CN103474553A - 一种大功率led封装用膜层及其制备和封装方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率LED封装用膜层及其制备和封装方法。其特征是大功率LED封装用膜层为金属/金属多层膜，金属/金属单层膜厚度50~200nm，金属/金属多层膜总厚度10~30μm。膜层的制备方法采用磁控溅射方法，两种金属交替沉积成膜，沉积镀膜完成后，将膜层从基底上剥离，即得到所述膜层。膜层的封装方法是依次按热沉、焊料、膜层、焊料和LED芯片的顺序叠放整齐，在叠层的垂直方向施加压力，同时在膜层两端施加直流电压激光熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。使用本发明的互连层孔隙率小于5%，剪切强度大于30MPa，导热系数大于30W/mK。本发明提供的膜层和方法适用于大功率LED封装。

Description

一种大功率LED封装用膜层及其制备和封装方法

技术领域

本发明涉及LED封装中热沉与芯片互连使用的膜层及其制备和封装方法，尤其涉及需要高导热率的大功率LED封装用膜层及其制备和封装方法。

背景技术

大功率LED是迈向下一代照明光源的主力军，但目前大功率LED还存在一些技术问题亟待解决。在电光转换时，大约有80~90%的电能变成热量，随着LED产品功率密度和封装密度的提高，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题，严重影响了LED的可靠性。因此，在推广照明用大功率密度高亮度LED产品时必需选择有效的散热解决方案。

目前，国内外LED企业在大功率LED的散热方面主要采用两类散热基板：金属基板和陶瓷基板。其中1~5W白光LED多使用铝合金等金属基板，而5~10W白光LED主要使用Al₂O₃(氧化铝)、LTCC（低温共烧陶瓷）或AlN（氮化铝）的陶瓷基板。虽然陶瓷基板比金属基板有更好的散热性能，但对于大电流工作的大功率白光LED而言，这样的散热效果并不能令人满意，仍需要使用更高导热率的散热基板，大功率LED的发展才有更高的光电转换效率。高效的散热基板与LED芯片如果采用导热率很低的胶粘接，将会严重降低实际的散热效果，因此需要采用高导热的连接材料将LED芯片和散热基板连接在一起。

LED产生的热量需要通过热沉或者基体的热传导才能散发至环境中，为了降低传热路径上的热阻，大功率LED芯片与基板的互连材料需要有非常好的导热性能。如果互连材料连接区存在空洞，热传导的路径受到影响，芯片局部温度过高也可能导致发光二极管失效。空洞可能由不良的工艺过程或金属原子在界面上的扩散引起。电迁移同样会引起空洞产生，如果金属中产生足够的电流密度，空洞和金属原子会朝着相反的方向迁移，引起空洞形成。材料在温度升高的情况也会产生线收缩现象，不同的材料在温度变化时会有不同的线伸缩率。在LED器件的长期使用过程中，如果两种材料之间的热膨胀系数相差非常大，就会在材料之间产生非常高的内应力，互连界面间空洞的形成会引起应力在某些区域的集中，导致连接层与基板界面处的结合强度降低，甚至在连接层上会有裂纹和脆断情况发生，从而影响LED器件的导电、导热性能，以及出现死灯现象。

要广泛地将LED应用到通用照明，必须解决其封装问题，即封装材料、封装工艺、以及封装结构的高温可靠性等技术问题。近年来，尽管在LED芯片的材料、设计和制造等领域都取得很大的进展，但是芯片与基板、基板与热沉以及热沉与散热器之间的封装连接技术以及整个系统的热设计和热管理等方面的技术并没有跟上器件本身发展的步伐。特别是大功率的LED灯具都是在数安培甚至几十安培的大电流条件下运行的，这对整个发光系统的高温可靠性提出了苛刻的要求。换言之，封装技术（包括材料、工艺和高温可靠性）已经成为制约大功率LED照明技术大规模产业化推广应用的关键瓶颈问题。LED封装中一个重要环节是LED芯片与热沉的微连接。LED芯片与热沉之间的互连焊层由于直接与芯片连接，受到LED器件（特别是功率型LED）在工作过程中的热传导，容易产生老化和受温度循环冲击的作用，导致互连焊层的提前失效，进而影响整个器件的寿命，因此对LED芯片与热沉互连焊层的可靠性提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有可靠性高、散热性能好的专门针对大功率LED封装使用的膜层。

本发明的另一个目的是提供一种上述膜层的制备方法。

本发明的再一个目的是不使用任何助焊剂，保证封装连接层的致密度，实现大功率LED的高导热性的封装方法。

本发明所述的大功率LED封装使用的膜层为金属/金属多层膜；所述金属为Al、Ni、Ti 、Pd和Si；金属/金属的原子比为1~3:1；金属/金属单层膜厚度50~200nm，金属/金属多层膜总厚度10~30μm。

本发明所述LED封装使用的膜层制备方法：采用磁控溅射方法制备膜层，金属靶材的纯度均为99.99%，基底为60×30×1mm ³ 黄铜片，溅射前用丙酮清洁基底，再用酒精擦拭，吹干，用Ar离子对基底进行溅射清洗5min，本底真空6×10 ^-3 Pa，工作气体为分析纯Ar，溅射气压0.3Pa，直流溅射功率为1200~1800W，沉积时间为20~120秒，两种金属交替沉积成膜；沉积镀膜完成后，将膜层从基底上剥离，即得到所述膜层。

本发明所述的封装方法如下：依次按热沉、焊料、膜层、焊料和LED芯片的顺序叠放整齐，在叠层的垂直方向施加30~45MPa的压力，同时在膜层两端施加15~30V和5A直流电压或功率100~160W，光斑直径40~50μm，扫描时间8~10秒的激光熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。

所述焊料为Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu或Sn-3.0Ag-0.7Cu中的一种，焊料厚度10~30μm。

本发明提供的适用于大功率LED封装使用的膜层具有以下有益效果：

1）本发明的膜层可在室温下通过直流电流或激光激发，瞬间释放大量热，熔化焊料，实现芯片与热沉的可靠性封装，避免传统封装方式对芯片的热损伤；2）使用本发明的膜层封装方式简单，焊接速度快，热影响区域小，可实现大批量、自动化快速封装；3）本发明的膜层能有效避免互连层孔洞产生，降低热阻，显著提高互连层封装质量。与传统的银胶封装方式相比，使用本发明膜层连接的互连层可达到孔隙率小于5%，互连层剪切强度大于

30MPa，导热系数大于30W/mK。

具体实施方法

实施例1

膜层为原子比1:1 Al/Ni，单层膜厚度100nm，膜层总厚度30μm。

采用磁控溅射方法制备膜层，设备为试验型多功能镀膜机，Al和Ni靶材为矩形片形，纯度均为99.99%。选用60×30×1mm3黄铜片作基底，溅射前对基底进行预处理，先用丙酮擦除表面油污，再用酒精擦拭，吹干后立即放入真空腔室。用Ar离子对基底进行溅射清洗5min，使其表层吸附的杂质、油污分子、氧化物脱离，改善界面状态。本底真空6×10^-3pa，工作气体为分析纯Ar，溅射气压0.3Pa，Al靶及Ni靶溅射功率分别为1700W和1680W，沉积时间分别为40秒和25秒直流溅射，交替沉积成膜。磁控溅射沉积镀膜完成后，将膜层从基底上剥离，即得到所述膜层。按不同封装要求，分别在热沉和芯片表面镀、印刷焊料层或直接使用薄片状焊料。

依次按热沉、焊料、膜层、焊料和LED芯片的顺序叠放整齐，在叠层的垂直方向施加30MPa的压力，同时在膜层两端施加功率100W，光斑直径50μm，扫描时间8秒的激光熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。焊料为Sn-3.5Ag，厚度20μm。

实施例2

膜层为原子比3:1 Al/Ti，单层膜厚度135nm，膜层总厚度20μm。

膜层制备方法同实施例1。Al靶和Ti靶溅射功率分别为1800W和1300W，沉积时间分别为120秒和60秒。

封装方法同实施例1。在叠层的垂直方向施加35MPa的压力，同时在膜层两端施加功率160W，光斑直径40μm，扫描时间10秒的激光熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。焊料为Sn-3.0Ag-0.5Cu，厚度25μm。

实施例3

膜层为原子比1:1 Al/Pd，单层膜厚度200nm，膜层总厚度10μm。

膜层制备方法同实施例1。Al靶和Pd靶溅射功率分别为1600W和1200W，沉积时间分别为60秒和20秒。

封装方法同实施例1。在叠层的垂直方向施加40MPa的压力，同时在膜层两端施加直流电压30V和电流5A熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。焊料为Sn-3.5Ag，厚度10μm。

实施例4

膜层为原子比1:1 Ni/Ti，单层膜厚度100nm，膜层总厚度15μm。

膜层制备方法同实施例1。Ni靶和Ti靶溅射功率分别为1700W和1300W，沉积时间分别为30秒和60秒。

封装方法同实施例1。在叠层的垂直方向施加40MPa的压力，同时在膜层两端施加直流电压25V和电流5A熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。焊料为Sn-3.0Ag-0.7Cu，厚度15μm。

实施例5

膜层为原子比5:3 Ti/Si，单层膜厚度70nm，膜层总厚度30μm。

膜层制备方法同实施例1。Ti靶和Si靶溅射功率分别为1300W和1200W，沉积时间分别为60秒和20秒。

封装方法同实施例1。在叠层的垂直方向施加45MPa的压力，同时在膜层两端施加直流电压20V和电流5A熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。焊料为Sn-3.0Ag-0.7Cu，厚度30μm。

将实施例1~5封装的LED芯片与热沉互连层分别进行如下性能测试，按照IPC-TM-650相关标准进行测试，并与采用导电银胶封装的互连层做比对，结果如下表1所示：

表1  LED芯片与热沉互连层性能测试结果

Claims (6)

1.一种大功率LED封装用膜层，其特征是膜层为金属/金属多层膜。

2.根据权利要求1所述的大功率LED封装用膜层，其特征是所述金属为Al、Ni、Ti 、Pd和Si。

3.根据权利要求1或2所述的大功率LED封装用膜层，其特征是所述金属/金属的原子比为1~3:1；金属/金属单层膜厚度50~200nm，金属/金属多层膜总厚度10~30μm。

4.权利要求1所述的大功率LED封装用膜层的制备方法，其特征是采用磁控溅射方法制备膜层，金属靶材的纯度均为99.99%，基底为60×30×1mm ³ 黄铜片，溅射前用丙酮清洁基底，再用酒精擦拭，吹干，用Ar离子对基底进行溅射清洗5min，本底真空6×10 ^-3 Pa，工作气体为分析纯Ar，溅射气压0.3Pa，直流溅射功率为1200~1800W，沉积时间为20~120秒，两种金属交替沉积成膜；沉积镀膜完成后，将膜层从基底上剥离，即得到所述膜层。

5.权利要求1所述的大功率LED封装用膜层的封装方法，其特征是依次按热沉、焊料、膜层、焊料和LED芯片的顺序叠放整齐，在叠层的垂直方向施加30~45MPa的压力，同时在膜层两端施加15~30V和5A直流电压或功率100~160W，光斑直径40~50um，扫描时间8~10秒的激光熔化焊料，实现LED芯片和热沉的封装。

6.权利要求5所述的大功率LED封装用膜层的封装方法，其特征是所述焊料为Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu或Sn-3.0Ag-0.7Cu中的一种，焊料厚度10~30μm。