一種led封裝用固晶材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及LED封裝技術領域，尤其涉及一種LED封裝用固晶材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 功率LED器件的散熱能力差，導致LED芯片的結溫高，已經嚴重地阻礙了功率LED的 進一步推廣應用。選擇散熱性能好的鍵合材料，提高固晶界面的質量，將會大大提高LED的 散熱能力以及可靠性。傳統的導熱膠和導電銀漿已經不能滿足功率LED的散熱要求，現在業 界開始采用錫金合金和SnAgCu焊料作為固晶材料，但是在釬焊過程中由于釬劑揮發等因素 界面處會產生空洞和間隙，而且釬料與金屬焊盤之間往往存在著較大的界面熱阻，使得焊 料合金作為熱界面材料，它的導熱性能并不能滿足目前大功率LED芯片封裝以及多芯片集 成封裝的散熱要求。而且，在我們的研究中發現，在器件服役過程中，固晶界面會快速退化， 導致固晶熱阻快速升高。
[0003] 因此，LED封裝技術領域亟需一種高導熱率的固晶材料，以滿足目前大功率LED芯 片封裝以及多芯片集成封裝的散熱要求。
【發明內容】
[0004] 本發明提供一種LED封裝用固晶材料及其制備方法，該固晶材料能夠在滿足LED芯 片與熱沉的粘結強度以及不影響電性能的前提下，獲得高導熱率。
[0005] 根據本發明的第一方面，本發明提供一種LED封裝用固晶材料，包括錫基焊粉、高 導熱率顆粒和固晶助焊膏，其中上述高導熱率顆粒選自金剛石顆粒、納米碳管和SiC中的一 種或兩種以上；上述高導熱率顆粒的體積分數占上述錫基焊粉和高導熱率顆粒總體積的 0.1%-70% 〇
[0006] 作為本發明的進一步改進的方案，上述固晶助焊膏占上述固晶材料總重量的 10%-30%〇
[0007] 作為本發明的優選的方案，上述錫基焊粉選自AuSn、SnAgCu、SnSb、SnBi、SnSbCu、 SnSbAg、SnSbNi和SnCu合金粉末中的一種。
[0008] 作為本發明的進一步改進的方案，上述錫基焊粉的粒徑為30微米以下，優選10微 米以下。
[0009] 作為本發明的進一步改進的方案，上述高導熱率顆粒的粒徑為30微米以下。
[0010] 作為本發明的進一步改進的方案，上述固晶助焊膏包括溶劑、樹脂、有機酸、觸變 劑、抗氧劑和合成活性劑。
[0011] 作為本發明的更進一步改進的方案，按重量百分比計，上述固晶助焊膏包括溶劑 40 %~60 %，樹脂20%~40%，有機酸5 %~8 %，觸變劑2%~4%，抗氧劑1 %~3 %，合成活 性劑6 %~9 %。
[0012] 作為本發明的更進一步改進的方案，上述溶劑選自二乙二醇己醚、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種或幾種的組合。
[0013] 作為本發明的更進一步改進的方案，上述樹脂選自原位氫化松香樹脂、丙烯酸樹 月旨、酚醛樹脂和聚合松香中的一種或幾種的組合。
[0014] 作為本發明的更進一步改進的方案，上述有機酸選自植酸、酒石酸、蘋果酸、甲酸、 水楊酸和丁二酸中的一種或幾種的組合。
[0015] 作為本發明的更進一步改進的方案，上述觸變劑選自聚酞胺樹脂、脂肪酸酞胺蠟、 氫化蓖麻油和聚酰胺蠟中的一種或幾種的組合。
[0016]作為本發明的更進一步改進的方案，上述抗氧劑選自抗氧劑1010、抗氧劑TBHQ、抗 氧劑BHT、抗氧劑T501、抗氧劑BHA、抗氧劑DLTP、抗氧劑1076中的一種或幾種組合。
[0017]作為本發明的更進一步改進的方案，上述合成活性劑選自三甲胺、二乙丙胺、二乙 醇胺、三乙醇胺、苯胺、甲胺、芳香胺中的一種或幾種組合。
[0018] 根據本發明的第二方面，本發明提供一種制備如第一方面的固晶材料的方法，包 括:首先將上述錫基焊粉和高導熱率顆粒充分混合，然后與上述固晶助焊膏充分混合，形成 上述固晶材料。
[0019] 本發明的有益效果是:本發明的固晶材料含有高導熱率顆粒如金剛石顆粒、納米 碳管或SiC，能夠在滿足LED芯片與熱沉的粘結強度以及不影響電性能的前提下，獲得高導 熱率，其導熱率是現有LED固晶焊料導熱率的幾倍甚至幾十倍。采用本發明的固晶材料，可 以有效降低功率LED器件熱阻，提高LED芯片散熱能力，降低LED芯片結溫，提高LED器件及應 用廣品的壽命。
【具體實施方式】
[0020] 下面通過【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0021] 傳統的固晶材料銀膠的導熱系數是2-25,已經不能滿足功率LED的散熱需要。空氣 的導熱率是0.024,功率LED芯片與熱沉之間的界面需要高導熱率的熱界面材料，釬料合金 的導熱系數是27-73,而且在固晶過程以及器件服役過程中不可避免地會出現空洞。
[0022] 本發明的固晶材料的關鍵在于，加入了高導熱率顆粒如金剛石顆粒、納米碳管或 SiC，從而大大提高了固晶材料用于LED芯片封裝時的導熱率。
[0023] 作為高導熱率顆粒，金剛石顆粒的導熱系數達到約2300,納米碳管的導熱系數達 到1100，SiC的導熱系數達到490,均遠高于傳統的釬料合金的導熱系數，因此這些高導熱率 顆粒的加入能夠極大提高固晶界面的熱導率。研究表明，本發明的固晶材料的導熱率是現 有LED固晶焊料導熱率的幾倍甚至幾十倍。
[0024] 本發明中，固晶材料的基本組成是錫基焊粉、高導熱率顆粒和固晶助焊膏，其中高 導熱率顆粒選自金剛石顆粒、納米碳管和SiC中的一種或兩種以上。高導熱率顆粒的含量， 尤其是高導熱率顆粒與錫基焊粉的比例關系，對于固晶材料的熱導率性能有重要影響。發 明人經深入研究，發現根據不同的性能要求，高導熱率顆粒的體積分數占錫基焊粉和高導 熱率顆粒總體積比例可以是0.1 %-70%，高導熱率顆粒的含量高于70%，雖然也能夠取得 良好的效果，然而導熱率相比含量為70%時沒有顯著提升，并且高導熱率顆粒的含量過高 還可能造成其他性能受影響，比如LED芯片與熱沉的粘結強度以及電性能可能受影響。
[0025] 在本發明中，固晶助焊膏占固晶材料總重量的10%_30%，對于其性能的發揮具有 更加有優勢的效果。相應地，錫基焊粉和高導熱率顆粒二者加在一起的重量占固晶材料總 重量的70 %-90 %。
[0026] 本發明中，錫基焊粉可以是本領域通常使用的錫基材料的粉末，如AuSn、SnAgCu、 SnSb、SnBi、SnSbCu、SnSbAg、SnSbNi 和 SnCu 等合金粉末等中的一種。
[0027] 焊粉的粒徑對固晶材料的性能有一定的影響，在不被氧化的前提下，粒徑越小越 好，一般粒徑可以控制在微米至納米量級，最好是控制在30微米以下，優選10微米以下。可 以使用抗氧劑來保護焊粉免受氧化影響。
[0028] 高導熱率顆粒的粒徑對固晶材料的性能也有一定的影響，在不影響散熱性能的前 提下，粒徑最好是控制在30微米以下。
[0029] 雖然在本發明中固晶助焊膏可以采用現有的這一類用途的助焊膏。然而發明人還 是提供一種性能優越的固晶助焊膏，它包括溶劑、樹脂、有機酸、觸變劑、抗氧劑和合成活性 劑。其中，抗氧劑起到保護焊粉免受氧化影響的作用。合成活性劑賦予了固晶材料足夠的活 性，保證各種顆粒材料的均勻混合。
[0030] 上述固晶助焊膏中各種組分的含量可以在較寬的范圍內變動。在本發明的一個優 選實施方案中，按重量百分比計，固晶助焊膏包括溶劑40 %~60%，樹脂20%~40 %，有機 酸5 %~8 %，觸變劑2 %~4 %，抗氧劑1 %~3 %，合成活性劑6 %~9 %。
[0031] 上述溶劑可以選自二乙二醇己醚、乙二醇苯醚、二乙二醇丁醚、丙二醇苯醚和三乙 二醇丙醚中的一種或幾種的組合。所述組合的典型但非限定性的例子比如：二乙二醇己醚 和乙二醇苯醚的組合，乙二醇苯醚和二乙二醇丁醚的組合，二乙二醇丁醚和丙二醇苯醚的 組合，丙二醇苯醚和三乙二醇丙醚的組合等。
[0032] 上述樹脂可以選自原位氫化松香樹脂、丙烯酸樹脂、酚醛樹脂和聚合松香中的一 種或幾種的組合。所述組合的典型但非限定性的例子比如:原位氫化松香樹脂和丙烯酸樹 脂的組合，丙烯酸樹脂和酚醛樹脂的組合，酚醛樹脂和聚合松香的組合，丙烯酸樹脂、酚醛 樹脂和聚合松香的組合等。
[0033] 上述有機酸選自植酸、酒石酸、蘋果酸、甲酸、水楊酸和丁二酸中的一種或幾種的 組合。所述組合的典型但非限定性的例子比如:植酸和酒石酸的組合，酒石酸和蘋果酸的組 合，蘋果酸和甲酸的組合，甲酸和水楊酸的組合，水楊酸和丁二酸的組合等。
[0034]上述觸變劑選自聚酞胺樹脂、脂肪酸酞胺蠟、氫化蓖