淺談大功率LED封裝工藝設(shè)計及優(yōu)化

劉勇求，嚴(yán)其艷（廣東科技學(xué)院，廣東東莞，523083）

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淺談大功率LED封裝工藝設(shè)計及優(yōu)化

劉勇求，嚴(yán)其艷
（廣東科技學(xué)院，廣東東莞，523083）

大功率LED在節(jié)能和亮度方面的突出優(yōu)勢，得到了越來越的運用，如廣場、草坪等環(huán)境。本文通過闡釋大功率LED封裝工藝的設(shè)計流程、重點參數(shù)、封裝工藝等，分析了優(yōu)化環(huán)節(jié)與措施，旨在為大功率LED的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

大功率LED；封裝工藝；設(shè)計優(yōu)化

引言

LED照明首先應(yīng)用在平板計算機、液晶電視等背板中，當(dāng)時LED價格昂貴、發(fā)光度低、成品率低等，應(yīng)用領(lǐng)域很窄。伴隨著技術(shù)進步，目前LED已經(jīng)具備價格合理、使用壽命較長、已經(jīng)應(yīng)運到普通照明中［1］。在廣場、草坪等開闊的環(huán)境照明中，提高照明強度非常重要，其中封裝工藝是生產(chǎn)大功率LED的主要環(huán)節(jié)，選擇何種反射材料、固晶材料、芯片涂覆、LED芯片封裝膠等，將影響折射系數(shù)、應(yīng)力強度等關(guān)鍵因素［2］。

因此本文對其封裝工藝設(shè)計、材料選擇和改進技術(shù)等方面進行有針對性的研究，提出了大功率LED封裝優(yōu)化環(huán)節(jié)與措施。

1　大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域及存在的問題

LED即發(fā)光二極管。與白熾燈相比，其能耗可降低百分之八十至百分之九十，與熒光燈相比能耗可降低一半，壽命是白熾燈的二十至三十倍，是熒光燈的十倍，而且無毒無害，屬于綠色光源。因此，LED以其高光效、低能耗、長壽命的突出優(yōu)勢得到了全世界范圍內(nèi)的普遍運用，被認為是繼火焰、白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈后的新型光源。

2　大功率LED封裝設(shè)計流程

在LED產(chǎn)品家族中表面貼式SMD封裝器件占有很大比例［3］，大功率LED是以SMD為基礎(chǔ)封裝的，在指示燈領(lǐng)域和照明領(lǐng)域都得到了廣泛運用。SMD封裝器件在體積、色域、散射角等方面具有突出優(yōu)勢，現(xiàn)階段被廣泛用于手機、計算機等電子設(shè)備顯示器生產(chǎn)領(lǐng)域，需求量越來越大［4-5］。

2.1前期準(zhǔn)備

在大功率LED封裝過程中，前期準(zhǔn)備工作是非常必要的，原材料的準(zhǔn)備是其中重要一環(huán)，需要準(zhǔn)備的原材料包括藍光芯片、支架、熒光粉等，見表1。為了確保LED穩(wěn)定性和安全性，在前期準(zhǔn)備時需要抽檢其樣品，保證其品質(zhì)。

表1　前期準(zhǔn)備注意事項

2.2設(shè)計流程

綜合來說，LED封裝工藝大體上由芯片固晶、芯片焊線、熒光粉涂膠和烘烤4個重要環(huán)節(jié)構(gòu)成。本文根據(jù)SMD在LED行業(yè)中封裝工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀，制定了初步的TOP SMD LED封裝流程：

（1）固晶

固晶流程（見圖1）起著將LED晶片用膠固定在熱沉（即LED支架）上的作用。通常情況下，固晶膠應(yīng)當(dāng)在零下四十度的環(huán)境中進行保存，需要使用的時候，將絕緣膠吸入針筒之內(nèi)，在正常溫度下存放三十分鐘，待膠醒之后將其置于固晶機膠盤進行自動化攪拌。

在擴晶的過程中，把晶片膜置于母環(huán)，將原來的間距0.1毫米擴大至0.6毫米。晶完成后進行固晶，在使用前用壓縮空氣對LED支架進行清潔，然后置于夾具中，編制流程。調(diào)控位置和固晶膠的用量。由于固晶絕緣膠反射能力很弱，能夠吸收環(huán)境中的光，所以當(dāng)固晶絕緣膠用量過多的時候會減少環(huán)境中光的通過量，太少則會對晶片粘稠度產(chǎn)生影響，通常情況下固晶絕緣膠的用量不應(yīng)當(dāng)大于晶片寬度的百分之三十五，不然會對LED光在環(huán)境中的空間分布產(chǎn)生很大影響。固晶之后需要烘烤固晶膠，烘烤溫度為135攝氏度，烘烤時間為一個半小時。烘烤完成后等膠冷卻時，檢查固晶膠的固化情況，檢查的方式為進行推力（大于一百克）測試，如圖1所示。

圖1　固晶流程

（2）金絲鍵合工藝

運用熱壓和力超聲波（金球熱壓超聲鍵合工藝）將LED支架上的鍵合和芯片電極對接，使產(chǎn)品的內(nèi)外引線的銜接程序得以完成。

在電氣放點系統(tǒng)釋放出電火花的情況下，磁嘴外部伸出的金線部分會融化形成圓球形狀，然后會沉降下來，降球星金屬按壓在LED支架鍍銀部位。當(dāng)有適宜的壓力產(chǎn)生和存在超聲波、底板被加熱的環(huán)境中，支架引線金屬和鍍銀層兩者都具有塑性，因此會發(fā)生一定程度的變形。第二焊點球完成之后，磁嘴會自動位移到芯片電極（第一焊點）的位置，放電將電極焊和金線對接，緊接著移動到芯片電極處完成扯線、送線，運用磁嘴外部表面施加按壓力給金線，線弧會在熱和超聲效應(yīng)共同作用下形成，然后扯線的過程中金線會斷裂。

通常情況下，破壞測試和鏡檢是鍵合質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)。前者主要測試金線拉力和金秋推力，金線的直徑不同，拉力大小的最低值規(guī)定也不盡相同。后者用顯微鏡觀察會出現(xiàn)弧線，這個時候要檢測是否有焊點偏移和金球受受損的情況出現(xiàn)。

（3）熒光粉涂覆和烘烤

運用最普遍與最傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方法就是點膠涂覆法，點膠涂覆法最大的優(yōu)點是利于規(guī)模化生產(chǎn)，且其生產(chǎn)簡便，在當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛，但相對而言其精確控制方面難以達到高標(biāo)準(zhǔn)，以至于點膠涂覆法具有較差的重復(fù)性，此外產(chǎn)品的一致性受到沉淀的影響而不高。

熒光粉涂覆過程中通常情況下會出現(xiàn)大量氣泡的問題。在大功率LED燈珠使用中受熱會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，空氣和硅膠的膨脹系數(shù)不一樣可能導(dǎo)致氣體膨脹，進而產(chǎn)生硅膠彈性體被撕裂，如果氣泡靠近金屬甚至?xí)菇鸾z斷裂，所以大功率LED的穩(wěn)定性和可靠性受到氣泡存在的影響。硅膠和固晶膠的吸濕性造成的LED支架潮濕和攪拌過程中大量微小氣泡的產(chǎn)生是氣泡產(chǎn)生的主要原因。

（4）靜電和存儲管理

存儲也是保障大功率LED可靠性和穩(wěn)定性的重要階段。大功率LED封裝硅膠的吸濕屬性會使空氣中的水分漸漸滲透通過LED支架PPA和硅膠，氧化銀層，使銀層反射光的靈敏性降低。除此之外，還有一種化學(xué)元素有可能進入LED支架和正一價的銀元素，今兒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種元素就是銀，最終產(chǎn)生黑色的Ag2S，LED支架鍍銀層反射光能力因為這種化學(xué)反應(yīng)而大大降低，進而產(chǎn)生色溫漂移和光衰現(xiàn)象。所以大功率LED燈珠保存的時候需要真空密封，存放環(huán)境的溫度低于三十?dāng)z氏度，濕度低于百分之六十，環(huán)境中以及環(huán)境周邊不能有硫元素的存在。當(dāng)發(fā)現(xiàn)存儲環(huán)境不具備這些要求的時候，將其置于烤箱中進行干燥處理，在低于八十?dāng)z氏度的烤箱中進行除濕處理。

3　大功率LED封裝工藝的優(yōu)化

3.1焊線工藝優(yōu)化

在生產(chǎn)實踐中，LED失效的原因中焊接不良占了很大比例，因此為了保障LED焊線質(zhì)量，非常有必要對焊線工藝參數(shù)進行改進和優(yōu)化。通過以上分析可知，溫度對LED失效的影響最大，焊線壓力和功率也不容忽視，時間的影響可以忽略不計。最理想的排列組合是A2B2C3D1，在生產(chǎn)中對這個組合進行驗證，隨機抽取三組二十個抽樣樣品進行試驗，不合標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的個數(shù)分別為1、0、1，繼續(xù)在最理想?yún)?shù)排列組合范圍內(nèi)進行很小的調(diào)整變化，會很容易得到高良率參數(shù)，避免了盲目的進行參數(shù)調(diào)整，生產(chǎn)率得到了大大提高。參數(shù)見表2所示。

表2　焊線工藝優(yōu)化實驗參數(shù)

導(dǎo)致鍵合不良和失效的原因有多種，例如空氣灰塵污染、人體凈化、存儲不良等原因造成支架機物受到污染。同時管殼、金絲保管、存放不良，容易老化，金絲延展度和硬度均會產(chǎn)生改變。所以，對LED支架表層必要的清潔至關(guān)重要。

為了使LED金線鍵合的可靠性和穩(wěn)定性得到提高，應(yīng)當(dāng)在其工藝之前運用增加一道等離子清潔工序。增加這一工序之后，經(jīng)過生產(chǎn)實驗發(fā)現(xiàn)，與沒有這道工序相比，清潔后的芯片焊線和支架的拉伸韌性增加了百分之二十四。

3.2熒光粉涂覆工藝

過去的點膠涂覆法在很多方面都具有突出的優(yōu)勢。然而朗伯型是LED的光強分布類型，采用傳統(tǒng)方法的時候，因為反射情況的變化影響，其光線在支架外緣的藍光由于在穿透熒光粉層的時候幾乎被全部吸收殆盡，所以光強較弱，導(dǎo)致LED顏色不均勻，出現(xiàn)黃暈。

在點膠涂覆工藝流程的基礎(chǔ)上，運用反沉淀熒光粉涂覆工藝，LED熒光粉膠層會出現(xiàn)微微凸起的球面熒光粉層結(jié)構(gòu)，在出光和減少熒光粉層的散射損失方面，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢非常明顯。除此之外，這種結(jié)構(gòu)可以有效避免LED出現(xiàn)內(nèi)藍外黃的光圈，使其能夠呈現(xiàn)出高品質(zhì)的白光。

4　結(jié)束語

生產(chǎn)成本較高是我國大功率LED深入到室內(nèi)照明市場的掣肘，產(chǎn)品制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對降低其生產(chǎn)成本方面具有重大的影響。因為我國將來的大功率LED研究開發(fā)工作應(yīng)當(dāng)將重心放在以下兩個方面：第一，提高熒光粉涂覆技術(shù)的一致性和可重復(fù)性；第二，運用新型硅膠材料和熒光粉，使得大功率LED的可靠性和光色質(zhì)量得到全面提高。

2014年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（2014KQNCX245）。

［1］陳明祥，羅小兵，馬澤濤，劉勝. 大功率白光LED封裝設(shè)計與研究進展［J］. 半導(dǎo)體光電，2016，06:653-658.

［2］白林，梁宏寶. 大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計與驅(qū)動技術(shù)［J］.發(fā)光學(xué)報，2012，04:487-494.

［3］趙紫薇，紀(jì)獻兵，徐進良，薛強，張偉.大功率LED的壽命與散熱技術(shù)的研究進展［J］. 微電子學(xué)，2013，02.

［4］陳超中等. 功率型LED光通維持壽命的預(yù)測［J］，中國照明電器，2010（8）.

［5］周一平.LED照明燈具的壽命分析［D］，湖南師范大學(xué)，2011.

Design and Optimization of High-Power LED Packaging Technology

Yongqiu Liu， Qiyan Yan
（Guangdong University of Science & Technology， Dongguan， Guangdong， 523083， China）

The outstanding advantage of High power LED is energy saving and brightness. High power LED is used more and more widely， such as squares， lawns and other environments.This paper describes the design of high-power LED packaging process， focus parameters， packaging technology，etc.，which provide a theoretical basis for the production of high-power LED based on Analysis and optimization measures.

High Power LED； Packaging Process； Design Optimization

嚴(yán)其艷（1981-），女，講師，主要研究方向為大功率LED封裝技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，專家系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集。

TU113.8+4

A

2095-8412 （2016） 03-514-04

劉勇求（1980-），女，湖南湘潭人，漢，講師，碩士，研究方面為智能儀器，廣東科技學(xué)院機電工程系教師。

E-mail: banbianqiu@126.com