专利名称：发光二极管封装结构和制造方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种发光二极管封装结构和制造方法。
技术背景
目前发光二极管(LED，light emitting diode)在各个领域、尤其是照明领域已经得到了越来越广泛的应用。然而随着对发光二极管的亮度要求越来越高，单颗发光二极管的功率越来越大，散热问题逐渐成为制约发光二极管亮度和寿命的主要瓶颈，如何为发光二极管芯片散热也成为人们研究的重点。
目前的做法是，将LED芯片固定于一个支架上，再将该支架固定于一个金属PCB板 (MCPCB, metal core PCB)上。为了最大程度的降低热阻，LED芯片与支架之间使用银胶粘接，或使用锡膏焊接，或使用共晶焊料焊接，同时在支架与金属PCB板之间使用锡膏焊接。 如中国专利 200710124275,200920290284,200910201685,200720172014,201020645033 分别提出了上述的焊接固定方法。
然而，直接应用上述方法会带来如下问题。由于LED芯片和支架之间焊接固定后， 还需要在支架与MCPCB之间的焊接过程中承受高温，此时LED芯片与支架之间的焊料会发生再次熔化，此时LED芯片的位置可能发生微量的移动或翘起。
上述问题对于通用照明灯具来说基本没有影响，因为LED芯片的位置微量移动或翘起并不会对发光亮度、热阻等造成影响。然而，对于特殊的应用情况则完全不同。例如投影机中使用的LED芯片阵列，就要求每一颗LED芯片精确定位，任何微量的偏移都会造成在光能量无法入射到显示芯片上而造成能量损失。
因此，需要一种新的发光二极管封装结构和制造方法来解决上述问题。 发明内容
本发明解决的主要技术问题是LED芯片在封装过程中的位移问题，这导致LED芯片无法精确定位。
本发明提出一种发光二极管封装结构，包括发光二极管芯片和支架，该支架包括第一焊接面和第二焊接面，还包括用于将该发光二极管芯片固定于支架的第一焊接面上的第一焊接材料，该第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度上限为第一温度。本发明的发光二极管封装结构还包括导热基板，该导热基板包括第三焊接面，还包括用于将支架的第二焊接面固定于该导热基板的第三焊接面上的第二焊接材料，该第二焊接材料在焊接过程中的最高温度为第二温度。其中，第一温度高于第二温度，并且第一温度与第二温度的温度差高于10摄氏度。
本发明还提出一种发光二极管封装结构的制造方法，包括以下步骤
步骤一使用第一焊接材料将发光二极管芯片固定于支架的第一焊接面上；步骤一完成后，第一焊接材料所能承受的环境温度上限为第一温度；
步骤二 使用第二焊接材料将支架的第二焊接面固定于导热基板的第三焊接面上；
在步骤二的焊接过程中的最高温度比第一温度低10摄氏度以上。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果
在本发明中的发光二极管封装结构中，LED芯片可以精确定位；在本发明的发光二极管封装结构的制造方法的制造过程中，LED芯片不会发生由于焊接材料的熔化而发生位移。
图1是本发明的发光二极管封装结构的示意图2是第一焊接材料的焊接回流曲线的一个举例；
图3是第二焊接材料的焊接回流曲线的一个举例；
图4是本发明的发光二极管的封装结构的制造方法的流程图5是图4所示的流程图的细化流程图。
具体实施方式
本发明的发光二极管封装结构的示意图如图1所示。其中，发光二极管封装结构 100中包括发光二极管芯片101，支架102，导热基板107。为了焊接和LED线路的引出，支架102的第一焊接面10 上镀有带有形状金属镀层104。第一焊接材料105填充于发光二极管芯片101和支架102之间，用于将发光二极管芯片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和导热基板107之间，用于将支架102的第二焊接面102b固定于导热基板107的第三焊接面107a上。
在本发明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度上限为第一温度， 而第二焊接材料在焊接过程中的最高温度为第二温度。第一温度高于第二温度，并且第一温度与第二温度的温度差高于10摄氏度。
具体来说，在本实施例中，第一焊接材料为金锡合金；更优化的，该金锡合金中金的质量百分比为80%，锡的质量百分比为20%，实验证明这个比例的金锡合金焊料的性能最好，它可以表示为Au80Sn20。Au80Sn20在焊接过程中的温度曲线如图2所示。在图2中， 横坐标表示焊接时间，以秒为单位；纵坐标为焊接温度，以摄氏度为单位。Au80Sn20在280 摄氏度时发生共晶反应并成为液相，具有良好的流动性，此时它可以和发光二极管芯片101 以及支架102的第一焊接面10 上的金属镀层104充分浸润接触。280摄氏度为Au80Sn20 的反应温度。在实际工作中，如图2所示，最高焊接温度会高于Au80Sn20的反应温度观0 摄氏度，达到290摄氏度至300摄氏度，这是为了使其湿润效果更好、形成的焊点质量更高。
在达到峰值温度后，开始控制Au80Sn20的温度下降并冷却凝固，此时发光二极管芯片101与支架102的第一焊接面10 上的金属镀层104已经以合金的形式牢固的固定在一起，同时该填充于发光二极管芯片101以及支架102的第一焊接材料具有优异的导热性能，有利于发光二极管101的散热。
在本实施例中，支架102的材料是氮化铝陶瓷，这种绝缘材料具有良好的导热性。 由于氮化铝陶瓷本身与焊料不浸润，因此不适于直接与焊料接触。因此在本实施例中，在氮化铝陶瓷表面镀有一层银104，用于与第一焊接材料焊接在一起。值得说明的是，支架102的材料也可以是其它导热材料，例如氧化铝陶瓷、金属铜或铝等。当支架102的材料是金属材料时，由于其本身与第一焊接材料可以浸润焊接，此时就不需要金属镀层104。
在本实施例中，Au80Sn20焊接完成后，所能承受的环境温度不能超过其反应温度 280摄氏度，否则其物理化学性质将发生改变并重新具有流动性，这样就必然会造成发光二极管芯片101位置的移动。因此在本实施例中，第一温度等于280摄氏度。在实际工作中， 为了保证工作的稳定性，往往要求环境温度比第一焊接材料所能承受的环境温度上限低10 摄氏度以上。也就是说，在本实施例中，要求第二温度低于270摄氏度，这是选择第二焊接材料的一个必要条件。
在本实施例中，金锡合金焊膏焊接完成后所能承受的环境温度上限就是其反应温度，但这只是个举例，并不限制第一焊接材料所能承受的环境温度上限与其焊接过程中的反应温度的关系。例如，中国专利200610014157就公开了一种新型的焊膏，其焊接温度最高为290摄氏度，而焊接完成后所能承受的环境温度的上限是350摄氏度。
值得注意的是，在本发明中，第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度的上限为第一温度，指的是该第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度小于等于该第一温度，或小于该第一温度且不包含该第一温度本身。例如在本实施例中，Au80Sn20焊接完成后所能承受的环境温度的上限是其反应温度280摄氏度，指的是Au80Sn20焊接完成后所能承受的环境温度小于280摄氏度且不包含280摄氏度本身，这是因为当环境温度小于 280摄氏度时Au80Sn20保持稳定状态，而当环境温度等于280摄氏度Au80Sn20开始熔化。
在实际应用中，发光二极管101与支架102固定后，为了使用方便往往还需要将支架102固定于一个导热基板107上。在本实施例中，导热基板107例如但不限于是金属基 PCB 板。
在本实施例中，第二焊接材料106是锡银铜焊料，表示为Sn96. 5Ag3. OCuO. 5，其焊接过程中的温度曲线如图3所示。在图3中，横坐标表示焊接时间，以分钟为单位；纵坐标为温度，以摄氏度为单位。从图3可以看出，锡银铜焊料最高只需要加热到250摄氏度左右就可以实现焊接目的。因此在本实施例中，第二温度为250摄氏度，满足上述的低于270摄氏度的条件。
综上所述，比较图2和图3可以看出，本实施例的发光二极管封装结构利用第一焊接材料所能承受的环境温度上限比第二焊接材料在焊接过程中的最高温度高30摄氏度的特点，使第一焊接材料在第二焊接材料的焊接过程中物理化学特性不发生改变，进而保证了发光二极管芯片的位置不发生移动或翘起。
在实际工作中，锡银铜焊料并不是第二焊接材料的唯一选择，其它焊料例如 Sn95. 5Ag3. 7CuO. 8，SnAg, SnPb, SnBi, SnBiCu等焊料，只要满足其焊接温度的最大值比第一焊接材料所能承受的环境温度上限低10摄氏度以上就可以作为第二焊接材料使用。优选的，考虑到环境保护，第二焊接材料为无铅焊膏。
在实际的发光二极管封装结构中，除了上述说明中的部件之外，可能还包括其它部件，例如金线和透明硅胶等。这都属于现有技术，此处不作赘述。
本发明还提出一种发光二极管封装结构的制造方法，如图4所示。该制造方法包括以下步骤
步骤421 使用第一焊接材料将发光二极管芯片固定于支架的第一焊接面上；步骤一完成后，第一焊接材料所能承受的环境温度上限为第一温度；
步骤422 使用第二焊接材料将支架的第二焊接面固定于导热基板的第三焊接面上；在步骤二的焊接过程中的最高温度比第一温度低10摄氏度以上。
在该制造方法中，步骤一和步骤二的顺序不能颠倒。
在一个具体实施例中，步骤一和步骤二分别被拆分成四个子步骤，如图5所示，其中步骤421中包括如下子步骤
子步骤421a 将第一焊接材料的膏体涂覆于支架的第一焊接面的预定位置，或将第一焊接材料的预制片放置于支架的第一焊接面的预定位置。
有多种方法涂覆第一焊接材料的膏体，例如丝网印刷和使用点胶机点胶。而第一焊接材料的预制片指的是将第一焊接材料压制成型后得到的片材，其作用和工作原理与第一焊接材料本身相同，好处在于可以方便控制第一焊接材料的使用量。
子步骤421b 将发光二极管芯片放置于第一焊接材料上；
子步骤421c 加热，最高温度为第三温度，使第一焊接材料熔化；在第一焊接材料是金锡焊膏的实施例中，第一温度为其反应温度，同时为了保证焊接的质量，第三温度往往高于第一温度，例如比第一温度高15摄氏度或更高；
子步骤421d 冷却，使第一焊接材料固化。
步骤二 422中包括如下子步骤
子步骤42 将第二焊接材料的膏体涂覆于导热基板的第三焊接面的预定位置， 或将第二焊接材料的预制片放置于导热基板的第三焊接面的预定位置；
子步骤422b 将支架的第二焊接面放置于第二焊接材料上；
子步骤422c 加热，最高温度为第二温度，使第二焊接材料熔化；
子步骤422d 冷却，使第二焊接材料固化。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种发光二极管封装结构，其特征在于，包括发光二极管芯片；支架，所述支架包括第一焊接面和第二焊接面；用于将所述发光二极管芯片固定于所述支架的第一焊接面上的第一焊接材料，该第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度上限为第一温度；导热基板，所述导热基板包括第三焊接面；用于将所述支架的第二焊接面固定于所述导热基板的第三焊接面上的第二焊接材料， 该第二焊接材料在焊接过程中的最高温度为第二温度；所述第一温度高于所述第二温度，并且第一温度与第二温度的温度差高于10摄氏度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，所述第一焊接材料为金锡合金。
3.根据权利要求2所述的发光二极管封装结构，其特征在于，所述金锡合金中金的质量百分比为80%，锡的质量百分比为20%。
4.根据权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，所述第二焊接材料为如下成分的焊膏中的任意一种SnAgCu，SnAg, SnPb, SnBi, SnBiCu。
5.根据权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，所述第二焊接材料为无铅焊膏。
6.根据权利要求1所述的发光二极管封装结构，其特征在于，所述支架的材料为铜、 铝、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷中的一种。
7.一种发光二极管封装结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一使用第一焊接材料将发光二极管芯片固定于支架的第一焊接面上；步骤一完成后，所述第一焊接材料所能承受的环境温度上限为第一温度；步骤二 使用第二焊接材料将支架的第二焊接面固定于导热基板的第三焊接面上；在步骤二的焊接过程中的最高温度比第一温度低10摄氏度以上。
全文摘要
本发明提出一种发光二极管封装结构和制造方法，包括发光二极管芯片和支架，该支架包括第一焊接面和第二焊接面，还包括用于将该发光二极管芯片固定于支架的第一焊接面上的第一焊接材料，该第一焊接材料在焊接完成后所能承受的环境温度上限为第一温度。本发明的发光二极管封装结构还包括导热基板，该导热基板包括第三焊接面，还包括用于将支架的第二焊接面固定于该导热基板的第三焊接面上的第二焊接材料，该第二焊接材料在焊接过程中的最高温度为第二温度。其中，第一温度高于第二温度，并且第一温度与第二温度的温度差高于10摄氏度。在本发明中的发光二极管封装结构中，LED芯片可以精确定位。
文档编号H01L33/62GK102522482SQ20121000624
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年12月14日
发明者唐怀 申请人:深圳市光峰光电技术有限公司