基本介紹
- 中文名：LED封裝技術
- 外文名：LED packaging technology
- 實質：基礎上發展
- 特色：分立器
發光原理,結構類型,引腳式封裝,表面貼裝封裝,功率型封裝,COB型封裝,LED封裝工藝,
發光原理
LED的核心發光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數載流子與多數載流子複合時，就會發出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的，即向各個方向發射有相同的幾率，因此，並不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決於半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，套用要求提高LED的內、外部量子效率。常規Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然後其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；採用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若採用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。
LED封裝技術
LED封裝技術一般情況下，LED的發光波長隨溫度變化為0．2-0．3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經pn結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應地減少1%左右，封裝散熱；時保持色純度與發光強度非常重要，以往多採用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數LED的驅動電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會隨電流的增大而增加，很多功率型LED的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構，全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，採用大面積晶片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的矽載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在套用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
進入21世紀後，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙LED光效已達到100Im/W，綠LED為501m/W，單只LED的光通量也達到數十Im。LED晶片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與製造生產模式，在增加晶片的光輸出方面，研發不僅僅限於改變材料內雜質數量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強LED內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉最佳化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。
結構類型
自上世紀九十年代以來，LED晶片及材料製作技術的研發取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構、晶片倒裝結構，商品化的超高亮度(1cd以上)紅、橙、黃、綠、藍的LED產品相繼問市，如表1所示，2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得套用。LED的上、中游產業受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業發展，採用不同封裝結構形式與尺寸，不同發光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式，可生產出多種系列，品種、規格的產品。
LED產品封裝結構的類型如表2所示，也有根據發光顏色、晶片材料、發光亮度、尺寸大小等情況特徵來分類的。單個管芯一般構成點光源，多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源，作信息、狀態指示及顯示用，發光顯示器也是用多個管芯，通過管芯的適當連線(包括串聯和並聯)與合適的光學結構組合而成的，構成發光顯示器的發光段和發光點。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED，套用設計更靈活，已在LED顯示市場中占有一定的份額，有加速發展趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今後LED的中、長期發展方向。
引腳式封裝
LED腳式封裝採用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發成功投放市場的封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標準LED被大多數客戶認為是目前顯示行業中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統LED安置在能承受0．1W輸入功率的包封內，其90%的熱量是由負極的引腳架散發至PCB板，再散發到空氣中，如何降低工作時pn結的溫升是封裝與套用必須考慮的。包封材料多採用高溫固化環氧樹脂，其光性能優良，工藝適應性好，產品可*性高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4．4mm、Φ5mm、Φ7mm等數種，環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。花色點光源有多種不同的封裝結構：陶瓷底座環氧樹脂封裝具有較好的工作溫度性能，引腳可彎曲成所需形狀，體積小；金屬底座塑膠反射罩式封裝是一種節能指示燈，適作電源指示用；閃爍式將CMOS振盪電路晶片與LED管芯組合封裝，可自行產生較強視覺衝擊的閃爍光；雙色型由兩種不同發光顏色的管芯組成，封裝在同一環氧樹脂透鏡中，除雙色外還可獲得第三種的混合色，在大螢幕顯示系統中的套用極為廣泛，並可封裝組成雙色顯示器件；電壓型將恆流源晶片與LED管芯組合封裝，可直接替代5—24V的各種電壓指示燈。面光源是多個LED管芯粘結在微型PCB板的規定位置上，採用塑膠反射框罩並灌封環氧樹脂而形成，PCB板的不同設計確定外引線排列和連線方式，有雙列直插與單列直插等結構形式。點、面光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶適用。
LED發光顯示器可由數碼管或米字管、符號管、矩陳管組成各種多位產品，由實際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結構，連線方式有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點，一般用白色塑膠製作成帶反射腔的七段形外殼，將單個LED管芯粘結在與反射罩的七個反射腔互相對位的PCB板上，每個反射腔底部的中心位置是管芯形成的發光區，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴人環氧樹脂，與粘好管芯的PCB板對位粘合，然後固化即成。反射罩式又分為空封和實封兩種，前者採用散射劑與染料的環氧樹脂，多用於單位、雙位器件；後者上蓋濾色片與勻光膜，並在管芯與底板上塗透明絕緣膠，提高出光效率，一般用於四位以上的數字顯示。單片集成式是在發光材料晶片上製作大量七段數碼顯示器圖形管芯，然後劃片分割成單片圖形管芯，粘結、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱魚眼透鏡)的外殼。單條七段式將已製作好的大面積LED晶片，劃割成內含一隻或多隻管芯的發光條，如此同樣的七條粘結在數碼字形的可伐架上，經壓焊、環氧樹脂封裝構成。單片式、單條式的特點是微小型化，可採用雙列直插式封裝，大多是專用產品。LED光柱顯示器在106mm長度的線路板上，安置101隻管芯(最多可達201隻管芯)，屬於高密度封裝，利用光學的折射原理，使點光源通過透明罩殼的13-15條光柵成像，完成每隻管芯由點到線的顯示，封裝技術較為複雜。
半導體pn結的電致發光機理決定LED不可能產生具有連續光譜的白光，同時單只LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光，只能在封裝時藉助螢光物質，藍或紫外LED管芯上塗敷螢光粉，間接產生寬頻光譜，合成白光；或採用幾種(兩種或三種、多種)發不同色光的管芯封裝在一個組件外殼內，通過色光的混合構成白光LED。這兩種方法都取得實用化，日本2000年生產白光LED達1億隻，發展成一類穩定地發白光的產品，並將多隻白光LED設計組裝成對光通量要求不高，以局部裝飾作用為主，追求新潮的電光源。
表面貼裝封裝
在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMDLED)逐漸被市場所接受，並獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業發展大趨勢，很多生產廠商推出此類產品。
早期的SMD LED大多採用帶透明塑膠體的SOT-23改進型，卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎上，前者為單色發光，後者為雙色或三色發光。近些年，SMD LED成為一個發展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可*性、一致性等問題，採用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環氧樹脂更少，並去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使套用更趨完美，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏套用。
表3示出常見的SMD LED的幾種尺寸，以及根據尺寸(加上必要的間隙)計算出來的最佳觀視距離。焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED的數據都是以4．0×4．0mm的焊盤為基礎的，採用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度LED產品可採用PLCC(塑封帶引線片式載體)-2封裝，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為400K/W，可按CECC方式焊接，其發光強度在50mA驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼SMD LED顯示器件的字元高度為12．7mm，顯示尺寸選擇範圍寬。PLCC封裝避免了引腳七段數碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產要求，套用設計空間靈活，顯示鮮艷清晰。多色PLCC封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發光管或光導相結合，用反射型替代透射型光學設計，為大範圍區域提供統一的照明，研發在3．5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝。
功率型封裝
LED晶片及封裝向大功率方向發展，在大電流下產生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必須採用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數W功率的LED封裝已出現。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達1871lm，光效44．31lm/W綠光衰問題，開發出可承受10W功率的LED，大面積管；匕尺寸為2．5×2．5mm，可在5A電流下工作，光輸出達2001lm，作為固體照明光源有很大發展空間。
Luxeon系列功率LED是將A1GalnN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的矽載體上，然後把完成倒裝焊接的矽載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對於取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃/W，只有常規LED的1/10；可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40-120℃範圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，並防止環氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優異，將LED固體光源發展到一個新水平。
Norlux系列功率LED的封裝結構為六角形鋁板作底座(使其不導電)的多晶片組合，底座直徑31．75mm，發光區位於其中心部位，直徑約(0.375×25．4)mm，可容納40隻LED管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上製作的兩個接觸點與正、負極連線，根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其發射光分別為單色，彩色或合成的白色，最後用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝採用常規管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地保護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發展前景的LED固體光源。
在套用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作為器件電極連線的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD LED體積很小，可靈活地組合起來，構成模組型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED晶片的封裝設計、製造技術更顯得尤為重要。
COB型封裝
COB封裝可將多顆晶片直接封裝在金屬基印刷電路板MCPCB，通過基板直接散熱，不僅能減少支架的製造工藝及其成本，還具有減少熱阻的散熱優勢。
從成本和套用角度來看，COB成為未來燈具化設計的主流方向。COB封裝的LED模組在底板上安裝了多枚LED晶片，使用多枚晶片不僅能夠提高亮度，還有助於實現LED晶片的合理配置，降低單個LED晶片的輸入電流量以確保高效率。而且這種面光源能在很大程度上擴大封裝的散熱面積，使熱量更容易傳導至外殼。
半導體照明燈具要進入通用照明領域，生產成本是第一大制約因素。要降低半導體照明燈具的成本，必須首先考慮如何降低LED的封裝成本。傳統的LED燈具做法是：LED光源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具，主要是基於沒有適用的核心光源組件而採取的做法，不但耗工費時，而且成本較高。實際上，如果走“COB光源模組→LED燈具”的路線，不但可以省工省時，而且可以節省器件封裝的成本。
在成本上，與傳統COB光源模組在照明套用中可以節省器件封裝成本、光引擎模組製作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統中，總體可以降低30%左右的成本，這對於半導體照明的套用推廣有著十分重大的意義。在性能上，通過合理地設計和模造微透鏡，COB光源模組可以有效地避免分立光源器件組合存在的點光、眩光等弊端，還可以通過加入適當的紅色晶片組合，在不降低光源效率和壽命的前提下，有效地提高光源的顯色性(已經可以做到90以上)。
在套用上，COB光源模組可以使照明燈具廠的安裝生產更簡單和方便。在生產上，現有的工藝技術和設備完全可以支持高良品率的COB光源模組的大規模製造。隨著LED照明市場的拓展，燈具需求量在快速增長，我們完全可以根據不同燈具套用的需求，逐步形成系列COB光源模組主流產品，以便大規模生產。
LED封裝工藝
一、工藝：
1）清洗：採用超音波清洗PCB或LED支架，並烘乾。
2）裝架：在LED管芯底部電極備上銀膠後進行擴張，將擴張後的管芯安置在刺晶台上，在顯微鏡下用刺晶筆將管芯一個一個安裝在PCB或LED相應的焊盤上，隨後進行燒結使銀膠固化。
3）壓焊：用鋁絲或金絲焊機將電極連線到LED管芯上，以作電流注入的引線。LED直接安裝在PCB上的，一般採用鋁絲焊機。
4）封裝：通過點膠，用環氧將LED管芯和焊線保護起來。在PCB板上點膠，對固化後膠體形狀有嚴格要求，這直接關係到背光源成品的出光亮度。這道工序還將承擔點螢光粉的任務。
5）焊接：如果背光源是採用SMD-LED或其它已封裝的LED,則在裝配工藝之前，需要將LED焊接到PCB板上。
6）切膜：用沖床模切背光源所需的各種擴散膜、反光膜等。
7）裝配：根據圖紙要求，將背光源的各種材料手工安裝正確的位置。
8）測試：檢查背光源光電參數及出光均勻性是否良好。
9）包裝：將成品按要求包裝、入庫。
二、封裝工藝
1、LED的封裝的任務
是將外引線連線到LED晶片的電極上，同時保護好LED晶片，並且起到提高光取出效率的作用。關鍵工序有裝架、壓焊、封裝。
2、LED封裝形式
LED封裝形式可以說是五花八門，主要根據不同的套用場合採用相應的外形尺寸，散熱對策和出光效果。LED按封裝形式分類有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。
3、LED封裝工藝流程
三、封裝工藝說明
1、晶片檢驗
鏡檢：材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑
晶片尺寸及電極大小是否符合工藝要求；電極圖案是否完整
2、擴片
由於LED晶片在劃片後依然排列緊密間距很小，不利於後工序的操作。我們採用擴片機對黏結晶片的膜進行擴張，是LED晶片的間距拉伸到約0.6mm.也可以採用手工擴張，但很容易造成晶片掉落浪費等不良問題。
3、點膠
在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。工藝難點在於點膠量的控制，在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。由於銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴格的要求，銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。
4、備膠
和點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠塗在LED背面電極上，然後把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高於點膠，但不是所有產品均適用備膠工藝。
5、手工刺片
將擴張後LED晶片安置在刺片台的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED晶片一個一個刺到相應的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便於隨時更換不同的晶片，適用於需要安裝多種晶片的產品。
6、自動裝架
自動裝架其實是結合了沾膠和安裝晶片兩大步驟，先在LED支架上點上銀膠，然後用真空吸嘴將LED晶片吸起移動位置，再安置在相應的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程，同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴，防止對LED晶片表面的損傷，特別是蘭、綠色晶片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷晶片表面的電流擴散層。
7、燒結
燒結的目的是使銀膠固化，燒結要求對溫度進行監控，防止批次性不良。銀膠燒結的溫度一般控制在150℃，燒結時間2小時。根據實際情況可以調整到170℃，1小時。絕緣膠一般150℃，1小時。
銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時打開更換燒結的產品，中間不得隨意打開。燒結烘箱不得再其他用途，防止污染。
8、壓焊
壓焊的目的將電極引到LED晶片上，完成產品內外引線的連線工作。LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程，先在LED晶片電極上壓上第一點，再將鋁絲拉到相應的支架上方，壓上第二點後扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球，其餘過程類似。壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節，工藝上主要需要監控的是壓焊金絲拱絲形狀，焊點形狀，拉力。對壓焊工藝的深入研究涉及到多方面的問題，如金絲材料、超聲功率、壓焊壓力、劈刀選用、劈刀運動軌跡等等。
9、點膠封裝
LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。設計上主要是對材料的選型，選用結合良好的環氧和支架。一般情況下TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。手動點膠封裝對操作水平要求很高，主要難點是對點膠量的控制，因為環氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在螢光粉沉澱導致出光色差的問題。
10、灌膠封裝
Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧，然後插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環氧固化後，將LED從模腔中脫出即成型。
11、模壓封裝
將壓焊好的LED支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空，將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。
12、固化與後固化
固化是指封裝環氧的固化，一般環氧固化條件在135℃，1小時。模壓封裝一般在150℃，4分鐘。
13、後固化
後固化是為了讓環氧充分固化，同時對LED進行熱老化。後固化對於提高環氧與支架的粘接強度非常重要。一般條件為120℃，4小時。
14、切筋和劃片
由於LED在生產中是連在一起的，Lamp封裝LED採用切筋切斷LED支架的連筋。SMD-LED則是在一片PCB板上，需要劃片機來完成分離工作。
15、測試
測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸，同時根據客戶要求對LED產品進行分選。
16、包裝
將成品進行計數包裝。超高亮LED需要防靜電包裝。
