微电子与光电子集成技术

LED照明技术日动精工设备研发部吴桂祥第六章LED封装技术6.1概述6.2LED的封装方式6.3LED封装工艺6.4功率型LED封装关键技术6.5荧光粉溶液涂抹技术6.6封胶胶体设计6.7散热设计§6.1概述一、封装的必要性LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后他才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正极、负极之外，同时还需要对LED芯片和两个电极进行保护。§6.1概述二、封装的作用研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路.LED技术大都是在半导体分离器件封装技术基础上发展与演变而来的。将普通二极管的管芯密封在封装体内，起作用是保护芯片和完成电气互连。§6.1概述二、封装的作用对LED的封装则是：•实现输入电信号、•保护芯片正常工作、•输出可见光的功能，其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。§6.1概述三、LED封装的方式的选择LEDpn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。能发射多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料与包装材料。因此，对LED封装，要根据LED芯片的大小、功率大小来选择合适的封装方式。§6.2LED的封装方式常用的LED芯片封装方式包括：•引脚式封装•平面式封装•表贴封装•食人鱼封装•功率型封装§6.2LED的封装方式一、LED封装的发展过程§6.2LED的封装方式二、小功率LED封装常规小功率LED的封装形式主要有：•引脚式封装；•平面式封装；•表面贴装式SMDLED；•食人鱼PiranhaLED；§6.2LED的封装方式1.引脚式封装（1）引脚式封装结构LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称Φ5mm）封装。§6.2LED的封装方式1、引脚式封装（2）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）①将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上（一般称为支架）；②芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上；③负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连；§6.2LED的封装方式1、引脚式封装（3）引脚式封装原理④然后顶部用环氧树脂包封，做成直径5mm的圆形外形反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。§6.2LED的封装方式1、引脚式封装（3）引脚式封装原理顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：①保护管芯等不受外界侵蚀；②采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂）起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角。§6.2LED的封装方式2、平面式封装（1）原理平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件。通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器，如数码管、“米”字管、矩阵管等。§6.2LED的封装方式2、平面式封装（2）结构§6.2LED的封装方式3、表贴式封装表面贴片LED（SMD）是一种新型的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。其发光颜色可以是白光在内的各种颜色，可以满足表面贴装结构的各种电子产品的需要，特别是手机、笔记本电脑。§6.2LED的封装方式3、表贴式封装§6.2LED的封装方式4、食人鱼式封装（1）结构§6.2LED的封装方式4、食人鱼式封装（2）优点为什么把着这种LED称为食人鱼，因为它的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha。食人鱼LED产品有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快。LED点亮后，pn结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上。§6.2LED的封装方式4、食人鱼式封装（2）优点食人鱼LED比φ3mm、φ5mm引脚式的管子传热快，从而可以延长器件的使用寿命。一般情况下，食人鱼LED的热阻会比φ3mm、φ5mm管子的热阻小一半，所以很受用户的欢迎。§6.2LED的封装方式三、功率型封装功率型LED是未来半导体照明的核心，大功率LED有•大的耗散功率，•大的发热量，•以及较高的出光效率，•长寿命。§6.2LED的封装方式三、功率型封装大功率LED的封装不能简单地套用传统的小功率LED的封装，必须在：•封装结构设计；•选用材料；•选用设备等方面重新考虑，研究新的封装方法。§6.2LED的封装方式三、功率型封装目前功率型LED主要有以下6种封装形式：1.沿袭引脚式LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装§6.2LED的封装方式三、功率型封装2.仿食人鱼式环氧树脂封装§6.2LED的封装方式三、功率型封装3.铝基板（MCPCB）式封装§6.2LED的封装方式三、功率型封装4.借鉴大功率三极管思路的TO封装§6.2LED的封装方式三、功率型封装5.功率型SMD封装§6.2LED的封装方式三、功率型封装6.L公司的Lxx封装§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺五大物料五大製程晶片支架固晶銀膠金線銲線環氧樹脂封膠切腳測試§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺1.主要工艺§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺1.主要工艺§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（1）芯片检验用显微镜检查材料表面•是否有机械损伤及麻点；•芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求；•电极图案是否完整。§6.3LED封装工艺（2）扩片由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明（3）点胶在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。•对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。•对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（3）点胶工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（4）备胶和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（5）手工刺片将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明（6）自动装架自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤：•先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），•然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，•再安置在相应的支架位置上。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（6）自动装架自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明（7）烧结烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，1小时。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（7）烧结银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（8）压焊压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有两种：•金丝球焊•铝丝压焊§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（8）压焊1）铝丝压焊过程：•先在LED芯片电极上压上第一点，•再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。2）金丝球焊过程：在压第一点前先烧个球，其余过程类似。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（8）压焊压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题，如金（铝）丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀（钢嘴）选用、劈刀（钢嘴）运动轨迹等等。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（9）点胶封装：TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（9）点胶封装点胶封装基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。（一般的LED无法通过气密性试验）§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（9）点胶封装手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（10）灌胶封装Lamp-LED的封装采用灌封的形式，灌封的过程是：•先在LED成型模腔内注入液态环氧，•然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，•将LED从模腔中脱出即成型。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明（11）模压封装①将压焊好的LED支架放入模具中，②将上下两副模具用液压机合模并抽真空，③将固态环氧放入注胶道的入口加热，④用液压顶杆压入模具胶道中，⑤环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（12）固化与后固化固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（12）固化与后固化后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4小时。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（13）切筋和划片由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（14）测试测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。（15）包装将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。§6.3LED封装工艺3.封装设备（1）金相显微镜§6.3LED封装工艺3.封装设备（2）晶片扩张机§6.3LED封装工艺3.封装设备（3）点胶机§6.3LED封装工艺（3）点胶机点胶机和固晶机一样，精度要求高，这样才能有效的控制胶量。胶量如果太多，芯片贴上去后就容易让多余的胶挤压出，阻挡和吸收的芯片周围的发光，而且对反射杯壁发射出的光吸收，影响了光亮度；如果胶量太少，特别是进入焊线的工序时，使得芯片从杯底脱落，就会引起死灯、漏电等等而造成次品。§6.3LED封装工艺3.封装设备（4）背胶机§6.3LED封装工艺3.封装设备（5）固晶机§6.3LED封装工艺3.封装设备（5）固晶机LED的晶粒放入封装位置的精确与否影响整件封装器件的发光效能，若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全发射出来，影响成品的光亮度。因此，固晶机必须选择高精度的固晶机，最