大功率LED封装技术详解(精)
大功率 LED 封装技术
关键词:
从实际应用的角度来看 , 安装使用简单、体积相对较小的大功率 LED 器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率 LED 器件。由小功率 LED 组成的照明灯具为了满足照明的需要 , 必须集中许多个 LED 的光能才能达到设计要求 , 但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅 , 为了平衡各个 LED 之间的电流、电压关系 , 必须设计复杂的供电电路。相比之下 , 大功率单体 LED 的功率远大于若干个小功率 LED 的功率总和 , 供电线路相对简单 , 散热结构完善 , 物理特性稳定。所以说 , 大功率 LED 器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率 LED 器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率 , 给 LED 封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。
1、大功率 LED 芯片
要想得到大功率 LED 器件 , 就必须制备合适的大功率 LED 芯片。国际上通常的制造大功率 LED 芯片的方法有如下几种:
①加大尺寸法。通过增大单体 LED 的有效发光面积和尺寸 , 促使流经 TCL 层的电流均匀分布 , 以达到预期的光通量。但是 , 简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题 , 并不能达到预期的光通量和实际应用效果。
②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸 LED 芯片 , 同时制备出相应尺寸的硅底板 , 并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点 , 再利用共晶焊接设备将大尺寸 LED 芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理 , 既考虑了出光问题又考虑到了散热问题 , 这是目前主流的大功率 LED 的生产方式。
美国 Lumileds 公司于 2001年研制出了 AlGaInN 功率型倒装芯片 (FCLED结
构 , 其制造流程是:首先在外延片顶部的 P 型 GaN 上淀积厚度大于 500A 的 NiAu 层 , 用于欧姆接触和背反射 ; 再采用掩模选择刻蚀掉 P 型层和多量子阱有源层 , 露
出 N 型层 ; 经淀积、刻蚀形成 N 型欧姆接触层 , 芯片尺寸为 1mm1mm,P 型欧姆接触为正方形 ,N 型欧姆接触以梳状插入其中 , 这样可缩短电流扩展距离 , 把扩展电阻降至最小 ; 然后将金属化凸点的 AlGaInN 芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管 (ESD的硅载体上。
③陶瓷底板倒装法。先利用 LED 晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的 LED 芯片和相应的陶瓷底板 , 并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层 , 然后利用共晶焊接设备将大尺寸 LED 芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题 , 并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板 , 散热效果非常理想 , 价格又相对较低 , 所以为目前较为适宜的底板材料 , 并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。
④蓝宝石衬底过渡法。按照传统的 InGaN 芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出 PN 结后 , 将蓝宝石衬底切除 , 再连接上传统的四元材料 , 制造出上下电极结构的大尺寸蓝光 LED 芯片。
⑤ AlGaInN 碳化硅 (SiC背面出光法。美国 Cree 公司是全球唯一采用 SiC 衬底制造 AlGaInN 超高亮度 LED 的厂家 , 几年来其生产的 AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进 , 亮度不断提高。由于 P 型和 N 型电极分别位于芯片的底部和顶部 , 采用单引线键合 , 兼容性较好 , 使用方便 , 因而成为 AlGaInN LED 发展的另一主流产品。
2、功率型封装
功率 LED 最早始于 HP 公司于 20世纪 90年代初推出食人鱼封装结构的 LED, 该公司于 1994年推出的改进型的 Snap LED 有两种工作电流 , 分别为 70mA 和
150mA, 输入功率可达 0.3W 。功率 LED 的输入功率比原支架式封装的 LED 的输入功率提高了几倍 , 热阻降为原来的几分之一。瓦级功率 LED 是未来照明器件的核心部分 , 所以世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率 LED 的封装技术进行研究开发。
LED 芯片及封装向大功率方向发展 , 在大电流下产生比φ5mmLED 大 10~20
倍的光通量 , 必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题 , 因此 , 管壳及封装是其关键技术 , 目前能承受数瓦功率的 LED 封装已出现。 5W 系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型 LED 从 2003年年初开始推向市场 , 白光 LED 的光输出达 187lm, 光效为 44.3lm/W。目前正开发出可承受 10W 功率的 LED, 采用大面积管芯 , 尺寸为 2.5mm2.5mm, 可在 5A 电流下工作 , 光输出达 200lm 。
Luxeon 系列功率 LED 是将 AlGaInN 功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上 , 然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中 , 键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。
在应用中 , 可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯 PCB 板上 , 形成功率密度型 LED,PCB 板作为器件电极连接的布线使用 , 铝芯夹层则可作为热衬使用 , 以获得较高的光通量和光电转换效率。此外 , 封装好的 SMD-LED 体积很小 , 可灵活地组合起来 , 构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
超高亮度 LED 作为信号灯和其他辅助照明光源应用时 , 一般是将多个Φ5mm 封装的各种单色和白光 LED 组装在一个灯盘或标准灯座上 , 使用寿命可达到 10万小时。 2000年已有研究指出,Φ5mm白光 LED 工作 6000h 后 , 其光强已降至原来的一半。事实上 , 采用Φ5mm白光 LED 阵列的发光装置 , 其寿命可能只有
5000h 。不同颜色的 LED 的光衰减速度不同 , 其中红色最慢 , 蓝、绿色居中 , 白色最快。由于Φ5mm封装的 LED 原来仅用于指示灯 , 其封装热阻高达 300℃ /W,不能充分地散热 , 致使 LED 芯片的温度升高 , 造成器件光衰减加快。此外 , 环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率 LED 在大电流下产生比Φ5mm白光 LED 大 10~20倍的光通量 , 因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题 , 管壳及封装已成为研制大功率 LED 的关键技术之一。全新的 LED 功率型封装设计理念主要归为两类 , 一类为单芯片功率型封装 , 另一类为多芯片功率型封装。
(1功率型 LED 的单芯片封装
1998年美国 Lumileds 公司研制出了 Luxeon 系列大功率 LED 单芯片封装结构 , 这种功率型单芯片 LED 封装结构与常规的Φ5mmLED 封装结构全然不同 , 它是将正面出光的 LED 芯片直
接焊接在热衬上 , 或将背面出光的 LED 芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上 , 然后再将其焊接在热衬上 , 使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的 , 其主要特点有:
①热阻低。传统环氧封装具有很高的高热阻 , 而这种新型封装结构的热阻一般仅为 14℃ /W,可减小至常规 LED 的 1/20。
②可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体 , 在 40~120℃时 , 不会因温度骤变
产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料 , 不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象 , 金属引线框架也不会因氧化而脏污。
③反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控 , 光学效率最高。在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板 (铝芯 PCB 板上 , 电路板作为器件电极连接的布线用 , 铝芯夹层则可作为功率型 LED 的热衬。这样不仅可获得较高的光通量 , 而且还具有较高的光电转换效率。
单芯片瓦级功率 LED 最早是由 Lumileds 公司于 1998年推出的 Luxeon LED, 该封装结构的特点是采用热电分离的形式 , 将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上 , 并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料 , 现可提供单芯片 1W 、3W 和 5W 的大功率 LED 产品。 OSRAM 公司于 2003年推出单芯片的 Golden Dragon 系列 LED, 其结构特点是热衬与金属线路板直接接触 , 具有很好的散热性
能 , 而输入功率可达 1W 。
(2功率型 LED 的多芯片组合封装
六角形铝衬底的直径为 3.175cm(1.25英寸 , 发光区位于其中央部位 , 直径约为0.9525cm(0.375英寸 , 可容纳 40个 LED 芯片。用铝板作为热衬 , 并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的
大小来确定衬底上排列管芯的数目 , 组合封装的超高亮度芯片包括 AlGaInN 和AlGaInP, 它们的发射光可为单色、彩色 (RGB、白色 (由 RGB 三基色合成或由蓝色和黄色二元合成。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装 , 不仅取光效率高 , 而且还能够使芯片和键合的引线得到保护。由 40个 AlGaInP(AS芯片组合封装的 LED 的流明效率为 20lm/W。采用 RGB 三基色合成白光的组合封装模块 , 当混色比为 0:43(R0:48(G:0.009(B时 , 光通量的典型值为 100lm,CCT 标准色温为 4420K, 色坐标 x 为 0.3612,y 为 0.3529。由此可见 , 这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型 LED 可以达到较高的亮度水平 , 具有热阻低、可在大电流下工作和光输出功率高等特点。
多芯片组合封装的大功率 LED, 其结构和封装形式较多。美国 UOE 公司于2001年推出多芯片组合封装的 Norlux 系列 LED, 其结构是采用六角形铝板作为衬底。 Lanina Ceramics 公司于 2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷 (LTCC-M技术封装的大功率 LED 阵列。松下公司于 2003年推出由 64只芯片组合封装的大功率白光 LED 。日亚公司于 2003年推出超高亮度白光 LED, 其光通量可达 600lm, 输出光束为 1000lm 时 , 耗电量为 30W, 最大输入功率为 50W, 白光LED 模块的发光效率达 33lm/W。我国台湾 UEC(国联公司采用金属键合(MetalBonding 技术封装的 MB 系列大功率 LED 的特点是 , 用 Si 代替 GaAs 衬底 , 散热效果好 , 并以金属粘结层作为光反射层 , 提高了光输出。
功率型 LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等 , 因此 , 功率型 LED 芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。大功率LED 封装中主要需考虑的问题有:
①散热。散热对于功率型 LED 器件来说是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时地散出 , 保持 PN 结的结温在允许范围内 , 将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。
在常用的散热材料中银的导热率最高 , 但是银的成本较高 , 不适宜作通用型散热器。铜的导热率比较接近银 , 且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜 , 但其综合成本最低 , 有利于大规模制造。
经过实验对比发现较为合适的做法是:连接芯片部分采用铜基或银基热衬 , 再将该热衬连接在铝基散热器上 , 采用阶梯型导热结构 , 利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器 , 再通过铝基散热器将热量散出 (通过风冷或热传导方式散出。这种做法的优点是:充分考虑散热器的性价比 , 将不同特点的散热器结合在一起 , 做到高效散热并使成本控制合理化。
应注意的是:连接铜基热衬与芯片的材料的选择是十分重要的 ,LED 行业常用的芯片连接材料为银胶。但是 , 经过研究发现 , 银胶的热阻为 10~25W/(mK,如果采用银胶作为连接材料 , 就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外 , 银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架 +银粉填充式导热导电结构 , 这种结构的热阻极高且 TG 点较低 , 对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是:以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料 [锡的导热系数为 67W/(mK],可以获得较为理想的导热效果 (热阻约为 16℃ /W。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。
②出光。传统的 LED 器件封装方式只能利用芯片发出的约 50%的光能 , 由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大 , 致使内部的全反射临界角很小 , 有源层产生的光只有小部分被取出 , 大部分光在芯片内部经多次反射而被吸收 , 这是超高亮度 LED 芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的 50%光能加以利用 , 是设计出光系数的关键。
通过芯片的倒装技术 (FlipChip 可以比传统的 LED 芯片封装技术得到更多的有效出光。但是 , 如果说不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能 , 则会造成约 8%的光损失 , 所以在底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出 , 增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料 , 以改善芯片出光的折射率。
经过上述光学封装技术的改善 , 可以大幅度提高大功率 LED 器件的出光率 (光通量。大功率 LED 器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的 , 通常的做法是:在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求 , 尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。
常用的透镜形状有:凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率 LED 器件的理想装配方法是采取气密性封装 , 如果受透镜形状所限 , 也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料 , 也可以采用传统的环氧树脂模组式封装 , 加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。
3、功率型 LED 的进展
功率型 LED 的研制起始于 20世纪 60年代中期的 GaAs 红外光源 , 由于其可靠性高、体积孝重量轻 , 可在低电压下工作 , 因此被首先用于军用夜视仪 , 以取代原有的白炽灯 ,20世纪 80年代 InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器 , 以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。这种红外光源的直流工作电流可达1A, 脉冲工作电流可达 24A 。红外光源虽属早期的功率型 LED, 但它一直发展至
今 , 产品不断更新换代 , 应用更加广泛 , 并成为当今可光功率型 LED 发展可继承的技术基矗
1991年 , 红、橙、黄色 AlGaInP 功率型 LED 的实用化 , 使 LED 的应用从室内走向室外 , 成功地用于各种交通信号灯 , 汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝、绿色 AlGaInN 超高亮度 LED 的相继研制成功 , 实现了 LED 的超高亮度全色化 , 然而用于照明则是超高亮度 LED 拓展的又一全新领域 , 用 LED 固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为 LED 发展目标。因此 , 功率型 LED 的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向 , 其技术关键是不断提高发光效率和每一器件 (组件的光通量。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 , 但获得高光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了传统的指示灯型 LED 封装结
构 , 工作电流一般被限定为 20mA 。按照这种常规理念设计和制作的功率型 LED 根本无法达到高效率和高光通量的要求。为了提高可见光功率型 LED 的发光效率和光通量 , 必须采用新的设计理念 , 一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率 , 另一方面通过增大芯片面积、加大工作电流、采用低热阻的封装结构来提高器件
的光电转换效率。因此 , 设计和制作新型芯片和封装结构 , 不断提高器件的取光效率和光电转换效率 , 一直是功率型 LED 发展中至关重要的课题。
功率型 LED 大大扩展了 LED 在各种信号显示和照明光源领域中的应用 , 主要有汽车内外灯和各种交通信号灯 , 包括城市交通、铁路、公路、机尝海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光 LED 作为专用照明光源已开始用于汽车和飞机内的阅读灯 , 在便携式照明光源 (如钥匙灯、手电筒、背光源及矿工灯等应用方面也得到越来越多的应用。白光除了由三基色合成外 , 还可通过将一种特制的磷光体涂敷在GaN 蓝色或紫外波长的功率型 LED 芯片上而形成。功率型 LED 在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面
与其同类产品相比显示出了它独有的特点。使用功率型 RGB 三基色 LED, 可制成结构紧凑、发光效率比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源 , 配合计算机控制技术 , 可得到极其丰富多彩的发光效果。功率型 LED 所具有的低电压、低功耗、体积孝重量轻、寿命长、可靠性高等优点 , 使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种固体光源。
功率型 LED 结构的进步 , 取光和热衬的优化设计使其发光效率和光通量不断
提高 , 由多个 5mm LED 组装的灯盘和灯头将被由功率型 LED 组装的灯芯所取代。从 1970年至 2000年的最近 30年以来 , 光通量每 18~24个月要增加 2倍。自 1998年 Norlux 系列功率型 LED 问世后 , 光通量的增加趋势则更快。
随着功率型 LED 性能的改进 ,LED 照明光源引起了照明领域的更大的关注。
普通照明市场的需求是巨大的 , 功率型 LED 白光技术将更能适应普通照明的应用。只要 LED 产业能持续这一开发方向 , 则 LED 固体照明在未来 5~10年将会取
得重大的市场突破。
深圳添舜 https://www.360docs.net/doc/577477551.html, 迈图硅材料代理商 JekePeng 1392-744-9395 MSN:yogaled@https://www.360docs.net/doc/577477551.html, QQ 89930255. LED 封装材料供应商 6
大功率LED灯珠封装流程工艺
HIGH POWER LED 封装工艺 一.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。 二.封装形式 LED封装形式可以说是五花八门，主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。 三．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,电极图案是否完等。 2.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。我们采用扩片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。 3.点底胶 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.固晶 固晶分为自动固晶和手工固晶两种模式。 自动固晶其实是结合了沾胶（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。 自动固晶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、绿色芯片必须用电木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。
功率型LED封装技术(精)
研究生课程小论文 课程名称:新型电子器件封装 论文题目 : 功率型 LED 封装技术论文评语 : 成绩 : 任课教师 : 评阅日期 : 目录 摘要 (1) Abstract . ................................................................................................................ 1 1 绪论 ................................................................................................................... 2 1.1 LED 芯片结构 . ....................................................................................... 2 1.1.1 水平结 构 ....................................................................................... 2 1.1.2 垂直结 构 ....................................................................................... 3 1.1.3 倒装结 构 ....................................................................................... 3 1.2 LED 的封装材 料 . ................................................................................... 3 1.2.1 基板材 料 ....................................................................................... 3 1.2.2 粘接材 料 (4) 1.2.3 封装胶 (4) 2 LED封装方式和工艺 (5) 2.1 LED 封装方式 . ....................................................................................... 5 2.1.1 引脚式封装 ................................................................................... 5 2.1.2 表面贴装式 ( SMT . ...................................................................... 5 2.1.3 板上芯片直装式 ( COB . .............................................................. 5 2.1.4 系统封装式 ( SiP (6) 2.2 LED 封装工艺 . (6)
大功率LED封装技术详解
大功率LED封装技术 关键词： 从实际应用的角度来看,安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要,必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求,但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅,为了平衡各个LED之间的电流、电压关系,必须设计复杂的供电电路。相比之下,大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和,供电线路相对简单,散热结构完善,物理特性稳定。所以说,大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率,给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。 1、大功率LED芯片 要想得到大功率LED器件,就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种： ①加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸,促使流经TCL层的电流均匀分布,以达到预期的光通量。但是,简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题,并不能达到预期的光通量和实际应用效果。 ②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备出相应尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点),再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理,既考虑了出光问题又考虑到了散热问题,这是目前主流的大功率LED的生产方式。 美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片(FCLED)结构,其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层,用于欧姆接触和背反射;再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,露出N型层;经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1mm1mm,P型欧姆接触为正方形,N型欧姆接触以梳状插入其中,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至最小;然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。 ③陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层,然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热效果非常理想,价格又相对较低,所以为目前较为适宜的底板材料,并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。 ④蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后,将蓝宝石衬底切除,再连接上传统的四元材料,制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。
大功率LED封装技术详解(精)
大功率 LED 封装技术 关键词: 从实际应用的角度来看 , 安装使用简单、体积相对较小的大功率 LED 器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率 LED 器件。由小功率 LED 组成的照明灯具为了满足照明的需要 , 必须集中许多个 LED 的光能才能达到设计要求 , 但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅 , 为了平衡各个 LED 之间的电流、电压关系 , 必须设计复杂的供电电路。相比之下 , 大功率单体 LED 的功率远大于若干个小功率 LED 的功率总和 , 供电线路相对简单 , 散热结构完善 , 物理特性稳定。所以说 , 大功率 LED 器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率 LED 器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率 , 给 LED 封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。 1、大功率 LED 芯片 要想得到大功率 LED 器件 , 就必须制备合适的大功率 LED 芯片。国际上通常的制造大功率 LED 芯片的方法有如下几种: ①加大尺寸法。通过增大单体 LED 的有效发光面积和尺寸 , 促使流经 TCL 层的电流均匀分布 , 以达到预期的光通量。但是 , 简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题 , 并不能达到预期的光通量和实际应用效果。 ②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸 LED 芯片 , 同时制备出相应尺寸的硅底板 , 并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点 , 再利用共晶焊接设备将大尺寸 LED 芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理 , 既考虑了出光问题又考虑到了散热问题 , 这是目前主流的大功率 LED 的生产方式。 美国 Lumileds 公司于 2001年研制出了 AlGaInN 功率型倒装芯片 (FCLED结 构 , 其制造流程是:首先在外延片顶部的 P 型 GaN 上淀积厚度大于 500A 的 NiAu 层 , 用于欧姆接触和背反射 ; 再采用掩模选择刻蚀掉 P 型层和多量子阱有源层 , 露
大功率照明级LED封装技术
大功率照明级LED封装技术 大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率，给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。 从实际应用的角度来看，安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求，但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流、电压关系，必须设计复杂的供电电路。相比之下，大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。所以说，大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率，给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。 1、大功率LED芯片 要想得到大功率LED器件，就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种：
①加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL 层的电流均匀分布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。 ②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理，既考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的生产方式。 美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层；经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm，P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。 ③陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热效果非常理想，价格又相对较低，所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。
LED十大封装企业
1.厦门三安光电 (主流全色系超高亮度LED 芯片,各项性能指标领先,蓝、绿光ITO(氧化铟锡)芯片的性能指标已接近国际最高指标,在同行内具有较强竞争力)厦门三安电子有限公司是目前国内最大、国际一流的超高亮度发光二极管外延及芯片产业化基地，占地5万多平方米。公司目前的产品主要有全色系LED外延片、芯片、光通讯核心元件等，产品技术指标属世界先进水平。公司被国家科技部列入国家半导体照明工程龙头企业。 2.大连路美(路美拥有上百个早期国际国内核心专利,,范围横跨外延、芯片、封装、灯具、发光粉等。)连路美芯片科技有限公司是由美国路美光电公司与大连路明科技集团公司共同投资设立的中外合资企业，公司总投资1.5亿美元，占地面积10.8万平米，总建筑面积63515平米，专业从事高品质LED半导体发光芯片和LD激光芯片的研发、生产与制造。美国路美光电公司的前身为美国纳斯达克上市公司AXT的光电公司，技术水平处于世界前四名。 3.杭州士兰明芯(其技术优势在于芯片制造工艺,同时受益母公司强大的集成电路和分立器件生产线经验。公司LED显示屏芯片的市场占有率超过50%,09年作为唯一的国产芯片厂商中标广场LED显示屏。)杭州士兰明芯科技有限公司是一家设计、制造高亮度全彩LED芯片的光电半导体器件公司。公司位于杭州经济技术开发区，为杭州士兰微电子股份有限公司与杭州士兰集成电路有限公司合资创办。公司注册资本金为1.5亿元人民币，占地75亩，拥有进口生产设备一百二十多台套。公司产品包括蓝、绿光氮化物半导体材料外延片和芯片两大部分，生产工艺技术已经达到国际水平。 4.武汉迪源光电(武汉迪源目前的产品主要以0.5W和1W LED芯片为主,月产能为10-15KK,主要生产45、50和60mil的大功率LED芯片,同时迪源已拥有1项美国专利和4项中国专利。) 5.广州晶科电子(是珠三角唯一一家大功率、高亮度、高稳定性蓝光LED芯片制造企业。晶科核心产品优势是功率型氮化镓蓝LED芯片和超大功率模组芯片(5W、10W、15W、30W等)。同时在美国和中国拥8项发明专利,并以每年申请2项发明专利的速度进行持续的技术创新,拥有晶片级倒装焊技术倒装大功率芯片制造技术及多芯片集成技术。) 6.上海蓝宝光电(以中科院物理所为技术支撑,拥有成熟的大功率倒装焊、RGB三基色集成、ITO镀膜、抗静电保护等核心技术。) 7.方大国科光电(母公司方大集团是国内第一家批量生产半导体照明用外延片和芯片企业。) 8.厦门晶宇光电(为全世界产量最大、产品最完善的LED外延片及芯片专业公司。) 晶宇光电成立于1996年，专业从事研发、生产超高亮度发光二极管（LED），为全世界产量最大、产品最完善的LED外延片及芯片专业公司。本公司重视自身技术的创新与发展，已获得的超过1,000件的国内外专利数量，关注产品及服务品质的提升，全力配合客户的发展需求。晶元光电将携手晶宇光电创造中国LED 产业在全世界发光发亮的愿景！
LED封装基本知识
LED封装基本知识 LED（发光二极管）封装是指发光芯片的封装，相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光，所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。 封装简介 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。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 自上世纪九十年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度（1cd以上）红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。 技术原理 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，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，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。 关于LED封装结构说明 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。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，有这样几种作
大功率LED封装工艺系列之焊线篇
大功率LED封装工艺系列之焊线篇 大功率LED封装工艺系列之焊线篇 一、基础知识 1. 目的 在压力、热量和超声波能量的共同作用下，使金丝在芯片电极和外引线 键合区之间形成 良好的欧姆接触，完成内外引线的连接。 2. 技术要求 2.1 金丝与芯片电极、引线框架键合区间的连接牢固 2.2 金丝拉力：25μm金丝F最小>5CN,F平均>6CN: 32μm金丝F最 小>8CN,F平均>10CN。 2.3 焊点要求 2.3.1金丝键合后第一、第二焊点如图（1）、图（2） 2.3.2 金球及契形大小说明
金球直径A: ф25um金丝：60-75um，即为Ф的2.4-3.0倍； 球型厚度H：ф25um金丝：15-20um，即为Ф的0.6-0.8倍； 契形长度D: ф25um金丝：70-85um，即为Ф的2.8-3.4倍； 2.3.3 金球根部不能有明显的损伤或变细的现象，契形处不能有明显的 裂纹 2.4 焊线要求 2.4.1 各条金丝键合拱丝高度合适，无塌丝、倒丝，无多余焊丝 2.5 金丝拉力 2.5.1第一焊点金丝拉力以焊丝最高点测试，从焊丝的最高点垂直引线
框架表面在显微镜观察下向上拉，测试拉力。如图所示： 键合拉力及断点位置要求： 3.工艺条件 由于不同机台的参数设置都不同，所以没有办法统一。我在这里就简单 的说一下主要要设置的地方： 键合温度、第一第二焊点的焊接时间、焊接压力、焊接功率、拱丝高度、 烧球电流、尾丝长度等等。
4．注意事项 4．1 不得用手直接接触支架上的芯片以及键合区域。 4．2 操作人员需佩带防静电手环，穿防静电工作服，避免静电对芯片 造成伤害。 4．3 材料在搬运中须小心轻放,避免静电产生及碰撞，需防倒丝、塌丝、 断线及沾附杂物。 4．4 键合机台故障时，应及时将在键合的在制品退出加热板，避免材料在加热块上烘烤过久而造成银胶龟裂及支架变色。 二、键合设备
大功率LED封装工艺技术
大功率LED 封装工艺技术 【摘要】LED 是一种绿色照明光源，其核心是PN 结，原理是多数载流子与少数注入PN 结的载流子进行复合，从而产生光子。LED 封装是LED 的关键技术，主要负责管芯保护、可见光及电信号输出等工作。LED 管芯结构、材料质量、几何形状、成本、封装内部结构等直接影响着大功率LED 的稳定性、均匀性和发光效率。本文对LED 的封装形式、大功率LED 封装关键技术等问题作了详细的分析和系统的阐述。 【关键词】大功率LED ；封装工艺；技术研究 LED 工艺主要包括芯片设计、芯片封装。就目前来看，广大研究者一直致力于大功率LED 封装技术及其散热技术的研究，以求取得更好的研究成果。大功率LED 封装的工艺流程虽较为简单，但实际工艺操作却比较复杂，某个工艺流程不注意便会对LED 的使用寿命造成直接的影响。因而在进行大功率LED 封装时，应对诸多的影响因素（如电、光、热、机械等）进行充分考虑，以便满足设计要求。如电学方面应对大功率LED 的驱动电源设计等情况进行充分考虑；光学方面应对大功率LED 的光衰问题进行充分考虑；热学方面应对大功率LED 的散热问题进行充分考虑；机械方面应对LED 封装的形式等进行充分考虑。
1 LED 的封装形式 随着社会的发展和科技的进步，LED 的封装形式也在不断趋于完善，封装形式繁多，如引脚式LED 封装、系统封装式LED 封装、表面组装贴片式LED 封装、板上芯片直接式LED 封装等，具体作以下介绍： 1.1 引脚式LED 封装形式 引脚式LED 封装形式一般应用在小功率LED 封装当中，通常情况下见到的普通发光二极管大多采用引脚式LED 封装形式，应用比较普遍。引脚式LED 封装形式的散热问题比较好解决，主要是其热量由负极引脚架直接散发到PCB 板上，但该种封装形式在实际的使用当中仍存在一定的缺点和不足一一热阻较大，因而缩短了LED的使用寿命。 1.2 系统封装式LED 封装形式 系统封装式LED 封装形式的发展和应用时间相对较短，该种封装形式满足了系统小型化和系统便携式的诸多要求。系统封装式LED 封装形式较其他封装形式来说，成本较低，且具有较高的集成度，兼容性好，能够实现一个封装内多个LED 芯片的组装工作。 1.3 表面组装贴片式LED 封装 表面组装贴片式LED 封装亦是比较新型的一种LED 封装形式，该种封装技术的原理是在PCB 表面制定位置上贴、焊封装好的LED 器件。该种封装形式技术优势是具有较好的高频特性、较强的可
LED封装技术大全
LED封装技术大全 LED封装所驱动的功率大小受限于封装体热阻与所搭配之散热模块(Rca)，两者决定LED的 系统热阻和稳态所能忍受的最大功率值。为降低封装热阻，业者试图加大封装体内LED晶粒分布距离，然LED晶粒分布面积不宜太大，过大的发光面积会使后续光学难以处理，也限制该产品的应用。不可一味将更多的LED晶粒封装于单一体内，以求达到高功率封装目的，因为仍有诸多因素待考虑，尤其是对于应用面。 多晶粒封装材料不断发展 随着LED封装功率提升，多晶粒封装(Multi-chip Package)成为趋势，传统高功率LED 封装多采用塑料射出之预成型导线架(Pre-mold Lead Frame)方式(图1a)，封装载体(Carrier)又称为芯片承载(Die Pad)，为一连续的金属块，已无法满足多晶粒串接之电性需求，电性串并联方式直接影响LED晶粒电测分档(Bin)的精密程度、可靠度寿命以及封装体在应用时所需要的驱动电路设计。于是众多LED封装型式陆续被提出，图2举出几个代表性高功率LED封装典型例子。 图1 常见高功率LED封装结构示意 图2 典型具代表性之高功率LED封装 广为业界使用的高功率LED封装结构，主要的差异大致可从封装载体之材料选用做区分，
实现方式不外乎采用高导热陶瓷基材或直接在金属基材上做植晶封装(图1b)，成为板上芯片(Chip On Board， COB)的封装形式。但因为高导热陶瓷基材价格居高不下，另有经济的选择，为使用低导热积层陶瓷配合热导通孔(Thermal Via)的设计(图1c)，热导通孔内添入烧结金属(如银材)作为导热路径;此外，亦另有先进的作法，是使用半导体制程硅材为载体(图1d)达到热电分离，同时兼具高功率密度和低热阻(<0.5℃/W)特性，可望将高功率LED 封装导入另一项革命。随着LED功率和功率密度升级，将加速LED在各应用领域逐次取代传统光源。 一级光学镜片封装材料选用举足轻重 耐高温且稳定的封合胶体(Encapsulation)已被广泛采用，不同硅胶基材间的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考虑，其将影响封装体的光学特性，此包括光分配(Beam Distribution)与出光效率等。为维持稳定一致的光学质量，赋予一级光学镜片(Primary Lens)有其必要性，好的镜片设计可提供更佳的光输出质量，如更均匀的光强度、色坐标分布等，对于LED的有效出光有绝对的影响。 一级光学镜片的设计，各家自有其道，一般在第一阶出光多采用大出光角(≧120o)方式，再透过后续的二阶光学处理调整达所需要的光形，大出光角的另一好处，是有利于将光萃取出来，呈现更好的发光效率值。 一级光学材料的选用是很大的关键点，在过去，受限于可光学成型材料的瓶颈，多数以光学聚碳酸脂(PC)或光学压克力(PMMA)材质为主(低阶产品甚或有使用氧树脂的例子)，现阶段因硅胶材性质已多有突破，陆续被使用在一级光学镜片，然因胶材乃属黏弹性非坚硬结构，在光学精准性上会受到交链反应收缩程度差异影响，同时因硅胶容易吸收水气，在高潮湿环境下，硅胶镜片可能因吸湿膨胀而使原先设计的配光发生变化，硅胶材应用在高功率LED 封装，适处于推广阶段。至于在光学镜片材料选用上，还有另一种可行方式，对于实现更精致光学质量与高度可靠度需求者，可选用稳定的玻璃镜片，满足长寿命和容许恶劣使用环境下严格考验。 有效降低热阻值为首要课题 LED封装推向高功率，首要面对热的挑战。热效应始终为各种材料特性退化的一大加速因子，如何掌控结点温度，成为决定LED封装功率值的主要因素，现阶段固态照明产生白光的主流机制，仍以可见蓝光(450～470奈米)透过荧光材(Phosphor)激发黄色光谱混合，而产生人类视觉上的白光。 市面上可见之蓝光晶粒技术已达一定水平，晶粒本身对热冲击的忍受程度相当大(温度每提升10℃、发光效率衰退小于1%)，然而热对于所有类型荧光材的效应则相对敏感，荧光材之光转换效率随温度上升而降低(图3)，同时影响荧光材料寿命，特别当荧光材料温度超过70℃以上时会急速衰退，此意味着LED结点温度(Junction Temperature， Tj)须有效控制在70℃以下，始能有效确保LED可用寿命(一般寿命以L70计算，LED衰退至原来亮度70%之时间)，作为寿命判断依据，而此要求一般皆在20，000小时以上。因此，当讨论LED最高功率以及效能时，须考虑其于正常操作状态下，达热稳定时之结果去推算始具意义。LED 封装体自身之热阻，决定该封装所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是为高功率