2022年LED封装材料简介 .pdf

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1、LED 封装材料简介LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶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晶片被封装材料封装起来。大功率 LED 封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED 的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED 封装更是研究热点中的热点。LED 封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED 性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理

2、，包括交流/直流转变，以及电源控制等。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。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED 封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。在 LED 使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在

3、出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED 封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大

4、功率LED 封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响 LED 光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低,出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED 色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫

5、光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um 以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5 左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8 以上，降低光散射，提高LED 出光效率（10-20），并能有效改善光色质量。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。

6、而Lumileds 公司开发的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。超高亮度 LED 的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED 的封装技术提出了更高的要求。功率型LED 封装技术主要应名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -满足以下两点要求：一是封装结构要有高的取光效率，其二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED 的光电性能和可靠性。半导体 LED 若要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽

7、灯和荧光灯等通用性光源相比，距离甚远。因此，LED 要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED 的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光通量。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有：散热技术传统的指示灯型LED 封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台

8、上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250/W300/W，新的功率型芯片若采用传统式的LED 封装形式，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此，对于大工作电流的功率型LED 芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热；甚至设计二次散热装置，来降低器件的热阻。在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内(一般为-40 200)，胶体

9、不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不会出现变黄现象。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。为提高器件的取光效率，设计外加的反射杯与多重光学透镜。功率型 LED 白光技术常见的实现白光的工艺方法有如下三种：(1)蓝色芯片上涂上YAG 荧光粉，芯片的蓝色光激发荧光粉发出540nm 560nm 的黄绿光，黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单，效率高，具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好；色温偏高；显色性不够理想。(2)RGB 三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光，或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法，该方法产

10、生的白光较前一种方法稳定，但驱动较复杂，另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。(3)在紫外光芯片上涂 RGB 荧光粉，利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB 荧光粉效率较低，仍未达到实用阶段。对于大功率LED 封装技术的研究开发，封装企业投入研发的力度(人力和财力)还很不够，形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面，封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。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

11、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。3.LED 封装工艺流程4封装工艺说明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。我们采用扩片机对名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -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

12、张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。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

13、 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.6.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。7.烧结烧结

14、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.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。右图是铝丝压焊的过程，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

15、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。（下图是同等条件下，两种不同的劈刀压出的焊点微观照片，两者在微观结构上存在差别，从而影响着产品质量。）我们在这里不再累述。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

16、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -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。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。12.固化与后固化固化是指封装环氧的固化，一

17、般环氧固化条件在135，1 小时。模压封装一般在150，4 分钟。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。14.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。15.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。16.包装将成品进行计数包装。超高亮LED 需要防静电包装。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -