3)LED封装工艺流程 封装工艺流程图参见右图。 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(lock hill);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(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。
如果LED芯片是L型电极的,也就是说这种芯片是上、下各有一个电极,那么要求芯片粘合的胶既要能导电,又要能把LED芯片上的热量通过胶传导到支架或热沉上。所以,必须用导热性能好、导电性能也好的固晶胶。现在市场上很多种可供选择的胶。
如果LED芯片是V型电极的,也就是说在上面有两个电极,下面没有电极,因此下面就不允许导电。但是仍然需要导热性能,所以必须使用绝缘导热性能较好的胶。
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。烧结烘箱不得再其它用途,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。
特别需要注意的是,加在焊线上的压力不要太大,一般是30~40g之间,压力太大容易把电极打裂,而这种裂缝通过一般的显微镜都是看不见的。如果存在电极裂缝,那么在通电加热后,这个裂缝会逐步变大,相应的漏电流也会增大,这样LED在使用时会很快损坏。
(9)涂覆荧光粉
此工艺流程要根据产品要求决定是否需要。
首先要把荧光粉和环氧树脂调配好,调配的浓度和数量都要根据以往的经验。这里要特别强调的是,胶和荧光粉一定要充分搅拌均匀,要让A、B胶充分混合。在点荧光粉(荧光粉和胶混合,即点胶)的过程中,荧光粉不能沉淀,浓度要始终保持一致。
点荧光粉所用的设备、装胶的容器和针头都要保持一定的温度并不断搅拌,防止胶凝固和荧光粉沉淀。点胶的针头最好使用不粘胶的针头,这种针头只需轻轻一吹就会干净。在点胶过程中要保证针头不会发生堵塞,并且出胶要均匀。这样做才能使白光的色温一致性较好。
目前生产白光LED的厂家,大多数是采用人工点荧光粉,点荧光粉的工人要经过长期的培训,在掌握经验后才能很好地完成这项工艺。点荧光粉所用的点胶机一般有两种: 粘胶机:即将荧光粉和胶配好后,均匀地分布在滚筒上,滚筒不断滚动,这样胶就可以均匀分布在滚筒的外壁上。把焊好金丝的蓝光芯片的整个支架(20粒)靠到滚筒上,滚筒上的荧光粉胶就会均匀地粘到20个芯片的支架“碗”内。图3给出了荧光粉粘胶机的示意图。 点胶机:另一种是用自动配好荧光粉的胶从针头滴到焊好LED的支架上,其工作原理就像灌胶机一样。灌胶机一次可灌20粒,点荧光粉胶一般一次为4~5粒。这种点胶机滴出来的
胶量可以进行调节控制。装在点胶机容器内的胶要保持一定的温度,需要经常搅拌,这样不会产生沉淀。以上两种都适用于φ3mm、φ5mm等引脚式封装的LED管子。图4给出了荧光粉点胶机的示意图。
有些制造大功率白光LED的方法,是预先把荧光粉和胶调配好,然后开出一个模子,把荧光粉胶刷在模子上,让它干后成为一片胶饼。再把胶饼盖在焊好的大功率LED芯片上,并用适量的胶把胶饼固定在芯片上。这样做出来的LED其色温会比较一致。
(10)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) 如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。
(11)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。
(12)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。
(13)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。
(14)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。
(15)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。
(16)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。 (17)包装
将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装 5)Lamp LED的工艺流程图解
6)SMD LED的工艺流程图解
4、LED封装器件的性能
LED器件性能指标主要包括亮度/光通量、光衰、失效率、光效、一致性、光学分布等。
1、亮度或光通量
由于小芯片(15mil以下)已可在国内芯片企业大规模量产(尽管有部分外延片来自进口),小芯片亮度已与国外最高亮度产品接近,其亮度要求已能满足95%的LED应用需求,而封装器件的亮度90%程度上取决于芯片亮度。中大尺寸芯片(24mil以上)目前绝大部分依赖进口,每瓦流明值取决于所采购芯片的流明值,封装环节对流明值的影响只有10%。 2、光衰
一般研究认为,光衰与芯片关联度不大,与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等,影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。目前,中国LED封装工艺经过多年的发展和积累,已有较好的基础,在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。 3、失效率
失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求,其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为1000PPM(3000小时);照明用途LED为500PPM(3000小时);彩色显示屏用途LED为50PPM(3000小时)。中国封装企业的LED失效率整体水平有待提高。可喜的是,少量中国优秀封装企业的失效率已达到世界水平。 4、光效
LED光效90%取决于芯片的发光效率。中国LED封装企业对封装环节的光效提高技术也有大量研究。如果中国在大尺寸瓦级芯片的研发生产上取得突破及量产,将会极大促进功率型封装器件光效的提高。 5、一致性
LED的一致性包括波长一致性、亮度一致性、色温一致性、衰减一致性等前三项一致性是可以通过投料工艺控制和分光分色机筛选达到的。前三项水平来说,中国LED封装技术与国外一致。角度一致性往往难以分选出来,需通过优化设计、物料机械精度控制、生产制程严格控制来达到。例如,LED全彩显示屏用途的红、绿、蓝三种椭圆形LED的角度一致性控制非常重要,决定性地影响LED全彩显示屏的色彩品质,成为LED器件的一项高端技术。衰减一致性也与物料控制和工艺控制有关,包括不同颜色LED的衰减一致性和同一颜色LED的衰减一致性。一致性的研究是LED封装技术的一个重要课题。中国部分LED封装企业在LED一致性方面的技术已与国际接轨。 6、光学分布
LED是一个发光器件,对于很多LED应用用途来说,LED的光形分布是一个重要指标,决定了应用产品二次光学的设计基础,也直接影响了LED应用产品的视觉效果。例如,LED户外显示屏使用的LED椭圆形透镜设计能够使显示屏在角度变化时亮度变化平稳并有较大视角,符合人的视觉习惯。又如,LED路灯的光学要求,使得LED的一次光学设计和路灯的