CN101592327A - 一种功率型led灯及其封装工艺和回流焊工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备。功率型LED灯是在LED芯片、热沉和散热器之间形成的是两个具有冶金连接的结合界面，为LED芯片发光过程中产生的热量建立了一个低热阻的完整金属散热通道。芯片与热沉采用纳米金属粉末低温烧结技术进行连接；热沉与散热器座采用无铅回流焊工艺进行连接。无铅回流焊采用从散热器座的底面一侧加热，从上方的芯片－热沉体一侧吹冷却气体的底面单面加热的回流焊工艺。纳米银膏烧结工艺和无铅回流焊工艺的连接界面层不论是其最高使用温度还是导热性能都要明显优于目前应用的导电胶粘接工艺，也优于锡铅回流焊工艺。将这两种工艺有机组合应用于功率型LED的制造，大大提升了LED的散热性能和耐高温性能。

Description

一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，涉及具有全金属连接特征的一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备。
背景技术
随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体灯采用发光二极管(LED)作为新光源，同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍，因此半导体照明(亦称固态照明)具有节能、长寿命、免维护、环保等优点。目前单一功率型LED芯片的功率已经做到了5W，从器件角度来讲功率型LED在普通照明灯具特别是路灯应用领域已经成为可能。然而，要广泛地将LED应用到通用照明领域，仅有大功率的LED芯片还是远远不够的，还必须要解决其封装问题。
由于市场需求的多样性，功率型LED的封装结构正朝着多样性方向迅速发展，但是不论哪一种封装结构，都存在着芯片、热沉以及散热器等零部件的互联问题。这些部件之间的互联界面既起着结构支撑和电气通路的作用，同时更是芯片热量的主要散发通道(也称热界面)。典型的功率型LED封装结构如图1所示。LED芯片1与热沉2之间有一个界面层，即芯片-热沉互联界面；在热沉2与散热器座3之间也有一个界面层，即热沉-散热器座互联界面。
LED芯片在发光时会产生大量的热量，这个热量必须及时散发出去以保证芯片温度在许可的温度范围内，否则将导致发光效率的降低甚至烧损芯片。热量主要通过芯片-热沉界面层、热沉2、热沉-散热器界面层、散热器座3等部分所构成的散热通道散发出去。因此，如何降该低散热通道的热阻，确切地说如何降低两个互连界面层(也称热界面)的热阻是功率型LED封装的关键，也是难点所在。
目前芯片-热沉-散热器座之间通常采用导电/热胶粘接工艺来实现。导电/热胶(也称银料浆)粘接具有成本低廉、工艺简单成熟等特点。从连接机理上讲，它是在被连接材料之间靠有机胶体形成的一种粘接结构，没有形成真正的冶金连接，导电导热功能靠的是弥散在胶中的金属粉末的接触传导实现的，其连接界面的微观结构如图2(a)所示。由于银料浆中的环氧树脂的低分解温度和低的导热导电系数，这种界面互联工艺有一个致命的弱点，就是耐高温性能和导热性能差，尤其是对于需要长时间工作在高温状态下的大功率LED灯具特别是路灯来讲，这种封装工艺是难以满足使用要求的。
无铅回流焊工艺是另一种有效的连接LED芯片和热沉的工艺。它是将Sn-3.5Ag等钎料合金粉末与助焊剂等有机成分混合配成焊膏，利用点胶机或丝网印刷机将焊膏涂敷到被连接的工件之间，然后放到可以程序设定温度的回流焊炉中进行焊接的一种连接工艺。其焊接温度一般在240-260℃之间。与导电胶粘接结构相比，无铅回流焊工艺所形成的接头是完整的冶金连接，具有界面热阻低、导热能力强和耐高温性能高等特点，其连接界面的显微结构如图2(b)所示。目前国外的主要LED灯具生产商，如Osram和Cree公司都已经有基于无铅回流焊工艺的SMT封装的LED灯具产品销售。但是，由于功率型LED结构上的限制，芯片-热沉之间和热沉-散热器之间的两级互联很难在一次焊接过程中同时完成，通常采用两级封装的工艺。即首先采用无铅回流焊工艺进行芯片-热沉的互联(一级封装)，然后将封装好的芯片-热沉体利用导电/热胶粘接到散热器座上(二级封装)。即采用的是“无铅回流焊+导电胶粘接”的组合工艺来制造的。
无论是直接的导电胶粘接工艺还是“无铅回流焊+导电胶粘接”工艺，在从LED芯片到散热器的散热通道上都至少有一层导热性能和耐高温性能较差的胶层存在。胶层的存在大大降低了LED芯片所产生热量的传导速度，限制了LED发光功率的提高；同时由于胶层耐热性差，高温老化速度快，也限制了功率型LED的高温可靠性和使用寿命。
纳米金属粉末低温烧结技术是一种新型的连接芯片和热沉的工艺。以纳米银膏低温烧结为例，就是在远低于银的熔点的温度下，纳米银粒子之间依靠快速扩散从而形成可靠的金属连接的现象。该技术的最大特点是可以在低温下(280℃)进行烧结互联，而烧结完成后的接头可以承受高温(650℃)而不发生熔化。纳米银膏烧结后形成的接头具有高熔点、高导电、高导热性能以及低的弹性模量等特征，同时还具有高导热、导电性及优良的机械性能，其连接界面的微观结构如图2(c)所示。天津大学材料学院的长江讲座教授陆国权(G-Q Lu)等首先提出了纳米银膏的低温烧结技术，并将其用于功率电子器件的一级封装工艺并申请了美国发明专利(No：12/019,450)。天津大学的陈旭教授等提出了采用纳米金属低温烧结工艺进行大功率LED芯片与热沉的连接工艺(即一级封装)并申请了发明专利(ZL200610014157.5)。上述两项专利都只是解决了芯片-热沉之间的互联问题，尚没有解决热沉与散热器的互联问题，即功率型LED灯的二级封装问题在上述专利中都没有涉及和解决。
综上所述，虽然现有技术已经较好的解决了功率型LED封装中的芯片-热沉之间的互联问题，不论是无铅回流焊工艺还是最新的纳米银膏低温烧结工艺，都可以在芯片和热沉之间形成一个导热性能良好的具有冶金连接特征的界面层，但是芯片-热沉体与散热器座之间的互仍然采用导热胶粘接工艺来实现。因此，如何在芯片-热沉体与散热器座之间形成一种具有金属冶金特征的结合界面成为制约功率型LED灯具散热性能和高温可靠性的一个瓶颈问题。现有技术水平条件下，主要制约因素来自于以下几方面：
其一，用于一级封装的高温无铅钎料合金尚未开发出来。要制造出两个全金属的连接界面，必须采用两级封装工艺。前级封装(即一级封装)所形成的界面层在下一级封装(即二级封装)过程中要保持不发生重新熔化而失效。即需要两种熔点差别较大的钎料，一级封装采用高熔点钎料而二级封装采用低熔点钎料，二者的熔点差要在100℃左右。传统电子封装领域里，一级封装一般采用高铅含量的锡铅钎料进行焊接(熔点在280℃左右)，而二级封装采用锡铅共晶钎料进行连接(熔点在183℃左右)，可以保证在第二次回流焊时前一级的高铅钎料的焊接界面不回发生重新熔化。由于含铅钎料的禁用，同时目前高温无铅钎料合金(固相线要求在270℃以上)尚未开发出来，因此当用无铅回流焊工艺封装LED灯时，芯片-热沉体的连接只能采用熔点在220℃左右的Sn-Ag或Sn-Ag-Cu等无铅钎料进行焊接，随后的热沉与散热器座的连接就没有熔点合适的钎料可供使用(低熔点的无铅钎料如Sn-Bi系和Sn-In系无铅钎料虽然熔点满足要求，但是Sn-Bi合金很脆，力学性能难以满足要求而Sn-In钎料由于熔点过低同时价格过高也不能满足散热器座大批量生产的焊接需要)。
其二，现有的无铅回流焊接设备和工艺尚难以实现对体积和热容量都差别巨大的“芯片-热沉体”(体积小，热容量小，回流焊加热时升温快易过热)与散热器座(体积大，热容量大，加热时升温慢，难以达到焊接所需的温度)之间的焊接。目前的回流焊工艺一般采用红外和热风加热工件，工件以一定的速度依次通过各个预先设定好炉温的各个温区来实现焊接。该工艺焊接时间短，自动化程度高，但只适合于体积和热容量都较小的PCB板及尺寸较小的元器件的焊接。而功率型LED灯的散热器座是由铜或铝合金材料制成，体积与热容量都比热沉体大很多，在上述的回流焊工艺下，它们的温度很难均匀化。如果保证芯片部分不因过热而损坏，那么散热器座部分就难以达到焊接所需要的温度而致焊料不熔化。如果加热时间太长或者加热温度太高，虽然散热器座的温度可以达到焊接所需的温度，但芯片就会因为过热而损坏。
其三，纳米金属粉末烧结的工艺和成本限制。虽然纳米金属粉末烧结工艺可以形成耐高温的结合界面，但是目前还只能用在诸如芯片-热沉间的小面积界面的互联上，当被连接的面积超过5mm2时，烧结过程中膏体中的有机物溢出困难，容易出现大的孔洞缺陷，而且残余应力也显著增大，在热循环条件下容易造成开裂。因此从工艺上讲，该工艺还只适合于封装芯片-热沉体，而不适合于连接面积更大的热沉体与散热器座之间的互联。另外，较高的成本也是限制因素之一。
总之，在目前技术条件下，还不能实现从芯片到热沉再到散热器三者之间完全的冶金连接，特别是在热沉与散热器座之间目前还只能采用导电/热胶粘接的工艺进行连接。
发明内容
本发明提出了一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备，一种在芯片-热沉以及热沉-散热器两个互连界面上均实现冶金连接的封装技术，即“纳米金属粉末低温烧结+单面加热的无铅回流焊”两级封装技术。该封装技术充分利用了纳米金属粉末低温烧结后形成的接头能够承受高温(650℃)而不发生重新熔化而失效的特点，将其用于芯片-热沉体的一级封装过程，二级封装采用无铅回流焊工艺实现热沉与散热器座之间的连接，取代目前的导热胶粘接工艺。采用该封装工艺，在芯片-热沉之间以及热沉-散热器座之间的都实现了冶金连接。可以有效解决在功率型LED灯具封装中连接界面处的热阻高及抗高温老化性能差的问题。
本发明的一种功率型LED灯，是在LED芯片、热沉和散热器之间形成的是两个具有冶金连接的结合界面，为LED芯片发光过程中产生的热量建立了一个低热阻的完整金属散热通道。
本发明的功率型LED灯的封装技术，芯片与热沉采用纳米金属粉末低温烧结技术进行连接；热沉与散热器座采用无铅回流焊工艺进行连接。
本发明所述的无铅回流焊采用从散热器座的底面一侧加热，从上方的芯片-热沉体一侧吹冷却气体的底面单面加热顶部通气体冷却的回流焊工艺。
本发明用于二级封装的无铅回流焊采用本发明的底面加热顶部冷却的回流焊工艺来实现，它不同于目前广泛应用于电子封装行业的回流焊工艺。为了解决由于热沉与散热器座之间热容量差别巨大而导致的加热温度不均匀问题，设计了专用的底面加热顶部冷却的专用回流焊工艺和相应的实现设备。设备特征和使用方法具体说明如下：
如图3所示为该回流焊设备的示意图，它主要由炉体外套9、热板10、电阻加热器11、冷却器罩12、温度控制器13以及热电偶14等部分构成。在散热器座3与芯片-热沉体2之间预先涂敷有无铅焊膏6后放置在热板10上；将热电偶14固定在散热器座的上表面，实时监测工件表面的温度。温度控制器13连接热电偶14和控制电阻加热器11，通过温度控制器13控制电阻加热器11的加热功率保证散热器座上表面的温度符合规定的回流焊温度曲线。在加热过程中为防止芯片因过热而损坏，在芯片顶部设置有冷却器罩12，需要从顶部通过冷却器罩12将冷气吹入冷却芯片1。通过反复调解加热控制器的PID参数使其与冷却气体的流量相匹配，就可以保证无铅焊膏6的熔化和铺展的同时LED芯片部分不会因为过热而损坏。
本发明的LED芯片与热沉之间互联的一级封装采用现有的纳米银膏低温烧结技术来实现。
图2和表1的内容可以说明本发明的有益效果：
图2分别给出了导电银胶粘接界面、纳米银膏低温烧结界面、和无铅回流焊接界面层的微观组织特征照片。图2(b)是导电胶粘接接头，其中(2-a)是导电胶中起导电/热作用的银颗粒，周围则充满了树脂胶。这种界面主要靠这些银颗粒之间的接触来实现热量传导的功能，颗粒之间以及银颗粒与被连接界面之间没有形成冶金连接，因此导电和导热性能差，耐高温性能也差。图2(b)是纳米银膏烧结接头的显微组织，可以看出纳米银粒子(2-b)之间由于烧结左右形成了冶金连接桥，这样就形成了一种冶金连接的接合界面，导热性能大大提高。图2(c)是无铅回流焊的接头，它形成的是典型的焊接接头，钎料层(2-c)发生熔化并与被连接材料发生冶金反应形成冶金接合。表1给出了上述几种不同的连接界面的主要性能指标的比较。可以看出，纳米银膏烧结工艺和无铅回流焊工艺的连接界面层不论是其最高使用温度还是导热性能都要明显优于目前应用的导电胶粘接工艺，也优于锡铅回流焊工艺。将这两种工艺有机组合应用于功率型LED的制造，大大提升了LED的散热性能和耐高温性能。
表1不同封装方法的界面互联层的性能比较
Figure A20091006962900061
Figure A20091006962900071
附图说明
图1：现有的功率型LED封装结构；
图2(a)：导电银胶粘接；
图2(b)：纳米银膏低温烧结；
图2(c)：无铅回流焊接的界面组织显微结构图；
图3：本发明的回流焊炉示意图；
图4：LED芯片-热沉的一级封装示意图；
图5：芯片-热沉体与散热器座的二级封装示意图；
图6：反光罩杯的装配和电极的丝线键合；
图7：实施例2带有预制凸台的散热器座时的二级封装过程示意图；
图8：实施例3在高散热性能的陶瓷基板上直接焊接芯片-热沉体的示意图；
其中：1-芯片、2-热沉、3-散热器座、4-反光罩杯、5-纳米银膏、6-无铅焊膏、7-外电极引线、8-金线、9-炉体、10-热板、11-电阻加热器、12冷却器罩、13-温度控制器、14-热电偶、15-镂空的PCB板、16-高导热性电路基板。
具体实施方式
本发明所述的制作具有两个冶金连接界面的功率型LED灯的实施包括以下步骤：
实施例1：
1)如图5所示，利用定量点胶机或丝网印刷机将无铅焊膏6涂敷在散热器座3上需要安装热沉的位置，然后将经低温烧结封装好的芯片-热沉体放置到焊膏上并施加一定的压力以使热沉和散热器之间的焊膏均匀分布。
2)将试样整体放入图3所示的专用回流焊炉中进行回流焊接。设备由炉体外套9、热板10、电阻加热器11、冷却器罩12、温度控制器13以及热电偶14等部分构成。在散热器座3与芯片-热沉体2之间预先涂敷有无铅焊膏6后放置在热板10上；将热电偶14固定在散热器座的上表面，实时监测工件表面的温度。温度控制器13连接热电偶14和控制电阻加热器11，通过温度控制器13控制电阻加热器11的加热功率保证散热器座上表面的温度符合规定的回流焊温度曲线。在加热过程中为防止芯片因过热而损坏，在芯片顶部设置有冷却器罩12，需要从顶部通过冷却器罩12将冷气吹入冷却芯片1。通过反复调解加热控制器的PID参数使其与冷却气体的流量相匹配，就可以保证钎料熔化和铺展的同时LED芯片部分不会因为过热而损坏。具体的工艺参数为：以5-20度/分的速度加热到120-150度，保温使整体温度均匀；然后以20-60度/分的速度迅速加热到240-260度进行回流焊接，240度以上温度时间应控制在30-240秒，最高温度应控制在265度以下；焊接完后自然冷却至室温即完成二级封装过程。
3)如图6所示，回流焊接完成后，将反光罩杯4安装到热沉2上，然后用金线8通过丝线键合工艺将芯片电极与外电极引线7进行互联，再用手工焊将外外电极引线7与镂空的PCB板15上的电路进行互联，完成电气连接。最后在LED芯片上灌注透明树脂或安装透镜组形成一个完整的LED灯。
经过上述步骤，制备了一种功率型LED灯。在LED芯片、热沉和散热器之间形成的是两个具有冶金连接结合界面，为LED产生的热量提供了一个完整的金属散热通道。下面再结合实例具体介绍几个本发明的典型实施例。
实施例2：如图4-6所示。
一级封装过程：
1)如图4所示，将配制好的纳米银膏5利用点胶机定量点注到热沉2的上表面，然后利用真空镊子将LED芯片1放置到金属膏上并压紧，使纳米金属膏在芯片与热沉之间均匀铺展，并控制膏层的厚度在10-40um范围内。
2)将已经预置好纳米金属膏的芯片-热沉体放入到真空干燥器中放置24小时，使金属膏内的有机溶剂能缓慢而彻底地挥发出来，同时又不会在胶层内形成气孔而影响随后的烧结质量。
3)将充分干燥后的芯片-热沉体2放入烧结炉中进行低温烧结。具体的烧结参数为：以20度/分的升温速度加热到150度并保温5分钟；然后继续以10度/分的速度加热到280度，然后保温30分钟，然后随炉冷却至室温。在加热过程中对芯片施加0.5-2.0MPa的压力，保证烧结层的致密性。
二级封装过程：
4)如图4所示，利用定量点胶机或丝网印刷机将Sn-3.5Ag的无铅焊膏6涂敷在散热器座3上需要安装热沉的位置，然后将经低温烧结封装好的芯片-热沉体放置到焊膏上并施加一定的压力以使热沉和散热器之间的焊膏均匀分布。
5)将试样整体放入图3所示的专用回流焊炉中进行回流焊接。具体的工艺参数为：以5-20度/分的速度加热到120度，保温使整体温度均匀；然后以40度/分的速度加热到250度进行回流焊接，散热器座上表面的最高温度应控制在255度以下；焊接完后自然冷却至室温即完成二级封装过程。
6)如图6所示，回流焊接完成后，将反光罩杯4安装到热沉2上，然后用金线8通过丝线键合工艺将芯片电极与外电极引线7进行互联，再用手工焊将外电极引线7与镂空的PCB板15上的电路进行互联，完成电气连接。最后在反光罩杯内灌注透明树脂形成聚焦镜头，即完成了最后的封装工艺。
通过以上步骤，在LED芯片、热沉和散热器之间形成了两个具有冶金连接特征的结合界面，制备出了一个具有完整的金属散热通道的功率型LED灯。
实施例3：如图7所示。
1)芯片-热沉的低温烧结工艺同实施例1，所不同之处在于二级封装。如图7所示，散热器座上预先制作出焊接热沉需要的凸台3-1，凸台的高度与随后粘贴的镂空PCB板厚度一致。粘贴镂空的PCB线路板后，凸台的上表面与PCB板上的焊盘处在同一平面上，用丝网印刷机在凸台和相应的PCB板焊盘上印刷上无铅焊膏层6。
2)在经一级封装完成后的芯片-热沉体2上先安装带有外电极引线7的反光罩杯4，然后用金线8通过丝线键合工艺与芯片电极互联。
3)将安装好反光罩杯的芯片-热沉体贴装到预涂敷无铅焊膏的散热器座3和镂空的PCB板上，保证外引线电极与PCB板上的对应焊盘接触良好，然后放入图3所示的炉子中进行回流焊接，焊接工艺参数同实施例1。
最后灌注透明树脂，密封LED芯片。由于采用了预制凸台的散热器座，简化了无铅焊膏的涂敷工艺和焊接工艺，在一次回流焊中即可以同时实现热沉-散热器的连接以及外电极引线与PCB线路板焊盘的电气连接。
通过以上步骤，在LED芯片、热沉和散热器之间形成了两个具有冶金连接特征的结合界面，同时外电极引线与PCB板上的焊盘的连接也在二级封装的回流焊过程中同时完成，省略了实施例1的手工焊接步骤，制备出了一个具有完整的金属散热通道的功率型LED灯。
实施例4：如图8所示。
如果采用高散热性能的基板，如金属芯基板或陶瓷基板的情况下，芯片-热沉体2也可以直接焊接到基板之上，如图8所示。这种情况下，芯片-热沉体2的低温烧结工艺同实施例1。二级封装时，采用丝网印刷技术将无铅焊膏直接印刷到预先设计好电路布线的高导热性电路基板16上，然后将芯片-热沉体贴装到基板上。放入图3所示的回流焊炉中进行回流焊接，完成二级封装。该实施例可以进一步简化二次封装工艺并缩小芯片-热沉体的体积，在同样面积的基板上可以封装更多个LED发光单元，提高发光密度。
制备完成了一种基于高散热性能基板的LED灯。在LED芯片、热沉和基板三者之间形成的是两个具有冶金连接的结合界面，为LED产生的热量快速传导至基板侧提供了一个完整的金属散热通道。同时，提高了封装密度，在同样大的面积上可以封装更多个LED发光单元。
本发明公开和揭示的一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备。尽管本发明的技术已通过较佳实施例进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的技术改动，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (4)

1.一种功率型LED灯，其特征是在LED芯片、热沉和散热器之间形成的是两个具有冶金连接的结合界面，为LED芯片发光过程中产生的热量建立了一个低热阻的完整金属散热通道。
2.权利要求1的功率型LED灯的封装技术，芯片与热沉采用纳米金属粉末低温烧结技术进行连接；其特征是热沉与散热器座采用无铅回流焊工艺进行连接。
3.如权利要求2所述的功率型LED灯的封装技术，其特征是所述的无铅回流焊采用从散热器座的底面一侧加热，从上方的芯片-热沉体一侧吹冷却气体的底面单面加热顶部通气体冷却的回流焊工艺。
4.实现权利要求2或3的封装技术的回流焊工艺设备：包括炉体外套(9)、热板(10)、电阻加热器(11)、冷却器罩(12)、温度控制器(13)以及热电偶(14)部件；其工艺特征是：在散热器座(3)与芯片-热沉体(2)之间预先涂敷无铅焊膏(6)后放置在热板(10)上，将热电偶(14)固定在散热器座的上表面，温度控制器(13)连接热电偶(14)和控制电阻加热器(11)，保证散热器座上表面的温度符合规定的回流焊温度曲线；在芯片顶部设置有冷却器罩(12)，吹入冷却气冷却芯片。
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