[发明专利]一种功率型LED灯及其封装工艺和回流焊工艺设备

说明书

技术领域

本发明属于电子制造技术领域，涉及具有全金属连接特征的一种功率型LED灯及其封装 工艺和回流焊工艺设备。

背景技术

随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术 引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步 替代白炽灯和荧光灯。半导体灯采用发光二极管(LED)作为新光源，同样亮度下，耗电仅为 普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍，因此半导体照明(亦称固态照明)具有节能、 长寿命、免维护、环保等优点。目前单一功率型LED芯片的功率已经做到了5W，从器件角 度来讲功率型LED在普通照明灯具特别是路灯应用领域已经成为可能。然而，要广泛地将 LED应用到通用照明领域，仅有大功率的LED芯片还是远远不够的，还必须要解决其封装问 题。

由于市场需求的多样性，功率型LED的封装结构正朝着多样性方向迅速发展，但是不论 哪一种封装结构，都存在着芯片、热沉以及散热器等零部件的互联问题。这些部件之间的互 联界面既起着结构支撑和电气通路的作用，同时更是芯片热量的主要散发通道(也称热界面)。 典型的功率型LED封装结构如图1所示。LED芯片1与热沉2之间有一个界面层，即芯片- 热沉互联界面；在热沉2与散热器座3之间也有一个界面层，即热沉-散热器座互联界面。

LED芯片在发光时会产生大量的热量，这个热量必须及时散发出去以保证芯片温度在许 可的温度范围内，否则将导致发光效率的降低甚至烧损芯片。热量主要通过芯片-热沉界面层、 热沉2、热沉-散热器界面层、散热器座3等部分所构成的散热通道散发出去。因此，如何降 该低散热通道的热阻，确切地说如何降低两个互连界面层(也称热界面)的热阻是功率型LED 封装的关键，也是难点所在。

目前芯片-热沉-散热器座之间通常采用导电/热胶粘接工艺来实现。导电/热胶(也称银料 浆)粘接具有成本低廉、工艺简单成熟等特点。从连接机理上讲，它是在被连接材料之间靠 有机胶体形成的一种粘接结构，没有形成真正的冶金连接，导电导热功能靠的是弥散在胶中 的金属粉末的接触传导实现的，其连接界面的微观结构如图2(a)所示。由于银料浆中的环氧 树脂的低分解温度和低的导热导电系数，这种界面互联工艺有一个致命的弱点，就是耐高温 性能和导热性能差，尤其是对于需要长时间工作在高温状态下的大功率LED灯具特别是路灯 来讲，这种封装工艺是难以满足使用要求的。

无铅回流焊工艺是另一种有效的连接LED芯片和热沉的工艺。它是将Sn-3.5Ag等钎料 合金粉末与助焊剂等有机成分混合配成焊膏，利用点胶机或丝网印刷机将焊膏涂敷到被连接 的工件之间，然后放到可以程序设定温度的回流焊炉中进行焊接的一种连接工艺。其焊接温 度一般在240-260℃之间。与导电胶粘接结构相比，无铅回流焊工艺所形成的接头是完整的冶 金连接，具有界面热阻低、导热能力强和耐高温性能高等特点，其连接界面的显微结构如图 2(b)所示。目前国外的主要LED灯具生产商，如Osram和Cree公司都已经有基于无铅回 流焊工艺的SMT封装的LED灯具产品销售。但是，由于功率型LED结构上的限制，芯片- 热沉之间和热沉-散热器之间的两级互联很难在一次焊接过程中同时完成，通常采用两级封装 的工艺。即首先采用无铅回流焊工艺进行芯片-热沉的互联(一级封装)，然后将封装好的芯 片-热沉体利用导电/热胶粘接到散热器座上(二级封装)。即采用的是“无铅回流焊+导电胶 粘接”的组合工艺来制造的。

无论是直接的导电胶粘接工艺还是“无铅回流焊+导电胶粘接”工艺，在从LED芯片到 散热器的散热通道上都至少有一层导热性能和耐高温性能较差的胶层存在。胶层的存在大大 降低了LED芯片所产生热量的传导速度，限制了LED发光功率的提高；同时由于胶层耐热 性差，高温老化速度快，也限制了功率型LED的高温可靠性和使用寿命。