专利名称：应用于led的新型贴片焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于LED芯片的新型贴片焊接技术，其作用在于通过LED芯片 基板的设计，利用一台简单的加热设备，实现LED芯片的贴片焊接的技术。+背景技术
片式LED是一种新型表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均 匀性好、可靠性高等优点，发光颜色包括白光在内的各种颜色，因此被广泛应用在各种电子 产品上。
1998年美国Lumileds Lighting公司封装出世界上第一个大功率LED (1W Luxeon 器件)，使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人 类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。IW Luxeon器件使LED的功率从几十毫瓦 一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到I个Im飞跃达到十几个lm。大功率LED 由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系 统进行优化设计。
LED芯片被粘在基板上，可以通过三种方式导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆 粘贴。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。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200°C，既有良好的热导特性，又有较 好的粘贴强度，但价格比较昂贵。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属 之间焊接，导电性能也非常优越。
目前，用于锡浆粘贴的主要方法是回流焊技术，这种设备的内部有一个加热电路， 将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化 后与主板粘结。回流焊技术，围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。
第一代回流焊热板传导回流焊设备
这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热，通过热传导的方式加热基板上的 元件，用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜电路的单面组装，陶瓷基板上只有贴放在传送带上才 能得到足够的热量，其结构简单，价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过 此类设备。技术特点是热传递效率最慢5-30W/m2K(不同材质的加热效率不一样)，有阴影 效应。
第二代回流焊红外热辐射回流焊设备
此类回流焊炉也多为传送带式，但传送带仅起支托、传送基板的作用，其加热方式 主要依红外线热源以辐射方式加热，炉膛内的温度比前一种方式均匀，网孔较大，适于对双 面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在我国使用 的很多，价格也相对便宜。技术特点是热传递效率慢5-30W/m2K(不同材质的红外辐射效 率不一样)，有阴影效应，元器件的颜色对吸热量有大的影响。
第三代回流焊热风回流焊设备
这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀，单纯使用红外辐射加热时，人们发现在同样的加热环境内，不同材料及颜色吸收热量是不同的，即Q值是不 同的，因而引起的温升AT也不同，例如IC等贴装器件(SMD)的封装是黑色的酚醛或环氧， 而引线是白色的金属，单纯加热时，引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温 度更均匀，而克服吸热差异及阴影不良情况，IR+Hot air的回流焊炉在国际上曾使用得很 普遍。技术特点是热传递效率比较高10-50W/m2K，无阴影效应，颜色对吸热量没有影响。
第四代回流焊(气相回流焊接)系统
随着组装密度的提高，精细间距(Fine pitch)组装技术的出现，产生了充氮回流 焊工艺和设备，改善了回流焊的质量和成品率，已成为回流焊的发展方向。氮气回流焊有以 下优点(1)防止减少氧化；⑵提高焊接润湿力，加快润湿速度；⑶减少锡球的产生，避 免桥接，得到较好的焊接质量。技术特点是热传递效率高200-300W/m2K，无阴影效应，焊接 过程需要上下运动.冷却效果差。
第五代回流焊真空蒸汽冷凝焊接(真空汽相焊)系统
真空汽相回流焊接系统是一种先进电子焊接技术，是欧美高端焊接领域汽车电 子，航空航天企业主要的电子焊接工艺手段。和传统回流焊电子焊接技术比较，这种新工艺 具有可靠性高，焊点无空洞，组装密度高，抗振能力强，焊点缺陷率低，高频特性好，无需保 养维护等特点。技术特点是密闭空间的无空洞焊接，热传递效率最高300W-500W/m2K，焊接 过程保持静止无震动，冷却效果优秀，颜色对吸热量没有影响，是目前最完美的焊接系统。
第一、二代回流焊技术效果差，早已被淘汰，第四、五代技术焊接效果优异，但工作 条件比较苛刻，一种需要在氮气环境下，一种需要在真空环境下。现在最常用的是第三代回 流焊热风回流焊设备。目前的热风回流焊炉因型号不同价格在8-80万人民币不等，且由 于LED芯片是在高温蒸汽中贴片焊接，对LED芯片性能会有很大的影响。
为了降低设备成本，减少温度对LED芯片的影响，本发明提供一种应用于LED的新 型贴片焊接方法，通过该技术可大大降低设备成本，并可减少温度对LED芯片的影响，从而 增加LED芯片的成品率以及市场竞争力。发明内容
本发明要解决的技术问题在于提出一种应用于LED的新型贴片焊接方法。即通过 设计一种新型的加热设备以及LED基板，实现降低设备成本、减少温度影响、增加器件成品 率的目的。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
1、LED芯片基板的优化设计。
为了减少回流焊中热空气或热氮气对LED芯片的损坏，我们将采用热传导的方式 对焊锡进行加热，即通过新型的LED芯片加热设备将热量传递给贴在上面的LED基板上，实 现LED芯片贴片焊接的目的。这就要求LED芯片的基板材料要有良好的导热性能，在这里 我们选用铜做为LED芯片的基板材料。
LED芯片的外部电路将在LED芯片铜制基板上刻蚀而成，从而实现LED芯片的外部 引线以及多个LED芯片之间的互联。根据器件的不同需要，也可在外部电路中预留引脚，嵌 入不同的芯片，以实现不同的功能。
为了避免外部电路与其他铜制基板之间的联通，外部电路刻蚀好后，需在外部电路与基板中间加入5mm宽的绝缘物质。常见的绝缘材料有橡皮、塑料、玻璃、陶瓷等。如果 在贴片焊接前加入绝缘材料，就要考虑焊接时的高温因素，此时塑料等低熔点绝缘材料不 可用。因为LED芯片基板的厚度比较小，为了提高基板的强度，在基板下制作一个厚度较大 的铜质基板，同时为了避免上下层基板的联通，使外围电路能正常运作，在两个金属层之间 加入一层导热性能好的薄绝缘层。
LED芯片基板制作方法的工艺步骤如下
(I)制作符合大小的铜制基板/绝缘层/铜制基板的三层复合基板；
(2)通过掩膜刻蚀上层铜制基板形成外围电路和外围引线；
(3)在外部电路和基板中间加入绝缘物质；
其中步骤3可放在贴片焊接前或者贴片焊接后，放在贴片焊接前时，塑料等低熔 点绝缘材料不可用。
2、低成本LED芯片加热设备的设计。
这种可用于LED芯片的贴片焊接设备包括加热面板以及温度调控系统。加热面板 用来对铜制基板进行加热，使焊锡融化，从而完成LED芯片的贴片焊接。温度调控系统做为 加热设备中不可或缺的一部分，控制加热面板的升温速度以及在温度达到后，通过系统的 自动调整，使温度维持在一个稳定的范围。
为了更好的完成LED芯片的贴片焊接，加热面板的尺寸应大于LED基板的大小。同 时，面板的平整度以及热传导性的好坏决定了面板表面热量分布的均匀性。除此之外，加热 面板上仍需有一些固定装置，以完成对LED芯片基板的固定，并使加热面板与LED基板的接 触更加紧密。另外，制作加热面板的材料可以是金属或者陶瓷。
温度调控系统通过温度传感器对温度实行同步监控，并可通过控制电流的大小来 控制温度上升的快慢。此外，我们还能对目标温度进行设定，达到既定温度后，温度调控系 统通过温度传感器的反馈温度，自动调整电流大小，使温度在目标温度附近小范围内波动。
LED芯片的贴片焊接的工艺步骤如下
(I)LED基板以及外部电路的制作；
(2)打开加热面板电源，匀速升温；
(3)到达既定温度后，加热面板的自调整使温度稳定；
(4)将LED芯片放置在LED基板上，并涂上焊锡；
(5)将LED基板放置在加热面板上并固定；
(6) 一段时间后,关闭加热面板电源,取下LED基板；
(7)在外部电路和LED基板中间加入绝缘物质。
同回流焊技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优 点本发明无需氮气或真空环境，所需设备便宜，性价比高；在基板上进行外部电路制作， 并可根据需要嵌入特定功能芯片以实现LED芯片的不同组合；所有步骤均在室温下进行， 操作简单易行；LED芯片只有引脚跟铜制基板接触，其余部分均处于室温下，大大减少了高 温对于LED芯片的损坏。
图1为LED芯片基板的整体结构不意图
图2为LED芯片基板的俯视图
图3为LED芯片加热设备整体结构图
图中标号说明
1. LED 芯片
2.外围电路引线
3. 5mm宽的绝缘层
4.上层金属基板
5.中层导热绝缘层
6.下层金属基板
7.上层铜制基板
8. 5mm宽的绝缘层
9.外围电路及引线
10. LED 芯片
11.温度控制系统
12.加热电源
13.加热面板
14. LED芯片基板固定装置
15.温度传感器
具体实施例方式
LED芯片基板的制备实例
(I)制作一个长X宽为1. 643mX0. 8m厚度分别为铜制基板(2cm)/绝缘层(5mm)/ 铜制基板(5mm)的三层复合基板(见图2);
(2)根据LED芯片的串并联要求在上层铜制基板上设计LED芯片的引线以及外围 电路图案；
(3)通过掩模刻蚀工艺在基板上制作LED芯片的引线以及外围电路；
(4)在外围电路和基板之间掩膜刻蚀出一条宽5_的沟，并填充绝缘物质(见图1);
低成本LED芯片加热设备的制备实例
(I)制作一个长X宽为2mXlm,厚度为IOcm的加热面板；
(2)在加热面板上添加固定装置；
(3)添加温度传感器，能够对加热面板温度进行同步显示；
(4)添加控制系统，能够控制电流大小从而控制温度的上升速度，并能设定目标温 度，在加热面板温度上升到目标温度后，通过传感器显示的数值进行自我调整，使温度稳定 在目标数值处(见图3)。
LED芯片的贴片焊接实例
(I)LED基板以及外部电路的制作；
(2)打开加热面板电源，设定工作温度为200°C ；
(3)在温度控制系统的控制下，加热面板匀速升温至200°C ；
(4)到达目标温度后，加热面板的自调整使温度稳定；
(5)将LED芯片放置在LED基板上，并在LED芯片引脚以及外围引线的接触点涂上 焊锡；
(6)将LED基板放置在加热面板上并利用面板上的固定装置固定；
(7)焊锡融化后，关闭加热面板电源，取下LED基板，具体时间由融化时间而定；
(8)在外部电路和LED基板中间刻蚀好的狭缝中填充绝缘物质玻璃、陶瓷等，贴片 焊接完毕。
权利要求
1.一种应用于LED的新型贴片焊接方法，其特征在于，LED芯片采用导热导电性好的铜作为基板材料，在铜制基板上通过掩膜刻蚀工艺制作出外围电路以及外接引线，并在外围电路与基板中间开一条狭缝，往里面填充绝缘物质；LED基板为三层设计，分别为金属层/绝缘层/金属层，上层的金属层用来制作外围电路以及引线，下层的金属层作为基板的支撑层，可以增加LED基板的强度，中间的绝缘层具有良好的导热性能，起到对上层金属层外围电路的隔离作用。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的贴片焊接方法，其特征在于，运用独特的加热设备以及专门的LED芯片基板，可以在常温下实现LED芯片的贴片焊接，因为LED芯片没有跟加热面板直接接触，避免了高温对LED芯片的损伤，同时开放环境有利于我们对LED芯片贴片焊接中所出现的问题进行及时有效的处理。
全文摘要
一种应用于LED的新型贴片焊接方法，LED芯片采用导热导电性好的铜作为基板材料，在铜制基板上通过掩膜刻蚀工艺制作出外围电路以及外接引线，并在外围电路与基板中间开一条狭缝，往里面填充绝缘物质；LED基板为三层，分别为金属层/绝缘层/金属层，上层的金属层用来制作外围电路以及引线，下层的金属层作为基板的支撑层，可以增加LED基板的强度，中间的绝缘层具有良好的导热性能，起到对上层金属层外围电路的隔离作用；加热设备包括一个简单的加热面板，一个温度传感器以及温度控制系统，LED芯片采用导热导电性好的铜作为基板材料。本发明通过新型的加热设备以及LED基板，实现降低设备成本、减少温度影响、增加器件成品率。
文档编号H01L33/00GK102990175SQ20111027433
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者尚玉柱, 廖翊诚, 张民艳, 吕燕芳 申请人:江苏广发光电科技有限公司