《LED封装与工艺》报告

1、一、目的1、了解当今LED封装产业的发展现状。 2、熟悉白光LED封装的整个流程，掌握LED封装的各项技术。3、学会测量LED的各项参数，并对结果进行分析。4、尝试着找出LED封装技术中存在的问题，提出改善LED性能的方法。二、原理与方案1、LED的基本原理与结构LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的结构示意图如图1-1所示。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。图1-1 LED的结构示意图LED的核心部分是由p型半导体和n型半

2、导体组成的芯片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。LED发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、

3、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。2、LED芯片的制造工艺总的来说，LED制作流程分为两大部分：首先在衬低上制作氮化鎵（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCVD)中完成的。准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。MOCVD是利用气相反应物及族的有机金属和族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MO

4、CVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。然后是对LED PN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够乾净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕（在目检必须挑除）。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及

5、花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。3、LED封装与工艺LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、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。一、 支架式封装引脚式LED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。引脚式封装选用灌封的方式,灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂，然后刺进压焊好的LED支架，放入烘箱中让环氧树脂固化后，将LED从模腔中脱离出即成型。典型的传统LE

6、D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、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，适合作电源指示用；闪

7、烁式将振荡电路芯片与 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。由于引脚式封装LED制作工艺相对简略、成本低，有着较高的市场占有率。二、 贴片式封装贴片式LED是贴于线路板外表的，合适SMT加工，可回流焊。早期的贴片式 LED大多采用带透明塑料体的SOT23改进型，外形尺寸3.04×1.11mm，卷盘式容器编带包装。在SOT23基础上，研发出带透镜的高亮度 SMD的SLM125系列、SLM245系列LED，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。近些年，贴片式 LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度

8、、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，半户外全彩显示屏应用。三、 功率型封装为了取得高功率、高亮度的LED光源，厂商们在LED芯片及封装描绘方面向大功率方向开展。当前，能接受数W功率的LED封装已呈现。比方Norlux系列大功率LED的封装布局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，发光区坐落其间心部位，直径约(0.375×254)mm，可包容40只LED管芯，铝板还作为热沉。这种封装选用惯

9、例管芯高密度组合封装，发光功率高，热阻低，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有开展前景的LED固体光源。 三、步骤LED的制作流程全过程包括13步，具体如下：1LED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。 2LED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，扩晶示意图如图3-1所示。我们采用扩晶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。蓝膜加热板75，预热30s气缸扩晶环蓝膜图3-1扩晶示意图3

10、LED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。 4 LED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 LED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

11、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。 品质要求：一固晶位置，在正中间。二刺晶力度要适中。 6 LED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，特别是蓝、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。7 LED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

12、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。8 LED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。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。 一金线的纯度为99.99；延伸率为2-6%；尺寸为：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。二金丝球直径25um，成球直径6075um；球厚1520um，契形长度70

13、85um。三拱形高度合适。四测试金线拉力。图3-2合格与不合格的金丝球焊点9 LED封胶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） LED点胶： 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。 LED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LE

14、D支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。 LED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。10 LED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。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。11 LED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

15、。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。 12 LED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。13包装将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。四、数据记录与处理1、白光LED的色容图，如图4-1所示。图4-1 色容图2、白光LED的光谱波长分析与测量图，如图4-2所示。图4-2 光谱波长分析与测量图3、白光LED的色品图，如图4-3所示。图4-2 色品图五、结果分析（完成指定的思考题和作业题）LED封装中共存在着四方面的问题：力、热、光、电。力的问题包括：a银胶/共晶焊接,b金丝焊接,c封装胶应力,d模块封装中的力学问题。热

16、的问题包括：a器件的导热，b模块的散热,c荧光粉热效应,d硅胶/环氧树脂的热问题。光的问题包括：a芯片出光,b荧光粉混光,c一次光学,d二次光学。电的问题包括：a芯片的电学,b器件的电学,c驱动电路,d控制系统。热和光是LED封装中最为重要的两个问题。一、热问题热问题主要包括热的产生、热的传导和热的发散等热物理过程以及热对LED性能产生的影响。热的产生：LED大约60%的功率转变为热量。焦耳热，光的重新吸收，吸收发热。热的传导：热量在通道中的各层介质之间的传导。 热的发散：热向环境的发散过程。 LED封装中与热最直接相关的两个因素：固晶材料和封装基板。二、光问题LED的光问题包括出光效率、光色问题。出光效率与芯片结构（如光子晶体）、结温、封装结构（如倒装）、荧光粉（如涂覆方式）、反射杯和透镜密切相关。传统的白光LED中蓝光芯片和荧光粉是最