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LED生产工艺及封装技术,方朝锋2007.3.12,第一章LED简介,LED是英文lightemittingdiode(发光二极管）的缩写，属半导体元件的一种它的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，是使用特殊的材料(如GaAs,GaP,GaAsP)和特殊的生产工艺，将电能转化为光能的器件,发光波长=1240/Eg,Eg为半导体材料的禁带宽度,Eg在3.261.63eV的半导体材料才能发出可见光,LED的复合发光,第一节LED的特性参数,1-1.极限参数允许功耗Pm-允许加于LED两端正向直流电压和电流之积的最大值。超过此值，LED将可能因发热损坏。最大正向直流电流Ifm-允许加的最大正向直流，超过此值可能损坏LED.最大反向Vrm-所允许加的最大反向电压。超过此什LED可能被击穿,工作环境Topm-LED可正常工作的温度范围，低于或高于此温度范围，LED将可能不能正常工作，效率大大降低。,1-2.电参数光谱分布和峰值波长Led所发波长并非单一波长，其波长分布大体如右图所示光强最大的波长值即为该Led的峰值波长,峰值波长,发光强度IvLed的发光强度通常指法线方向上的发光强度。一般用mcd来表示。,发光强度测量方向,半值角1/2和视角1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向的夹角。半值角的两倍为视角。正向工作电流If-指Led正常发光时的正向电流值，通常选取If=0.6*Ifm.正向工作电压Vf-在给定工作电流的条件下对应的工作电压，通常为20mA.外界温度升高时Vf会下降。,V-I曲线同普通二极管相似包含有启动阈值电压，反向击穿电压等,阈值,第二节LED分类,按发光颜色分-可分红，橙，黄，蓝，绿等按发光管出光面特征分-可分圆形，方形，矩形，面发光管，侧向管，表面安装微型管等,按结构分-有全环氧包封，金属底座环氧封装，陶瓷底座环氧封装，玻璃封装等按发光强度来分普通亮度Led(Iv100mcd),第三节LED的应用,1.信号指示用（电子设备功能指示、交通信号灯）2.显示应用（指示牌、广告牌、大屏幕显示等）3.车灯（包括前转向灯、后雾灯、倒车灯、制动尾灯、后转向灯、高位刹车灯。大众、通用、一汽丰田、奇瑞、日产、起亚、AUDI、新款别克君威、SANTANA）,4.数码产品用闪光灯5.LCD背光源6.景观照明,第四节LED产业,LED制程可分为上，中，下游三个产业层。上游主要产品为单晶和磊晶片，单晶是原材料的基板，磊晶是在基板上成长不同材料层的单晶膜。中游产品则是将磊晶片蚀刻及制作电极，并切割为晶粒。,下游属封装业，将晶片固定在支架上，再封装成各类LED.我们公司的Led生产就属于“下游属封装业”。,第二章LED封装,LED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。,普通Led的基本结构,第一节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常见封装方式,第二节LED封装工艺流程,2-1.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,常见芯片结构,芯片外形图,2-2.扩片(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。我们采用扩片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。,2-3.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，银胶的配料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。,2-4.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。,2-5.手工刺片（手工固晶）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.,2-6.自动装架（固晶）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。,固晶机,点胶固晶后效果图,2-7.烧结（银胶固化）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。,2-8.压焊（焊线）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。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。,金球,2-9.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）,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。,2-10.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。,2-11.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。,2-12.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。,2-13.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。,2-14.切筋和划片（切脚）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。,2-15.测试分级测试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。,2-16.包装将成品进行计数包装。需要防静电包装。,真空包装,第三章LED材料介绍,第一节晶片晶片的基本构造就是由电极,基板,PN结构成.其中PN结是晶片结构中最重要的部分,晶片发光就是通过PN结的自由电子移动来实现的.,目前晶片常用的电极有金电极,铝电极两种,底部背金属有点背金,全背金两种方式，一般情況下,我們采用全背金,这样是为了保证PN结发出的光线能最大限度地反射出去,但这样电极面积增大,会造成吸收光量的增加.,3-1-1晶片的分类:按组成的种类分为:二元晶片,如GaP/GaP,GaNCOTCO常用晶片:C430-CB290-E1000,ED-011YGU,ED-013YGU,ED-010RN,ED-011RD,三元晶片,如GaAlAs.GaAsP.InGaN等.COTCO常用晶片:C470-CB290-E1000,C505-CB290-E1000,C512-CB290-E1000,C525-CB290-E1000,C525-CB230-E1000,C525-UB230-E1000,C470-CB230-E1000,C470-UB290-E1000,ED-012SRD,ED-011URED-010SR,D-012SO,ED-011HY,四元晶片,如AlGaInPAlGaInAsCOTCO常用晶片:ES-CAYL512,ES-CASO512,ES-CAHR512,ES-CASR512UED-712SYS-MV,ES-CAYO512,UED-712UR-V,UED-712SO-V,按发光颜色可以划分为:红色晶片材质:GaP,GaAlAs,AlGaInP橙色晶片材质:GaAlAsAlGaInP黄色晶片材质:GaAlAsAlGaInP绿色晶片材质:GaP,AlGaInP,(蓝绿BG)BluishGreen(500nm-520nm)(纯绿PG)PureGreen(520nm-550nm)(标准绿SG)StandardGreen(550nm-560nm)(黄绿YG)YellowGreen(560nm-570nm)蓝色晶片材质:SIC.GaNZnSeInGaN,按晶片电极性划分:P/N极晶片N/P极晶片单面双电极晶片,一般为蓝色晶片.如UOE.EmcoreBluechip.,按PN结类型划分:同质结晶片异质结晶片双异质结晶片,按发光类型划分:表面发光型光线大部分从晶片表面发射出来.多面发光型表面，侧面都有较多成份的光线射出,3-1-2晶片的重要性能指标Vf顺向电压,执行LED亮灯之电流对就之二极体的电压值,有电流产生,自由电子作定向移动,存在电位差,产生电压降.Iv光强,LED点亮时所能观测到的亮度值,单位cd(candela),lcd=1000mcd.,p峰值波长,LED晶片发光为杂色光,其所发出的最远的电磁波的发射距离.光谱宽度,晶片的发光为杂色光,它是由不同频率的电磁波组合而成,组成光线的最小频率电磁波与最大频率电磁波之间的距离称为光谱宽度.,Ir反向电流,在限定条件下反向漏电流,为二极体的基本特性,Ir越小越好,产生原因为电子的不规则移动.d主波长.发光体大部分电磁波的发射距离.,晶片发光效率是衡量晶片将电能转化为光能的能力的一个重要指标.=F/(Vf*If)F:光通量,单位为1m.:发光效率,单位为1m/w.,3-1-3提高晶片发光效率的途径提高內量子效率,可从以下三个方面考虑:晶体品质能隙型态元件结构(单质或双质),增加光输出效率:采用电流散布层,減少电极附近光损失.增加基板透光性.,3-1-4生产中多发问題VF升高,主要有以下原因造成:晶片本身品质银胶点得太多银胶烘烤程度不够,因此应严格控制烘烤温度与时间金线焊球大小不当,IR升高,主要有以下原因造成:晶片本身品质银胶点得太多,严重的会造成短路静电影响,一般地,蓝色晶片在50V的静电下会被击死焊线压力控制不当,造成晶片內崩引起IR升高,第二节银胶,(1)起粘接作用,将晶片粘贴在支架上.(2)导通电流,里面含有银粉导通电流,银胶主要化学成分为银粉玻璃沙,环氧树脂,稀释剂同时含有少量的C1.Na.K.其用途有二:导通支架与晶片;将晶片粘附于支架碗杯底部,保存方式:须冷藏以维持粘度及避免填充物沉淀,启用前,先置于室温.解冻后方可使用,如有分离现象,可轻微搅拌到均勻为止,避免空气进入.,透明胶不吸光,能使光线产生全反射,有利于提高光线输出效率,因此有时在制作白灯等高档lamp时,采用透明胶代替银胶,但透明胶TG点较低,不易焊线,同时增加散热难度.,烘烤温度与热导率的关系曲线:,正常情況下,银胶硬化越充分,其热导率、导电率、粘着強度都达到最佳状态.造成b现象产生的原因为:树脂和硬化剂都已分解,剩余的金属成份(Ag)所造成的升温现象.此时强度与电气特性都会下降并恶化.银胶在温度突然激升时,硬化剂会分解.因此物件的加温过程要徐进缓升,第三节金线,起支架与晶片导通的作用.,金线中金元素含量在99.99%以上,同时含有数个PPM计的Ag.Cu.Fe等掺杂元素,用以增强其延伸率.韧性.可焊接性,常用的金线直径有1.0mil.1.2mil等.linch=1000millmil=0.0254mm直径越大,焊接性能越牢固,但焊点也会增大,影响发光Pattern,产生遮光.,第四节支架,反光,导通,支撑作用.将晶片的发光反射出去,在角度图的控制方面,不同的支架其碗杯结构不一样,它是我们控制Pattern图的一个方面.导通晶片.为支撑晶片的载体.,支架是将素材冲压成形,经由一系列的电镀工艺而获得,其电镀工艺流程为:素材热脱脂(60)水洗电解脱脂水洗酸活化水洗镀铜回收预镀银水洗回收镀铜水洗回收镀镍水洗酸中和水洗回收工业厚银回收水洗防变色处理水洗热水洗烘干,支架的材质有:铁材，铜材.常用的为铁材,它是不同化学成分的冷轧钢;铜材有青铜、黃铜两种,其导热.导电性能较铁材支架优良,用于高单价,特殊产品,支架的碗杯深度.碗杯形状及张角非常重要,它直接影响成品灯的发光角度,支架的镀银层也十分重要,碗杯內的镀银层厚度及均勻度不仅決定支架本身抗热,抗沖击性能及使用寿命,也決定碗杯反射度,进而影响到光线的吸收与射出.一般地,固焊区银层厚度在2.0m以上,非功能区银层厚度在1.2m以上,支架按杯型可分为平头支架(广角度),圆杯支架,椭圆杯支架,双晶椭圆杯支架,特殊支架等.,第五节环氧树脂,环氧树脂是指分子中平均含有一个以上环氧基而分子量不高的聚合物.属热固性树脂.起封裝作用,保护晶片,它本身是没有形状的,在模粒里固化后形成模粒的形状,起反射和折射光线的作用,同时环氧树脂的透光率高,对光线的损失较小.,按分子结构可分为两类缩水甘油基型环氧树脂环氧化烯烃型环氧树脂,3-5-1主要性能指标环氧值:指每100g环氧树脂所含环氧基的克当量数。国产环氧树脂常用此指标,欧美国家常用环氧当量指标來衡量环氧树脂.粘度:选择适宜的粘度便于加工,粘度过高或过低都对加工不利.软化点,氯含量:其量大小与电性能关系特別密切,耐湿热性能也有很大关系,以每100g环氧树脂中所含氯的当量数表示.挥发分:挥发分指100g树脂分子中低分子杂质,易挥发成分含量,若挥发分高,则其机械强度,收缩率等性能都会降低.,热变形温度热变形温度是评价树脂的重要指标.它可用来检验稀释剂及杂质存在的影响,也可用来评价固化剂以及测定特定树脂体系內固化剂的适当添加量.,3-5-2环氧树脂的组成与性能一般中间部位的基团比较稳定,主要赋予分子链的力学性能,固化后具有良好的承受性和适当的热性能,端基的环氧基是活泼的,固化后赋予树脂有较高的內聚力强的粘附力,端基适宜的开环活性,使它具有良好的贮存稳定性和工艺性能的內在原因.,第六节固化剂,环氧树脂添加固化剂的作用是使线型分子转变成体型分子。固化剂按习惯分胺类，酸酐类，聚合物，催化型，潜优型等.固化剂对固化产物的性能影响极大,用量过少,固化不完全,性能不佳用量过,脆性大,胶层殘留固化剂会影响各种性能用量适当,固化较完全,性能较好,我们目前使用的为酸酐类固化剂,其特点有:固化物性能优良,尤其以热化学稳定性高为特征,但不能在常温下固化.固化温度较高,对皮肤刺激小.经150高温固化后,固化性能比胺类固化物有良好的高温稳定性,在该温度以上仍有良好的物理和电气性能,但较脆.,第七节模粒,控制光的反射及折射方向,使用的模粒不相同,其角度和Pattern是不一样的,它是影响角度和Pattern的重要因素我们所用的模粒有两种,即无导柱模粒,有导柱模粒.相对而言,模粒无导柱作业方式比有导柱作业更能精确地固定支架位置,从而有效地防止偏心的产生,使用上也更方便,3-7-1模粒结构,3-7-2模粒分