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CREE芯片2835贴片LED灯珠封装技术介绍Ⅰ

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CREE芯片2835贴片LED灯珠封装技术介绍Ⅰ

发布日期:2017-09-30 作者:普朗克光电 点击:

 CREE芯片2835灯珠LED封装技术近年来,随着LED生产技术发展一日千里,令其发光亮度提高和寿命延长,加上生产成本大幅降低,迅速扩大了LED应用市场,如消费产品、讯号系统及一般照明等,于是其全球市场规模快速成长。2003 年全球LED市场约44.8亿美元(高亮度LED市场约 27 亿美元), 较2002年成长17。3% (高亮度LED市场成长 47%),乘着手机市场继续增长之势,预测 2004 年 仍有14。0%的成长幅度可期。在产品发展方面, 白光LED之研发则成为 厂商们之重点开发项目。

 现时制造白光LED方法主要有四种:

 一、蓝 LED+发黄光的萤光粉(如:YAG)

 二、红 LED+绿 LED+蓝光LED

 三、紫外线LED+发红/绿/蓝光的萤光粉

 四、蓝 LED+ZnSe 单结晶基板 

  目前手机、数字相机、PDA 等背光源所使用之白光LED采用蓝光单晶粒加YAG萤光 而成。随着手机闪光灯、大中尺寸(NB、LCD-TV 等)显示屏光源模块以至特殊用途照明系统之应用逐渐增多。末来再扩展至用于一般照明系统设备,采用白光LED技术大功率 (High Power)LED 市场将陆续显现。在技术方面,现时遇到最大挑战是提升及保持亮度, 若再增强其散热能力,市场之发展深具潜力。 ASM 在研发及生产自动化光电组件封装设备上拥有超过二十年经验,业界现行有很多种提升LED亮度方法,无论从芯片及封装设计层面,至封装工艺都以提升散热能力和增加发光效率为目标。在本文中,就LED封装工艺的最新发展和成果作概括介绍及讨论。 芯片设计 从芯片的演变历程中发现,各大LED生产商在上游磊晶技术上不断改进,如利用不同的电极设计控制电流密度, 利用 ITO 薄膜技术令通过 LED 的电流能平均分布等, LED芯片在结构上都尽可能产生最多的光子。 再运用各种不同方法去抽出 LED发出的每一粒光子,如生产不同外形的芯片;利用芯片周边有效地控制光折射度提高LED取光效率,研制扩大单一芯片表面尺寸(>2mm2)增加发光面积,更有利用粗糙的表面增加光线的透出等等。有一些高亮度LED芯片上 p-n 两个电极的位置相距拉近, 令芯片发光效率及散热能力提高。而最近已有大功率LED的生产,就是利用新改良的激光溶解(Laser lift-off)及金属黏合技术(metal bonding),将 LED 磊晶晶圆从 GaAs 或 GaN 长晶基板移走,并黏合到另一金属基 板上或其它具有高反射性及高热传导性的物质上面,帮助大功率 LED提高取光效率及散热能力。 封装设计 经过多年的发展,垂直 LED 灯(φ3mm、φ5mm)和 SMD灯(表面贴片LED)已演变成一种标准产品模式。但随着芯片的发展及需要,开拓出切合大功率的封装产品设计,为了 利用自动化组装技术降低制造成本,大功率的 SMD 灯亦应运而生。而且,在可携式消费产 品市场急速的带动下,大功率 LED 封装体积设计也越小越薄以提供更阔的产品设计空间。 为了保持成品在封装后的光亮度,新改良的大功率 SMD 器件内加有杯形反射面,有助 把全部的光线能一致地反射出封装外以增加输出流明。而盖住 LED 上圆形的光学透镜,用 料上更改用以 Silicone 封胶,代替以往在环氧树脂(Epoxy),使封装能保持一定的耐用性。 封装工艺及方案 半导体封装之主要目的是为了确保半导体芯片和下层电路间之正确电气和机械性的互 相接续,及保护芯片不让其受到机械、热、潮湿及其它种种的外来冲击。选择封装方法、材料和运用机台时,须考虑到 LED 磊晶的外形、电气/机械特性和固晶精度等因素。因 LED

    有其光学特性,封装时也须考虑和确保其在光学特性上能够满足。 无论是垂直 LED或SMD封装

平安彩票,都必须选择一部高精度的固晶机,因 LED 晶粒放入封 装的位置精准与否是直接影响整件封装器件发光效能。 如图 1 示, 若晶粒在反射杯内的位置 有所偏差,光线未能完全反射出来,影响成品的光亮度。但若一部固晶机拥有先进的预先图 像辨识系统(PR System) ,尽管品质参差的引线框架,仍能精准地焊接于反射杯内预定之位 置上。 一般低功率 LED 器件(如指示设备和手机键盘的照明)主要是以银浆固晶,但由于银 浆本身不能抵受高温,在提升亮度的同时,发热现象也会产生,因而影响产品。要获得高品 质高功率的 LED,新的固晶工艺随之而发展出来,其中一种就是利用共晶焊接技术,先将 晶粒焊接于一散热基板(soubmount)或热沉(heat sink)上,然后把整件晶粒连散热基板再 焊接于封装器件上,这样就可增强器件散热能力,令发光功率相对地增加。至于基板材料方 面,硅(Silicon) 、铜(Copper)及陶瓷(Ceramic)等都是一般常用的散热基板物料。 共晶焊接 技术最关键是共晶材料的选择及焊接温度的控制。新一代的 InGaN 高亮度 LED,如采 用共晶焊接,晶粒底部可以采用纯锡(Sn)或金锡(Au-Sn)合金作接触面镀层,晶粒可焊 接于镀有金或银的基板上。当基板被加热至适合的共晶温度时(图 5) ,金或银元素渗透到 金锡合金层,合金层成份的改变提高溶点,令共晶层固化并将 LED 紧固的焊于热沉或基板 上(图 6) 。选择共晶温度视乎晶粒、基板及器件材料耐热程度及往后 SMT 回焊制程时的温 度要求。考虑共晶固晶机台时,除高位置精度外,另一重要条件就是有灵活而且稳定的温度 控制, 加有氮气或混合气体装置, 有助于在共晶过程中作防氧化保护。 当然和银浆固晶一样, 要达至高精度的固晶, 有赖于严谨的机械设计及高精度的马达运动, 才能令焊头运动和焊力 控制恰到好处之余,亦无损高产能及高良品率的要求。 进行共晶焊接工艺时亦可加入助焊剂,这技术最大的特点是无须额外附加焊力,故此 不会因固晶焊力过大而令过多的共晶合金溢出,减低 LED 产生短路的机会。 覆晶(Flip Chip)焊接 覆晶焊接近年被积极地运用于大功率 LED 制程中,覆晶方法把 GaN LED 晶粒倒接合 于散热基板上,因没有了金线焊垫阻碍,对提高亮度有一定的帮助。因为电流流通的距离缩 短,电阻减低,所以热的产生也相对降低。同时这样的接合亦能有效地将热转至下一层的散 热基板再转到器件外面去。当此工艺被应用在 SMD LED,不但提高光输出,更可以使产品 整体面积缩小,扩大产品的应用市场。 在覆晶 LED 技术发展上有两个主要的方案:一是铅锡球焊(Solder bump reflow)技术; 另一个是热超声(Thermosonic)焊接技术。铅锡球焊接(图 10)已在 IC 封装应用多时,工 艺技术亦已成熟,故在此不再详述。 针对低成本及低线数器件的生产,热超声覆晶(Thermosonic flip chip)技术(图 11) 尤其适用于大功率 LED 焊接。以金做焊接的接口,由于金此物本身熔点温度较铅锡球和银 浆高,对固晶后的制程设计方面更有弹性。此外,还有无铅制程、工序简单、金属接位可靠 等优点。热超声覆晶工艺经过多年的研究及经验累积,已掌握最优化的制程参数,而且在几 大 LED 生产商已成功地投入量产。 足生产线使用外,其余大量的(如芯片粘片机、引线焊接机、测试机、编带机)等自 动化设备还全都依赖进口。 发展我国 LDD 装备业的具体建议方案 建议国家在支持 LED 技术与产业发展中,把材料与工艺设备作为发展的基础和原动力 加以支持。在发展 LED 技术与产业的过程中,建议我国走“引进、消化、吸收、创新、提高” 的道路。具体方案如下:在国家支持下,通过国家、LED 生产企业和设备及材料制造业三

    方联合,建立具有孵化器功能的中国 LED 设备、材料、制造及应用联合体。 为在短时间内掌握并提高设备制造水平,带动我国中高档 LED 产业发展,建议由联合 体共同筹措资金(国家 50%,设备研制单位 15%,芯片制造与封装技术研究单位 15%,LED 芯片制造与封装企业 20%)建设一条完整的 LED 芯片制造与封装示范生产线。该示范线以 解决设备研制与工艺试验、LED 产品制造工艺技术研究与验证、实现工艺技术与工艺设备 成套供应为已任。凡参与该示范建设的单位,有权无偿使用该生产线进行相关产品、技术和 产业化研究与试验,特别是 LED 产品生产单位,可优先优惠得到相关研究与产业化成果。 针对该示范线,实施三步走的战略,最终实现 LED 生产设备商品化和本土化(详见设 备国产化方案表二) 。第一步:利用两年左右的时间,对一些关键设备进行国产化(国家给 予一定的奖金支持) ;对于国内已经具有一定基础且具有性价比优势的普通设备则利用市场 竞争原则,采取准入制择优配套(通过制订标准) ;对于部分难度较大、短期内国产化不了 的设备,国家应安排攻关,并完成生产型ɑ样机开发。第二步,从本方案实施的第三年起, 第一步中涉及到的前两类设备重点解决生产工艺的适应性、生产效率、可靠性、外观及成本 等问题,具备国内配套及批量供应能力,攻关类设备完成生产型样机商业化(γ 型机)开发。 第三步,从本方案实施的第五年起,第一及第二步中涉及到的所有设备具备国际竞争能力, 除满足国内需求外, 要占领一定的国际市场; 攻关设备能够满足产业化生产要求并具备批量 供应能力。

    杂谈

     一、生产工艺 

1.工艺: 

a)清洗:采用超声波清洗 PCB 或LED支架,并烘干。 

b)装架:在 LED 管芯(大圆片)底部电极备上银胶后进行扩张,将扩张后的管芯 (大圆片)安置在刺晶台上,在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在 PCB 或 LED 支架相应的焊盘上,随后进行烧结使银胶固化。 

c)压焊: 用铝丝或金丝焊机将电极连接到 LED 管芯上, 以作电流注入的引线。 LED 直接安装在 PCB 上的,一般采用铝丝焊机。(制作白光 TOP-LED 需要金线焊机) 

d)封装:通过点胶,用环氧将 LED 管芯和焊线保护起来。在 PCB 板上点胶,对固 化后胶体形状有严格要求,这直接关系到背光源成品的出光亮度。这道工序还将 承担点荧光粉(白光 LED)的任务。 

e)焊接:如果背光源是采用 SMD-LED 或其它已封装的 LED,则在装配工艺之前, 需要将 LED 焊接到 PCB 板上。 

f)切膜:用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。 g)装配:根据图纸要求,将背光源的各种材料手工安装正确的位置。 h)测试:检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。 包装:将成品按要求包装、入库。

 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

 4.封装工艺说明 

  1. 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 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。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。

  • 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。) 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。 

  • 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。 

  • 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.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。 

  • 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。 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。 

  • 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。 

  • 9.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。 

  • 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。 

  • 11.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。 

  • 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。 

  • 13.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。 

  • 14。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。 

  • 15.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。 

  • 16.包装 将成品进行计数包装。超高亮 LED 需要防静电包装。

平安彩票    1.为什么要对 LED 进行封装?

    LED 封装的作用是将外引线连接到 LED 芯片的电极上,不但可以保护 LED 芯片,而且起到提高发光效率的作用。所以 LED 封 装不仅仅只是完成输出电信号,更重要的是保护管芯正常工作,输出可见光的功能。可见 LED 封装既有电参数,又有光参数的设 计及技术要求,并不是一项简单的工作。

    2.LED 封装设备

    由于 LED 封装要求较高,因此,无论是直插 LED 或贴片 LED,都必须使用具有高精度的固晶机,因为 LED 晶粒放入封装的位置 是否精确,将直接影响整件封装器件发光效率。如果晶粒在反射杯内的位置有所偏差,光线不能被完全反射出来,直接影响 LED 的光亮度。但是,用一部具有先进的 PR System(预先图像辨识系统)固晶机,不论引线框架的品质差别,仍然可以将 LED 晶粒 精确地焊接于预定位置上。

    3。LED 封装形式

    根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果。LED 封装形式多种多样。目前,LED 按封装形式分类主要有 Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED 等 Lamp-LED(垂直 LED) Lamp-LED 早期出现的是直插 LED,它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树脂,然后插入 压焊好的 LED 支架,放入烘箱中让环氧树脂固化后,将 LED 从模腔中脱离出即成型。由于制造工艺相对简单、成本低,有着较 高的市场占有率。 SMD-LED(表面贴装 LED) 贴片 LED 是贴于线路板表面的,适合 SMT 加工,可回流焊,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用 了更轻的 PCB 板和反射层材料,改进后去掉了直插 LED 较重的碳钢材料引脚,使显示反射层需要填充的环氧树脂更少,目的是 缩小尺寸,降低重量。这样,表面贴装 LED 可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更加完美。 Side-LED(侧发光 LED) 目前,LED 封装的另一个重点便侧面发光封装。如果想使用 LED 当 LCD(液晶显示器)的背光光源,那么 LED 的侧面发光需与 表面发光相同,才能使 LCD 背光发光均匀。虽然使用导线架的设计,也可以达到侧面发光的目的,但是散热效果不好。不过, Lumileds 公司发明反射镜的设计,将表面发光的 LED,利用反射镜原理来发成侧光,成功的将高功率 LED 应用在大尺寸 LCD 背 光模组上。 TOP-LED(顶部发光 LED) 顶部发光 LED 是比较常见的贴片式发光二极管。主要应用于多功能超薄手机和 PDA 中的背光和状态指示灯。 High-Power-LED(高功率 LED) 为了获得高功率、高亮度的 LED 光源,厂商们在 LED 芯片及封装设计方面向大功率方向发展。目前,能承受数 W 功率的 LED 封装已出现。比如 Norlux 系列大功率 LED 的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径 31.75mm,发 光区位于其中心部位,直径约(0.375×25.4)mm,可容纳 40 只 LED 管芯,铝板同时作为热沉。这种封装采用常规管芯高密度组合 封装,发光效率高,热阻低,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的 LED 固体光源。 可见,功率型 LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型 LED 芯片的封装 设计、制造技术显得更加重要。 Flip Chip-LED(覆晶 LED) LED 覆晶封装结构是在 PCB 基本上制有复数个穿孔,该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个不同区域且互为开路的导电材质, 并且该导电材质是平铺于基板的表面上,有复数个未经封装的 LED 芯片放置于具有导电材质的一侧的每个穿孔处,单一 LED 芯 片的正极与负极接点是利用锡球分别与基板表面上的导电材质连结, 且于复数个 LED 芯片面向穿孔的一侧的表面皆点着有透明材 质的封胶,该封胶是呈一半球体的形状位于各个穿孔处。属于倒装焊结构发光二极管。 按固体发光物理学原理,LED 的发光效能近似 100%,因此,LED 被誉为 21 世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度 气体放电灯之后的第四代光源。展望未来,厂商必将把大功率、高亮度 LED 放在突出发展位置。LED 产业链中的衬底、外延、 芯片、封装、应用需共同发展,多方互动培植,而封装是产业链中承上启下部分,需要大家极大地关注与重视。 LED 封装关键设备包括芯片安放机、金线键合机、注胶机、荧光粉涂布机、塑封机、测试机、编带机、划片机等


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