電子封裝與檢測技術(shù)(LED制造與應(yīng)用)

1、電子封裝與檢測技術(shù) 課 程 報 告指導(dǎo)老師： 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 航空電子工程系2014年12月LED制造與應(yīng)用（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都，610100，中國）摘要： LED結(jié)構(gòu)及其特征，LED的封裝技術(shù)，LED的可靠性技術(shù)， LED在生活中的應(yīng)用，本文LED的制造與應(yīng)用以四個方面來闡述。詳細(xì)介紹了三種常見的LED的封裝形式。在高速發(fā)展的21世紀(jì)人們的生活離不開光源！其光源主要來源于太陽還有就是人類自己所研究的可見光這就是LED發(fā)光技術(shù)。LED在半導(dǎo)體照明、汽車用燈、信號顯示、顯示器背光源、信息顯示屏、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，作為目前全球備受矚目的新一代光源，被稱為21世紀(jì)

2、最有發(fā)展前景的綠色照明光源。關(guān)鍵詞：引腳式封裝；平面封裝；SMD封裝； 1.前言近年來隨著城市建設(shè)和電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對光源的需求與日俱增，光源的增加也加大了人們對用電量的需求。隨著LED照明技術(shù)的開發(fā)，LED在照明方面具有的優(yōu)勢體現(xiàn)了出來，其主要在于節(jié)能、環(huán)保和壽命三方面。LED不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)換效率非常高，理論上只需要白熾燈10%的耗能、熒光燈50%的耗能。中國綠色照明工程促進項目辦公室曾經(jīng)做過一項調(diào)查，我國每年照明用電量高達3000億度以上，用LED取代全部白熾燈或者取代部分熒光燈，將節(jié)省1/3的照明用電量，這意味著至少節(jié)約1000億度電，相當(dāng)于一個總投資超過200

3、0億元的三峽工程的全年發(fā)電量。這對于能源十分緊張的我國而言，無疑具有十分重要的戰(zhàn)略意義。在使用壽命方面，LED采用固體封裝，結(jié)構(gòu)牢靠，壽命可高達數(shù)十萬小時，是熒光燈的10倍、白熾燈的100倍，另外，采用LED代替熒光燈可以避免熒光燈破裂而溢出汞所造成的二次污染，而LED的頻帶只有12nm，不會產(chǎn)生紫外線和紅外線來污染環(huán)境。LED的節(jié)能環(huán)保，在當(dāng)今社會上越來越引起了人們的重視，各個國家也都有具體的計劃和措施。我國利用太陽能和風(fēng)能直接點亮LED路燈，這在其他國家也得到了應(yīng)用。所以在未來LED制造與應(yīng)用技術(shù)將大大提高，而LED制造產(chǎn)業(yè)也將高速發(fā)展。2. LED結(jié)構(gòu)及其特征LED是（Light-Emi

4、tting Diode）的縮寫，中文譯為發(fā)光二極管。就是一種會發(fā)光的半導(dǎo)體組件。它能將電能轉(zhuǎn)換為光能，與普通半導(dǎo)體二極管一樣都具有兩個電極（正極和負(fù)極）。LED在工作時需外加電源，由正負(fù)兩極流入LED。LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有和半導(dǎo)體二極管相似的P區(qū)和N區(qū)，P區(qū)和N區(qū)的交界處形成PN結(jié)。LED也是具有普通二極管的單向?qū)щ姽δ埽鐖D1.1所示。LED的電流大小是由加在二極管兩端的電壓大小來控制的，根據(jù)加在二極管兩端的電壓大小，利用通過LED的電流最終使PN結(jié)發(fā)光。圖1.1 LED的PN結(jié)2.1 LED的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理LED器件的制造目的是為了得到光，所以它的基本結(jié)構(gòu)與普通半導(dǎo)體二極管并不一樣。圖

5、2.1 LED的結(jié)構(gòu)，圖2.2 LED芯片結(jié)構(gòu)。圖2.2 LED的芯片結(jié)構(gòu)圖2.1 LED的結(jié)構(gòu) 當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。（如圖2.3所示，）不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過二極管的電流。圖2.3 LED的發(fā)光原理3. LED的封裝LED芯片只是很

6、小的固體，它的兩個電極要在顯微鏡下才能看到，加入電流后它才會發(fā)光。在制作工藝上，除了要對LED芯片的兩個電極進行焊接，從而引出正、負(fù)電極之外，同時要對LED芯片和兩個電極進行保護，因此，就需要對LED芯片進行封裝。LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求。LED的核心發(fā)光部分是由P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)管芯，當(dāng)注入PN結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出

7、可見光，紫外光或近紅外光。但PN結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。因此對LED的封裝要根據(jù)LED芯片的大小、功率的大小來選擇合適的方式。3.1引腳式封裝引腳式LED封裝大多數(shù)帶有陽極和陰極兩個引腳，采用單列或雙列直插式多芯片封裝的少數(shù)器件則帶有多個引腳。圖3.1 圓頭插腳式LED圓頭插腳式LED是普遍采用的封裝形式，（如圖3.1所示）。這種封裝用環(huán)氧化樹脂包圍材料，芯片約90%的熱量由引線架（主要是陰極引線架）傳遞到印制

8、電路板（PCB）上，再散發(fā)到周圍空氣中。環(huán)氧樹脂的直徑分為2.0mm、3.0mm、40mm、5.0mm、等規(guī)格，發(fā)光角（21/2）的范圍可達18°120°。作為陽極和陰極的引腳，可選用鍍銀（或者鍍錫）的銅、鐵等材料，其形狀有直形、帶肩形等。其光性能優(yōu)良，工藝適應(yīng)性 好，產(chǎn)品可靠性高。3.1.1工藝流程及設(shè)備引腳式封裝常用的是3mm、5mm、8mm、10mm單芯片的封裝方式，封裝的工藝流程及設(shè)備如圖3.2所示。圖3.2 引腳式封裝的工藝流程及設(shè)備按照以上詳細(xì)步驟，配合良好的管理機制和生產(chǎn)環(huán)境，就有可能制造出品質(zhì)優(yōu)異的LED產(chǎn)品，其總要求為：u 出光效率高，選擇好的芯片和封裝材

9、料進行一次性光學(xué)設(shè)計，采用好的工藝，達到理想的出光率。u 均勻性好，合格率高，黑燈率控制在3/10000以內(nèi)。u 光斑均勻，色溫一致，引腳干凈無損點。3.1.2一次性光學(xué)設(shè)計LED封裝時要使LED成發(fā)光電器件，就必須進行光學(xué)設(shè)計。簡稱一次性光學(xué)設(shè)計。它決定著LED的發(fā)光角度、通光量大小、光強大小、光強分布、色溫范圍和色溫分布。一次性光學(xué)分為折射式、反射式和折反射式三種。3.1.3生產(chǎn)注意事項在生產(chǎn)LED時應(yīng)具備良好的生產(chǎn)意識，生產(chǎn)環(huán)境和管理機制是生產(chǎn)良好的產(chǎn)品的重要因素。在LED封裝現(xiàn)場，其生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)要求是凈化廠房，要有效的防止靜電。防止靜電對LED的封裝與生產(chǎn)有重要的意義。它直接影響著LED

10、的壽命與可靠性。3.2平面封裝平面發(fā)光器件是由多個發(fā)光二極管芯片組合而成的結(jié)構(gòu)型器件。通過發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接和結(jié)構(gòu)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點，然后由這些發(fā)光段和發(fā)光點組成各種發(fā)光顯示器，如發(fā)光顯示器、數(shù)碼管、符號管、“米”字管、矩陣管、光柱等。使用發(fā)光二極管做成的平面顯示器與其他顯示器件相比，具有工作電壓低、省電、多色、色彩鮮明、壽命長、耐振等特點。3.2.1反射罩式數(shù)碼管LED發(fā)光顯示器可由數(shù)碼管、“米”字管、符號管和矩形管組成各種顯示器件。數(shù)碼管有反射罩式、單片集成式、他們大多數(shù)是由多個芯片以共陽極和共陰極兩種電路組成的。反罩式數(shù)碼管一般使用白色塑料做成帶反射腔的7

11、段式外殼，將LED芯片黏在與反射罩的7個反射腔互相對應(yīng)的印制電路板（PCB）上。每個反射腔底部的中心位置就是LED芯片，以形成發(fā)光區(qū)域，如圖3.3所示。圖3.3 反罩式數(shù)碼管示意圖在安裝反射罩前，在芯片和印制電路板上通過壓焊方法，使用3.0um的硅絲或金絲把芯片與印制電路板上的電路連接好。在反射罩滴入環(huán)氧樹脂，在把帶有芯片的印制電路板與反射罩的對應(yīng)位黏合，使之固化。為了滿足用戶需要，發(fā)光區(qū)的背景顏色通常是黑、灰、有色散射等。反射罩式數(shù)碼管具有字形大、用料省、組裝靈活等優(yōu)點。反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實封兩種。圖3.4為實封方式，這種方式是采用環(huán)氧樹脂把LED芯片黏合在印制電路板上，并用鋁

12、絲或金絲把芯片與線路連接，然后在反射罩正面貼上高溫膠帶，把環(huán)氧樹脂灌滿，最后將焊好LED的芯片的印制電路板對準(zhǔn)空位壓好，讓其固化。圖3.4 實封方式示意圖圖3.5為空封方式，這種方式在出光面上蓋有濾色膜和均光膜，首先將LED芯片黏合在印制電路板上，用鋁絲或金絲把芯片與電路連接好，然后在反射罩上貼上濾色膜和均光膜。對數(shù)碼管的品質(zhì)要求：發(fā)光顏色均勻，封裝表面平整，沒有雜物或者氣泡，視度要寬，整體器件要平整，沒有變形和彎曲。圖3.4 空封方式示意圖3.3 SMD封裝表面貼片二極管（SMD）是一種新型的表面貼裝式半導(dǎo)體發(fā)光元器件，具有體積小、散射角大、發(fā)光均勻性好、可靠性高等優(yōu)點。其發(fā)光顏色可以是包括

13、白光在內(nèi)的各種顏色，可以滿足表面貼裝結(jié)構(gòu)的各種電子產(chǎn)品的需要，特別是手機、筆記本電腦等的需要。3.3.1 SMD的封裝工藝SMD的封裝一般有兩種結(jié)構(gòu)：一種是為金屬支架片式LED，另一種為PCB片式LED，具體流程如圖3.5所示。圖3.5 SMD封裝工藝流程劃片測試分選編帶出貨檢查烘干固化封裝金絲鍵合銀漿固化芯片安裝目前主要都是使用自動化機器進行固晶和焊線，所以做出來的產(chǎn)品質(zhì)量好、一致性好，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。特別應(yīng)注意的是，在制作SMD白光LED時，由于器件的體積較小，點熒光粉就成了一個難題，有的廠家先把熒光粉與環(huán)氧樹脂配好，做成一個模子，然后把配好的熒光粉的環(huán)氧樹脂做成一個膠餅，并將膠餅貼在

14、芯片上，周圍再灌滿環(huán)氧樹脂，從而制成SMD封裝的白光LED。3.3.2測試LED與選擇PCB對SMD封裝的LED進行測試，其體積較小，不便于手工操作，所以必須使用自動測試的儀器。以PCB片式LED為例，對于如圖3.6所示的0603片式SMD LED，其尺寸為1.6mm×0.8mm×0.8mm。圖3.6 0603片式SMD LED由于結(jié)構(gòu)的微型化，PCB的選材和板圖設(shè)計十分重要。綜合各方面考慮，選厚度為0.3mm、面積為60mm×130mm的PCB作為基板，在板上設(shè)計41組封裝結(jié)構(gòu)，每組由44只片式LED連為一體，每個單元示意圖見圖3.7。(b)適用于V型電極的LE

15、D芯片圖(a)適用于L型電極的LED芯片圖圖3.7 0603片式SMD LED測試用于PCB的單元示意圖對于PCB基板的質(zhì)量要求包括：l 要有足夠的精度，厚度的不均勻度小于±0.03mm，定孔位對電路板圖案偏差度小于±0.05mm；l 鍍金屬的厚度和質(zhì)量必須確保金絲鍵合后的拉力大于8g（約0.08N）；l 表面沒有污染，PCB上的化學(xué)物質(zhì)要清理干凈，封裝時膠的黏合要牢固。目前SMD封裝的LED大量用在顯示屏上，其中把SMD上的芯片連接的部分直接與顯示屏的電路板用導(dǎo)熱膠黏合，讓SMD上的熱量傳遞到顯示屏的電路板上，這樣熱量由顯示屏上的電路板散發(fā)到空氣中，有利于顯示屏的散熱。隨

16、著SMD的器件的發(fā)展，今后的接插件會朝著SMD器件的方向發(fā)展，實現(xiàn)小型化、高密度和色彩鮮艷，這樣顯示器的屏幕在有限的尺寸中可獲得更高的分辨率。同時可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕巧簡化及良好的白平衡，并且半值角可達160°，從而使顯示器更薄，可獲得更好的觀看效果。4. LED的可靠性技術(shù)近年來，由于LED的技術(shù)發(fā)展迅速，主要性能指標(biāo)有很大提高，目前LED器件的發(fā)光效超過200lm/W，產(chǎn)業(yè)化水平達110120lm/W，可以作為光源在照明領(lǐng)域推廣應(yīng)用，目前已進入室外景觀照明、功能性照明、商用照明等領(lǐng)域。在應(yīng)用過程中，有幾個主要技術(shù)和成本問題，如LED照明燈具的能效還不高，LED白光的光色在某些照明場合還不

17、合適，LED燈具的可靠性還不高，有些產(chǎn)品壽命很短，另外LED燈具的價格目前普遍偏高等，這些問題有待進一步解決和提高。業(yè)界同行對LED光源的可靠性和成本問題比較重視，均在努力解決之中。4.1 LED器件的可靠性LED器件可靠性主要取決于二個部分：外延芯片及器件封裝的性能質(zhì)量1.外延芯片的失效影響外延芯片性能及質(zhì)量的，主要是與外延層特別是P-n結(jié)部分的位錯和缺陷的數(shù)目和分布情況，金屬與半導(dǎo)體接觸層質(zhì)量，以及外延層及芯片表面和周邊沾污引起離子數(shù)目及狀況有關(guān)。芯片在加熱加電條件下，會逐步引起位錯、缺陷、表面和周邊產(chǎn)生電漂移及離子熱擴散，使芯片失效，正是上面所說的本質(zhì)失效。要提高外延芯片可靠性指標(biāo)，從根

18、本上要降低外延生長過程中產(chǎn)生的位錯和缺陷以及外延層表面和周邊的沾污，提高金屬與半導(dǎo)體接觸質(zhì)量，從而提高工作壽命的時間。目前有報道，對裸芯片作加速壽命試驗，并進行推算，一般壽命達10萬小時以上，甚至幾十萬小時。2.器件封裝的失效有報道稱：LED器件失效大約70%以上是由封裝引起，所以封裝技術(shù)對LED器件來說是關(guān)鍵技術(shù)。有關(guān)LED器件封裝技術(shù)在文章3、4中有詳細(xì)論述，所以在此不作介紹，只簡要分析有關(guān)LED器件封裝的可靠性問題。LED封裝引起的失效是從屬失效，其原因很復(fù)雜，主要來源有三部分：其一，封裝材料不佳引起，如環(huán)氧、硅膠、熒光粉、基座、導(dǎo)電膠、固晶材料等。其二，封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，如材料不匹配

19、、產(chǎn)生應(yīng)力、引起斷裂、開路等。其三，封裝工藝不合適，如裝片、壓焊、點膠工藝、固化溫度及時間等。為提高器件封裝可靠性，首先在原材料選用方面要嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量，在封裝結(jié)構(gòu)上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結(jié)合在一起時的熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴(yán)格控制每道工序的工藝流程，盡量采用自動化設(shè)備、確保工藝的一致性及重復(fù)性，保障LED器件性能和可靠性指標(biāo)。除此之外還有其他關(guān)于LED的可靠性技術(shù)因素，包含：LED照明燈可靠性、LED驅(qū)動電源模塊、散熱問題、LED照明燈具的成本問題等等。所以在今后LED可靠性有待解決，這樣才能是LED產(chǎn)業(yè)化的健康發(fā)展。5. LED在生活中的應(yīng)用在各種新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn)的帶動下，近些年LED市場規(guī)模得到了快速提升，其