LED封裝形式完整版

1、LED照明技術(shù)陜西科技大學(xué)陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院王進軍王進軍第六章 LED封裝技術(shù)6.1 概述6.2 LED的封裝方式6.3 LED封裝工藝6.4 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)6.5 熒光粉溶液涂抹技術(shù)6.6 封膠膠體設(shè)計6.7 散熱設(shè)計概述概述概述概述LED的封裝方式LED的封裝方式一、LED封裝的發(fā)展過程 LED的封裝方式 常規(guī)小功率LED的封裝形式主要有：；表面貼裝式SMD LED；食人魚Piranha LED；LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝方式LED的封裝

2、方式PiranhaLED的封裝方式 LED的封裝方式 功率型LED是未來半導(dǎo)體照明的核心，LED的封裝方式LED的封裝方式 目前功率型LED主要有以下6種封裝形式：沿襲引腳式 LED封裝思路的大尺寸環(huán)氧樹脂封裝LED的封裝方式仿食人魚式環(huán)氧樹脂封裝LED的封裝方式鋁基板（MCPCB）式封裝LED的封裝方式借鑒大功率三極管思路的TO封裝LED的封裝方式功率型SMD封裝LED的封裝方式L公司的Lxx封裝LED封裝工藝五大物料五大物料五大製程五大製程晶片支架固晶銀膠金線銲線環(huán)氧樹脂封膠切腳測試LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝 LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝 LED

3、封裝工藝LED封裝工藝手工刺片 將擴張后LED芯片（備膠或未備膠）安置在刺片臺的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED芯片一個一個刺到相應(yīng)的位置上。 手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便于隨時更換不同的芯片，適用于需要安裝多種芯片的產(chǎn)品。 LED封裝工藝自動裝架 自動裝架其實是結(jié)合了沾膠（點膠）和安裝芯片兩大步驟：先在LED支架上點上銀膠（絕緣膠），然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上。 LED封裝工藝自動裝架 自動裝架在工藝上主要要熟悉設(shè)備操作編程，同時對設(shè)備的沾膠及安裝精度進行調(diào)整。 在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴，防止對LED芯片表面的損傷，特

4、別是蘭、綠色芯片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷芯片表面的電流擴散層。 LED封裝工藝燒結(jié) 燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對溫度進行監(jiān)控，防止批次性不良。 銀膠燒結(jié)的溫度一般控制在150，燒結(jié)時間2小時。根據(jù)實際情況可以調(diào)整到170，1小時。 絕緣膠一般150，1小時。 LED封裝工藝燒結(jié) 銀膠燒結(jié)烘箱的必須按工藝要求隔2小時（或1小時）打開更換燒結(jié)的產(chǎn)品，中間不得隨意打開。 燒結(jié)烘箱不得再其他用途，防止污染。 LED封裝工藝壓焊 壓焊的目的將電極引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。 LED的壓焊工藝有兩種：金絲球焊鋁絲壓焊LED封裝工藝壓焊 1）鋁絲壓焊過程：先在LED芯片電極上壓上

5、第一點，再將鋁絲拉到相應(yīng)的支架上方，壓上第二點后扯斷鋁絲。2）金絲球焊過程： 在壓第一點前先燒個球，其余過程類似。 LED封裝工藝壓焊 壓焊是LED封裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝上主要需要監(jiān)控的是壓焊金絲（鋁絲）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（鋁）絲材料、超聲功率、壓焊壓力、劈刀（鋼嘴）選用、劈刀（鋼嘴）運動軌跡等等。LED封裝工藝點膠封裝 ：TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。 LED封裝工藝點膠封裝 點膠封裝基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。 設(shè)計上主要是對材料的選型，選用結(jié)合良好的環(huán)氧和支架。（一般的LED無法通過氣密性試驗） LE

6、D封裝工藝點膠封裝 手動點膠封裝對操作水平要求很高（特別是白光LED），主要難點是對點膠量的控制，因為環(huán)氧在使用過程中會變稠。 白光LED的點膠還存在熒光粉沉淀導(dǎo)致出光色差的問題。 LED封裝工藝灌膠封裝 Lamp-LED的封裝采用灌封的形式，灌封的過程是：先在LED成型模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧，然后插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環(huán)氧固化后，將LED從模腔中脫出即成型。LED封裝工藝模壓封裝 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并抽真空，將固態(tài)環(huán)氧放入注膠道的入口加熱，用液壓頂桿壓入模具膠道中，環(huán)氧順著膠道進入各個LED成型槽中并固化。LED封裝工藝固化與后固化 固化是指封

7、裝環(huán)氧的固化，一般環(huán)氧固化條件在135，1小時。 模壓封裝一般在150，4分鐘。 LED封裝工藝固化與后固化 后固化是為了讓環(huán)氧充分固化，同時對LED進行熱老化。 后固化對于提高環(huán)氧與支架（PCB）的粘接強度非常重要。 一般條件為120，4小時。LED封裝工藝切筋和劃片 由于LED在生產(chǎn)中是連在一起的（不是單個），Lamp封裝LED采用切筋切斷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。LED封裝工藝測試 測試LED的光電參數(shù)、檢驗外形尺寸，同時根據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進行分選。 （15）包裝 將成品進行計數(shù)包裝。超高亮LED需要防靜電包裝。LED封裝工藝

8、LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝1. 選定食人魚LED的支架 根據(jù)每一個食人魚管子要放幾個LED芯片，需要確定食人魚支架中沖凹下去的碗的形狀大小及深淺。LED封裝工藝2. 清洗支架3. 將LED芯片固定在支架碗中4. 經(jīng)烘干后把LED芯片兩極焊好5. 根據(jù)芯片的多少和出光角度的大小，選用相應(yīng)的模粒。 食人魚LED封裝模粒的形狀是多種多樣

9、的，有3mm圓頭和5mm圓頭，也有凹型形狀和平頭形狀，根據(jù)出光角度的要求可選擇相應(yīng)的封裝模粒。LED封裝工藝6. 在模粒中灌滿膠，把焊好LED芯片的食人魚支架對準(zhǔn)模粒倒插在模粒中。7. 待膠干后（用烘箱烘干），脫模即可8. 然后放到切筋模上把它切下來9. 接著進行測試和分選。LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝 光線由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，入射光一部分被折射，另一部分被反射。 若光線由光密介質(zhì)（折射率n1）射向光疏介質(zhì)（折射率n2），當(dāng)入射角（i1） 大于全反射臨界角（ic）時，折射光線消失，光線全部

10、被反射。LED封裝工藝 ic=Sin-1n2/n1 n2 n1，若n2與n1的數(shù)值相差越大，則全反射臨界角（ic）越小，光線越容易發(fā)生全反射現(xiàn)象。LED封裝工藝（2）正裝的LED芯片 GaN類正裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1）。 LED封裝工藝（2）倒裝的LED芯片 LED封裝工藝（2）倒裝的LED芯片 GaN類倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）藍寶石（n=1.8）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1）； 采用倒裝芯片封裝的LED的出光效率比正裝芯片要高。 LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝L

11、ED封裝工藝 LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝 LED封裝工藝LED封裝工藝LED封裝工藝 LED封裝工藝（LED封裝工藝功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 傳統(tǒng)LED的光通量與白熾燈和熒光燈等通用光源相比，距離甚遠。 LED要進入照明領(lǐng)域，首要任務(wù)是將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。 由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對功率型LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 針對照明領(lǐng)域?qū)庠吹囊?，照明用功率型LED的封裝面臨著以下挑戰(zhàn)： 更高的發(fā)光效率； 更高的

12、單燈光通量； 更好的光學(xué)特性（光指向性、色溫、顯色性等）； 更大的輸入功率； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 更高的可靠性（更低的失效率、更長的壽命等）； 更低的光通量成本。 這些挑戰(zhàn)的要求在美國半導(dǎo)體照明發(fā)展藍圖中已充分體現(xiàn)（見下表）。 我們可以通過改善LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)，來逐步使之實現(xiàn)。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率1. 提高發(fā)光效率的途徑 LED的發(fā)光效率是由芯片的發(fā)光效率和封裝結(jié)構(gòu)的出光效率共同決定的。 提高LED發(fā)光效率的主要途徑有： 提高芯片的發(fā)光效率； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率1

13、. 提高發(fā)光效率的途徑 將芯片發(fā)出的光有效地萃取出來； 將萃取出來的光高效地導(dǎo)出LED管體外； 提高熒光粉的激發(fā)效率（對白光而言）； 降低LED的熱阻。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率2. 芯片的選擇 LED的發(fā)光效率主要決定于芯片的發(fā)光效率。隨著芯片制造技術(shù)的不斷進步，芯片的發(fā)光效率在迅速提高。目前發(fā)光效率高的芯片主要有：HP公司的TS類芯片、CREE公司的XB類芯片、WB（wafer bonding）類芯片、功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率2. 芯片的選擇ITO類芯片、表面粗化芯片倒裝焊類芯片等等。 可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求和LED封裝結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的高發(fā)光效率的芯片進行封裝。

14、功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 芯片選定之后，要提高LED的發(fā)光效率，能否將芯片發(fā)出的光高效地萃取和導(dǎo)出，就顯得非常關(guān)鍵了。（1）光的萃取 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （1）光的萃取 由于芯片發(fā)光層的折射率較高（GaN n=2.4，GaP n=3.3），如果出光通道與芯片表面接合的物質(zhì)的折射率與之相差較大（如環(huán)氧樹脂為n=1.5）。 則會導(dǎo)致芯片表面的全反射臨界角較小，芯片發(fā)出的光只有一部分能通過界面逸出被有效利用，相當(dāng)一部分的光因全反射而被困在芯片內(nèi)部，造成萃光效率偏低，直接影響LED的發(fā)光效率。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)3. 出

15、光通道的設(shè)計與材料選擇 （1）光的萃取 為了提高萃光效率，在選擇與芯片表面接合的物質(zhì)時，必須考慮其折射率要與芯片表面材料的折射率盡可能相匹配。 采用高折射率的柔性硅膠作與芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和鍵合引線得到良好的應(yīng)力保護。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)（1）光的萃取 GaN類倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）藍寶石（n=1.8）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1）； GaN類正裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1） 采用倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率匹配比正裝芯片要好，出光效

16、率更高。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （2）光的導(dǎo)出1）設(shè)計良好的出光通道，使光能夠高效地導(dǎo)出到LED管體外反射腔體的設(shè)計； 透鏡的設(shè)計； 出光通道中各種不同材料的接合界面設(shè)計和折射率的匹配盡可能減少出光通道中不必要的光吸收和泄漏現(xiàn)象。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （2）光的導(dǎo)出2）出光通道材料的選擇： 高的透光率； 匹配良好的折射率； 抗UV、防黃變特性； 高的溫度耐受能力和良好的應(yīng)力特性。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 就白光LED而言，熒光粉的使用是否合理，對其發(fā)光效率影響較大。 首先要選

17、用與芯片波長相匹配的高受激轉(zhuǎn)換效率的熒光粉； 其次是選用合適的載體膠調(diào)配熒光粉，并使其以良好的涂布方式均勻而有效地覆蓋在芯片的表面及四周，以達到最佳的激發(fā)效果。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 傳統(tǒng)上將熒光膠全部注滿反射杯的做法：（1）不但涂布均勻性得不到保障，（2）而且會在反射腔體中形成熒光粉的漫射分布，造成不必要的光泄漏損失，既影響光色的品質(zhì)，又會使LED光效降低。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 采用熒光粉薄膜式涂布可以解決上述問題： 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 LED自身的發(fā)熱使芯片的結(jié)溫升高，導(dǎo)致芯片發(fā)光效率的下降

18、。 功率型 LED必須要有良好的散熱結(jié)構(gòu)，使LED內(nèi)部的熱量能盡快盡量地被導(dǎo)出和消散，以降低芯片的結(jié)溫，提高其發(fā)光效率。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 芯片結(jié)溫（TJ）與環(huán)境溫度（TA）、熱阻（Rth）和輸入功率（PD）的關(guān)系是： TJ=TA+RthPD 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 在輸入功率PD一定的情況下，熱阻Rth的大小對結(jié)溫的高低有很大的影響，也就是說，熱阻的高低是LED散熱結(jié)構(gòu)好壞的標(biāo)志。 采用優(yōu)良的散熱技術(shù)降低封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，將使LED發(fā)光效率的提高得到有效的保障。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1. 調(diào)控光強的空間分

19、布 與傳統(tǒng)光源相比，LED發(fā)出的光有較強的指向性，如果控制得當(dāng)，可以提高整體的照明效率，使照明效果更佳。 如何根據(jù)照明應(yīng)用的需要，調(diào)控LED的光強空間分布呢？功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1.調(diào)控光強的空間分布 可以通過以下步驟來實現(xiàn)。清楚了解芯片發(fā)光的分布特點； 根據(jù)芯片發(fā)光的分布特點和LED最終光強分布的要求設(shè)計出光通道： 反射腔體的設(shè)計； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1. 調(diào)控光強的空間分布 透鏡的設(shè)計； 光線在出光通道中折射和漫射的考慮； 出光通道各部分的幾何尺寸的設(shè)計和配合。 選擇合適的出光通道材料和加工工藝。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光

20、學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 目前最常用的LED白光生成的技術(shù)路線是 ：藍色芯片+黃色熒光粉（YAG/TAG）。 該工藝方法，是將熒光粉與載體膠混合后涂布到芯片上。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 在操作過程中，由于：載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)；熒光粉比重大于載體膠而容易產(chǎn)生沉淀；以及涂布設(shè)備精度等因素的影響。 熒光粉的涂布量和均勻性的控制有難度，導(dǎo)致白光顏色的不均勻。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 改善光色均勻性的方法有： 出光通道的設(shè)計； 熒光粉粒度大小的合理選擇； 載體膠粘度特性的把握； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LE

21、D的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 改進熒光膠調(diào)配的工藝方法，防止操作過程中熒光粉在載體膠內(nèi)產(chǎn)生沉降； 采用高精度的熒光粉涂布設(shè)備，并改良熒光膠涂布的方法和形式功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 白光LED色溫的調(diào)控主要是通過：藍色芯片波長的選定，熒光粉受激波長的匹配，和熒光粉涂布量、均勻性的控制來實現(xiàn)的。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 基于藍色芯片+黃色熒光粉（YAG/TAG）LED白光生成技術(shù)路線的機理和熒光粉的特性，早期傳統(tǒng)的白光LED在高色溫區(qū)域（5500K）里，色溫的調(diào)控比較容易實現(xiàn)，顯色性也較好（Ra80）。功

22、率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)3. 改善色溫與顯色性 在照明應(yīng)用通常要求的低色溫區(qū)域（2700K5500K），傳統(tǒng)白光LED的色溫調(diào)控較難，顯色性也不佳（Ra80），與照明光源的要求有一定的差距。 即使可以生成低色溫的白光，其色坐標(biāo)也偏離黑體輻射軌跡較遠（通常是在軌跡上方），使其光色不正，顯色性差。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 要解決這一問題，關(guān)鍵是熒光粉的改良，可以通過添加紅色熒光粉，使LED發(fā)出的白光的色坐標(biāo)盡量靠近黑體輻射軌跡，從而改善其光色和顯色性。 目前改善白光LED在低色溫區(qū)的顯色性的主要方法有4種：功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3.

23、 改善色溫與顯色性 盡量選用短波長的藍色芯片（D460nm）； 分析白光LED發(fā)光譜線的缺陷，選用含有可以彌補這些缺陷的物質(zhì)的合適的熒光粉； 改善熒光粉的涂布技術(shù)，保證熒光粉得到充分而均勻的激發(fā)； 采用其它具有顯色性優(yōu)勢的白光生成技術(shù)路線。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高LED的單燈光通量和輸入功率 目前LED的單燈光通量偏小，獨立應(yīng)用于照明有較大的局限； 其輸入功率也偏小，需要較多的外圍應(yīng)用電路配合。 LED要進入照明領(lǐng)域，必須提高LED的單燈光通量和輸入功率。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高LED的單燈光通量和輸入功率 提高LED的單燈光通量和輸入功率的途徑有： 1. 在輸入功率一定的前提下，提高LED的發(fā)光效率是獲取更大單燈光通量的最直接的途徑；2. 采用大面積芯片封裝LED，加大工作電流，可以獲得較高的單燈光通量和輸入功率； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高LED的單燈光通量