CN102166691A - 一种微焊接材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体照明技术，尤其涉及一种LED封装用微焊接材料及其其制备方法。微焊接材料呈条状，包括焊芯和包覆于焊芯外的外皮；焊芯是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯中的含量为78.9%-82%；外皮为层状结构，由Au镀层和Sn镀层交替组合而成，至少有二层，且最外层为Au镀层，其中Au在外皮中的含量为78.9%-82%。制备方法包括以下步骤：延展，将Au延展成薄片；卷附，将第1步延展后的Au薄片卷附于一棒状部件；熔Sn，在一设有加热装置的容器内将Sn熔融；加Au，用卷附有Au的棒状部件容器内搅拌；挤出成型，冷却；镀Sn。本发明提供一种焊接时不损伤LED芯片且方便实现自动化焊接作业的微焊接材料。

Description

一种微焊接材料

技术领域

本发明涉及半导体照明技术，尤其涉及一种LED封装用微焊接材料及其制备方法。

背景技术

LED灯具有寿命长、省电力的特点，越来越广泛地应用于照明领域。传统的LED封装，固晶材料一般采用银浆。这种以银浆为固晶材料封装技术，是目前LED照明领域的主流。如中国专利文献CN201396621于2010年2月3日最新公开的一种大功率LED光源结构，其包括：一铜基板，包括绝缘基板层和覆盖其上的铜箔层；复数LED片，矩阵排列于铜基板上；一散热器，设置于铜基板上一侧，并通过导热硅胶与铜基板接触。进一步的所述的LED片包括散热板，其中间为镂空，外缘为带内凹弧的多边形；LED晶片，设置于散热板的镂空部；高导热银浆分布于LED晶片、散热板与铜基板之间；硅胶封装于铜基板上方，包覆LED晶片和散热板。再如中国专利文献CN201017896于2008年2月6日公开的一种发光二极管的封装结构，该LED发光二极管的封装结构的铝基板采用阳极氧化处理工艺处理且在其面形成一层绝缘氧化层，LED的硅晶片直接封装在绝缘氧化层上，绝缘氧化层上采用银浆烧结工艺设有导电层，硅晶片通过金丝电极与导电层相连接。传统的封装方式是造成LED光衰的主要原因，特别是使用半年后急剧光衰的主要原因：一方面一般银浆的导热系数只有3w/mk，而基板的导热系数＞200w/mk，芯片发热要传到基板，通过银浆产生散热瓶颈，不能及时导出热量，使LED芯片过热，因而造成光衰；另一方面也有将银浆做到20w/mk，即现在市面上流行的高导热银浆，但因所在银浆都需要高分子材料（如硅胶）作为载体，而所有高分子材料都存在气密性的问题，也就是所有高分子都会透空气、水蒸汽等，而银遇到气体后会发生氧化，氧化后的氧化银浆导热系数仅剩下0.2w/mk。参考图7，其中曲线A是采用传统封装LED光衰试验绘制的光衰图，由此可以看出，使用到了500小时以后，LED急剧光衰。

为解决上述问题，早在上个世纪90年代，就有专家提出采用金锡合金作为固晶材料，如中国专利文献CN1066411于1992年11月25日公开的金锡钎料的制造方法，一种大功率、高技术领域用半导体器件用的金锡焊料(含Sn18～23％，余量为Au)的制造方法，采用多层复合技术将分别预处理过的、轧至一定厚度的金带和锡带按照Au/Sn/Au……/Sn/Au 的方式彼此相间层叠在一起(至少5层)，预压结成复合坯料，再冷轧成所需规格的箔材。本发明方法能可靠地保证焊料在钎焊温度下发生共晶反应，得到成分均匀、致密的钎接头。然而，十几年来，这种焊料并未得到广泛的应用，其不足之处是显而易见的，该焊料的层状结构决定了其只能加工成片状，一方面又决定了其焊接工艺只能将基板、焊料、晶片叠加后焊接，这样一来，晶片在焊接过程中要承受280℃以上的高温，并且要保持一定时间，必要时在基板和晶片之间还有预压力，这就大大增加了损伤晶片的机会，有些损伤甚至是隐形的，晶片工作一段时间后才有所表现；另一方面片状焊料需要预先裁切，定量不易准确且不方便自动化生产作业。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种焊接时不损伤LED芯片且方便实现自动化焊接作业的微焊接材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种微焊接材料，呈条状，其特征在于：包括焊芯和包覆于焊芯外的外皮；焊芯是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯中的含量为78.9%-82%；外皮为层状结构，由Au镀层和Sn镀层交替组合而成，至少有二层，且最外层为Au镀层，其中Au在外皮中的含量为78.9%-82% 。

在本发明的一个实施例中，Au在焊芯中的含量为79%-81%、或79.2%、或79.4%、或79.5、或79.6%、或79.8%、或80%、或80.2%、或80.4%、或80.5%、或80.6%、或80.8%、或80.9% 。

微焊接材料，其特征在于：所述焊芯包括至少二条子焊芯。

微焊接材料，其特征在于：二条以上子焊芯绞合设置成所述焊芯。

微焊接材料，其特征在于：所述Au镀层及所述Sn镀层均采用真空镀方式设置而成。

微焊接材料，其特征在于：所述焊芯的最大直径为10μm-150μm。

在本发明的一个实施例中，所述焊芯的最大直径为15μm、或20μm、或30μm、或40μm、或50μm、或60μm、或70μm、或80μm、或100μm、或120μm、或140μm。

微焊接材料，其特征在于：所述子焊芯的直径为5μm-20μm。

在本发明的一个实施例中，所述子焊芯的直径为6μm、或8μm、或10μm、或12μm、或15μm、或16μm、或18μm。

微焊接材料，其特征在于：所述Au镀层的厚度为2nm-50nm，所述Sn镀层的厚度为8nm-50nm。

在本发明的一个实施例中，所述Au镀层的厚度为4nm-10nm，所述Sn镀层的厚度为6nm-12nm。

微焊接材料，其特征在于：所述焊芯包括三条子焊芯，三条以上子焊芯绞合设置；所述Au镀层及所述Sn镀层均采用真空蒸镀方式设置而成；所述焊芯的最大直径为50μm；所述Au镀层的厚度为2nm-50nm，所述Sn镀层的厚度为8nm-50nm。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

一种微焊接材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第1步，延展，将Au延展成薄片；第2步，卷附，将第1步延展后的Au薄片卷附于一棒状部件；第3步，熔Sn，在一设有加热装置的容器内将Sn熔融；第4步，加Au，用第2步所述的卷附有Au的棒状部件在第3步所述的容器内搅拌；第5步，挤出成型，冷却；第6步，镀Sn；第7步，镀Au。

微焊接材料的制备方法，其特征在于：还包括设置于第5步和第6步之间的成束步骤，即将第5步成型的半成品直接成束或绞合成束。

微焊接材料的制备方法，其特征在于：第1步所述的延展，Au薄片的厚度小于10μm；第2步所述的棒状部件为Pt或陶瓷材料；第3步熔Sn的温度为275℃-310℃；第5步和第6步之间还设有成束步履，即第5步同时挤出3条半成品，将三条半成品在线绞合成一束；第6步所述的镀Sn及第7步所述的镀Au均为真空蒸镀。

本发明的微焊接材料，采用条状的AuSn共晶体，外部包覆层状外皮，是一种软包硬结构，可以减小微焊条因外力而折断机会，具有一定的抗冲击能力；尤其是采用了二条以上子焊芯的情况，微焊条抗外力冲击的能力更高；由于本发明的微焊材料呈条状，且具有抗冲击能力，可以采用焊枪定温、定量点射方式向基板点射熔融焊料，在焊料未固化前放置LED芯片再冷却即可，因此在整个焊接过程中，LED芯片仅很少的时间承受高温，大大地减小了损伤LED芯片的机会；本发明的微焊接材料，因为可采用焊枪定温定量点射，整个焊接过程很容易实现高效自动化作业。与银浆固晶相比，本发明的优点在于抗氧化性好、导热系数高。与片状金锡焊料相比，本发明的优点在于焊接时LED芯片承受高温时间短，不易损伤LED芯片，并容易实现自动作作业。

附图说明

图1是本发明第一个实施例示意图。

图2是本发明第二个实施例示意图。

图3是本发明第三个实施例示意图。

图4是本发明第四个实施例的流程图。

图5是本发明第五个实施例示意图。

图6是本发明第六个实施例示意图。

图7是传统LED封装与本发明第六个实施例之LED封装的光衰对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详述。

参考图1，本发明的第一个实施例是一种微焊接材料，呈条状，包括焊芯101和包覆于焊芯101外的外皮102/103；焊芯101是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯101中的含量为80%；外皮102/103为层状结构，由Au镀层103和Sn镀层102组成，外层为Au镀层103，其中Au在外皮中的含量为80% ；本实施例中，所述Au镀层103及所述Sn镀层102均采用真空蒸镀方式设置而成，当然，也可以采用真空溅射方式。

参考图2，本发明的第二个实施例也是一种微焊接材料，呈条状，包括焊芯和包覆于焊芯外的外皮202/203；焊芯是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯中的含量为80.05%；外皮202/203为层状结构，由Au镀层203和Sn镀层202组成，外层为Au镀层203，其中Au在外皮202/203中的含量为80.05%；本实施例中，所述焊芯由三条子焊芯201绞合设置而成；本实施例中，所述Au镀层203及所述Sn镀层202均采用真空蒸镀方式设置而成。所述焊芯的最大直径为40μm，焊芯的最大真径指的是焊芯截面所内接的最大圆的直径，本实施例中，所述子焊芯201的直径为18μm。当然，根据具体焊接设备和具体用途也可以采用其它规格如15μm、或20μm、或30μm、或40μm、或50μm、或60μm、或70μm、或80μm、或100μm、或120μm、或140μm最大直径的焊芯，本实施例中，Sn镀层202的厚度为10nm，Au镀层203的厚度约为8nm，具体厚度依Au和Sn的组分配比。

参考图3，本发明的第三个实施例也是一种微焊接材料，呈条状，包括焊芯和包覆于焊芯外的外皮302/303；焊芯是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯中的含量为79.9%；外皮302/303为层状结构，共四层，由二层Au镀层303和二层Sn镀302层交替组合而成，最外层为Au镀层303，Au在外皮中的含量为79.9% 。本实施例中所述焊芯为七条子焊芯301绞合设置而成。所述Au镀层及所述Sn镀层均采用真空蒸镀方式设置而成。本实施例中，焊芯的最大直径为60μm，子焊芯301的直径为20μm；2层所述Sn镀层302的厚度均为10nm，2层Au镀层303的厚度均约为8nm。

参考图4，本发明第四个实施例是一种微焊接材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第1步，延展，将Au延展成薄片；第2步，卷附，将第1步延展后的Au薄片卷附于一棒状部件；第3步，熔Sn，在一设有加热装置的容器内将Sn熔融；第4步，加Au，用第2步所述的卷附有Au的棒状部件在第3步所述的容器内搅拌；第5步，挤出成型，冷却；第6步，镀Sn；第7步，镀Au。本实施例中，第1步所述的延展，Au薄片的厚度小于10μm；第2步所述的棒状部件为Pt或陶瓷材料；第3步熔Sn的温度为275℃-310℃；第5步和第6步之间还设有成束步履，即第5步同时挤出3条半成品，将三条半成品在线绞合成一束；第6步所述的镀Sn及第7步所述的镀Au均为真空蒸镀。

参考图5，本发明第五个实施例是一种应用本发明第二个实施例之微焊材料制备一种高效散热LED封装的方法，该方法包括以下步骤：第b1步，提供一种LED芯片，以真空溅射方式在LED芯片之待焊接面设置AuSn镀层，扩晶；第b2步，提供一种基板，以真空镀方式在基板之待固晶面设置AlN镀层；第b3步，提供一种AuSn焊条，提供一种微焊机，该微焊机具有氮气保护焊接室，该微焊机具有能够定温、定量点射熔融AuSn的焊枪；第b4步，在第b3步所提供的微焊机之氮气保护焊接室中，通过所述焊枪向所述基板之待固晶面定温、定量点射熔融AuSn，然后向熔融AuSn放置LED芯片，冷却；第b5步，向LED芯片出光面涂布荧光粉硅胶；第b6步，封硅胶。本实施例中，还包括将第b4步所述基板于点射熔融AuSn前冷冻的步骤，即图4中的冰窖，以减少所述基板散去熔融AuSn热量的时间从而避免焊接过程中对LED芯片的生损伤。本实施例中，第b4步所述的定温，是指熔融AuSn点射时的温度为310℃，作为本实施例的替代方案，所述温度也可以是：290℃、295℃、℃300℃、305℃、310℃、315℃、320℃、330℃。参考图6，是本发明第五个实施例制备而成的一种高效散热LED封装，包括LED芯片403和基板405；LED芯片403和基板405之间具有AuSn焊层404；LED芯片上面是硅胶荧光粉层402和硅胶层401。参考图7，是本发明第五个实施例制备而成的一种高效散热LED封装与传统的银浆封装LED这光衰比较图，图中曲线B指示的是本发明第五个实施例制备的高效散热LED封装。

本发明的微焊材料，与银浆固晶相比，本发明的优点在于抗氧化性好、导热系数高。与片状金锡焊料相比，本发明的优点在于焊接时LED芯片承受高温时间短，不易损伤LED芯片，并容易实现自动作作业。

Claims (10)

1.一种微焊接材料，呈条状，其特征在于：

包括焊芯和包覆于焊芯外的外皮；

焊芯是AuSn的共晶体，其中Au在焊芯中的含量为78.9%-82%；

外皮为层状结构，由Au镀层和Sn镀层交替组合而成，至少有二层，且最外层为Au镀层，其中Au在外皮中的含量为78.9%-82% 。

2.根据权利要求1所述的微焊接材料，其特征在于：所述焊芯包括至少二条子焊芯。

3.根据权利要求2所述的微焊接材料，其特征在于：二条以上子焊芯绞合设置成所述焊芯。

4.根据权利要求1所述的微焊接材料，其特征在于：所述Au镀层及所述Sn镀层均采用真空镀方式设置而成。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的微焊接材料，其特征在于：所述焊芯的最大直径为10μm-150μm。

6.根据权利要求2或3所述的微焊接材料，其特征在于：所述子焊芯的直径为5μm-20μm。

7.根据权利要求1或4所述的微焊接材料，其特征在于：所述Au镀层的厚度为2nm-50nm，所述Sn镀层的厚度为8nm-50nm。

8.根据权利要求1所述的微焊接材料，其特征在于：所述焊芯包括三条子焊芯，三条以上子焊芯绞合设置；所述Au镀层及所述Sn镀层均采用真空蒸镀方式设置而成；所述焊芯的最大直径为50μm；所述Au镀层的厚度为2nm-50nm，所述Sn镀层的厚度为8nm-50nm。

9.一种微焊接材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第1步，延展，将Au延展成薄片；

第2步，卷附，将第1步延展后的Au薄片卷附于一棒状部件；

第3步，熔Sn，在一设有加热装置的容器内将Sn熔融；

第4步，加Au，用第2步所述的卷附有Au的棒状部件在第3步所述的容器内搅拌；

第5步，挤出成型，冷却；

第6步，镀Sn；

第7步，镀Au。

10.根据权利要求9所述的微焊接材料的制备方法，其特征在于：

还包括设置于第5步和第6步之间的成束步骤，即将第5步成型的半成品直接成束或绞合成束。

11．根据权利要求9所述的微焊接材料的制备方法，其特征在于：

第1步所述的延展，Au薄片的厚度小于10μm；第2步所述的棒状部件为Pt或陶瓷材料；第3步熔Sn的温度为275℃-310℃；第5步和第6步之间还设有成束步履，即第5步同时挤出3条半成品，将三条半成品在线绞合成一束；第6步所述的镀Sn及第7步所述的镀Au均为真空蒸镀。

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