CN101820044B - 金属基板及金属基板的led的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种金属基板及金属基板的LED的封装方法，利用金属基板通过冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘，并在基板上形成绝缘层，通过丝网印刷的办法形成共晶焊垫，反射金属层，引线和金属焊垫；然后在金属基板上进行芯片的共晶焊接。点荧光粉，送入烤箱进行荧光粉固化。上透镜、注胶、送入烤箱固化。切割线路板得到基板封装的大功率LED。本发明提出的金属基板的LED的封装方法，金属基板的工艺采用冲压和丝网印刷的工艺，这样能够保证基板上的图形的精确度，同时也节省了材料成本。

Description

金属基板及金属基板的LED的封装方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种金属基板，同时涉及一种金属基板的LED的封装方法。

背景技术

功率型发光二极管(Light Emitting Diode，LED)被认为是替代现有各种照明光源的最有潜力的半导体器件。目前市面上的功率型封装有支架型和基板型两种封装形态。支架型封装形态成熟的有Lumileds公司推出的Luxeon系列，Osram公司推出的Dragon系列以及Cree公司推出的Xlamp系列。国内封装厂商很多都仿制它们的外型。支架型封装的优点是器件结构稳固，工艺易于量产，适于做共晶焊接，点荧光粉胶体以及模造透镜等。但是其突出的缺点是在线路板和芯片之间多了中间热沉以及散热界面，需要回流焊才能使用，从而增加成本。较长的散热路径和多出来的散热界面，将大大降低LED散热特性。

市场上基板型的功率型LED封装一般如图1所示，在基板201(Al基板或Cu基板)上冲压出较深的反射碗杯202及透镜的固定孔203，边缘还有基板的固定孔204。芯片205通过Ag胶固定在碗杯202内，芯片电极206与基板电极206相连，电极206与基板201之间制备绝缘层207。焊线后在碗杯内202点荧光粉208，然后把透镜209盖在基板201上，透镜脚210穿过透镜孔，一般在透镜209和基板201之间填封胶水，以固定透镜209，保护内部的引线、电极206。

基板型的封装直接把芯片焊接在散热基板上，省却了很多工艺，材料，同时散热效率得到提高。不过目前市场上这类封装还处于低端产品阶段。有以下几个原因：(1)发光效率很难提高，在透镜和基板间的胶体很难填充满而没有空气界面，而空气界面会引起光的损失。即使通过一定的工艺手段在图1透镜里填充满胶体，因为胶体和透镜材料不是同一种物质还是容易形成光学界面或两者脱离。(2)由于基板尺寸及质量均较大，现有的封装设备比较难以大规模生产。(3)由于反射碗杯较深，很难进行共晶焊操作，而只能进行银胶的固晶。(4)荧光粉点胶只能在碗杯内进行大面积点胶，造成光色不均匀，白光色区不稳定，增加分bin数量、封装成本或降低产品品质。

为此，本发明提供一种金属基板的LED结构及其制作方法解决传统基板封装中的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种金属基板，可解决传统金属基板大功率LED封装的出光效率低，白光光色性能差，散热不畅等技术问题。

此外，本发明提供一种金属基板的LED的封装方法，可解决传统金属基板大功率LED封装的出光效率低，白光光色性能差，散热不畅等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种金属基板，所述金属基板通过冲压得到若干单元结构，每个单元包含透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘；所述金属基板的中间为芯片共晶焊接区，比芯片面积大；最上一层为Ag层，Ag层通过金属黏结层、绝缘层与金属基板连接；所述荧光粉涂敷槽包围共晶焊接区，在荧光粉涂敷槽的外侧对称分布电极焊盘，其高度与荧光粉涂敷槽相同，以避免引线与荧光粉涂敷槽相连，引起短路；所述透镜安装槽包围电极焊盘及荧光粉涂敷槽，其槽托的高度高于焊线槽，低于基板上表面，在透镜槽对称的外侧有若干突出，为透镜胶体灌封使用；冲压成型后，该部分为中空，以便胶水注入和排气；在透镜槽外侧为基板上表面，其上有连接线路和外接电极焊盘。

作为本发明的一种优选方案，所述荧光粉涂敷槽的内侧面冲压成斜面，以保证侧面光的出射。

作为本发明的一种优选方案，所述电极焊盘、透镜安装槽衬托及基板表面的金属使用斜面连接，防止断路。

作为本发明的一种优选方案，在透镜槽的外侧对称置有两个耳状突出，为透镜胶体灌封使用。

作为本发明的一种优选方案，所述外接电极焊盘的纵向结构与共晶焊盘相同，并同时通过丝网印刷制备。

一种上述金属基板的LED的封装方法，所述方法包括如下步骤：

利用上述金属基板，通过冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘，并在基板上形成绝缘层，通过丝网印刷的办法形成共晶焊垫，反射金属层，引线和金属焊垫；然后在金属基板上进行芯片的共晶焊接。点荧光粉，送入烤箱进行荧光粉固化。上透镜、注胶、送入烤箱固化。切割线路板得到基板封装的大功率LED。

作为本发明的一种优选方案，所述方法包括如下步骤：

A、利用所述金属基板，在金属片上冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘；

B、利用丝网印刷技术，在金属基板相应部分制备出绝缘层、黏结金属层、焊接金属层/反射层；

C、将所述若干单元的金属基板放置于支架料盒中，将料盒装载于自动共晶焊机器中，设定自动固晶的各段加热丝的温度，把固晶时金属基板温度控制在330-350℃度范围内，固晶时间为50ms-1s范围内，固晶时压力在20-200gf/mm²；

D、开启保护气体N₂或N₂/H₂，待自动共晶机器温度达到设定值，并稳定后对芯片和基板共晶焊盘进行共晶焊；

E、将共晶焊后的金属基板进行焊线，点荧光粉操作，根据荧光粉混合胶体的成分和比例，固化温度从常温至200℃，时间从半小时至36小时；

F、在基板相应位置上盖上透镜，对透镜进行注胶操作；在透镜一侧注入Si树脂，另一侧用真空吸嘴抽取气体或自然排气，注满后高温固化，固化温度在100-180℃之间，固化时间在20分钟-2小时之间；

G、切割线路板得到基板封装的大功率LED。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤F中，在透镜槽的外侧对称置有两个耳状突出；在基板相应位置上盖上透镜，对透镜进行注胶操作；在透镜一侧的耳状突出注入Si树脂，另一耳状突出用真空吸嘴抽取气体或自然排气，注满后高温固化，固化温度在100-180℃之间，固化时间在20分钟-2小时之间。

本发明的有益效果在于：本发明提出的金属基板的LED的封装方法，金属基板的工艺采用冲压和丝网印刷的工艺，这样能够保证基板上的图形的精确度，同时也节省了材料成本。本发明工艺适合自动化作业，与支架型LED封装工艺大部分兼容，降低生产成本，提高大功率LED的质量。共晶焊工艺在保证焊接温度的前提下，采用保护气体的方法，保证共晶焊的质量。

利用本发明封装方法得到的大功率LED，其特点为：

(1)芯片直接与金属基板共晶连接，减小封装热阻。

(2)共晶焊接区所在的区域冲压深度较小，面积较大，相比传统金属基板的深杯结构，更利于共晶焊接。

(3)荧光粉槽采用斜面设计，一方面保证侧面出光，另一方面因为荧光粉被限制在芯片局部区域，发光光色均匀性好，其分BI N数量减少。

(4)透镜槽采用一面注胶一面排气的结构，有利于消除透镜和基板间的空气界面。同时采用同质的Si胶透镜，进一步减少老化过程中的新的界面生成几率。

(5)本结构的尺寸紧凑，并制备成常用的2*10或1*12单元结构，便于规模化生产。

附图说明

图1常用金属基板功率型LED封装示意图。

图2金属基板封装的大功率LED剖面结构图。

图3金属基板封装的大功率LED封装方法流程图。

图4金属基板平面示意图。

图5沿图4中对角线(1)经过基板中心，电极焊盘，引线区，外电极焊盘的切面图。

图6沿图4中线(2)经过基板中心，透镜安装槽区切面图。

图7沿图4中对角线(3)经过基板中心，透镜安装槽“耳”区切面图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明提供一种基于金属基板的大功率白光LED的封装方法。首先设计一种金属基板，通过冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘，并在基板上形成绝缘层，通过丝网印刷的办法形成共晶焊垫，反射金属层，引线和金属焊垫。然后在金属基板上进行芯片的共晶焊接。点荧光粉，送入烤箱进行荧光粉固化。上透镜、注胶、送入烤箱固化。切割线路板得到基板封装的大功率LED。

本发明中金属基板结构如图4至图7。为了方便说明，仅用一个单元做说明；基板可以使用1×12单元单排结构，也可使用2×10的单元双排结构，或者其他合适的单元排列。

图4是金属基板平面示意图，其基本材料为金属Al或金属Cu。金属基底1的中间为芯片共晶焊接区2，比芯片面积略大。如对于1mm尺寸的芯片，其面积在1.3-1.5mm之间，表面层2为Ag层，通过金属黏结层(如Ti、Ni、Cr等)，绝缘层(如SiO2，SiNX，AlO或者AlN等)与金属基板连接。包围共晶焊接区2的是荧光粉涂敷槽3，为了保证侧面光的出射，槽的内侧面冲压成一定角度的斜面，其高度在100-300微米之间。在荧光粉涂敷槽的外侧对称分布着电极焊盘4，其高度与荧光粉涂敷槽相同，以避免引线与荧光粉涂敷槽相连，引起短路。为了保证电极焊盘4，透镜安装槽5衬托及基板1上表面的金属间的连接，防止断路，三者的连接使用了斜面连接。电极焊盘4的纵向结构与共晶焊盘2相同，并同时通过丝网印刷制备。包围电极焊盘4及荧光粉涂敷槽3的是透镜安装槽5，其槽托的高度高于焊盘4高度，低于金属基底1上表面，在透镜槽5对称的外侧有两个耳状突出51，为透镜胶体灌封使用。冲压成型后，该部分为中空，方便胶水注入和排气。在透镜槽外侧为基板上表面，其上有连接线路6和外接电极焊盘7，外电极焊盘分别标有“+”“-”，对应正负电极，其纵向结构与共晶焊盘相同，并同时通过丝网印刷制备。

图5是沿图4中对角线(1)经过基板中心、电极焊盘4、引线6、外电极焊盘7的切面图。区域100是基板1中未受冲压的部分。区域100的表面101为基板1上表面，其高度高于透镜安装槽5，透镜安装槽5又高于电极焊盘区4。它们之间以斜面相连，以保证引线6不断线。共晶焊线区2表面层为Ag层，通过上述黏结金属层和绝缘层与基板1相连。外接电极7一般表面为Au，也可以为Ag层。荧光粉涂敷槽3的设置使得荧光粉胶体在芯片局部区域，保证白光空间色温分布均匀，同时在内侧做成斜面，保证侧面出光向上反射。图6为沿图4中线(2)经过基板中心，透镜安装槽5的切面图。透镜安装槽5用来安放透镜帽，同时提供透镜帽内注胶和出气的通道。基板1上表面覆盖绝缘层，通过丝网印刷制备。图7是沿图4中(3)对角线经过基板中心，透镜安装槽“耳”区切面图。在注胶/排气孔51处，“耳”区占有了部分100区域，只留较小的透镜安装槽5a区域，这样设计便于胶体和排气的畅通，同时不影响透镜的形状。

以上介绍了本发明的金属基板，本发明在揭示上述金属基板的同时还揭示了一种基于金属基板的LED的封装方法；请参阅图3，本发明方法包括如下具体步骤：

(1)根据上述设计的金属基板结构，在金属片上冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘等结构。

(2)利用丝网印刷技术，在金属基板相应部分制备出绝缘层，黏结金属层，焊接金属层/反射层。

(3)将2*10单元的金属基板放置于支架料盒中，将料盒装载于自动共晶焊机器中，设定自动固晶的各段加热丝的温度，把固晶时金属基板温度控制在330-350℃度范围内(本实施例将温度控制在330℃或340℃或350℃)，固晶时间为50ms-1s范围内(如50ms、100ms、1s)，固晶时压力在20-200gf/mm²(如20gf/mm²、100gf/mm²、200gf/mm²)。

(4)开启保护气体N₂或N₂/H₂，待自动共晶机器温度达到设定值，并稳定后对芯片和基板共晶焊盘进行共晶焊。

(5)将共晶焊后的金属基板进行焊线，点荧光粉操作，根据荧光粉混合胶体的成分和比例，固化温度从常温至200℃，时间从半小时至36小时。

(6)在基板相应位置上盖上透镜，对透镜进行注胶操作。在透镜一侧的“耳”注入Si树脂，另一“耳”用真空吸嘴抽取气体或自然排气，注满后高温固化，固化温度在100-180℃之间(如100℃、120℃、180℃)，固化时间在20分钟-2小时之间(如20分钟、1小时、2小时)。

(7)切割线路板得到基板封装的大功率LED。

上述LED封装工艺包括如下主要特点：

-金属基板的工艺采用冲压和丝网印刷的工艺，这样能够保证基板上的图形的精确度，同时也节省了材料成本。

-本工艺适合自动化作业，与支架型LED封装工艺大部分兼容，降低生产成本，提高大功率LED的质量。

-共晶焊工艺在保证焊接温度的前提下，采用保护气体的方法，保证共晶焊的质量。

根据上述的金属基板，进行共晶焊接、焊线、点荧光粉胶体、封装透镜得到金属基板封装的大功率LED，其剖面结构如图2所示。在基板1的共晶焊接区2上共晶焊接了芯片8，芯片8上电极通过引线9与电极焊盘4相连。荧光粉10涂敷在荧光粉涂敷槽3内。电极焊盘再通过引线6与外电极7相连。透镜帽11安放在透镜槽5内，透镜内注满胶体12，灌封透镜的树脂12一般为Si树脂，优选与Si树脂透镜同样材质。

本发明的大功率白光LED结构上具有以下的特点：

-芯片直接与金属基板共晶连接，减小封装热阻。

-共晶焊接区所在的区域冲压深度较小，面积较大，相比传统金属基板的深杯结构，更利于共晶焊接。

-荧光粉槽采用斜面设计，一方面保证侧面出光，另一方面因为荧光粉被限制在芯片局部区域，发光光色均匀性好，其分BIN数量减少。

-透镜槽采用一面注胶一面排气的结构，有利于消除透镜和基板间的空气界面。同时采用同质的Si胶透镜，进一步减少老化过程中的新的界面生成几率。

-本结构的尺寸紧凑，并制备成常用的2*10或1*12单元结构，便于规模化生产。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

(1)利用本发明方法制造的功率型LED热阻低。一是因为芯片直接焊接在基板上，省略了热沉及与热沉连接的界面，散热效率提高。二是共晶区域面积大，采用高耐热的绝缘材料，可以采用了严格的较高温度的共晶焊接工艺，大大降低热阻。热阻的降低将大大降低工作结温，增加发光效率，提高可靠性。

(2)利用本发明方法制造的LED白光光色均匀性好。采用荧光粉槽限制荧光粉的区域，从而得到色温稳定的白光LED，减少分BIN的数量。

(3)利用本发明方法制造的LED结构紧凑，成本低廉。由于基于芯片和金属基板的封装，省略了支架，热沉的成本，同时本发明大多数工艺与支架封装工艺兼容，可以量化生产，提高品质，降低成本。

(4)在基板上通过透镜槽的制备，以及透镜帽材质的选择，得到无空气隙的透镜封装，不易产生新的界面；增加发光效率和器件的可靠性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (8)

1.一种金属基板，其特征在于，所述金属基板通过冲压得到若干单元结构，每个单元包含透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘；

所述金属基板的中间为芯片共晶焊接区，比芯片面积大；最上一层为Ag层，Ag层通过金属黏结层、绝缘层与金属基板连接；

所述荧光粉涂敷槽包围共晶焊接区，在荧光粉涂敷槽的外侧对称分布电极焊盘，其高度与荧光粉涂敷槽相同，以避免引线与荧光粉涂敷槽相连，引起短路；

所述透镜安装槽包围电极焊盘及荧光粉涂敷槽，其槽托的高度高于电极焊盘，低于基板上表面，在透镜槽对称的外侧有若干突出，为透镜胶体灌封使用；冲压成型后，该部分为中空，以便胶水注入和排气；

在透镜槽外侧为基板上表面，其上有连接线路和外接电极焊盘。

2.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：

所述荧光粉涂敷槽的内侧面冲压成斜面，以保证侧面光的出射。

3.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：

所述电极焊盘、透镜安装槽衬托及基板表面的金属使用斜面连接，防止断路。

4.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：

在透镜槽的外侧对称置有两个耳状突出，为透镜胶体灌封使用。

5.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：

所述外接电极焊盘的纵向结构与共晶焊盘相同，并同时通过丝网印刷制备。

6.一种权利要求1至5之一所述金属基板的LED的封装方法，其特征在于，

所述方法包括如下步骤：

利用上述金属基板，通过冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘，并在基板上形成绝缘层，通过丝网印刷的办法形成共晶焊垫，反射金属层，引线和金属焊垫；然后在金属基板上进行芯片的共晶焊接；点荧光粉，送入烤箱进行荧光粉固化；上透镜、注胶、送入烤箱固化；切割线路板得到基板封装的大功率LED。

7.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、利用所述金属基板，在金属片上冲压出透镜安装槽、荧光粉涂覆槽及电极焊盘；

B、利用丝网印刷技术，在金属基板相应部分制备出绝缘层、黏结金属层、焊接金属层/反射层；

C、将所述若干单元的金属基板放置于支架料盒中，将料盒装载于自动共晶焊机器中，设定自动固晶的各段加热丝的温度，把固晶时金属基板温度控制在330-350℃范围内，固晶时间为50ms-1s范围内，固晶时压力在20-200gf/mm²；

D、开启保护气体N₂或N₂/H₂，待自动共晶机器温度达到设定值，并稳定后对芯片和基板共晶焊盘进行共晶焊；

E、将共晶焊后的金属基板进行焊线，点荧光粉操作，根据荧光粉混合胶体的成分和比例，固化温度从常温至200℃，时间从半小时至36小时；

F、在基板相应位置上盖上透镜，对透镜进行注胶操作；在透镜一侧注入Si树脂，另一侧用真空吸嘴抽取气体或自然排气，注满后高温固化，固化温度在100-180℃之间，固化时间在20分钟-2小时之间；

G、切割线路板得到基板封装的大功率LED。

8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于：

所述步骤F中，在透镜槽的外侧对称置有两个耳状突出；

在基板相应位置上盖上透镜，对透镜进行注胶操作；在透镜一侧的耳状突出注入Si树脂，另一耳状突出用真空吸嘴抽取气体或自然排气，注满后高温固化，固化温度在100-180℃之间，固化时间在20分钟-2小时之间。

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