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1、 LED制作封装技术 半导体微电子产业高速发展，在全球已逐渐形成了微电子设计、微电子制造和微电子封装三大产业，在这些产业中，封装测试业在国内IC产业占主要地位，而电子封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是白光电子封装更是研究热点中的热点。电子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，提高性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。其中LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性1、 LED发光原理及结构图1为LED发光机理图
2、，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，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，能量大小为h（h为普朗克常数,为频率）而发出光子，该能量差相当于半导体材料的带隙能量Eg ( 单位：电子伏Ev) ,其与发光波长(单位：m) 的关系为= 1.24/Eg，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它
3、处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。图 1 LED 器件的结构和发光原理图图2 不同电极结构的电流扩展分布为了减少横向LED芯片中电流不均匀分布，有效电流路径长度必须很短并且同等，该长度决定于p电极和n电极的空间距离。图2 (b)芯片电极通过优化后电流密度在整个 芯片分布的均匀性要比图2 (a)好。因此对于大芯片LED，单独一个电极设计是不利 于电流扩散，而采用梳状条形交叉电极、梳状条形与点状结合的电极以及米字形的电极 结构设计，可以使得芯片内电流分布比较均匀。目前主流的HB-LED的电极结构主要
4、有下列几种形式，如图2所示。 图 3大功率HB-LED芯片图3为大芯片欧姆接触顶部做成梳状电极的特点：两端各有两个电极用的圆形接 触盘，通电后条形电极之间的区域将会有光发出，从而实现由点光源到面光源的过渡， 提高芯片总的光输出通量。图4为梳状条形与多点接触的电极主要是结合在硅片上倒装(flipchip)技术，能更有效提高HB-LED的取光效率。图4 顶面发光大功率 LED电极2、 LED封装的主要形式依据各样的使用场合、各样的外形尺度、散热计划和发光作用。LED封装方式多种多样。当前，LED按封装方式分类首要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Pow
5、er-LED、Flip Chip-LED等。Lamp-LED（垂直LED） Lamp-LED早期呈现的是直插LED，它的封装选用灌封的方式。灌封的进程是先在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。由于制作工艺相对简略、成本低，有着较高的市场占有率。SMD-LED（外表贴装LED） 贴片LED是贴于线路板外表的，合适SMT加工，可回流焊，很好地处理了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，选用了更轻的PCB板和反射层资料，改善后去掉了直插LED较重的碳钢资料引脚，使显现反射层需求填充的环氧树脂更少，意图是减少尺度，
6、下降分量。这样，外表贴装LED可轻易地将产物分量减轻一半，最终使运用愈加完满。Side-LED（侧发光LED） 当前，LED封装的另一个要点便旁边面发光封装。若是想运用LED当LCD（液晶显现器）的背光光源，那么LED的旁边面发光需与外表发光一样，才能使LCD背光发光均匀。固然运用导线架的描绘，也可以到达旁边面发光的意图，可是散热作用欠好。不过，Lumileds公司创造反射镜的描绘，将外表发光的LED，使用反射镜原理来发成侧光，成功的将高功率LED运用在大尺度LCD背光模组上。TOP-LED（顶部发光LED） 顶部发光LED是比拟常见的贴片式发光二极管。首要运用于多功能超薄手机和PDA中的背光
7、和状况指示灯。High-Power-LED（高功率LED） 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(0.375254)mm，可包容40只LED管芯，铝板还作为热沉。这种封装选用惯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。 可见，功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光功率、发光波长、运用寿命等，
8、因而，对功率型LED芯片的封装描绘、制作技能显得愈加重要。Flip Chip-LED（覆晶LED） LED覆晶封装布局是在PCB基本上制有复数个穿孔，该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个异样区域且互为开路的导电原料，而且该导电原料是平铺于基板的外表上，有复数个未经封装的LED芯片放置于具有导电原料的一侧的每个穿孔处，单一LED芯片的正极与负极接点是使用锡球别离与基板外表上的导电原料连接，且于复数个LED芯片面向穿孔的一侧的外表皆点着有通明原料的封胶，该封胶是呈一半球体的形状坐落各个穿孔处。归于倒装焊布局发光二极管。三、LED封装的关键技术 （一）低热阻电子封装工艺 对于现有的光效水平而言，由于输
9、入电能的80左右转变成为热量，且芯片面积小，因此，芯片散热是电子封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、电子封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。 电子封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属、陶瓷和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了电子封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，并开发了相应的电子封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊
10、的芯片和相应的陶瓷基板，然后将芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为阵列电子封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为（与硅的热膨胀系数相当），从而降低了电子封装热应力。 研究表明，电子封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界
11、面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善电子封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。电子封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。 (二)高取光率电子封装结构与工艺 功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求：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灯和
12、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： 1.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上，由金
13、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-40200)，胶体不会因温度骤然
14、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。 2.二次光学设计技术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。 3.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540nm560nm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
15、产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。（三）阵列电子封装与系统集成技术 经过40多年的发展，LED电子封装技术和结构先后经历了四个阶段1、引脚式LED电子封装引脚式电子封装就是常用的35mm电子封装结构。一般用于电流较小（2030mA），功率较低（小于0.1W）的LED电子封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于电子封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。 2、表面组装（贴片）式（SMTLED）电子封装表面组装技术是一种可以直接将电子封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种电子封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之
