CN102601477A - 一种led晶片微焊共晶方法 - Google Patents

Abstract

一种LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，包括筛选配比合适的银锡焊料；预热基片或底座；焊料涂布，将银锡焊料涂布于基片支架上，用于固定LED晶片位置，并通过助焊剂加热使焊料融化填充于支架LED共晶位置上；给基片蒸镀上一层厚度为1μm以上的保护层，所述保护层为银、金或其它合金；在共晶温度下将芯片焊接到基片上；在直接加热、热超声或对点加热的条件下将焊接好的产品进行共晶焊接处理。

Description

一种LED晶片微焊共晶方法

技术领域

本发明涉及一种LED晶片微焊共晶方法，属于LED制作技术领域。

背景技术

共晶焊又称低熔点合金焊接。共晶合金的基本特性是：两种不同的金属可在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成合金。共晶焊是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其熔化温度称共晶温度。

二、优势(同等情况下共晶与银浆固晶比较)

1、在同等显色指数下光通量(φ)提高5％左右；

2、亮度基本不会随时间变化衰减；

3、结点温度(Tj)下降2℃以上；

4、导热系数是银浆的5倍以上；

5、剪切推力是银浆的2倍以上；

6、焊接时间仅仅是银浆的1/15；

三、局限性(同等情况下共晶与银浆固晶比较)

1、对于芯片背金厚度有要求；

2、对于支架背金厚度有要求；

3、对于共晶焊料有要求；

LED产业是近年来最受瞩目的产业之一。发展至今，LED产品已具有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期长、且不含汞，具有环保效益…等优点。然而通常LED高功率产品输入功率约为20％能转换成光，剩下80％的电能均转换为热能。一般而言，LED发光时所产生的热能若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品使用寿命、发光效率、稳定性。

而影响结点温度的最主要因素除了材料介质以外就是晶片的焊接方法。

晶片的焊接是指晶片与载体形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。总体来说可分为树脂粘接法和金属合金焊接法两大类。

树脂粘贴法是采用树脂粘合剂在晶片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属(如金或银)形成电和热的良导体。粘合剂大多采用环氧树脂。

掺银环氧粘贴法是当前最流行的晶片粘贴方法之一，它所需的固化温度低，操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用。树脂粘贴的器件热阻和电阻都很高。树脂在高温下容易分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。因此它不适于要求在高温下工作或需低粘贴电阻的器件。而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。由于导热性较差，导致应用寿命减小。另外，树脂粘贴法粘贴面的机械强度远不如共晶焊接强度大。

金属合金焊包含的具有代表性的有以下几种：金锡共晶、银锡共晶。

金锡共晶焊接法就是晶片在一定的压力下(或附以摩擦或超声)，当温度高于共晶温度时，金锡合金融化成液态的Au-Sn共熔体；冷却后，当温度低于共晶温度时，金锡共熔晶体而全部凝固，从而形成了牢固的欧姆接触焊接面。共晶焊接法具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高和含较少的杂质等优点，在高可靠器件封装业中得到了广泛的应用并备受的青睐。但设备成本极高，工艺难度大，成品率低，对晶片/支架镀层厚度及平整性要求高，产品空洞率高是其难点。

银锡共晶焊接法，由于其焊接机械强度相对于金锡稍小，故又称“软焊料”焊接。同样具有机械强度高、热阻小、稳定性好、可靠性高等优点。尤其是对支架的镀金/镀银厚度、耐高温程度和工艺难度大大降低。设备成本低，成品率高，产品空洞率大大降低！是现阶段性价比最优的共晶焊接法！

总之，无论采用哪种焊接方法，成功的标志都是芯片与封装体焊接面之间的界面牢固、平整和没有空洞。

晶片与基片间良好的欧姆接触是保证功率型LED正常工作的前提。欧姆接触不良会使LED热阻加大，散热不均匀，影响电流在LED中的分布，破坏LED的热稳定性，甚至使LED器件烧毁。

LED器件的散热有辐射、对流和传导三种方式，其中热传导是其散热的主要方式。Au-Sn或Ag-Sn焊接层的虚焊和空洞是造成欧姆接触不良的主要原因，空洞会引起电流密集效应，在它附近有可能形成不可逆的，破坏性的热电击穿，即二次击穿。焊接层的欧姆接触不良给LED器件的可靠性带来极大隐患。

热应力失效是一种由机械应力导致的失效。由于其失效的最终表现形式往往是焊接面裂纹或晶片剥裂，这些材料的线热膨胀系数各不相同，当它们结合在一起时，不同的材料界面间会存在压缩或拉伸应力。功率型LED器件在工作期间往往要经受热循环，由于晶片和封装体的热膨胀系数不同，在热循环过程中焊接面间产生周期性的剪切应力，这些应力将可能聚集在空洞的位置上使焊料形成裂纹甚至使晶片龟裂，最终导致器件因热疲劳而失效。热形变直接与晶片大小成正比，晶片尺寸越大，焊接后其在热循环中要承受的剪切力也就越大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的能够减少焊接空洞的LED晶片微焊共晶方法，能够非常有效的减少焊接空洞的产生。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：一种LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，包括

筛选配比合适的银锡焊料；

预热基片或底座；

焊料涂布，将银锡焊料涂布于基片支架上，用于固定LED晶片位置，并通过助焊剂加热使焊料融化填充于支架LED共晶位置上；

给基片蒸镀上一层厚度为1μm以上的保护层，所述保护层为银、金或其它合金；

在共晶温度下将芯片焊接到基片上；

在直接加热、热超声或对点加热的条件下将焊接好的产品进行共晶焊接处理。

所述方法还包括清洁基片支架的步骤。

在焊接过程中，焊接环境为在自然条件下、真空环境下，或真空加入保护气体环境下，所述保护气体为惰性气体、氮气或氮氢混合气体。

所述焊接时的共晶温度为200-282度。

所述焊接时的共晶温度为银-锡焊料的共晶点温度加上10-20摄氏度。

所述预热基片或底座步骤的预热温度为200摄氏度。

所述方法还包括，所述共晶焊接处理步骤完成后，在自然条件下或在氮气保护气环境下进行缓慢冷却。

所述晶片或焊片保存于氮气柜中。

在焊接前，通过显微镜检测焊接面的洁净度、平整度和是否生成了氧化物。

所述洁净度、平整度和是否生成了氧化物的判断标准为；在40倍的显微镜下表面平整度为

镀层清洁光亮，颜色金黄无晦暗的氧化层。

所述共晶焊接处理步骤包括至少五个阶段，预热阶段，加热阶段，焊接阶段，保温阶段和冷却阶段。

在焊接前和焊接过程中，定期用表面温度计测量加热基座的表面温度。

在焊接前和焊接过程中，定期用表面温度计监测焊接面的温度。

本发明的有益效果在于：

第一、在共晶生产过程中，焊接前往往在晶片背面蒸金。由于晶片背面氧化，在Ag-Sn共晶温度下，会使焊料焊接浸润不均匀，导致焊接强度下降。因此，在焊接时保护气体N2必须保证足够的流量，最好加入部分H 2进行还原。

第二、晶片的保存也应引起足够的重视，不仅要关注环境的温湿度，还应考虑到其将来的可焊性，对于长期不用的晶片应放置在氮气柜中保存。

第三、虽然Ag-Sn共晶点是230℃左右，但是热量在传递过程中要有所损失，因而应选择略高一些，但也不可太高，以免造成支架表面氧化。因此将焊接时的共晶温度设置为银-锡焊料的共晶点温度加上10-20摄氏度。

第四、焊接温度也要根据支架的材料、大小、热容量的不同进行相应调整。为保证焊接质量，应定期用表面温度计测量加热基座的表面温度，必要时监测焊接面的温度。并根据支架的材料、大小、热容量的不同进行相应调整焊接温度。

第四、若支架基片被沾污、有局部油渍或氧化会严重影响焊接面的浸润性。这种沾污在焊接过程中是较容易观察到的，这时必须对基片进行清洁处理。

第五、热应力引起的失效是个缓慢的渐变过程，它不易察觉，但危害极大。通常晶片厚度越大应力相应越小。因此晶片不应过薄。另外如果基片或底座与晶片热性能不匹配，也会造成很大的机械应力。焊接前基片或底座可先在200℃预热，用于拾取晶片的吸头也可适当加热以减少热冲击。

第六、焊接后的成品应在N2保护气氛下进行缓慢冷却，在此冷却过程中也可消除部分应力。

第七、当基片镀金层较薄又不够致密时，即使在氮气保护下，达到Ag-Sn共晶温度时，镀层也会发生严重的变色现象，从而影响焊接强度。实验证明，对于1mm×1mm的晶片，基片上镀金层厚度大于1.5μm才能获得可靠的共晶焊接产品。一般来说，晶片尺寸越大，镀金层也要相应增加。

第八、LED共晶对银锡膏的流动性要求很高，焊料粉越细，那么更有利于自动机点银锡膏，另外颗粒越小，在焊接过程中银锡膏融化越均匀。所以LED共晶银锡膏要求采用5#以上的粉目。

第九、晶片的共晶焊接质量主要与焊接面洁净程度、平整度、焊接表面是否有氧化物密切相关，因此，在焊接前，通过显微镜检测焊接面的洁净度、平整度和是否生成了氧化物，并根据检测结果筛选合适的晶片能保证好的焊接质量。

总之，本发明与掺银环氧粘贴(银浆粘贴)方法相比：结温会下降10℃左右(深大光学研究所远方结温仪测试)；亮度会增加5～10Lm；光效增加5％左右；银浆的导热系数1.5-25W/m·K、金锡合金(Au8OSn20)的导热系数约为57.3W/m·K而银锡的导热系数约为53W/m·K左右。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，筛选配比合适的银锡焊料；

预热基片或底座；

焊料涂布，将银锡焊料涂布于基片支架上，用于固定LED晶片位置，并通过助焊剂加热使焊料融化填充于支架LED共晶位置上；

给基片蒸镀上一层厚度为1μm以上的保护层，所述保护层为银、金或其它合金；

在共晶温度下将芯片焊接到基片上；

在直接加热、热超声或对点加热的条件下将焊接好的产品进行共晶焊接处理。

在共晶生产过程中，焊接前往往在晶片背面蒸金。由于晶片背面氧化，在Ag-Sn共晶温度下，会使焊料焊接浸润不均匀，导致焊接强度下降。因此，在焊接时保护气体N2必须保证足够的流量，最好加入部分H 2进行还原。

晶片的保存也应引起足够的重视，不仅要关注环境的温湿度，还应考虑到其将来的可焊性，对于长期不用的晶片应放置在氮气柜中保存。

虽然Ag-Sn共晶点是230℃左右，但是热量在传递过程中要有所损失，因而应选择略高一些，但也不可太高，以免造成支架表面氧化。因此将焊接时的共晶温度设置为银-锡焊料的共晶点温度加上10-20摄氏度，最佳共晶温度为220-242摄氏度或260-282摄氏度。

焊接温度也要根据支架的材料、大小、热容量的不同进行相应调整。为保证焊接质量，应定期用表面温度计测量加热基座的表面温度，必要时监测焊接面的温度。

若支架基片被沾污、有局部油渍或氧化会严重影响焊接面的浸润性。这种沾污在焊接过程中是较容易观察到的，这时必须对基片进行清洁处理。

热应力引起的失效是个缓慢的渐变过程，它不易察觉，但危害极大。通常晶片厚度越大应力相应越小。因此晶片不应过薄。另外如果基片或底座与晶片热性能不匹配，也会造成很大的机械应力。焊接前基片或底座可先在200℃预热，用于拾取晶片的吸头也可适当加热以减少热冲击。

焊接后的成品应在N2保护气氛下进行缓慢冷却，在此冷却过程中也可消除部分应力。

当基片镀金层较薄又不够致密时，即使在氮气保护下，达到Ag-Sn共晶温度时，镀层也会发生严重的变色现象，从而影响焊接强度。实验证明，对于1mm×1mm的晶片，基片上镀金层厚度大于1.5μm才能获得可靠的共晶焊接产品。一般来说，晶片尺寸越大，镀金层的厚度也要相应增加。

LED共晶对银锡膏的流动性要求很高，焊料粉越细，那么更有利于自动机点银锡膏，另外颗粒越小，在焊接过程中银锡膏融化越均匀。所以LED共晶银锡膏要求采用5#以上的粉目。

晶片的共晶焊接质量主要与焊接面洁净程度、平整度、焊接表面是否有氧化物密切相关，因此，在焊接前，通过显微镜检测焊接面的洁净度、平整度和是否生成了氧化物，并根据检测结果筛选合适的晶片能保证好的焊接质量。

虽然本发明的优选实例被以作为例证的目的进行披露，但本领域的技术人员可以理解各种修改、添加和替换是可能的，只要其不脱离所附权利要求中详述的本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，包括

筛选配比合适的银锡焊料；

预热基片或底座；

焊料涂布，将银锡焊料涂布于基片支架上，用于固定LED晶片位置，并通过助焊剂加热使焊料融化填充于支架LED共晶位置上；

给基片蒸镀上一层厚度为1μm以上的保护层，所述保护层为银、金或其它合金；

在共晶温度下将芯片焊接到基片上；

在直接加热、热超声或对点加热的条件下将焊接好的产品进行共晶焊接处理。

2.根据权利要求1所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述方法还包括清洁基片支架的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，在焊接过程中，焊接环境为自然条件，或真空环境，或真空加入保护气体的环境，所述保护气体为惰性气体、氢气或氮氢混合气体。

4.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述焊接时的共晶温度为200-282℃。

5.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述焊接时的共晶温度为银-锡焊料的共晶点温度加上10-20℃。

6.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述预热基片或底座步骤的预热温度为200℃。

7.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述方法还包括，所述共晶焊接处理步骤完成后，在自然条件下或在氮气保护气环境下进行缓慢冷却。

8.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述晶片或焊片保存于氮气柜中。

9.根据权利要求1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，还包括，在焊接前，通过显微镜检测焊接面的洁净度、平整度和是否生成了氧化物。

10.根据权利要求9所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述洁净度、平整度和是否生成了氧化物的判断标准为；在40倍的显微镜下表面平整度为

镀层清洁光亮，颜色金黄无晦暗的氧化层。

11.根据权利1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，所述共晶焊接处理步骤包括至少五个阶段，预热阶段，加热阶段，焊接阶段，保温阶段和冷却阶段。

12.根据权利1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，在焊接前和焊接过程中，定期用表面温度计测量加热基座的表面温度，并根据支架的材料、大小、热容量的不同进行相应调整焊接温度。

13.根据权利1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，在焊接前和焊接过程中，定期用表面温度计监测焊接面的温度，最佳共晶温度为220-242℃。

14.根据权利1或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特征在于，在焊接前和焊接过程中，定期用表面温度计监测焊接面的温度，最佳共晶温度为260-282℃。