專利名稱：發光二極管封裝結構和制造方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，特別是涉及一種發光二極管封裝結構和制造方法。
技術背景
目前發光二極管(LED，light emitting diode)在各個領域、尤其是照明領域已經得到了越來越廣泛的應用。然而隨著對發光二極管的亮度要求越來越高，單顆發光二極管的功率越來越大，散熱問題逐漸成為制約發光二極管亮度和壽命的主要瓶頸，如何為發光二極管芯片散熱也成為人們研究的重點。
目前的做法是，將LED芯片固定于一個支架上，再將該支架固定于一個金屬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，同時在支架與金屬PCB板之間使用錫膏焊接。 如中國專利 200710124275,200920290284,200910201685,200720172014,201020645033 分別提出了上述的焊接固定方法。
然而，直接應用上述方法會帶來如下問題。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LED芯片與支架之間的焊料會發生再次熔化，此時LED芯片的位置可能發生微量的移動或翹起。
上述問題對于通用照明燈具來說基本沒有影響，因為LED芯片的位置微量移動或翹起并不會對發光亮度、熱阻等造成影響。然而，對于特殊的應用情況則完全不同。例如投影機中使用的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，需要一種新的發光二極管封裝結構和制造方法來解決上述問題。 發明內容
本發明解決的主要技術問題是LED芯片在封裝過程中的位移問題，這導致LED芯片無法精確定位。
本發明提出一種發光二極管封裝結構，包括發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境溫度上限為第一溫度。本發明的發光二極管封裝結構還包括導熱基板，該導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。
本發明還提出一種發光二極管封裝結構的制造方法，包括以下步驟
步驟一使用第一焊接材料將發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。
與現有技術相比，本發明包括如下有益效果
在本發明中的發光二極管封裝結構中，LED芯片可以精確定位；在本發明的發光二極管封裝結構的制造方法的制造過程中，LED芯片不會發生由于焊接材料的熔化而發生位移。


圖1是本發明的發光二極管封裝結構的示意圖2是第一焊接材料的焊接回流曲線的一個舉例；
圖3是第二焊接材料的焊接回流曲線的一個舉例；
圖4是本發明的發光二極管的封裝結構的制造方法的流程圖5是圖4所示的流程圖的細化流程圖。
具體實施方式
本發明的發光二極管封裝結構的示意圖如圖1所示。其中，發光二極管封裝結構 100中包括發光二極管芯片101，支架102，導熱基板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填充于發光二極管芯片101和支架102之間，用于將發光二極管芯片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和導熱基板107之間，用于將支架102的第二焊接面102b固定于導熱基板107的第三焊接面107a上。
在本發明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環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，在本實施例中，第一焊接材料為金錫合金；更優化的，該金錫合金中金的質量百分比為80%，錫的質量百分比為20%，實驗證明這個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， 橫坐標表示焊接時間，以秒為單位；縱坐標為焊接溫度，以攝氏度為單位。Au80Sn20在280 攝氏度時發生共晶反應并成為液相，具有良好的流動性，此時它可以和發光二極管芯片101 以及支架102的第一焊接面10 上的金屬鍍層104充分浸潤接觸。280攝氏度為Au80Sn20 的反應溫度。在實際工作中，如圖2所示，最高焊接溫度會高于Au80Sn20的反應溫度觀0 攝氏度，達到290攝氏度至300攝氏度，這是為了使其濕潤效果更好、形成的焊點質量更高。
在達到峰值溫度后，開始控制Au80Sn20的溫度下降并冷卻凝固，此時發光二極管芯片101與支架102的第一焊接面10 上的金屬鍍層104已經以合金的形式牢固的固定在一起，同時該填充于發光二極管芯片101以及支架102的第一焊接材料具有優異的導熱性能，有利于發光二極管101的散熱。
在本實施例中，支架102的材料是氮化鋁陶瓷，這種絕緣材料具有良好的導熱性。 由于氮化鋁陶瓷本身與焊料不浸潤，因此不適于直接與焊料接觸。因此在本實施例中，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熱材料，例如氧化鋁陶瓷、金屬銅或鋁等。當支架102的材料是金屬材料時，由于其本身與第一焊接材料可以浸潤焊接，此時就不需要金屬鍍層104。
在本實施例中，Au80Sn20焊接完成后，所能承受的環境溫度不能超過其反應溫度 280攝氏度，否則其物理化學性質將發生改變并重新具有流動性，這樣就必然會造成發光二極管芯片101位置的移動。因此在本實施例中，第一溫度等于280攝氏度。在實際工作中， 為了保證工作的穩定性，往往要求環境溫度比第一焊接材料所能承受的環境溫度上限低10 攝氏度以上。也就是說，在本實施例中，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必要條件。
在本實施例中，金錫合金焊膏焊接完成后所能承受的環境溫度上限就是其反應溫度，但這只是個舉例，并不限制第一焊接材料所能承受的環境溫度上限與其焊接過程中的反應溫度的關系。例如，中國專利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境溫度的上限是350攝氏度。
值得注意的是，在本發明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的環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。例如在本實施例中，Au80Sn20焊接完成后所能承受的環境溫度的上限是其反應溫度280攝氏度，指的是Au80Sn20焊接完成后所能承受的環境溫度小于280攝氏度且不包含280攝氏度本身，這是因為當環境溫度小于 280攝氏度時Au80Sn20保持穩定狀態，而當環境溫度等于280攝氏度Au80Sn20開始熔化。
在實際應用中，發光二極管101與支架102固定后，為了使用方便往往還需要將支架102固定于一個導熱基板107上。在本實施例中，導熱基板107例如但不限于是金屬基 PCB 板。
在本實施例中，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，橫坐標表示焊接時間，以分鐘為單位；縱坐標為溫度，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現焊接目的。因此在本實施例中，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，本實施例的發光二極管封裝結構利用第一焊接材料所能承受的環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，使第一焊接材料在第二焊接材料的焊接過程中物理化學特性不發生改變，進而保證了發光二極管芯片的位置不發生移動或翹起。
在實際工作中，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。優選的，考慮到環境保護，第二焊接材料為無鉛焊膏。
在實際的發光二極管封裝結構中，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。這都屬于現有技術，此處不作贅述。
本發明還提出一種發光二極管封裝結構的制造方法，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。
在一個具體實施例中，步驟一和步驟二分別被拆分成四個子步驟，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定位置，或將第一焊接材料的預制片放置于支架的第一焊接面的預定位置。
有多種方法涂覆第一焊接材料的膏體，例如絲網印刷和使用點膠機點膠。而第一焊接材料的預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施例中，第一溫度為其反應溫度，同時為了保證焊接的質量，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熱基板的第三焊接面的預定位置， 或將第二焊接材料的預制片放置于導熱基板的第三焊接面的預定位置；
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。
以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種發光二極管封裝結構，其特征在于，包括發光二極管芯片；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境溫度上限為第一溫度；導熱基板，所述導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.根據權利要求1所述的發光二極管封裝結構，其特征在于，所述第一焊接材料為金錫合金。
3.根據權利要求2所述的發光二極管封裝結構，其特征在于，所述金錫合金中金的質量百分比為80%，錫的質量百分比為20%。
4.根據權利要求1所述的發光二極管封裝結構，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.根據權利要求1所述的發光二極管封裝結構，其特征在于，所述第二焊接材料為無鉛焊膏。
6.根據權利要求1所述的發光二極管封裝結構，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。
7.一種發光二極管封裝結構的制造方法，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
本發明提出一種發光二極管封裝結構和制造方法，包括發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境溫度上限為第一溫度。本發明的發光二極管封裝結構還包括導熱基板，該導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。在本發明中的發光二極管封裝結構中，LED芯片可以精確定位。
文檔編號H01L33/62GK102522482SQ20121000624
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月10日 優先權日2011年12月14日
發明者唐懷 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司