專利名稱：發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)和制造方法。
技術(shù)背景
目前發(fā)光二極管(LED，light emitting diode)在各個(gè)領(lǐng)域、尤其是照明領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而隨著對(duì)發(fā)光二極管的亮度要求越來越高，單顆發(fā)光二極管的功率越來越大，散熱問題逐漸成為制約發(fā)光二極管亮度和壽命的主要瓶頸，如何為發(fā)光二極管芯片散熱也成為人們研究的重點(diǎn)。
目前的做法是，將LED芯片固定于一個(gè)支架上，再將該支架固定于一個(gè)金屬PCB板 (MCPCB, metal core PCB)上。為了最大程度的降低熱阻，LED芯片與支架之間使用銀膠粘接，或使用錫膏焊接，或使用共晶焊料焊接，同時(shí)在支架與金屬PCB板之間使用錫膏焊接。 如中國(guó)專利 200710124275,200920290284,200910201685,200720172014,201020645033 分別提出了上述的焊接固定方法。
然而，直接應(yīng)用上述方法會(huì)帶來如下問題。由于LED芯片和支架之間焊接固定后， 還需要在支架與MCPCB之間的焊接過程中承受高溫，此時(shí)LED芯片與支架之間的焊料會(huì)發(fā)生再次熔化，此時(shí)LED芯片的位置可能發(fā)生微量的移動(dòng)或翹起。
上述問題對(duì)于通用照明燈具來說基本沒有影響，因?yàn)長(zhǎng)ED芯片的位置微量移動(dòng)或翹起并不會(huì)對(duì)發(fā)光亮度、熱阻等造成影響。然而，對(duì)于特殊的應(yīng)用情況則完全不同。例如投影機(jī)中使用的LED芯片陣列，就要求每一顆LED芯片精確定位，任何微量的偏移都會(huì)造成在光能量無法入射到顯示芯片上而造成能量損失。
因此，需要一種新的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)和制造方法來解決上述問題。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的主要技術(shù)問題是LED芯片在封裝過程中的位移問題，這導(dǎo)致LED芯片無法精確定位。
本發(fā)明提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，包括發(fā)光二極管芯片和支架，該支架包括第一焊接面和第二焊接面，還包括用于將該發(fā)光二極管芯片固定于支架的第一焊接面上的第一焊接材料，該第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度。本發(fā)明的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)還包括導(dǎo)熱基板，該導(dǎo)熱基板包括第三焊接面，還包括用于將支架的第二焊接面固定于該導(dǎo)熱基板的第三焊接面上的第二焊接材料，該第二焊接材料在焊接過程中的最高溫度為第二溫度。其中，第一溫度高于第二溫度，并且第一溫度與第二溫度的溫度差高于10攝氏度。
本發(fā)明還提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟
步驟一使用第一焊接材料將發(fā)光二極管芯片固定于支架的第一焊接面上；步驟一完成后，第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度；
步驟二 使用第二焊接材料將支架的第二焊接面固定于導(dǎo)熱基板的第三焊接面上；
在步驟二的焊接過程中的最高溫度比第一溫度低10攝氏度以上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括如下有益效果
在本發(fā)明中的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片可以精確定位；在本發(fā)明的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制造方法的制造過程中，LED芯片不會(huì)發(fā)生由于焊接材料的熔化而發(fā)生位移。


圖1是本發(fā)明的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的示意圖2是第一焊接材料的焊接回流曲線的一個(gè)舉例；
圖3是第二焊接材料的焊接回流曲線的一個(gè)舉例；
圖4是本發(fā)明的發(fā)光二極管的封裝結(jié)構(gòu)的制造方法的流程圖5是圖4所示的流程圖的細(xì)化流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。其中，發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu) 100中包括發(fā)光二極管芯片101，支架102，導(dǎo)熱基板107。為了焊接和LED線路的引出，支架102的第一焊接面10 上鍍有帶有形狀金屬鍍層104。第一焊接材料105填充于發(fā)光二極管芯片101和支架102之間，用于將發(fā)光二極管芯片101固定于支架102的第一焊接面 10 上。第二焊接材料106填充于支架102和導(dǎo)熱基板107之間，用于將支架102的第二焊接面102b固定于導(dǎo)熱基板107的第三焊接面107a上。
在本發(fā)明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度， 而第二焊接材料在焊接過程中的最高溫度為第二溫度。第一溫度高于第二溫度，并且第一溫度與第二溫度的溫度差高于10攝氏度。
具體來說，在本實(shí)施例中，第一焊接材料為金錫合金；更優(yōu)化的，該金錫合金中金的質(zhì)量百分比為80%，錫的質(zhì)量百分比為20%，實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)比例的金錫合金焊料的性能最好，它可以表示為Au80Sn20。Au80Sn20在焊接過程中的溫度曲線如圖2所示。在圖2中， 橫坐標(biāo)表示焊接時(shí)間，以秒為單位；縱坐標(biāo)為焊接溫度，以攝氏度為單位。Au80Sn20在280 攝氏度時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)并成為液相，具有良好的流動(dòng)性，此時(shí)它可以和發(fā)光二極管芯片101 以及支架102的第一焊接面10 上的金屬鍍層104充分浸潤(rùn)接觸。280攝氏度為Au80Sn20 的反應(yīng)溫度。在實(shí)際工作中，如圖2所示，最高焊接溫度會(huì)高于Au80Sn20的反應(yīng)溫度觀0 攝氏度，達(dá)到290攝氏度至300攝氏度，這是為了使其濕潤(rùn)效果更好、形成的焊點(diǎn)質(zhì)量更高。
在達(dá)到峰值溫度后，開始控制Au80Sn20的溫度下降并冷卻凝固，此時(shí)發(fā)光二極管芯片101與支架102的第一焊接面10 上的金屬鍍層104已經(jīng)以合金的形式牢固的固定在一起，同時(shí)該填充于發(fā)光二極管芯片101以及支架102的第一焊接材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，有利于發(fā)光二極管101的散熱。
在本實(shí)施例中，支架102的材料是氮化鋁陶瓷，這種絕緣材料具有良好的導(dǎo)熱性。 由于氮化鋁陶瓷本身與焊料不浸潤(rùn)，因此不適于直接與焊料接觸。因此在本實(shí)施例中，在氮化鋁陶瓷表面鍍有一層銀104，用于與第一焊接材料焊接在一起。值得說明的是，支架102的材料也可以是其它導(dǎo)熱材料，例如氧化鋁陶瓷、金屬銅或鋁等。當(dāng)支架102的材料是金屬材料時(shí)，由于其本身與第一焊接材料可以浸潤(rùn)焊接，此時(shí)就不需要金屬鍍層104。
在本實(shí)施例中，Au80Sn20焊接完成后，所能承受的環(huán)境溫度不能超過其反應(yīng)溫度 280攝氏度，否則其物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生改變并重新具有流動(dòng)性，這樣就必然會(huì)造成發(fā)光二極管芯片101位置的移動(dòng)。因此在本實(shí)施例中，第一溫度等于280攝氏度。在實(shí)際工作中， 為了保證工作的穩(wěn)定性，往往要求環(huán)境溫度比第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限低10 攝氏度以上。也就是說，在本實(shí)施例中，要求第二溫度低于270攝氏度，這是選擇第二焊接材料的一個(gè)必要條件。
在本實(shí)施例中，金錫合金焊膏焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度上限就是其反應(yīng)溫度，但這只是個(gè)舉例，并不限制第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限與其焊接過程中的反應(yīng)溫度的關(guān)系。例如，中國(guó)專利200610014157就公開了一種新型的焊膏，其焊接溫度最高為290攝氏度，而焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度的上限是350攝氏度。
值得注意的是，在本發(fā)明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度的上限為第一溫度，指的是該第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度小于等于該第一溫度，或小于該第一溫度且不包含該第一溫度本身。例如在本實(shí)施例中，Au80Sn20焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度的上限是其反應(yīng)溫度280攝氏度，指的是Au80Sn20焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度小于280攝氏度且不包含280攝氏度本身，這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度小于 280攝氏度時(shí)Au80Sn20保持穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)環(huán)境溫度等于280攝氏度Au80Sn20開始熔化。
在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)光二極管101與支架102固定后，為了使用方便往往還需要將支架102固定于一個(gè)導(dǎo)熱基板107上。在本實(shí)施例中，導(dǎo)熱基板107例如但不限于是金屬基 PCB 板。
在本實(shí)施例中，第二焊接材料106是錫銀銅焊料，表示為Sn96. 5Ag3. OCuO. 5，其焊接過程中的溫度曲線如圖3所示。在圖3中，橫坐標(biāo)表示焊接時(shí)間，以分鐘為單位；縱坐標(biāo)為溫度，以攝氏度為單位。從圖3可以看出，錫銀銅焊料最高只需要加熱到250攝氏度左右就可以實(shí)現(xiàn)焊接目的。因此在本實(shí)施例中，第二溫度為250攝氏度，滿足上述的低于270攝氏度的條件。
綜上所述，比較圖2和圖3可以看出，本實(shí)施例的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)利用第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限比第二焊接材料在焊接過程中的最高溫度高30攝氏度的特點(diǎn)，使第一焊接材料在第二焊接材料的焊接過程中物理化學(xué)特性不發(fā)生改變，進(jìn)而保證了發(fā)光二極管芯片的位置不發(fā)生移動(dòng)或翹起。
在實(shí)際工作中，錫銀銅焊料并不是第二焊接材料的唯一選擇，其它焊料例如 Sn95. 5Ag3. 7CuO. 8，SnAg, SnPb, SnBi, SnBiCu等焊料，只要滿足其焊接溫度的最大值比第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限低10攝氏度以上就可以作為第二焊接材料使用。優(yōu)選的，考慮到環(huán)境保護(hù)，第二焊接材料為無鉛焊膏。
在實(shí)際的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中，除了上述說明中的部件之外，可能還包括其它部件，例如金線和透明硅膠等。這都屬于現(xiàn)有技術(shù)，此處不作贅述。
本發(fā)明還提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，如圖4所示。該制造方法包括以下步驟
步驟421 使用第一焊接材料將發(fā)光二極管芯片固定于支架的第一焊接面上；步驟一完成后，第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度；
步驟422 使用第二焊接材料將支架的第二焊接面固定于導(dǎo)熱基板的第三焊接面上；在步驟二的焊接過程中的最高溫度比第一溫度低10攝氏度以上。
在該制造方法中，步驟一和步驟二的順序不能顛倒。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，步驟一和步驟二分別被拆分成四個(gè)子步驟，如圖5所示，其中步驟421中包括如下子步驟
子步驟421a 將第一焊接材料的膏體涂覆于支架的第一焊接面的預(yù)定位置，或?qū)⒌谝缓附硬牧系念A(yù)制片放置于支架的第一焊接面的預(yù)定位置。
有多種方法涂覆第一焊接材料的膏體，例如絲網(wǎng)印刷和使用點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)膠。而第一焊接材料的預(yù)制片指的是將第一焊接材料壓制成型后得到的片材，其作用和工作原理與第一焊接材料本身相同，好處在于可以方便控制第一焊接材料的使用量。
子步驟421b 將發(fā)光二極管芯片放置于第一焊接材料上；
子步驟421c 加熱，最高溫度為第三溫度，使第一焊接材料熔化；在第一焊接材料是金錫焊膏的實(shí)施例中，第一溫度為其反應(yīng)溫度，同時(shí)為了保證焊接的質(zhì)量，第三溫度往往高于第一溫度，例如比第一溫度高15攝氏度或更高；
子步驟421d 冷卻，使第一焊接材料固化。
步驟二 422中包括如下子步驟
子步驟42 將第二焊接材料的膏體涂覆于導(dǎo)熱基板的第三焊接面的預(yù)定位置， 或?qū)⒌诙附硬牧系念A(yù)制片放置于導(dǎo)熱基板的第三焊接面的預(yù)定位置；
子步驟422b 將支架的第二焊接面放置于第二焊接材料上；
子步驟422c 加熱，最高溫度為第二溫度，使第二焊接材料熔化；
子步驟422d 冷卻，使第二焊接材料固化。
以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括發(fā)光二極管芯片；支架，所述支架包括第一焊接面和第二焊接面；用于將所述發(fā)光二極管芯片固定于所述支架的第一焊接面上的第一焊接材料，該第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度；導(dǎo)熱基板，所述導(dǎo)熱基板包括第三焊接面；用于將所述支架的第二焊接面固定于所述導(dǎo)熱基板的第三焊接面上的第二焊接材料， 該第二焊接材料在焊接過程中的最高溫度為第二溫度；所述第一溫度高于所述第二溫度，并且第一溫度與第二溫度的溫度差高于10攝氏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一焊接材料為金錫合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金錫合金中金的質(zhì)量百分比為80%，錫的質(zhì)量百分比為20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二焊接材料為如下成分的焊膏中的任意一種SnAgCu，SnAg, SnPb, SnBi, SnBiCu。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二焊接材料為無鉛焊膏。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支架的材料為銅、 鋁、氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷中的一種。
7.一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一使用第一焊接材料將發(fā)光二極管芯片固定于支架的第一焊接面上；步驟一完成后，所述第一焊接材料所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度；步驟二 使用第二焊接材料將支架的第二焊接面固定于導(dǎo)熱基板的第三焊接面上；在步驟二的焊接過程中的最高溫度比第一溫度低10攝氏度以上。
全文摘要
本發(fā)明提出一種發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)和制造方法，包括發(fā)光二極管芯片和支架，該支架包括第一焊接面和第二焊接面，還包括用于將該發(fā)光二極管芯片固定于支架的第一焊接面上的第一焊接材料，該第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環(huán)境溫度上限為第一溫度。本發(fā)明的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)還包括導(dǎo)熱基板，該導(dǎo)熱基板包括第三焊接面，還包括用于將支架的第二焊接面固定于該導(dǎo)熱基板的第三焊接面上的第二焊接材料，該第二焊接材料在焊接過程中的最高溫度為第二溫度。其中，第一溫度高于第二溫度，并且第一溫度與第二溫度的溫度差高于10攝氏度。在本發(fā)明中的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片可以精確定位。
文檔編號(hào)H01L33/62GK102522482SQ20121000624
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者唐懷 申請(qǐng)人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司