毕业论文—LED的COB封装.doc

作者 徐晓光 浙江中赛科技有限公司 销售工程师 从事LED蓝宝石衬底和外延片销售和技术服务。 联系方式电话 05782022017湖 北 大 学本 科 毕 业 论 文 （设 计） 题 目 LED的COB封装 姓 名 徐晓光 学 号 2008221105200044 专业年级 08级电子科学与技术 指导教师 王文峰 职 称 教授 2012年4月30日目 录绪论1 LED的发光原理 2 1.1 LED的简介 2 1.1.1 LED的发光原理 3 1.1.2 LED的主要性能参数 3 1.2 LED热效应的影响 5 1.2.1 LED的热效应对pn结正向偏压的影响 5 1.2.2 LED的热效应对光通量的影响 6 1.2.3 LED的热效应对光色的影响 6 1.2.4 LED的热效应对寿命的影响 7 1.2.5 LED的电流效应对光色的影响及及解决办法 7 1.3 本章小结 7 2 LED封装简介 7 2.1 LED小功率封装 7 2.1.1 产品封装结构类型 8 2.2 小功率LED封装技术介绍 9 2.3. LED外延片简介 12 2.3.1 红黄光LED 13 2.3.2 蓝绿光LED 13 2.4 大功率LED封装技术与发展趋势 14 2.5.COB封装技术 21 2.5.1 COB光源成主流 21 2.5.2 COB在国内的发展现实 23 3 LED散热 24 3.1散热的意义和解决方法 24 3.1.1 结温与热阻 24 3.1.2 常用加快LED热量散发的方法 24 3.2 本章小结 27 结论 28 参考文献 致 谢 LED的COB封装 摘 要 论文主要介绍LED产生的背景和它的结构、工作原理、主要的性能参数等，LED在实际应用中的优势伴随着使用范围的扩大而出现的不足和技术上的问题都亟待解决。LED以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，有望成为新一代理想的固态节能景观照明光源。但是随着LED 向高光强、高功率发展，LED 的散热问题日渐突出。散热问题影响到 LED 的光输出特性和器件的寿命。本文说明了解决关于LED散热的一些问题。及散热解决的LEDCOB封装的特点及优势。【关键词】：LED；散热；COB The LED COB package Abstract make a summary：The paper mainly introduces the background of LED. And its structure, working principle, main performance parameters, LED in the practical application of the advantage with the enlargement of the scope of application and problems and technical problems to be solved urgently.LED with its small size, low power consumption, long service life, environmental protection and other advantages, is expected to become the ideal of a new generation of energy-saving solid-state lighting sources.But with the LED to high intensity, high power development, LED heat dissipation problems have become increasingly prominent.Heat dissipation problems affect LED light output characteristics and the service life of the device.This paper illustrates the solution of some problems about the LED heat sink.And the heat of solution of the LEDCOB package characteristics and advantages.【Key words】: LED COB; heat radiation;1 绪论自从 1879 年美国科学家爱迪生发明白炽灯，照明发展到今天，已经不只是一项简单的满足人类基本生活需要的技术，而是改善人民生活，推动经济社会文化发展的物质条件，是城市文明进步和现代化建设的象征。LED，人类照明史的第四次革命LED是一种发光的半导体元件，被公认是21世纪最具发展前景的高技术产品之一，在引发照明革命的同时，也为推动节能减排、环境保护做出重大贡献。随着政府的大力推广和全球产业梯次转移，未来的照明，将是LED的时代。首先，LED属于低压供电，减少了为达到绝缘要求的开销；其次，它的结构简单， 属于固体光源，不充气、不存在气体密封性问题，不要玻璃外壳，耐冲击，耐振动，不易破碎；再次，LED是冷光源，可控性好，响应时间快，可反复频繁亮灭，不会疲倦；第四，LED光源的色彩纯正、丰富，可演变任意色彩，胜过了彩色金卤灯，其装饰性无与伦比。另外，LED光源轻质结构（环氧树脂和硅胶封装），体积小巧，能适应多种几何尺寸和不同空间的大小，其特点决定了它的灯具强度和刚度比其它电光源的要求低。LED光源的精巧，使它的柔性化很好，可形成多种点、线、面、球等形状。根据景观照明装饰美化的目的，LED光源通过微智能化控制技术，其变化可做成适合点、线、面、球及其他异型：闪变（闪烁）控制，适合形成“点、线”，渐变（柔变）控制，适合形成“面”；动变（跳跃）控制，适合形成图案的纵向、横向动感变化。以上三种变化亦可变成球体的旋转运动，也能做到单体控制和群体控制。 1 LED光源的发光原理1.1 LED的简介 LED（Light Emitting Didoe），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂（硅胶）封装起来。半导体晶片由三部分组成，一端是P型半导体，空穴占主导地位，另一端是N型半导体，这里主要是电子，之间通常是1-5个量子阱，当电流通过导体作用于这个晶片时，电子和空穴就会被推向电子阱，在量子阱内电子与空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED的发光原理。而光的波长也就是光的颜色，由形成PN结的材料决定。 图1.1 LED的基本结构1.1.1 LED的发光原理LED发光原理可以通过能带结构解释，如图1.2所示，N区导带底附近有大量迁移率很高的电子，P区中存在较多的迁移率较低的空穴。虽然存在大量的空穴和电子，但在常态时，由于PN结的阻挡，空穴和电子不能发生自然复合。当在PN结上加正向电压时，如图1.3所示，在外加电场作用下，PN结的厚度随着载流子浓度的增加而减薄，结势垒降低，大量的电子从高能态的导带跃迁到价带与空穴复合时。电子与空穴的复合将一部分能量以光子的形式转换为光能，或者以光子的形式转换为热能。当在PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 图1.2 热平衡条件下Pn结的能带图 图1.3外加正偏电压下pn结的能带图严格说来，二极管发光分为两种:第一种是注入的电子与价带空穴的直接复合或者电子先被发光中心捕获后再与空穴复合，发出的光均为可见光。第二种是注入的电子的一部分被非发光中心捕获后再与空穴复合，发出的光为不可见光。LED发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高，发光效率越高。LED所发的光波波长入取决于材料的禁带宽度，满足,其中h为普朗克常数，c为真空中的光速。因此，选用禁带宽度不同的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的LED，现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管。1.1.2 LED的主要性能参数1.发光效率：发光效率是LED的一个重要的性能指标，用l m/W来表达。发光效率包括内量子效率和外量子效率、提取效率及流明效率。内量子效率指单位时间内芯片有源区发出光子数与注入芯片电子数之比，与材料的种类、质量有关，目前随着芯片外延技术的发展和MOCVD技术的成熟，LED芯片的内量子效率均大于98%。外量子效率是指芯片输出光子数与注入芯片电子数之比。提取效率指芯片输出光子数与芯片有源区发出光子数之比。流明效率肠指器件输出光通量与输入器件电功率之比。内量子效率和外量子效率都反映了LED的光电转换效率。一般来说，发光效率是指外量子效率。内量子效率、外量子效率和提取效率之间的关系可以由下面的表达式表示： (1-1)其中J(x，y）力表示有源层中的电流密度。由于流明效率除了和LED的外量子效率有关外，还与人的视觉函数有关，因此，对于发可见光的LED而言，其流明效率较量子效率更受关注。LED器件流明效率的大小，取决于光谱流明效率和能量损耗相关等几个效率的大小。随着能量损耗相关效率的逐步提升，LED器件流明效率也朝着其极限值光谱流明效率逐步提高。在量子效率相同的情况下，绿光具有最高的流明效率。目前国内外的研制者常常结合光学原理，在芯片的外延结构和工艺方法上进行探索，以制造出发光效率较高的LED芯片。目前采用电流扩散层、高低电阻系数层、厚窗口层等方法可以促使电流扩散，提高PN结发光效率，利用布喇格反射层、透明衬底、表面电极吸收。目前的主流结构有采用GaP厚窗口层的InGaAIPLED芯片结构，采用GaP透明衬底的 InGaAIPLED芯片结构以及采用ITO透明电极的 InGaAIPLED芯片结构。 2.发光强度：发光强度是用来表征LED在特定发光方向的单位立体角的发光强弱，通常用法向光强表示，位于法向方向光强最大，其与水平面交角为。当角度偏离正法向，光强也随之变化。由于LED在不同的空间角度光强相差很多，因此发光强度是一个同半角宽度和光强角分布联系密切的特征参数。发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布特性，主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)，这个参数有着很重要的实际意义，因为直接影响到LED显示装置的最小观察角度。对于光通量相同的LED，角度越大，对应的发光强度越小，但由于光强角分布的不同，光强和半角宽度二者之间没有一个固定的函数关系。为了获得 高指向性的角分布，通常采用LED管芯位置离模粒头远些、使用圆锥状(子弹头)的模粒头以及封装的环氧树脂中不添加散射剂灯措施。3.寿命：我们把LED的亮度衰减到初始亮度的一半所需时间称为LED的寿命。LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象被称为老化。器件老化程度与外加恒流源的电流密度有关，近似遵从如下规律： (1-2) 其中式中是初始亮度，是老化时间为t的亮度，j是外加恒流源的电流密度，r是老化时间常数。测量LED的寿命要花较长时间，通常以以下方法测量:给LED通以一电流密度为j的恒流源，先测得，再点燃小时后，测得和代入公式求得,再令代入公式（1-2），即可求得LED的寿命。长期以来，对于小功率LED而言，现在普遍寿命为3万小时左右。4.IV特性：LED的IV特性也是表征LED芯片PN结制备性能主要参数之一。由于核心部分均为PN结，所以LED的IV特性和普通二极管大致一样，也具有非线性、整流性质、单向导通性，即PN结正偏时表现低接触电阻，反偏时表现为高接触电阻，不同的LED对应的开启电压也不同，如GaAs为1V，GaAsP为 1.2V，GaP为 1.4V，GaN为2.5V。电流I与外加电压V呈指数关系，符合以下的表达式： (1-3)其中是LED反向饱和电流，k是波尔兹曼常数，T是LED所处的工作温度，n是复合因子，当n=1时，扩散电流起支配作用，当n=2时，深能级进行复合的电流起支配作用。1.2 LED热效应的影响 发光二极管由III-IV族化合物，如GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体制成，其核心为PN结。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的20%-30%转化为光能(量子效应)，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余70%-80%的能量转化为热能。与传统的照明器件相比，白光LED的发光光谱中包含少量红外部分，所以其热量主要不能依靠辐射释放。根据美国光电产业协会(OIDA)的研究报告，只有当单个封装的大功率LED器件功率达到7.5W，才有可能替代现有的光源，成为民用照明的主要光源。对于瓦级高功率LED而言，芯片尺寸仅为 1mm*lmm2.5mm*2.5mm也就是说芯片的功率密度很大，如果不能及时散热，不仅会对LED本身产生影响，而且会给整个产品带来困扰。对于多个白光LED阵列式照明系统而言，热量的耗散问题更严重。以下的部分将对热效应对LED产生的影响进行讨论。1.2.1 LED的热效应对pn结正向偏压的影响 LED额定工作电流一般为几十甚至几百毫安，在这种情况下，由于PN结的欧姆接触引起的压降不容忽略。恒流驱动时，PN结电压与温度具有良好的线性关系，二者可以近似用下式表示: (1-4) 其中为LED的PN结结温为T时的正向偏压，为PN结结温为T0时的正向偏压，为电压随温度变化系数，与芯片、尺寸等有关，如表1.2所示。对于LED而言，由于0，随着PN结温度的升高，LED正向电压减小。发光材料沉底材料发光波长芯片尺寸（mV/）InGaNSiC405nm350um*350um-1.36InGaNSiC470nm350um*350um-2.90InGaNSiC505nm350um*350um-2.66AlGaInPGaAs625nm350um*350um-1.30AlGaInPInP690nm350um*350um-0.72AlGaInPGaAs625nm508um*508um-2.19AlGaInPGaAs690nm508um*508um-1.98 表1.2 不同材料芯片的电压温度系数恒压驱动时，由公式(1-3)可知，随着温度的升高，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加，而导致PN结的反向饱和电流Is增大。温度每升高10，Is约增加一倍。虽然，随温度升高而减小，但不如Is随温度升高得快，因此PN结的正向驱动电流随温度的上升而增大，从而促使PN结温度更高，造成恶性循环。如果PN结温度持续上升，热平衡少子浓度进一步增加。本征激发很快增加，本征激发的载流子浓度远远大于杂质浓度，本征激发占支配地位，PN结的欧姆接触电阻随着温度急剧下降。在极端情况下，杂质半导体就变得与本征半导体相似，PN结也就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，就有一个最高工作温度的限制。通常LED的PN结安全工作温度为110。1.2.2 LED的热效应对光通量的影响 光通量（luminous flux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。光通量的单位为“流明”。光通量通常用来表示，在理论上其功率可用瓦特来度量，但因视觉对此尚与光色有关。所以度量单位采用，依标准光源及正常视力另定之“流明”来度量光通量。单位：流明（lm）。光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能数量。流明(lm)是国际单位体系 (SI)和美国单位体系(AS)的光通量单位。如果想将光作为穿越空间的粒子(光子)，那么到达曲面的光束的光通量与1秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。 LED光通量的输出随着PN结温度的升高而单调下降。不同材料系，其输出光通量对于PN结温度的温度系数不同，即使对于同一材料系而言，由于各组分的比例不同，其温度系数也不同。通常GaN基的LED的光通量与PN结温度的关系为负线性关系，而AIGalnP基的LED的光通量与PN结温度的关系为负指数关系。GaN基LED的光通量随PN结温度变化很小，如蓝光LED，当PN结结温在-20120之间变化时，光通量的变化不到10%，相反，对于AIGalnP基的红光、绿光、蓝光LED而言，PN结温度为80时的光通量都只有结温为25时的50%。1.2.3 LED的热效应对光色的影响 一般情况下，常温下的光色最为纯正，当PN结温度发生变化时，LED的主波长也会产生一定的变化，即LED的光色也会发生一定变化。不同光色的LED对温度的敏感度不同，绿光LED的敏感度最高，蓝光LED的敏感度最低。对于白光LED而言，随着温度的升高，发射光谱会发生红移现象，在和两种温度下LED的主波长和满足经验公式： (1-5)因此，PN结结温每升高10，主波长向长波长方向移动2nm。同时色温也会减小。1.2.4 LED的热效应对寿命的影响 PN结结温上升时，容易导致芯片、环氧树脂(小功率时用)和导线(金线或银线)等材料物理特性发生变化，从而导致环氧树脂老化，导线接触不良甚至断裂，进而影响LED器件的可靠性，甚至失效。我们知道环氧树脂存在一个玻璃转换温度计。温度由低于向高于过渡时，环氧树脂的热膨胀系数变化很大，迅速膨胀极有可能导致导线键合点位移增大，造成导线过早疲劳甚至断裂。1.2 5 LED的电流效应对光色的影响及及解决办法 LED的工作电流一般都在20mA左右，增大电流可以增大光通量，但是由于电流增大会导致波长的蓝移现象和散热问题，同时热量会对荧光粉造成影响。产生老化现象，也会造成色温的升高，现在一般采取PWM调光方式。频率一般在200HZ，频率过低会听到响声。1.3 本章小结 本章首先概述了LED的结构、发光原理、主要性能参数。然后从半导体材料理论方面分析了LED热效应对其PN结正向偏压、光通亮、光色和寿命的影响，可以看出LED散热不良，会导致其PN结结温升高、正向偏压减小、发光效率降低、光通量大幅衰减、主波长红移、色温变小。影响器件寿命，甚至失效。因此，LED的散热问题（大功率）亟待解决。2 LED封装简介2.1 LED小功率封装 LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但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，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂（硅胶）包封。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。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；管芯折射率与空R气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。 一般情况下，LED的发光波长随温度变化为02-03nm/，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1，LED的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。 LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED光效已达到100Im/W，绿LED为501m/W，目前Cree白光光效达到了254Im/W，单只LED的光通量也达到7-8Im左右。LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。 2.1.1 产品封装结构类型自上世纪九十年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构及垂直结构封装。商品化的超高亮度(1cd以上)，技术的发展和芯片价格的下降。进一步推动下游的封装技术及应用产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。 LED产品封装结构的类型，也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED，应用设计更灵活，有加速发展趋势。固体照明光源有很多产品上市，成为今后LED的主流发展方向。 1. 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。LAMP有被表贴封装取代的趋势，传统LED安置在能承受01W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，产品可靠性高，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、44mm、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；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，在低端大屏幕显示系统中的应用广泛，半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光，只能在封装时借助荧光物质，蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉，间接产生宽带光谱，合成白光；或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。这两种方法都取得实用化，美国科瑞公司的大功率白光处于世界上领先的位置。2. 表面贴装封装在2002年，表面贴装封装的LED(SMD LED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封 装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品。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304111mm，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、可靠性、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，半户外和户外全彩显示屏应用。 常见的SMD LED的尺寸有3528，5050，以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的SMD LED的数据都是以4040mm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(塑封带引线片式载体)-2封装，外形尺寸为3028mm，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508-127mm，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，2.2 小功率LED封装技术介绍 1、扩晶，把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。 2、固晶，在支架底部点上导电/不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定）然后把晶片放入支架里面。 3、短烤，让胶水固化焊线时晶片不移动。 4、焊线，用金线把晶片和支架导通。 5、前测，初步测试能不能亮。 6、灌胶，用胶水把芯片和支架包裹起来。 7、长烤，让胶水固化。 8、后测，测试能亮与否以及电性参数是否达标。 9、分光分色，把颜色和电压大致上一致的产品分出来。 10、包装。一 生产工艺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：用银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，一般采用银丝焊机。(制作白光TOP-LED需要金线焊机)d) 封装：通过点胶，用环氧树脂（硅胶）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。2. 包装：将成品按要求包装、入库。二、封装工艺1. 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。2 . 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。按封装形式分类有Lamp-LED、led TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。3. 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(lockhill)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导电胶或绝缘胶。(对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用导电胶。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。由于导电胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，导电胶的醒料、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导电胶涂在led背面电极上，然后把背部带导电胶的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支架上点上导电胶(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导电胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。导电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银丝压焊两种。银丝压焊的过程，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，压上第二点后扯断银丝。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(银丝)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(银)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。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树脂和支架。(一般的LED无法通过气密性试验) 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，因为环氧树脂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，放入烘箱让环氧树脂固化后，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，将固态环氧树脂放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧树脂顺着胶道进入各个led成型槽中并固化。l) 固化与后固化固化是指封装环氧树脂的固化，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树脂充分固化，同时对led进行热老化。后固化对于提高环氧树脂与支架(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。键合银丝（LED 封装 银线）的介绍：键合银丝，又称“新型银基合金键合丝”。可完全代替昂贵的键合金丝，优于铜丝，其导电性能好、抗氧化性强、容易键合、价格便宜，现已广泛应用于LED封装、芯片封装等领域，性能稳定、焊接牢靠、无须气体保护、无需改装设备，直接调整相关参数即可。与键合金丝比较，新型银基合金键合丝有以下特点：1、价格便宜，是同等线径的金丝的20%左右，成本下降80%左右。2、导电性和散热性都好。3、反光性好，不吸光，亮度与使用金线的比较可提高10%左右。4、在与镀银支架焊接时，可焊性比较好。5、不需要加氮气保护，只要简单调整相关参数即可。2.3. LED外延片简介LED外延片生长的基本原理是：在一块加 LED外延片热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。LED外延片衬底材料选择特点： 1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小 2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强 3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀 4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小 5、导电性好，能制成上下结构 6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小 7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等 8、价格低廉。 9、大尺寸，一般要求直径不小于2英寸。 10、容易得到规则形状衬底(除非有其他特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量。11、在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。 衬底的选择要同时满足以上十一个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。只有美国的科瑞公司能提供高质量的SiC 衬底。台湾的晶元公司不过也在生产，质量一直没过关。LED外延片的衬底材料考虑的因素：1、衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低; 2、衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏; 3、衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降; 4、材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。 目前LED外延片衬底材料，当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。 2.3.1红黄光LED红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，1、GaAs衬底：使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。 2、GaP衬底：使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决