CN103762298A - Led晶片组合封装材料及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED组合封装材料，具体包括固晶材料、LED灌封胶、荧光粉和共晶助焊膏，上述材料具体如下：（1）固晶材料：采用热导率为30～40W/M·K的SnAgCu金属合金作基体的键合材料；（2）LED灌封胶：采用胶料和交联剂组成；（3）荧光粉：所述荧光粉为YAG、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉；（4）共晶助焊膏：该共晶封装助焊膏由聚乙二醇醚、异丙醇等有机原料制成，用于高性能、高熔点合金焊料共晶焊接。上述LED晶片封装材料及工艺，针对LED晶片模组化封装具有众多优点，稳定的原材料品质为LED封装提供了可靠的品质保证和充裕的产能；基于晶片制程的LED简单易于控制；电路控制可以实现智能化，更加有利于节约能源；易于模块化封装生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED晶片组合封装材料及工艺，属于LED技术领域。
背景技术
随着人类文明的发展，对资源的需求量以惊人的速度在增长，而地球上所蕴藏的资源却是有限的。为了延续和发展人类文明, 如何实现高效节能，绿色环保的照明已经成为世界各国高度重视的事情。自高亮度白光LED出现后，它所具有发光效率高、节电效果好，并且无污染、寿命长的诸多优点，使用白光LED作照明光源来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，目前已经取得了显著成果。半导体照明（LED）以它无与伦比的优势成为不二之选，被视为21世纪的朝阳产业。
LED芯片，也称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
目前芯片主要分为低压直流芯片和高压直流芯片。其中，低压直流芯片包括正装结构芯片、垂直结构芯片以及三维(无金线)垂直结构芯片。高压直流芯片包括正装结构芯片。从衬底的角度看当前整个行业的技术路线，主流衬底是蓝宝石与SiC，Si衬底是未来希望所在。
芯片技术最主要的突破点就是提高LM/W & LM/$。可能突破点包括：1、大电流密度驱动芯片；2、三维垂直结构芯片；3、垂直结构高压交直流芯片；4、绿光IQE 提升(Green-Gap)；5、衬底：硅衬底、石墨衬底、GaN、AlN及其他衬底。三维垂直结构芯片的最重要的优势是没有电感效应。垂直结构高压交直流芯片的优势主要是加大电流驱动、降低芯片的成本。高压芯片会降低变压部分的成本，交流芯片可降低整流部分的成本。另外也可通过在衬底上制作图形以及将芯片外形异型化提高出光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED晶片组合封装材料及工艺，以便能够更好地针对LED晶片进行封装，提高其使用效率，更好地实现针对LED晶片的封装。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种LED组合封装材料，具体包括固晶材料、LED灌封胶、荧光粉和共晶助焊膏，上述材料具体如下：
（1）固晶材料：采用热导率为30～40W/M·K的SnAgCu金属合金作基体的键合材料，用于LED芯片封装及其它二极管等功率器件的封装，实现金属之间的融合，空洞率小于8%，能大幅度降低LED散热通道的热阻，同时实现更好的导电性和连接强度。另外，固晶锡膏通过回流炉焊接只需5～7min，相对于通用银胶的30～90min，固晶速度快，节约能耗。固晶锡膏与现有导电银胶相比不仅具有更好的导热性能，能够缓解大功率LED的散热瓶颈，从而提高LED的可靠性，延长LED灯的使用寿命，且通过回流焊接方式能够实现自动化批量生产方式，更适合于工业化连续生产，提高生产效率，大大降低封装成本。
上述固晶材料使用的具体工艺流程如下：（1a）备胶：在胶盘中放入适量的固晶锡膏，调整胶盘的高度，使胶盘刮刀转动将锡膏表面刮平整并且获得适当的点胶厚度。（1b）取胶和点胶：利用点胶头从胶盘蘸取锡膏，再将取出的锡膏点附于基座上的固晶中心位置。点胶头为具有粗糙表面的锥形或十字形，根据晶片的大小选择适当的尺寸。（1c）粘晶：将底面具有金属层的LED芯片置于基座点有锡膏的固晶位置处，压实。（1d）共晶焊接：将固好晶片的支架置于共晶温度的回流炉或台式回流焊炉中，使LED芯片底面的金属与基座通过锡膏实现共晶焊接。
（2）LED灌封胶：用于LED灯珠上的表面，进行封装。采用胶料和交联剂组成，混料比例为100：1～50。所述交联剂为八甲基环四硅氧烷和甲基氢环硅氧烷的混合物。
（3）荧光粉：LED采用荧光粉实现白光实现方法是在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)来激发荧光粉而实现白光发射，所述荧光粉为YAG、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉。
（4）共晶助焊膏：该共晶封装助焊膏由聚乙二醇醚、异丙醇等有机原料制成，用于高性能、高熔点合金焊料共晶焊接，如锡/铅、无铅和锡金/银等界面焊接。该类助焊剂根据工艺条件均有不同粘度和规格。这些助焊剂也滴涂在倒装芯片侧面，让助焊剂渗过芯片底部，或者印在焊盘上，或将芯片在贴装前浸渍于助焊剂中。这些助焊剂可用于各种芯片粘着流程。上述共晶助焊膏使用时，LED芯片有背金层（Au/Au80Sn20），支架有镀金或镀银层，固晶时只需将助焊膏涂覆于支架镀层上，或者将芯片在贴装前浸渍于助焊剂中，再通过固晶机将芯片粘附与支架上，然后按适当的曲线进行回流焊接。这种方式固晶大大降低了芯片与支架之间的热阻，提高其导热性能。
进一步地，上述封装材料的工艺流程如下：
a)芯片检验：检验材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑，芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求，电极图案是否完整；
b)扩片：采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到0.3～0.6mm；
c)点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶；对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶；对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片；
d)备胶：用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上；
e)手工刺片：将扩张后LED芯片安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上；
f)自动装架：在LED支架上点上银胶，然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上；
g)烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良；银胶烧结的温度控制在130～150℃，烧结时间2～3小时；
h)压焊：压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺采用超声金丝球焊技术，该技术是用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接，是一种物理变化过程，具体方法为：首先将金丝的首端经过处理形成球形，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接；
i)点胶封装：LED的封装主要有点胶、灌封、模压三步骤；
j)灌胶封装：灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后***压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型；
k)模压封装：将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化；
l)固化与后固化：固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟；
m)后固化：后固化是为了让封装材料充分固化，同时对LED进行热老化，后固化对于提高封装材料与支架（PCB）的粘接强度非常重要，一般条件为120℃，4小时；
n)切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，采用划片机来完成分离工作；
o)测试：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选；
p)包装：将成品进行计数包装，超高亮LED防静电包装。
该发明的有益效果在于：上述LED晶片封装材料及工艺，针对LED晶片模组化封装具有众多优点，稳定的原材料品质为LED封装提供了可靠的品质保证和充裕的产能；基于晶片制程的LED简单易于控制；电路控制可以实现智能化，更加有利于节约能源；易于模块化封装生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
本实施例的LED组合封装材料，具体包括固晶材料、LED灌封胶、荧光粉和共晶助焊膏，上述材料具体如下：
（1）固晶材料：采用热导率为30～40W/M·K的SnAgCu金属合金作基体的键合材料，用于LED芯片封装及其它二极管等功率器件的封装，实现金属之间的融合，空洞率小于8%，能大幅度降低LED散热通道的热阻，同时实现更好的导电性和连接强度。另外，固晶锡膏通过回流炉焊接只需6min，相对于通用银胶的60min，固晶速度快，节约能耗。固晶锡膏与现有导电银胶相比不仅具有更好的导热性能，能够缓解大功率LED的散热瓶颈，从而提高LED的可靠性，延长LED灯的使用寿命，且通过回流焊接方式能够实现自动化批量生产方式，更适合于工业化连续生产，提高生产效率，大大降低封装成本。
上述固晶材料使用的具体工艺流程如下：（1a）备胶：在胶盘中放入适量的固晶锡膏，调整胶盘的高度，使胶盘刮刀转动将锡膏表面刮平整并且获得适当的点胶厚度。（1b）取胶和点胶：利用点胶头从胶盘蘸取锡膏，再将取出的锡膏点附于基座上的固晶中心位置。点胶头为具有粗糙表面的锥形或十字形，根据晶片的大小选择适当的尺寸。（1c）粘晶：将底面具有金属层的LED芯片置于基座点有锡膏的固晶位置处，压实。（1d）共晶焊接：将固好晶片的支架置于共晶温度的回流炉或台式回流焊炉中，使LED芯片底面的金属与基座通过锡膏实现共晶焊接。
（2）LED灌封胶：用于LED灯珠上的表面，进行封装。采用胶料和交联剂组成，混料比例为100：1。所述交联剂为八甲基环四硅氧烷和甲基氢环硅氧烷的混合物。
（3）荧光粉：LED采用荧光粉实现白光实现方法是在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)来激发荧光粉而实现白光发射，所述荧光粉为YAG、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉。
（4）共晶助焊膏：该共晶封装助焊膏由聚乙二醇醚、异丙醇等有机原料制成，用于高性能、高熔点合金焊料共晶焊接，如锡/铅、无铅和锡金/银等界面焊接。该类助焊剂根据工艺条件均有不同粘度和规格。这些助焊剂也滴涂在倒装芯片侧面，让助焊剂渗过芯片底部，或者印在焊盘上，或将芯片在贴装前浸渍于助焊剂中。这些助焊剂可用于各种芯片粘着流程。上述共晶助焊膏使用时，LED芯片有背金层（Au/Au80Sn20），支架有镀金或镀银层，固晶时只需将助焊膏涂覆于支架镀层上，或者将芯片在贴装前浸渍于助焊剂中，再通过固晶机将芯片粘附与支架上，然后按适当的曲线进行回流焊接。这种方式固晶大大降低了芯片与支架之间的热阻，提高其导热性能。
进一步地，上述封装材料的工艺流程如下：
a)芯片检验：检验材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑，芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求，电极图案是否完整；
b)扩片：采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到0.3～0.6mm；
c)点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶；对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶；对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片；
d)备胶：用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上；
e)手工刺片：将扩张后LED芯片安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上；
f)自动装架：在LED支架上点上银胶，然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上；
g)烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良；银胶烧结的温度控制在130～150℃，烧结时间2～3小时；
h)压焊：压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺采用超声金丝球焊技术，该技术是用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接，是一种物理变化过程，具体方法为：首先将金丝的首端经过处理形成球形，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接；
i)点胶封装：LED的封装主要有点胶、灌封、模压三步骤；
j)灌胶封装：灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后***压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型；
k)模压封装：将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化；
l)固化与后固化：固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟；
m)后固化：后固化是为了让封装材料充分固化，同时对LED进行热老化，后固化对于提高封装材料与支架（PCB）的粘接强度非常重要，一般条件为120℃，4小时；
n)切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，采用划片机来完成分离工作；
o)测试：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选；
p)包装：将成品进行计数包装，超高亮LED防静电包装。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种LED组合封装材料，具体包括固晶材料、LED灌封胶、荧光粉和共晶助焊膏，上述材料具体如下：
（1）固晶材料：采用热导率为30～40W/M·K的SnAgCu金属合金作基体的键合材料，用于LED芯片封装及其它二极管等功率器件的封装，实现金属之间的融合，空洞率小于8%；
（2）LED灌封胶：用于LED灯珠上的表面，进行封装；采用胶料和交联剂组成，混料比例为100：1～50；
（3）荧光粉：LED采用荧光粉实现白光实现方法是在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)来激发荧光粉而实现白光发射；
（4）共晶助焊膏：该共晶封装助焊膏由聚乙二醇醚、异丙醇等有机原料制成，用于高性能、高熔点合金焊料共晶焊接，如锡/铅、无铅和锡金/银等界面焊接。
2.根据权利要求1所述的LED组合封装材料，其特征在于：所述固晶材料使用的具体工艺流程如下：（1a）备胶：在胶盘中放入适量的固晶锡膏，调整胶盘的高度，使胶盘刮刀转动将锡膏表面刮平整并且获得适当的点胶厚度；（1b）取胶和点胶：利用点胶头从胶盘蘸取锡膏，再将取出的锡膏点附于基座上的固晶中心位置；（1c）粘晶：将底面具有金属层的LED芯片置于基座点有锡膏的固晶位置处，压实；（1d）共晶焊接：将固好晶片的支架置于共晶温度的回流炉或台式回流焊炉中，使LED芯片底面的金属与基座通过锡膏实现共晶焊接。
3.根据权利要求1所述的LED组合封装材料，其特征在于：所述交联剂为八甲基环四硅氧烷和甲基氢环硅氧烷的混合物。
4.根据权利要求1所述的LED组合封装材料，其特征在于：所述荧光粉为YAG、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉中的一种。
5.根据权利要求1所述的LED组合封装材料，其特征在于：所述共晶助焊膏使用时，LED芯片有背金层（Au/Au80Sn20），支架有镀金或镀银层，固晶时只需将助焊膏涂覆于支架镀层上，或者将芯片在贴装前浸渍于助焊剂中，再通过固晶机将芯片粘附与支架上，然后按适当的曲线进行回流焊接。
6.根据权利要求1至5所述的LED组合封装材料，其特征在于：所述组合封装材料的工艺流程如下：
a)芯片检验：检验材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑，芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求，电极图案是否完整；
b)扩片：采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到0.3～0.6mm；
c)点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶；对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶；对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片；
d)备胶：用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上；
e)手工刺片：将扩张后LED芯片安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上；
f)自动装架：在LED支架上点上银胶，然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上；
g)烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良；银胶烧结的温度控制在130～150℃，烧结时间2～3小时；
h)压焊：压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作；LED的压焊工艺采用超声金丝球焊技术，该技术是用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接，是一种物理变化过程，具体方法为：首先将金丝的首端经过处理形成球形，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接；
i)点胶封装：LED的封装主要有点胶、灌封、模压三步骤；
j)灌胶封装：灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后***压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型；
k)模压封装：将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化；
l)固化与后固化：固化是指封装环氧的固化，环氧固化条件为135℃，1小时；模压封装为150℃，4分钟
m)后固化：后固化是为了让封装材料充分固化，同时对LED进行热老化，后固化；
n)切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋；SMD-LED则是在一片PCB板上，采用划片机来完成分离工作；
o)测试：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据要求对LED产品进行分选；
p)包装：将成品进行计数包装，超高亮LED防静电包装。
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