CN104037306A - 一种全无机集成led封装方法和结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全无机集成LED封装方法及结构，其中封装方法包括如下过程：过程1：制作支架以及玻璃盖板；过程2：对过程1制成的支架进行烘烤除湿、电浆清洗；过程3：将倒装芯片扩晶，在清洁好的支架上进行点助焊剂，固晶，所述助焊剂的参数要求：粘度≥100KCPS，沸点在150℃-220℃之间；过程4：将固晶好的支架经过共晶炉烘烤，其共晶烘烤分为五段进行；过程5：盖玻璃盖板，将第二金属层与支架无缝焊接。本发明避免有机材料如硅胶的应用，可用于紫外LED和不适合使用有机材料器件的封装，解决了恶劣环境下相关器件封装材料易老化变质问题。与现有技术相比，本发明有效的提高了LED在特殊环境下的应用范围，且能够使用深紫外线LED光源。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装方法，具体涉及一种全无机材料制成的集成LED封装的方法和结构。
背景技术
集成LED光源在照明领域具有广泛的应用，目前，LED 的封装多采用硅胶、环氧树脂等有机材料对芯片进行密封保护，这些材料透明性好、易于操作、能提高出光效率，但耐紫外性能差，抗老化性能差，在紫外环境下极易老化变质，采用传统的有机硅胶材的封装，有机硅材料在长时间服役条件下，由于水、光、热等因素的影响容易失效，导致器件的光通量、辐射通量等的急剧衰减，甚至导致器件失效。因此有机材料不适于封装紫外LED 器件以及在高温、高紫外灯恶劣环境下使用的器件，因此选择一种高耐老化型封装非常有必要，采用无机方式封装是途径之一，但目前实现无机密封封装技术困难较大，其主要原因是温度的限制，以及材料各方面综合性能的制约。本方案选择了全无机结构封装工艺能在一定程度上能够解决以上问题。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提出一种全无机集成LED封装方法和结构，其从LED封装结构的改进入手，并结合相应的封装工艺，从而在一定程度上能够解决以上背景技术中提及的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种全无机集成LED封装方法，包括如下过程：
过程1：制作支架以及玻璃盖板，其具体包括以下过程：
过程11：制备陶瓷基板，陶瓷基板总厚度控制在3-4mm之间；该陶瓷基板上设有凹槽，设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围控制在0.4-0.6mm之间；同时，凹槽的上边沿向四周外侧水平延伸，与陶瓷基板的上边沿形成梯形连接结构。其中，控制陶瓷基板的厚度是为了解决是LED的应用市场。如果厚度过薄的话，在安装时会由于应力的作用造成材料开裂，而如果厚度过厚的话会影响到材料的应用范围；
过程12：对陶瓷基板的凹槽进行激光钻孔，该孔用来将陶瓷基板内部的第一电极引到支架底部,该孔的直径选择0.2-0.3mm之间；将陶瓷基板内部的第二电极引到支架的表层。然后对陶瓷基板做前处理清洁，并在陶瓷基板的内凹槽局部区域印刷导电电路，烘烤固化，并形成相应的电路板，附着在陶瓷基板上，以最终形成支架。其中，第二电极通过背面钻孔形成U型结构，再引到支架表层上；
过程13：为了保护产品质量制作玻璃盖板，该玻璃盖板恰放置于陶瓷基板的梯形连接结构上，以将陶瓷基板盖合，用来保护芯片和共晶焊点金属材料，其厚度范围为0.8-1.5mm；且玻璃盖板的边缘经过打磨处理；
过程14：将过程12获得的陶瓷基板，在梯形连接结构的表面设置第一金属层，可以有效通过金属的附着力，将两层材料完整的结合在一起。形成具有高导热性能的金属化陶瓷基板边框，将过程13制成的玻璃盖板，在其与陶瓷基板的接触面上同样设置第二金属层，形成具有高导热性能的玻璃盖板边框，具体过程如下：将电浆料（含有银浆料、铂浆料和钇浆料，锡膏、纯银浆料、铂浆料和钇浆料）混合均匀形成混合浆料；采用乳胶丝印板，把混合浆料刮印在过程12处理后的支架的印刷平面上，该混合浆料的厚度范围为10-20μm，再经烘干房烘烤到150℃，然后进入特定梯度烧制炉烧制，在780℃的温度时恒温10 分钟后，强制降温时间20 分钟到25℃，即制得具有高导热性能的金属化陶瓷边框和玻璃边框；陶瓷基板的第一金属层配合玻璃盖板的第二金属层，第一金属层与第二金属层材料具有相近熔点并能很好熔接，第二金属层与第一金属层可通过电阻焊方式连接在一起；其中，陶瓷基板和玻璃盖板的边框分开制作，其制作条件相同；通过以上的制作工艺，可以将陶瓷基板和玻璃盖板的金属层厚度加厚，为下面的电阻焊做准备。
过程2：对过程1制成的支架进行烘烤除湿、电浆清洗；其烘烤条件为：100°-250°，烘烤时间为30-120min，电浆清洗功率为200-300W，清洗时间为5-8min；
过程3：将倒装芯片扩晶，在清洁好的陶瓷基板进行点助焊剂，固晶，所述助焊剂重要参数要求粘度≥100KCPS，沸点在150℃ -220℃之间；其中采用倒装芯片，是为了提高芯片的初始出光效率，倒装芯片通过共晶焊的方式将芯片焊接在陶瓷基板的凹槽内；为了更好的保护倒装芯片，因此在工艺制作过程中间倒装芯片固晶在凹槽内。
过程4：将固晶好的支架经过共晶炉烘烤，该过程中可进行外观全检验，对不合格的产品进行反工；其共晶烘烤分为五段进行，第一段25±5℃（60-120S）,第二段100±10℃（60-120S）,第三段220±10℃（60-120S）,第四段310±20℃（60-120S），第五段220±10℃（60-120S），第六段100±10℃（60-120S），第七段25±5℃（60-120S）；各温区通入的N2 气流量控制为≥ 50SCFH 以排去空气防止共晶时合金被二次氧化；在此工艺过程中为了防止共晶烘烤过程中倒装芯片发生偏移，而选择的烘烤工艺。可以在一定程度上解决共晶烘烤的合格率。
过程5：盖玻璃盖板，可通过电阻焊接将第二金属层与支架无缝焊接，实现LED 器件非直接高温加热快速无机材料气密封装。在此工艺过程中，为了解决该焊接方式，选用了梯形卡槽的模式，可将玻璃盖板很好的附着在支架上。
其中，电阻焊接时，第二金属层与第一金属层之间施加一定的压力，施加电压，并通过电流，使焊接温度保持在700-1200℃之间，焊接时间为0.1-2s。
一种全无机集成LED封装结构，包括由陶瓷基板制成的支架，以及与支架结构相配合的玻璃盖板；该支架上设有放置LED 芯片的凹槽，凹槽的上边沿向四周外侧水平延伸，与支架形成梯形连接结构，所述玻璃盖板恰置于该梯形连接结构上，以将支架盖合；所述凹槽内设有共晶焊焊盘，共晶焊焊盘的形状根据实际需要选择规格，优选选用E型互嵌结构。共晶焊焊盘附着在凹槽内，凹槽内还设有贯穿支架的金属通孔，该金属通孔的一端与共晶焊焊盘相连接，另一端与外部金属焊盘相连接。在所述凹槽的内部的共晶焊焊盘之上设有倒装LED芯片,提高芯片的初始出光效率，倒装芯片通过共晶焊的方式将芯片焊接在陶瓷基板的凹槽内。其中，支架的总厚度范围为3-4mm，支架设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围为0.4-0.6mm。
其中，梯形连接结构与玻璃盖板的接触面上设有第一金属层，同样的，玻璃盖板与梯形连接结构的接触面设有第二金属层。其中，第二金属层材料的膨胀系数与玻璃相近，第一金属层与第二金属层的材料具有相近熔点，以能很好熔接。所述第二金属层与第一金属层通过电阻焊方式连接在一起。其中，相近熔点是指，两种金属的熔化点相近，熔点相差不超过10摄氏度。上述设计，避免了两种金属在电阻焊的时候由于熔点不相近导致其中一金属层熔化流失。
所述的玻璃盖板可以是高硼玻璃也可以是普通玻璃。
本发明避免有机材料如硅胶的应用，可用于紫外LED 和不适合使用有机材料器件的封装，解决了恶劣环境下相关器件封装材料易老化变质问题。与现有技术相比，本发明有效的提高了LED在特殊环境下的应用范围，且能够使用深紫外线LED光源。同时，本发明使用的是最新的倒装LED芯片，提高整个光源的亮度；采用陶瓷作为基板将有效的提高了LED光源的散热性能；另外，本发明使用全无机封装，抗老化能力强。
附图说明
图1为本发明的LED封装结构的分解图；
图2为本发明的LED封装结构的支架示意图（中间内凹）
图3为本发明的LED封装结构的支架俯视图；
图4为本发明的LED封装结构的支架剖视图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的一种全无机集成LED封装结构，参见图1-图4，包括由陶瓷基板制成的支架1，以及与该支架1配合的玻璃盖板2，以恰将支架1盖合；该支架1上设有放置LED 芯片3的凹槽11，凹槽11的上边沿向四周外侧水平延伸，与支架形成梯形连接结构12，所述玻璃盖板2恰置于该梯形连接结构12上，以将支架1盖合；所述凹槽11内部设共晶焊焊盘4。共晶焊焊盘4附着在内凹槽11，凹槽内还设有贯穿支架1的金属通孔13，该金属通孔13的一端与共晶焊焊盘44相连接，另一端与外部金属焊盘5相连接。其中，焊盘形状根据实际需要选择规格，参见图1，本实施例中的共晶焊焊盘4选用E型互嵌结构。
共晶焊焊盘4附着在凹槽11内，凹槽11内还设有贯穿支架1的金属通孔13，在所述凹槽11的内部的共晶焊焊盘4之上设有LED芯片3,该LED芯片为倒装芯片，可提高芯片的初始出光效率，倒装芯片通过共晶焊的方式将芯片焊接在支架1的凹槽11内。其中，支架1的总厚度范围为3-4mm，支架1设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围为0.4-0.6mm。
其中，梯形连接结构12与玻璃盖板2的接触面上设有第一金属层14，同样的，玻璃盖板2与梯形连接结构12的接触面设有第二金属层（图上未示出）。其中，第二金属层材料的膨胀系数与玻璃相近，第一金属层14与第二金属层的材料具有相近熔点，以能很好熔接。所述第二金属层与第一金属层14通过电阻焊方式连接在一起。其中，相近熔点是指，两种金属的熔化点相近，熔点相差不超过10摄氏度。上述设计，避免了两种金属在电阻焊的时候由于熔点不相近导致其中一金属层熔化流失。
另外，玻璃盖板2可以是高硼玻璃也可以是普通玻璃。
制作上述全无机集成LED封装结构的封装方法，包括如下过程：
过程1：制作支架以及玻璃盖板，其具体包括以下过程：
过程11：制备陶瓷基板，陶瓷基板总厚度控制在3-4mm之间；该陶瓷基板上设有凹槽，设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围控制在0.4-0.6mm之间；同时，凹槽的上边沿与陶瓷基板的上表面形成梯形连接结构，也就是说凹槽的上边沿与陶瓷基板的上边沿呈阶梯状。其中，控制陶瓷基板的厚度是为了解决是LED的应用市场。如果厚度过薄的话，在安装时会由于应力的作用造成材料开裂，而如果厚度过厚的话会影响到材料的应用范围。该无机集成LED与无机贴片LED支架区别在于该集成无需在切割。避免的切割脆裂问题。因此可以将其厚度变薄（同时也控制其内凹槽陶瓷基板的厚度）。
过程12：对陶瓷基板的凹槽进行激光钻孔，该孔用来将陶瓷基板内部的第一电极引到支架底部,该孔的直径选择0.2-0.3mm之间；将陶瓷基板内部的第二电极引到支架的表层。然后对陶瓷基板做前处理清洁，并在陶瓷基板的内凹槽局部区域印刷导电电路，烘烤固化，以最终形成支架。其中，第一电极通过背面钻孔形成U型结构，再引到支架表层上。无机集成LED不同于无机贴片LED，无机集成LED的外链接电极是在支架的表层上，而无机贴片LED的外链接电极是在支架的底面上。并且无机集成LED使用电流比较大，因此在激光钻孔的情况下直径选择比贴片的钻孔直径要大。为了解决无机集成的电极在表层上，本发明选择了将一个电极直接引到表层。另外一个电极通过背面钻孔形成U型结构，再引到支架表层上。对陶瓷基板做前处理清洁，是为了提高陶瓷基板和电路的结合里，提高材料的稳定性。由于无机集成LED的陶瓷基板内凹槽相对比较大，适合用于印刷导电电路。相对于无机贴片LED可以减少生产工艺，降低成本。
过程13：制作玻璃盖板，其中，玻璃盖板的厚度控制在0.8-1.5mm之间，尺寸大小刚好与陶瓷基板的凹槽的上边沿相匹配；为了使玻璃盖板与陶瓷基板的结构相配合，以将玻璃盖板恰放置于陶瓷基板之上从而将陶瓷基板盖合，其可以是高硼玻璃也可以是普通玻璃制成； 且玻璃盖板的边缘经过打磨处理。控制基板的厚度是为了保证无机集成LED质量的情况下，提高出光效果。
过程14：将过程12获得的陶瓷基板，沿着陶瓷基板凹槽的四周的上边沿设置第一金属层，形成具有高导热性能的金属化陶瓷基板边框，将过程13制成的玻璃盖板，在其与陶瓷基板的接触面上同样设置第二金属层，形成具有高导热性能的玻璃盖板边框，具体过程如下：将电浆料（含有银浆料、铂浆料和钇浆料，锡膏、纯银浆料、铂浆料和钇浆料）混合均匀形成混合浆料；采用乳胶丝印板，把混合浆料刮印在过程13处理后的陶瓷支架的印刷平面上，该混合浆料的厚度范围为10-20μm，再经烘干房烘烤到150℃，然后进入特定梯度烧制炉烧制，在780℃的温度时恒温10 分钟后，强制降温时间20 分钟到25℃，即制得具有高导热性能的金属化陶瓷边框和玻璃边框；陶瓷基板的第一金属层配合玻璃盖板的第二金属层，第一金属层与第二金属层材料具有相近熔点并能很好熔接，第二金属层与第一金属层可通过电阻焊方式连接在一起；其中，陶瓷基板和玻璃盖板的边框分开制作，其制作条件相同；
该陶瓷基板无需对基板表层进行打磨的原因是，该无机集成LED 支架是内凹梯形结构。并且玻璃盖板已经打磨。能够将金属层附着在支架表层。并且降低生产成本。
过程2：对过程1制成的支架支架进行烘烤除湿、电浆清洗；其支架烘烤条件为：100°-250°，烘烤时间为30-120min，电浆清洗功率为200-300W，清洗时间为5-8min；
过程3：将倒装芯片扩晶，在清洁好的陶瓷基板进行点助焊剂，固晶，所述助焊剂重要参数要求粘度≥100KCPS，沸点在150℃ -220℃之间；其中采用倒装芯片，是为了提高芯片的初始出光效率，倒装芯片通过共晶焊的方式将芯片焊接在陶瓷基板的凹槽内；
过程4：将固晶好的支架经过共晶炉烘烤，该过程中可进行外观全检验，对不合格的产品进行反工；其共晶烘烤分为五段进行，第一段25±5℃（60-120S）,第二段100±10℃（60-120S）,第三段220±10℃（60-120S）,第四段310±20℃（60-120S），第五段220±10℃（60-120S），第六段100±10℃（60-120S），第七段25±5℃（60-120S）；各温区通入的N2 气流量控制为≥ 50SCFH 以排去空气防止共晶时合金被二次氧化；
过程5：盖玻璃盖板，并通过电阻焊工艺的压力电阻焊原理实现第二金属层与高光透过率窗口构成的组合体与支架无缝焊接，实现LED 器件非直接高温加热快速无机材料气密封装。其中，电阻焊接时，第二金属层与金属层之间施加一定的压力，施加电压，并通过电流，使焊接温度保持在700-1200℃之间，焊接时间为0.1-2s。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种全无机集成LED封装方法，包括如下过程：
过程1：制作支架以及玻璃盖板，其具体包括以下过程：
过程11：制备陶瓷基板，陶瓷基板总厚度范围为3-4mm；该陶瓷基板上设有凹槽，设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围为0.4-0.6mm；同时，凹槽的上边沿向四周外侧水平延伸，与陶瓷基板的上边沿形成梯形连接结构；
过程12：对陶瓷基板的凹槽进行激光钻孔，该孔用来将陶瓷基板内部的第一电极引到支架底部,该孔的直径范围为0.2-0.3mm；同时，将陶瓷基板内部的第二电极引到支架的表层；其中，第二电极是通过在陶瓷基板内部钻孔形成U型槽结构，以将凹槽内的第二电极引到支架表层上；然后对陶瓷基板做前处理清洁，并在陶瓷基板的内凹槽局部区域印刷导电电路，烘烤固化，以最终形成支架；
过程13：制作玻璃盖板，该玻璃盖板恰放置于陶瓷基板的梯形连接结构上，以将陶瓷基板盖合，其厚度范围为0.8-1.5mm；且玻璃盖板的边缘经过打磨处理；
过程14：将过程12获得的陶瓷基板，在梯形连接结构的表面设置第一金属层，形成具有高导热性能的陶瓷基板边框；将过程13制成的玻璃盖板，在其与陶瓷基板的接触面上同样设置第二金属层，形成具有高导热性能的玻璃盖板边框；
过程2：对过程1制成的支架进行烘烤除湿、电浆清洗；其烘烤条件为：100°-250°，烘烤时间为30-120min，电浆清洗功率为200-300W，清洗时间为5-8min；
过程3：将倒装芯片扩晶，在清洁好的支架上进行点助焊剂，固晶，所述助焊剂的参数要求：粘度≥100KCPS，沸点在150℃ -220℃之间；
过程4：将固晶好的支架经过共晶炉烘烤，其共晶烘烤分为五段进行，第一段25±5℃（60-120S）,第二段100±10℃（60-120S）,第三段220±10℃（60-120S）,第四段310±20℃（60-120S），第五段220±10℃（60-120S），第六段100±10℃（60-120S），第七段25±5℃（60-120S）；各温区通入的N2 气流量控制为≥ 50SCFH 以排去空气防止共晶时合金被二次氧化；
过程5：盖玻璃盖板，将第二金属层与支架无缝焊接。
2.根据权利要求1所述的全无机集成LED封装方法，其特征在于，所述过程14中制作陶瓷基板边框和玻璃盖板便可的具体过程如下：将电浆料混合均匀形成混合浆料；采用乳胶丝印板，把混合浆料刮印在过程12处理后的支架的印刷平面上，该混合浆料的厚度范围为10-20μm，再经烘干房烘烤到150℃，然后进入特定梯度烧制炉烧制，在780℃的温度时恒温10 分钟后，强制降温时间20 分钟到25℃，即制得具有高导热性能的陶瓷边框；制作玻璃边框的工艺过程与陶瓷边框的工艺过程相同；其中，陶瓷基板的第一金属层配合玻璃盖板的第二金属层，第一金属层与第二金属层的材料具有相近熔点并能很好熔接。
3.根据权利要求1所述的全无机集成LED封装方法，其特征在于，所述过程5中，将第二金属层与支架无缝焊接是通过电阻焊接实现，电阻焊接时，在第二金属层与第一金属层之间施加一定的压力，施加电压，并通过电流，使焊接温度保持在700-1200℃之间，焊接时间为0.1-2s。
4.一种全无机集成LED封装结构，包括由陶瓷基板制成的支架，以及与支架结构相配合的玻璃盖板；该支架上设有放置LED 芯片的凹槽，凹槽的上边沿向四周外侧水平延伸，与支架形成梯形连接结构，所述玻璃盖板恰置于该梯形连接结构上，以将支架盖合；所述凹槽内设有共晶焊焊盘，凹槽内还设有贯穿支架的金属通孔，该金属通孔的一端与共晶焊焊盘相连接，另一端与外部金属焊盘相连接；共晶焊焊盘之上设有倒装LED芯片。
5.根据权利要求4所述的一种全无机集成LED封装结构，其特征在于：支架的总厚度范围为3-4mm，支架设置凹槽位置处的陶瓷基板的厚度范围为0.4-0.6mm。
6.根据权利要求4所述的一种全无机集成LED封装结构，其特征在于：支架上的梯形连接结构与玻璃盖板的接触面上设有第一金属层，同样的，玻璃盖板与梯形连接结构的接触面设有第二金属层。
7.根据权利要求6所述的一种全无机集成LED封装结构，其特征在于：第一金属层与第二金属层的材料具有相近熔点，以能很好熔接。
8.根据权利要求4所述的一种全无机集成LED封装结构，其特征在于：所述共晶焊焊盘选用E型互嵌结构。
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