封胶。采用自动封胶机，根据客户要求进行外观封装。
[0050] 第八步：固化。将封好胶的一体化光源器件放入热循环烘箱中恒温静置，根据要求 可设定不同的烘干时间（通常需4小时以上）。
[0051] 第九步：后测。将封装好的一体化光源器件再用专用的检测工具进行电气性能测 试，区分好坏优劣。
[0052] 与其它封装技术相比，C0R技术降低了成本、节约了空间、减少了工艺，提高了散热 效率，因此在半导体封装领域将得到广泛应用。
[0053] C0R技术创新点及效果和优点：
[0054] 1) C0R -体化封装结构形式，已形成一整套完善完整的产业化工艺，技术含量高， 成熟。类似于SMT产业的C0B工艺，与金属材料基板面光源封装形式比较，剔除了金属材料 基板，将导热、散热一体化，减少了热传导中间环节。其导热、散热效果更好，可靠性更高，效 率更高，成本更低。该封装结构形式必将成为LED未来室内照明光源封装的主流技术。
[0055] 2) C0R -体化封装结构形式，是完全自主研发，独立创新。从原材料控制到成品检 测工艺，已完全不同于支架式、SMD-LED式工艺。集C0B封装形式之集成化优点，其工序大 大减少，降低了生产成本，提高了生产效率。
[0056] 3) C0R-体化封装结构形式，不仅产品节能环保，无辐射无汞，其生产过程也节能、 环保，减少了 PCB工艺中电镀工艺的高耗能，高污染过程，不存在节能灯生产车间的高耗 能。
[0057] 4)采用碳化硅陶瓷为原材料制备的散热器件，不仅降低了成本，而且提升了芯片 的热导效率。与同类型金属铝基板封装结构形式相比较，成本减少了 30% ;
[0058] 碳化硅陶瓷的密度比其他金属材料制备的散热器更轻便，特别是大功率LED灯具 的自身重量得以大幅度减轻。
[0059] 碳化硅陶瓷以其特殊的微孔洞化结构的关系，使得散热器的表面积相较金属散热 器多出约30%的孔隙，因而与对流介质空气有了更大的接触面积，能够在同一单位时间内 带走更多的热量。
[0060] 根据实验可以验证，热辐射效益：SiC>铜〉铝，SiC热辐射系数为0. 88,铜热辐射 系数为0. 1，铝热辐射系数为0. 1。碳化硅陶瓷以其强于金属材料8. 8倍的辐射散热特性， 使其主动散热效能远超只能被动散热的金属材料。
[0061] 碳化硅陶瓷的吸收热容相比金属铝要高，和铜相比相对较低一些，但铜的造价高。 [0062] 不同于金属材料易腐蚀，易氧化，容易受温度的变化而热胀冷缩，从而导致胶贴脱 落，固定不稳，散热性能降低等问题，碳化硅陶瓷散热器在防腐蚀，抗氧化，抗冷热冲击这几 方面拥有绝对的优势，同时可以在高低温环境下保持稳定的外部形态，维持稳定的散热效 能，
[0063] 正是基于如此优秀的平整性能以及一体化封装结构，使得从芯片到散热器再到空 气的热传导功效提1?了 30%。
[0064] 5)C0R-体化封装结构形式，是由自主研发与制作的专业工具和与之配套的软件 程序独立完成。减少了多次对点，提高了对点准确度和可靠性，提高了工作效率；增加了工 件的工作面积，提高了集成化程度，使得LED灯具的生产、安装更简单和方便。
[0065] 6)与支架式、SMD点阵式发光效果不同，是采用多颗芯片串并结合和光源器件之 间进行组合的方式来进行设计的。针对不同的产品应用，不同的驱动条件，对产品进行优化 时，仅仅只需要修改芯片之间的链接方式以及增加或减少光源器件数量，就能达到目的。使 得面光源出光效果得到更高更完美体现，更接近于自然光，且降低了眩光效果。
[0066] 7)采用碳化硅陶瓷为原材料制备的散热器件，其绝缘的性能优势，使相关灯具安 规认证的取得变得更加容易。同时也使相关电源（驱动模组）设计变得更加轻松，特别是 针对其中有关安全要求部分。
[〇〇67] 以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限 制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案 直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种以碳化娃陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件，其特征在于，包括LED芯片、 散热器、塑封部，所述散热器由碳化硅陶瓷制成，所述LED芯片由所述塑封部封装在所述散 热器上。
2. 根据权利要求1所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件，其特 征在于，所述碳化硅陶瓷以碳化硅为主体并辅以导热填料而制成，所述导热填料为纳米氮 化硅镁、纳米氮化铝、高球形度氧化铝等中的一种或多种组合。
3. 根据权利要求1所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件，其 特征在于，所述碳化硅陶瓷热传导率为150W/m.k，比热为1.7X10j/kg°C，热膨胀系数为 4. 5 X 10-6/K，气孔率术 〇· 1 %。
4. 根据权利要求1所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件，其特 征在于，所述塑封部由围墙胶与荧光胶形成，所述LED芯片的导线焊接在线路板上，再通过 所述塑封部封装在所述散热器上。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器 件，其特征在于，所述由碳化硅陶瓷制成的散热器内部设有贯通上下断面的导热孔。
6. 根据权利要求5所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件，其特 征在于，所述由碳化硅陶瓷制成的散热器底端设有空腔，形成冷热空气交换室。
7. -种以碳化娃陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件的制备方法，其特征在于，包 括以下步骤： A、 制备碳化硅陶瓷散热器； B、 COR封装阶段，分为以下步骤： 第一步：清理、平整散热器，在散热器上形成LED芯片安放基座； 第二步：青胶；将适量的银胶点正在FPC柔性线路板上，将FPC柔性线路板固定在散热 器上； 第三步：固晶；将LED芯片用银胶固定在FPC柔性线路板对应的位置； 第四步：烘干；将粘好LED芯片的散热器放入热循环烘箱中恒温静置一段时间烘干，或 采用自然固化方式烘干； 第五步：邦定/打线；将LED芯片与FPC板上对应的焊盘金丝进行桥接，即COR的内引 线焊接； 第六步：封胶；采用自动封胶机进行外观封装； 第七步：固化；将封好胶的一体化光源器件放入热循环烘箱中恒温静置烘干。
8. 根据权利要求7所述的一种以碳化硅陶瓷为散热器一体封装的LED光源器件的制备 方法，其特征在于，所述步骤A、制备碳化硅陶瓷散热器，包括以下步骤： 第一步，制备模具； 第二步，配比、搅拌混合料 第三步，制坯 第四步，烧结。
【文档编号】H01L33/48GK104103741SQ201410311972
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】柳钊, 彭成家 申请人:柳钊, 彭成家