一种用于汽车前照灯的led模块封装方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于汽车前照灯的LED模块封装方法，包括：(a)将中层基板设置有多个芯片焊盘的区域对准于上层基板的通槽结构，由此执行中层和上层基板的贴合；(b)在芯片焊盘上滴涂焊料，并利用焊料的液体表面张力使得芯片与芯片焊盘自动执行对准调整；(c)执行下层基板和中层基板之间的焊接，并完成各个LED芯片的电路连接；(d)将陶瓷粉末和硅胶的混合物填充在各个芯片彼此间隔的侧面区域，然后执行加热固化；(e)向上层基板的通槽结构内继续填充荧光粉胶，直至填满整个通槽结构，然后将整个模块执行升温固化。通过本发明，可有效解决荧光粉自发热问题，提高模块热可靠性，并提高模块光效与出光质量。
【专利说明】一种用于汽车前照灯的LED模块封装方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车配件【技术领域】，更具体地，涉及一种用于汽车前照灯的LED模块 封装方法。
【背景技术】
[0002] LED (Light Emitting Diode)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光 器件，与普通光源相比，具备使用寿命长、启动时间短、电光转换效率高、便于实现AFS功能 和车灯造型灵活等优点，因而在汽车光源领域获得了较多应用。目前国外LED前照灯已从 高端车型向低端车型进行转变，国内厂家也纷纷跟进，使得LED车灯模块需求量急速增加， 具有巨大的市场潜力。
[0003] 然而，对于现有的汽车前照灯LED光源模块而言，由于汽车照明标准对于光源发 光面的致密度要求严格，芯片需密集排布，这相应会带来芯片侧面出光相互干扰的问题。研 究表明，水平电极结构的LED芯片侧面出光大约占总出光的40%，侧面出光的干扰大大降 低了模块的出光效率；而且出光角度和位置会改变侧面出光在荧光粉中的光程，降低了出 光均匀性。针对上述问题，现有技术中主要的解决方式为使用倒装电极LED芯片或者垂直 电极LED芯片，这会大大提1?芯片成本；考虑到芯片密集排布对封装中固晶精度提出了严 格要求，目前提高封装精度的方法主要为提高固晶设备的精度，但这同样会大大提高模块 的封装成本。
[0004] 此外，现有的汽车前照灯LED光源模块还存在模块温度偏高、湿气隔绝效果较差、 可靠性和使用寿命低等集中体现的一些问题。由于LED模块中荧光粉存在自发热现象，其 恶劣的散热条件导致荧光粉层温度远远高于芯片结温，成为热可靠性的一个瓶颈，而且对 芯片温度的影响大大降低了芯片的可靠性。针对模块温度偏高的问题，现有的解决方案主 要是改变荧光粉的浓度来改善荧光粉分布，但是会同时降低模块的光效，难以进行高效的 光热协同设计。同时，车灯模块使用环境多变恶劣，荧光粉硅胶层较易透过湿气，这会大幅 降低芯片的可靠性和使用寿命；目前的解决办法主要为利用密封胶将车灯外壳密封以隔绝 外界空气，但是会带来车灯一次性使用、外围散热难以设计等问题。因此，相关领域中亟需 寻找更为完善的解决方案，以便获得高效、可靠和低成本的汽车前照灯LED模块产品。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于汽车前照灯的LED 模块封装方法，其中通过对其关键工艺步骤及其工艺参数进行改进，相应可以控制模块发 光面的出光空间均匀性，并有效反射芯片的侧面出光，由此达到提高整体光效的目的；此外 还具备封装精度高、散热性能好、湿气透过率降低和模块使用寿命长等优点，因而尤其适用 于汽车前照灯LED光源制备之类的用途。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于汽车前照灯的LED模块封装方法， 其特征在于，该方法包括：
[0007] (a)上层基板和中层基板的贴合步骤
[0008] 利用半固化片将上层基板和中层基板彼此对准贴合，其中上层基板加工有通槽结 构；中层基板的上、下表面均覆盖有金属层，并在上表面设置有相互间隔的多颗芯片焊盘； 此外在贴合过程中，将中层基板设置有多个芯片焊盘的区域对准于上层基板的通槽结构来 执行贴合；
[0009] (b)固晶步骤
[0010] 分别在每颗芯片焊盘上滴涂焊料，将LED芯片按照电极极性贴放在焊盘上，然后 放入回流炉执行回流固化，在此过程中，利用焊料的液体表面张力的作用使得芯片与芯片 焊盘自动执行对准调整；
[0011] (C)下层基板和中层基板的焊接步骤
[0012] 将下层基板的上表面滴涂焊料并与中层基板对准贴合，然后放入回流炉中执行回 流固化；接着，利用引线键合机完成各个LED芯片的电路连接；
[0013] (d)芯片侧面填充步骤
[0014] 将陶瓷粉末和硅胶的混合物填充在各个LED芯片彼此间隔的侧面区域，保证填充 高度与芯片的上表面基本相平齐，然后执行加热固化；
[0015] (e)荧光粉硅胶填充步骤
[0016] 向上层基板的通槽结构内继续填充荧光粉硅胶，直至填满整个通槽结构使之与上 层基板的上表面基本相平齐，然后将整个模块执行升温固化，由此完成LED模块的整个封 装过程。
[0017] 作为进一步优选地，在步骤（a)中，所述上层基板由导热性材料制成，优选为铝或 者陶瓷；所述中层基板的材质为A1N或者A1203。
[0018] 作为进一步优选地，在步骤（b)中，在每颗芯片焊盘上滴涂的焊料量优选控制为 0.04μ 1?0. 1μ 1，焊料厚度为30μπι?40μπι;并使得LED芯片按照电极极性在45度的 偏离角度内贴放在焊盘上。
[0019] 作为进一步优选地，所述芯片焊盘呈阵列式排列，并且在步骤（c)中，完成各个 LED芯片的电路连接，使得每行的芯片之间串联连接，而相邻两列之间的芯片并联连接。
[0020] 作为进一步优选地，在步骤（d)中，所述陶瓷粉末和硅胶的混合物优选由质量百 分比为70%?85%的陶瓷粉末和质量百分比为15%?30%的硅胶混合而成，并且使用时 掺杂体积份数为10 %?30 %的酒精。
[0021] 作为进一步优选地，在步骤（e)中，所述荧光粉胶为浓度为0. 01g/ml?5. Og/ml 的荧光粉硅胶，并优选掺杂有石墨烯，该石墨烯的质量占总质量的〇. 5%?1%。
[0022] 总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优 占·
[0023] 1、本发明中通过在上层基板设置通槽结构也即成品的发光面适应凹坑，这样不仅 可以在封装过程中控制陶瓷硅胶混合物和荧光粉硅胶的涂覆形状，保证模块发光面的尺寸 和位置，控制出光空间的均匀性，而且还能使得荧光粉硅胶充分填满通槽与壁面完全贴合， 由此增加了荧光粉的散热途径，从而改善了荧光粉硅胶的散热条件；
[0024] 2、通过在固晶步骤中利用焊料的液体表面张力来执行芯片回流固化过程中与焊 盘的自动对准调整，测试表明可以显著改善固晶精度，同时优化了固晶操作工艺；
[0025] 3、通过在芯片侧面填充具有高导热性的陶瓷硅胶，并对其具体组分和配料比进行 优选。该填料固化后可以增加芯片导热途径，优化芯片散热条件；固化后在该填料与芯片接 触面即芯片侧面会形成高反射率的光学平面，提高芯片侧面出光利用率，以达到提高光效 的目的；
[0026] 4、通过在荧光粉硅胶中掺杂石墨烯组分并对两者的配料比进行控制，测试表明可 以大大减少荧光粉硅胶层的湿气透过率，降低模块防潮等级要求，同时增加其机械强度，提 高机械可靠性，且不影响光学透过率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图la是按照本发明优选实施例1的用于汽车前照灯的LED模块的结构前视图；
[0028] 图lb是沿着图la中A-A线所得到的剖视图；
[0029] 图2是图1中所示中层基板的前视图；
[0030] 图3是图1中所示下层基板的前视图；
[0031] 图4a是中层基板和上层基板贴合后的结构示意图；
[0032] 图4b是图4a中中层基板的局部放大图；
[0033] 图5a是按照本发明优选实施例2的垂直芯片封装基板的结构前视图；
[0034] 图5b是沿着图5a中A-A线所得到的剖视图；
[0035] 图6是图5中所示中层基板的结构前视图；
[0036] 图7是图5中所示模块完成封装后的结构示意图；
[0037] 图8是按照本发明的LED模块封装方法的工艺流程图。
[0038] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0039] 1-外围电路焊盘2-阻焊白油3-定位孔4-螺栓孔5-接线板6-中层基板7-下层 基板8-上层基板9-芯片焊盘10-通槽结构11-镀铜电路12-焊料13-中层基板的金属镀 层14-半固化片15-陶瓷硅胶混合物16-荧光粉硅胶17-金线18-LED芯片19-焊料
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041] 图1是按照本发明优选实施例1的用于汽车前照灯的LED模块的结构示意图。如 图1中所示，该车灯模块主要包括三层基板，其中上层基板8优选为铝，并加工有通槽结构 10,该通槽结构将作为发光面适应面凹坑，同时还可设置工艺扩展凹坑等。中层基板6的材 质可选自A1N或者A1203,它的上下表面均覆盖有譬如铜的金属镀层，并在上表面设置有譬 如呈阵列式排列的多个芯片焊盘（Pad)，其分布根据工艺要求与LED芯片的尺寸和安装位 置相同，并印有外围电路等元件。下层基板7的材质可选择铝芯PCB板，它的上表面设置有 绝缘胶层，并与中间基板6的结合面处镀有金属铜层，而且同样印有外围电路，非焊接处则 印有阻焊白油2。
[0042] 下面将具体参照附图2-4和图8来描述按照本发明的封装工艺过程。
[0043] 首先，可利用半固化片14将上层基板8和中层基板6彼此对准贴合，并且在贴合 过程中，将中层基板设置有多个芯片焊盘9的区域对准于上层基板的通槽结构10来执行贴 合；
[0044] 接着，分别在每颗芯片焊盘9上滴涂焊料，焊料的量不得超出贴合面，将LED芯片 18按照电极极性贴放在焊盘上，贴放偏离角度应小于45°，之后放入回流炉中回流固化， 回流最高温度需低于固晶工艺最高温度。
[0045] 作为本发明的关键改进之一，在此过程中，利用焊料的液体表面张力的作用使得 芯片与芯片焊盘自动执行对准调整，以此方式，可以显著改善固晶精度，同时优化了固晶 操作工艺。按照本发明的一个优选实施方式，在每颗芯片焊盘上滴涂的焊料量优选控制为 0.04μ 1?0. 1 μ 1，焊料厚度为30 μ m?40 μ m，并使得LED芯片按照电极极性在45度的偏 离角度内贴放在焊盘上，上述工艺参数经过多次实际试验后获得，测试表明可以进一步提 高自对准固晶的精度。
[0046] 接着，将下层基板7的上表面和中层基板6的下表面分别滴涂焊料并对准贴合，然 后放入回流炉中执行回流固化；接着，利用引线键合机完成各个LED芯片的电路连接，此操 作具体包括将中、下层基板的外围电路通过接线板进行锡焊连接，完成外围电路连接。利用 引线键合机将金线焊接在芯片电极和外围电路之间等。对于阵列式焊盘，在本发明中可使 得每一行的芯片之间串联连接，而彼此相连的两列芯片之间并联连接。
[0047] 接着，将陶瓷粉末和硅胶的混合物填充在各个LED芯片彼此间隔的侧面区域，保 证填充高度与芯片的上表面基本相平齐，然后执行加热固化。作为本发明的另一关键改进 所在，芯片之间填充的陶瓷硅胶混合物具有高导热性，接触面具有高反光性，该材料固化后 能够增加芯片导热途径，优化芯片散热条件，同时反射芯片的侧面出光，以达到提高光效的 目的。
[0048] 作为本发明的关键改进之一，按照本发明的一个优选实施方式，所述陶瓷粉末和 硅胶的混合物优选由质量百分比为70%?85%的陶瓷粉末和质量百分比为15%?30%的 硅胶混合而成，使用时掺杂有体积份数为10%?30%的酒精。以此方式，酒精可以降低混 合溶液的粘度，使溶液充分填充到芯片之间；与此同时，加热过程中酒精完全挥发，陶瓷硅 胶充分填充，在与芯片接触面处形成高效反射面，完成陶瓷硅胶的填充固化，而且完成后由 于酒精充分挥发，使得陶瓷硅胶的总体积减少10%?30%，但是由于芯片侧壁面与高粘度 液体的表面张力，芯片与陶瓷硅胶的贴合面积不会出现明显的减少，而远离接触面的液面 会轻微下凹。
[0049] 接着，向上层基板8的通槽结构10内继续填充荧光粉硅胶，直至填满整个通槽结 构10使之与上层基板的上表面基本相平齐，然后将整个模块执行升温固化，由此完成LED 模块的整个封装过程。
[0050] 对于上述步骤，譬如可利用注射器等填充0. 〇lg/ml?5. Og/ml的荧光粉硅胶16， 填充高度稍高于凹坑10上表面，利用刮平刀将高于凹坑表面的荧光粉硅胶刮平并去除，然 后将模块放入高温箱进行高温固化，从而实现凹坑内荧光粉硅胶的充分填充。
[0051] 对于上述用于封装的LED芯片，可以是GaN等二元材料或者AlGaNP等四元材料组 成和其它芯片。所使用的焊料可以是AgSn焊料、AuSn焊料。
[0052] 实施例1
[0053] 参见图4,将AgSn焊料19滴涂到芯片焊盘9上，用量为0.04 μ 1。将芯片18按照 电极极性在45°偏离角度内贴放在焊盘9上，用塑料镊子轻微调整芯片，使芯片与焊盘尽 量贴合，将模块置于回流炉进行回流固化。在回流过程中，焊料呈液体状，利用表面张力将 芯片旋转至与焊盘表面重合，冷却后即完成固晶工艺。然后在下基板上表面滴涂AgSn焊料 0. 05ml，使其尽量涂覆均匀。将中层基板贴合在下次基板上，手工调整基板相对位置，因非 接触面涂有阻焊白油，其涂覆精度由基板位置坐标而定，故可以将焊料约束在贴合面内，以 保证基板贴合精度。随后放入回流炉中回流固化，完成下层基板的焊接。利用铅锡焊料将 接线板5焊接在中层、下层基板的外接电路上，完成基板电路连接。利用引线键合机将金线 17连接在芯片电极之间，以及电极与两侧电路之间，形成每排芯片串联、芯片两排并联的电 路。利用A1N陶瓷粉末配置质量浓度为85 %的陶瓷硅胶15,掺杂体积分数为20 %的酒精 并充分搅拌均匀，通过点胶机将该陶瓷硅胶滴涂在芯片18之间，高度与芯片上表面基本平 齐，随后放在加热板上进行固化。固化完成后，由于酒精充分挥发，使得陶瓷硅胶的总体积 减少20%，但是由于芯片侧壁面与高粘度液体的表面张力，芯片与陶瓷硅胶的贴合面积不 会出现明显的减少，而远离接触面的液面下凹。冷却后，通过点胶机将荧光粉硅胶16滴入 凹坑，荧光粉硅胶16中的荧光粉为YAG荧光粉，浓度为1. Og/ml，填充至稍高于凹坑上表面， 利用刮平刀沿基板上表面将高于上表面的荧光粉硅胶刮除至工艺扩展凹坑内，随后放入烘 烤箱中加热固化。冷却后即完成封装。
[0054] 实施例2
[0055] 参见图5-7,对于垂直芯片封装模块，其基板结构为：上、下层基板的材质和结构 与实施例1基本相同，中层基板的芯片焊盘9除具有自对准芯片、导热的作用外，还具有导 电的作用，故最后一枚焊盘需要与外围电路直接连接，焊料换为AuSn焊料，可减小电阻。将 焊料滴涂到芯片焊盘9上，用量为0.04 μ 1。将芯片18按照电极极性规定方向在45°偏 离角度内贴放在焊盘9上，芯片正极朝上，负极通过焊料与焊盘连接，用塑料镊子轻微调整 芯片，使芯片与焊盘尽量贴合，将模块置于回流炉进行回流固化。在回流过程中，焊料呈液 体状，利用表面张力将芯片旋转至与焊盘表面重合，保证了固晶精度，冷却后即完成固晶工 艺。然后在下基板上表面与中层基板贴合面滴涂AgSn焊料0.05ml，使其尽量涂覆均匀。手 工调整基板相对位置，因非接触面涂有阻焊白油，其涂覆精度由基板位置坐标而定，故可以 将焊料约束在贴合面内，以保证基板贴合精度。随后放入回流炉中回流固化，完成下层基板 的焊接。利用铅锡焊料将接线板5焊接在中层、下层基板的外接电路上，完成基板电路连 接。利用引线键合机将金线17连接在芯片电极与电路之间，形成每排芯片串联、芯片两排 并联的电路。
[0056] 接着，利用A1N陶瓷粉末配置质量浓度为80 %的陶瓷硅胶15,掺杂体积分数为 15%的酒精并充分搅拌均匀，通过注射器将该陶瓷硅胶滴涂在芯片之间，高度与芯片上表 面基本平齐，随后放在加热板上进行固化。固化完成后，由于酒精充分挥发，使得陶瓷硅胶 的总体积减少15%，但是由于芯片侧壁面与高粘度液体的表面张力，芯片与陶瓷硅胶的贴 合面积不会出现明显的减少，而远离接触面的液面下凹。冷却后，通过点胶机将荧光粉硅胶 16滴入凹坑，荧光粉胶中的荧光粉为YAG荧光粉，浓度为2. Og/ml，填充至稍高于凹坑上表 面，利用刮平刀沿基板上表面将高于上表面的荧光粉硅胶刮除，随后放入烘烤箱中加热固 化。冷却后即完成封装。
[0057] 综上，本发明提供的通槽填充荧光粉硅胶方法，为荧光粉层提供了高效的导热途 径，与传统封装模块相比，使荧光粉的自然对流换热变为导热，大大增加了散热效率，解决 了荧光粉自发热严重而散热条件恶劣的问题。同时，凹坑的填充可以保证模块发光面的规 贝1J、平整，可根据实际光学需要调整上层基板的厚度，以调整出光指标；其坚直壁面形成自 然反光杯，调整尺寸可调整侧面出光。通过将陶瓷硅胶混合物填充于芯片之间可以为芯片 的侧面出光提供高效率反射面，消除芯片间侧面出光影响，提高出光效率，减少不规则光线 路径的产生，提高出光质量。同时，与传统硅胶填充芯片间隙的封装技术相比，高热导率材 料的填充，大大强化了芯片侧面导热途径，降低了芯片结温，提高了车灯模块的热稳定性。
[0058] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种用于汽车前照灯的LED模块封装方法，其特征在于，该方法包括： (a) 上层基板和中层基板的贴合步骤 利用半固化片将上层基板和中层基板彼此对准贴合，其中上层基板（8)加工有通槽结 构（10);中层基板（6)的上、下表面均覆盖有金属层（13)，并在上表面设置有相互间隔的多 颗芯片焊盘（9);此外在贴合过程中，将中层基板设置有多个芯片焊盘（9)的区域对准于上 层基板的通槽结构（10)来执行贴合； (b) 固晶步骤 分别在每颗芯片焊盘（9)上滴涂焊料，将LED芯片（18)按照电极极性贴放在焊盘上， 然后放入回流炉执行回流固化，在此过程中，利用焊料的液体表面张力使得芯片与芯片焊 盘自动执行对准调整； (c) 下层基板和中层基板的焊接步骤 在下层基板（7)的上表面滴涂焊料并与中层基板（6)对准贴合，然后放入回流炉中执 行回流固化；接着，利用引线键合机完成各个LED芯片的电路连接； (d) 芯片侧面填充步骤 将陶瓷粉末和硅胶的混合物填充在各个LED芯片彼此间隔的侧面区域，保证填充高度 与芯片的上表面基本相平齐，然后执行加热固化； (e) 荧光粉硅胶填充步骤 向上层基板（8)的通槽结构（10)内继续填充荧光粉硅胶（16)，直至填满整个通槽结构 (10)使之与上层基板的上表面基本相平齐，然后将整个模块执行升温固化，由此完成LED 模块的整个封装过程。
2. 如权利要求1所述的LED模块封装方法，其特征在于，在步骤（a)中，所述上层基板 (8)由高导热性材料制成，优选为铝或者陶瓷；所述中层基板（6)的材质为A1N或者A1203。
3. 如权利要求1或2所述的LED模块封装方法，其特征在于，在步骤（b)中，在每颗芯 片焊盘上滴涂的焊料量优选控制为0. 04 μ 1?0. 1 μ 1，焊料厚度为30 μ m?40 μ m，并使得 LED芯片按照电极极性在45度的偏离角度内贴放在焊盘上。
4. 如权利要求3所述的LED模块封装方法，其特征在于，所述芯片焊盘（9)呈阵列式排 列，并且在步骤（c)中，完成各个LED芯片的电路连接使得每行的芯片之间串联连接，而相 邻两列之间的芯片并联连接。
5. 如权利要求1-4任意一项所述的LED模块封装方法，其特征在于，在步骤（d)中，所 述陶瓷粉末和硅胶的混合物优选由质量百分比为70%?85%的陶瓷粉末和质量百分比为 15 %?30 %的硅胶混合而成，并且使用时向其中掺杂体积份数为10 %?30 %的酒精。
6. 如权利要求1或2所述的LED模块封装方法，其特征在于，在步骤（e)中，所述荧光 粉胶为浓度为0. 〇lg/ml?5. Og/ml的荧光粉硅胶，并优选掺杂有石墨烯，该石墨烯的质量 占总质量的〇. 5%?1%。
【文档编号】H01L33/50GK104112737SQ201410275518
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】罗小兵, 朱永明, 郑怀, 胡锦炎, 陈奇, 罗明清 申请人:华中科技大学