一種led晶片微焊共晶方法
2023-05-09 23:41:21
專利名稱：一種led晶片微焊共晶方法
技術領域：
本發明涉及一種LED晶片微焊共晶方法，屬於LED製作技術領域。
背景技術：
共晶焊又稱低熔點合金焊接。共晶合金的基本特性是兩種不同的金屬可在遠低於各自的熔點溫度下按一定重量比例形成合金。共晶焊是指在相對較低的溫度下共晶焊料發生共晶物熔合的現象，共晶合金直接從固態變到液態，而不經過塑性階段。其熔化溫度稱
共晶溫度。
二、優勢(同等情況下共晶與銀漿固晶比較)
I、在同等顯色指數下光通量(Φ)提高5%左右；
2、亮度基本不會隨時間變化衰減；
3、結點溫度(Tj)下降2°C以上；
4、導熱係數是銀漿的5倍以上；
5、剪切推力是銀漿的2倍以上；
6、焊接時間僅僅是銀漿的1/15 ；
三、局限性(同等情況下共晶與銀漿固晶比較)
I、對於晶片背金厚度有要求；
2、對於支架背金厚度有要求；
3、對於共晶焊料有要求；
LED產業是近年來最受矚目的產業之一。發展至今，LED產品已具有節能、省電、高
效率、反應時間快、壽命周期長、且不含汞，具有環保效益…等優點。然而通常LED高功率產品輸入功率約為20%能轉換成光，剩下80%的電能均轉換為熱能。一般而言，LED發光時所產生的熱能若無法導出，將會使LED結面溫度過高，進而影響產品使用壽命、發光效率、 穩定性。而影響結點溫度的最主要因素除了材料介質以外就是晶片的焊接方法。晶片的焊接是指晶片與載體形成牢固的、傳導性或絕緣性連接的方法。焊接層除了為器件提供機械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道。總體來說可分為樹脂粘接法和金屬合金焊接法兩大類。樹脂粘貼法是採用樹脂粘合劑在晶片和封裝體之間形成一層絕緣層或是在其中摻雜金屬(如金或銀)形成電和熱的良導體。粘合劑大多採用環氧樹脂。摻銀環氧粘貼法是當前最流行的晶片粘貼方法之一，它所需的固化溫度低，操作過程中載體不須加熱，設備簡單，易於實現工藝自動化操作且經濟實惠而得到廣泛應用。樹脂粘貼的器件熱阻和電阻都很高。樹脂在高溫下容易分解，有可能發生填料的析出，在粘貼面上只留下一層樹脂使該處電阻增大。因此它不適於要求在高溫下工作或需低粘貼電阻的器件。而其中摻雜的金屬含量決定了其導電、導熱性能的好壞。由於導熱性較差，導致應用壽命減小。另外，樹脂粘貼法粘貼面的機械強度遠不如共晶焊接強度大。
3
金屬合金焊包含的具有代表性的有以下幾種金錫共晶、銀錫共晶。金錫共晶焊接法就是晶片在一定的壓力下(或附以摩擦或超聲)，當溫度高於共晶溫度時，金錫合金融化成液態的Au-Sn共熔體；冷卻後，當溫度低於共晶溫度時，金錫共熔晶體而全部凝固，從而形成了牢固的歐姆接觸焊接面。共晶焊接法具有機械強度高、熱阻小、穩定性好、可靠性高和含較少的雜質等優點，在高可靠器件封裝業中得到了廣泛的應用並備受的青睞。但設備成本極高，工藝難度大，成品率低，對晶片/支架鍍層厚度及平整性要求高，產品空洞率高是其難點。銀錫共晶焊接法，由於其焊接機械強度相對於金錫稍小，故又稱「軟焊料」焊接。同樣具有機械強度高、熱阻小、穩定性好、可靠性高等優點。尤其是對支架的鍍金/鍍銀厚度、 耐高溫程度和工藝難度大大降低。設備成本低，成品率高，產品空洞率大大降低！是現階段性價比最優的共晶焊接法！總之，無論採用哪種焊接方法，成功的標誌都是晶片與封裝體焊接面之間的界面牢固、平整和沒有空洞。晶片與基片間良好的歐姆接觸是保證功率型LED正常工作的前提。歐姆接觸不良會使LED熱阻加大，散熱不均勻，影響電流在LED中的分布，破壞LED的熱穩定性，甚至使 LED器件燒毀。LED器件的散熱有輻射、對流和傳導三種方式，其中熱傳導是其散熱的主要方式。 Au-Sn或Ag-Sn焊接層的虛焊和空洞是造成歐姆接觸不良的主要原因，空洞會引起電流密集效應，在它附近有可能形成不可逆的，破壞性的熱電擊穿，即二次擊穿。焊接層的歐姆接觸不良給LED器件的可靠性帶來極大隱患。熱應力失效是一種由機械應力導致的失效。由於其失效的最終表現形式往往是焊接面裂紋或晶片剝裂，這些材料的線熱膨脹係數各不相同，當它們結合在一起時，不同的材料界面間會存在壓縮或拉伸應力。功率型LED器件在工作期間往往要經受熱循環，由於晶片和封裝體的熱膨脹係數不同，在熱循環過程中焊接面間產生周期性的剪切應力，這些應力將可能聚集在空洞的位置上使焊料形成裂紋甚至使晶片龜裂，最終導致器件因熱疲勞而失效。熱形變直接與晶片大小成正比，晶片尺寸越大，焊接後其在熱循環中要承受的剪切力也就越大。
發明內容
本發明的目的在於提供一種新的能夠減少焊接空洞的LED晶片微焊共晶方法，能夠非常有效的減少焊接空洞的產生。本發明的目的是通過以下的技術方案來實現的一種LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，包括篩選配比合適的銀錫焊料；預熱基片或底座；焊料塗布，將銀錫焊料塗布於基片支架上，用於固定LED晶片位置，並通過助焊劑加熱使焊料融化填充於支架LED共晶位置上；給基片蒸鍍上一層厚度為Iym以上的保護層，所述保護層為銀、金或其它合金；在共晶溫度下將晶片焊接到基片上；
在直接加熱、熱超聲或對點加熱的條件下將焊接好的產品進行共晶焊接處理。所述方法還包括清潔基片支架的步驟。在焊接過程中，焊接環境為在自然條件下、真空環境下，或真空加入保護氣體環境下，所述保護氣體為惰性氣體、氮氣或氮氫混合氣體。所述焊接時的共晶溫度為200-282度。所述焊接時的共晶溫度為銀-錫焊料的共晶點溫度加上10-20攝氏度。所述預熱基片或底座步驟的預熱溫度為200攝氏度。所述方法還包括，所述共晶焊接處理步驟完成後，在自然條件下或在氮氣保護氣環境下進行緩慢冷卻。所述晶片或焊片保存於氮氣櫃中。在焊接前，通過顯微鏡檢測焊接面的潔淨度、平整度和是否生成了氧化物。所述潔淨度、平整度和是否生成了氧化物的判斷標準為；在40倍的顯微鏡下表面平整度為▽ 6 ▽ 7鍍層清潔光亮，顏色金黃無晦暗的氧化層。所述共晶焊接處理步驟包括至少五個階段，預熱階段，加熱階段，焊接階段，保溫階段和冷卻階段。在焊接前和焊接過程中，定期用表面溫度計測量加熱基座的表面溫度。在焊接前和焊接過程中，定期用表面溫度計監測焊接面的溫度。本發明的有益效果在於第一、在共晶生產過程中，焊接前往往在晶片背面蒸金。由於晶片背面氧化，在 Ag-Sn共晶溫度下，會使焊料焊接浸潤不均勻，導致焊接強度下降。因此，在焊接時保護氣體 N2必須保證足夠的流量，最好加入部分H 2進行還原。第二、晶片的保存也應引起足夠的重視，不僅要關注環境的溫溼度，還應考慮到其將來的可焊性，對於長期不用的晶片應放置在氮氣櫃中保存。第三、雖然Ag-Sn共晶點是230°C左右，但是熱量在傳遞過程中要有所損失，因而應選擇略高一些，但也不可太高，以免造成支架表面氧化。因此將焊接時的共晶溫度設置為銀-錫焊料的共晶點溫度加上10-20攝氏度。第四、焊接溫度也要根據支架的材料、大小、熱容量的不同進行相應調整。為保證焊接質量，應定期用表面溫度計測量加熱基座的表面溫度，必要時監測焊接面的溫度。並根據支架的材料、大小、熱容量的不同進行相應調整焊接溫度。第四、若支架基片被沾汙、有局部油潰或氧化會嚴重影響焊接面的浸潤性。這種沾汙在焊接過程中是較容易觀察到的，這時必須對基片進行清潔處理。第五、熱應力引起的失效是個緩慢的漸變過程，它不易察覺，但危害極大。通常晶片厚度越大應力相應越小。因此晶片不應過薄。另外如果基片或底座與晶片熱性能不匹配，也會造成很大的機械應力。焊接前基片或底座可先在200°C預熱，用於拾取晶片的吸頭也可適當加熱以減少熱衝擊。第六、焊接後的成品應在N2保護氣氛下進行緩慢冷卻，在此冷卻過程中也可消除部分應力。第七、當基片鍍金層較薄又不夠緻密時，即使在氮氣保護下，達到Ag-Sn共晶溫度時，鍍層也會發生嚴重的變色現象，從而影響焊接強度。實驗證明，對於l_Xlmm的晶片，基片上鍍金層厚度大於I. 5μπι才能獲得可靠的共晶焊接產品。一般來說，晶片尺寸越大， 鍍金層也要相應增加。第八、LED共晶對銀錫膏的流動性要求很高，焊料粉越細，那麼更有利於自動機點銀錫膏，另外顆粒越小，在焊接過程中銀錫膏融化越均勻。所以LED共晶銀錫膏要求採用5# 以上的粉目。第九、晶片的共晶焊接質量主要與焊接面潔淨程度、平整度、焊接表面是否有氧化物密切相關，因此，在焊接前，通過顯微鏡檢測焊接面的潔淨度、平整度和是否生成了氧化物，並根據檢測結果篩選合適的晶片能保證好的焊接質量。總之，本發明與摻銀環氧粘貼(銀漿粘貼)方法相比結溫會下降10°C左右(深大光學研究所遠方結溫儀測試)；亮度會增加5 IOLm ;光效增加5%左右；銀漿的導熱係數I. 5-25ff/m · K、金錫合金(Au80Sn20)的導熱係數約為57. 3ff/m · K而銀錫的導熱係數約為53W/m · K左右。
具體實施例方式下面結合實施例進一步說明本發明，篩選配比合適的銀錫焊料；預熱基片或底座；焊料塗布，將銀錫焊料塗布於基片支架上，用於固定LED晶片位置，並通過助焊劑加熱使焊料融化填充於支架LED共晶位置上；給基片蒸鍍上一層厚度為Iym以上的保護層，所述保護層為銀、金或其它合金；在共晶溫度下將晶片焊接到基片上；在直接加熱、熱超聲或對點加熱的條件下將焊接好的產品進行共晶焊接處理。在共晶生產過程中，焊接前往往在晶片背面蒸金。由於晶片背面氧化，在Ag-Sn共晶溫度下，會使焊料焊接浸潤不均勻，導致焊接強度下降。因此，在焊接時保護氣體N2必須保證足夠的流量，最好加入部分H 2進行還原。晶片的保存也應引起足夠的重視，不僅要關注環境的溫溼度，還應考慮到其將來的可焊性，對於長期不用的晶片應放置在氮氣櫃中保存。雖然Ag-Sn共晶點是230°C左右，但是熱量在傳遞過程中要有所損失，因而應選擇略高一些，但也不可太高，以免造成支架表面氧化。因此將焊接時的共晶溫度設置為銀-錫焊料的共晶點溫度加上10-20攝氏度，最佳共晶溫度為220-242攝氏度或260-282攝氏度。焊接溫度也要根據支架的材料、大小、熱容量的不同進行相應調整。為保證焊接質量，應定期用表面溫度計測量加熱基座的表面溫度，必要時監測焊接面的溫度。若支架基片被沾汙、有局部油潰或氧化會嚴重影響焊接面的浸潤性。這種沾汙在焊接過程中是較容易觀察到的，這時必須對基片進行清潔處理。熱應力引起的失效是個緩慢的漸變過程，它不易察覺，但危害極大。通常晶片厚度越大應力相應越小。因此晶片不應過薄。另外如果基片或底座與晶片熱性能不匹配，也會造成很大的機械應力。焊接前基片或底座可先在200°C預熱，用於拾取晶片的吸頭也可適當加熱以減少熱衝擊。焊接後的成品應在N2保護氣氛下進行緩慢冷卻，在此冷卻過程中也可消除部分應力。
當基片鍍金層較薄又不夠緻密時，即使在氮氣保護下，達到Ag-Sn共晶溫度時，鍍層也會發生嚴重的變色現象，從而影響焊接強度。實驗證明，對於ImmX Imm的晶片，基片上鍍金層厚度大於I. 5μπι才能獲得可靠的共晶焊接產品。一般來說，晶片尺寸越大，鍍金層的厚度也要相應增加。LED共晶對銀錫膏的流動性要求很高，焊料粉越細，那麼更有利於自動機點銀錫膏，另外顆粒越小，在焊接過程中銀錫膏融化越均勻。所以LED共晶銀錫膏要求採用5#以上的粉目。晶片的共晶焊接質量主要與焊接面潔淨程度、平整度、焊接表面是否有氧化物密切相關，因此，在焊接前，通過顯微鏡檢測焊接面的潔淨度、平整度和是否生成了氧化物，並根據檢測結果篩選合適的晶片能保證好的焊接質量。雖然本發明的優選實例被以作為例證的目的進行披露，但本領域的技術人員可以理解各種修改、添加和替換是可能的，只要其不脫離所附權利要求中詳述的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，包括篩選配比合適的銀錫焊料；預熱基片或底座；焊料塗布，將銀錫焊料塗布於基片支架上，用於固定LED晶片位置，並通過助焊劑加熱使焊料融化填充於支架LED共晶位置上；給基片蒸鍍上一層厚度為Iym以上的保護層，所述保護層為銀、金或其它合金；在共晶溫度下將晶片焊接到基片上；在直接加熱、熱超聲或對點加熱的條件下將焊接好的產品進行共晶焊接處理。
2.根據權利要求I所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述方法還包括清潔基片支架的步驟。
3.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，在焊接過程中，焊接環境為自然條件，或真空環境，或真空加入保護氣體的環境，所述保護氣體為惰性氣體、 氫氣或氮氫混合氣體。
4.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述焊接時的共晶溫度為 200-282°C。
5.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述焊接時的共晶溫度為銀-錫焊料的共晶點溫度加上10-20°C。
6.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述預熱基片或底座步驟的預熱溫度為200°C。
7.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述方法還包括， 所述共晶焊接處理步驟完成後，在自然條件下或在氮氣保護氣環境下進行緩慢冷卻。
8.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述晶片或焊片保存於氮氣櫃中。
9.根據權利要求I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，還包括，在焊接前， 通過顯微鏡檢測焊接面的潔淨度、平整度和是否生成了氧化物。
10.根據權利要求9所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述潔淨度、平整度和是否生成了氧化物的判斷標準為；在40倍的顯微鏡下表面平整度為V6 V7鍍層清潔光亮，顏色金黃無晦暗的氧化層。
11.根據權利I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，所述共晶焊接處理步驟包括至少五個階段，預熱階段，加熱階段，焊接階段，保溫階段和冷卻階段。
12.根據權利I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，在焊接前和焊接過程中，定期用表面溫度計測量加熱基座的表面溫度，並根據支架的材料、大小、熱容量的不同進行相應調整焊接溫度。
13.根據權利I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，在焊接前和焊接過程中，定期用表面溫度計監測焊接面的溫度，最佳共晶溫度為220-242°C。
14.根據權利I或2所述的LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，在焊接前和焊接過程中，定期用表面溫度計監測焊接面的溫度，最佳共晶溫度為260-282°C。
全文摘要
一種LED晶片微焊共晶方法，其特徵在於，包括篩選配比合適的銀錫焊料；預熱基片或底座；焊料塗布，將銀錫焊料塗布於基片支架上，用於固定LED晶片位置，並通過助焊劑加熱使焊料融化填充於支架LED共晶位置上；給基片蒸鍍上一層厚度為1μm以上的保護層，所述保護層為銀、金或其它合金；在共晶溫度下將晶片焊接到基片上；在直接加熱、熱超聲或對點加熱的條件下將焊接好的產品進行共晶焊接處理。
文檔編號B23K1/00GK102601477SQ20121010056
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年2月29日
發明者王鴻, 羅會才, 胡霞軍, 諶孫佐, 陳小宇 申請人:深圳市因沃客科技有限公司