CN102629656A - 一种具有高散热效果的led封接结构及其封接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高散热效果的LED封接结构及其封接方法，实现该封接结构的封接方法包括如下步骤：清洗、一次活化、二次活化、覆密封环、生长焊料、预封接、激光加热，经过表面活化处理后LED元件和样品结合紧密，无需外压力作用就能实现LED元件和基板的激光局部封接。本发明所需设备简单，仅使特定区域局部高温，实现键合，并具有高的键合强度和润湿性，器件整体上处于较低温度，不产生不必要的温度梯度和应力场分布，能够避免已经封接的LED元件在工作过程中因温度升高使产品性能受到影响的不足，同时显著提高LED元件的散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及LED封接技术，尤其涉及一种具有良好散热效果的LED封装结构及其封装方法，可适用于多个LED发光芯片的直接封接。
背景技术
由于发光二极管为一种可将电能转换为光能的高效率冷光发光元件，并具有耗电量低、寿命长等优点，故发光二极管多半用于电子产品指示用途。但如何将发光二极管用于商业及家庭照明或装饰仍然有很大的空间需要填补。
台湾新型专利I229948揭露了一种倒装式发光二极管封装阵列及其封装单元，主要揭露一发光二极管芯片设置于一陶瓷基板上，并连接该陶瓷基板上的金属连线层；该瓷基板是利用导热胶附与一金属本体的凹穴内的。在这种做法下，由于该发光二极管芯片与金属连线层两者，与该金属本体之间还隔着该陶瓷基板与该导热胶等两层，因此，该发光二极管芯片与金属连线层上的热，是无法很快地传导到该金属本体上进行散热的。因而该案中有关散热部份的做法，仍有再加以改进的空间，以符合高功率LED产品对散热质量上的高要求。
当前，也有越来越多的研究者正致力于利用表面活化处理和熔融的外加辅助场强度进行LED封接，但它们都需要在整个器件或衬底上加热，这会导致不必要的应力和温度场分布，而且上述封接技术也不容易实现选择性键合，键合面积和热影响区难以控制。同时传统的单颗封装自动化程度仍有较大的提升空间，在解决散热问题的基础上如何大幅提高LED的出光效率也十分重要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种LED封装结构，其在使用过程中具有良好的散热能力；同时本发明还提供一种生产该LED封装结构的封装方法，其仅使特定区域局部高温，实现LED真空低温封接，具有高的封接特性；同时封接过程中器件整体上处于较低的温度，不会产生不必要的温度梯度和应力场分布，能够避免封接时的压力、温度等对已经封接好的其他LED性能的影响。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有高散热效果的LED封接结构，包括LED发光元件和基板，在基板的焊盘上设有密封环，LED发光元件和基板通过密封环部位的焊料相固定。
上述结构相比较传统的直接通过焊料将LED发光元件的焊盘和基板的焊盘固定在一起的结构，增设了密封环结构，使得焊接的位置固定，且焊接范围小，制得的产品在使用时的散热效果十分良好。
一种制备上述LED封接结构的封接方法，该方法包括如下步骤：
(1)清洗：将待封接的样品浸泡到清洗液中清洗；
(2)一次活化：将清洗后的样品浸泡到氨基活化液中进行一次活化，取出；
(3)二次活化：将一次活化后的样品浸泡到盐酸基活化液中进行二次活化，取出；
(4)覆密封环：在基板焊盘正面设置密封环；
(5)生长焊料：在密封环正面生长焊料和吸气剂薄膜；
(6)预封接：迅速将样品的LED焊盘正面贴合在基板焊盘正面上，进行预封接；
(7)激光加热：利用激光辐照加热，使贴合后的焊料熔化发生局部封接。
本发明使用激光做为加热源，激光键合的关键是保证热量能在两键合片之间很好的传递，为此必须使两键合片能够紧密的接触在一起；因而在激光封接前需要利用亲水性表面活化工艺对样品进行表面活化，对样品进行表面活化处理将会使其表面能增大，呈强烈亲水性；将样品在室温下迅速贴合在基板上时，由于样品受到界面处的氢键和范德华尔斯力作用，无需外压力就能在室温下与基板紧密接触在一起了，有效避免了因施加外压力键合后产生的较大的残余应力；在封接结构上设计密封环结构及吸气剂结构，有效地避免了封接过程中的“吐气”现象；由于激光经过聚焦透镜后可以将能量集中于一点，因此可以在很短的时间内使被照射的局部区域温度急剧上升，而周围区域温度变化不大，能够达到选择区域局部封接的目的；并且激光具有良好的可控性，经过设置不同的激光工艺参数可以实现不同的键合要求，使工艺具有很好的柔性。
优选地，所述步骤(1)中的清洗液为包含H2SO4和H2O2的混合溶液，清洗温度为50～150℃，清洗时间为10～30min。
一般来说，可以采用H2SO4水溶液和H2O2水溶液进行混合形成清洗液，比如采用质量浓度为98％的H2SO4水溶液和质量浓度为30％的H2O2水溶液以2～4∶1的体积比进行混合形成清洗液。
优选地，所述步骤(2)中的氨基活化液为包含NH4OH、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度为50～90℃，活化时间为10～30min。
一般来说，可以采用NH4OH水溶液、H2O2水溶液和去离子H2O进行混合形成氨基活化液，比如采用质量浓度为25％的NH4OH水溶、质量浓度为30％的H2O2水溶液和去离子H2O以1～3∶1∶3～8的体积进行混合形成氨基活化液。
优选地，所述步骤(3)中的盐酸基活化液为包含HCl、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度为50～90℃，活化时间为10～30min。
一般来说，可以采用HCl水溶液、H2O2水溶液和去离子H2O进行混合形成盐酸基活化液，比如采用质量浓度为40％的HCl水溶液、质量浓度为30％的H2O2水溶液和去离子H2O以1～3∶1∶3～8的体积进行混合形成盐酸基活化液。
优选地，所述步骤(4)中的密封环通过印刷、光蚀、溅射等工艺设置在基板焊盘正面，密封环的材料为钛、铬、钒，镍，金、铂、钯等材料中的一种或两种以上材料的组合，密封环的厚度范围为300～
密封环的设计需满足机械、电学、热学等性能要求。
优选地，所述步骤(5)中的焊料的厚度为35～55μm，焊料为锡、铅锡合金、锡银合金金锡合金等材料中的一种或两种以上材料的组合，这主要考虑到焊料熔点的范围。
优选地，所述步骤(5)中的吸气剂为钛、钛锆合金、钛锆钒合金等材料中的一种。
优选地，所述步骤(6)中的预封接是在室温条件下进行的。
优选地，所述步骤(7)中的激光功率为5～30W，扫描速度为0.5～20mm/s。
有益效果：本发明提供的方法，相比较传统的LED封接方法，通过一次活化和二次活化步骤增加了样品封接表面的润湿性；同时本方法中还增加了密封环结构和吸气剂结构的设置，能够在焊接时增加焊接点位置产生的杂气，提高焊点的可靠性；另外本方法中以激光作为焊接热源，仅对焊点局部进行加热，减少器件性能因温度和压力受到的影响，提高了产品在使用过程中的散热性能；而且本方法打破了传统的单颗LED封装的概念，能够对多颗样品进行封装，且制品的散热性能也得到了提高。
附图说明
图1为本发明的封接方法流程图；
图2为本发明的封接结构的结构示意图；
图3为现有的封接结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种根据权利要求1所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法的流程图，根据该流程图给出一个具体实施例如下：
(1)清洗元件：将待封接的样品1和基板4浸泡到清洗液中清洗，清洗液为质量浓度为98％的H2SO4水溶液和质量浓度为30％的H2O2水溶液以2∶1的体积比进行混合形成，清洗温度为120℃，清洗时间为20min；
(2)一次活化：将清洗后的样品1浸泡到氨基活化液中进行一次活化，氨基活化液为质量浓度为25％的NH4OH水溶、质量浓度为30％的H2O2水溶液和去离子H2O以1∶1∶5的体积进行混合形成，活化温度为70℃，活化时间为20min；
(3)二次活化：将一次活化后的样品1浸泡到盐酸基活化液中进行二次活化，盐酸基活化液为质量浓度为40％的HCl水溶液、质量浓度为30％的H2O2水溶液和去离子H2O以1∶1∶5的体积进行混合形成，活化温度为70℃，活化时间为20min；
(4)将二次活化后的样品1吹干；
(5)在基板4的焊盘正面旋涂8um左右的光刻胶，曝光显影，刻出密封环3图形，在密封环3图形上面溅射钛金属，厚度为
(6)在密封环3上用微滴喷射、电镀或化学镀的方法生长一层焊料灰锡(Sn)2，焊料灰锡2的厚度为50±5μm；
(7)在焊料灰锡2的正面用溅射或蒸发工艺生长吸气剂薄膜，吸气剂材料为钛锆合金，生长过程中用掩模版挡住不需要长膜的区域；
(8)在室温真空条件下，迅速将样品1的LED焊盘正面贴合在基板4焊盘正面上，使之发生预键合；
(9)使用德国Rofin-Sinar公司生产的Nd:YAG激光器、采用连续式激光发射方式进行激光局部键合，激光功率10W，波长1064nm，光斑直径200μm，激光扫描速度为1mm/s。
本实施例中激光封接的整个过程为：在激光封接的初始阶段，因为此时封接界面吸收的激光功率还比较少，温度还未上升到稳定封接的程度，此时激光束的能量分布满足高斯分布，光斑中心点能量密度比较高，因此光斑中心位置升温较快，光斑中心点首先发生了封接；随着激光照射时间的增加，封接界面吸收的激光能量也越来越多，因此键合区域开始向垂直于光束扫描方向的两端扩大，即封接线条的宽度越来越大；当键合线宽扩大到一定的尺度时，单位时间内封接吸收的能量与激光提供给键合界面的能量相等，此时封接达到了一种准稳态能量平衡，因此封接线宽也就不再增加而维持在一个固定的尺寸，当然准稳态平衡的建立和激光功率、封接界面散热效率等因素都有关系。本例中，封接线宽大约是750μm。
图2为通过上述方法制得的LED封接件的结构示意图，相比较图3所示的通过现有方法制得的LED封接件的结构示意图，可以看出，本发明方法制得的LED封接件的封接位置更为准确，封接区域选择性好，工艺可控性强，适合自动化生产。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有高散热效果的LED封接结构，其特征在于：该LED封接结构包括LED发光元件(1)和基板(4)，在基板(4)的焊盘上设有密封环(2)，LED发光元件(1)和基板(4)通过密封环(2)部位的焊料(3)相固定。
2.一种具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)清洗：将待封接的样品浸泡到清洗液中清洗；
(2)一次活化：将清洗后的样品浸泡到氨基活化液中进行一次活化，取出；
(3)二次活化：将一次活化后的样品浸泡到盐酸基活化液中进行二次活化，取出；
(4)覆密封环：在基板焊盘正面设置密封环；
(5)生长焊料：在密封环正面生长焊料和吸气剂薄膜；
(6)预封接：迅速将样品的LED焊盘正面贴合在基板焊盘正面上，进行预封接；
(7)激光加热：利用激光辐照加热，使贴合后的焊料熔化发生局部封接。
3.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(1)中的清洗液为包含H2SO4和H2O2的混合溶液，清洗温度为50～150℃，清洗时间为10～30min。
4.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(2)中的氨基活化液为包含NH4OH、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度为50～90℃，活化时间为10～30min。
5.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，所述步骤(3)中的盐酸基活化液为包含HCl、H2O2和去离子H2O的混合溶液，活化温度为50～90℃，活化时间为10～30min。
6.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(4)中的密封环通过印刷、光蚀或溅射工艺设置在基板焊盘正面，密封环的材料为钛、铬、钒，镍，金、铂、钯中的一种或两种以上材料的组合，密封环的厚度范围为300～
7.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(5)中的焊料的厚度为35～55μm，焊料为锡、铅锡合金、锡银合金、金锡合金中的一种或两种以上材料的组合。
8.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(5)中的吸气剂为钛、钛锆合金、钛锆钒合金中的一种。
9.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(6)中的预封接是在室温条件下进行的。
10.根据权利要求2所述的具有高散热效果的LED封接结构的封接方法，其特征在于：所述步骤(7)中的激光功率为5～30W，扫描速度为0.5～20mm/s。
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