一种led封装用固晶材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED封装技术领域，尤其涉及一种LED封装用固晶材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 功率LED器件的散热能力差，导致LED芯片的结温高，已经严重地阻碍了功率LED的 进一步推广应用。选择散热性能好的键合材料，提高固晶界面的质量，将会大大提高LED的 散热能力以及可靠性。传统的导热胶和导电银浆已经不能满足功率LED的散热要求，现在业 界开始采用锡金合金和SnAgCu焊料作为固晶材料，但是在钎焊过程中由于钎剂挥发等因素 界面处会产生空洞和间隙，而且钎料与金属焊盘之间往往存在着较大的界面热阻，使得焊 料合金作为热界面材料，它的导热性能并不能满足目前大功率LED芯片封装以及多芯片集 成封装的散热要求。而且，在我们的研究中发现，在器件服役过程中，固晶界面会快速退化， 导致固晶热阻快速升高。
[0003] 因此，LED封装技术领域亟需一种高导热率的固晶材料，以满足目前大功率LED芯 片封装以及多芯片集成封装的散热要求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种LED封装用固晶材料及其制备方法，该固晶材料能够在满足LED芯 片与热沉的粘结强度以及不影响电性能的前提下，获得高导热率。
[0005] 根据本发明的第一方面，本发明提供一种LED封装用固晶材料，包括锡基焊粉、高 导热率颗粒和固晶助焊膏，其中上述高导热率颗粒选自金刚石颗粒、纳米碳管和SiC中的一 种或两种以上；上述高导热率颗粒的体积分数占上述锡基焊粉和高导热率颗粒总体积的 0.1%-70% 〇
[0006] 作为本发明的进一步改进的方案，上述固晶助焊膏占上述固晶材料总重量的 10%-30%〇
[0007] 作为本发明的优选的方案，上述锡基焊粉选自AuSn、SnAgCu、SnSb、SnBi、SnSbCu、 SnSbAg、SnSbNi和SnCu合金粉末中的一种。
[0008] 作为本发明的进一步改进的方案，上述锡基焊粉的粒径为30微米以下，优选10微 米以下。
[0009] 作为本发明的进一步改进的方案，上述高导热率颗粒的粒径为30微米以下。
[0010] 作为本发明的进一步改进的方案，上述固晶助焊膏包括溶剂、树脂、有机酸、触变 剂、抗氧剂和合成活性剂。
[0011] 作为本发明的更进一步改进的方案，按重量百分比计，上述固晶助焊膏包括溶剂 40 %~60 %，树脂20%~40%，有机酸5 %~8 %，触变剂2%~4%，抗氧剂1 %~3 %，合成活 性剂6 %~9 %。
[0012] 作为本发明的更进一步改进的方案，上述溶剂选自二乙二醇己醚、乙二醇苯醚、二 乙二醇丁醚、丙二醇苯醚和三乙二醇丙醚中的一种或几种的组合。
[0013] 作为本发明的更进一步改进的方案，上述树脂选自原位氢化松香树脂、丙烯酸树 月旨、酚醛树脂和聚合松香中的一种或几种的组合。
[0014] 作为本发明的更进一步改进的方案，上述有机酸选自植酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、 水杨酸和丁二酸中的一种或几种的组合。
[0015] 作为本发明的更进一步改进的方案，上述触变剂选自聚酞胺树脂、脂肪酸酞胺蜡、 氢化蓖麻油和聚酰胺蜡中的一种或几种的组合。
[0016]作为本发明的更进一步改进的方案，上述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂TBHQ、抗 氧剂BHT、抗氧剂T501、抗氧剂BHA、抗氧剂DLTP、抗氧剂1076中的一种或几种组合。
[0017]作为本发明的更进一步改进的方案，上述合成活性剂选自三甲胺、二乙丙胺、二乙 醇胺、三乙醇胺、苯胺、甲胺、芳香胺中的一种或几种组合。
[0018] 根据本发明的第二方面，本发明提供一种制备如第一方面的固晶材料的方法，包 括:首先将上述锡基焊粉和高导热率颗粒充分混合，然后与上述固晶助焊膏充分混合，形成 上述固晶材料。
[0019] 本发明的有益效果是:本发明的固晶材料含有高导热率颗粒如金刚石颗粒、纳米 碳管或SiC，能够在满足LED芯片与热沉的粘结强度以及不影响电性能的前提下，获得高导 热率，其导热率是现有LED固晶焊料导热率的几倍甚至几十倍。采用本发明的固晶材料，可 以有效降低功率LED器件热阻，提高LED芯片散热能力，降低LED芯片结温，提高LED器件及应 用广品的寿命。
【具体实施方式】
[0020] 下面通过【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0021] 传统的固晶材料银胶的导热系数是2-25,已经不能满足功率LED的散热需要。空气 的导热率是0.024,功率LED芯片与热沉之间的界面需要高导热率的热界面材料，钎料合金 的导热系数是27-73,而且在固晶过程以及器件服役过程中不可避免地会出现空洞。
[0022] 本发明的固晶材料的关键在于，加入了高导热率颗粒如金刚石颗粒、纳米碳管或 SiC，从而大大提高了固晶材料用于LED芯片封装时的导热率。
[0023] 作为高导热率颗粒，金刚石颗粒的导热系数达到约2300,纳米碳管的导热系数达 到1100，SiC的导热系数达到490,均远高于传统的钎料合金的导热系数，因此这些高导热率 颗粒的加入能够极大提高固晶界面的热导率。研究表明，本发明的固晶材料的导热率是现 有LED固晶焊料导热率的几倍甚至几十倍。
[0024] 本发明中，固晶材料的基本组成是锡基焊粉、高导热率颗粒和固晶助焊膏，其中高 导热率颗粒选自金刚石颗粒、纳米碳管和SiC中的一种或两种以上。高导热率颗粒的含量， 尤其是高导热率颗粒与锡基焊粉的比例关系，对于固晶材料的热导率性能有重要影响。发 明人经深入研究，发现根据不同的性能要求，高导热率颗粒的体积分数占锡基焊粉和高导 热率颗粒总体积比例可以是0.1 %-70%，高导热率颗粒的含量高于70%，虽然也能够取得 良好的效果，然而导热率相比含量为70%时没有显著提升，并且高导热率颗粒的含量过高 还可能造成其他性能受影响，比如LED芯片与热沉的粘结强度以及电性能可能受影响。
[0025] 在本发明中，固晶助焊膏占固晶材料总重量的10%_30%，对于其性能的发挥具有 更加有优势的效果。相应地，锡基焊粉和高导热率颗粒二者加在一起的重量占固晶材料总 重量的70 %-90 %。
[0026] 本发明中，锡基焊粉可以是本领域通常使用的锡基材料的粉末，如AuSn、SnAgCu、 SnSb、SnBi、SnSbCu、SnSbAg、SnSbNi 和 SnCu 等合金粉末等中的一种。
[0027] 焊粉的粒径对固晶材料的性能有一定的影响，在不被氧化的前提下，粒径越小越 好，一般粒径可以控制在微米至纳米量级，最好是控制在30微米以下，优选10微米以下。可 以使用抗氧剂来保护焊粉免受氧化影响。
[0028] 高导热率颗粒的粒径对固晶材料的性能也有一定的影响，在不影响散热性能的前 提下，粒径最好是控制在30微米以下。
[0029] 虽然在本发明中固晶助焊膏可以采用现有的这一类用途的助焊膏。然而发明人还 是提供一种性能优越的固晶助焊膏，它包括溶剂、树脂、有机酸、触变剂、抗氧剂和合成活性 剂。其中，抗氧剂起到保护焊粉免受氧化影响的作用。合成活性剂赋予了固晶材料足够的活 性，保证各种颗粒材料的均匀混合。
[0030] 上述固晶助焊膏中各种组分的含量可以在较宽的范围内变动。在本发明的一个优 选实施方案中，按重量百分比计，固晶助焊膏包括溶剂40 %~60%，树脂20%~40 %，有机 酸5 %~8 %，触变剂2 %~4 %，抗氧剂1 %~3 %，合成活性剂6 %~9 %。
[0031] 上述溶剂可以选自二乙二醇己醚、乙二醇苯醚、二乙二醇丁醚、丙二醇苯醚和三乙 二醇丙醚中的一种或几种的组合。所述组合的典型但非限定性的例子比如：二乙二醇己醚 和乙二醇苯醚的组合，乙二醇苯醚和二乙二醇丁醚的组合，二乙二醇丁醚和丙二醇苯醚的 组合，丙二醇苯醚和三乙二醇丙醚的组合等。
[0032] 上述树脂可以选自原位氢化松香树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂和聚合松香中的一 种或几种的组合。所述组合的典型但非限定性的例子比如:原位氢化松香树脂和丙烯酸树 脂的组合，丙烯酸树脂和酚醛树脂的组合，酚醛树脂和聚合松香的组合，丙烯酸树脂、酚醛 树脂和聚合松香的组合等。
[0033] 上述有机酸选自植酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、水杨酸和丁二酸中的一种或几种的 组合。所述组合的典型但非限定性的例子比如:植酸和酒石酸的组合，酒石酸和苹果酸的组 合，苹果酸和甲酸的组合，甲酸和水杨酸的组合，水杨酸和丁二酸的组合等。
[0034]上述触变剂选自聚酞胺树脂、脂肪酸酞胺蜡、氢化蓖