CN105081600B - 封装倒置led芯片用的锡基钎焊焊料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料‑‑锡胶，包括以下按质量百分比计量的组分：环氧树脂5.0～25.0%、低熔点锡基焊粉混合填料70.0～90.0%、改性松香0.5～10.0%和固化剂1.0～15.0%。其中低熔点锡基焊粉混合填料中可含有微米级或纳米级镍粉、铜粉、银粉或其它高熔点合金粉末。锡胶150～250℃温度下固化，在固化前低熔点锡基焊粉填料在改性松香的作用下形成冶金焊点，绝缘树脂包覆在焊点周围后固化。本发明的锡胶可代替导电银胶及常规锡膏，因其成本低、操作简单，性能可靠，具有良好的导电导热功能，可广泛应用于LED、精细焊等电子焊接中。

Description

封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及用于钎焊的焊料，特别是涉及以材料组份和性质为特点的锡基焊料及其制备方法，尤其涉及用于封装倒置LED芯片或封装其他集成电路芯片用的锡基膏状钎焊焊料ￚￚ锡胶。

【背景技术】

LED是21世纪的照明新光源，它具有光效高，发热量少，工作电压低，耗电量小，体积小等优点，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长等优点。LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外射线污染，不会在生产和使用中污染环境。因此，无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，发展LED作为新型照明光源替代传统的照明灯具将是大势所趋。

如图1所示为传统的LED正装结构简图，图2是倒装结构简图，从两者的对比可知，传统的LED产业采用正装的引线键合技术将电极和凸点连接，实现芯片的导通，然后通过导电银浆将芯片和基板连接，最后实现电路互联的工艺过程。如图3所示为传统的LED正装工艺流程简图，包括点胶、贴片、烧结、焊线、封装和固化等多个步骤。LED正装技术工艺比较复杂，采用引线键合技术其合金线材料成本高，工艺繁杂，将芯片和基板连接过程需要导电银浆粘接剂即导电银胶，导电银胶对工艺的要求非常精确，而且银粉成本高昂，工艺制程不易控制，这也是导致市场上LED芯片价格居高不下的主要因素。

近年来，以倒装LED芯片技术为代表的覆晶技术，正在越来越多引起LED行业的高度关注，LED覆晶技术正在逐步摒弃传统的引线键合技术，如图2所示，该技术主要工艺是在LED电极上采用凸点电极蒸镀技术等将电极和芯片焊盘基板融为一体，省去了固晶等工艺环节，取而代之的是采用现代SMT,即表面组装技术进行LED贴片和回流。如图4 LED倒装工艺流程简图，包括点胶、贴片和固化这三个步骤。

LED倒装技术的出现，对新型连接材料的需求摆在封装企业的面前，传统的LED产业以导电银胶为连接材料。经LED点胶、固晶后，再送进电热风炉烘烤这样的工艺已经趋于成熟和完善，在转型向LED倒装技术后，由于现用的固晶锡膏熔融固化需采用类似SMT的回流工艺，企业面临着高昂的新设备采购压力，先前的电热风烤箱工艺设备面临着被淘汰的风险，如何能够以最低的成本实现新的倒装工艺，是摆在LED行业面前的头等难题。

LED芯片封装用的导电胶通常是由高纯度的金属微粒填料、粘合剂、溶剂和助剂所组成的一种机械混合物的粘稠状胶料，导电胶对其组成物质要求十分严格，其品质的高低、各组分含量多少、及组分物质的形状、大小对导电胶的性能都有着密切的关系。

现有技术固晶锡膏中有将热固性树脂加入助焊剂中，以使制得的固晶锡膏具有焊接和固化效果，但其焊接时，须先经过150～180℃预热，然后在200～300℃焊接，其焊接温度必须达到250～300℃，焊接固化温度较高，对基板的要求自然也较高。因焊接温度高于240度，不适用于LED芯片封装。固晶锡膏中助焊剂，助焊剂焊接后的残留物会影响LED的光效。

针对上述焊接固化温度高的问题，现有技术有使用低熔点SnBi合金粉末与含热固性树脂的熔剂形成的焊接组合物，但在固化后，所用金属熔点低，在后续组装成灯具的工艺中易熔化而影响组装连接强度。

为获得焊接固化温度低且焊接强度等同于现有技术的锡膏、同时并摆脱对金银等贵金属的依赖，本发明涉及具有导电导热功能的锡基钎焊焊料俗称锡胶，代替了价格高昂的导电银胶，以及工艺苛刻的固晶锡膏，为企业减少了成本，推动了LED照明的大众普及率，对促进产业转型升级有重要的意义。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术固晶锡膏焊接温度高、有焊接残留物以及导电银胶成本高的不足之处，而提供一种封装倒置LED芯片的锡基钎焊焊料及其制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料-，俗称锡胶，包括以下按质量百分比计量的组分：环氧树脂5.0～25.0%、低熔点锡基焊粉混合填料70.0～90.0%、改性松香0.5～10.0%和固化剂1.0～15.0%。

所述低熔点锡基焊粉混合填料包括SnBi、SnBiAg、SnBiCu、SnIn和SnInBi各合金焊粉中的任意一种或两种以上的混合物，焊粉的粒径为2～45μm。

所述低熔点锡基焊粉混合填料中包括0.5～10.0%的高熔点金属粉末或合金粉末；所述高熔点金属粉末或合金粉末包括微米级或纳米级镍粉、铜粉、银粉以及SnAgCu合金和SnSb合金粉中的任意一种或两种以上的混合物。

所述改性松香为双丙烯酸改性松香。

所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和双环戊二烯-苯酚环氧树脂中的任意一种或两种以上的混合物。

所述固化剂为咪唑类固化剂二乙基四甲基咪唑、胺类固化剂双氰胺和酸酐类固化剂中甲基四氢基邻苯酸酐的任意一种或两种以上的混合物。

所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，还包括以下按质量百分比计的组分：促进剂N,N-二甲基苄胺0.1～2.0%和触变剂氢化蓖麻油0.1～2.0%。

一种基于权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料之制备方法，包括以下步骤：①环氧树脂与低熔点锡基焊粉混合填料混合后经真空搅拌5～30分钟，组成A组分；②依次加入固化剂、改性松香后，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，搅拌0.5～1.0小时至物料均匀，组成B组分；上述步骤①②的先后顺序并不加以限制；③取A组分和B组分混合，搅拌均匀，即得到所述封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料。

实施所述步骤②时，在加入固化剂和改性松香后，还依次加入促进剂和触变剂，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，组成B组分；所述促进剂为N,N-二甲基苄胺；所述触变剂为氢化蓖麻油； 按质量百分比计，所述促进剂和触变剂分别占总组分的0.1～2.0%。

同现有技术相比较，本发明的有益效果是：1、本发明的锡基钎焊焊料具有冶金连接性，在中低温完成焊接固化，可适用于倒装LED芯片的封装，可代替成本昂贵的导电银胶及工艺复杂苛刻的固晶锡膏；2、本发明的锡基钎焊焊料即锡胶焊接后，环氧树脂完成固化，形成热固性焊点，无残留物，解决了固晶锡膏助焊剂残留物的问题，且不影响光效；3、本发明的锡基钎焊焊料焊接时所获得的焊点重熔温度高，达260℃，低熔点锡基焊粉混合填料中可含有的添加粉在焊接过程中与锡基焊粉中的Sn发生原位反应，形成熔点较高的金属间化合物相，从而提高焊点的耐温度疲劳性和温度冲击性；4、本发明的锡基钎焊焊料即锡胶为企业节约生产成本，特别是其中填料粒子为低熔点锡基焊粉混合粉，相对导电银胶中的导电粒子为银或金，价格便宜很多；且无需氮气保护的多段回流焊设备及清洗设备，由于简化了制造流程，相应的设备费用、人工费用、耗材费用等都会降低，生产效率得到明显提高。

【附图说明】

图1为LED正装结构简图；

图2为LED倒装结构简图；

图3为LED正装工艺流程简图；

图4为LED倒装工艺流程简图；

图5为封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料即锡胶的示意简图，图中所用的固化胶为锡胶；图1至5中，标号1为芯片、2为金线、3为导电银胶、4为基板、5为凸点、6为焊点、7为固化胶。

【具体实施方式】

下面结合各实施例对本发明作进一步的描述。这些实施例是本发明各优选实施方式的一部分，但本发明的权利并不受到这些实施例的限定。

本发明涉及的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料--锡胶，其利用改性松香的羧基与金属氧化物尤其是碱性氧化物易反应的特点，让低熔点锡基焊粉混合填料发生冶金收缩，实现刚性粒子和可变形液滴两种存在状态之间的转换，形成冶金连接焊点，克服了银胶中仅靠点与点接触、面与面接触的难点，从而提高了其导电性能。使用该种锡胶焊接后的焊接点具有冶金连接性。

所述低熔点锡基焊粉包括但不限于SnBi、SnBiAg、SnBiCu、SnIn、SnInBi合金焊粉的一种或几种。这样的低熔点锡基焊粉保障了该锡胶可在小于250℃的中低温下完成焊接固化。在本发明的实施方案中的低熔点锡基焊粉混合填料，为熔点即液相线温度在100～200℃范围内的合金。若熔点太低，则在使用过程中功率元件产生的热量会使焊料熔化，而影响可靠性。若熔点超过200℃，则焊接固化温度需超过240℃，不利于LED封装，减弱LED基板及芯片的强度。

在本发明的所述低熔点锡基焊粉混合填料中可含有微米级或纳米级镍粉、铜粉、银粉或其它高熔点合金粉末，以增强焊点的物理性能。混合有高熔点合金粉末的焊粉均匀分散在焊接层或焊点中，高熔点合金粉末与低熔点合金互联，熔化焊接后形成微观组织均匀，多晶型焊点，导热性能明显提升，且重熔温度明显提高，保证了后续组装工艺的温度需求。所述低熔点锡基焊粉混合填料中可含有0.5～10.0%的高熔点金属粉末或合金粉末，包括微米级或纳米级镍粉、铜粉、银粉，以及SnAgCu合金和SnSb合金粉中的任意一种或两种以上的混合物。其原因在于，该范围内的高熔点粉末可增强其导热性能。含量太低，导热性能增加不明显，含量太高，成本增加且影响低熔点合金的冶金收缩。

通常合金焊粉的表面都有一层氧化膜包裹，其保护着合金焊粉不被继续氧化，但在熔焊时，必须除去颗粒表面的氧化膜。所以锡胶中必须含有一种或几种含有羧基的有机酸化合物。利用改性松香中的羧基与金属氧化物（碱性氧化物）易反应的特点，让低熔点合金发生冶金收缩，实现刚性粒子和可变形液滴两种存在状态之间的转换，从而赋予含有低熔点合金混合填料的锡胶具有其他许多导电胶所不具备的特殊性能。本发明利用有机酸即改性松香中的羧基将合金焊粉在中低温下熔融焊接，并在锡基焊粉中添加高熔点粉末形成高熔点晶位化合物，同时利用环氧树脂将焊点包覆，完成固化，加强焊接强度可靠性。在本发明的实施方案中的改性松香，可以为含有有机酸改性松香，改性松香中的羧基可以与焊粉的表面氧化物反应，同时也可以通过交联反应与环氧树脂发生反应。改性松香的添加量为0.5-10.0%，其原因在于，如果含量不足0.5%，则低熔点合金焊粉无法实现冶金收缩，如果含量超过10.0%，则会导致焊接固化后的耐热强度和粘结强度的下降。

作为应用于本发明实施方案中的环氧树脂，可以为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和苯酚型环氧树脂中的任意一种或两种以上的混合物。上述环氧树脂的比例为5.0～25.0%的范围内，其原因在于，如果其重量百分比含量超过25.0%，则焊接性能会下降，影响导电导热性能。如果重量百分比含量不足5.0%，则焊接固化后的耐热强度和粘结强度会不足。

在本发明的实施方案中的固化剂，可以为咪唑类固化剂、胺类固化剂或酸酐类固化剂中的任意一种或两种以上的混合物。上述固化剂的百分比含量为1.0～15.0%的范围，其原因在于，如果固化剂百分含量在上述范围之外，则将难以充分引起固化反应，而导致封装后的耐热强度和粘结强度的下降。

上述不可缺少的组分包括：环氧树脂、低熔点锡基焊粉混合填料、改性松香和固化剂。这几种组分的具体配比的实施例和主要性能评估参数如下表1所示，从表中各实施例可见，本发明所述的的焊接强度可靠性高，导电性、导热性好，成本低，生产效率高。

除了上述不可缺少的组分外，本发明实施方案的锡基钎焊焊料可根据需要包含添加剂如促进剂、触变剂。促进剂、触变剂的种类和添加量并不特别加以限制，促进剂和触变剂优选占锡胶总体质量百分比为0.1～2.0%或0.1～2.0%。

本发明还提供了一种LED倒装芯片封装用的锡基钎焊焊料的制备工艺方法，包括以下步骤：①环氧树脂与低熔点锡基焊粉混合填料混合后经真空搅拌5～30分钟，组成A组分；②依次加入固化剂、改性松香后，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，搅拌0.5～1.0小时至物料均匀，组成B组分；上述步骤①②的先后顺序并不加以限制；③取A组分和B组分混合，搅拌均匀，即得到所述封装倒置LED芯片用的锡胶。

在实施所述步骤②时，在加入固化剂和改性松香后，还依次加入促进剂和触变剂，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，组成B组分；所述促进剂为N,N-二甲基苄胺；所述触变剂为氢化蓖麻油； 按质量百分比计，所述促进剂和触变剂分别占总组分的0.1～2.0%。

LED倒装芯片封装用的锡基钎焊焊料及其制备方法的具体实施例一（以下各实施例中的百分比均为质量百分比）包括步骤①： 5.0～25.0%的环氧树脂与75.0～95.0%份低熔点锡基焊粉混合填料，真空机械搅拌5～30分钟，得到组分A；步骤②：依次加入1.0～15.0%环氧树脂固化剂、0.5～10.0%份改性松香、0.1～2.0%的促进剂、0.1～2.0%的触变剂，在三辊研磨机内研磨至0～12μm颗粒膏状物，然后搅拌30～60分钟，得到膏状组分B； 步骤③：使用时取1～2份A组分，1～3份B组分混合，搅拌均匀，即得到这种LED倒装芯片封装用锡胶。

LED倒装芯片封装用的锡基钎焊焊料及其制备方法具体实施例二包括以下步骤：步骤①：称取双酚A型环氧树脂与低熔点焊粉Sn42Bi58混合焊粉填料真空机械搅拌10分钟呈膏状，得到组分Ａ。其中所用Sn42Bi58混合焊粉填料由95%的3# Sn42Bi58锡基焊粉和5%的纳米级镍粉组成的均匀混合粉末。步骤②：依次加入称量好的咪唑类固化剂、促进剂、触变剂，改性松香，在三辊研磨机内研磨至0～12μm细腻的膏状物，搅拌30分钟，得到组分B。其中咪唑类固化剂为二乙基四甲基咪唑、促进剂为N,N-二甲基苄胺、触变剂为蓖麻油衍生物。步骤③：使用前将组分Ａ和组分B以1:1比例混合，均匀后即得锡胶。步骤④：将制备的锡胶点胶在热沉的LED芯片位置，贴上芯片，在200℃烤箱固化10分钟，芯片与热沉焊接在一起。

LED倒装芯片封装用的锡基钎焊焊料及其制备方法的具体实施例三包括以下步骤：步骤①：称取双酚F型环氧树脂与低熔点焊粉Sn42Bi57Ag1混合焊粉填料真空搅拌30分钟呈膏状，得到组分Ａ。其中所用Sn42Bi57Ag1混合焊粉填料由98.0%的4# Sn42Bi57Ag1锡基焊粉和2.0%的纳米级铜粉组成的均匀混合粉末。步骤②：称取胺类固化剂、促进剂、触变剂和改性松香，在三辊研磨机内研磨至0～12μm细腻的膏状物，加入Sn42Bi57Ag1混合焊粉填料搅拌30分钟，得到组分B。其中胺类固化剂为双氰胺、促进剂为甲基六氢苯酐、触变剂为蓖麻油衍生物。步骤③：使用前将组分Ａ和组分B以１：2比例混合均匀后即得锡胶。步骤④：将制备的锡胶点胶在热沉的LED芯片位置，贴上芯片，在220℃烤箱固化3分钟，芯片与热沉焊接在一起。

LED倒装芯片封装的锡基钎焊焊料及其制备方法的具体实施例四包括以下步骤：步骤①：称取20%双环戊二烯-苯酚型环氧树脂与80%的低熔点Sn59.9Bi40Cu0.1混合焊粉填料真空搅拌30分钟呈膏状，得到组分Ａ。其中所用Sn59.9Bi40Cu0.1%混合焊粉填料由99.0%的5# Sn59.9Bi40Cu0.1%锡基焊粉和1.0%的纳米级银粉组成的均匀混合粉末。步骤②：称取8.0%酸酐固化剂、0.5%促进剂、1.5%触变剂，10.0%改性松香，在三辊研磨机内研磨至0～12μm细腻的膏状物，加入80%上述的Sn59.9Bi40Cu0.1%混合焊粉填料搅拌30分钟，得到组分B。其中酸酐固化剂为甲基四氢基邻苯二甲酸酐、促进剂为丁二酸。步骤③：使用前将组分Ａ和组分B以１：2比例混合，均匀后即得锡胶。步骤④：将制备的锡胶点胶在热沉的LED芯片位置，贴上芯片，在220℃烤箱固化3分钟，芯片与热沉焊接在一起。

上述实施例一的焊接应用效果和以下两个对比例进行了焊接后的效果对比，对比例一中将市售导电银胶点胶在热沉的LED芯片位置，贴上芯片，在150℃烤箱固化120分钟，芯片与热沉焊接在一起。对比例二中将市售固晶锡膏点胶在热沉的LED芯片位置，贴上芯片，经过在预先设置好温度的回焊炉内，芯片与热沉焊接在一起。

本发明所涉及的锡基钎焊焊料即锡胶的固化条件为30min@165℃或10min@200℃或3min@220℃的烤箱，其焊接后的导电性能、抗拉强度和导热系数均介于使用导电银胶和固晶锡膏之间。其综合性能优于固晶锡膏达到LED倒装芯片封装的应用需求，且成本大大低于导电银胶。

上述实施例的应用的主要意义在于使用低熔点锡基焊粉混合填料代替导电银胶中的银粒后导电导热性能。解决了锡胶的导电性能问题，即是否具有导电功能及导电性能是否接近于导电银胶。众所周之，银的优点是电阻率低,导热性能好。在20℃时，银的电阻率是1.65×10^-8欧姆米，电阻温度系数是4.1×10^-3/℃。而锡在20℃时，电阻率是1.14×10^-7欧姆米，电阻温度系数是4.5×10^-3/℃。很显然，在同一温度下，银和锡材料的导电性能相差一个数量级。所以使用锡胶代替银胶，必须使固化后锡基合金在倒装芯片电极与基座电极间出现冶金连接，提高其导电性能。而本发明配方中使用的低熔点锡基焊粉混合填料使得锡胶会具备良好的导电性能。

综合后，认为本发明所涉及的锡胶的配方拥有以下特点：①防止固化后环氧树脂材料出现色泽，影响LED的光效，通过配方设计、试验总结，采用双酚A型环氧树脂及不同的固化剂化学作用，选择合适的温度固化，得到无色透明的有机树脂。②锡胶固化时，内部的锡基焊粉混合填料全部熔融呈锡球状。如果锡球周围有较多的小锡珠，就会影响半导体的导电性能，易出现频闪、漏电、短路等问题。从环氧类交联反应、有机化工和金属材料的原理出发，通过改变有机酸的量，同时又兼顾固化的粘结强度，试验总结得出同时具有固化性能、有机酸性能的改性松香，解决了熔融呈球能力。③具有适合的流变性能。通过改变促进剂、触变剂的种类和配比来调整锡胶的粘度、触变性、表面张力等物理性能，保证可满足丝网印刷、抗坍塌、点胶、浸沾、喷射等工艺要求。④锡胶的存储。环氧树脂类存放一定时间后，易发生交联反应，焊粉与有机酸也易发生反应，导致粘度上升，焊粉颗粒下沉，胶类物质上浮，可使用双组分环氧树脂以及触变剂的种类添加量来改善。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效组分或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，包括以下按质量百分比计量的组分：

环氧树脂5.0～25.0%、低熔点锡基焊粉混合填料70.0～90.0%、改性松香0.5～10.0%和固化剂1.0～15.0%。

2.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，

所述低熔点锡基焊粉混合填料包括SnBi、SnBiAg、SnBiCu、SnIn和SnInBi各合金焊粉中的任意一种或两种以上的混合物，焊粉的粒径为2～45μm。

3.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，

所述低熔点锡基焊粉混合填料中包括0.5～10.0%的高熔点金属粉末或合金粉末；

所述高熔点金属粉末或合金粉末包括微米级或纳米级镍粉、铜粉、银粉以及SnAgCu合金和SnSb合金粉中的任意一种或两种以上的混合物。

4.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，

所述改性松香为双丙烯酸改性松香。

5.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，

所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂和双环戊二烯-苯酚环氧树脂中的任意一种或两种以上的混合物。

6.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，

所述固化剂为咪唑类固化剂二乙基四甲基咪唑、胺类固化剂双氰胺和酸酐类固化剂中甲基四氢基邻苯酸酐的任意一种或两种以上的混合物。

7.如权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料，其特征在于，还包括以下按质量百分比计的组分：促进剂N,N-二甲基苄胺0.1～2.0%和触变剂氢化蓖麻油0.1～2.0%。

8.一种基于权利要求1所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料之制备方法，包括以下步骤：

①环氧树脂与低熔点锡基焊粉混合填料混合后经真空搅拌5～30分钟，组成A组分；

②依次加入固化剂、改性松香后，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，搅拌0.5～1.0小时至物料均匀，组成B组分；

上述步骤①②的先后顺序并不加以限制；

③取A组分和B组分混合，搅拌均匀，即得到所述封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料。

9.如权利要求8所述的封装倒置LED芯片用的锡基钎焊焊料之制备方法：

实施所述步骤②时，在加入固化剂和改性松香后，还依次加入促进剂和触变剂，在三辊研磨机内研磨至成为0～12μm颗粒膏状物，组成B组分；

所述促进剂为N,N-二甲基苄胺；所述触变剂为氢化蓖麻油； 按质量百分比计，所述促进剂和触变剂分别占总组分的0.1～2.0%。