大功率LED光電器件封裝框架模具工藝設(shè)計(jì)

趙戰(zhàn)鋒

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，浙江溫州325035）

大功率LED光電器件封裝框架模具工藝設(shè)計(jì)

趙戰(zhàn)鋒

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，浙江溫州325035）

分析了大功率LED器件的封裝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了封裝框架排樣布局和顆粒引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制定了框架沖壓制程規(guī)則，為光電器件生產(chǎn)中應(yīng)用沖壓工藝提供了方案。

大功率LED；封裝工藝；沖壓模

電子元件和LED器件需要實(shí)現(xiàn)電路通斷控制，其通常由銅材沖壓制成。多工位級(jí)進(jìn)模由于能夠集成沖裁、彎曲、成型等多種沖壓工藝于一副生產(chǎn)裝備中，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，在LED光電器件封裝框架生產(chǎn)中得到應(yīng)用[1-2]。LED光電器件由于單個(gè)器件顆粒體積較小，設(shè)計(jì)材料多，工藝步驟多，生產(chǎn)流程長(zhǎng)。但是，采用基于連續(xù)沖壓工藝實(shí)現(xiàn)基于銅帶材的LED器件封裝生產(chǎn)能夠大幅提高生產(chǎn)效率[3-4]。

1 LED器件顆粒結(jié)構(gòu)

大功率LED器件，由于其節(jié)能環(huán)保，近年來(lái)發(fā)展很快，成為照明的主力軍。LED顆粒在封裝制程上與集成芯片有較大的類(lèi)似之處，其共同之處包括：

（1）晶圓劃片后貼裝在框架上面；

（2）通過(guò)金線鍵合連接；

（3）模塑封裝發(fā)光鏡頭；

（4）器件引腳的打彎成型；

（5）顆粒分離完成。

但是LED器件由于其結(jié)構(gòu)上不同于一般的集成器件，其在模塑前需要向管芯上點(diǎn)入熒光粉，確保電光轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)能夠激發(fā)出顏色豐富、色彩可控的光。LED封裝框架比起普通的框架具有特殊性：其支架由三部分組成：銅帶沖壓的支架，用來(lái)傳遞熱量的熱沉，用來(lái)連接支架和熱沉的預(yù)封裝膠體。LED封裝框架經(jīng)后續(xù)貼裝、鍵合、點(diǎn)膠、模塑后，對(duì)引腳進(jìn)行折彎、分離，從而完成光電器件的封裝全部制程。

圖1為典型大功率LED器件顆粒的結(jié)構(gòu)圖[4]，從圖中可以看到在功能性管芯和熒光粉之外，其主要由四部分組成：引腳，承擔(dān)供電作用；銅柱熱沉，承擔(dān)器件在服役過(guò)程中散發(fā)熱量的傳遞；固定引線和熱沉的預(yù)封裝膠體，其與熱沉一起共同承擔(dān)管芯、熒光粉的基座；發(fā)光鏡頭膠體，實(shí)現(xiàn)對(duì)管芯等核心部分的保護(hù)和光子輻射。

圖1 大功率LED顆粒的結(jié)構(gòu)

2 封裝框架沖壓工藝

LED器件封裝框架主要是通過(guò)級(jí)進(jìn)模沖壓制成，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)折彎成型的引腳進(jìn)行展平計(jì)算，其核心在于中性層展開(kāi)半徑的確定，可由展平公式（1）計(jì)算：

ρ=r+xt（1）

式中，ρ中性層的展開(kāi)半徑；r彎曲內(nèi)徑；x中性層系數(shù)。其中系數(shù)x可由鈑金成型表格查表得到[1]。

根據(jù)LED顆粒在終端PCB板上的固定安裝要求和顆粒引腳展平后的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)出顆粒引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。由于引腳的展平長(zhǎng)度僅為16.7mm，而銅帶通常的寬度在30~60 mm之間，因此設(shè)計(jì)成一模兩件的排列形式。考慮到級(jí)進(jìn)模的高速運(yùn)行要求和料帶0.25 mm的厚度，且顆粒完成模塑制程后較重，容易在高速送料過(guò)程中產(chǎn)生彎曲變形，因此設(shè)計(jì)成雙側(cè)與中間復(fù)合載體形式，既能有效連接兩顆LED器件引腳間的偏移，又能顯著增強(qiáng)料帶的強(qiáng)度和剛性。器件顆粒在料帶中的布局如圖2（b）所示。料帶在模具中以導(dǎo)正銷(xiāo)形式進(jìn)行精定位，同時(shí)在中間載體也沖有導(dǎo)正銷(xiāo)孔。這些孔在LED器件的整個(gè)封裝制程中起至關(guān)重要的作用。在銅帶沖壓生產(chǎn)階段，導(dǎo)正銷(xiāo)對(duì)級(jí)進(jìn)模的連續(xù)沖壓進(jìn)行定距和導(dǎo)正，完成封裝框架的沖壓成型。

圖2 銅引腳沖壓料帶排樣布局

3 封裝框架沖壓制程

銅質(zhì)封裝框架沖壓方案的必須滿(mǎn)足如下要求：

（1）框架在模具中有精準(zhǔn)的定位。料帶在模具送料方向的沿導(dǎo)軌精準(zhǔn)送進(jìn)，其寬度通常有較大的公差范圍。對(duì)于精密模具來(lái)說(shuō)，將在高速?zèng)_壓中對(duì)導(dǎo)軌造成較大的壓力，對(duì)料帶的精準(zhǔn)定位帶來(lái)困難。因此需要在框架的初始工位進(jìn)行沖出定位銷(xiāo)孔。此孔在整個(gè)封裝全程中始終起到定距的作用。

（2）對(duì)于不同形狀、不同大小的輪廓的沖裁順序合理安排。對(duì)于較小的型孔優(yōu)先沖裁。這樣做一方面可以在進(jìn)行導(dǎo)正銷(xiāo)孔、側(cè)刃凸模排樣時(shí)進(jìn)行沖裁；一方面可以對(duì)整體工位進(jìn)行壓縮，使得工位緊湊；另一方面可以有效避免在進(jìn)行多余材料沖裁后進(jìn)行沖孔對(duì)支架產(chǎn)品變形的影響。

（3）沖裁壓力中心與模具中心的重合性。由于型孔輪廓的大小與沖裁力成正比。如果廢料的沖裁按照從小到大的順序進(jìn)行沖裁，將會(huì)帶來(lái)沖裁壓力逐步增大，導(dǎo)致模具的整體用力中心向右偏置，對(duì)模具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)帶來(lái)較大的側(cè)向力，為模具高速、長(zhǎng)效運(yùn)行帶來(lái)隱患。

（4）合理安排沖裁刃口的實(shí)際輪廓和前后沖裁輪廓的搭接，使銅帶在不斷的切除廢料沖裁后，輪廓不斷減少。后續(xù)沖裁輪廓應(yīng)盡可能的利用先前沖裁的結(jié)果，使得后續(xù)沖裁呈現(xiàn)出可以跨越先前兩個(gè)型孔的橋式?jīng)_裁。

按照以上規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以得到封裝框架模具工藝布局。型孔、導(dǎo)正銷(xiāo)孔，側(cè)刃凸模和橋式?jīng)_裁的凸模形狀如圖2（b）所示，由此可以設(shè)計(jì)出多工位級(jí)進(jìn)模具進(jìn)行大功率LED光電器件封裝框架。

4 結(jié)束語(yǔ)

作用節(jié)能環(huán)保的新一代照明電源，大功率LED在生活和生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而作為顆粒器件封裝生產(chǎn)中的骨架，封裝框架在整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)起到主渠道的作用。沖壓工藝作為對(duì)封裝框架的沖壓成型，為L(zhǎng)ED器件批量化封裝制程生產(chǎn)起到很好的橋梁作用，有效平衡了大規(guī)模生產(chǎn)與高精度質(zhì)量的雙重要求，能夠帶來(lái)LED器件制造生產(chǎn)上的質(zhì)量和效益的提升，促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化。

[1]陳炎嗣.多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：6-8.

[2]段來(lái)根.多工位級(jí)進(jìn)模與沖壓自動(dòng)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：6-9.

[3]Lay Yeap.Meeting the Assembly Challenges in New Semi conductor Packaging Trend[J].34Th International Electronic Manufacturing Technology Conference，Melaka，2010：1-5.

[4]Zhanfeng Zhao.High power LED packaging materials and tooling[J].Advanced Materials Research Vol.763（2013）：229-233.

[5]Robert F.Karlicek.High Power LED Packaging[J].Proc.of 2005 Conference on Lasers&Electro-Optics（CLEO），2005：337-339.

Pressing Process Design for High Power LED Units Packaging Lead Frame

Z
HAO Zhan-feng
（Department of Mechanical Engineering，Wenzhou Vocational& Technical College，Wenzhou Zhejiang 325035，China）

s：Analysis of the characteristics of high power LED device package design，package frame layout and particle pin internal structure，to develop a framework for stamping process rules，provides a solution for the application of optoelectronic devices in the production of stamping process.

high power light emitting diodes；units packaging technology；pressing toolset

TG386.42

：A

：1672-545X（2017）01-0104-02

2016-10-02

浙江省教育廳科研項(xiàng)目資助（編號(hào)：Y201225710）

趙戰(zhàn)鋒（1981-），男，河南上蔡人，碩士，講師，模具設(shè)計(jì)師，主要從事材料成型工藝及模具技術(shù)教學(xué)和研究工作。