[发明专利]一种复合陶瓷基板封装的白光LED及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于LED光源技术领域，具体涉及一种白光发光二极管(LED)及其制备方法，更具体的说，涉及一种复合陶瓷基板上封装的白光LED及其制备方法。

背景技术

自从1993年日本科学家中村修二发明商用氮化物蓝光发光二极管(LED)以来，氮化物LED的研究和应用获得爆炸性的扩展。其中，以大功率白光LED技术为主的半导体固态照明，具有电光转换效率高、寿命长、安全、绿色环保备受世界各国政府青睐。国际上先后有美国能源部制定了固态照明计划；日本于1998年制定的“21世纪照明计划”；欧盟于2000年制定“ 彩虹计划”等，积极推广半导体照明，以便节省大量能源，减少二氧化碳排放量。

然而，到目前为止，白光LED技术转换效率还远没达到理想效率，工业水平最高为130lm/W，这使得LED电能转化为光能效率小于30%，其它超过70%的电能转化为热能，使芯片工作温度升高。如果热能不能通过有效快速散热路径，芯片工作温度将持续升高，造成效率进一步下降，热量进一步增大，温度更加升高这样一个死循环，LED将失效。由此，大功率LED散热是当前普遍遇到的技术难点。

当前主流LED芯片封装散热是把LED芯片通过固晶胶固定在铝基板上，导热性能不佳，此外还由于芯片材料的热胀系数和金属材料热胀系数相差较大，LED工作循环多次后，容易造成芯片和铝基板间微小裂缝，增大热阻并导致脱离。由此，铝片作为封装基板不是一个理想选择。为解决此类问题，势必寻找新的封装散热基板材料。陶瓷材料由于良好电气绝缘特性，与LED芯片相匹配的热胀系数等特点，成为新一代封装基板优选材料，如AlN陶瓷材料，热导系数达170W/mK。然而，AlN陶瓷材料制备困难，价格昂贵，难以大规模应用；SiC陶瓷材料价格低廉，热导系数高(单晶490W/mK，陶瓷80-270W/mK)，但SiC基板烧结温度很高，难以制备成基板。很多陶瓷基板材料趋向于价格低的氧化铝陶瓷。但氧化铝的热导系数并不高，只有24.7W/mK左右，在氧化铝陶瓷材料上封装LED功率密度仍难以提高。为此，必须在价格和性能方面寻找适当的平衡点。我们通过研究发现，可以把高热导材料如纳米SiC或AlN或C纳米线添加入Al₂O₃基质陶瓷中，形成复合材料，烧结形成陶瓷基板，并在基板上封装白光LED。此复合陶瓷优点是：烧结温度不是太高，热导系数大，原因是基板材料以Al₂O₃材料为基体，纳米添加相如SiC或AlN可以分布在Al₂O₃颗粒缝隙之间，形成SiC或AlN导热网络，电声子热传导除了可以通过Al₂O₃传导外，还可以通过第二相如纳米SiC网络导热，形成基质相和添加相两相并联电声子热传导机制，提高复合材料的热导率；此外，由于添加相是纳米结构，可以填补基质陶瓷颗粒之间缝隙，增强陶瓷材料的韧性，如纳米SiC添加入Al₂O₃增强机制。此外，此陶瓷如若用于LED，表面必须覆铜金属化，以便能够固晶。当前工业化通常是通过在陶瓷表面压延铜片，之后通过加热高温，使铜与陶瓷融合，称为共晶焊。也可采用溅射方法在陶瓷表面溅射覆铜，使铜原子在陶瓷表面附着力增强，制备得高性能覆铜陶瓷金属化基板。

在获得上述金属化陶瓷基板上，继续刻蚀电路，按照LED封装工艺，利用COB技术单颗粒封装LED或集成封装LED，可以制备得到低热阻高效LED颗粒或LED光源模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热阻、高性能的大功率白光LED及其制备方法。

本发明提供的大功率白光LED，采用复合陶瓷基板作为散热基板；所述基板是通过在基质陶瓷材料中添加高热导第二相陶瓷材料经烧结制备而成，具有高导热、高绝缘、成本低、韧性好，与芯片热胀系数匹配，制作电气线路简单的特点；在此基板上封装LED芯片，可以简化封装结构，缩短散热路径；所制备LED热阻小、效率高、光衰小、寿命长、成本低，适用于大功率LED照明。

本发明提供的大功率白光LED，其基本构造包括散热基板、LED芯片、金丝连线、荧光粉和硅胶，其中，散热基板采用复合陶瓷基板，该复合陶瓷基板由含有60-95%摩尔的纳米基质陶瓷和5-40%摩尔的纳米添加陶瓷经烧结制成，并在表面实施陶瓷金属化。