LED封装技术介绍

LED封装技术介绍正装结构与倒装结构封装工艺流程目录1234LED封装的概述LED芯片主要的两种流派结构介绍LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术5国内外LED封装产业总体发展分析国内外重点LED封装企业的产品及技术分析研发低热阻、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。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，需加入电流之后它才会发光。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。LED的封装是为了维护本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度的影响，以及防止组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下列几点：(1)防止湿气等由外部侵入；(2)以机械方式支持导线；(3)有效地将内部产生的热排出；(4)提供能够手持的形体。LED封装概述封装的必要性封装的作用封装的目的LED芯片主要的两种流派结构介绍LED正装芯片是最早出现的芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石为衬底，电极在上方，从上至下材料为：P-GaN、发光层、N-GaN、衬底。正装结构有源区发出的光经由P型GaN区和透明电极出射，采用的方法是在P型GaN上制备金属透明电极，使电流稳定扩散，达到均匀发光的目的。正装结构介绍图表1：LED正装结构示意图LED芯片主要的两种流派结构介绍蓝宝石衬底的正装结构LED以工艺简单、成本相对较低一直是GaN基LED的主流结构。目前大多数企业仍采用这种封装结构，在我国LED生产技术较国际水平仍有一定差距的情况下，多数企业为节约生产与研发成本，仍在采用正装封装技术，正装结构LED在国内市场上仍有很大的市场。LED正装结构优缺点应用现状该结构简单，制作工艺相对成熟。然而正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LEDp、n电极在LED的同一侧，电流须横向流过N-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。LED芯片主要的两种流派结构介绍倒装芯片焊接（Flip-chipBonding）技术是一种新兴的微电子封装技术，它将工作面（有源区面）上制有凸点电极的芯片朝下，与基板布线层直接键合。是在芯片的P极和N极下方用金线焊线机制作两个金丝球焊点，作为电极的引出机构，用金线来连接芯片外侧和Si底板。LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座。倒装结构介绍图表2：LED倒装结构示意图LED芯片主要的两种流派结构介绍LED倒装结构优缺点优点：1、没有通过蓝宝石散热，从芯片PN极上的热量通过金丝球焊点传到Si热沉，Si（硅）是散热的良导体，其散热效果远好于靠蓝宝石来散热。故可通大电流使用；2、尺寸可以做到更小，密度更高，能增加单位面积内的I／O数量；光学更容易匹配；3、是散热功能的提升，使芯片的寿命得到了提升；4、是抗静电能力的提升；5、是为后续封装工艺发展打下基础。2、倒装LED颠覆了传统LED工艺，从芯片一直到封装，这样会对设备要求更高，就拿封装才说，能做倒装芯片的前端设备成本肯定会增加不少，这就设置了门槛，让一些企业根本无法接触到这个技术。缺点：1、倒装LED技术目前在大功率的产品上和集成封装的优势更大，在中小功率的应用上，成本竞争力还不是很强。应用现状目前，做此类芯片的厂商还很少，对制造设备的要求比较苛刻，制造成本还比较高。因此，在市场应用还不是很广泛，但应用前景广阔。实际应用LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍引脚式封装工艺流程LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍固晶站焊线站灌胶站测试站分光站1W大功率LED封装工艺流程LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍1W大功率LED封装工艺流程LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍1W大功率LED封装工艺流程LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---固晶扩晶由于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。采用扩晶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。扩晶机芯片检验镜检：材料表面是否有机械损伤及细微的坑洞。LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---固晶点胶在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。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。主要工艺说明►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。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。点胶与备胶点胶机备胶机LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---固晶固晶用的银胶银胶应存放于冰箱冷冻，使用时，必须置于室温下进行解冻90min以上。如果是大罐银胶，需回温3h以上，回温完成后，需分装成小罐装后冷藏于-5℃。银胶还需要搅拌，回温后使用玻璃棒或不锈钢棒进行搅拌，搅拌棒需用丙酮等溶液清洗干净。完成固晶，需进行烘烤。烘烤条件：150℃，1h。烤后推力测试应大于70g。固晶机通过真空吸附吸起芯片，吸附时，芯片下面有一个针头将芯片顶起，刚好由真空吸口吸住，带着芯片的真空吸口摆90°到支架处，去真空，同时并给一点压力将芯片压在银胶上，完成放置芯片，监控图像，及时调整芯片位置，及时添加银胶和控制胶量大小。固晶固晶机银胶LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---焊线焊线是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。焊线机LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---焊线金线焊线机的原理：利用温度、压力、超声波振荡的能量在一定时间的配合下，完成引线连接动作。焊接的过程是将金线末端采用电子打火棒打火烧结成金球，再利用焊针经由超声波振荡能量在一定的焊接压力下让金球与焊垫产生相对的摩擦运动，并借由快速摩擦产生的能量使金球与焊垫达到离子程度的熔接。LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---焊线影响焊线的因数第一焊点焊接时间第一焊点功率第一焊点压力第二焊点焊接时间第二焊点功率第二焊点压力弧线高度反向弧度参数弧度因素线径尺寸（WS）预加热时间加热温度焊区温度尾线长度焊接时劈刀离离芯片高度压线板压力LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---焊线LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---焊线焊线的拉力测试拉力断点描述可能原因可能风险A一焊球与芯片焊垫脱离一焊参数不良或芯片焊垫氧化等缺亮B线颈部位断裂线颈受损变细缺亮C线弧拉断无无风险D键合部位脱离二焊参数不良缺亮E二焊球与PCB脱离二焊参数不良或金属镀层不良缺亮LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---点荧光粉普通的LED芯片本身无法直接发出白光chipchipchipWhitelight三基色芯片发光混合成白光目前白光LED主要通过三种型式实现：采用红、绿、蓝三色LED组合发光，即多芯片白光LED；采用蓝光LED芯片和黄色荧光粉，由蓝光和黄光两色互补得到白光，或用蓝光LED芯片配合红色和绿色荧光粉，由芯片发出的蓝光、荧光粉发出的红光和绿光三色混合获得白光；利用紫外LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉得到白光。LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---点荧光粉配色原理芯片发出的光颜色荧光粉发光的颜色LED最终颜色影响光色的因素芯片的波长与光强荧光粉的特性（色坐标位置）荧光粉与胶水的比例荧光粉胶的点胶量搅拌条件，均匀度荧光胶的粘度点胶设备参数控制…添加剂的比例（加强散射和吸收）LED芯片LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---点荧光粉色坐标唯一确定一个颜色，对应唯一的色温；但色温不对应唯一色坐标。所以企业使用色坐标参考led颜色，使用色温作为区分冷暖光。注：同一色温下，仍有不同的颜色。配粉胶的时候，粉量的多少和芯片大小有关。其他要求不变时，大芯片下需要加更多的粉（指荧光粉和红粉），因为同样大小的碗杯，放置大芯片之后存放粉的量减少，因此需增加粉的比例；粉量大小还和芯片波长有关，如果波长增加，激发能力减弱，需要加多粉才能达到小波段芯片时的颜色。色坐标注意：为了生产的一致性，点完荧光粉后需放置半小时后再进烤箱烘烤。烘烤条件：150度，1~1.5小时。配粉和胶之后，需搅拌15~20min，然后抽真空，除去空气气泡荧光粉必须在3小时内用完，放置较久必须重新搅拌，抽真空。LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍---填充胶点完荧光粉需进烤箱烘烤1h，温度150℃。烤完LED的色温会升高，xy色坐标会下降。1.点胶：手动点胶封装对操作水准要求很高，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的点胶还存在萤光粉沉淀导致出光色差的问题。2.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。3.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。LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED正装结构的封装介绍LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍主要工艺步骤：第一步：凸点底部金属化(UBM)第二步：芯片凸点第三步：将已经凸点的晶片组装到基板／板卡上第四步：使用非导电材料填充芯片底部孔隙倒装芯片工艺概述LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍第一步：凸点下金属化（UBM，underbumpmetallization）第二步:回流形成凸点LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍——制作凸点凸点常用的材料是Pb/Sn（铅/锡）合金，因为其回流焊特性如自中心作用以及焊料下落等。自中心作用减小了对芯片贴放的精度要求。下落特点减小了共面性差的问题。95Pb/5Sn或者97Pb/3Sn的回流焊温度较高：330-350C。根据芯片的其它部分、有机基板等的工作温度要求，开发出了高锡焊料，如37Pb/63Sn的回流温度为200C左右.LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍——制作凸点电镀焊料凸点钉头焊料凸点放球凸点印刷焊料凸点焊料转移凸点常见的凸点形成办法蒸镀焊料凸点LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍——蒸镀焊料凸点蒸镀焊料凸点示意图LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍——蒸镀焊料凸点蒸镀凸点步骤示意图钝化晶片聚酰亚胺类耐高温钝化最终的金属垫铬/铬-铜/铜/金LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术LED倒装结构的封装介绍——蒸镀焊料凸点现场对硅片溅射清洗（a）：在沉积金属前去除