LED封装生产实习报告

实习报告一、实习目的与任务1.了解全国LED封装产业的发展现状。2.熟悉白光LED封装的整个流程，掌握LED封装的各项技术。3.学会测量LED的各项参数，并对结果进行分析。4.尝试着找出LED封装技术中存在的问题，提出改善LED性能的方法。5.掌握LED的建模软件Tracepro及有限元分析软件Ansys6.巩固所学的理论知识，把理论知识应用到实践中去。二、实习原理1.LED照明的发展概况发光二极管（LED）是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaN（氮化镓）、GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成的，其核心是PN结。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区复合而发光，如图1所示。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。如图2所示。图1LED能带图图2LED结构示意图照明光源的发展经历了四个阶段：火焰、蜡烛和油灯、灯泡和光管、LED光源。LED是一种半导体发光器件。从小功率发展到今天的大功率，甚至集成化模组，其发光效率越来越高，被誉为新一代绿色光源。由于LED具有发光效率高，寿命长，体积小，重量轻，方向性好，响应速度快等一系列优点而广泛应用到照明的各个领域：大屏幕显示、背光照明（手机、LCD）、普通照明（路灯、室内灯）。白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源；白光LED将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导。表1各种光源性能的比较上表中所示为LED的各项性能与传统光源的对比情况，由于LED的大部分项性能优于传统光源，可以预测，在不久的未来LED将成为照明市场的主流产品之一。2.中国LED封装产业的发展现状LED光电产业是一个新兴的朝阳产业，具有节能、环保的特点，符合我们国家的能源、减碳战略，从而获得很多的产业和市场需求，成为一道亮丽的产业发展风景。LED产业链总体分为上、中、下游，分别是LED外延芯片、LED封装及LED应用。作为LED产业链中承上启下的LED封装产业，在整个产业链中起得无可比拟的重要作用。另外中国是LED封装大国，据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国。3.LED封装的作用：1）机械保护，以提高可靠性；2）散热设计，以降低芯片结温，提高LED性能；3）光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4）电气连接，包括与供电源的连接，以及电源控制等4.LED封装的工艺流程1）固晶：将芯片焊接在支架或基板上，导热或导电(电极垂直结构)，机械固定2）打金线：实现芯片与外电路的电气连接3）涂覆荧光粉：混色实现白光出光4）加透镜：机械保护、出光分布设计其示意图如下图所示：图3LED封装的工艺流程5.LED封装所用材料及方法1）LED芯片LED功率与尺寸：一般尺寸越大功率越大。额定电流350mA的1W芯片，大小约40×40mil，即约1×1mm；额定电流150mA的0.5W芯片，大小约20×20mil，即约0.5×0.5mm。LED的发射波长为：λ=Eg24.1。蓝光LED中心波长在蓝光455/460nm附近。LED芯片衬底有蓝宝石衬底(传统)、SiC衬底(Cree专利)、Si衬底(未商业化)。LED电极的结构分为垂直结构和水平结构。其中垂直结构的电流分布均匀固晶引线灌胶性更优。2）固晶焊料固晶的方法有：a.树脂粘贴法采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属（如金或银）形成电和热的良导体。商业常用的是银胶。b.金属合金焊接法(共晶焊接)共晶焊接原理:在共晶温度时能形成共晶的两种金属相互接触,经过互扩散后便可在其间形成具有共晶成分的液相合金,随时间延长,液相层不断增厚,冷却后液相层又不断交替析出两种金属,每种金属一般又以自己的原始固相为基础而长大、结晶析出,因此两种金属之间的共晶能将两种金属紧密地结合在一起。共晶焊料(锡/银/铜)加热到230°C左右，再冷却固化。焊接的方式分为：正装焊接和倒装焊接。本次实习所用固晶材料为银胶，焊接方式为正装焊接。图4全自动固晶机晶元——水平结构旭明——垂直结构焊接过程中可能出现的问题有：a.Thevoid（填充材料中留有孔洞）、b.Theexfoliation（界面层脱落）、c.Poorbonding（出现虚焊）。因此在焊接过程中要克服这些问题。3)打线打线采用超声金丝球焊技术，本次实习使用超声波金丝球焊机进行打线。焊接原理：利用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接，是一种物理变化过程。首先金丝的首端必须经过处理形成球形，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生朔性变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接。图5超声波金丝球焊机4）涂覆荧光粉常用荧光粉有Ce:YAG荧光粉(其他的还有：氧化物荧光粉、硅酸盐荧光粉)。荧光粉的激发光谱中心波长一般在455nm附近，和蓝光LED的中心波长相匹配。5）封装所用材料的价钱芯片（2-20元/块）、硅胶（3-9元/g）、荧光粉（20-60元/g）、支架大概是几毛钱一个。6.LED封装中的问题LED封装中共存在着四方面的问题：力、热、光、电。力的问题包括：a银胶/共晶焊接,b金丝焊接,c封装胶应力,d模块封装中的力学问题。热的问题包括：a器件的导热，b模块的散热,c荧光粉热效应,d硅胶/环氧树脂的热问题。光的问题包括：a芯片出光,b荧光粉混光,c一次光学,d二次光学。电的问题包括：a芯片的电学,b器件的电学,c驱动电路,d控制系统。热和光是LED封装中最为重要的两个问题。1）热问题热问题主要包括热的产生、热的传导和热的发散等热物理过程以及热对LED性能产生的影响。热的产生：LED大约60%的功率转变为热量。焦耳热，光的重新吸收，吸收发热。热的传导：热量在通道中的各层介质之间的传导。热的发散：热向环境的发散过程。LED封装中与热最直接相关的两个因素：固晶材料和封装基板。a.固晶材料不同的焊接材料对热阻有着不同的影响。高导热绝缘胶：热导率1W/m*K，厚度20um，热阻20K/W；导电银胶：热导率6W/m*K，厚度20um，热阻3.3K/W；共晶焊接：热导率(39～59)W/m*K，厚度2um，热阻(0.05～0.03)K/W。图6LED封装中热学模拟图b．封装基板目前常见的大功率LED封装基板有PCB、MCPCM金属覆铜板、Al2O3陶瓷和AlN陶瓷。类型热导率W/mK膨胀系数ppm/K耐热性能PCB0～315300℃/120s金属覆铜板1～522288℃/30s陶瓷基板氧化铝～207500℃氮化铝～1805500℃图7金属覆铜板图8陶瓷基板高功率LED陶瓷封装技术主要可区分成厚膜陶瓷技术与积层陶瓷技术两种。陶瓷封装的优点：热导率高，导热性好，热阻低，热膨胀系数（CTE）与LED非常相近，热应力小，可靠性高，电绝缘性能高，抗干扰性强，抗弯抗压、化学稳定性好。陶瓷封装的缺点是成本过高。传统高功率LED元件，多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为芯片散热基板，再以打金线方式将LED芯片与陶瓷基板结合。代表产品为CREE公司的XLamp和OSRAM公司的OSLON。随着LED集成程度的提高，特别是大功率LED多芯片集成封装的发展，LED集成封装是未来发展的趋势，因此LED照明光源的热管理问题越来越严重。因此我们要寻找高散热系数的基板材料，以取代氧化铝。将LED芯片与其基板以共晶或覆晶的方式连结，大幅增加经由芯片至系统电路板之散热效率。综上所述，改善大功率LED热问题的一个重要的方向是寻找高热导率的固晶方式和封装基板。2）光问题LED的光问题包括出光效率、光色问题。出光效率与芯片结构（如光子晶体）、结温、封装结构（如倒装）、荧光粉（如涂覆方式）、反射杯和透镜密切相关。传统的白光LED中蓝光芯片和荧光粉是最重要的两种与光密切相关的材料。蓝光芯片影响发光的因素有：波长、强度、摆放位置、电压、电流。荧光粉影响发光的因素有：种类、颗粒、光谱。涂覆方式和光色是与荧光粉关系最大的因素。白光LED有以下获得方法：(1)将红、绿、蓝三基色LED组成一个象素(pixel)可得到白光；(2)由蓝光LED芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成白光LED。（最常用、商业化）(3)将蓝光LED芯片和可被蓝光激发的绿光和红光荧光粉组成白光LED。(4)用紫外光LED芯片和可被紫外光激发而发射红、绿、蓝三基色荧光粉组成白光LED。(5)“多量子阱”白光LED。本次生产实习所用的即是由蓝光LED芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成的白光LED。7.LED封装的光电测试对于完成封装的LED，进行相关的测量包括：•I-V测试•光辐射功率与光通量•发光效率•光谱测量•色坐标、相关色温与显色指数•配光曲线（光强分布）•热阻测试1）光通量单位：流明(lm)，流明的定义：波长为555nm(绿光)辐射通量为1/673W的单色的光通量。2）发光效率定义：发光效率=光通量/电功率，单位：流明/瓦(lm/W)。3）光谱测量激发光谱是指发光材料的某一发射光波长强度随激发光波长的变化。激发光谱说明了对发光起作用的激发光的波长范围。发射光谱是指发光材料在某一波长激发下，发光的能量随波长的变化。发射中心的结构(激活离子的电子跃迁和所处的晶格位置)决定了发射光谱的形成。发射光谱按发射谱带的带宽一般可分为线谱(带宽比较窄)和带谱(带宽比较宽)。图9相对光谱图6）CIE1931色度图CIE1931色度图是根据1931CIE－XYZ系统绘制出来的。x色度坐标相当于红原色的比例，y色度坐标相当于绿原色的比例。图中没有z色度坐标，因为x+y+z=1。图10CIE1931色度图a.色坐标在C.I.E系统中，三个基本颜色被称为“基础激励”，而一个颜色使用它的三色激励值（又称三刺激值）表示，三刺激值即为混合某一种颜色时所需的三个基色的数量，分别用X、Y、Z表示。在理论上，为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标：XxXYZYyXYZZzXYZx、y、z分别是红、绿、蓝三基色的比例系数，x+y+z=1。为测量某光源（发光体）的色坐标，必须先测量其光谱组成的功率分布s(λ)，然后再查表找出各光谱的三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)，则光源的三刺激值为：()()XKsx()()YKsy()()ZKsz式中K为调整因数，它是将发光体的Y值调整为100时得到的值。100()()Ksy该样品的色坐标为：XxXYZYyXYZZzXYZb.相关色温因为光源的色度坐标很难做到恰好坐在黑体轨迹上，所以用与黑体轨迹最接近的颜色来确定该光源的色温，叫相关色温。相关色温是指与具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度，用K氏温度表示。C.显色指数光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的标准光源下物体外观颜色的比较。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度越大，光源对该色的显色性越差。白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8色的偏离程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。低于20的光源通常不适于一般用途。LED为低显色指数光源。LED显色指数低的主要原因为缺少红光辐射。要改善LED的显色性，可以在白光光谱中加入红光辐射。图11加红光补充，提高显示指数7）配光曲线定义：它是指光源（或灯具）在空间各个方向的光强分布。图12配光曲线8）热阻测试芯片的结与PCB板间的热阻Rjb定义：稳态热阻其中,为LED的节温，为PCB板底部温度，为总输入电功率,为出光功率三、实习步骤与内容1.日程安排1）第一天：上午老师介绍LED的前景和实验原理，下午进行Tracepro软件光模拟和Ansys