LED封裝實驗課程設(shè)計及問題研究

周凱寧，李登峰，周賢菊

(重慶郵電大學(xué)數(shù)理學(xué)院，重慶 400065)

LED封裝實驗課程設(shè)計及問題研究

周凱寧，李登峰，周賢菊

(重慶郵電大學(xué)數(shù)理學(xué)院，重慶 400065)

LED的封裝技術(shù)直接影響到LED燈具的光、熱、電綜合性能。LED封裝平臺很好地再現(xiàn)了LED封裝的工業(yè)化流程和工藝，能夠完成LED封裝實驗的教學(xué)和科研任務(wù)。講解了LED封裝實驗的課程設(shè)計，包括實驗工藝流程、教學(xué)時間安排和考核方式的設(shè)計，對實驗中可能出現(xiàn)的問題進行了分析，提出解決方法，并對實驗平臺的建設(shè)進行了介紹。

LED;封裝;實驗平臺建設(shè);實驗課程設(shè)計。

為了滿足信息顯示行業(yè)發(fā)展對人才的需要，重慶郵電大學(xué)數(shù)理學(xué)院2011年成功申請設(shè)立了信息顯示與光電技術(shù)專業(yè)。該專業(yè)培養(yǎng)方向要求學(xué)生熟悉信息顯示與光電材料的合成、器件的制作和相關(guān)電路的設(shè)計，并具備運用這些知識和技能進行技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用研究和相關(guān)工作管理的能力。

LED光源作為第四代光源相對于傳統(tǒng)光源具有效率高、光色純、能耗低、壽命長、可靠耐用、應(yīng)用靈活、安全、響應(yīng)快、無污染、控制靈活等優(yōu)點。目前已廣泛應(yīng)用于室外照明、景觀裝飾、大面積室外顯示屏、狀態(tài)指示、標(biāo)志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源、汽車組合尾燈及車內(nèi)照明等。LED產(chǎn)業(yè)正以高速發(fā)展［1－13］。LED封裝在LED產(chǎn)業(yè)鏈中有其重要的地位，LED封裝工藝直接影響到LED燈具產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)，一直是改進LED性能的研究熱點。

目前國內(nèi)高校擁有專業(yè)LED封裝平臺并能開設(shè)封裝實驗的很少，并且少有報道LED封裝實驗課程設(shè)計和問題討論的相關(guān)文獻。重慶郵電大學(xué)信息顯示與光電技術(shù)專業(yè)開設(shè)了LED封裝實驗課程，該實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生熟悉并掌握LED封裝的生產(chǎn)技術(shù)和工藝制作流程，并在實踐中運用所學(xué)理論知識解決實際問題?；谠撜n程的開發(fā)過程，對三個年級開設(shè)本課程的教學(xué)經(jīng)驗和相關(guān)科研工作。

一、實驗平臺的建設(shè)

封裝實驗平臺建設(shè)占地為300 m2，實驗平臺場地按照LED生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)布置和連通。實驗場地內(nèi)供電電源為220 V和380 V。實驗室按照LED生產(chǎn)工藝環(huán)境要求，設(shè)計安裝了通風(fēng)、除濕、防塵、防雷、防震、防靜電等系統(tǒng)和設(shè)施。

封裝實驗平臺主要設(shè)備包括科信超聲波金絲球焊機、LED光電烤箱、抽真空箱、擴晶機、刺晶座、點膠機、粘膠機、灌膠機、一切機、二切機、離模機、冰箱等。

實驗過程中所需原材料及耗材包括不同型號支架、不同型號燈帽模具、不同波長范圍的晶片、絕緣膠、銀膠、環(huán)氧樹脂膠、硅膠、金線、不同規(guī)格熒光粉等［2］。

本實驗平臺可以封裝支架型LED、貼片型LED、白光大功率LED。可以承擔(dān)《顯示器件及技術(shù)實驗》中LED封裝實驗，和白光大功率LED燈的科研實驗等。

在此基礎(chǔ)上，為了對封裝的LED燈泡和燈具進行光、熱、電等性能檢測，建設(shè)了LED檢測實驗平臺。檢測實驗平臺主要設(shè)備包括遠(yuǎn)方DJ5000LED加速老化試驗儀、遠(yuǎn)方JY2003熒光粉相對強度測量儀、遠(yuǎn)方LED310LED熱電性能分析儀、LED620LED光強分布測試儀、PMS－80紫外—近紅外光譜分析儀、0．3 m積分球、2 m積分球、GO－2000分布光度計。

二、LED封裝原理

(一)LED封裝原理和結(jié)構(gòu)

LED是將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體材料。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)是LED的核心結(jié)構(gòu)。由于在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中存在著兩種不同的載流子:空穴和電子，在外界電極、電壓的作用下，兩種載流子在PN結(jié)復(fù)合。電子從高能級躍遷到低能級，輻射以光子形式放出［3］。

現(xiàn)在的LED封裝制作形式主要有引腳式封裝、表面貼裝封裝和功率型封裝。本研究以LED封裝實驗的開設(shè)為例，主要介紹引腳式LED制作封裝的封裝結(jié)構(gòu)及工藝［3］。LED封裝的作用是保護晶片，完成電氣互連，增強晶片散熱，以及完成光線的配光和輸出，LED的封裝技術(shù)直接影響到LED燈具的光、熱、電綜合性能。

引腳式封裝的封裝結(jié)構(gòu)如圖1，包括金屬支架、銀膠/絕緣膠、金線、晶片和環(huán)氧樹脂膠［4］。

圖1 引腳式LED封裝結(jié)構(gòu)

(二)封裝工藝流程

工業(yè)化的直插型LED燈的封裝工藝流程見圖2。

圖2 專業(yè)化直插型LED封裝流程

三、封裝實驗設(shè)計

工業(yè)化生產(chǎn)直插型LED燈的主要流程包括:固晶、焊線、灌膠、測試和分光［5］。因為本科實驗對實驗產(chǎn)品沒有統(tǒng)一光色的要求，所以實驗內(nèi)容略去了分光的環(huán)節(jié)。設(shè)計后的LED封裝實驗操作流程很好地再現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的流程。流程如圖3。

圖3 實驗室LED封裝流程

LED封裝實驗學(xué)時安排為28個學(xué)時。一共分成7次課，每次4個學(xué)時連上。

實驗課程的學(xué)時設(shè)計為:4個學(xué)時教師講授LED發(fā)光學(xué)和檢測理論知識、實驗工藝流程和操作要點、工藝品質(zhì)要求和安全注意事項等，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生完成擴晶、點膠環(huán)節(jié)，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生完成固晶環(huán)節(jié)，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生熟悉并掌握超聲波金絲球焊機的使用，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生完成焊線環(huán)節(jié)，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生完成粘膠和熒光粉涂覆環(huán)節(jié)，4個學(xué)時教師指導(dǎo)學(xué)生完成灌膠、烘烤、切割和測試環(huán)節(jié)。

每次實驗課的課程設(shè)計為:課程開始時，按照3人一組分組，小組內(nèi)分工合作，最終以小組為單位完成封裝產(chǎn)品。每次實驗課前，教師向?qū)W生提供本次課的實驗前準(zhǔn)備要求，包括需要閱讀的與本次實驗環(huán)節(jié)相關(guān)的文獻資料、相關(guān)實驗基本原理、規(guī)范操作說明等，并要求學(xué)生提前完成規(guī)定的思考題。每次實驗課，教師首先組織每小組回顧上次實驗環(huán)節(jié)，討論上次實驗工藝遇到的問題和解決方案，并在組間進行討論和分享。然后教師講解本次實驗工藝環(huán)節(jié)，工藝環(huán)節(jié)品質(zhì)要求和操作要點。接著教師示范規(guī)范操作，指導(dǎo)每個小組完成該次課實驗環(huán)節(jié)操作。最后，在本次實驗結(jié)束前，組織小組組內(nèi)和組間討論本次實驗遇到的具體問題和可能的解決方案，講解本次實驗報告的寫作要求。

整個實驗課程的考核設(shè)計為每次實驗成績、實驗操作成績和實驗報告成績，按一定比重取加權(quán)平均，總成績?yōu)?次實驗課成績的加權(quán)平均。

四、LED封裝實驗制作過程容易出現(xiàn)的問題

在實驗操作中，對固晶制作流程和焊線制作流程的品質(zhì)要求很高，容易出現(xiàn)固晶位置不標(biāo)準(zhǔn)、焊線幅度不標(biāo)準(zhǔn)、一焊點和二焊點容易剝落等問題。而在粘膠制作流程中，不規(guī)范的操作容易在封裝中引起氣泡。這些問題對產(chǎn)品最后的熱、電、光性能影響明顯。

(一)固晶制作流程和問題分析

固晶制程操作規(guī)范:檢查支架、晶片與要求相符。將擴好的晶片環(huán)固定在刺晶座上，固定支架的夾具放在固晶手座下方，調(diào)準(zhǔn)顯微鏡。支架放在夾具上時支架大邊向右，小邊向左。調(diào)整刺晶座高度至合適。用固晶筆將晶片固至支架碗杯中央位置，晶片正負(fù)極和支架碗杯正負(fù)極方向?qū)?yīng)。使用晶片的順序為從上到下，從左到右。依次固完一組支架后，檢查固晶品質(zhì)，如有沒有達到標(biāo)準(zhǔn)的用固晶筆將晶片固平、扶正。

固晶制程的品質(zhì)要求:晶片固在支架碗杯底部中央位置，膠水沒到晶片高度的1/4～1/3位置，膠水沒有污染晶片上表面，晶片上表面水平，晶片正負(fù)極和支架正負(fù)極方向?qū)?yīng)。固晶標(biāo)準(zhǔn)和固晶偏心見示意圖4。

圖4 固晶標(biāo)準(zhǔn)和固晶偏心

學(xué)生實驗制作中常見的工藝問題有:

1)點膠量過多，固晶時膠水沒過晶片上表面或污染上表面。

2)所固晶片偏離支架碗杯中心?？赡艿暮蠊菍?dǎo)致LED光斑不良，影響LED的配光［7］。

3)所固晶片上表面不水平?？赡艿暮蠊怯绊慙ED的配光［7］。

固晶制程中工藝問題的解決方案及對策:

1)對于點膠量過多影響固晶制程品質(zhì)的工藝問題，解決辦法是調(diào)整和控制好點膠量，使固晶后膠水沒到晶片高度的1/4～1/3。

2)對于所固晶片偏離支架碗杯中心的工藝問題，解決辦法是用固晶筆將晶片調(diào)整到支架碗杯中央。

3)對于所固晶片上表面不水平的工藝問題，解決辦法是用固晶筆將晶片固平。

(二)焊線制作流程和問題分析

焊線制程操作規(guī)范:開啟電源，開啟聚光燈。打開溫度控制器，使工作臺溫度上升到200～250℃。設(shè)定焊接超聲功率、焊接壓力、焊接時間。設(shè)定燒球電流、燒球時間，使金球直徑約為線徑的3倍。穿好金線，燒好金球。將支架插入工作臺夾具，調(diào)節(jié)顯微鏡。就緒后，進行打線調(diào)試，設(shè)定好第一焊和第二焊之間劈刀運動的高度和跨度，保證焊線具有良好的弧形。

焊線制程的品質(zhì)要求:第一焊點、第二焊點牢靠。焊線弧度合適，焊線最高點應(yīng)比第二焊點高3/2～2倍晶片高度。焊線不接觸支架碗杯杯沿，不出現(xiàn)焊線傾倒。圖5為焊線標(biāo)準(zhǔn)和焊線幅度過淺和過深的示意圖［14］。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)焊線和不標(biāo)準(zhǔn)焊線

學(xué)生實驗制作中常見的工藝問題有:

1)制作中劈刀容易堵塞。劈刀焊線時下降深度過深，撞擊焊點引起堵塞;晶片上表面被膠水污染，焊線制程中膠水引起劈刀口堵塞;金線燒球較小引起金線堵塞劈刀口。

2)焊線幅度不符合要求，幅度過淺或者過深。存在的工藝問題是打線調(diào)試時沒有調(diào)整好劈刀的運動高度和跨度。

3)第一焊點容易剝落?？赡艽嬖诘墓に噯栴}是劈刀口損壞，燒球不完全或者燒球太小，工作臺溫度沒有達到標(biāo)準(zhǔn)。

4)第二焊點容易剝落?？赡艽嬖诘墓に噯栴}是第二焊點被膠水污染，劈刀口損壞，工作臺溫度沒有達到標(biāo)準(zhǔn)，第二焊焊接時間、功率、壓力參數(shù)設(shè)置不合適［8－9］。

焊線制程中工藝問題的解決方案及對策:

1)對于劈刀焊線時下降深度過深，撞擊焊點引起堵塞的工藝問題，解決的辦法是用鑷子夾住劈刀尖，按住超聲振動按鈕，振動疏通劈刀口，并重新進行打線調(diào)試;對于晶片上表面被膠水污染，焊線制程中膠水引起劈刀口堵塞的問題，解決的辦法是調(diào)整好點膠量，規(guī)范點膠制程和固晶制程操作，避免膠水污染晶片上表面;對于金線燒球較小引起金線堵塞劈刀口的問題，解決的辦法是重新調(diào)整金線尾絲長度、燒球電流和燒球時間，使金球直徑約為金絲線徑3倍。

2)對于焊線幅度不符合要求，幅度過淺或者過深的工藝問題，解決的辦法是重新進行打線調(diào)試，調(diào)整好焊線制程中劈刀運動的高度和跨度，保證焊線幅度合適，焊線最高點比第二焊點高3/2～2倍晶片高度。

3)對于第一焊點容易剝落的工藝問題，如果是由于劈刀口損壞引起，解決的辦法是更換劈刀。如果是由于燒球不完全或者太小引起，解決的辦法是調(diào)整金線尾絲長度、燒球電流和燒球時間;如果是由于工作臺溫度沒有達到標(biāo)準(zhǔn)引起，解決的辦法是調(diào)高溫度使工作臺溫度達到200～250℃之間。

4)對于第二焊點容易剝落的工藝問題，如果是由于第二焊點被膠水污染引起，解決辦法是規(guī)范點膠操作。如果是由于劈刀口損壞引起，解決辦法是更換劈刀。如果是由于工作臺溫度沒有達到標(biāo)準(zhǔn)引起，解決辦法是調(diào)高溫度使工作臺溫度達到200～250℃之間。如果是由于第二焊焊接時間、功率、壓力參數(shù)設(shè)置不合適，解決的辦法是重新調(diào)整。

(三)支架粘膠操作和問題分析

在工業(yè)化生產(chǎn)中，支架的粘膠是用粘膠機進行的。在實驗過程中，因為產(chǎn)品數(shù)量少，改為采用注膠針筒配合點膠機手動粘膠。

粘膠制程操作規(guī)范:設(shè)定好點膠機注膠量。腳踏氣動開關(guān)，注膠針頭出膠。將針頭靠在需粘膠的支架碗杯杯沿，讓膠水緩慢流入碗底，填滿整個支架碗杯。

粘膠制程的品質(zhì)要求:膠水填滿支架碗杯，碗中無氣泡殘留。

學(xué)生實驗制作中容易出現(xiàn)的問題是粘膠后支架碗杯中留有氣泡?？赡艽嬖诘墓に噯栴}是:膠水抽真空不夠完全;支架碗杯有一定深度，而膠體有一定黏度，膠體來不及從支架碗杯邊沿流向支架碗杯杯底，支架腕杯就已經(jīng)被填滿，將部分空氣堵在杯里形成氣泡，

粘膠制程中工藝問題的解決方案及對策是對膠水提前進行加熱，提高其流速，減小黏稠度［15］。

五、結(jié)束語

LED封裝實驗已向兩屆本科學(xué)生開設(shè)，學(xué)生對整個實驗興趣濃厚。通過本實驗的學(xué)習(xí)和操作，學(xué)生能熟悉并掌握直插型LED生產(chǎn)的各個流程工藝，并能對工藝中的常見問題獨立進行分析和處理。所生產(chǎn)的直插型LED燈泡死燈率控制在20%以內(nèi)。學(xué)生通過本實驗的學(xué)習(xí)實踐，為在后續(xù)的LED檢測實驗中，分析封裝工藝對LED熱、光、電性能的影響，打好了基礎(chǔ)。對于完成實驗情況較好、動手能力突出、分析解決問題能力較強的學(xué)生，可進一步向其開設(shè)設(shè)計性實驗。

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(責(zé)任編輯 張佑法)

G424．31

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1007－7111(2012)06－0056－04

2012－04－20

重慶高等教育教學(xué)改革研究項目(09－3－091)，重慶郵電大學(xué)教改項目(XJG1019)。

周凱寧(1985—)，男，研究方向:凝聚態(tài)物理發(fā)光材料。