大功率LED封裝工藝分析！-----深圳封裝廠
大功率LED光源光有好芯片還不夠，還有合理的封裝。要有高的取光效率的封裝結(jié)構(gòu)，而熱阻盡可能低，從而光電的性能及可靠性。
一、LED光源封裝工藝
    由于LED的結(jié)構(gòu)形式不同，封裝工藝上也有一些差別，但關(guān)鍵工序相同，LED封裝主要工藝有：固晶→焊線→封膠→切腳→分級(jí)→包裝。
 二、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)
 1、封裝技術(shù)的要求
   大功率LED封裝涉及到光、電、熱、結(jié)構(gòu)和工藝等方面，這些因素既立又影響。光是封裝的目的，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，熱是關(guān)鍵，性能是封裝水平的具體體現(xiàn)?？紤]到工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行LED封裝設(shè)計(jì)與芯片設(shè)計(jì)，否則，芯片制造完成后，可能因封裝的需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將可能延長(zhǎng)產(chǎn)品研發(fā)的周期和成本，甚至?xí)荒軐?shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
 2、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱技術(shù)
  LED的光電轉(zhuǎn)換效率僅為20%～30%，輸入電能的70%～80%轉(zhuǎn)變成了熱量，芯片的散熱是關(guān)鍵。小功率LED封裝一般采用銀膠或絕緣膠將芯片黏接在反射杯里，通過(guò)焊接金絲(或鋁絲)完成內(nèi)外連接，后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝。封裝熱阻高達(dá)150～250℃/W，一般采用20mA左右的驅(qū)動(dòng)電流。大功率LED的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到350mA、700mA甚至1A，采用傳統(tǒng)直插式LED封裝工藝，會(huì)因散熱不良導(dǎo)致芯片結(jié)溫上升，再加上強(qiáng)烈的藍(lán)光照射，環(huán)氧樹(shù)脂很容易產(chǎn)生黃化現(xiàn)象，加速器件老化，甚至失效，迅速熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成開(kāi)路而死燈。大功率LED封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是改善散熱性能，主要包括芯片結(jié)構(gòu)形式、封裝材料(基板材料、熱界面材料)的選擇與工藝、將導(dǎo)電與導(dǎo)熱路線分開(kāi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，比如：采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、減薄襯底或垂直芯片結(jié)構(gòu)的芯片，選用共晶焊接或高導(dǎo)熱性能的銀膠、采用COB技術(shù)將芯片直接封裝在金屬鋁基板上、增大金屬支架的表面積等方法。
 3、光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)
  不同用途的產(chǎn)品對(duì)LED的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光強(qiáng)和光的空間分布等要求不同。為提高器件的取光效率，并實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的出光角度和配光曲線，需要對(duì)芯片反光杯與透鏡進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。大功率LED通常是將LED芯片安裝在反射杯的熱沉、支架或基板上，反射杯一般采用鍍高反射層(鍍Ag或Al)的方式提高反射效果，大功率LED出光效率還受模具精度及工藝影響很大，如果處理不好，容易導(dǎo)致很多光線被吸收，無(wú)法按預(yù)期目標(biāo)發(fā)射出來(lái)，導(dǎo)致封裝后的大功率LED發(fā)光效率偏低。
 4、灌封膠的選擇
  灌封膠的作用有兩點(diǎn)：(1)對(duì)芯片、金線進(jìn)行機(jī)械保護(hù);(2)作為一種光導(dǎo)材料，將更多的光導(dǎo)出。封裝時(shí)，LED芯片產(chǎn)生的光向外發(fā)射產(chǎn)生的損失主要有：(1)光子在LED芯片出射界面由于折射率差引起的反射損失(即菲涅爾損失);(2)光學(xué)吸收;(3)全內(nèi)反射損失。因此，在芯片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明光學(xué)材料，可以減少光子在界面的損失，提高出光效率。常用的灌封膠有環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠。環(huán)氧樹(shù)脂黏度低、流動(dòng)性好、固化速度適中，固化后無(wú)氣泡、表面平整、有很好的光澤、硬度高，防潮防水防塵性能佳，耐濕熱和大氣老化，成本較低，是LED封裝。硅膠具有透光率高、熱穩(wěn)定性好、折射率大、吸濕性低、應(yīng)力小等特點(diǎn)，優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂，但成本較高。小功率LED一般選用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，大功率LED內(nèi)部通常填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會(huì)因照射高溫或紫外線出現(xiàn)老化變黃，也不會(huì)因溫度驟變而導(dǎo)致器件開(kāi)路的現(xiàn)象，通過(guò)提高硅膠折射率，可減少菲涅爾損失，提高出光效率。
 5、熒光粉涂敷量和均勻性控制技術(shù)
  大功率白光LED的發(fā)光效率和光的質(zhì)量與熒光粉的選擇和工藝過(guò)程有關(guān)。熒光粉的選擇包括激發(fā)波長(zhǎng)與芯片波長(zhǎng)的匹配、顆粒大小與均勻度、激發(fā)效率等。熒光粉涂覆根據(jù)藍(lán)光芯片的發(fā)光分布進(jìn)行調(diào)整，使混出的白光均勻，否則會(huì)出現(xiàn)藍(lán)黃圈現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)影響光源質(zhì)量，激發(fā)效率也會(huì)大幅下降。熒光粉與膠體的混合配方及涂膠工藝是LED光色在空間分布均勻和一致性的關(guān)鍵。將熒光粉與膠按一定配比混合后涂到芯片上，在LED芯片上方形成半球狀。這種分布會(huì)使光色的空間分布不均勻，有黃圈或藍(lán)圈。另外，在熒光粉涂敷過(guò)程中，由于膠的黏度是動(dòng)態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于膠產(chǎn)生沉淀，使熒光粉的涂敷量控制增加了更多變數(shù)，容易導(dǎo)致白光的光色空間分布不均勻。
 三、大功率LED封裝的可靠性分析
 1、靜電對(duì)LED芯片造成的損傷
   瞬間的電場(chǎng)或電流產(chǎn)生的熱使LED局部受損傷，表現(xiàn)為漏電流迅速增加，有時(shí)雖能工作，但亮度降低或白光變色，壽命受損。當(dāng)電場(chǎng)或電流擊穿LED的PN結(jié)時(shí)，LED內(nèi)部完全破壞造成死燈。在LED封裝生產(chǎn)線，所有設(shè)備都要求接地，一般接地電阻為4Ω，要求高的場(chǎng)所接地電阻為≤2Ω。LED應(yīng)用流水線設(shè)備和人員接地不良也會(huì)造成LED損壞。按照LED使用手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LED引線距膠體應(yīng)不少于3～5mm進(jìn)行彎腳或焊接，但大多數(shù)應(yīng)用企業(yè)做不到，僅相隔一塊PCB板的厚度(≤2mm)進(jìn)行焊接，也會(huì)對(duì)LED造成損害。過(guò)高的焊接溫度使芯片特性變壞，降低發(fā)光效率，甚至死燈。尤其是一些小企業(yè)采用40W普通烙鐵手工焊接，無(wú)法控制焊接溫度，烙鐵溫度一般在300℃～400℃，LED引線高溫膨脹系數(shù)比150℃左右的膨脹系數(shù)高幾倍，內(nèi)部的金絲焊點(diǎn)會(huì)因熱脹冷縮將焊接點(diǎn)拉開(kāi)，造成死燈。
 2、LED器件內(nèi)部連接線開(kāi)路
  支架排的優(yōu)劣是影響LED性能的關(guān)鍵。支架排采用銅或鐵經(jīng)精密模具沖壓而成，由于銅材較貴，大多采用冷軋低碳鋼沖壓LED支架排，鐵支架排鍍銀。鍍銀的作用有兩點(diǎn)：(1)防止氧化生銹;(2)方便焊接。因?yàn)槊磕甓加幸欢螘r(shí)間空氣濕度大，容易造成電鍍差的金屬件生銹，使LED元件失效。封裝好的LED會(huì)因鍍銀層太薄而附著力不大，焊點(diǎn)脫離支架造成死燈。另外，封裝的每道工序嚴(yán)格操作，任何環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)造成死燈。
   固晶工序，膠量恰到好處，固晶膠點(diǎn)不能過(guò)多或過(guò)少，多點(diǎn)了膠會(huì)返到芯片金墊上造成短路，而少點(diǎn)了膠芯片黏不牢，散熱性能變差。
   焊接工序，要適當(dāng)配合金絲球焊機(jī)的壓力、溫度、時(shí)間、功率參數(shù)，一般固定時(shí)間，而調(diào)節(jié)其他三個(gè)參數(shù)。應(yīng)適中調(diào)節(jié)壓力，過(guò)大易壓碎芯片，太小又易虛焊。焊接溫度一般在280℃。功率調(diào)節(jié)是指超聲波功率調(diào)節(jié)，過(guò)大過(guò)小都不好，以適中為度。金絲球焊機(jī)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以焊接好的材料用推拉力機(jī)檢測(cè)不小于10g為合格。
 3、大功率LED可靠性測(cè)試與評(píng)估
  大功率LED器件與封裝結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的失效模式有光失效(如灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等)、電失效(如短路斷路)和機(jī)械失效(如引線斷裂、脫焊等)。以平均失效時(shí)間定義LED的使用壽命，一般指LED的輸出光通量衰減為初始值的70%的使用時(shí)間(用于顯示屏一般為初始值的50%)。通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試和評(píng)估，測(cè)試內(nèi)容包括高溫儲(chǔ)存(100℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85%，1000h)、低溫儲(chǔ)存(-55℃，1000h)、高低溫循環(huán)(85℃～-55℃)、冷熱沖擊、抗溶性、耐腐蝕性、機(jī)械沖擊等。
 四、固態(tài)照明對(duì)大功率LED封裝的要求
   在固態(tài)照明領(lǐng)域的應(yīng)用LED對(duì)大功率白光LED封裝提出新的挑戰(zhàn)，在提高散熱效率、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計(jì)方面也有大的提升空間。
 1、進(jìn)一步提升發(fā)光效率
  LED的理論發(fā)光效率達(dá)到300lm/W以上，目前試驗(yàn)室大功率白光LED的發(fā)光效率超過(guò)150lm/W，而量產(chǎn)、的大功率白光LED發(fā)光效率僅在70～100lm/W左右，沒(méi)有充分發(fā)揮出節(jié)能優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)光芯片的效率有待提高，還要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料技術(shù)及工藝技術(shù)等方面入手，完善封裝工藝。
 2、進(jìn)一步提升光譜質(zhì)量
  人眼習(xí)慣于太陽(yáng)發(fā)出的連續(xù)光譜的光，目前白光LED光譜的不連續(xù)性，尤其是熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED存在色溫偏高、顯色性不高等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)高顯指和寬光譜的LED光源，滿足照明對(duì)光源質(zhì)量的高要求。
 3、進(jìn)一步提高光色一致性
 大功率白光LED需要保持良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性，不能衰減過(guò)快，也不能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用，白光顏色發(fā)生黃變影響光色質(zhì)量。
 4、進(jìn)一步降低成本
 
LED燈具市場(chǎng)化價(jià)格是關(guān)鍵。目前大功率LED室內(nèi)照明燈具光源部分占成本較大比重，初次購(gòu)買(mǎi)成本約為傳統(tǒng)照明燈具的5～10倍。采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，降低大功率LED的單位流明成本。
   總之，LED封裝是一門(mén)涉及光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)體等多學(xué)科的研究課題。我國(guó)每年智能照明產(chǎn)品的需求超過(guò)100萬(wàn)盞，目前已有“智慧城市”試點(diǎn)193個(gè)，通過(guò)與數(shù)字、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的結(jié)合，智能化照明緊隨智慧城市的建設(shè)而大放異彩。采用新思路、新工藝、新材料來(lái)改進(jìn)大功率白光LED的封裝，發(fā)揮出LED光源節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等性，才能真正帶來(lái)一場(chǎng)照明產(chǎn)業(yè)革命LED小芯片封裝技術(shù)難點(diǎn)？深圳LED燈珠廠家告訴你
近年來(lái)，隨著LED芯片材料的發(fā)展，以及取光結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)的優(yōu)化，單芯片尺寸的功率(W)越做越高，芯片的光效(lm/W)、性?xún)r(jià)比(lm/$)也越來(lái)越好，在這樣的背景支持之下，LED芯片的微小化已成趨勢(shì)。芯片尺寸微小化背后的含意，除了發(fā)光組件的總體尺寸能更佳符合未來(lái)產(chǎn)品輕、薄、短、小的趨勢(shì)之外，單一外延片所能切割的小芯片數(shù)量更多了，固定功率下所需使用的芯片數(shù)量更少了，這些對(duì)于降低LED的生產(chǎn)支出有很大的幫助，畢竟”成本”永遠(yuǎn)都是個(gè)大問(wèn)題。 在大功率照明領(lǐng)域，采用多個(gè)小芯片串并聯(lián)的技術(shù)已經(jīng)使用的很成熟也很廣泛。和單一大功率芯片比起來(lái)，此工藝的芯片成本較低，整體的散熱性也更好、光效更高、光衰更慢，可同時(shí)達(dá)到率及高功率的目標(biāo)，雖然有工序較復(fù)雜、信賴(lài)性較低等隱憂，但也難以動(dòng)搖它的地位。其次，在顯示屏應(yīng)用的領(lǐng)域，RGB多芯片封裝是一個(gè)主流的工藝，隨著象素的密度越高(即分辨率越高)，單位面積下單個(gè)象素點(diǎn)的尺寸就越來(lái)越小，在逐漸朝著”小間距化”方向發(fā)展的同時(shí)，所能使用的R、G、B三色芯片的尺寸也越來(lái)越小，藉此滿足市場(chǎng)上高分辨率的要求。從上述趨勢(shì)看來(lái)，如何做好小尺寸芯片的封裝，就成為一個(gè)重要的課題。 在LED封裝的技術(shù)中，目前仍是以傳統(tǒng)固晶、打線的制程為主，至于時(shí)下當(dāng)紅的覆晶封裝(Flip Chip)或是芯片級(jí)封裝(Chip Scale Package，CSP)等其他新制程，礙于當(dāng)前良率、成本、設(shè)備投資等考慮，短時(shí)間內(nèi)還是很難取代原有制程。隨著芯片尺寸的縮小，直接影響到的就是固晶制程的難易度；同時(shí)芯片上的電極跟著變小，使用的鍵合線的線徑也減小，所搭配的瓷嘴也同步優(yōu)化。因此，進(jìn)入了”小芯片封裝”的領(lǐng)域之后，要克服的難點(diǎn)就是固晶、打線制程會(huì)用到的固晶膠、鍵合線、瓷嘴。 關(guān)于固晶的挑戰(zhàn) 固晶膠是固晶制程的關(guān)鍵耗材，它的作用包含了固定芯片、(導(dǎo)電)及散熱，其主要成分由高分子或是銀粉加高分子材料所組成。藉由成分配比的不同，形成了不同的剪切強(qiáng)度、觸變指數(shù)、玻璃轉(zhuǎn)移溫度、體積電阻率等等的特性參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到了不同的固晶效果及信賴(lài)性。此外，隨著芯片尺寸的縮小，固晶膠的使用量也減小，如果膠量過(guò)多容易產(chǎn)生芯片滑動(dòng)，若是過(guò)少又可能導(dǎo)致芯片因粘不緊而掉落，這其中該如何拿捏也是一門(mén)藝術(shù)了。 如何選用鍵合線材 所謂好的鍵合線材，具備以下要求： 1.滿足客戶規(guī)范的機(jī)械及電氣性能(如融斷電流、弧長(zhǎng)弧高、球形尺寸等) 2.的直徑 3.表面無(wú)劃痕、清潔 4.無(wú)彎曲、扭曲應(yīng)力 5.內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻 除了上述要求之外，小線徑線材又可能面臨多芯片間串并聯(lián)，或是植球型焊線如BSOB(Bond Stick On Ball)、BBOS(Bond Ball On Stitch)等特殊打線手法的需求，更是制線工藝上的挑戰(zhàn)，舉例來(lái)說(shuō)，芯片串聯(lián)的過(guò)程會(huì)涉及到芯片間Pad to Pad的打線，若是使用銅線或純銀線來(lái)進(jìn)行焊接會(huì)有作業(yè)性不好及良率不高的問(wèn)題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及及高金、合金線的表現(xiàn)，這些都是要納入考慮的。 此外，隨著線徑變小，鍵合線的荷重(Breaking load，BL)會(huì)跟著下降，將影響到焊線的拉力與信賴(lài)性；再來(lái)，隨著各種線材的成分配比、合金的均勻控制，以及拉絲、退火條件的不同，將產(chǎn)生不同的線材硬度、荷重、延伸率(Elongation，EL)、熱影響區(qū)(Heat Affection Zone，HAZ)及電阻等特性，在焊線變細(xì)的同時(shí)如何能抵抗模流等外力而不至于塌線、拉出來(lái)的線弧形態(tài)如何能穩(wěn)定不損傷、需要的焊線推拉力數(shù)值如何能達(dá)成、怎樣控管好小線徑的尺寸、如何在不影響主要特性的情況下替客戶降低成本，并且維持線材的抗硫化性等等，都是鍵合線供貨商可以努力的方向。關(guān)于不同的鍵合線特性的不同可參考下方比較表，從表中我們可以很清楚地發(fā)現(xiàn)，藉由高金線、合金線等相關(guān)產(chǎn)品的使用，不僅能降低20%-40%成本，同時(shí)可滿足與線不相上下的性能，目前也已通過(guò)許多客戶的認(rèn)可，受到業(yè)界廣泛的使用了。也就是說(shuō)，選用好的高金線或合金線，是降低成本，且同時(shí)做好小芯片封裝的關(guān)鍵，如圖一所示。 表一、線、高金線、合金線之相關(guān)特性比較表 圖一、選用好的高金線或合金線，是降低成本，且同時(shí)做好小芯片封裝的關(guān)鍵 瓷嘴與焊線參數(shù) 瓷嘴方面的參數(shù)優(yōu)化也很關(guān)鍵，在鍵合線徑減小以符合電極焊盤(pán)尺寸的前提下，可選用單倒角形態(tài)配合針頭表面粗糙化的瓷嘴來(lái)達(dá)到更好的焊點(diǎn)強(qiáng)度；此外，使用較大的針頭直徑(T)、表面角度(FA)搭配較小的外弧半徑(OR)可達(dá)到更好的二焊點(diǎn)強(qiáng)度及魚(yú)尾的穩(wěn)定度。當(dāng)然，透過(guò)實(shí)際的狀況配合經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整出適當(dāng)?shù)暮妇€參數(shù)如燒球電流、焊線時(shí)間、焊線功率…等也是非常重要的。 總的來(lái)說(shuō)，由于優(yōu)勢(shì)明顯，小芯片的應(yīng)用是未來(lái)LED的趨勢(shì)之一，無(wú)論是大功率照明或是小間距顯示屏的發(fā)展都與此息息相關(guān)，而小芯片封裝更是達(dá)到此目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。要打出好的焊線，除了適當(dāng)?shù)膮?shù)、正確的瓷嘴外，選用質(zhì)量好的鍵合線也是非常重要的，這三者缺一不可，也這三者都完善了，小芯片封裝的技術(shù)才會(huì)更好高顯指LED燈珠的顯指高低由什么決定的，有什么作用？
高顯指LED燈珠的顯色指數(shù)高低，是由熒光粉和晶片波段搭配出來(lái)的，顯指是對(duì)物體顏色的再現(xiàn)程度。顯指數(shù)是代表，人眼對(duì)光經(jīng)物體反射回來(lái)，看到物體的一個(gè)逼真程度 如：攝影燈 補(bǔ)光燈
在不同環(huán)境中有不同要求，一般通用室內(nèi)照明都是常規(guī)，暖白65-70 正白75左右就可以。通過(guò)加入高顯色的粉使得光通量有降低。燈珠的顯指和燈珠質(zhì)量好壞沒(méi)有直接的關(guān)系。當(dāng)然同比亮度情況下，顯指越高越好了，但是價(jià)格相對(duì)會(huì)貴一些。顯指數(shù)是代表，人眼對(duì)光經(jīng)物體反射回來(lái)，看到物體的一個(gè)逼真程度。一般是顯指越差，人反映到物體，離真實(shí)物體的顏色就越差。顯指越高就月逼真。
高顯指LED燈珠比LED燈珠顯色性更好，顯指越高，色彩越鮮明。高顯指LED就顯指接近太陽(yáng)色的RA100   科維晶鑫生產(chǎn)的高顯可以做到96-97 做到真正高顯高流明。
90-100  優(yōu)良 ，需要色彩對(duì)比的場(chǎng)所
80-89  需要色彩正確判斷的場(chǎng)所
60-79  普通，需要中等顯色性的場(chǎng)所