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深圳贴片LED谈LED封装技术

文章出处:网责任编辑:贴片LED小编作者:金沙js6038光电人气:-发表时间:2015-02-05 09:52:00

一、LED单芯片封装

   LED在过去的30多年里,取得飞速发展。第一批产品出现在1968年,工作电流20mA的LED的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率为0.1 lm/W,而且只有一种光色为650 nm的红色光。70年代初该技术进步很快,发光效率达到1 lm/W,颜色也扩大到红色、绿色和黄色。伴随着新材料的发明和光效的提高,单个LED光源的功率和光通量也在迅速增加。原先,一般LED的驱动电流仅为20 mA。到了20世纪90年代,一种代号为“食人鱼”的LED光源的驱动电流增加到50-70mA,而新型大功率LED的驱动电流达到300—500 mA。特别是1998年白光LED的开发成功,使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。图2-1到

A功率型LED封装技术现状

  功率型LED分为功率LED和瓦(W)级功率LED两种。功率LED的输入功率小于1W(几十毫瓦功率LED除外);W级功率LED的输入功率等于或大于1W。

  最早有HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED,并于1994年推出改进型的“Snap LED”,有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。接着OSRAM公司推出“Power TOP LED”,之后一些公司推出多种功率LED的封装结构。这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍,热阻降为过去的几分之一。

  W级功率LED是未来照明的核心,世界各大公司投入很大力量,对其封装技术进行研究开发。单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED,Lumileds公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。OSRAM于2003年推出单芯片的Golden Dragon”系列LED,其特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W。日亚的1W LED工作电流为350 mA,白光、蓝光、蓝绿光和绿光的光通量分别为23、7、28和20流明,预计其寿命为5万小时。

B功率型LED封装技术概述

  半导体LED若要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。因此,LED要在照明领域发展,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。由于LED芯片输入功率的不断提高,功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:①封装结构要有高的取光效率;②热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。

  功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构,虽然其内量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量,除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。

功率型LED封装关键技术:

a.散热技术

  传统的指示灯型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达150~250℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。

  对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻;在器件的内部,填充透明度高的柔性硅胶,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象;零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。

二、封装工艺

  1. LED的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上,同时保护好led芯片,并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。

  2. LED封装形式LED封装形式可以说是五花八门,主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸,散热对策和出光效果。按封装形式分类有Lamp-LED、led TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。

  3. LED封装工艺流程

a)芯片检验

  镜检:材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑(lockhill)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

b)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。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,是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。

c)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。)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。

d)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。

e)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.

f)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。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。

g)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。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。

h)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的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程,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。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球,其余过程类似。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。(下图是同等条件下,两种不同的劈刀压出的焊点微观照片,两者在微观结构上存在差别,从而影响着产品质量。)我们在这里不再累述。

i)点胶封装

  LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。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)如右图所示的TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。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。

j)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。

k)模压封装

  将压焊好的led支架放入模具中,将上下两副模具用液压机合模并抽真空,将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中,环氧顺着胶道进入各个led成型槽中并固化。

l)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。

m)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。

n)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。

0)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。

p)包装

  将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。

 
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