CN109728154A - 一种全无机白光led封装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制造相关技术领域，并具体公开了一种全无机白光LED封装结构及其制备方法。该结构包括散热基板、LED芯片和荧光玻璃片，散热基板包括底座和支撑体，底座与支撑体之间形成空腔；LED芯片置于空腔内，并固定在散热基板的底座上；荧光玻璃片置于所述散热基板上方，其中荧光玻璃层正对所述LED芯片，荧光玻璃层的四周为金属层，并且该金属层上加工有焊料层，通过该焊料层熔化实现所述荧光玻璃片与所述散热基板的支撑体之间的气密焊接。本发明通过制备荧光玻璃层，使其具备较好的耐热性和热可靠性；同时，通过荧光玻璃片与散热基板之间的气密焊接，可避免有机粘接材料的老化和失效问题，从而显著提高白光LED的可靠性。

Description

一种全无机白光LED封装结构及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体制造相关技术领域，更具体地，涉及一种全无机白光LED封装结构及其制备方法。

背景技术

相比于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，白光LED具有光效高、寿命长、环保节能、结构紧凑等优势，已广泛应用于照明、背光显示等领域，如室内照明、景观照明、路灯、汽车大灯、电视背光等。目前，蓝光LED芯片激发黄色荧光粉是实现白光LED的常用方法，其中白光LED封装形式是荧光粉与硅胶等有机聚合物混合形成荧光粉胶，并将其涂覆于LED芯片表面或远离芯片涂覆。但是，由于LED芯片产生的热量以及荧光粉在光色转换过程中产生的二次发热量均较大，而有机荧光粉胶的热导率低、热稳定性差，在长时间热辐射和光照射下易发生严重的老化变黄、碳化等问题，从而造成白光LED光效降低、光色偏移和可靠性下降。

针对上述问题，研究者提出采用荧光玻璃这种无机荧光转换材料来代替荧光粉胶，以用于白光LED封装。相对于有机荧光粉胶，荧光玻璃具有物化性能稳定、耐热性强、低热膨胀系数等优点。

现有的荧光玻璃封装形式仍不可避免的使用有机聚合物作为粘接材料，以用于荧光玻璃与封装基板间的粘结，这种封装形式在长时间热辐射和光照射下仍会存在有机材料老化问题，造成透过率降低、粘结失效等问题。同时，现有荧光玻璃封装白光LED并不是气密封装，外界环境中的水蒸气、氧气等容易侵入封装体内，严重影响白光LED的长期可靠性，很难适用于恶劣环境下的照明需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全无机白光LED封装结构及其制备方法，该封装结构通过在玻璃片上加工金属层和焊料层，并通过焊料熔化实现与散热基板的气密焊接，从而实现白光LED的高可靠封装，相应的可有效解决有机粘接材料的老化和失效问题，提高白光LED的可靠性，因而尤其适用于恶劣环境下的照明需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种全无机白光LED封装结构，其特征在于，该结构包括散热基板、LED芯片和荧光玻璃片，其中：

所述散热基板包括底座和支撑体，所述底座与支撑体之间形成空腔；

所述LED芯片置于所述空腔内，并固定在所述散热基板的底座上；

所述荧光玻璃片置于所述散热基板上方，其包括玻璃片、荧光玻璃层、金属层和焊料层，其中所述荧光玻璃层正对所述LED芯片，所述荧光玻璃层的四周设置有所述金属层，并且该金属层上加工有所述焊料层，通过该焊料层熔化实现所述荧光玻璃片与所述散热基板的支撑体之间的气密焊接。

作为进一步优选地，所述LED芯片优选为蓝光LED芯片或紫外LED芯片，并且该LED芯片为器件级封装或晶圆级封装。

作为进一步优选地，所述玻璃片优选为钠钙玻璃片或石英玻璃片；所述荧光玻璃层的形状优选为正方形、圆形或长方形，其厚度优选为30μm～150μm；制备该荧光玻璃层的材料为荧光玻璃浆料，该荧光玻璃浆料包括荧光粉、玻璃粉和粘结剂，其中所述荧光粉选用光致发光材料，其掺混质量比优选为10％～60％，所述玻璃粉的玻璃化转变温度小于600℃，其掺混质量比优选为20％～70％，所述粘结剂优选为乙基纤维素和松油醇的混合物，其掺混质量比优选为10％～30％。

作为进一步优选地，制备所述金属层的材料优选为Cr/Ni/Au体系、Ti/Cu/Ni/Au体系或Cr/Al/Ti/Pt/Au体系，其厚度优选为1μm～5μm。

作为进一步优选地，制备所述金属层的材料优选为纳米铜膏、纳米银膏或纳米合金焊膏，其厚度优选为10μm～50μm。

作为进一步优选地，制备所述焊料层的材料优选为铜锡焊料、锡银铜焊料或金锡焊料，该焊料层的厚度优选为50μm～500μm。

按照本发明的另一方面，提供了一种制备所述全无机白光LED封装结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)将所述玻璃片作为基体，在该玻璃片的一侧涂覆所述荧光玻璃浆料后进行加热烧结，形成所述荧光玻璃层；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层四周加工获得所述金属层；

(c)将焊料加工在所述金属层上获得所述焊料层，从而制得所述荧光玻璃片；

(d)最后将所述LED芯片固定安装在所述散热基板的底座上，并将所述焊料层与所述散热基板的支撑体对准后焊接，从而制得所述白光LED封装结构。

作为进一步优选地，所述步骤(a)中加热烧结的温度优选为500℃～650℃，加热烧结的时间优选为20min～60min。

作为进一步优选地，所述步骤(b)中将合金体系通过光刻、溅射、电镀或蒸发的加工工艺制得所述金属层，或将纳米金属焊膏印刷后低温烧结制得该金属层。

作为进一步优选地，所述步骤(c)中通过涂覆焊料或压制焊料片的方法制备所述焊料层；所述步骤(d)中通过局部加热使所述焊料层熔化从而进行焊接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过在玻璃片上制备荧光玻璃层，使其具备较好的耐热性和热可靠性，从而满足白光LED的热稳定性的要求；

2.同时，通过荧光玻璃片与散热基板之间的全无机封装，可避免有机粘接材料的老化和失效问题，从而显著提高白光LED的可靠性，尤其适合于恶劣环境下的照明需求。

3.此外，本发明选择合适的金属体系如Cr/Ni/Au体系、Ti/Cu/Ni/Au体系或Cr/Al/Ti/Pt/Au体系制备厚度为1μm～5μm的金属层，或者采用纳米焊膏制备厚度为10μm～50μm的金属层，从而够保证金属层与荧光玻璃片之间的可靠键合，并选择铜锡焊料、锡银铜焊料或金锡焊料制备厚度为50μm～500μm的焊料层，利用局部加热工艺使焊料层熔化实现焊接，不仅保证了荧光玻璃片与散热基板之间高强度的气密焊接，也避免了焊接过程中高温对LED芯片造成热损伤；

4.尤其是，本发明通过在晶圆级荧光玻璃片上完成金属层和焊料层的制作，利用荧光玻璃片与散热基板间的晶圆级封装，可以有效提高制作白光LED的封装效率和集成度，降低封装成本。

附图说明

图1是本发明实施例1制备白光LED封装结构的工艺流程图；

图2是本发明实施例2制备白光LED封装结构的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲，突就可以相互组合。

本发明提出了一种全无机白光LED封装结构，该结构包括散热基板6、LED芯片5和荧光玻璃片7，其中：

散热基板6包括底座和支撑体，所述底座与支撑体之间形成空腔；

LED芯片5置于空腔内，并固定安装在散热基板6的底座上，该LED芯片5优选为蓝光LED芯片或紫外LED芯片，并且该LED芯片5为器件级封装或晶圆级封装，当该LED芯片5为晶圆级封装时，需要完成切割裂片过程，以获得单颗白光LED；

荧光玻璃片7置于散热基板6上方，其包括玻璃片1、荧光玻璃层2、金属层3和焊料层4，其中玻璃片1优选为钠钙玻璃片或石英玻璃片，荧光玻璃层2正对所述LED芯片5，该荧光玻璃层2的四周设置有金属层3，并且该金属层3上加工有焊料层4，通过该焊料层4熔化实现荧光玻璃片7与所述散热基板6的支撑体之间的气密焊接。

进一步，所述荧光玻璃层2的形状优选为正方形、圆形或长方形，其厚度优选为30μm～150μm；制备该荧光玻璃层2的材料为荧光玻璃浆料，该荧光玻璃浆料包括荧光粉、玻璃粉和粘结剂，其中所述荧光粉选用光致发光材料，其掺混质量比优选为10％～60％，所述玻璃粉的玻璃化转变温度小于600℃，其掺混质量比优选为20％～70％，所述粘结剂优选为乙基纤维素和松油醇的混合物，其掺混质量比优选为10％～30％。

进一步，可采用Cr/Ni/Au体系、Ti/Cu/Ni/Au体系或Cr/Al/Ti/Pt/Au体系制备金属层3，其厚度优选为1μm～5μm；另外还可采用纳米铜膏、纳米银膏或纳米合金焊膏制备金属层3，其厚度优选为10μm～50μm。

进一步，制备焊料层4的材料优选为铜锡焊料、锡银铜焊料或金锡焊料，该焊料层的厚度优选为50μm～500μm。

本发明还提供了一种制备所述全无机白光LED封装结构的方法，该方法包括如下步骤：

(a)将玻璃片1作为基体，在该玻璃片1的一侧涂覆一层厚度均匀的所述荧光玻璃浆料，并将其置于高温炉中，在500℃～650℃温度下烧结20min～60min，形成荧光玻璃层2；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层2四周将合金体系通过光刻、溅射、电镀或蒸发的加工工艺制得金属层3，或将纳米金属焊膏印刷后低温烧结制得该金属层3；

(c)在金属层3上涂覆焊料或压制焊料片获得焊料层4，从而制得荧光玻璃片7；

(d)最后将LED芯片5固定安装在散热基板6的底座上，并将焊料层4与散热基板6的支撑体对准，然后通过局部加热如感应局部加热、激光焊接或平行缝焊等方法使焊料层4熔化后进行焊接，从而制得所述白光LED封装结构。

现以具体的全无机白光LED封装结构及其制备方法为例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，制备所述全无机白光LED封装结构的步骤包括：

(a)将3g松油醇和0.15g乙基纤维素混合，在70℃下超声搅拌直至乙基纤维素完全溶解，以作为玻璃浆料的粘结剂，然后分别加入12.6g YAG黄色荧光粉和5g低温硼硅酸盐玻璃粉，最后通过磁力搅拌15min获得所述荧光玻璃浆料；选用普通钠钙玻璃片作为基体，通过丝网印刷在该玻璃片1的一侧涂覆一层厚度均匀的所述荧光玻璃浆料，然后将其置于高温炉中，在600℃下加热烧结30min，形成厚度为90μm的荧光玻璃层2；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层2四周印刷一层纳米银膏，并通过低温烧结形成厚度均匀的烧结银层，从而获得厚度为30μm的金属层3；

(c)在所述金属层3上压制金锡合金焊片获得厚度为200μm的焊料层4，从而制得荧光玻璃片7；

(d)最后将蓝光LED芯片5通过固晶和打线工艺贴装在所述散热基板6的底座上，并将所述焊料层4与所述散热基板6的支撑体对准加压，通过感应局部加热技术实现二者间的焊接，从而制得全无机白光LED封装结构。

实施例2

如图2所示，制备所述全无机白光LED封装结构的步骤包括：

(a)将4g松油醇和0.2g乙基纤维素混合，在70℃下超声搅拌直至乙基纤维素完全溶解，以作为玻璃浆料的粘结剂，然后分别加入3g YAG黄色荧光粉、1g CASN红色荧光粉和6g低温碲酸盐玻璃粉，最后通过磁力搅拌15min获得所述荧光玻璃浆料；选用晶圆级石英玻璃片作为基体，通过丝网印刷在该玻璃片1的一侧涂覆一层厚度均匀的所述荧光玻璃浆料，然后将其置于高温炉中，在500℃下加热烧结60min，形成厚度为150μm的荧光玻璃层2；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层2一侧通过光刻和显影形成掩膜图形，再通过溅射和电镀工艺在该荧光玻璃层2的四周形成Cr/Ni/Au体系的金属层3，其中该金属层3为200nmCr、2μm Ni和500nm Au；

(c)在所述金属层3上涂覆一层厚度为50μm的锡银铜合金焊料获得焊料层4，从而制得荧光玻璃片7；

(d)最后将多颗蓝光LED芯片5通过共晶工艺贴装在散热基板6的底座上，并将焊料层4与散热基板6的支撑体对准加压，通过回流焊技术实现二者间的焊接，最后通过机械切割或激光切割获得多个所述全无机白光LED封装结构。

实施例3

制备所述全无机白光LED封装结构的步骤包括：

(a)将6g松油醇和0.4g乙基纤维素混合，在70℃下超声搅拌直至乙基纤维素完全溶解，以作为玻璃浆料的粘结剂，然后分别加入2.5g YAG黄色荧光粉和25.4g低温硼硅酸盐玻璃粉，最后通过磁力搅拌15min获得荧光玻璃浆料；选用普通钠钙玻璃片作为基体，通过丝网印刷在该玻璃片1的一侧涂覆一层厚度均匀的荧光玻璃浆料，然后将其置于高温炉中，在650℃下加热烧结20min，形成厚度为30μm的荧光玻璃层2；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层2四周印刷一层纳米铜膏，并通过低温烧结形成厚度均匀的烧结铜层，从而获得厚度为50μm的金属层3；

(c)在所述金属层3上涂覆铜锡合金焊片获得厚度为500μm的焊料层4，从而制得荧光玻璃片7；

(d)最后将蓝光LED芯片5通过固晶和打线工艺贴装在所述散热基板6的底座上，并将焊料层4与散热基板6的支撑体对准加压，通过感应局部加热技术实现二者间的焊接，从而制得全无机白光LED封装结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全无机白光LED封装结构，其特征在于，该结构包括散热基板(6)、LED芯片(5)和荧光玻璃片(7)，其中：

所述散热基板(6)包括底座和支撑体，所述底座与支撑体之间形成空腔；

所述LED芯片(5)置于所述空腔内，并固定在所述散热基板(6)的底座上；

所述荧光玻璃片(7)置于所述散热基板(6)上方，其包括玻璃片(1)、荧光玻璃层(2)、金属层(3)和焊料层(4)，其中所述荧光玻璃层(2)正对所述LED芯片(5)，所述荧光玻璃层(2)的四周设置有所述金属层(3)，并且该金属层(3)上加工有所述焊料层(4)，通过该焊料层(4)熔化实现所述荧光玻璃片(7)与所述散热基板(6)的支撑体之间的气密焊接。

2.如权利要求1所述的全无机白光LED封装结构，其特征在于，所述LED芯片(5)优选为蓝光LED芯片或紫外LED芯片，并且该LED芯片(5)为器件级封装或晶圆级封装。

3.如权利要求1或2所述的全无机白光LED封装结构，其特征在于，所述玻璃片(1)优选为钠钙玻璃片或石英玻璃片；所述荧光玻璃层(2)的形状优选为正方形、圆形或长方形，其厚度优选为30μm～150μm；制备该荧光玻璃层(2)的材料为荧光玻璃浆料，该荧光玻璃浆料包括荧光粉、玻璃粉和粘结剂，其中所述荧光粉选用光致发光材料，其掺混质量比优选为10％～60％，所述玻璃粉的玻璃化转变温度小于600℃，其掺混质量比优选为20％～70％，所述粘结剂优选为乙基纤维素和松油醇的混合物，其掺混质量比优选为10％～30％。

4.如权利要求1～3任一项所述的全无机白光LED封装结构，其特征在于，制备所述金属层(3)的材料优选为Cr/Ni/Au体系、Ti/Cu/Ni/Au体系或Cr/Al/Ti/Pt/Au体系，其厚度优选为1μm～5μm。

5.如权利要求1～3任一项所述的全无机白光LED封装结构，其特征在于，制备所述金属层(3)的材料优选为纳米铜膏、纳米银膏或纳米合金焊膏，其厚度优选为10μm～50μm。

6.如权利要求1～5任一项所述的全无机白光LED封装结构，其特征在于，制备所述焊料层(4)的材料优选为铜锡焊料、锡银铜焊料或金锡焊料，该焊料层的厚度优选为50μm～500μm。

7.一种制备如权利要求1～6任一项所述的全无机白光LED封装结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)将所述玻璃片(1)作为基体，在该玻璃片(1)的一侧涂覆所述荧光玻璃浆料后进行加热烧结，形成所述荧光玻璃层(2)；

(b)在步骤(a)获得的荧光玻璃层(2)四周加工获得所述金属层(3)；

(c)将焊料加工在所述金属层(3)上获得所述焊料层(4)，从而制得所述荧光玻璃片(7)；

(d)最后将所述LED芯片(5)固定安装在所述散热基板(6)的底座上，并将所述焊料层(4)与所述散热基板(6)的支撑体对准后焊接，从而制得所述白光LED封装结构。

8.如权利要求7所述的全无机白光LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中加热烧结的温度优选为500℃～650℃，加热烧结的时间优选为20min～60min。

9.如权利要求7或8所述的全无机白光LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中将合金体系通过光刻、溅射、电镀或蒸发的加工工艺制得所述金属层(3)，或将纳米金属焊膏印刷后低温烧结制得该金属层(3)。

10.如权利要求7～9任一项所述的全无机白光LED封装结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中通过涂覆焊料或压制焊料片的方法制备所述焊料层(4)，所述步骤(d)中通过局部加热使所述焊料层(4)熔化从而进行焊接。