第六章 荧光粉、封装与散热讲义

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1、第七章 荧光粉、封装与散热,内容,荧光粉种类及制备方法 LED封装概述 LED封装工艺 LED散热设计,荧光粉分类,荧光粉是一种颗粒状发光材料，也称发光粉或荧光体。 分类： 按余辉时间：长余辉材料，短余辉材料 按转换方式：上转换材料，下转换材料 按激发方式：光致发光，电致发光， 阴极射线发光 我们关注光致发光的灯用荧光粉，短余辉，下转换,目前荧光粉种类繁多，按基质材料包括铝酸盐系，磷酸盐系，硅酸盐系，钨酸盐系，钼酸盐系，硼酸盐系，钒酸盐系，ZnO,ZnS等II-VI族系，以及Y2O3，Gd2O3等稀土氧化物基质。 绝大多数基质均要采用254 nm或365 nm深紫外线激发。 常用的掺杂激活剂包

2、括Ce,Eu,Tb等稀土元素及Mn,Ag等非稀土元素。 Eu3+窄红光， Eu2+，Ce3+宽带发光， Tb3+绿光。 稀土离子发光与在晶格中所处的对称环境密切相关。,白光LED用荧光粉,适用激发波长：蓝光或近紫外光。 发光效率高：5微米以上至十几微米的球形颗粒，结晶良好，无杂相。 稳定 无毒 生产成本低,YAG（Y3Al5O12:Ce3+)， TAG（ Tb3Al5O12:Ce3+) 蓝光激发黄色荧光粉，可配合蓝光芯片产生白光。 YAG:日亚专利，目前最主流的产品。 TAG:欧士朗专利，不容易做亮。 ZnS系, S易分解，恶臭且腐蚀支架，淘汰产品。 N化物（CaSiAlON: Eu2+等)：

3、稳定，激发光谱宽，是优质红粉，但贵，40RMB/g以上。,荧光粉的使用 就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。 首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉； 其次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。,固相反应法的特点,合成温度高、反应时间长 粉体团聚严重，球磨后质量又降低 形貌不规则，粒径分布过大 容易产生杂相 成本低，便于大规模生产，主流制备方法。,喷雾热解法,喷雾热解法是将原材料溶于水或有机溶剂，然后通过喷雾装置将其雾化喷入反应容器内，在高温下使溶液迅速挥发，反应物发生热分解或其它化学

4、反应，生成与初始反应物不同的纳米粒子。 干燥所需时间短，可以获得组分均匀的颗粒。 操作简单，可连续进行生产。 容易产生有毒有害的腐蚀性气体 容易造成设备的老化和破损。,水热合成法 水热合成法的原理是在密闭的容器中，在水热条件下原始混合物进行反应的一种合成方法。水热合成法在荧光粉的合成上有独到之处，制备出的产品发光均匀、颗粒度细小且分布均匀、不需研磨。 对设备要求高，产量低。,水热法制备的ZnO球形介观晶体,内容,荧光粉种类及制备方法 LED封装概述 LED封装工艺 LED散热设计,一、封装的必要性 LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后他才会发光。 在制作

5、工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正极、负极之外，同时还需要对LED芯片和两个电极进行保护。,二、封装的作用 实现输入电信号、 保护芯片正常工作、 输出可见光的功能， 其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。 研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路.,三、LED封装的方式的选择 对LED封装，要根据LED芯片的大小、功率大小来选择合适的封装方式。 常用的LED芯片封装方式包括： 引脚式封装 平面式封装 表贴封装 食人鱼封装 功率型封装,LED的封装方式,1. 引脚式封装 （1）引脚式封装结构 LED引脚式封装采用引线架作为

6、各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称5mm）封装。,1、引脚式封装 （2）引脚式封装过程（5mm引脚式封装） 将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上（一般称为支架）； 芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上； 负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连； 然后顶部用环氧树脂包封，做成直径5mm的圆形外形 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，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。,2、平面式封装 （1）原理 平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成

7、的结构型器件。 通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器，如数码管、“米”字管、矩阵管等。,2、平面式封装 （2）结构,3、表贴式封装 表面贴片LED（SMD）是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。 其发光颜色可以是白光在内的各种颜色，可以满足表面贴装结构的各种电子产品的需要，特别是手机、笔记本电脑。,3、表贴式封装,6.2 LED的封装方式,4、食人鱼式封装 （1）结构,4、食人鱼式封装 （2）优点 为什么把着这种LED称为食人鱼，因为它的形状很像亚

8、马孙河中的食人鱼Piranha 。 食人鱼LED产品有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快。 LED点亮后， pn结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上。,4、食人鱼式封装 （2）优点 食人鱼LED比3mm、5mm引脚式的管子传热快，从而可以延长器件的使用寿命。 一般情况下，食人鱼LED的热阻会比3mm、5mm管子的热阻小一半，所以很受用户的欢迎。,功率型封装 功率型LED是未来半导体照明的核心，大功率LED有 大的耗散功率， 大的发热量， 以及较高的出光效率， 长寿命。,三、功率型封装 目前功率型LED主要有： 1. 沿袭引脚式 LED

9、封装思路的大尺寸环氧树脂封装,三、功率型封装 2. 仿食人鱼式环氧树脂封装,三、功率型封装 3. 铝基板（MCPCB）式封装,三、功率型封装 4. 借鉴大功率三极管思路的TO封装,三、功率型封装 5. 功率型SMD封装,内容,荧光粉种类及制备方法 LED封装概述 LED封装工艺 LED散热设计,一、引脚式封装工艺,一、引脚式封装工艺 1. 主要工艺,一、引脚式封装工艺 1. 主要工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （1）芯片检验 用显微镜检查材料表面 是否有机械损伤及麻点； 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

10、小（约0.1mm），不利于后工序的操作。 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。 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。,2. 主要工艺说明 （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。,2. 主要工艺说明 （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。,6.3 LED封装

11、工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （5）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。,6.3 LED封装工艺,2. 主要工艺说明 （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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （6） 自动装架 自动装架在

12、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。,6.3 LED封装工艺,2. 主要工艺说明 （7）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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （7）烧结 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。

13、烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （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的压焊工艺有两种： 金丝球焊 铝丝压焊,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （8）压焊 1）铝丝压焊过程： 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。 2）金丝球焊过程： 在压第一点前先烧个球，其余过程类似。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （8）压焊 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

14、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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （9）点胶封装 ：TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （9）点胶封装 点胶封装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）,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （9）点胶封装 手动点胶

15、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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （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。,6.3 LED封装工艺,2. 主要工艺说明 （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

16、， 环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （12）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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （12）固化与后固化 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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （13）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。,6.3 LED封装工艺,一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 （14）测试 测试LED的光电参数、检验外