專利名稱：低溫共燒制陶瓷帶組合物、發(fā)光二極管模件、發(fā)光器件及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫共燒制陶瓷(LTCC)帶組合物以及所述低溫共燒制陶瓷帶在形成用于各種發(fā)光用途的發(fā)光二極管(LED)芯片載體以及各種發(fā)光器件的模件中的用途，所述發(fā)光用途包括但不限于LED背光、液晶顯示器(LCD)照明、顯示器相關(guān)的光源、汽車燈光、裝飾燈、信號和廣告燈以及信息顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
固體狀態(tài)電子器件可用共軛有機聚合物層制造。共軛聚合物基二極管，尤其是發(fā)光二極管(LED)和光線檢測二極管，特別有吸引力，因為它們可用于顯示和傳感技術(shù)。這類器件具有這樣的結(jié)構(gòu)，即包括一層電光活性共軛有機聚合物層(即電光活性共軛有機聚合物膜)，所述共軛有機聚合物的一個表面附著在電極(陰極或陽極)上，并且其相反表面負(fù)載在固體基材上。
通常，用作聚合物二極管，特別是聚合物發(fā)光二極管(PLED)中的活性層的材料包括具有光致發(fā)光性的半導(dǎo)體共軛聚合物。在某些優(yōu)選配制中，所述聚合物具有光致發(fā)光性，并且是可溶的，能從溶液加工成均勻薄膜。
這些有機聚合物基電子器件的陽極通常由較高功函的金屬構(gòu)成。該陽極用于將空穴注入半導(dǎo)體發(fā)光聚合物本來是滿帶的p能帶中。
在許多結(jié)構(gòu)中優(yōu)選使用較低功函的金屬，例如鋇或鈣，作為陰極材料。這種低功函陰極用于將電子注入半導(dǎo)體發(fā)光聚合物本來是空帶的p*能帶中。所述注入陽極的空穴和所述注入陰極的電子在活性層中發(fā)光復(fù)合，從而發(fā)射光線。
發(fā)光二極管發(fā)光通常以坎德拉表示的同軸(on-axis)發(fā)光強度來表征。強度表示從規(guī)定面積光源輻射的單位立體角的光通量。此外，光通量是光源沿所有方向發(fā)出的光的總量。出于本發(fā)明的目的，通量用來表示LED的亮度。
輻射度光線是根據(jù)輻射能和功率確定的，但不考慮輻射的視覺效果。光度光線是根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者響應(yīng)曲線、依據(jù)人的視覺響應(yīng)確定的。此外，在光子學(xué)和固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中，發(fā)光效率定義為以流明表示的光度通量和以瓦表示的輻射度通量之間的轉(zhuǎn)換效率。
可以理解發(fā)光效率與具體發(fā)光二極管光源的主要波長有關(guān)。例如，隨著主要波長由470納米遷移至560納米，銦鎵氮化物(InGaN)發(fā)光二極管的發(fā)光效率從每瓦85流明上升到每瓦600流明。另一方面，隨著主要波長由580納米遷移至640納米，鋁銦鎵磷化物(AlInGaP)的發(fā)光效率從每瓦580流明上升到每瓦800流明。出于本發(fā)明的目的，優(yōu)選是在LED峰值透射率的發(fā)光效率。
大多數(shù)現(xiàn)有LED設(shè)計成在不超過30-60毫瓦的電功率下運行。目前，已開發(fā)出能在1瓦輸入功率持續(xù)使用的市售LED。相比以前的LED，這些LED使用更大的半導(dǎo)體芯片，以處理更大的功率。為了散熱以使結(jié)溫最小并保持發(fā)光性能，這些大芯片通常安裝到熱效應(yīng)比以前的LED結(jié)構(gòu)更高的熱導(dǎo)體(例如金屬塊)上。
通常，5瓦LED可具有18-22流明/瓦的效率，10瓦LED可具有60流明/瓦的效率。這些10瓦LED發(fā)光器件可產(chǎn)生與普通50瓦白熾燈泡大致同樣多的光，并有助于將LED用于滿足常規(guī)照明要求。
盡管目前有LED器件，但是仍需要改進(jìn)LED模件，所述改進(jìn)的LED模件可提供改進(jìn)的性能，例如提高散熱品質(zhì)、改進(jìn)制造工藝和降低成本。其它優(yōu)點包括與芯片更好的TCE匹配、更小的尺寸、重量輕、環(huán)境穩(wěn)定、電路集成能力提高、光反射率提高、簡化制造(例如多層結(jié)構(gòu)的可以共燒制)、產(chǎn)率提高、加工精度更寬、機械強度更高、以及有效散熱。沒有一種現(xiàn)有的LED使用低溫共燒制陶瓷技術(shù)，或者提供與使用低溫共燒制陶瓷技術(shù)相關(guān)的好處，所述好處包括更長的器件壽命。
現(xiàn)有技術(shù)提供了HB(高亮度)LED芯片載體器件的各種設(shè)計和構(gòu)造。但是，在功能、可制造性和成本方面它們都有各種問題。在照明用途上仍需要具有等于或大于0.5瓦、優(yōu)選1瓦功率定額的功能化LED器件，包括用于LCD的HB LED模件，它們通過改進(jìn)散熱性來提高發(fā)光二極管模件的總體色彩質(zhì)量并提高模件壽命。本發(fā)明提供這種材料、方法、芯片載體和模件，以在發(fā)光技術(shù)中得到創(chuàng)新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管芯片載體和形成發(fā)光二極管芯片載體的方法，所述方法包括(a)提供兩層或多層低溫共燒制陶瓷帶層；(b)在所述帶層中形成一個或多個空穴；以及(c)在所述帶子層中提供至少兩個電通孔和至少一個熱通孔；所述低溫共燒制陶瓷帶層提供所需的電路圖案，并且所述電路圖案通過所述電通孔電氣連接，從而形成功能化芯片載體。
本發(fā)明還提供一種發(fā)光二極管和形成發(fā)光二極管的方法，所述方法包括提供兩層或多層低溫共燒制陶瓷帶層；在所述帶層中形成一個或多個空穴；在所述帶層中提供至少兩個電通孔和至少一個熱通孔；提供至少一片功能化發(fā)光二極管芯片；所述低溫共燒制陶瓷帶層提供所需的電路圖案，并且所述電路圖案通過所述電通孔電氣連接，從而形成功能化芯片載體，所述至少一片功能化發(fā)光二極管芯片安裝到所述芯片載體上。另外，本發(fā)明還涉及發(fā)光二極管模件，其中至少一個熱通孔連接到散熱片(heat sink)，所述熱通孔通過與所述散熱片相連散發(fā)所述功能化發(fā)光二極管芯片發(fā)出的熱量。
在一個優(yōu)選的實例中，所述低溫共燒制陶瓷帶是一條“白色”帶子，用于形成LED模件作為HB LED背光。
附圖簡述

圖1是帶引線接合的芯片載體設(shè)計的示意圖。
圖2是帶引線接合和焊接粘附的芯片載體設(shè)計的示意圖。
圖3是具有LED倒裝晶片粘附(flip chip attachment)的芯片載體設(shè)計的示意圖。
圖4是在芯片載體空穴處的LED布置(placement)的示意圖。
圖5是具有LED倒裝晶片粘附和熱通孔的芯片載體的示意圖。
圖6詳細(xì)描述了四片發(fā)光二極管芯片在芯片載體空穴處的位置關(guān)系。
圖7詳細(xì)描述了現(xiàn)有LCD的常規(guī)結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
本發(fā)明提供低溫共燒制陶瓷帶組合物，并說明使用所述低溫共燒制陶瓷帶形成發(fā)光二極管(LED)芯片載體和模件用于各種發(fā)光用途。本發(fā)明還提供低溫共燒制陶瓷帶和LED模件在形成發(fā)光器件中的用途，所述發(fā)光器件包括但不限于LED器件、HB LED背光、顯示器相關(guān)光源、汽車燈、裝飾燈、信號和廣告燈、以及信息顯示器照明。
本發(fā)明還涉及用于HB LED背光用途的芯片載體的材料組成和制造工藝，其中內(nèi)部具有空穴的可共燒制低溫共燒制陶瓷作為基材，用于安裝單色(白色、紅色、綠色或藍(lán)色)LED芯片或者至少三片(紅色、綠色和藍(lán)色)或至少四片(白色、紅色、綠色和藍(lán)色的組合)LED芯片的多片LED芯片。所述低溫共燒制陶瓷結(jié)構(gòu)還帶有熱通孔，所述熱通孔能通過與散熱片(一種散熱片可以是金屬芯印刷電路板的母板(MCPCB))的連接有效地散發(fā)所有功能化芯片發(fā)出的熱量?？赏ㄟ^銅焊、焊料或其它導(dǎo)熱膠實現(xiàn)與散熱片的粘結(jié)。可使用帶有各種白色陶瓷填料的未染色的白色帶組合物來提供適合HB LED芯片載體組件(package)用途的機械強度和光反射性。當(dāng)需要特定的增強色彩時，可向作為低溫共燒制陶瓷材料的所述帶組合物中加入各種無機著色顏料。一組可共燒制的銀、銅、金、銀/鉑、銀/鈀厚膜組合物可提供各種用于HB LED芯片載體組件用途的功能，所述功能包括但不限于芯片電路連接、通孔填充連接、熱通孔和光反射性。
雖然參照HB LED應(yīng)用來描述本發(fā)明，但是應(yīng)理解各種實例可用于許多照明用途。本發(fā)明還提供新的照明器件，所述照明器件包括(1)薄和輕的信息顯示器，例如機場、火車站和其它場所的公共信息標(biāo)志；(2)狀態(tài)指示器，例如專業(yè)儀器以及消費者音頻/視頻設(shè)備的開/關(guān)燈(3)TV、DVD和VCR用遠(yuǎn)程控制中的紅外LED；(4)交通信號中的燈束，以代替裝在有色玻璃后的普通燈泡；(5)汽車指示照明；(6)自行車燈；(7)計算器和測量儀器顯示器；(8)在必須具有夜視功能的環(huán)境(例如飛機座艙、潛艇和船橋、天文觀察臺、以及例如夜晚動物觀察領(lǐng)域和軍事用途)中的指示器和字母數(shù)字顯示器用的紅色或黃色LED；(9)在照相暗室中提供照明的黃色或紅色LED，它不會造成膠卷曝光；(10)照明，例如閃光燈或手電筒；(11)應(yīng)急照明和電子閃光(strobe)或信號照明或電子閃光；(12)機械和光學(xué)計算機鼠標(biāo)以及跟蹤球用的移動傳感器；(13)高端LED打印機；以及(14)通用家用照明。
盡管上述用途中的一些可由瓦數(shù)更小、亮度更低的LED驅(qū)動，但是本發(fā)明提供的方法可使用更少LED發(fā)光模件而得到具有相等或更好發(fā)光性能，還可簡化制造工藝，降低成本。
出于本發(fā)明的目的，將HB LED組件定義為發(fā)光效率大于或等于15流明/瓦，并且這些LED的功率定額通常等于或大于0.5瓦、較好等于或大于1瓦。
本發(fā)明公開成本適宜的簡單的制造工藝來提供用于單色(白色、紅色、綠色或藍(lán)色)LED芯片或者至少三片(白色、紅色、綠色和藍(lán)色)LED芯片的多片芯片單塊玻璃-陶瓷芯片載體，所述LED芯片具有內(nèi)部電路驅(qū)動器或者連接外部驅(qū)動器，同時所述單塊玻璃-陶瓷芯片載體具有散熱用的通孔。
注意到LED芯片和相關(guān)光學(xué)材料的一些特定組合要求單一芯片組或模件提供白光。出于本發(fā)明的目的并且在說明書全文和權(quán)利要求書中，術(shù)語“白色LED芯片”用來表示各種特定LED芯片和光學(xué)材料的組合，只要它們能產(chǎn)生白光即可。例如，目前生產(chǎn)的大部分白色LED使用覆蓋有通常由鈰摻雜的釔鋁石榴石(YAG:Ce)晶體制成的淺黃色磷光涂料的450-470納米的藍(lán)色氮化鎵(GaN)LED。YAG:Ce的單晶形式被認(rèn)為是閃爍體而不是磷光劑。由于黃光刺激人眼的紅色和綠色受體，所以得到的藍(lán)光和黃光混合體表現(xiàn)出白色。白色LED也可通過涂覆近紫外發(fā)射的LED制得，使用的涂料是高效銪基的發(fā)射紅光和藍(lán)光的磷光劑加上發(fā)綠光的摻雜銅和鋁的硫化鋅(ZnS:Cu，Al)的混合物。制造白光LED的另一種方法不使用磷光劑，它基于在ZnSe基材上均相外延生長的硒化鋅(ZnSe)，它同時從其活性區(qū)發(fā)出藍(lán)光以及從基材發(fā)出黃光。盡管白光通常用作LCD(液晶顯示器)背光，不管所述光是來自前述單一芯片組還是來自紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED的組合，但是如本文將進(jìn)一步描述的那樣，本發(fā)明低溫共燒制陶瓷芯片載體組件也可提供各種有色光，并通過但不限于使用各種類型的無機顏料和有效散熱來提高其色彩和耐用性。
在本發(fā)明中，引導(dǎo)散熱的熱通孔銅焊到至少一片散熱片上，從而形成單一結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體可提供HB LED組件器件所需的功能。此外，本發(fā)明提供一組可共燒制的銀和銅厚膜組合物，它可提供各種用于HB LED組件用途的功能，所述功能包括但不限于電路連接、通孔填充連接、熱通孔和光反射。
圖1A-1F是帶引線接合的芯片載體設(shè)計的示意圖，它具有下述細(xì)節(jié)圖1A帶引線接合的芯片載體的截面圖。圖示的所述低溫供燒結(jié)陶瓷芯片載體具有一個空穴，該空穴的四周被頂層(top tier)低溫供燒結(jié)陶瓷介電層111圍繞。一片LED芯片安裝在空穴的中央，空穴的熱通孔106位于第二層低溫供燒結(jié)陶瓷介電層108中?？晒矡频膶?dǎo)體形成終端103(頂層)、110(第二層)、母板109上的外終端105和散熱器(heat spreader)114。所述芯片通過引線接合113連接到所述第二層終端上，并通過引線接合104連接到所述外終端上。終端110通過通孔112連接到終端103上。所述芯片包埋在環(huán)氧樹脂或其它有機材料102中。為了進(jìn)一步散熱，提供了散熱片107，并可使用各種方法將散熱片連接到電路板的背面(opposite side)。圖1B描述了終端103，它用作引線接合的墊子。圖1C描述了多層低溫共燒制陶瓷介電層111的頂層中的空穴115，其中導(dǎo)電通孔表示為112。圖1D描述了空穴底部的導(dǎo)體布局，其左側(cè)和右側(cè)的導(dǎo)體圖形110作為陰極或陽極與芯片相連，而導(dǎo)體圖形116作為接合墊用于芯片并使之與熱通孔相連。圖1E描述了多層低溫共燒制陶瓷介電層108的第二層，它帶有典型排列的熱通孔106。圖1F描述了熱通孔底部的散熱器117。
圖2A到2E是帶引線接合和焊料粘附的芯片載體的示意圖，其細(xì)節(jié)如下圖2A是帶引線接合和焊接的芯片載體的截面圖。芯片安裝在多層低溫共燒制陶瓷介電層的第二層213上，使用引線接合203將芯片連接到電極205(包括陰極和陽極)上，所述電極205通過導(dǎo)電通孔206和焊料207連接到沉積在母板209上的外部電路208上。此外，芯片下面的熱通孔212連接到散熱器211上，所述散熱器銅焊到母板209上。應(yīng)理解銅焊接合210可由焊料接合或?qū)щ娬澈蟿┙雍洗?。圖2B描述了多層低溫共燒制陶瓷介電層204中帶空穴214的頂層。圖2C描述了左側(cè)和右側(cè)的陰極205A和陽極205B，而導(dǎo)體圖形215提供了用于芯片接合墊并使之與熱通孔相連。圖2D描述了多層低溫共燒制陶瓷介電層213的具有典型排列的熱通孔212的第二層。圖中給出了兩個導(dǎo)電通孔206表示電連接路徑。圖2E描述了熱通孔212底部的散熱器211，所述熱通孔具有焊接到母板外部電路208上的通路固定襯墊(via capture pad)216。
圖3A到3D是具有LED倒裝晶片粘附的芯片載體設(shè)計的示意圖，其包括如下細(xì)節(jié)圖3A是芯片載體的截面圖，其帶有LED倒裝晶片301的接合?？昭ㄐ纬稍诙鄬拥蜏毓矡铺沾山殡妼?07的頂層中，電極圖形位于空穴表面上或位于多層低溫共燒制陶瓷介電層的頂層307和第二層304之間。其它電極圖形位于第二層的底面上，其中電極305通過齒形通孔(castellation via)309連接到電極303。圖3B描述了具有方形空穴308的多層低溫共燒制陶瓷介電層的頂層307。圖3C描述了表示陽極和陰極或陰極和陽極的電極圖形310和311。其連接由導(dǎo)電路徑303和齒形通孔309形成。芯片安裝的位置用虛線描述。圖3D描述了圖3C的背面，其中四個導(dǎo)電圖形305與齒形通孔309相連接。此外，散熱器306的圖形位于中央。
圖4是芯片載體空穴處的LED布置示意圖，其中三片LED芯片(紅(R)109、綠(G)106和藍(lán)(B)104)放在散熱器襯墊107上，并與共同(common)陰極105相連。R芯片、G芯片和B芯片再分別與陽極111、陽極112和陽極114相連。在該表面上的各個連接導(dǎo)體圖形110、113和102再通過齒形通孔101與其它位置(包括不同的低溫共燒制陶瓷帶層)上的電路相連。
圖5A到5D是具有倒裝晶片接合和熱通孔的芯片載體的示意圖，其細(xì)節(jié)如下圖5A是芯片載體的截面圖，其中倒裝晶片501如圖5B所示與陰極503和陽極511相接合。空穴位于多層低溫共燒制陶瓷介電層502的頂層中。由下述裝置提供散熱(1)多層低溫共燒制陶瓷介電層509的第二層中的熱通孔504；(2)散熱器505；(3)多層低溫共燒制陶瓷介電層508的第三層中的熱通孔506；以及(4)散熱器507。圖5B描述了多層低溫共燒制陶瓷介電層的第二層509，其中較大面積的導(dǎo)電圖形表示具有一組熱通孔504陣列的陰極503。陽極511通過齒形通孔510連接外部電路。所述芯片安裝的位置用509中央?yún)^(qū)域的虛線表示。圖5C描述了具有散熱器505的多層低溫共燒制陶瓷介電層508的第三層。它還帶有熱通孔506的陣列以散熱。還使用齒形通孔512將陽極連接到外部電路上。圖5D描述了陶瓷介電層508的底面，其中央散熱器507通過銅焊將熱通孔連接到散熱片上，其導(dǎo)電襯墊513用來形成通向母板的連接。
圖6描述了四片LED芯片在芯片載體的空穴表面606上的布置。更具體地說，兩片綠色(G)603和609、一片紅色(R)610以及一片藍(lán)色(B)604LED芯片放在六角形導(dǎo)體布局的內(nèi)部。兩片G芯片連接到共同的陽極602和陰極608上。R芯片連接到陽極601和陰極611上。B芯片連接到陽極605和陰極607上。由虛線612描述的圓形區(qū)域表示安裝LED芯片的空穴位置。
為了說明本發(fā)明在改進(jìn)LCD背光單元中的用途，本文描述了LCD的結(jié)構(gòu)。圖7給出了典型的LCD層疊物示意圖，它包括六種主要部件。這些主要部件以及它們相應(yīng)的元件，按照LCD觀察側(cè)的排列，依次為(1)前起偏器層疊物701，它包括抗反射或防眩薄膜、觀察角薄膜以及前起偏器；(2)彩色濾光片702，它包括前玻璃、黑色基質(zhì)/彩色濾光片、共同電極和準(zhǔn)直層；(3)液晶層703；(4)TFT，薄膜晶體管陣列704，它包括準(zhǔn)直層、顯示電極和后玻璃；(5)后起偏器層疊物705，它包括后起偏器和DBEF、雙亮度增強薄膜的循環(huán)起偏器(recirculating polarizer)；以及(6)背光單元706。背光單元706如圖7B所示還包括前散射體707、至少一層BEF的棱鏡片、亮度增強薄膜708、后散射體709和燈以及光導(dǎo)710。黑色反射體通常位于710中，以提高所述燈的亮度。
本發(fā)明使用由低溫共燒制陶瓷芯片載體制成的LED發(fā)光模件代替所述燈得到了良好的效果，其中至少安裝了一片HB LED，并且其電路集成和散熱分別由厚膜導(dǎo)體、電通孔和熱通孔材料提供。這提供了如下好處穩(wěn)定以及改進(jìn)的發(fā)光性能、簡化制造背光單元的工藝、LCD使用壽命中的發(fā)光性能可靠并且成本降低。
盡管上面描述構(gòu)成了LED發(fā)光模件在LCD背光應(yīng)用中的一個實例，但是可理解所述應(yīng)用并不限于LCD。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明可容易使用白色或有色LED光線。應(yīng)理解本發(fā)明的LED模件可包括紅色、綠色、藍(lán)色、白色、黃色或其它顏色，這取決于具體用途。各種例子如下。
兩組材料和技術(shù)(低溫共燒制陶瓷玻璃-陶瓷介電帶組合物和厚膜導(dǎo)體組合物)對實現(xiàn)本發(fā)明是關(guān)鍵的。因此，下面兩個部分用來詳細(xì)描述本發(fā)明的低溫共燒制陶瓷介電帶組合物和厚膜導(dǎo)體組合物。
低溫共燒制陶瓷玻璃-陶瓷介電帶組合物本發(fā)明帶組合物包括玻璃、陶瓷填料、以及在一個優(yōu)選實例中的無機顏料。在一個實例中，所述帶組合物包括至少一種玻璃料、至少一種白色耐火無機氧化物、和/或其它無機顏料(它增強白色和/或反射)。應(yīng)理解，如果有利的話，以無機物質(zhì)總重量計，可使用0-10重量％的多種無機有色顏料，以提供特定的色彩，例如紅色、綠色或藍(lán)色，以便通過LED芯片載體來顯示彩色增強。
根據(jù)優(yōu)選的顏色，無機顏料的重量％可發(fā)生變化。例如，以無機材料總重量計，0.5重量％的鋁酸鈷可加入到含有氧化鋁耐火填料的玻璃-陶瓷中，以提供藍(lán)色的燒結(jié)陶瓷體。但是，必須使用1.5-2.5％的黑色顏料，亞鉻酸銅尖晶石(ShepherdColor’20C980)，來呈現(xiàn)足夠黑的顏色。出于本發(fā)明的目的，對于幾乎所有的顏色(黑色除外)，低溫共燒制陶瓷芯片載體的預(yù)定顏色通常均可由在陶瓷漿料組合物中加入0.1-10.0重量％相應(yīng)顏料而獲得，所述陶瓷漿料組合物包括玻璃料和耐火填料，例如氧化鋁；較好加入0.5-1.0％所述第一個實例中給定的無機顏料。更高重量百分含量的顏料通常提供更深的顏色，但是最佳的顏料重量百分含量取決于所選玻璃料本身的性質(zhì)，因為在致密或燒結(jié)過程中它應(yīng)提供適當(dāng)?shù)能浕秃线m的流動性。此外，最優(yōu)組成(包括給定無機顏料的重量百分含量)取決于給定無機顏料表面上的給定熔融玻璃料的潤濕能力、形成晶相的能力、無機組分的粒徑和表面活性以及其它因素。為了得到更深的顏色，漿料組合物的第二實例需要更高重量百分含量的給定無機顏料，例如1-10重量％，較好1-4重量％。在優(yōu)化陶瓷漿料組合物時考慮的另一個關(guān)鍵性質(zhì)是所得的燒制或燒結(jié)的低溫共燒制陶瓷體的機械強度，其中彎曲強度是關(guān)鍵的強度參數(shù)。由于對于強度有要求，因此可在給定的低溫共燒制陶瓷漿料組合物中使用一種或多種無機顏料，以提供一組平衡的性能，所述性能不僅限于光學(xué)性能(反光性、預(yù)定顏色)、機械性能(彎曲強度)、化學(xué)性能(耐環(huán)境腐蝕)以及熱性能(導(dǎo)熱能力)。例如，用于提供LED發(fā)光模件的白色低溫共燒制陶瓷芯片載體需要具有合適的強度和白色反光性。二氧化鈦(特別是四方晶格的金紅石)的折射率為2.9，它是能提供所需光學(xué)性能的最佳候選者之一。但是，二氧化鈦的彎曲強度約為140Mpa，因此，不得不用約50％氧化鋁(取代氧化鈦的體積％)來使所述燒結(jié)體保持足夠的強度。至少150Mpa的彎曲強度是優(yōu)選的。由于剩余玻璃相和與晶相、粒徑和晶界相關(guān)的微結(jié)構(gòu)均是影響燒結(jié)體最終強度的因素，因此低溫共燒制陶瓷漿料組合物必須仔細(xì)調(diào)節(jié)以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。此外，第二無機白色顏料(例如二氧化鋯)也可加入到漿料組合物中。盡管二氧化鋯的折射率(2.16)低于二氧化鈦的折射率(金紅石為2.9，銳鈦礦形式為2.49)，但是其提高機械強度的能力具有明顯的優(yōu)勢。例如，各種類型的改性二氧化鋯或加入二氧化鋯的氧化鋁相比常規(guī)氧化鋁(280Mpa)具有更好的彎曲強度(見括號)。這些化合物包括但不限于氧化釔(Y2O3)摻雜的四方晶格氧化鋯多晶(γ-TZP，1000Mpa)、氧化鈰(CeO2)摻雜的四方晶格氧化鋯多晶(c-TZP，350Mpa)、氧化鋯增韌的氧化鋁(ZTA，500Mpa)、氧化鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯(Mg-PSZ，800Mpa)等等。
市售高溫穩(wěn)定無機顏料包括但不限于氧化鐵(紅色)(例如購自ElementisPigments的Kroma Reds)、亞鉻酸鈷綠色尖晶石(綠色)(例如Shepherdcolor’sGreen 410)、亞鉻酸鈷藍(lán)綠色尖晶石(綠色)(例如Shepherdcolor’s Green201)、鈦酸鈷綠色尖晶石(綠色)(例如Shepherdcolor’s Green 10G663)、鋁酸鉻(綠色)(例如Ferro’s CK14002)、鉻鈷鋅(綠色)(例如Ferro’sCK14028)、鋁酸鈷藍(lán)色尖晶石(藍(lán)色)(例如Shepherdcolor’s Blue 10K525)、亞鉻酸鈷藍(lán)綠色尖晶石(藍(lán)色)(例如Shepherdcolor’s Blue 10K579)、亞鉻酸鈷鋁(藍(lán)色)(例如Ferro’s CK15069)、鈷鋁鋅(藍(lán)色)(例如Ferro’sCK15063)、鈷硅(藍(lán)色)(例如Ferro’s CK220946)、鉻銻氧化鈦淺黃色金紅石(黃色)(例如Shepherdcolor’s Yellow 196、鎳銻鈦黃色金紅石(黃色)(例如Shepherdcolor’s Yellow 109110)等。其它顏料包括但不限于MasonColor’s 6410 Canary(黃色)、6450 Prasedymium(黃色)、6204 Victoria Gree(綠色)、6224 Dark Green(綠色)、6263 Victoria(綠色)、6264 Victoria(綠色)、6306 Vivid Blue(藍(lán)色)、6350 Bright Blue(藍(lán)色)、6360 Willow(藍(lán)色)、6389 Sapphire Blue(藍(lán)色)、6003 Crimson(紅色)、6004 Crimson(紅色)、6090 Coral(紅色)、以及6069 Dark Coral(紅色)等等。
使用低溫共燒制陶瓷組合物的優(yōu)點包括但不限于(1)在例如最高達(dá)850-900℃的溫度具有與高導(dǎo)電材料(例如銀、銅、金和其它合金如銀/鉑或銀/鈀)的共燒制性；(2)形成空穴結(jié)構(gòu)，以提供LED芯片安裝的平臺以及會聚發(fā)出的光線，安裝的芯片包括單片芯片或顯示各種顏色的多片芯片；(3)低溫共燒制陶瓷材料與LED芯片的TCE更相容的匹配；(4)可選擇能提供適合芯片載體用途的機械強度的玻璃和耐火無機氧化物，進(jìn)而通過焊接、引線接合以及其它電氣和機械附著方法提供模件以及組件集合；(5)適合多層電路布局，以與至少一個LED驅(qū)動器(但不限于至少一個LED驅(qū)動器)集成；(6)適合為絕緣介電材料中的電路連接提供電通路；(7)適合提供導(dǎo)熱通孔，所述導(dǎo)熱通孔可與，相比常規(guī)有機印刷電路板基材，具有更佳導(dǎo)熱性的介電材料共燒制；以及(8)適合通過銅焊與至少一片散熱片連接。
本文所述的玻璃是通過常規(guī)玻璃制造技術(shù)制得的。所述玻璃制成500-1000克質(zhì)量。通常，稱重組分，然后以所需比例混合，在底部負(fù)載爐中加熱以在鉑合金坩堝中形成熔體。加熱時加熱到峰值溫度(1300-1600℃)(取決于玻璃的組成)，并保溫一段時間，使得所述熔體完全變成液體且均勻。使用逆向旋轉(zhuǎn)不銹鋼輥淬火所述玻璃熔體，形成10-20密爾厚的玻璃板?；蛘?，可將所述玻璃熔體直接排入水浴中進(jìn)行淬火。對于可結(jié)晶的玻璃，確保足夠高的熔體溫度以得到均勻熔體，以及足夠的冷卻以防止形成前晶體(precrystal)是關(guān)鍵的。或許需要用水沖洗以更有效地淬火所述玻璃熔體。然后，研磨得到的玻璃板，以形成50％體積分布設(shè)定在1-5微米的粉末。然后，所述玻璃粉末與填料和有機介質(zhì)配制成流延帶(cast tape)，其細(xì)節(jié)見實施例部分。表1所示玻璃組合物顯示出不同的玻璃化學(xué)性能(高含量的玻璃前體到低含量的玻璃前體)。玻璃前體氧化物通常是具有高化學(xué)配位數(shù)的小尺寸離子，例如SiO2、B2O3和P2O5。表中所示的其它氧化物是玻璃改性劑和中間體。
用于表征合適的候選氧化物的兩個標(biāo)準(zhǔn)是高折射率和機械強度。折射率的范圍優(yōu)選是1.5-3.5。這些氧化物包括但不限于下列根據(jù)括號中的折射率以遞減次序排列的一組材料二氧化鈦(2.64)、硫化鋅(2.37)、氟銻酸鈣(2.20)、氧化鋯(2.16)、砷酸鉛(2.14)、三氧化銻(2.09)、氧化錫(2.04)、硅酸鋯(2.00)、鋅尖晶石(1.90)以及氧化鋁(1.62)。其中，Al2O3是優(yōu)選的陶瓷填料，因為它與玻璃反應(yīng)形成含鋁的晶相。Al2O3在提供高機械強度方面非常有效且對有害化學(xué)反應(yīng)呈惰性。例如，Al2O3或TiO2的彎曲強度分別是345或140Mpa。因此，選擇氧化鋁作為優(yōu)選填料，它可用作唯一的耐火陶瓷氧化物或者與至少一種上述氧化物一起提供顏色和/或反光性，同時使芯片載體組件保持合適的機械強度。
上述填料或其混合物可加入到可流延的組合物中用于形成帶，其加入量為0-50重量％(以固體的重量計)。其它材料(例如硅酸鋯和鈦酸鋇)也是合適的陶瓷填料候選者。根據(jù)填料的類型，可預(yù)期在燒制后會形成不同的晶相。填料可控制介電常數(shù)和頻率范圍內(nèi)的損耗。例如，加入BaTiO3可明顯提高介電常數(shù)。寬范圍的低溫共燒制陶瓷組合物是適用的。
陶瓷填料的另一個作用是在燒制過程中控制整個體系的流變學(xué)特性。陶瓷顆粒作為物理障礙限制了玻璃的流動。它們還抑制玻璃的燒結(jié)，從而有助于更好地?zé)粲袡C物。也可使用其它填料，例如α-石英、CaZrO3、高鋁紅柱石、堇青石、鎂橄欖石、鋯石、氧化鋯、BaTiO3、CaTiO3、MgTiO3、SiO2、無定形二氧化硅或其混合物，以改進(jìn)所述帶的性能和特性。填料較好至少具有雙模粒徑分布，其中較大粒徑填料的D50為1.5-3微米，較小粒徑填料的D50為0.3-0.8微米。
在制造帶組合物的過程中，玻璃相對于陶瓷材料的量是重要的。據(jù)認(rèn)為填料的用量范圍需要在30-60重量％的范圍內(nèi)，這樣就能得到充分致密。如果填料濃度超過50重量％，燒制的結(jié)構(gòu)體就不能充分致密，并可能孔隙度太高，從而是機械脆弱的。在所需的玻璃/填料比范圍內(nèi)，在燒制過程中，液體玻璃相明顯被填料所飽和。
為了在燒制后獲得致密程度更高的組合物，無機固體具有小粒徑是重要的。具體地，基本上所有顆粒的粒徑不應(yīng)超過15微米，較好不超過10微米。在滿足所述最大粒徑限制的前提下，較好至少50％的顆粒(同時對于玻璃和陶瓷填料)的粒徑大于1微米且小于6微米。
用于分散玻璃和陶瓷無機固體的有機介質(zhì)包括溶解在揮發(fā)性有機溶劑中的聚合物粘合劑以及任選的其它溶解材料，例如增塑劑、脫模劑、分散劑、剝色劑、消泡劑、穩(wěn)定劑和潤濕劑。
為了得到更好的粘性效率，以所述組合物的總重量計，90重量％的固體(包括玻璃和陶瓷填料)較好使用至少5重量％的聚合物粘合劑。但是，更好使用不超過30重量％的聚合物粘合劑和其它低揮發(fā)性改性劑如增塑劑以及至少70％的無機固體。在上述范圍內(nèi)，要求使用盡可能少的聚合物粘合劑以及其它低揮發(fā)性有機改性劑，以降低必須通過高溫分解除去的有機物的量，以及得到更好的顆粒堆砌密度從而有助于在燒制時充分致密。
各種聚合物材料可用作坯料帶的粘合劑，例如聚乙烯醇丁縮醛、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、纖維素聚合物(例如甲基纖維素、以及纖維素、羥乙基纖維素、甲基羥乙基纖維素)、無規(guī)立構(gòu)聚丙烯、聚乙烯、硅聚合物(例如聚甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷)、聚苯乙烯、丁二烯/苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚酰胺、高分子量聚醚、環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的共聚物、聚丙烯酰胺、以及各種丙烯酸聚合物(例如聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸低級烷基酯、聚甲基丙烯酸低級烷基酯以及丙烯酸低級烷基酯和甲基丙烯酸低級烷基酯的各種共聚物和摻混聚合物(multipolymer)。目前已經(jīng)使用甲基丙烯酸乙酯和丙烯酸甲酯的共聚物以及丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸的三元共聚物作為滑移流延(slip casting)材料用的粘合劑。
于1985年8月20日授予Usala的美國專利4,536,535(其全文以插入的方式加入本文中)已經(jīng)公開了一種有機粘合劑，它是0-100重量％甲基丙烯酸C1-8烷基酯、100-0重量％丙烯酸C1-8烷基酯和0-5重量％烯式不飽和羧酸胺的相容摻混聚合物的混合物。因為上述聚合物可以最小的量與最大量的介電固體一起使用，所以它們是制造本發(fā)明介電組合物的較好選擇。
通常，以所述粘合劑聚合物計，所述聚合物粘合劑也包含少量的增塑劑，用來降低所述粘合劑聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。所述增塑劑的選擇由需要改性的聚合物所決定。已經(jīng)用于各種粘合劑體系中的增塑劑有鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸丁基芐基酯、磷酸烷基酯、聚亞烷基二醇、甘油、聚環(huán)氧乙烷、羥乙基化的烷基苯酚、二硫代酸二烷基酯、聚丙二醇二苯甲酸酯以及聚異丁烯。其中，鄰苯二甲酸丁基芐基酯最常用于丙烯酸聚合物體系中，因為它可以較小濃度有效地使用。所述增塑劑用來防止帶破裂并提供更寬范圍的涂覆帶操控性，例如沖切、印刷和層壓。優(yōu)選的增塑劑是BENZOFLEX400，由Rohm and Haas Co.，生產(chǎn)，它是聚丙二醇二苯甲酸酯。
選擇流延(casting)溶液的溶劑組分，以完全溶解聚合物，并得到足夠高的揮發(fā)性，從而能夠在大氣壓下施加較低的熱量就可從分散體中揮發(fā)溶劑。另外，所述溶劑必須在低于所述有機介質(zhì)所含其它添加劑的沸點或分解溫度的溫度下充分沸騰。因此，最常使用大氣壓下沸點低于150℃的溶劑。這些溶劑包括丙酮、二甲苯、甲醇、乙醇、異丙醇、甲基乙基酮、乙酸乙酯、1，1，1-三氯乙烷、四氯乙烯、乙酸戊酯、2，2，4三乙基戊二醇-1，3-單異丁酸酯、甲苯、二氯甲烷和碳氟化合物。上述單種溶劑可能不完全溶解所述粘合劑聚合物。因此，當(dāng)與其它溶劑混合時，它們能達(dá)到令人滿意的效果。特別優(yōu)選的溶劑是乙酸乙酯，因為它可避免使用環(huán)境有害的碳氯化合物。
應(yīng)用本發(fā)明的坯料帶如下形成將上述玻璃、陶瓷填料、聚合物粘合劑和一種或多種溶劑的漿料分散體的薄層流延到撓性基材上，加熱所述流延層以除去揮發(fā)性溶劑。對于坯料帶的厚度沒有限制，只要在所述坯料帶的涂覆過程中能夠充分干燥揮發(fā)性有機溶劑或水(在水基有機粘合劑體系的情況下)即可。較好的厚度范圍為5-30密爾，所述下限用于保證提供足夠的坯料強度以容易操控，而所述上限用于保證在坯料帶流延過程中充分干燥所述溶劑。此外，可以理解使用較厚的帶可使所述加工步驟最少，而使用較薄的帶可在芯片載體的空間限制中得到更高的電路集成度。還可理解可通過調(diào)節(jié)滑移流延材料(slip)的固體含量和粘度來將低溫共燒制陶瓷帶涂覆成不同的“坯料”厚度，當(dāng)坯料帶厚度超過15密爾時需要特別注意保證適當(dāng)干燥揮發(fā)性溶劑。然后，將所述坯料帶沖壓成片材或以卷形收集。所述坯料帶通常用作多層電路的介電或絕緣材料。
根據(jù)限定的層壓物構(gòu)造，在所選的尺寸為3”×3”-6”×6”或更大的坯料帶中沖壓邊角套準(zhǔn)孔(corner registration hole)。這些坯料帶片材通常用作多層電路的介電或絕緣材料。為了連接多層電路的各層，在所述坯料帶中形成通孔。這通常由機械沖孔完成。但是，銳聚焦激光也可用來揮發(fā)所述坯料帶中的有機物質(zhì)，并在坯料帶中形成通孔。電路連接用的常規(guī)通孔尺寸為0.004”-0.25”，散熱用的通孔尺寸通常為0.010-0.050”，其中圓形通孔是常用的?？梢岳斫飧鶕?jù)芯片載體結(jié)構(gòu)和尺寸的較好設(shè)計，本發(fā)明也擴展到非圓形的通孔。通過用厚膜導(dǎo)電組合物填充所述通孔來形成所述層間互連。該導(dǎo)電組合物通常通過絲網(wǎng)印刷、模板印刷或球膽填充(bladder filling)施加。電路的各層通過絲網(wǎng)印刷導(dǎo)體路徑來完成。而且，當(dāng)需要其它電功能或集成時，電阻組合物或高介電常數(shù)組合物可印刷在所選的層上，以形成電阻或電容電路元件。此外，類似與多層電容器工業(yè)中所用的特別配制的高介電常數(shù)坯料帶可添加為多層電路的一部分。完成每層電路后，對齊各層并層壓。使用承壓單軸或等壓模頭來保證層間的精確對準(zhǔn)。在程控加熱循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)厚膜輸送帶爐或箱式爐中進(jìn)行燒制。該方法也使頂部或底部導(dǎo)體共燒制為低溫共燒制陶瓷結(jié)構(gòu)的一部分。然后，根據(jù)芯片載體規(guī)范評價所述部件的結(jié)構(gòu)完整度以及燒制尺寸。
在本文中，術(shù)語“燒制”表示在氧化氣氛(例如空氣)中加熱配件至這樣的溫度和時間，即足以高溫分解(燒蝕)配件的層中所有有機材料，從而燒結(jié)層中的玻璃、金屬或介電材料，使整個層壓物致密化。當(dāng)使用銅基導(dǎo)體時，優(yōu)化所述燒制爐的燒制氣氛，以適合有機物燒蝕以及導(dǎo)體和帶的燒結(jié)。前者需要氧化性氣氛(例如空氣或氧摻雜的氮氣)，后者通常在低氧氣含量(例如100ppm或以下)的氮氣中進(jìn)行。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在層壓步驟的每一步中，所述各層必須精確套準(zhǔn)，從而使所述通孔能夠正確連接到相鄰功能層的適當(dāng)導(dǎo)電路徑。
術(shù)語“功能層”指經(jīng)印刷的坯料帶，它具有導(dǎo)電、電阻或電容功能。因此，如上所述，常規(guī)坯料帶層上可印刷有一個或多個電阻電路和/或電容器，以及導(dǎo)電電路。
厚膜導(dǎo)體組合物以厚膜組合物的總重量百分?jǐn)?shù)計，用于低溫共燒制陶瓷電路中的常規(guī)厚膜組合物包括(a)60-90重量％的細(xì)分顆粒，所述細(xì)分顆粒選自貴金屬、貴金屬合金及其混合物；(b)一種或多種無機粘合劑，所述無機粘合劑選自(1)0.2-20重量％一種或多種耐火玻璃組合物，(2)0.1-5重量％的其它無機粘合劑，所述其它無機粘合劑選自(i)Zn、Mg、Co、Al、Zr、Mn、Ni、Cu、Ta、W、La的金屬氧化物和其它“玻璃網(wǎng)狀-改性”耐火金屬氧化物，(ii)金屬氧化物的前體；(iii)非氧化硼化物；(iv)非氧化硅化物；以及(v)及其混合物，以及(3)上述(1)和(2)的混合物；組分(a)和(b)分散在(c)10-30重量％有機介質(zhì)中。
常規(guī)多層低溫共燒制陶瓷電路基材是用導(dǎo)電元件制造的，所述導(dǎo)電元件包括非導(dǎo)電低溫共燒制陶瓷基材，該基材上固定有導(dǎo)電圖形和連接或非連接的帶填充通孔的導(dǎo)電圖形，所述導(dǎo)電圖形如下形成印刷上述可絲網(wǎng)印刷和/或可模板施加的漿料的圖案，并燒制所述印刷的和/或?qū)訅旱牡蜏毓矡铺沾?，以揮發(fā)有機介質(zhì)并液相燒制無機材料以及金屬化。此外，制造多層低溫共燒制陶瓷電路基材涉及一種單獨制造導(dǎo)體的方法和/或涉及一種組合形成導(dǎo)體和填充通孔的方法，所述方法包括將上述可絲網(wǎng)印刷漿料的帶有圖形的厚膜施加到非導(dǎo)電陶瓷基材上，(b)在低于200℃、更好150℃或更低的溫度干燥薄膜，以及(c)燒制干燥的薄膜，以液相燒結(jié)所述無機材料以及金屬化。對于銅基導(dǎo)體組合物，在完全燒蝕有機物(通常在約450℃或更低的溫度下完成)后，必須在例如摻雜或未摻雜氧的氮氣或其它還原性氣氛中對低溫共燒制陶瓷進(jìn)行金屬化共燒制。常規(guī)導(dǎo)體組合物的組分如下述。盡管本文給出了厚膜導(dǎo)體組合物的具體實例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，根據(jù)用途和所需的性質(zhì)，許多厚膜導(dǎo)體可用于本發(fā)明。適用于本發(fā)明的幾種銀基內(nèi)導(dǎo)體組合物包括購自美國杜邦公司產(chǎn)品號6142d、6145、6148、6154、6742的產(chǎn)品。一些有用通孔組合物包括購自美國杜邦公司的產(chǎn)品號6141和6151的產(chǎn)品。
A.導(dǎo)電材料用于本發(fā)明的細(xì)分金屬可選自貴金屬、貴金屬合金及其混合物，其中許多是市售的。此外，上述金屬粉末的粒徑和形態(tài)應(yīng)適合絲網(wǎng)印刷和/或模板印刷在厚度為2-20密爾、較好2-10密爾的未燒制陶瓷帶上，適合復(fù)合物的層壓條件以及適合燒制條件。
因此，金屬粉末應(yīng)不大于10微米，較好應(yīng)小于約5微米。在實踐中，對于銀或銅而言，適用的金屬粒徑為0.1-10微米，這取決于具體的用途。
金屬粉末可具有薄片或非薄片形態(tài)。所述非薄片粉末可具有不規(guī)則形狀或球形。所述薄片銀的平均表面積約1m2/g，且固體含量約為99-100重量％。非薄片銀粉末的平均表面積/重量比通常為0.1-2.0m2/g，且固體含量約為99-100重量％。
在本發(fā)明的一個實例中，使用球形金屬粉末。相比薄片和其它形狀粉末，這些球形金屬粉末堆砌時具有更良好的顆粒-顆粒接觸，結(jié)果造成金屬與金屬相接觸，當(dāng)與本發(fā)明的其它組分混合時，產(chǎn)生電子相對連續(xù)的流動引起導(dǎo)電。這些緊密堆砌的金屬球形顆粒形成了“四面體”和/或“八面體”空穴，在所述空穴中會沉積本發(fā)明具體的無機粘合劑(例如具有較小粒徑的下述金屬氧化物和/或玻璃)，經(jīng)加工處理，所述無機粘合劑會發(fā)生軟化，將結(jié)構(gòu)體維持成具有優(yōu)良金屬-金屬接觸的均勻蜂窩型結(jié)構(gòu)，并且相比現(xiàn)有組合物具有更連續(xù)的電子流動性。在一個實例中，較佳的是平均粒徑分布為1-4微米的球形金屬顆粒。在另一個實例中，平均粒徑較好是2-3微米。通過使用平均粒徑明顯不同的兩種顆粒的混合物，或者具有雙模粒徑分布的金屬顆粒，可得到更高的堆砌密度，以進(jìn)行有效燒結(jié)而無明顯的體積收縮。此外，可得到更光滑的燒制金屬化表面，從而提供更高的LED顯示器的反射性。
B.無機玻璃粘合劑本發(fā)明的無機粘合劑是選自如下組分的一種或多種無機粘合劑(1)占所述漿料組合物0.2-20重量％的一種或多種耐火玻璃組合物，其在所述電路的燒制溫度的對數(shù)粘度為6-7.6，(2)0.1-5重量％的其它無機粘合劑，所述其它無機粘合劑選自(i)金屬氧化物，(ii)金屬氧化物前體，(iii)非氧化硼化物，(iv)非氧化硅化物，以及(v)及其混合物，以及(3)上述(1)和(2)的混合物。
本發(fā)明導(dǎo)體組合物的玻璃組分是含量為0.2-20重量％、較好1-15重量％的高軟化點、高粘度玻璃。
在本文中，術(shù)語“高軟化點玻璃”是用平板粘度測量技術(shù)(ASTM方法)測得的軟化點為600-950℃，較好750-870℃的玻璃。
玻璃的典型例子可參見表1所列的組合物。
所述玻璃通過常規(guī)玻璃制造技術(shù)如下制得以所需比例混合所需組分，加熱所述混合物形成熔體?，F(xiàn)有技術(shù)中已知，加熱是這樣進(jìn)行的，即加熱到峰值溫度并保持一段時間，以使所述熔體完全成液體且均勻。在本發(fā)明中，所述組分在有塑料球的聚乙烯中預(yù)混合，并在1200-1400℃的鉑坩堝中熔融。所述熔體在峰值溫度加熱1-1.5小時。然后，將熔體傾倒入冷水中。在淬火過程值通過提高水/熔體的體積比，使水的最高溫度盡可能低。與水分離后，通過在空氣中干燥、用甲醇沖洗置換水、或者用其它方法從粗玻璃料中除去剩余的水。然后，在具有耐火襯墊的常規(guī)容器中使用氧化鋁研磨介質(zhì)在水或常規(guī)有機溶劑(例如異丙醇)中將上述粗玻璃料球磨6-7小時。從磨機中排出研磨漿料后，通過傾析除去過量的水或溶劑，并且用熱空氣干燥所述玻璃料粉末。接著，干燥粉末通過325目絲網(wǎng)過篩除去所有大顆粒。
所述玻璃料的兩個主要性能是有助于燒制導(dǎo)電金屬顆粒物質(zhì)，使導(dǎo)體材料與低溫共燒制陶瓷中的剩余玻璃的互相混合最小化。
C.金屬氧化物/非氧化物粘合劑適用于本發(fā)明的所述金屬氧化物和非氧化物(例如硼化物和硅化物)是能夠與所述帶的剩余玻璃反應(yīng)，并在本發(fā)明的組合物與所述帶共燒制時提高表面或內(nèi)部剩余玻璃的粘度的化合物。另外，適用于本發(fā)明的粘合劑應(yīng)在體系燒制過程中作為金屬粉末的“燒制抑制劑”。
合適的無機氧化物是基于Zn2+、Mg2+、Co2+、Al3+、Zr4+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Ta3+、W4+、La3+的無機氧化物和其它“玻璃網(wǎng)狀改性”的耐火氧化物和復(fù)合氧化物(例如釕酸銅鉍)、以及有機金屬化合物(例如英國專利772,675和美國專利4,381,945中所述的有機鈦酸鹽，上述專利以插入的方式加入本文中)，所述化合物會在體系燒制時分解成細(xì)分的金屬氧化物粉末。
金屬氧化物或前體的粒徑應(yīng)適合所述漿料組合物進(jìn)行絲網(wǎng)印刷和/或模板印刷，因此所述粒徑應(yīng)不大于15微米，較好應(yīng)小于5微米。
D.有機介質(zhì)包含金屬粉末、玻璃粘合劑和金屬氧化物或非氧化物粘合劑的無機組分通常通過機械混合分散在有機介質(zhì)中，形成稱為“漿料”的具有適合印刷的稠度和流變能力的粘性組合物。各種惰性液體可用作有機介質(zhì)。所述介質(zhì)必須具有這樣的流變性能，即能使組合物具有良好的施涂性能，包括穩(wěn)定分散固體，適合絲網(wǎng)印刷的粘度和搖溶性，可接受的未燒制“坯料”強度、基材和漿料固體合適的可潤濕性、良好的干燥速率以及良好的燒制和燒蝕性能。所述有機介質(zhì)通常是聚合物在溶劑中的溶液。另外，少量添加劑(例如表面活性劑)可以是有機介質(zhì)的一部分。用于該目的的最常用的聚合物是乙基纖維素。聚合物的其它例子包括乙基羥基乙基纖維素、木松香、乙基纖維素和酚醛樹脂的混合物、聚甲基丙烯酸低級醇酯，也可使用乙二醇單乙酸酯的單丁醚。厚膜組合物中最常用的溶劑是酯醇和萜烯，例如α-或β-萜品醇或其與其它溶劑(例如煤油、鄰苯二甲酸酯二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸點醇和醇酯)的混合物。另外，在施加到基材后促進(jìn)快速硬化的揮發(fā)性液體可包含在所述介質(zhì)中。可配制這些和其它溶劑的各種組合來得到所需的粘度和揮發(fā)性。
無機顆粒通常通過機械混合(例如輥磨機)與惰性液體介質(zhì)(載體或介質(zhì))混合，形成漿料狀組合物，其稠度和流變能力適合絲網(wǎng)印刷和/或模板施涂。模板施涂以常規(guī)方式在低溫共燒制陶瓷坯料帶上印刷成“厚膜”。所有惰性液體可用作載體。各種有機液體(有或沒有增稠劑和/或穩(wěn)定劑和/或其它常用添加劑)可用作載體。所述載體的唯一具體標(biāo)準(zhǔn)是需要與低溫共燒制陶瓷坯料帶中的有機物化學(xué)相容。適用的有機液體的例子是脂肪醇、這些醇的酯(例如乙酸酯和丙酸酯)、萜烯(例如松樹油、萜品醇等)、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯(texanol)等、樹脂溶液(例如乙基纖維素在溶劑如松樹油中的溶液)、以及乙二醇單乙酸酯的單丁醚。
所述載體可包含揮發(fā)性液體，以便在施加到所述帶上以后促進(jìn)快速固化。
在所述分散體中，載體/固體之比可顯著變化，取決于所述分散體施加的方式以及所用載體的種類，還取決于所用導(dǎo)體是用于導(dǎo)體線和/或用于填充通孔形成導(dǎo)體連接。通常，為了得到良好的覆蓋能力，所述分散體可包括60-98％固體和40-2％有機介質(zhì)(載體)。本發(fā)明的組合物，當(dāng)然，可通過加入其它材料來改性，所述其它材料不影響其有益特性。所述配制在本領(lǐng)域中是已知的。
本發(fā)明的導(dǎo)體組合物通過下述方法與所述低溫共燒制陶瓷玻璃-陶瓷介電材料一起使用。
配制厚膜組合物(漿料)本發(fā)明的厚膜組合物可根據(jù)下述通用方法配制。將所述無機固體與有機介質(zhì)混合，并用合適的設(shè)備(例如三輥磨機)分散，形成懸浮液，從而得到剪切速率為4秒-1時粘度為100-200帕斯卡·秒的組合物(用作導(dǎo)線組合物)，和剪切速率為4秒-1時粘度為1000-5000帕斯卡·秒的組合物(用作通孔填充導(dǎo)體)。
在下述實施例中，以下述方法進(jìn)行配制將所有漿料組分(減去約2-5％的有機組分)稱重于一容器中。然后，將所述組分強烈混合形成均勻共混物，接著使所述共混物經(jīng)過分散設(shè)備(例如三輥磨機)得到良好的顆粒分散體。使用Hegman檢測器(guage)測定所述漿料中顆粒的分散狀態(tài)。該檢測器由鋼塊組成，該鋼塊帶有一端深25微米(1密爾)、另一端向上抬起至0深度(即0-25微米)的槽。使用刀片沿著所述槽的長度向下刮壓(draw down)漿料。在團(tuán)聚物直徑大于槽深度之處出現(xiàn)劃痕。令人滿意的分散性通常得到10-18微米的第四劃痕點。第四劃痕測量＞20微米且半槽測量＞10微米表示懸浮體/漿料的分散性較差。
接著，加入漿料的其余2-5％的有機組分，且調(diào)節(jié)所述樹脂含量使組合物的粘度達(dá)到所需值。
然后，將所述組合物施加到基材上，具體地說，施加到“坯料帶”上。所述“坯料帶”是如下形成的將玻璃和陶瓷填料細(xì)顆粒、聚合物粘合劑和溶劑的1-20密爾、較好2-10密爾的薄層(具體參見“帶流延”部分所述)流延到撓性基材上，加熱所述流延層除去所述揮發(fā)性溶劑。將所述帶沖壓成片材或以卷形提供。該坯料帶用作多層電路/器件的絕緣基材，代替常規(guī)基材(例如氧化鋁和其它耐火陶瓷基材)。在所述坯料帶片材的四個角附近通過機械沖切沖壓套準(zhǔn)孔和用于連接不同導(dǎo)體層的通孔。通孔的尺寸隨電路設(shè)計和所需性能的不同而變化。所述帶的導(dǎo)體路徑層之間的電路互連通常是將導(dǎo)電油墨絲網(wǎng)印刷在所述通孔中形成的。
本發(fā)明的導(dǎo)線組合物通過絲網(wǎng)印刷工藝施加在坯料帶片材上，其濕厚度約為10-30微米，且通孔用相應(yīng)的導(dǎo)電通孔組合物填充。
在每層帶印刷有適合電路設(shè)計的導(dǎo)線和通孔后，使用承壓單軸或等壓壓模和技術(shù)將各個層套準(zhǔn)、疊合并壓制，所述承壓單軸或等壓壓模和技術(shù)參見帶壓制/層壓技術(shù)領(lǐng)域的其它文獻(xiàn)所述。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可認(rèn)識到，在所述層壓步驟的每一步中，所述印刷帶層必須精確套準(zhǔn)，這樣通孔能夠正確連接到相鄰功能層的合適導(dǎo)線上，并且如果是熱通孔的話，每個通孔可正確地連接到下一個熱通孔上。
燒制以燒結(jié)所述坯料帶組合物、燒結(jié)無機粘合劑以及燒結(jié)細(xì)分的金屬顆粒優(yōu)選在充分通風(fēng)的帶式輸送爐或程控箱式爐中進(jìn)行，所述爐子的溫度曲線能使聚合物解聚，和/或在約300-600℃燒蝕有機物質(zhì)，燒制過程的最大溫度約800-950攝氏度并持續(xù)約5-20分鐘，然后進(jìn)行受控循環(huán)冷卻，以防止過燒結(jié)和晶體生長，防止在中間溫度發(fā)生不需要的化學(xué)反應(yīng)，或者防止基材/燒制陶瓷帶由于太快冷卻而破裂。整個燒制過程較好持續(xù)3.5-5小時，在特定情況下，可持續(xù)最長達(dá)24小時或更長，這取決于層壓在一起的坯料帶的層數(shù)和/或坯料帶層的厚度。
導(dǎo)體的燒制厚度約為5-15微米，這取決于固體百分?jǐn)?shù)、組合物印刷所用的絲網(wǎng)類型、印刷機設(shè)置以及無機固體的燒結(jié)程度。通孔導(dǎo)體的厚度隨所用坯料帶的厚度和通孔組合物的燒結(jié)程度而變化。為了避免兩種主要的缺陷，即通孔表面凹陷和表面凸起(posting)，組合物粘度和固體含量的選擇是重要的。通常，提高固體含量會造成表面凸起，而降低固體含量會造成表面凹陷。
本發(fā)明的導(dǎo)體組合物可以常規(guī)方式用自動印刷機或手動印刷機印刷在坯料帶上，或者印刷在其它厚膜上。較好使用自動絲網(wǎng)印刷技術(shù)，使用200-325目的絲網(wǎng)，且乳液厚度通常為0.5密爾。常規(guī)模板印刷技術(shù)也可使用，特別是用于填充4-8密爾的小尺寸通孔。
光反射用導(dǎo)體組合物的特殊考慮已知含玻璃料的表面導(dǎo)體提供了較高的電阻率以及更暗的外觀。因此，為了提供反光性，需要使用不含玻璃的Ag、Au、Cu或合金Ag/Pt或Ag/Pd導(dǎo)體(含或不含氧化物粘合劑)來提供反射性。選擇導(dǎo)電粉末(例如Ag、Au、Cu、Pt或Pd)的粒徑分布、優(yōu)化堆砌密度都是影響反光性的重要因素。優(yōu)化堆砌密度可通過選擇至少一種、較好多于一種導(dǎo)電顆粒的平均粒徑來達(dá)到。
更具體地說，將可共燒制的銀基厚膜導(dǎo)體組合物沉積在圍繞位于嵌入空穴處的一片或多片LED芯片的表面上，例如所述銀組合物具有下述特性，所述特性包括但不限于a)銀的平均粒徑為1-20微米，較好1-5微米，
b)銀顆粒的表面帶有或沒有粘附試劑，所述試劑包括但不限于磷酸酯、脂肪酸等，c)至少一種類型的銀顆粒用于所述組合物中，當(dāng)使用兩種或多種銀顆粒時，銀顆粒的選擇取決于它們各自的粒徑分布，以使燒結(jié)應(yīng)力/低溫共燒制陶瓷介電材料最小化，d)至少一種類型的銀顆粒用于所述組合物中，當(dāng)使用兩種或多種銀顆粒時，銀顆粒的選擇取決于它們各自的粒徑分布，以使表面粗糙度最小，從而提高LED背光模件(但不限于LED背光模件)的反光性。
如果需要的話，可進(jìn)一步鍍覆所述導(dǎo)體襯墊以提高反光性。
熱通孔用導(dǎo)體的特殊考慮熱通孔用于散發(fā)從功能化LED芯片載體組件產(chǎn)生的熱量，本發(fā)明要提供至少一個、較好多個熱通孔來使接點溫度最小，從而延長HB LED組件功能的壽命。還應(yīng)注意，所述熱通孔通常連接到散熱墊上，所述散熱墊的形狀可以是網(wǎng)眼狀、實心、或任何其它合適的幾何形狀。
通?？赏ㄟ^正確選擇材料以及仔細(xì)進(jìn)行熱-機械處理和設(shè)計來提高多層電路基材(例如本發(fā)明的芯片載體)的工作壽命。通常，通過選擇基材、散熱片以及散熱片的分布以控制密布的低溫共燒制陶瓷(或形成多層電路基材的其它材料)模件中的熱分布來達(dá)到上述目的。此時可明顯降低接點溫度，并且明顯提高的可靠性通常能滿足大部分，即便不是全部，電子設(shè)備用途的要求。
但是，在高速多芯片模件設(shè)計中，出現(xiàn)其它復(fù)雜問題，例如具有不同散熱性的芯片的混合。在本發(fā)明中，使用至少三種LED芯片(即G、R和B)確實碰到上述問題。接點溫度可能的較大差別改變了芯片的開關(guān)閾值，產(chǎn)生了時鐘脈沖相位差，使系統(tǒng)性能下降。出于成本的原因，導(dǎo)熱性更高的材料(例如氧化鈹或氮化鋁)并不是代替氧化鋁的可行選擇。此外，這種方法并不能完全解決混合技術(shù)的芯片之間的溫度均衡問題。從芯片到環(huán)境的導(dǎo)熱路徑仍然是相同的，并且散熱水平還是不同的。目前的方法提倡在低溫共燒制陶瓷中引入熱通孔來降低熱阻抗。但是，應(yīng)注意，如果使用相等的熱通孔密度的話，還會看到不同的接點溫度。通過調(diào)節(jié)熱通孔密度，可在大的熱阻抗范圍內(nèi)設(shè)計各種冷卻方法。因此可平衡大功率密度芯片的接點溫度。該方法可最佳地利用低溫共燒制陶瓷介電材料的低導(dǎo)熱性和通孔填充導(dǎo)體漿料的高導(dǎo)熱性，從而形成寬范圍的復(fù)合熱阻抗。該方法可進(jìn)一步延伸到選擇性地冷卻芯片的不同區(qū)域。各種因素(例如使用散熱器，即實心或網(wǎng)格幾何形狀的金屬導(dǎo)體平面)以及芯片粘結(jié)面積與可用的空穴空間之比都會影響導(dǎo)熱性能。應(yīng)注意當(dāng)最大芯片粘結(jié)面積等于可用空穴面積時，可得到最佳的熱量處理。但是，出于實際功能的考慮，改變所述基材和空穴的尺寸以滿足每個芯片陣列的要求，并且需要足夠的空間來形成良好的用模具附著的用于接合的承托。在使用倒裝晶片接合或BGA接合的情況下，可在芯片和空穴之間使用最小的空間，只要能在所述陽極和所述陰極之間達(dá)到適當(dāng)?shù)碾娊^緣即可。這與芯片連接用的引線接合不同，后者需要它們之間具有更大的空間。引入散熱器的作用見下述。
與有機材料相比，低溫共燒制陶瓷本身具有更高的導(dǎo)熱性，并且上述導(dǎo)熱性可通過加入熱通孔和使導(dǎo)體平面金屬化來改進(jìn)。這涉及兩個方面，即穿過平面和平面中的導(dǎo)熱性。試驗顯示，通過使用熱通孔和金屬化平面，穿過平面的導(dǎo)熱性相比介電材料導(dǎo)熱性提高了超過2倍，平面中的導(dǎo)熱性提高了2-3倍。盡管在低溫共燒制陶瓷中可使用實心金屬化平面，但是網(wǎng)格或網(wǎng)眼狀平面能提高可加工性，并且它們的熱效果與實心平面相同。可以理解，通過使用最大可能數(shù)量的熱通孔，可在樣品中得到最高的穿過平面的導(dǎo)熱性。加入實心或網(wǎng)格導(dǎo)熱平面不會明顯提高低通孔密度設(shè)計(例如在50、100和150密爾中心上的12密爾通孔)的導(dǎo)熱性。但是，上述導(dǎo)熱平面明顯提高了高通孔密度設(shè)計(例如在20、40和60密爾中心上的8密爾通孔)的導(dǎo)熱性。
在沒有熱通孔的構(gòu)造中，實心或網(wǎng)格導(dǎo)熱平面對穿過平面的導(dǎo)熱性沒有改進(jìn)。加入一個內(nèi)網(wǎng)格導(dǎo)熱平面使平面內(nèi)導(dǎo)熱性提高10-20％。此外，連接穿過型熱通孔的網(wǎng)格平面使所述平面內(nèi)的導(dǎo)熱性提高為沒有導(dǎo)體平面的構(gòu)造的約兩倍。
銅焊材料和工藝厚膜銅焊材料適合大體積制造和將散熱片附著至預(yù)燒制的低溫共燒制陶瓷芯片載體上。應(yīng)注意，HB LED組件模件的溫度等級需要(1)帶、導(dǎo)體、電通孔和熱通孔的共燒制發(fā)生在最高溫度，例如850-900℃，(2)將芯片載體銅焊到散熱片上，所述銅焊通常發(fā)生在350-850℃的中等溫度范圍，這取決于銅焊材料的選擇，(3)通過倒裝晶片或焊接來接合芯片，(4)如果需要的話，金引線接合，以及(5)施加塑料密封劑，例如環(huán)氧樹脂或其它熱塑性有機材料。
銅焊工藝通常由以下步驟組成(1)銅焊金屬化，(2)銅焊合金/填料金屬，(3)制備連接組件(在本發(fā)明中是散熱片)的表面，(4)固定，(5)在具有合適溫度分布和氣氛控制的爐中進(jìn)行燒制。合適的厚膜銅焊組合物通常包括厚膜粘合層和厚膜阻隔層。例如，DuPont厚膜銅焊材料包括Au基5062(粘合層)、5063(阻隔層)和Ag/Pt基5081(粘合層)和5082(阻隔層)。上述厚膜組合提供了具有熱通孔的低溫共燒制陶瓷和散熱片之間的界面。根據(jù)TCE、導(dǎo)熱性和成本，可使用各種散熱片材料來實施本發(fā)明。這些材料包括但不限于Cu-W、Cu-Mo、Cu-Mo-Cu和Al-SiC鍍覆合金，BeO和AlN也是用于散熱片的良好候選材料。所述散熱片也可以是Al。其它例子包括但不限于金屬芯印刷線路(MCPWB)。
實施例用于實施例的帶組合物通過球磨揮發(fā)性溶劑或揮發(fā)性溶劑混合物中的細(xì)無機粉末和粘合劑來制備。為了使層壓、形成電路圖形的能力、帶的燒蝕性和燒制微結(jié)構(gòu)的生長最佳化，發(fā)現(xiàn)下列體積百分組成的滑移流延制劑是有利的。作為實際參考，常規(guī)滑移流延組合物的配方也可以重量百分?jǐn)?shù)表示。設(shè)定無機相中玻璃比重為4.5g/cc、氧化鋁的比重為4.0g/cc、有機載體的比重為1.1g/cc。當(dāng)使用玻璃和耐火氧化物而不是氧化鋁來提高反光性時，所述重量百分?jǐn)?shù)組成會相應(yīng)發(fā)生變化，因為比重可能與本實施例中設(shè)定的不同。表1列出了適合本發(fā)明用途的各種含鉛和無鉛玻璃組合物。
表1 玻璃組合物(重量％)

常規(guī)主要的和內(nèi)抑制帶組合物

上述體積百分和重量百分滑移流延組合物可根據(jù)所需的有機溶劑和/或溶劑共混物的量而異，以便有效地研磨和涂覆滑移流延組合物。更具體地說，滑移流延組合物必須包含足夠的溶劑以將粘度降低到低于10000厘泊，通常粘度范圍是1000-8000厘泊，這取決于要涂覆的帶的厚度?；屏餮咏M合物的一個例子如表2所示。根據(jù)所選滑移流延組合物(slip)的粘度，更高粘度的滑移流延組合物使分散穩(wěn)定性保持更長的時間(通常是數(shù)周)。在涂覆的帶中通常保持穩(wěn)定分散的帶組分。。
表2帶滑移流延組合物

在電加熱爐中將實施例所用的玻璃在Pt/Rh坩堝中在1450-1600℃熔融1小時。通過金屬輥淬火玻璃作為初始步驟，然后研磨降低粒徑。通過研磨將所述玻璃顆粒的平均粒徑調(diào)節(jié)為5-7微米，隨后配成滑移流延制劑。由于在制造滑移流延組合物過程中使用附加的研磨步驟，所以最終的平均粒徑通常為1-3微米。應(yīng)注意在用作滑移流延組合物組分之前，玻璃顆粒也可預(yù)研磨到1-3微米的最終粒徑。
使用裝有DRA-2500漫反射系數(shù)附件的Carian Cary5000 uv/vis/nir分光光度計來測量百分反射度。DRA-2500使用了涂有Spectralon的150毫米積分球。然后，使用Spectralon參照物獲得100％基線。然后，使用樣品代替所述參照物，得到反射光譜。對于包含在下述實施例部分中的樣品，使用800-250的波長范圍。所述測量設(shè)備中同時帶有漫反射和鏡面反射部件。
實施例1使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶1的無機粉末包括64體積％的玻璃和36體積％Al2O3，所述玻璃的組成為表1中玻璃#5的重量百分組成。應(yīng)注意玻璃#5包含17.20重量％氧化鉛。以無機組合物的總百分重量計，玻璃#5和氧化鋁分別占55.44重量％和44.56重量％。還應(yīng)注意，在帶2中用提供白色的無機顏料代替一部分氧化鋁，以提高所得低溫共燒制陶瓷芯片載體的上部反光性。所述坯料的厚度為10密爾即254微米。
層壓后，各部件放在定位器(setter)中，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，將溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有發(fā)現(xiàn)表面拱起。
實施例2使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶2的無機粉末包括64體積％的玻璃和36體積％10∶1的Al2O3和TiO2，其中玻璃的組成為表1中玻璃#5的重量百分?jǐn)?shù)。以無機組合物的總重量百分?jǐn)?shù)計，玻璃#5、氧化鋁和氧化鈦分別占55.44％、40.10％和4.46％。所述坯料的厚度為10密爾即254微米。
層壓后，各部件放在定位器(setter)中，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，將溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
實施例3使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶3的無機粉末包括68.7體積％的玻璃和31.3體積％Al2O3，其中玻璃的組成為玻璃#17的重量百分?jǐn)?shù)。玻璃料或氧化鋁組分的重量百分?jǐn)?shù)分別是58.51％或41.49％。所述坯料的厚度為10密爾或254微米。
層壓后，各部件放在定位器中上，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，其中溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
相對于在用于爐燒制的定位器上低溫共燒制陶瓷基材的放置方式，當(dāng)測量燒制部件的頂表面時，上述空白低溫共燒制陶瓷基材在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是82.1％、81.1％或80.9％。
實施例4使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶子4的無機粉末包括68.7體積％的玻璃和31.3體積％98∶2的Al2O3和TiO2，所述玻璃的組成為玻璃#17的重量百分?jǐn)?shù)。玻璃料、氧化鋁或TiO2組分的重量％分別是58.51％、40.63％或0.86％。所述坯料的厚度為10密爾或254微米。
層壓后，各部件放在定位器上，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，其中溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
相對于在用于爐燒制的定位器上低溫共燒制陶瓷基材的放置方式，當(dāng)測量燒制部件的頂表面時，上述空白低溫共燒制陶瓷基材在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是82.8％、82.7％或81.9％，當(dāng)測量燒制部件的底表面時，上述空白低溫共燒制陶瓷基材在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是82.8％、82.5％或81.6％。
實施例5使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶5的無機粉末包括68.7體積％的玻璃和31.3體積％90∶10的Al2O3和TiO2，所述玻璃的組成為玻璃#17的重量百分?jǐn)?shù)。玻璃料、氧化鋁或TiO2組分的重量％分別是58.51％、37.17％或4.32％。所述坯料的厚度為10密爾或254微米。
層壓后，各部件放在定位器上，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，其中溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
相對于在用于爐燒制的定位器上低溫共燒制陶瓷基材的放置方式，當(dāng)測量燒制部件的頂表面時，上述空白低溫共燒制陶瓷基材在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是92.5％、89.6％或86.7％，當(dāng)測量燒制部件的底表面時，上述空白低溫共燒制陶瓷基材在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是92.3％、88.8％或84.9％。
實施例6使用下述材料制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物如上表2所述，帶6的無機粉末包括64體積％的玻璃和36體積％5∶1的Al2O3和TiO2，所述玻璃的組成為玻璃#17的重量百分?jǐn)?shù)，Al2O3和TiO2之比為5∶1。以無機組合物的總重量百分?jǐn)?shù)計，玻璃料、氧化鋁或TiO2組分的重量％分別是53.12％、39.06％或7.82％。所述坯料的厚度為10密爾或254微米。
層壓后，各部件放在定位器上，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，其中溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
實施例7使用兩層帶1和兩層帶2制備四層低溫共燒制陶瓷層壓物，所述兩種帶的坯料厚度都是10密爾或254微米。實施例2所示的帶2包括TiO2，它能提高反光性，因此將其作為所述低溫共燒制陶瓷層壓物的頂部兩層。
層壓后，各部件放在定位器上，并在空氣氣氛的輸送式加熱爐中燒制，其中溫度從室溫提高到850℃，并保溫18分鐘，然后冷卻回到室溫，整個過程持續(xù)約3小時30分鐘。所述燒制部件完全致密并沒有表面拱起。
實施例8-14在下述實施例8-14中，使用表1中詳細(xì)描述的玻璃組合物。玻璃2、5和6表示本發(fā)明中所用的玻璃。應(yīng)注意，含鉛玻璃和無鉛玻璃都可在較好導(dǎo)體漿料組合物中用作無機粘合劑。
導(dǎo)體組合物實施例8-14表示本發(fā)明的實施例。所有配方都以總厚膜組合物的重量百分?jǐn)?shù)表示。下述的非薄片狀銀粉末的平均表面積/重量比為0.1-2.0m2/g。下述鈀金屬粉末的平均表面積/重量比為2.0-15.0m2/g。下述的鉑金屬粉末的平均表面積/重量比約為10-30m2/g。金金屬粉末的平均粒徑分布為1-4微米。
實施例8銀接地平面(ground plane)&內(nèi)導(dǎo)體銀粉末 80.6玻璃料#2 1.2有機金屬粒子(metallics) 1.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末SA 0.1-1.5m2/gm實施例9銀鈀可焊接頂部導(dǎo)體銀粉末 53.5鈀粉末 13.6釕酸銅鉍 5.1氧化銅 0.5余量的乙基纖維素/萜品醇基介質(zhì)薄片銀SA～0.60-0.90m2/gm；帶密度4.0-6.0g/ml實施例10銀通孔填充導(dǎo)體銀粉末 90.9玻璃料#2 1.2余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末SA 0.1-1.5m2/gm實施例11可引線接合的/內(nèi)/接地平面金導(dǎo)體金粉末80.7玻璃料#5 0.8余量的乙基纖維素/萜品醇基介質(zhì)金粉末粒徑分布(PSD)d50～2-3微米實施例12混合金屬體系用的鈀-銀過渡通孔填充導(dǎo)體銀粉末86.5鈀粉末3.0玻璃料#5 0.8余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)鈀粉末表面積/重量比(SA)～1.1-1.7m2/gm銀粉末SA～0.1-1.5m2/gm實施例13銀-鉑可鍍覆導(dǎo)體銀粉末82.2鉑2.0玻璃料#17 0.8余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)鈀粉末(SA)～1.1-1.7m2/gm鉑粉末SA～0.7-1.2m2/gm實施例14“混合金屬體系”用的可引線接合的頂部導(dǎo)體金粉末 78.0玻璃料#17 0.7余量的乙基纖維素/萜品醇基介質(zhì)金粉末PDS～d50 4-5微米實施例15銀-鈀可焊接導(dǎo)體銀粉末 51.0鈀 13.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.5微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是49.4％、42.2％或40.7％。
實施例16銀導(dǎo)體銀粉末57.8氧化亞銅 1.0玻璃料#17 5.4余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.5微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是67.4％、65.7％或64.6％。
實施例17銀通孔填充導(dǎo)體銀粉末 87.6余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.5微米的球形形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.4％、88.9％或85.3％。
實施例18銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末 65.0玻璃料#5 3.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.5微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.2％、92.0％或91.3％。
實施例19銀內(nèi)部信號導(dǎo)體A型銀粉末 26.1B型銀粉末 55.6玻璃料#51.2余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)A型或B型銀粉末均具有不規(guī)則形狀，D50粒徑分別為2.5或8.2微米。
在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.4％、91.9％或91.2％。
實施例20銀內(nèi)信號導(dǎo)體銀粉末 77.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.4微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是97.9％、96.4％或95.4％。
實施例21銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末 77.0玻璃料#17 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.4微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.4％、92.5％或91.2％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.0％、91.8％或90.3％。
實施例22銀內(nèi)部信號導(dǎo)體(DuPont 6742)銀粉末 77.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為8.2微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是98.0％、96.3％或95.5％。
實施例23銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末77.0玻璃料#17 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為8.2微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.3％、92.2％或91.0％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.0％、90.4％或88.9％。
實施例24銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末 77.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為3.7微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是98.2％、96.6％或95.5％。
實施例25銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末77.0玻璃料#17 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為3.7微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.2％、91.9％或90.4％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.5％、92.4％或90.9％。
實施例26銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末77.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為8.2微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是98.7％、97.7％或97.0％。
實施例27銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末 77.0玻璃料#17 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為8.2微米的不規(guī)則形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是95.7％、93.0％或91.9％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.8％、91.3％或89.7％。
實施例28銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末77.0余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為6.0微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是98.8％、97.7％或97.0％。
實施例29銀內(nèi)部信號導(dǎo)體銀粉末 77.0玻璃料#17 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為6.0微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.0％、90.3％或88.6％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是94.9％、91.5％或89.9％。
實施例30銀外部可引線接合的導(dǎo)體銀粉末 83.4鉑粉末 0.4金屬氧化物 0.4三氧化鉍 0.5余量的乙基纖維素/2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇單異丁酸酯基介質(zhì)銀粉末具有D50粒徑為2.0微米的薄片形狀在與低溫共燒制陶瓷芯片載體共燒制后，當(dāng)銀面朝上燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是92.8％、89.1％或87.9％，當(dāng)銀面朝下(即朝向所述定位器)燒制時，上述金屬化物質(zhì)在紅色(650納米)、綠色(510納米)或藍(lán)色(475納米)光波長的％反光率分別是92.4％、88.3％或86.4％。
表3比較了上述散熱片材料的TCE和導(dǎo)熱性表3

權(quán)利要求
1.一種形成發(fā)光二極管芯片載體的方法，所述方法包括提供兩層或多層低溫共燒制陶瓷帶層；在所述帶層中形成一個或多個空穴；在所述帶層中提供至少兩個電通孔和至少一個熱通孔；所述低溫共燒制陶瓷帶層提供所需電路圖形，所述電路圖形通過所述電通孔進(jìn)行電氣連接，從而形成功能化芯片載體。
2.一種形成發(fā)光二極管模件的方法，所述方法包括提供兩層或多層低溫共燒制陶瓷帶層；在所述帶層中形成一個或多個空穴；在所述帶層中提供至少兩個電通孔和至少一個熱通孔；提供至少一片功能化發(fā)光二極管芯片；所述低溫共燒制陶瓷帶層提供所需電路圖形，所述電路圖形通過所述電通孔進(jìn)行電氣連接，從而形成功能化芯片載體，所述至少一片功能化發(fā)光二極管芯片安裝到所述芯片載體上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述至少一個熱通孔連接到散熱片，所述熱通孔通過連接到所述散熱片散發(fā)從所述功能化發(fā)光二極管芯片上釋放的熱量。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述散熱片包括選自Al、BeO、AlN和鍍覆合金的材料，所述鍍覆合金包括Cu-W、Cu-Mo、Cu-Mo-Cu和Al-SiC。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述散熱片是金屬芯印刷電路板。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述發(fā)光二極管芯片的顏色選自藍(lán)色、綠色、紅色、黃色和白色。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述電通孔和所述熱通孔由導(dǎo)電厚膜組合物形成，所述導(dǎo)電厚膜組合物包括選自Ag、Cu、Au、Pt、Pd及其混合物的金屬。
8.一種由權(quán)利要求1所述方法形成的發(fā)光二極管芯片載體。
9.一種由權(quán)利要求3所述方法形成的發(fā)光二極管模件。
10.一種用于照明用途的厚膜介電帶組合物，以所述帶組合物的總重量百分?jǐn)?shù)計，所述組合物包括(a)40-70重量％玻璃料；(b)30-60重量％耐火陶瓷填料；(c)0-10重量％一種或多種無機顏料；上述組分分散在(d)有機介質(zhì)，所述耐火陶瓷填料和所述無機顏料的耐火指數(shù)為1.5-3.5，所述耐火陶瓷填料的彎曲強度至少為150Mpa。
11.如權(quán)利要求10所述的組合物，其特征在于所述耐火陶瓷填料是氧化鋁。
12.如權(quán)利要求10所述的組合物，其特征在于所述無機顏料選自氧化鈦、硫化鋅、氟銻酸鈣、氧化鋯、砷酸鉛、三氧化銻、氧化錫、硅酸鋯、鋅尖晶石、氧化鋁及其混合物。
13.如權(quán)利要求10所述的組合物，其特征在于所述玻璃料是含鉛玻璃，以全部組成計，所述玻璃料包含SiO255-58重量％，Al2O38-10重量％，PbO16-18重量％，B2O33.5-5.5重量％，CaO 7-9重量％，MgO 0.4-0.8重量％，Na2O2.1-2.7重量％，K2O 1.2-2.2重量％。
14.如權(quán)利要求8所述的組合物，其特征在于所述玻璃料是無鉛玻璃，以全部組成計，所述玻璃料包含SiO252-55重量％，Al2O311.0-14.5重量％，B2O38-9重量％，CaO 15-18重量％，MgO 0.5-3重量％，Na2O 1.5-3.0重量％，Li2O 0.2-0.6重量％、K2O 1-3重量％，SrO 1-4.5重量％。
15.如權(quán)利要求9所述的模件，其特征在于所述模件用于發(fā)光二極管用途，所述發(fā)光二極管用途選自高亮度發(fā)光二極管器件、液晶顯示器、顯示器相關(guān)的光源、汽車燈、裝飾燈、信號和廣告燈、作為背光單元的液晶顯示器器件和信息顯示用途。
16.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管模件，其特征在于至少三片功能發(fā)光二極管芯片安裝到所述芯片載體上，所述功能發(fā)光二極管芯片的顏色選自白色、紅色、綠色和藍(lán)色。
17.如權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管模件，其特征在于所述功能發(fā)光二極管芯片的工作功率等于或大于0.5瓦。
18.如權(quán)利要求16所述的發(fā)光二極管模件，其特征在于所述功能發(fā)光二極管芯片的工作功率等于或大于1.0瓦。
19.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，以所述帶的全部固體計，所述低溫共燒制陶瓷帶層包括最高達(dá)10重量％的無機顏料，所述無機顏料選自二氧化鈦、硫化鋅、氟銻酸鈣、氧化鋯、砷酸鉛、三氧化銻、氧化錫、硅酸鋯、鋅尖晶石及其混合物。
20.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述熱通孔的直徑為0.002-0.100英寸。
21.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述熱通孔的直徑為0.005-0.025英寸。
22.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述熱通孔的數(shù)量超過1個，所述熱通孔的中心-中心間距是所述通孔直徑的2-10倍。
23.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述熱通孔的數(shù)量超過1個，所述熱通孔的中心-中心間距是所述通孔直徑的2-5倍。
24.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述芯片載體通過銅焊連接到所述散熱片上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種LTCC(低溫共燒制陶瓷)帶組合物，并描述了所述低溫共燒制陶瓷在形成用于各種發(fā)光設(shè)備的發(fā)光二極管(LED)芯片載體和模件中的用途。本發(fā)明也提供了低溫共燒制陶瓷帶子和LED模件在形成發(fā)光器件中的用途，所述發(fā)光器件包括但不限于LED器件、高亮度(HB)LED背光、顯示器相關(guān)的光源、汽車燈、裝飾燈、信號和廣告燈和信息顯示燈。
文檔編號C04B35/632GK1925182SQ20061012679
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者C·B·王, 高世銘, 林育正, 鄭肇心 申請人:E.I.內(nèi)穆爾杜邦公司