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SMD LED BT板介绍1 前言近几年伴随着手机、LCD显示的快速增长，市场对贴片发光二级管(SMD LED)的需求也越来越大，作为贴片发光二级管载板-BT板也逐渐走向热门。目前中国市场上使用的BT板大部分都是进口的，主要来自日本、韩国以及台湾地区的产品，掌握制造BT板核心技术的中国内地企业少之又少，环基公司走在了这领域的前面，经过近两年的开发研究，在工艺、品质方面做得比较成熟、稳定，并不断的发展创新，形成自己的核心技术，这这领域占领了一定的市场份额。2 BT板概述BT板是指以BT基板为材料加工成PCB的统称，而本文所提BT板是指应用在贴片发光二级管(SMD LED)产品上面的PCB载板，属于特殊PCB种类，是最简单的IC 载板。与普通PCB不同的是应用不同的PCB基板，目前市场上BT基板主要是使用日本三菱瓦斯公司开发的BT树脂，主要以B (Bismaleimide) and T (Triazine) 聚合而成。以BT树脂为原料所构成的基板具有高Tg(255330)、耐热性(160230)、抗湿性、低介电常数(Dk)及低散失因素(Df)等优点。BT铜箔基板(应用在SMD LED上面)以CCL-HL 820系列为主，现在发展到最新版本型号为CCL-HL 820WDI，主要厚度规格有0.10、0.20、0.40及0.46mm，BT铜箔基板所覆盖的铜箔厚度规格有1/2oz、1/3oz ，因此相对应的BT板成品厚度有0.18+/-0.03mm、0.28+/-0.03mm、0.48+/-0.03mm、0.54+/-0.03mm。现有的BT板主要是以双面板为主，按导通方式不同可分为钻孔板和锣槽板，按表面处理可分为电镀金和电镀银两种，目前市场上主要以电镀金工艺为主，随着电镀银工艺在BT板中的应用，正顺应市场对LED亮度的需求。3 电镀银工艺的应用随着LED行业的兴起至今，所谓的LED暴利时代已经结束，特别是内地企业LED企业的成长，使得LED行业竞争越来越激烈，一场没有硝烟的战场在LED行业内展开，各LED生产商都在寻找办法使自己的产品在市场上占得更大的份额，或优化工厂管理降低成本、或开发新材料及提高IC的性能。SMD LED产品的成长就是LED行业的一个缩影，镀银工艺就在这样的背景下诞生的。一项新工艺的出现，必然要有其独特的优越性，才能得到广泛的应用，并最终代替或取代传统工艺。镀银工艺在BT板中的应用就使SMD LED产品的性能提高了很多，特别是亮度方面的提高最为突出，对当前LED产品，亮度的提高就意味着价值的提高，使LED产品提高到更高的台阶。LED封装类型产品简介：Side View LED 开发在手机背光市场，NB背光市场，其特点是低耗能，亮度高，在色系上面可多从选择。特性：能耗低、亮度高、高显色性应用领域：手机背光、NB背光、照明、数码相机等产品简介：SMD LED 供应的专业厂商，拥有高度的封装能力。 TOP系列产品适用于众多领域，主要特点为顶部发光，以其各种颜色与外型，在照明业赢得顾客们的喜爱。特性：高可靠性、高亮度、颜色可选度丰富应用领域：照明、汽车光源、背光、玩具等产品简介：Chip view LED其薄与小的体型，正适合于当今追求越来越小的电子应用产品，颜色丰富、尺寸选择灵活是其最大的优势。特性：低能耗、大角度、超薄设计应用领域：汽车仪表、通信指示、背光系列等产品简介：LAMP led特性：可靠度高、外型丰富、低能耗应用领域：指示应用、汽车仪表、背光、显示屏等产品简介：High power led系列产品可满足对各种角度的要求，可用于各种照明，如射灯、车灯、路灯、家用照明等特性：高亮度、低能耗应用领域：照明、灯饰市场产品简介：High Flux LED系列产品形状特殊，散热条件好，广泛应用于汽车、照明行业。特性：体积小、高亮度、发光角度大、功耗低应用领域：背光源与信号指示等LED显示屏中发光二极管显示应用（LED： Light Emitting Diode）已日趋在固体显示中占主导地位。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化而易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。由组成半导体的材料不同而可以得到能发出不同色彩的LED晶点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色LED。罗塞夫（Lossew o。w。）在1923年就发现了半导体SiC中偶然形成的PN结中的光发射，但利用半导体的PN结电致发光原理制成的发光二极管只是到了60年代后期才得以迅速发展。近年来，由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。从显示方面讲，LED可以显示文字、数字（数码管），也可以显示图形图像（LED矩阵模块），从应用方面，LED显示即可以用于室内环境，也可以用于室外环境。浅谈大功率亮度LED灯泡导热导电银胶和封装技术大功率LED导电银胶及其封装工艺一 LED导电胶、导电银胶导电胶是IED生产封装中不可或缺的一种胶水，其对导电银浆的要求是导电、导热性能要号，剪切强度要大，并且粘结力要强。 UNINWELL国际作为世界高端电子胶粘剂的领导品牌，公司以“您身边的高端电子粘结防护专家”为服务宗旨。公司开发的贴片胶、导电胶、底部填充胶、TUFFY胶、LCM密封胶、UV胶、太阳能电池组件密封胶七大系列光电胶粘剂具有最高的产品性价比。公司在全球拥有近百家世界五百强企业客户，最近，UNINWELL国际与上海常祥实业强强联合，共同开发中国高端电子胶粘剂市场。UNINWELL国际开发的导电胶和导电银胶导电性好、剪切力强、流变性也很好、并且吸潮性低。特别适合大功率高高亮度LED的封装。公司的专门开发的6886系列导电银胶，特别适合大功率高亮度LED用，导热系数为：25.8 剪切强度为：14.7，为行业之最。二 封装工艺 1. 大功率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. 大功率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。浅谈LED商业灯封装工艺说明以及封装工艺流程1.LED商业灯芯片检验镜检：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2.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。3.点胶在LED商业灯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。4.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。5.手工刺片将扩张后LED商业灯芯片（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.2.1 LED显示屏基色波长的选择 LED显示屏在各行各业有着非常广泛的应用,而在不同的应用场所对LED的基色波长有着不同的要求,对于LED基色波长的选择有些是为了取得良好的视觉效果,有些是为了符合人们的习惯,而有些更是行业标准、国家标准甚至国际标准的规定。比如,对全彩色LED显示屏中绿管基色波长的选择；早期大家普遍选用波长为570nm黄绿色LED,虽然成本较低,但显示屏的色域较小、色彩还原度差、亮度低。 而在选择了波长为525nm的纯绿管之后,显示屏色域扩大了近一倍,且色彩还原度大幅提高,极大地提高了显示屏的视觉效果。再比如,证券行情显示屏,人们通常习惯于用红色表示股价上涨、用绿色表示股价下跌、而用黄色表示平盘。而在交通行业则是由国家标准严格规定了蓝绿波段表示通行、红色波段为禁行。因而,基色波长的选择是LED显示屏重要环节之一。2.2 LED显示屏白场色坐标的调配 白场色坐标调配是全彩色LED显示屏最基本的技术之一。但是在二十世纪90年代中期,由于缺乏行业标准和基本的测试手段,通常只是靠人眼、凭感觉确定白场色坐标,从而造成严重偏色和白场色温的随意性。 随着行业标准的颁布和测试手段的完备,许多制造商开始规范全彩屏配色工艺。但是仍然有部分制造商由于缺乏配色的理论指导,常常以牺牲某些基色的灰度等级来调配百场色坐标,综合性能得不到提高。LED显示屏色度均匀性问题一直以来是困扰业内人士的一大难题,一般认为LED的亮度不均匀可以进行单点校正,来改善亮度均匀性。而色度不均匀是无法进行校正的,只能通过对LED色坐标进行细分和筛选来改善。 随着人们对LED显示屏的要求越来越高,只对LED色坐标进行细分和筛选已无法满足人们挑剔的目光,对显示屏进行综合校正处理,使色度均匀性得到改善是可实现的。 在CIE1931色度图中,按重力中心定律,我们发现：在G档范围内(abcd)的任意一点绿色混合一定比例的红色和蓝色,都可以将混合色的色坐标调整到直线cR和直线dB的交叉点O。 如图1所示(abcd),我们发现即使是国际第一品牌同一档LED也存在较大的波长偏差和色饱和度偏差,而且该偏差范围大大超过了人眼对绿色色差鉴别的阈值 因此,进行色度均匀性校正是有重要意义的。 当然,从图一中我们可以看出该方法虽然可以使色度均匀性极大地改善。但是,经过校正后的色饱和度明显下降。同时,采用红和蓝来校正绿色色度均匀性的另一个前提是同一个象素内红绿蓝三种LED尽可能采用集中分布使得红绿蓝的混色距离尽可能的近,才能取得较好的效果。 而目前业内通常采用的是LED均匀分布方法将会给色度均匀性校正带来混乱。另外,数以万计的红绿蓝LED色坐标的测量工作如何展开也是一个极为棘手的难题。对此我们给了提示。 led封装技术及结构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：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 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。 进入21世纪后，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100ImW，绿LED为501mW，单只LED的光通量也达到数十Im。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。 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，商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市，如表1所示，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，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如表2所示，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，已在LED显示市场中占有一定的份额，有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市，成为今后LED的中、长期发展方向。 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*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；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(俗称鱼眼透镜)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(最多可达201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。 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，日本2000年生产白光LED达1亿只，发展成一类稳定地发白光的产品，并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高，以局部装饰作用为主，追求新潮的电光源。 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*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。 表3示出常见的SMD LED的几种尺寸，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400KW，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，研发在35V、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4431mW绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；匕尺寸为2525mm，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14W，只有常规LED的110；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(使其不导电)的多芯片组合，底座直径3175mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375254)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。 LED发展及应用前景 近几年，LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，广泛用于大面积图文显示全彩屏，状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源，汽车组合尾灯及车内照明等等方面，其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED，用作固体照明器件的经济性显著，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在20以上，美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。目前，普通白光LED发光效率251mW，专家预计2005年可能超过3001mW。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域，被学术界和产业界认为是LED进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯、白光LED必须具有1502001mW的光效，且每Im的价格应明显低于0015Im(现价约025$Im，红LED为0065Im)，要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究，但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理，LED的发光效率能近似100，因此，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。半导体(LED)封装半导体(LED)封装导读：本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助。 半导体(led)封装业占据了国内集成电路产业的主体地位，如何选择电子封装材料的问题显得更加重要。根据资料显示，90以上的晶体管及7080的集成电路已使用塑料封装材料，而环氧树脂封装塑粉是最常见的塑料封装材料。本文将对环氧树脂封装塑粉的成分、特性、使用材料加以介绍，希望对IC封装工程师们在选择材料、分析封装机理方面有所帮助。 1.LED封装的目的 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： (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。 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。 2.封装所使用的塑料材料 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。 3.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： 31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。 32 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: (1)酸酐类(ANHYDRIDES); (2)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。 33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。 34 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。 35 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。 351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。 352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。 353 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。 36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)。 37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。 38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。 39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.环氧树脂塑粉的基本特性 前面我们已提到一些塑粉所要具备的特性，下面将进一步探讨这些特性。 41耐热性 411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。 412 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。 42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。 421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。 422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(AMMONIUM TUNGSTATE)、柠檬酸钙(CALCIUM CITRATE)为常用。 43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。 431 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。 44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等。 441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。 442 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。 45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。 46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的说法，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。 47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。 48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。 49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