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LED照明技术,陕西科技大学 电气与信息工程学院 王进军,第六章 LED封装技术,6.1 概述 6.2 LED的封装方式 6.3 LED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 LED pn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。,6.2 LED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,6.2 LED的封装方式,一、LED封装的发展过程,6.2 LED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SMD LED; 食人鱼Piranha LED;,6.2 LED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5mm)封装。,6.2 LED的封装方式,1、引脚式封装 (2)引脚式封装过程(5mm引脚式封装) 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); 芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上; 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;,6.2 LED的封装方式,1、引脚式封装 (3)引脚式封装原理 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。,6.2 LED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: 保护管芯等不受外界侵蚀; 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。,6.2 LED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。,6.2 LED的封装方式,2、平面式封装 (2)结构,6.2 LED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。,6.2 LED的封装方式,3、表贴式封装,6.2 LED的封装方式,4、食人鱼式封装 (1)结构,6.2 LED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。,6.2 LED的封装方式,4、食人鱼式封装 (2)优点食人鱼LED比3mm、5mm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3mm、5mm管子的热阻小一半,所以很受用户的欢迎。,6.2 LED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。,6.2 LED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。,6.2 LED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,6.2 LED的封装方式,三、功率型封装 2. 仿食人鱼式环氧树脂封装,6.2 LED的封装方式,三、功率型封装 3. 铝基板(MCPCB)式封装,6.2 LED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,6.2 LED的封装方式,三、功率型封装 5. 功率型SMD封装,6.2 LED的封装方式,三、功率型封装 6. L公司的Lxx封装,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 1. 主要工艺,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 1. 主要工艺,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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),6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED封装工艺,2. 主要工艺说明(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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED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。,6.3 LED封装工艺,3. 封装设备 (1)金相显微镜,
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