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无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书（论文）LED的封装摘要：本设计主要论述了LED封装技术的发展趋势以及封装的步骤，包括LED封装的生产工艺和封装工艺。以防止湿气等由外部侵入；以机械方式支持导线；有效地将内部产生的热排出；提供能够手持的形体等封装目的阐述了LED封装对产品带来的优异。LED产品应用技术的进步为LED显示屏产品市场扩展和开创新的应用领域提供了创新技术支持。关键词：LED生产工艺、LED封装工艺、封装目的1 引言中国LED显示屏产业起步于上世纪90年代初，发展迅速；进入21世纪以来，LED显示屏产业面临良好的市场发展机遇；一方面，需求不断扩大，电子政务、政务公开、公众信息展示等需求旺盛；另一方面，技术的进步为LED显示屏产品市场扩展和开创新的应用领域提供了创新技术支持，再一方面，奥运会和世博会的契机，加快了该产业的发展。LED显示屏的最大特点其制造不受面积限制，可达几十甚至几百平方米以上，应用于室内/室外的各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等各种信息，具有较强的广告渲染力和震撼力。其高亮度、全彩化、便捷快速的错误侦查及LED亮度的自由调节是市场的发展趋势。相较于白炽灯、紧凑型荧光灯等传统光源，发光二极管(LED)具有发光效率高、寿命长、指向性高等诸多优势，日益受到业界青睐而被用于通用照明(General Lighting)市场。LED照明应用要加速普及，短期内仍有来自成本、技术、标准等层面的问题必须克服，技术方面，包括色温、显色性和效率提升等问题，仍有待进一步改善。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，须从系统的角度去考虑，如LED光源、电源转换、驱动控制、散热和光学等。目前，LED芯片技术的发展关键在于基底材料和晶圆生长技术。基底材料除了传统的蓝宝石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等也是当前研究的焦点。无论是重点照明和整体照明的大功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单辅助照明的小功率芯片，技术提升的关键均围绕如何研发出更高效率、更稳定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成为提升LED照明整体技术指标的关键。在短短数年内，借助芯片结构、表面粗化、多量子阱结构设计等一系列技术的改进，LED在发光效率出现重大突破。相信随着该技术的不断成熟，LED量子效率将会得到进一步的提高，LED芯片的发光效率也会随之攀升。2 LED封装的目的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，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。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（PRSystem），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（heatsink）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。半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等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，以及防止电子组件受到机械振动、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：防止湿气等由外部侵入；以机械方式支持导线；有效地将内部产生的热排出；提供能够手持的形体。以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，适用于可*性要求较高的使用场合。以塑料封装的半导体组件的气密性较差，但是成本低，因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用品的主流。3 LED的封装工艺3.1 生产工艺 生产：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。3.2 封装工艺 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。 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。led按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。 LED封装工艺流程a)芯片检验镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑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b)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。c)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。d)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。e)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.f)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。g)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。h)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。i)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。j)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。k)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。l)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。m)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。n)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。o)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。p)包装将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。芯片检验扩片点胶备胶手工刺片自动装架烧结压焊点胶封装灌胶封装模压封装固化后固化切筋和划片包装测试LED封装工艺流程图3.3 LED封装类型 引脚式封装LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内，其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可*性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为2mm、3mm、4.4mm、5mm、7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。花色点光源有多种不同的封装结构：陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能，引脚可弯曲成所需形状，体积小；金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯，适作电源指示用；闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装，可自行产生较强视觉冲击的闪烁光；双色型由两种不同发光颜色的管芯组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除双色外还可获得第三种的混合色，在大屏幕显示系统中的应用极为广泛，并可封装组成双色显示器件；电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装，可直接替代524V的各种电压指示灯。面光源是多个LED管芯粘嵩谖蚉CB板的规定位置上，采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成，PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式，有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸，供市场及客户适用。LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯，属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。 表面贴装封装早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸3.041.11mm，卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上，研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。近些年，SMD LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可*性、一致性等问题，采用更轻的PCB板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的SMD LED的数据都是以4.04.0mm的焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC-2封装，外形尺寸为3.02.8mm，通过独特方法装配高亮度管芯，产品热阻为400K/W，可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD LED显示器件的字符高度为5.08-12.7mm，显示尺寸选择范围宽。PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示鲜艳清晰。多色PLCC封装带有一个外部反射器，可简便地与发光管或光导相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，为大范围区域提供统一的照明，研发在3.5V、1A驱动条件下工作的功率型SMD LED封装。 功率型封装LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比5mmLED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达1871m，光效44.31m/W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；匕尺寸为2.52.5mm，可在5A电流下工作，光输出达2001m，作为固体照明光源有很大发展空间。Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14/W，只有常规LED的1/10;可*性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位于其中心部位，直径约mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，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。在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。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、制造技术更显得尤为重要。4 封装所使用的材料:4.1封装的常用材料半导体产品的封装大部分都采用环氧树脂。它具有的一般特性包括：成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性。同时为防止对封装产品的特性劣化，树脂的热膨胀系数要小，水蒸气的透过性要小，不含对元件有影响的不纯物，引线脚(LEAD)的接着性要良好。单纯的一种树脂要能完全满足上述特性是很困难的，因此大多数树脂中均加入填充剂、偶合剂、硬化剂等而成为复合材料来使用。一般说来环氧树脂比其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形流动性，并且价格便宜，因此成为最常用的半导体塑封材料。环氧树脂胶粉的组成：一般使用的封装胶粉中除了环氧树脂之外，还含有硬化剂、促进剂、抗燃剂、偶合剂、脱模剂、填充料、颜料、润滑剂等成分，现分别介绍如下： 环氧树脂(EPOXY RESIN)使用在封装塑粉中的环氧树脂种类有双酚A系(BISPHENOL-A)、NOVOLAC EPOXY、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、环氧化的丁二烯等。封装塑粉所选用的环氧树脂必须含有较低的离子含量，以降低对半导体芯片表面铝条的腐蚀，同时要具有高的热变形温度，良好的耐热及耐化学性，以及对硬化剂具有良好的反应性。可选用单一树脂，也可以二种以上的树脂混合使用。 硬化剂(HARDENER)在封装塑粉中用来与环氧树脂起交联(CROSSLINKING)作用的硬化剂可大致分成两类:酸酐类(ANHYDRIDES);酚树脂(PHENOLICNOVOLAC)。以酚树脂硬化和酸酐硬化的环氧树脂系统有如下的特性比较： 弗以酚树脂硬化的系统的溢胶量少，脱模较易，抗湿性及稳定性均较酸酐硬化者为佳；以酸酐硬化者需要较长的硬化时间及较高温度的后硬化(POSTCURE)； 弗以酸酐硬化者对表面漏电流敏感的元件具有较佳的相容性； 费以酚树脂硬化者在150-175C之间有较佳的热稳定性，但温度高于175(2则以酸酐硬化者为佳。硬化剂的选择除了电气性质之外，尚要考虑作业性、耐湿性、保存性、价格、对人体安全性等因素。 促进剂(ACCELERATO OR CATALYST)环氧树脂封装塑粉的硬化周期(CURING CYCLE)约在90-180秒之间，必须能够在短时间内硬化，因此在塑粉中添加促进剂以缩短硬化时间是必要的。现在大量使用的环氧树脂塑粉，由于内含硬化剂、促进剂，在混合加工(COMPOUNDING)后已成为部分交联的B-STAGE树脂。在封装使用完毕之前塑粉本身会不断的进行交联硬化反应，因此必须将塑粉贮存于5以下的冰柜中，以抑制塑粉的硬化速率，并且塑粉也有保存的期限。如果想制得不用低温保存，且具有长的保存期限(LNOG SHELFLIFE)的塑粉，则一定要选用潜在性促进剂(LATENT CATALYST)，这种促进剂在室温中不会加速硬化反应，只有在高温时才会产牛促进硬化反应的效果。目前日本已有生产不必低温贮存的环氧树脂胶粉，其关键乃在潜在性促进剂的选用。 抗燃剂(FLAME RETARDANT)环氧树脂胶粉中的抗燃剂可分成有机与无机两种。有机系为溴化的环氧树脂或四溴化双酚A(TETRABROMOBISPHENOL A)。无机系则为三氧化二锑(Sb203)的粉末。二者可分开单独使用，也可合并使用，而以合并使用的抗燃剂效果为佳。 填充料(LILLER)在封装塑粉中，填充料所占的比例最多，约在70左右，因此填充料在封装朔粉中扮演着十分重要的角色。在塑粉中加入适量适质的填充料，具有下列几个目的：1)减少塑粉硬化后的收缩；2)降低环氧树脂的热膨胀系数；3)改善热传导；4)吸收反应热；5)改善硬化树脂的机械性质与电学性质；6)降低塑粉成本。填充料的种类使用于环氧树脂塑粉中的填充料，除了要能改善电绝缘性、电介质特性之外，尚须具有化学安定性及低吸湿性。一般常用的填充料有以下几种： 1)石英；2)高纯度二氧化硅(使用最为广泛)；3)氢氧化铝4)氧化铝；5)云母粉末；6)碳化硅。二氧化硅(SiO2,Silica)环氧树脂的热膨胀系数平均约为6510-6mcm；，比对封装树脂中的金属埋人件的热膨胀系数大很多。半导体所用的框架(LEAD FRAME)与环氧树脂相差甚远。若以纯树脂来封装半导体元件，由于彼此间热膨胀系数的差异及元件工作时所产生的热，将会产生内应力及热应力而造成封装材料的龟裂。因此加入塑粉中的填充料，除了要能减少树脂与金属埋入件间的热膨胀系数外，也要具有良好的导热功能。二氧化硅粉末可分成结晶性二氧化硅及熔融二氧化硅。结晶性二氧化砖具有较佳的导热性但热膨胀系数较大，对热冲击的抵抗性差。熔融二氧化硅的导热性质较差，但却拥有较小的热膨胀系数，对热冲击的抵抗性较佳。表2是熔融性与结晶性二氧化硅充填的环氧树脂胶粉的性质比较，可看出熔融性二氧化硅除了导热性质较差外，挠曲强度及耐湿性均低于结晶性二氧化硅。此外，填充料用量的多少以及粒子的大小、形状、粒度分布等对于塑粉在移送成形(Transfermolding)时的流动性，以及封装后成品的电气性质均会造成影响，这些因素在选用填充料时均要加以考虑。 偶合剂(COUPLIUNG AGENT)在环氧树脂中添加少量的偶合剂，能产生下列作用：增加填充料与树脂之间的相容性与亲和力;增加胶粉与埋人元件间的接着力;减少吸水性;提高挠曲强度；降低成形中塑粉的粘度，改善流动性;改善胶粉的热消散因子(THERMALDUSSIPATION FACTOR)、损失因子(LOSS FAC-TOR)及漏电流(LEAKAGE CURRENT)。 脱模剂(日ELEASE AGENT)环氧树脂的粘着性良好，对模具也会产生接着力，而影响加工封装完毕后的脱模，因此加入脱模剂来改善胶粉与模具之间的脱模能力。一般常用的脱模剂有：腊、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙等。脱模剂的种类与用量要视塑粉配方(树脂、硬化剂、填充料)而定。脱模剂的用量要适当，如果用量太少会使脱模不易；相反，如果用量过多，不但容易污染模具，更会降低胶粉与埋入框架、引线间的粘着力，直接影响到元件的耐湿性及可*性。下图为脱模剂添加量与接着力的关系，脱模剂添加愈多，胶粉与埋人件间的接着力下降也愈多。 颜料(PIGMENT)通常视成品的颜色来添加颜料。一般的封装胶粉均以碳黑为颜料，因此成品具有黑色的外观。 润滑剂(LUBRICANT) 为了增加胶粉在加工成形中的流动性，有时可加入部分润滑剂来降低粘度。但是此举往往会造成胶粉的玻璃转移温度(Tg GLASS TRANSISTION TEMPERATURE)的降低及电气特性的劣化，因此若有需要加入润滑剂，最好选用反应性稀释剂(RE-ACTIVE DILUENT)，使稀释剂分子能与树脂产生化学结合，以避免T2及电气特性的劣化。4.2 环氧树脂塑粉的基本特性 耐热性玻璃转移温度Tg如果以热劣化性为耐热性的考虑要点，则可以Tg来当做参考值。塑粉的Tg值主要决定于塑粉的交联密度： Tgl=Tg0+knc Tgi：交联后的Tg Tg0：未交联前的Tg K：实验常数 nc：两交联点前的平均原子数。 交联密度愈高，其Tg值也愈高；耐热性愈佳，热变形温度也愈高。一般封装塑粉的Tg值约在160左右，过高的Ts会使成品过硬呈脆性，降低对热冲击的抵抗性。Tg的测定测定Tg的方法很多,目前本所使用热膨胀计(DIALTOMETER)DSC(DIFFERENTIAL CANNING CALORIMETRY)、流变仪(RHEOMETRIC)、TBA(TORSIONAL BRAID ANALYZER)等仪器来测定Tg值。 耐腐蚀性由从事塑胶封装电路的故障分析者所提出的故障成因中，以铝条腐蚀(CORROSION OF ALUMINUN METALLIZATION)所占比例最高，因此耐腐蚀性实为封装塑粉的首要考虑因素。腐蚀的成因就环氧树脂塑粉而言，造成铝条腐蚀的主因为塑粉中所含的氯离子及可水解性氯(HYDROLYZABLE CHLORIDE)。当大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚(LEAD)间的界面，扩散进入半导体的内部，这些侵入的水气会与树脂中的离子性不纯物结合，特别是C1-，而增加不纯物的游动性(MOBILITY)。当这些不纯物到达晶片表面时，即与铝条形成腐蚀反应，破坏极薄的铝层，造成半导体的故障。腐蚀的防止1)降低不纯物含量对半导体封装业者而言，选择低氯离子含量的封装胶粉是必要的。目前一般塑粉中离子性不纯物的含量均在10ppm以下。环氧脂由于在合成过程中使用EPICHLOROHYDRIN，因此无法避免有氯离子的存在，因此树脂要经纯化去除大部分氯离子后，再用来生产封装塑粉。表3为日本厂家的环氧树脂封装胶粉的离子含量及电导度。2)添加腐蚀抑制剂(CORROSION INHIBITOR)在胶粉添加腐蚀抑制剂能减低铝条的腐蚀速率，干扰阳极或阴极的腐蚀反应，因而降低腐蚀全反应(OVERALL REACTION)的速率。所选用的抑制剂要具有如下的性质： 抑制剂中不能含有对电路工作有害的离子； 加入抑制剂后所增加的离子电导度不能产生有害于电路的副反应； 抑制剂需能形成错合物(COMPLEX)； 对有机系抑制剂而言，不能与环氧树脂发生反应，在移送面形成硬化过程中具有安定性； 对无机系抑制剂而言，其所产生的离子不可渗入Si或SiO：绝缘层中，以免影响电路的工作。一般以无机系腐蚀抑制剂的效果最佳。其中以钨酸铵、柠檬酸钙(CALCIUM CITRATE)为常用。 低的热膨胀系数(CTE，COEFFICTENT OF THERMAL EXPANSION)在前面我们已经提过由于树脂与埋人件CTE的不同而产生内应力，造成成品破裂的原因。在此我们将详细介绍CTE对胶粉影响。GTE与内应力的关系内应力可用DANNENBERGS方程式表示：内应力(internal stress) O：热膨胀系数(CTE) E：弹性模数(elastic modulus) S：截面积(cross section area) R：树脂(resin)：埋人件，框架，晶片口nsert component，leadframe,chip) 由方程式(4)中，我们可清楚的看出树脂与埋人件之间的CTE差愈大，所产生的内应力也就愈大。由内应力所引起的龟裂(CRACK)将成为外部湿气及污染侵入的通路，进一步造成元件的故障，因此环氧树脂胶粉必须具有低的CTE值。目前也有人从降低弹性模数来使内应力变小。 432影响CTE的因素 CTE值可由Tg或交联密度来加以控制。此外，以下各因素也会影响CTE： 1)湿气污染；2)可塑剂或润滑剂的流失；3)应力的消失；4)未反应的化学品；5)后硬化的时间与温度。对环氧树脂塑粉而言，要拥有低CTE值必须从填充料上面来着手。一个塑粉配方工程师必须将Tg及CTE常记在心，作为参考及寻找问题的工具，因为低的CTE及高的Tg对热冲击抵抗性而言是十分重要的。 成形性广义的成形性包括半导体封装后的尺寸安定性、离型性(脱模)、加工成形时的流动性等。流动性与漩流试验(SPIRAL FlOW TEST)由于胶粉本身是部分交联的B-STAGE树脂，若贮存不当或贮存过久会增加胶粉交联硬化的程度，而造成流动性的降低，此时即该丢弃此流动性变差的胶粉。一般以漩流实验所得漩流值的大小来判断流动性的好坏，目前封装采用的规格是25-35寸。漩流值过低表示胶粉的流动性差，成形时将无法灌满模子；漩流值过高表示胶粉的流动性太大，容易将埋人件的金属细线冲断并会产生溢胶现象。DSC与塑粉流动性除了漩流试验之外，我们也可利用微差扫瞄式卡计(DSC)来测知胶粉是否仍然具有好的流动性。第一个放热峰为胶粉硬化时所放出的聚合反应热，此放热峰愈高表示胶粉的反应热愈多，也代表胶粉贮存时硬化的程度少，因此具有良好的流动性。放热峰愈低表示胶粉已大部分硬化，只能放出少量反应热，代表胶粉已失去流动性。利用以上原理，我们可以找出放热峰高度与漩流值之间的对应关系。如果所贮存的胶粉经DSC分析后发现放热峰高度减少10以上，表示胶粉已失去良好流动性，宜丢弃不再使用。 电气特性电气性对环氧树脂胶粉而言是一种相当重要的性质，而介电特性(DIELECTRIC PROPERTY)为考虑重点。对封装材料而言，介电常数(DIELECTRIC CONSTANT)愈小其电绝缘性愈佳。介电常数会受频率的改变、温度、湿度的影响。介电常数的变化远比介电常数的起始值来得重要。 此外，成品的密闭封装是很重要的，将直接影响到电学性质。若成品封装不全有空隙存在，除了提供湿气污染的通路外，在接受电压时会发生电晕(CORONA)，使电场集中在空隙前端，引起内部放电而造成绝缘破坏。 耐湿性 湿气侵入半导体元件中与离子性不纯物作用，降低绝缘性，使漏电流增加并腐蚀铝路，此为信赖度降低的主因。湿气侵入封装成品中的路径有两条：由树脂整体(BULK OF PLASTIC)的表面扩散进入；经由树脂与IC脚架间的界面，以毛细现象侵入。 取一个14脚的DIP(DUAl+IN LINE PACKAGE)，在上方打开一个孔洞，孔底可达晶片表面，再将一个设有气体出入口的容器接在DIP的孔洞之上并密封之，然后将此装置浸在100RH的水蒸气或水中，容器内通人干燥的氮气(0RH)，水气即会依上述两种途径侵入而进入容器中，我们利用侦测器测出流出氮气中所含有的水气，而得到全部(两种水气渗透速率之和)的水气渗透率Pt。Pt是经由树脂整体侵入的水气渗透速率Pb及经由界面毛细侵入的水气渗透速率P1之和，及Pt=Pb+P1。我们可取相同材料的树脂封住容器的底部，以同样方法测 出Pb，再将Pt与Pb相减即可求出Pl之值。利用上述方法对塑粉进行评估。根据HARRISON说法，元件若要具有10年的动作寿命保证，则Pl值应该在70以下。我们不妨利用此方法来对环氧树脂胶粉进行耐湿性评估。 硬化时的放热 塑粉在硬化时会放出聚合反应热，如果配方调配不当发热量太大时会造成龟裂并给予元件应力。因此化学工程师在进行塑粉配方研究时应考虑硬化放热量不可过大。事实上塑粉的交联可分成两个阶段。先胶化，再硬化。低分子量的树脂胶化的速度比高分子量者快。促进剂的浓度小，则胶化时间由热或动力决定；如果促进剂的浓度大，则胶化时间由分子扩散至正确的反应位置决定：欲快速胶化则增加热量，所得材料具有低交联密度、高CTE、热收缩性大。欲慢速胶化，则减少热量，所得材料具有较高交联密度、低CTE及较小的热收缩。 抗燃性在UL规格中是以94 V-O为标准的环氧树脂塑粉均能满足此一规格。 接着性与脱模性前面已经提过脱模剂的用量增加，树脂的接着力会降低。若是脱模剂的添加量减少，虽然可使树脂与脚架引线的接着力提高，但是模具和成形品间的接着力也增加，造成脱模的困难。因此脱模剂的添加量要选择接着性与脱模性兼顾者为宜。低粒子效应 (LOW-PARTICLE EFFEC)环氧树脂胶粉中采用二氧化硅为填充料，而二氧化硅是自然界的矿物，含有微量的铀、钍等放射性元素。这些放射性元素在蜕变过程中会放出粒子。DYNAMIC RAMS及CCDS等牛导体元件会受粒子的影响而发生软性错误(SOFF ERROR)。STATIC RAMS、ROMS、PROMS及EPROMS等元件则不受。粒子的影响。当粒子经过活性元件区域(ACTIVE DEVICE REGIONS)时，会在电子与空穴重新结合之 前，使N-区域收集电子P-区域收集空穴。如果在一特定的区域收集到足够的电荷，将会扰乱所贮存的资料或逻辑状态(LOGIC STATES)。如果所收集和产生的电子数超过临界电荷的话，即造成所谓的软性错误。除了填充料之外，基板(SUBSTRATE)、铝条(METALLIZATION)也会放出粒子，但是以填充料为。粒子的主要产生来源。为了避免粒子效应除了可用聚亚酸胺(POLYIMIDE)作为保护涂膜之外，可采用低放射性元素含量的二氧化硅当做填充料。日本已有生产放射性元素含量在1ppb以下的二氧化硅，这些二氧化硅是经过纯化精炼的，价格也较高。对高可*度牛导体元件而言，必须设法避免粒子效应。长期保存性 目前大多数胶粉的胶化时间约在30秒左右，硬化成形后通常需要后硬化，并且又需冷藏贮存。若要发展出能快速硬化，又能在室温(MAX40-45)保存六个月以上而不失胶粉的流动性，则一定要在潜在性促进剂上加以研究与改良。5 大功率LED封装从光学、热学、电学、可靠性等方面，详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展，并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与晶片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料（散热基板、萤光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构中应尽可能减少热学和光学介面，从而降低封装热阻，提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低晶片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式（Lamp LED）、贴片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等发展阶段。随着晶片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。5.1 大功率LED封装关键技术大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。具体而言，大功率LED封装的关键技术包括： 低热阻封装工艺对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择（基板材料、热介面材料）与工艺、热沉设计等。图1 大功率白光LED封装技术 图2 低温共烧陶瓷金属基板LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AIN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热介面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AIN和Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高，绝缘性强、如图3所示。其中氮化铝（AIN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.010-6/（与矽的热膨胀系数3.210-6/相当），从而降低了封装热应力。图3 覆铜陶瓷基板截面示意图研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的介面在高温下可能存在介面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少介面和介面接触热阻，增强散热。因此，晶片和散热基板间的热介面材料（TIM）选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热介面材料，可大大降低介面热阻。 高取光率封装结构与工艺在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高矽胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，矽胶内部的热应力加大，导致矽胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。萤光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，萤光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1m以上，折射率大于或等于1.85，而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在萤光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10%-20%），并能有效改善光色质量。传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coating）技术可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method, SPE），通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60%），如图4（c）。图4 大功率白光LED封装结构总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将萤光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了萤光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学介面数，也是提高出光效率的有效措施。 阵列封装与系统集成技术经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图5所示。图5 LED封装技术和结构发展引脚式（Lamp）LED封装引脚式封装就是常用的A3-5mm封装结构。一般用于电流较小（20-30mA），功率较低（小于0.1W）的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示幕。其缺点在于封装热阻较大（一般高于100K/W