用于大功率led的固晶焊锡膏及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，其重量配比范围分别为80%~90%与10%~20%。无铅金属合金粉末为SnAgCu金属合金粉末、SnSb金属合金粉末、SnSbCu或SnSbAg球形金属合金粉末中的一种，固晶助焊膏由以下重量百分比的成分组成：树脂20%～40%、溶剂40%～50%、有机酸5%～8%、表面活性剂4%～5%、触变剂3%～5%、抗氧剂1%～3%，合成活性剂1%～3%。本发明热导率更高、固晶时间更短、性能稳定；其制备方法简单，制备后的固晶焊锡膏对金层的润湿性特别好，气孔率低，膏体均匀细腻、无异味、触变指数高，具有优异焊接强度及力学性能。
【专利说明】用于大功率LED的固晶焊锡膏及其制备方法
[0001]本申请是申请日为2010年11月26日、申请号为201010562247.4发明名称为《用于大功率LED的固晶焊锡膏及其制备方法》的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及焊接材料领域，特别是一种固晶焊锡膏，尤其是一种用于大功率LED的固晶及对大功率LED芯片表面金属层有很好的润湿性与低气孔率要求的固晶焊锡膏的研究及其制备方法。
【背景技术】
[0003]目前大功率LED特别是白光LED已产业化并推向市场，这使得超高亮度LED的应用面不断扩大，并向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装技术主要应满足以下二点要求:一是封装结构要有高的取光效率，其二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。另外，如果LED器件的热系统设计不完善，会导致pn结结温过高，使得LED芯片快速劣化、器件寿命缩短。所以，在功率型LED器件的封装中，芯片键合材料在芯片到热沉热量传导过程中起着非常重要的作用，但目前芯片键合材料已经成为大功率LED散热通道的一个瓶颈，因此低热阻、散热性好的芯片键合材料是封装技术关键。
[0004]LED芯片封装一般可以通过四种方式:导热胶粘贴、导电型银浆粘贴，锡膏粘贴和锡金合金共晶焊接。
[0005]导热胶的硬化温度一般低于150°C，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较差，且只能用于V型电极的封装。导电型银浆粘贴的固化温度一般低于200°C，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。但是银浆对光的吸收比较大，导致光效下降，而且银浆中环氧树脂热阻远大于合金焊料，且使用寿命比合金短得多。小功率LED生产过程中普遍使用银浆作键合材料，但是对于大功率LED芯片来说，导电银胶已不能满足其散热需求。锡金合金(Au80Sn20)导热导电性好，但成本太高，且易脆。而锡膏内含锡、银、铜、锑等金属，均具有良好的导热性能。锡膏用金属合金的热导特系数为40W/M*K左右(其合金的导热系数根据金属的不同稍有变化)，是四种方式中最优的，一般用于金属之间焊接，实现金属之间的融合，导电性和连接强度也非常优越。根据理论分析以及有关实验结果表明，使用银浆作键合材料的LED器件热阻比锡膏作为键合材料的热阻大10?30K/W，因此，在大功率LED封装等领域超细锡膏可代替现有的导电银胶和导热胶等封装材料，从而实现更好的导热效果，大大降低界面热阻，且大幅度降低封装成本。
【发明内容】
[0006]针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种热导率更高、固晶时间更短、效率高、性能稳定，既能使LED芯片有更好的散热通道，缓解LED散热瓶颈，延长LED灯的使用寿命，又能满足现有成熟的回流焊接工艺的大功率LED的固晶焊锡膏及其制备方法。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，所述无铅金属合金粉末与所述助焊膏的重量配比范围分别为 80%?90% 与 10%?20%。
[0008]所述无铅金属合金粉末为SnAgCu金属合金粉末、SnSb金属合金粉末、SnSbAg金属合金粉末或SnSbCu球形金属合金粉末中的一种,所述SnAgCu金属合金粉末中Sn、Ag、Cu之间的重量比例为95、6.5:0.3飞:0.5^1 ;所述SnSb金属合金粉末中Sn、Sb之间的重量比例为85?95:5?15 ;所述SnSbAg球形金属合金粉末中Sn、Sb、Ag之间的重量比例为89?90:9.5?10.5:0.5?1.0 ;所述SnSbCu球形金属合金粉末中Sn、Sb、Cu之间的重量比例为89.5:10:0.5，所述球形合金粉末粒径大小为5 μ m-25 μ m。
[0009]所述固晶助焊膏由以下重量百分比的成分组成:树脂20%?40%、溶剂40%?50%、有机酸5%?8%、表面活性剂4%?5%、触变剂3%?5%、抗氧剂1%?3%，合成活性剂1%?
3% ο
[0010]所述树脂为原位聚合松香、氢化松香树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂中的一种或几种的组合。
[0011]所述溶剂为二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、三乙二醇丙醚、乙二醇苯醚、丙二醇苯醚中的一种或几种的组合。
[0012]所述有机酸为丁二酸、植酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、水杨酸中的一种或几种的组口 ο
[0013]所述触变剂为氢化蓖麻油、聚酰胺蜡、聚酰胺树脂、脂肪酸酰胺蜡中的一种或几种的组合。
[0014]所述表面活性剂及合成活性剂有机胺中的甲胺、三甲胺、苯胺、二乙丙胺、二乙醇胺、三乙醇胺、芳香胺中的一种或几种组合。
[0015]所述抗氧剂的类型为抗氧剂BHT、抗氧剂BHA、抗氧剂DLTP、抗氧剂1010、抗氧剂TBHQ、抗氧剂1076、抗氧剂T501中的一种或几种组合。
[0016]本发明同时还提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法，包括以下步骤:
(1)、将固晶助焊膏的各组分按所选比例混合均匀，并加热至完全溶解后自然冷却到室温；
(2)、将步骤(I)中所制备的组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏；
(3)、按所选比例将SnAgCu、SnSb,SnSbCu, SnSbAg焊锡粉和助焊膏置于分散机内搅拌，得到均匀的膏体；
(4)、将步骤(3)中得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
本发明所提供的用于大功率LED的固晶焊锡膏，具有热导率更高、固晶时间更短、效率高、性能稳定，既能使LED芯片有更好的散热通道，缓解LED散热瓶颈，延长LED灯的使用寿命。其制备方法简单，制备后的固晶焊锡膏对金层的润湿性特别好、气孔率低、膏体均匀细腻、无异味、触变指数高，具有优异的焊接性能和力学性能，在使用时既可采用简单的加热台焊接，也可以用回流焊工艺进行焊接。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例1的回流焊接曲线图；
图2为本发明其余实施例的回流焊接曲线图。
【具体实施方式】
[0019]本发明提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与助焊膏混合制成，无铅金属合金粉末与助焊膏的重量配比范围分别为809Γ90%与109Γ20%。
[0020]无铅金属合金粉末为SnAgCu金属合金粉末、SnSb金属合金粉末、SnSbAg金属合金粉末或SnSbCu球形金属合金粉末中的一种，SnAgCu金属合金粉末中Sn、Ag、Cu之间的重量比例为95?96.5:0.3?5:0.5?I ；SnSb金属合金粉末中Sn、Sb之间的重量比例为85?95:5?15 ;SnSbAg球形金属合金粉末中Sn、Sb、Ag之间的重量比例为89?90:9.5?10.5:0.5?1.0 ；SnSbCu球形金属合金粉末中Sn、Sb、Cu之间的重量比例为89.5:10:0.5，球形粒径大小为5 μ m-25 μ m。
[0021 ] 固晶助焊膏由以下重量百分比的成分组成:树脂20%?40%、溶剂40%?50%、有机酸5%?8%、表面活性剂4%?5%、触变剂3%?5%、抗氧剂1%?3%，合成活性剂1%?3%。其中，该树脂为原位聚合松香、氢化松香树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂中的一种或几种的组合。该溶剂为二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、三乙二醇丙醚、乙二醇苯醚、丙二醇苯醚中的一种或几种的组合。该有机酸为丁二酸、植酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、水杨酸中的一种或几种的组合。该触变剂为氢化蓖麻油、聚酰胺蜡、聚酰胺树脂、脂肪酸酰胺蜡中的一种或几种的组合。该表面活性剂为有机胺中的甲胺、三甲胺、苯胺、二乙丙胺、二乙醇胺、三乙醇胺、芳香胺中的一种或几种组合。该抗氧剂的类型为抗氧剂BHT、抗氧剂BHA、抗氧剂DLTP、抗氧剂1010、抗氧剂TBHQ、抗氧剂1076、抗氧剂T501中的一种或几种组合。该合成活化剂为深圳市晨日科技自制的一种活性剂，其分解温度在200-230°C之间，与无铅金属合金粉末的熔融温度问步。
[0022]本发明同时还提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)、将固晶助焊膏的各组分按所选比例混合均匀，并加热至完全溶解后自然冷却到室温；
(2)、将步骤(I)中所制备的组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏；
(3)、按所选比例将SnAgCu、SnSb,SnSbCu, SnSbAg焊锡粉和固晶助焊膏置于分散机内搅拌，得到均匀的膏体；
(4)、将步骤(3)中得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
[0023]实施例1
本发明提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，无铅金属合金粉末与固晶助焊膏的重量配比数值分别为87%与13%。其中，固晶助焊膏由原位聚合松香、氢化松香树脂、丙烯酸树脂、乙二醇苯醚、丙二醇苯醚、聚酰胺树脂、脂肪酸酰胺蜡、苹果酸、水杨酸、苯胺、芳香胺、抗氧剂168、抗氧剂TBHQ与自制活化剂组成，上述原料的重量百分比数值为原位聚合松香20%、氢化松香树脂10%、丙烯酸树脂5%、乙二醇苯醚22%、丙二醇苯醚22%、聚酰胺树脂1.5%、脂肪酸酰胺蜡2.5%、苹果酸4%、水杨酸4%、苯胺2%、芳香胺2%、抗氧剂1682%、抗氧剂TBHQ1%、表面活化剂2%、合成活化剂1%。该固晶助焊膏制备方法为:先按组分比例混合均匀，然后加热至完全溶解后自然冷却到室温，再将该组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏。无铅金属合金粉末为SnAgCu金属合金粉末，其中，SnAgCu金属合金粉末中Sn、Ag、Cu之间的重量比例为96.5:3:0.5。
[0024]本发明提供的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法为，将重量百分比为87%与13%的SnAgCu金属合金粉末和固晶助焊膏置于分散机内搅拌均匀，再将得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得大功率LED固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
[0025]如图1所示，途中横坐标为时间/S，纵坐标为焊接温度/°C，图中从左到右的4个线段依次为:a、预热区:温升速度为1_3°C /s ;b、浸濡区:最大温升速度< 2°C /s ;c、回焊区:温升速度为2-3°C /s，最高温度为230-245°C ;时间为217°C (熔点)以上50_90s，高于220°C时间为20-50s ;d、冷却区:温降< 4°C /s。生产表明本发明能够满足LED芯片焊接加工工艺要求。
[0026]实施例2
本发明提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，无铅金属合金粉末与固晶助焊膏的重量配比数值分别为86%与14%。其中，固晶助焊膏由丙烯酸树脂、氢化松香树脂、二乙二醇丁醚、三乙二醇丙醚、己二酸、酒石酸、氢化蓖麻油、脂肪酸酰胺蜡、三甲胺、二乙二胺、抗氧剂BHT、抗氧剂1010与合成活化剂组成，上述原料的重量百分比数值为丙烯酸树脂20%、氢化松香树脂20%、二乙二醇丁醚22%、三乙二醇丙醚17%、己二酸5%、酒石酸3%、氢化蓖麻油3%、脂肪酸酰胺蜡1%、三甲胺4%、二乙二胺2%、抗氧剂BHT 1%、抗氧剂1010 1%、合成活化剂1%。该固晶助焊膏制备方法为:先按组分比例混合均匀，然后加热至完全溶解后自然冷却到室温，再将该组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏。无铅金属合金粉末为SnSb金属合金粉末,其中，SnSb金属合金粉末中Sn、Sb之间的重量比例为90:10。
[0027]本发明提供的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法为，将重量百分比为86%与14%的SnSb金属合金粉末和固晶助焊膏置于分散机内搅拌均匀，再将得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得大功率LED固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
[0028]实施例3
本发明提供一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，无铅金属合金粉末与固晶助焊膏的重量配比数值分别为85%与15%。其中，固晶助焊膏由原位聚合松香、丙烯酸树脂、二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、丁二酸、油酸、氢化蓖麻油、甲胺、乙二丙胺、抗氧剂BHT与合成活化剂组成，上述原料的重量百分比数值为原位聚合松香18%、丙烯酸树脂20%、二乙二醇丁醚24%、二乙二醇己醚19%、丁二酸3.5%、油酸3%、氢化蓖麻油4%、甲胺3%、乙二丙胺3%、抗氧剂BHT 1.5%，合成活化剂1%。该固晶助焊膏制备方法为:先按组分比例混合均匀，然后加热至完全溶解后自然冷却到室温，再将该组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏。无铅金属合金粉末为SnSbCu球形金属合金粉末，其中，SnSbCu球形金属合金粉末中的球形粒径大小为5 μ m-25 μ m, Sn,Sb,Cu之间的重量比例为 89.5:10:0.5。
[0029]本发明提供的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法为，将重量百分比为85%与15%的SnSbCu球形金属合金粉末和固晶助焊膏置于分散机内搅拌均匀，再将得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得大功率LED固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
[0030]如图2所示，途中横坐标为时间/S，纵坐标为焊接温度/°C，图中从左到右的4个线段依次为:a、预热区:温升速度为1_3°C /s ;b、浸濡区:最大温升速度< 2°C /s ;c、回焊区:温升速度为2-3°C /s，最高温度为270-285°C ;时间为250°C (熔点)以上50_90s，高于260°C时间为20-50s ;d、冷却区:温降< 4°C /s。生产表明本发明能够满足LED芯片焊接加工工艺要求。
[0031]本发明提供的固晶焊锡膏热导率高、电阻小、传热快，能满足大功率LED芯片散热需求。该锡膏固晶速度快，固化时间只有通用银胶的十分之一，而且通过回流炉焊接可以实现连续化生产，大幅度提高工业生产率。另外该固晶锡膏不仅机械强度高、能有效保证固晶的可靠性，还能完全满足RoHS及国际电工委员会无卤素等环保标准。
[0032]惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士，在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，由无铅金属合金粉末与固晶助焊膏混合制成，其特征在于，所述无铅金属合金粉末与所述固晶助焊膏的重量配比范围分别为809Γ90%与109^20%。
2.如权利要求1所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述无铅金属合金粉末为SnAgCu金属合金粉末、SnSb金属合金粉末、SnSbAg金属合金粉末或SnSbCu球形金属合金粉末中的一种，所述SnAgCu金属合金粉末中Sn、Ag、Cu之间的重量比例为95?96.5:0.3?5:0.5?I ;所述SnSb金属合金粉末中Sn、Sb之间的重量比例为85?95:5?15 ；所述SnSbAg球形金属合金粉末中Sn、Sb、Ag之间的重量比例为89?90:9.5?10.5:0.5?1.0 ；所述SnSbCu球形金属合金粉末中Sn、Sb、Cu之间的重量比例为89.5:10:0.5，所述球形合金粉末粒径大小为5 μ m-25 μ m。
3.如权利要求1所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述固晶助焊膏由以下重量百分比的成分组成: 树脂20%?40%、溶剂40%?50%、有机酸5%?8%、表面活性剂4%?5%、触变剂3%?5%、抗氧剂1%?3%，合成活性剂1%?3%。
4.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述树脂为原位聚合松香、氢化松香树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂中的一种或几种的组合。
5.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述溶剂为二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚、三乙二醇丙醚、乙二醇苯醚、丙二醇苯醚中的一种或几种的组口 ο
6.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述有机酸为丁二酸、植酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、水杨酸中的一种或几种的组合。
7.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述触变剂为氢化蓖麻油、聚酰胺蜡、聚酰胺树脂、脂肪酸酰胺蜡中的一种或几种的组合。
8.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述表面活性剂为有机胺中的甲胺、三甲胺、苯胺、二乙丙胺、二乙醇胺、三乙醇胺、芳香胺中的一种或几种组合。
9.如权利要求3所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏，其特征在于，所述抗氧剂的类型为抗氧剂BHT、抗氧剂BHA、抗氧剂DLTP、抗氧剂1010、抗氧剂TBHQ、抗氧剂1076、抗氧剂T501中的一种或几种组合。
10.如权利要求1所述的一种用于大功率LED的固晶焊锡膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)、将固晶助焊膏的各组分按所选比例混合均匀，并加热至完全溶解后自然冷却到室温； (2)、将步骤(I)中所制备的组合物在5-10°C环境下冷藏制得固晶助焊膏； (3)、按所选比例将SnAgCu、SnSb,SnSbCu, SnSbAg焊锡粉和固晶助焊膏置于分散机内搅拌，得到均匀的膏体； (4)、将步骤(3)中得到的膏体在三辊扎机中进行研磨，控制压力和温度，达到固晶焊锡膏的粘度10000?30000厘泊，制得固晶焊锡膏，再按要求分装，在2-8°C环境下保存。
【文档编号】B23K35/36GK104308388SQ201410564894
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2010年11月26日 优先权日:2010年11月26日
【发明者】钱雪行, 资春芳 申请人:深圳市晨日科技有限公司