CN1129968C - 发光二极管的封装方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管的封装方法，是在电路板基材的预设位置放置发光二极管晶粒位置，做钻孔使贯穿基板，并做贯孔电镀，后再将电路板经焊锡炉处理，使有贯孔位置的孔洞填满焊锡而形成焊锡点，后再用模具将焊锡点制作成一凹槽反射座，再将晶粒放置于凹槽反射座中，焊电极线及用封胶树脂封装成型，使形成具有反射座的表面粘著发光二极管。

Description

发光二极管的封装方法

技术领域

本发明提供一种二极管的封装方法，特别是指一种表面粘著型(SMD)发光二极管的封装方法。

背景技术

发光二极管(LED)的封装型态主要分两种，一为灯型(Lamp)，是采用液体树脂灌注方式成型，另一种为表面粘著型(SMD)，它有采用模注成型(molding)方式，也有部分采用液体树脂灌注方式，在本发明创作内容主要为表面粘著型(SMD)发光二极管的封装，另也包含了LED Chip on Board(COB)新的LED封装技术内容。

LED的封装对其散热性的考量是相当重要的，特别在最新的白光LED照明用途上，将不再是过去的15mA或20mA为标准，而是希望能达50mA以上，甚至100mA(亮度比较亮)，当然其消耗功率较大，固热量也大，因此必须加强其散热效果，美国HP公司就发展一颗特殊封装(俗称食人鱼)构造的LED(HP公司称Super Flux LEDs，型号HPWA-MHOO等)其强调散热性佳，可通以70mA没问题(传统封装为20mA)，现在该型LED大部被使用于汽车的第三刹车灯。

LED封装就热散性而言，SMD型是所有LED封装散热性最差的一种，比灯型(Lamp)封装散热性要差很多，因此它无法通以较大电流，其散热性差主要因为其封装树脂及基板本身散热性不佳，无法有效的传导热量。

另传统表面粘著型发光二极管(SMD LED)大部没有反射座，有反射座的设计的厂商并不多，目前SMD LED有反射座设计，大部在现成的电路板(基板)上挖孔，再施以电镀金属反射层，后再固晶、焊线、封胶等步骤使能完成SMD LED成品，如台湾专利公告第381313号专利内容所示。在电路板上挖孔所制作出来的凹杯反射座其凹杯内的底面为一弧形(因钻孔所造成的)，所以该技术在LED晶粒固晶时接触面不佳且较不稳固，正常的凹杯底面应为平面以利固晶，固该项技术有缺失且传热性不佳。

本人长期研究LED工作，多年来有多项专利与良好成果，今有鉴于表面粘著型LED，及LED Chip On Board其散热性不佳加以研究找到解决方法，并研究出新的制程方法，并可量产化具有良好的竞争性与生产价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光二极管的封装方法，其具有良好的散热性。

本发明的另一目的在于提供一种发光二极管的封装方法，其可提高发光二极管的使用寿命。

本发明发光二极管的封装第一实施例是将电路板在须要放置LED的位置上直接钻洞(并非挖孔)，后须做贯孔电镀(此为一般电路板制程)，再将电路板过锡炉，使有贯孔电镀的孔洞位置全灌满高温焊锡，再利用模具直接将焊锡点上压成一凹槽，该凹槽为固定LED晶粒及具光反射作用，并在凹槽表面作电镀金或银等具高光反射性的金属膜，最后做固晶、焊线、封装等步骤。

本发明最大的特点为利用电路板制程技术在贯孔位置上灌满高温焊锡(250℃以上)，后再该点位置上打一凹槽反射座，利用该焊锡点做传热功效，且在底部可连接散热材导热，因此利用本项技术直接作LED Chip On Board制作成如LED交通号志灯，其效果比传统用Lamp灯来组装其制程与材料成本便直许多且散热性佳，更可应用于其他LED灯具光源产品的开发上。

在本发明第一实施例制程中采用高温焊锡(250℃以上)其主要目的为避免因LED长期高电流(30mA以上)使用，LED晶粒发热时其内部最高温可能达120℃，若使用一般焊锡(183℃，Sn63％、Pb37％)则会使焊点软化或形成焊锡晶粒成长或产生低温合金等现象。

为了避免这些现象的产生而造成LED可靠性的品质问题，在本发明中特别强调使用高温焊锡250℃-500℃左右，最理想者为350℃，当然在焊锡中材料大都为锡(Sn)与铅(Pb)合金的形成，若在其凹槽表面镀上报(Ag)或金(Au)高光反射性材料，由于锡(Sn)很容易与金及银产生合金，而造成凹槽反射座的功能影响，因此在本发明中在电镀金或银膜层前，须再镀一层阻隔层铬(Cr)或其他不容易与焊锡材料产生低温合金现象的膜层，这样可避免利用本发明所制作出的SMD LED成品在与其他电路板接合时，因过锡炉因高温而产生不良影响。

附图说明

为了进一步了解本发明的详细内容，以下结合附图及实施例对本发明说明如下，其中：

图1是本发明发光二极管的封装第一实施例电路板有贯孔电镀的示意图。

图2是本发明发光二极管的封装第一实施例电路板贯孔位置灌满焊锡的结构图。

图3是本发明发光二极管的封装第一实施例电路板在贯孔位置的焊锡点上制作凹槽的结构图。

图4是本发明发光二极管的封装第一实施例电路板焊锡点凹槽上制作LED固晶、焊线、封胶的结构图。

图5是本发明发光二极管的封装第一实施例电路板焊锡点上封装LED并于背面加散热材的结构图。

图6是本发明发光二极管的封装第一实施例SMD的第一结构图。

图7是本发明发光二极管的封装第一实施例SMD的第二结构图。

图8是本发明发光二极管的封装第二实施例电路板结构图。

图9是本发明发光二极管的封装第二实施例在电路板上制作凸块的结构图。

图10是本发明发光二极管的封装第二实施例在金属凸块电极座上制作凹槽的结构图。

图11是本发明发光二极管的封装第二实施例在凹槽内放置发光晶粒的结构图。

图12是本发明发光二极管的封装第二实施例形成SMD LED封装的第一结构图。

图13是本发明发光二极管的封装第二实施例形成SMD LED封装的第二结构图。

图14是本发明发光二极管的封装第二实施例形成COB的结构图。

图15是本发明发光二极管的封装第三实施例具有凹状槽基板剖面图。

图16(a)是本发明发光二极管的封装第三实施例具有凹状槽基板表面形成金属电极剖面图。

图16(b)是本发明发光二极管的封装第三实施例具有凹状槽基板表面形成金属电极上视图。

图17是本发明发光二极管的封装第三实施例LED晶粒以覆晶方式接合凹状基板金属正、负电极图。

图18是本发明发光二极管的封装第三实施例以覆晶接合且具有凹状反射座及有透镜的SMD LED封装结构图。

图19是本发明发光二极管的封装第三实施例以覆晶接合且具有凹状反射座的SMD LED封装结构图。

图20本发明发光二极管的封装第四实施例电路板基座结构图。

图21是本发明发光二极管的封装第四实施例在电路板基座上有机胶层结构图。

图22是本发明发光二极管的封装第四实施例用激光切刻有机胶层结构图。

图23是本发明发光二极管的封装第四实施例蚀刻电极的结构图。

图24是本发明发光二极管的封装第四实施例SMD LED基板结构图。

图25是本发明发光二极管的封装第五实施例SMD LED的结构图。

图26习知发光二极管SMD型基板金属电极分刻在凹状槽外的结构图。

图27是习知发光二极管SMD型LED晶粒固晶焊线位置结构图。

具体实施方式

第一实施例

敬请参阅图1所示，图1为本发明发光二极管的封装所用的电路板基材1，在电路板基材1的表面上制作电极2，并于电路板上预设放置LED晶粒位置钻孔使贯穿基板形成贯孔3，后再将电路板做贯孔电镀处理使形成贯孔电镀金属层4，再将电路板过锡炉，使有贯孔位置塞满了焊锡形成焊锡点5(如图2所示)，后再用模具将焊锡点5的表面压成一小凹槽6(如图3所示)，凹槽6主要功能为放置LED晶粒固晶用，并于凹槽表面镀上一层金属层或不易与焊锡产生低温合金的材料(如铬等)，后再镀上一层反射层如金或银等材料，再将LED发光晶粒固定于凹槽6上，并焊线最后灌入封胶树脂8(如图4所示)即形成晶粒置放基板(LED COB)封装技术成品，本项技术由于放置LED的位置为一贯穿电路板的金属焊锡点，所以当LED所产生的热量可以直接传递到另一端，并可在另一端面接合一散热材9(如图5所示)以增加散热功能，所以运用本项技术其散热佳，LED可通以大电流(50mA-100mA)，传统方法由于散热性差只能通以25mA左右电流，所以本发明第一实施例的LED COB封装技术与传统直接将LED晶粒固定在一般电路板上是有很大的不同。

第一实施例的另一种LED封装型态为表面粘著型元件(SMDLED)，如图6及图7所示，其制程与前段所述一样，只是唯一不同处是在电极2的地方是从侧面连接到底端，并将电路板上已封装成型的LED切割成SMD型LED，如此形成的SMD LED亦具有良好的散热功能。

第二实施例：

敬请参阅图8所示，图8为本发明发光二极管的封装第二实施例所用的电路板基材1(与第一实施例基材相同)，并在基材表面制作电极2使形成正、负电极面，将电极导电至底面，在预定位置设置LED晶粒及焊线的电极面上，电镀金属层使形成一金属凸块(俗称PUMP)，其材料主要为铜，较大的电极凸块称金属凸块电极座11，在较小的凸块称为金属凸块电极10，在较大电极凸块面的金属凸块电极座11上，利用模具将该凸块制作成一小凹槽6，凹槽6与第一实施例凹槽6的功能相同，都为放置LED发光晶粒做固晶及光反射作用，并在金属凸块电极座11含凹槽6与金属凸块电极10做电镀金或银等高反射材以增加光反射功能；最后再将发光二极管晶粒7放置于凹槽6上(如图11所示)，并焊线连接电极于另一金属凸块电极10，并用封缪树脂8封装成表面粘著型(SMD)发光二极管(如图12及图13所示)。

金属凸块的制法除了电镀外，还有一种涂印法，即用网版在需要涂印电极面上涂印一层金属胶体(含有微粉金属粉粒)，后再经加温退火处理使金属胶体烧结成一金属凸块电极，后再经模具将该凸块制作成凹槽等步骤，利用涂印法所形成的金属材料其温度不能太高，以利退火烧结，可用锡铅合金材料或铜、银等材料。

在第二实施例中，可直接在电路板的任何预设位置制作有反射座的电极并不须切割成SNID型态，如图14所示，即形成所谓的LED COB(Chip On Board)晶粒置放基板封装技术。

第三实施例：

在有反射座SMD型LED到目前为止，尚无Flip Chip型(覆晶封装)出现，理由是LED Flip Chip本身就很少厂商有能力可制作，它需要LED上、下游厂家整合才可，LED用Flip Chip封装有很多好处，不用焊线、散热佳，品质稳定，若加上反射座则亮度可提升30％以上，是未来LED封装的主流。

GaN是蓝光LED正、负电极在同一端，且其基板(氧化铝单晶)为透明体，因此蓝光LED封装采覆晶方式封装其将比采传统方式(正面封装)来的效果佳，且不用焊线，但LED采覆晶方式封装其接脚只有二点，不易固晶(与IC不同)，本人在此方面已获得了解决并已提出专利申请，台湾案号87115314号及88111160号。另在蓝光LED晶粒表面加上黄色荧光粉可形成白光LED(如本人获得新型专利第157331号-新白光LED)，若蓝光LED晶粒采用覆晶封装则在涂黄色荧光粉时其不受金线的干扰(没有焊线)所涂布荧光粉较均匀，固所制作出来的白光其光分布也较均匀，品质较佳。

敬请参阅图1所示，图15为本发明“发光二极管的封装”第三实施例具有凹状槽基板(陶瓷基板)的剖面图(传统基板为平面基板)，在电路板基座21及基座上凹状反射槽22的表面镀上金属层23(传统为在平面基板表面压合铜箔)，并利用激光光直切割基板凹状反射槽22上的金属层23如图16a及图16b所示，使形成正电极31及负电极32端(传统方法是在平面基板上利用曝光、显影、蚀刻方式形成，但在凹状槽内无法采用此方式)。后再将发光二极管(LED)晶粒35以覆晶方式贴粘在电路板基座的凹状反射槽22内，使LED正、负电极与基板金属正、负电极接合，并利用加温方式使接点36能完全溶接(如图17所示)，最后再以封装树脂37封装成型如图18所示具有透镜的SMD结构或封装成形如图19所示一般长方形的SMD结构，此即完成LED以覆晶接合且具有反射凹槽的SMD型发光二极管。

本发明第三实施例发光二极管的封装基板材料采用高散热性的陶瓷基板则其散热效果佳，更适合使用于较大电流的发光二极管产品上如LED照明产品上，未来产品具有相当的竞争性且更适合大量生产。

覆晶技术在IC封装上已非常成熟，但在LED上电极只有两只脚，且晶粒又很小约300μm×350μm，很难固定，加上电极接点与极距都很小，因此一般用IC覆晶技术要用于LED上还很难做到，且又要有反射座以增强其亮度其制作非常困难，也因此才有本项发明创作的机会产生。

第四实施例

本发明第四实施例电路板是采树脂(EPOXY)内混合高散热性且绝缘的材料如氧化铝(Al₂O₃)或氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)材料以加强散热，在此本发明通称为“复合树脂基板”，将复合树脂材料利用成型方式先成型成具有凹状反射槽22的电路板基座21结构如原先图15所示，并在其表面镀上金属导电层23(如图20所示)，后在基板上涂布光阻或一种有机胶体29，使基形成一薄膜层如图21所示，由于涂布光阻或有机胶体的膜层29在有凹槽22与没有凹槽的地方其厚度不一样，因此在此没办法用光阻曝光方式直接显影蚀刻凹槽内的电极，因此本发明人想出一个新方法，也是用激光法直接切刻光阻或有机胶体膜层29(并非曝光)如图22所示，第三实施例是用较高能量直接刻出金属电极因基板为陶瓷基板，不受激光伤害，在第四实施例其基板为复合树脂基板，若用高能量激光直接刻金属电极，那也会伤到底材的复合树脂基板，因此第四实施例必须使用较低能量激光直接刻出有机膜层29即可(不同材料须选择不同波长激光来切刻)，后再经化学蚀刻方式将金属层蚀刻形成正、负电极如图23所示，再将表面的有机膜层或光阻清洗去除如图23，即形成如图24所示的结构具有凹状反射座且电极分刻线在凹槽内的SMD LED基板结构适合作覆晶接合，亦可达到第三实施例的结构与功效，第三实施例与第四实施例其制程方法不同，但其最终结构则相同，故功效也大致相同，只是第四实施例采用复合树脂基板其散热性稍比第三实施例采用陶瓷基板差一点。

第三实施例与第四实施例强调制程方法与结构，重点用于SMD LED的覆晶接合方式，但目前市场上LED晶粒都焊线占多数，在本案中亦可将第三实施例与第四实施例做部分的修改，即形成本发明的第五实施例。

第五实施例

第五实施例是利用第三与第四实施例中在凹槽中制作正、负电极时，其电极分刻线不在中央，而是在偏心(侧边)形成一大、一小电极面端，以利传统方法将LED晶粒固晶在大电极面、焊线、灌封装树脂等步骤。

本发明第五实施例的特点是焊线焊在凹槽内的电极上，而传统方法焊线部焊在凹槽外，如图27所示：图26、图27的电极分刻线在凹槽外(如台湾专利公告第381313号所示)，本发明第五实施例电极分刻线在凹槽内，两者的分刻线有很大的不同，在凹槽内其SMD成品体积较小，如图25所示，而电极分刻线在凹槽外则封装产品厚度体积都比较大；电极分刻线在凹槽内可用液态树脂点胶即可，而传统方式即必须采用成型方式(Molding)才可，两者在模具成本与制程有很大的不同。在此特别说明。

本发明“发光二极管的封装方法”所列举的五个实施例均可在电路板上直接做LED COB封装处理，亦可直接切割成SMD型态，第一实施例利用贯孔金属焊锡点制作凹槽反射座，而第二实施例则利用凸块金属点制作凹槽反射座，本发明五实施例的方法均与过去传统制作SMD LED的方法有所不同，具有实质的创新性与进步性；尤其发光二极管未来在白光LED的封装制作更为重要，由于本人所取得的白光LED专利其封装必须用到凹槽的设计(请参考台湾新型专利第157331号及公告406868号，及美国专利第5962971号)，也因为有鉴于白光LED未来在照明上的运用须较大电流驱动特别在目前SMD LED封装无法通大电流的驱使下因而促使本发明发明的产生。

Claims (4)

1.一种发光二极管的封装方法，其特征在于，是在电路板基材的预设放置发光二极管晶粒位置做钻孔及贯孔电镀处理，后再将电路板经焊锡炉处理，使有贯孔位置填满焊锡形成焊锡点，后再用模具将焊锡点的表面制作成型一凹槽，再于凹槽表面镀上一金属反射层；将发光二极管晶粒固定于凹槽中，并连接电极线，经封胶树脂封装成型，形成发光二极管晶粒置放基板封装，或再经切割成具有凹槽反射座的表面粘著型发光二极管。

2.根据权利要求1所述的发光二极管的封装方法，其特征在于，其中焊锡点是为一高温焊锡，其熔点在250℃以上。

3.根据权利要求1所述的发光二极管的封装方法，其特征在于，其中在凹槽表面镀上一金属反射层之前可先镀上一层阻隔层以避免反射层金属材料与焊锡点材料产生低温合金现象，其阻隔层材料可为铬、镍、钛。

4.根据权利要求1所述的发光二极管的封装，其特征在于，其中在凹槽表面镀一反射层，其反射层材料为金或银。

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