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led毕业论文 山西机电职业技术学院 系 毕业论文 课题:LED封装结构及其技术 专业 电气自动化 班级 电气28班 姓名 刘晓杰 学号 28140324 指导教师 原云峰 实践单位 长治高科产业有限公司 1 目 录 1 前言1 1.1 关于发展半导体照明的重要性 1.2 LED的发光原理、特点、分类及应用 1.2.1 LED的发光原理 1.2.2 LED光源的基本特征 1.2.3 LED光源的分类 1.2.4 LED光源的应用 1.3 LED封装的基本问题 2 LED封装技术的研究现状 2.1 引言 2.2 LED封装形式的演变、封装流程、封装材料8 2.2.1 LED封装形式的演变 2.2.2 LED封装工艺流程 2.2.3 LED封装材料 2.3.1引脚式封装3 2.3.2 表面贴装封装5 2.3.3 功率型封装6 3 LED封装技术的发展趋势8 2 3.1 LED芯片效率的提升对芯片面积的影响8 3.2 LED器件效率与封装工艺的提升对LED应用成本的影响0 3.3 LED封装未来工艺及装备的改变分析1 4结论 3 摘 要 发光二极管是21世纪的照明新光源，它具有光效高，工作电压低，耗电量小，体积小等优点，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长。光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，发展LED作为新型照明光源替代传统的照明用具将是大势所趋。 LED封装的光学模拟大多采用雷曼某大功率LED的模拟，晶片、支架碗杯、透镜(或填充胶体)为其三大要素，通过改变碗杯结构、透镜形状来模拟寻求最 0佳的出光效率，并设计发光角度为60的封装产品。在实验中，支架碗杯内壁有直线、圆弧向里、圆弧向外等情形，填充胶的胶量有凹入或凸起情形，通过对每种情况对应的Candela图进行分析可得:支架碗杯内壁的设计为圆弧向里，填充胶的胶量(胶体在碗口处的高低变化)为凸起时，可以得到最为理想的出光效率，得到的产品的性能也最稳定。 由光学模拟实验得到的LED的参数值可以设计出性能最好的器件，作为一种节能、高效的新型发光器件，LED的前景已经引起了产业界和资本市场的广泛关注，几个主要发达国家和地区都提出了半导体照明。我们国家的半导体照明将紧急启动，只要打破了制约亮度、价格等的技术瓶颈后，使得半导体照明能普遍的进入民用照明领域后，一年就可以为中国节电一个三峡工程。 关键词:封装结构类型;封装工艺流程;出光效率;光学模拟 4 1 前 言 1.1 关于发展半导体照明的重要性 发光二极管(LED)被认为是21世纪的照明新光源，同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍。LED器件是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长，光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染，因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长等特点。如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，LED作为新型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。中国工程院院士陈良惠曾说:“半导体照明进入民用照明领域，一年可以为中国节电一个三峡工程”。预计到2010年，我国照明用电将达到3225亿kWh，如果半导体照明进入有1/3的照明市场，就能够节约1/3的照明用电，这意味着每年为国家节省用电1000亿kWh，相当于三峡工程每年847亿kWh发电量的12倍。 为此，国家将紧急启动半导体照明工程:首先，我国发展半导体照明有一定技术和产业基础。我国自主研制的第一个发光二极管(LED)，比世界上第一个发光二极管仅仅晚几个月;在氮化镓的研究方面比国外大约晚三年，比起当初微电子的技术差距已经小很多了。通过“863”计划等科技计划的支持，我国已经初步[1]形成从外延片生产、芯片制备、器件封装到应用的比较完整的产业链。我国已经有400多家企业介入到LED照明行业中，封装在国际市场上已占有相当大的份额，民间资本已开始大量进入。半导体照明产业是技术密集型加劳动密集型产业，尤其是芯片加工和封装全是劳动力密集型的，能够发挥我国的劳动力比较优势，我国有能力承接国际半导体照明产业的转移。 其次，我国是世界上最大的传统照明电器生产和出口国之一，而且中国有着13亿人的巨大市场，如果将来应用新技术，进一步降低成本，未来照明产业的最大市场还应是在中国，如此巨大的市场怎能拱手让与他人, 综合分析这几方面情况，2003年6月17日，科技部联合信息产业部、建设部、教育部、中国科学院、中国轻工业联合会等部门，紧急启动了“国家半导体照明工程”，成立了国家半导体照明工程协调领导小组。2003年10月15日，国家“十五”科技攻关计划重大项目—“半导体照明产业化技术开发”通过可行性论证，10月29日正式启动。“半导体照明产业化技术开发”项目包括“功率型高亮度发光二极管芯片及封装产业化关键技术”、“半导体照明系统技术、重大应用产品开发及示范”、“半导体照明评价与标准体系、发展战略研究及知识产权战略研究”。预计通过该攻关计划的实施，可以建成功率型高亮度LED芯片制备和封装示范生产 [2]线，形成10~20项目原创型核心技术专利，开发出10种以上特殊照明特色产业与应用示范基地、建立具有自主知识产权的半导体照明评价与标准体系和知识产权联盟。 半导体照明是个跨领域、跨学科、跨部门的工程，需要多部门很好地协作、统一布局，共同推进。我国科研成果转化环节很薄弱，科研、产业两张皮，企业也没有很强的实力介入到科研中来。为此，专家呼吁，科研、企业、宏观政府管理部门和地方政府管理部门应统筹规划，共同推进，避免产业趋同和低水平重复建设，并提供相关配套产业政策，使各方面资源能够有效整合，通过阶段性目标的整体推进，最终形成有核心竞争力的中国半导体照明产业。 1.2 LED的发光原理、特点、分类及应用 5 1.2.1 LED的发光原理 (1) p-n结电子注入发光 图1.1、图1.2表示p-n结未知电压是构成一定的势垒，当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向p区扩散，构成对p区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放，这就是p-n结发光的原理。 发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg。如Eg的单位为电子伏(eV) 。Eg=hv/q=hc/(λq)，λ=hc/(qEg)=1240/Eg (nm)。 半导体可分为直接带隙和间接带隙两种，发光二极管大都采用直接带隙材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接带隙材 料，其效率就低一些。表1.1列举了常用半导体材料及其发射的光波波长等参数。 图1.1 p-n结发光的原理 图1.2 p-n结发光的原理 表1.1 常用半导体材料及其发射的光波波长 GaAs GaP GaAsP GaAlAs GaN:Zn 半导体材料 类型 HG400 HG500 HG530 BT BL 系列 发光颜色 红外 红外 红外 红 绿 红 红 蓝 940 930 930 695 555 650 680 490 发光波长 2 ,0.3 ,1 ,0.4 ,0.4 (nm) ,1 ,10 ,100 发光亮度7.5 ?1.3 ?1.6 ?2 ,1.8 ,2 ,2.5 ,2.5 (mcd) 10 30 200 3000 10 10 10 10 发光功率50 200 300 50 50 50 50 (mW) 正向压降(V) ,50 ,50 ,50 工作电流 ?5 ?5 ?5 (mA) 6 75 300 100 100 最大工作电 流(mA) 反向电流 (uA) 反向耐压(V) 最大功耗 (mW) (2) 异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图1.3表示未加偏置时的异质结能级图对电子和空穴具有不同高度的势垒。图1.4表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空穴的势垒小得多，而且空穴不断从p区向n区扩散，得到高的注入效率。n区的电子注入p区的速率却较小。这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。由于p区的能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。 1.2.2 LED光源的基本特征 (1) LED光源发光效率高 LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12~24lm/W，荧光灯50,70lm/W，钠灯90,140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。 图1.3 未加偏置时的异质结能级图 7 图1.4 加正向偏置后的异质结能级图 LED光效经改良后将达到达50,200lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高对LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。 (2) LED光源耗电量少 LED单管功率0.03,0.06W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5,3.5V，电流15,18mA，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的1/8，荧光灯管的1/2，日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯为例，同样效果的一支日光灯40W多，而采用LED每支的功率只有8W，而且可以七彩变化。 (3) LED光源使用寿命长 采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5~10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 (4) LED光源安全可靠性强 发热量低，无热辐射，冷光源，能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。 (5) LED光源有利于环保 LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。 8 1.2.3 LED的分类 (1) 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。 (2) 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为Φ2mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ8mm、Φ10mm及Φ20mm等。国外通常把Φ3mm的发光二极管记作T-1;把Φ5mm的记作T-1(3/4);把Φ4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 (3) 从发光强度角分布图来分 1? 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5?~20?或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 2? 标准型。通常作指示灯用，其半值角为20?~45?。 3? 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45?~90?或更大，散射剂的量较大。 (4) 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 (5) 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd)，把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。 1.2.4 LED的应用 LED的应用主要可分为三大类:LCD屏背光、LED照明、LED显示。 1? 小尺寸1.5寸到3.5寸LCD屏的背光:例如手机、PDA、MP3/4等便携设备的LCD屏都需要LED来背光。 2? 7寸LCD屏的背光:如数码相框。 3? 大尺寸LCD屏的背光:如LCD TV/Monitor、笔记本电脑。 4? LED手电筒:小功率LED手电筒、强光LED手电筒、LED矿灯。 5? LED照明:照明经过白炽灯、日光灯，到现在比较普遍的节能灯，再下个阶段应该就是LED照明灯的普及了，这里需要超高亮度的LED，超长寿命、极低功耗将是LED灯很大的优势，同时成本考虑也是一个关键。 6? LED显示:我们在公交车、地铁里都能看到各样的LED字幕显示屏，并且在户外也有不少大屏幕LED点阵显示屏幕，从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机。这里需要用到专用的LED显示控制芯片。 1.3 LED封装的基本问题 9 LED灯封装解释:简单来说LED封装就是把LED封装材料封装成LED灯的过程; LED灯封装流程:一般LED封装必须经过扩晶-固晶-焊线-灌胶-切脚-分光分色等流程; LED灯封装材料:主要封装材料有芯片、金线、支架、胶水等; LED灯封装设备:扩晶设备、固晶机、焊线机、点胶机、烘烤箱等，一般分为全自动封装设备手工封装设备两种。 LED灯封装的必要性:半导体封装使诸如二极管、晶体管、IC等为了维护本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度的影响，以及防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此，封装的目的有下列几点:(1)防止湿气等由外部侵入;(2)以机械方式支持导线;(3)有效地将内部产生的热排出;(4)提供能够手持的形体。以陶瓷、金属材料封装的半导体组件的气密性较佳，成本较高，适用于可行性要求较高的使用场合。以塑料封装的半导体组件的气密性较差，但是成本低，因此成为电视机、电话机、计算机、收音机等民用品的主流。 LED封装质量评判:LED灯封装好坏的几个指标是角度、亮度、颜色(波长)一致性、抗静电能力、抗衰减能力等。 LED灯的封装技术:一般全自动设备封装要比手工封装的要好，封装的技术水平也是LED灯封装的好坏的主要因素，同样的材料不同的生产厂家生产出来的产品有很大的差别。 LED封装技术的关键:大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1.5所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能取得成功。 图1.5 LED封装技术涉及的各 2 LED封装技术的研究现状 2.1 引言 10 国内LED产业中有20余家上、中游研制及生产单位和150余家后道封装企业，高端封装产品还未见推向市场。目前，完成GaN基蓝绿光LED中游工艺技术产业 [3]化研究，力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平，力争在较短时间内达到月产10万的生产能力，开发白光照明光源用的功率型LED芯片等新产品。科技部将投入8000万元资金，启动国家半导体照明工程，注意终端产品，先从特种产品做起，以汽车、城市景观照明作为市场突破口，把大功率、高亮度LED放在突出位置，它的成果将要服务于北京奥运会和上海世博会。无庸质疑，产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展，多方互动培植，封装是产业链中承上启下部分，需要关注与重视。 2.2 LED封装形式的演变、封装工艺流程、封装材料 2.2.1 LED封装形式的演变 如图2.1所示，根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热和发光效果，LED封装形式多种多样。目前，LED按封装形式分类主要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED等。 图2.1 LED封装形式的演变 (1) Lamp-LED(垂直LED) Lamp-LED早期出现的是直插LED，它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树脂，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱中让环氧树脂固化后，将LED从模腔中脱离出即成型。由于制造工艺相对简单、成本低，有着较高的市场占有率。 (2) SMD-LED(表面贴装LED) 贴片LED是贴于线路板表面的，适合SMT加工，可回流焊，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，采用了更轻的PCB板和反射层材料，改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚，使显示反射层需要填充的环氧树脂更少，目的是缩小尺寸，降低重量。这样，表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更加完美。 (3) Side-LED(侧发光LED) 11 目前，LED封装的另一个重点便侧面发光封装。如果想使用LED当LCD(液晶显示器)的背光光源，那么LED的侧面发光需与表面发光相同，才能使LCD背光发光均匀。虽然使用导线架的设计，也可以达到侧面发光的目的，但是散热效果不好。不过，Lumin LEDS公司发明反射镜的设计，将表面发光的LED，利用反射镜原理来发成侧光，成功的将高功率LED应用在大尺寸LCD背光模组上。 (4) TOP-LED(顶部发光LED) 顶部发光LED是比较常见的贴片式发光二极管，主要应用于多功能超薄手机和PDA中的背光和状态指示灯。 (5) High-Power-LED(高功率LED) 为了获得高功率、高亮度的LED光源，厂商们在LED芯片及封装设计方面向大功率方向发展。目前，能承受数瓦功率的LED封装已出现。比如Norlux系列大功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位于其中心部位，直径约0.375mm×25.4mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，发光效率高，热阻低，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。可见，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，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得更加重要。 (6) Flip Chip-LED(覆晶LED) LED覆晶封装结构是在PCB基板上制有复数个穿孔，该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个不同区域且互为开路的导电材质，并且该导电材质是平铺于基板的表面上，有复数个未经封装的LED芯片放置于具有导电材质的一侧的每个穿孔处，单一LED芯片的正极与负极接点是利用锡球分别与基板表面上的导电材质连结，且于复数个LED芯片面向穿孔的一侧的表面皆点着有透明材质的封 [4]胶，该封胶是呈一半球体的形状位于各个穿孔处，属于倒装焊结构发光二极管。 2.2.2 LED封装工艺流程 (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整。 (2) 扩片 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。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 12 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，特别是蓝、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2h，根据实际情况可以调整到170?，1h，.绝缘胶一般150?，1h。 银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2h(或1h)打开更换烧结的产品，中间不得随意打开，烧结烘箱不得再其他用途，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，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。 (9) 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)，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。 (10) 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。 (11) 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。 (12) 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?，1h，模压封装一般 13 在150?，4min。 (13) 后固化 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?，4h。 (14) 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。 (15) 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。 (16) 包装 将成品进行计数包装，超高亮LED需要防静电包装。 2.2.3 LED封装材料 (1) 主剂材料 ? 环氧树脂:以透明无色、杂质含量低、黏度低为原则。高档产品应选用道化学的331J、南亚的127、++三井的139、大++油墨的EP4000系列环氧树脂，中低档产品可采用宏昌的127系列环氧树脂。 ? 活性稀释剂:一般采用脂环族的双官度活性稀释剂比较好，但国内基本上不能生产;中低档产品可用南亚的AGE代替，但AGE对固化后的强度有影响，交联度也不够。如果树脂的黏度较低，可以不添加稀释剂。 ? 消泡剂:以相容较好、消泡性好、低沸点溶剂为准则，可选用BYK-A530、BYK-066、BYK-141、德谦6500等消泡剂。 ? 调色剂:一般以20%的透明油容性染料添加80%的主体环氧树脂后，加温搅拌混溶后即可少量添加，可消除树脂及其他材料添加造成的微黄色，并可保证固化后颜色的纯正。透明油容性染料的选择，需具备至少150~180?的耐温条 [5]件，以防止加温固化时变色，可选用拜尔PEG-400系列调色剂。 ? 脱模剂:以脱模效果好、相容性好、颜色浅为原则，可选用广州科拉司公司(BYK代理商)的FINT-900、无锡三山电子材料厂的TMA脱模剂。 (2) 固化剂材料 ? 甲基六氢苯酐:一般国内产品中游离酐的含量偏高，只用于中低档产品生产，高档产品应采用意大利Lonza公司的产品。 ? 促进剂:酸酐体系可采用季胺盐，如国内研发的四丁基溴化胺、四已基溴化胺，但是四已基溴化胺的相容性可能不太好，可先用醇类(如苯甲醇、甘油)稀释后使用，但会影响强度。 ? 抗氧剂:主要防止酸酐高温固化时被氧化，要求相容性好、颜色浅，中低档产品可选用通用的264系列抗氧剂。 2.3 产品封装结构类型 [6] 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，如表2.1所示，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。 14 表2.1 超高亮度LED商品化 主要材料 生产技术 颜色(nm) 起始年份 液相外延、金属有机化学汽 AlGaAs 1983 红、红外(880-650) 相淀积 AlGaInP 红、橙、黄、黄绿 AlInGaP 1991 低温金属有机化学汽相淀(650-560) 积 双气流金属有机化学汽相深绿、蓝、近紫外 InGaN 1993 (525-385) 淀积 LED产品封装结构的类型如表2.2所示，现有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED，应用设计更灵活，已在LED显示市场中占有一定的份额，有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市，成为今后LED的中、长期发展方向。 2.3.1 引脚式封装 LED引脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断 [7]改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在 表2.2 LED产品封装类别 类 型 特 征 结 构 圆形、矩形、多边形、椭圆形、阻塞形、子弹形、凸形、环氧全封、金属点光源弓形、双头形、侧视形、碗形、圆柱形、三角形、凹面(陶瓷)底座环氧封(发光尖端形等等，透镜尺寸各异。 装、表面贴装 灯) 面光源 发光面积大，可见距离远，视角宽，圆形、梯形、三角双列直插、单列直 (面发光形、平形、正方形、长方形等，可拼接成发光陈列或某插、表面贴装 灯) 些专用线条、图形，作信号或状态指示用。 发光显示数码管、符号管、“米”字管、矩陈管，电平或多位、光表面贴装、混合封 器 柱显示器等 装 能承受0.1W输入功率的包封内，其90,的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时p-n结的升温是封装与应用必须考虑的。包装密封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。 花色点光源有多种不同的封装结构:陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能，引脚可弯曲成所需形状，体积小;金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯，适作电源指示用;闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装，可自行产生较强视觉冲击的闪烁光;双色型由两种不同发光颜色的管芯组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除双色外还可获得第三种的混合色，在大屏幕显示系统中的应用极为广泛，并可封装组成双色显示器件;电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装，可直接替代5~24V的各种电压指示灯。面光源是多个LED管 15 [8]芯粘结在微型PCB板的规定位置上，采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成，PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式，有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸，供市场及客户适用。 LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件;后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯(最多可达201只管 [9]芯)，属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13~15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。 半导体p-n结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光，只能在封装时借助荧光物质，蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉，间接产生宽带光谱，合成白光;或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。这两种方法都取得实用化，日本2000年生产白光LED达1亿只，发展成一类稳定地发白光的产品，并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高，以局部装饰作用为主，追求新潮的电光源。 2.3.2 表面贴装封装 为了利用自动化组装技术降低制造成本，从20世纪80年代开始在LED生产中逐渐推广使用表面贴装器件(SMD)，20世纪90年代这一技术得到了进一步强化。最初的SMD-LED作为低功率器件主要用于指示设备和移动电话键盘的照明，后来开发出的大功率SMD-LED器件用于汽车面板照明、刹车灯，并扩展用于通用的照明设备。 SMT是蜂窝PCS电话机的主要技术要求，具有极大的市场发展潜力。移动电话功能的不断升级也进一步提出了对更高性能LED的需求，移动电话设计中需要多种多样的LED，包括更高亮度的单色LED器件、真彩LCD显示屏(特别是第2.5代和第3代移动电话的LCD)背景光源用的白色LED以及实现产品差异 16 化所需的蓝色和紫罗兰色等特殊色LED。同时，移动电话的复杂程度越来越高，体积越来越小，对LED提出了更薄、更小外形包装的要求，特别是要求高性能 LED能提供芯片级的表贴封装，即工业标准的1.6mm×0.8mm外形尺寸。 在2002年，表面贴装的LED(SMD-LED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展的大趋势。早期的SMD-LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸为3.04mm×1.11mm。在SOT-23的基础上，人们研发出了带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列和SLM-245系列LED，其中SLM-125系列LED为单色发光，SLM-245系列LED为双色或三色发光。近些年， SMD-LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题。采用更轻的PCB板和反射层材料，在显示反射层中需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸、降低重量，可轻易地将产品的重量减轻一半，最终使产品更趋完善，尤其适合户内、半户外全彩显示屏应用。 表2.3示出了几种常见SMD-LED的外形尺寸，以及根据外形尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观察距离。SMD-LED焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的SMD-LED的数据都是以4.0mm×4.0mm的焊盘为基础测得的，采用回流焊接可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC-2 封装(塑料带引线片式载体)，外形尺寸为3.0mm×2.8mm，通过独特方法装配高亮度管芯，产品的热阻为400K/W，可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下可达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD-LED显示器件的字符高度为5.08~12.7mm，显示尺寸选择范围宽。表面贴装封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示色彩鲜艳清晰。多色表面贴装封装带有一个外部反射器，可简便地与管芯相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，为大范围区域提供统一的照明。 表2.3 几种常见的SMD-LED的外形尺寸 封装形式 外形尺寸最小间距最佳观察距离 备 注 (mm) (mm) (mm) PLCC-2 3.2×3.0 10 17 单管芯有利散热 1206 3.1×1.7 8 13.6 侧光型、高亮度型 0805 2.1×1.35 6 11.2 0603 1.7×0.9 5 8.5 畅销产品，向0402发展 PLCC-4 3.2×2.8 5 8.5 双色或三色组合封装 2.3.3 功率型封装 17 LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比中5mm LED大10~20 [10]倍的光通量，必须采用有效的散热与优化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达187lm，光效44.3lm/W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管占尺寸为2.5mm×2.5mm(可在5A电流下工作，光输出达200lm，作为固体照明光源有很大发展空间。 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沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点:热阻低，一般仅为14?/W，只有常规LED的1/10;可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40~120?范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污;反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。 Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位于其中心部位，直径约0.375mm×25.4mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的A1GaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。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LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发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 [9]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。 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，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。 12.4 LED封装结构的光学模拟与设计 2.4.1 雷曼某大功率LED 的模拟 雷曼某款大功率LED 结构如图2.3 所示，其蓝光灯仔的发光角度为120?。 (1) 根据其尺寸、结构，分别绘制晶片、支架碗杯、胶体(填充碗杯，一般情况下为平杯)，并设定了0.02mm 的底胶高度(即长方体底面与支架碗杯底的距离) ，如图2.4所示。 1 深圳市雷曼光电科技有限公司:LED封装结构的光学模拟与设计～文章编号:1006-6268(2008) 03-0067-05。 18 图2.3 雷曼大功率LED结构 图2.4 雷曼大功率LED的3D结构 (2) 设定属性: 碗杯表面均设定为70% 吸收的Table 类型表面属性，胶体部分折射率1.54、透光率95%，晶片发光表面为Flux(Absorptance) 及140?的发光角度。 (3) 发光角度模拟结果:在距离灯仔正面300mm远处设一测试面，观察Candela分布图，见图2.5，可以测算得到其2θ 发光角度约为120?，与雷曼实1/2 测的发光角度是比较一致的。 (4) 探讨:若对材料的性质不了解， 改变诸如碗杯的表面属性、填充胶的折射率、晶片的发光面属性都会对模拟结果产生影响。见图2.6，这是改变晶片 [14]表面发光属性(发光角度变为120?) 后所得到的矩形Candela 图，模拟出来的发光角度约110?，已有较大的失真。 19 图2.5 测试面的矩形Candela图 图2.6 晶片发光面改变后的测试面矩形Candela图 2.4.2 LED的光学设计 LED 封装的光学模拟中，晶片、支架碗杯、透镜(或填充胶体)为三大要素。就封装设计而言，晶片特性宜保持不变，改变碗杯结构、透镜结构及属性，通过模拟可以寻得所需的设计结果。以下取雷曼大功率LED为样本，通过改变碗杯结[15]构、透镜形状来模拟寻求最佳的出光效率，并设计发光角度为60?的封装产品。 (1) 出光效率 1? 改变支架碗杯内壁(反射锥母线)的形状 a. 直线(即碗杯为圆锥台模子的形状) 如图2.7所示，为了更直接地得到模拟的效果，对碗杯底部及侧面均设置了100% 的反光效果，且不做胶体填充处理。模拟所得的Candela 图见图2.8，其发光角度约130?，效率为87.95%。 图2.7 母线为直线的碗杯 b. 圆弧向里 见图2.9，属性设置同上。模拟所得的Candela图见图2.10，其发光角度约40?， 效率为100%。 c. 圆弧向外 见图2.11，也采用上述属性设置。模拟所得的Candela 图见图2.12，其发光角度约130?，效率为88.35%。 20 图2.8 Candela 图 图2.9 母线为向里圆弧的碗杯 以上三者对比可得，圆弧向里的设计结果最为理想，光的取出最为有效。当然，需要再配合填充胶及其胶量、碗杯的深度等调整弧度，才能得到最为理想的出光效率。 2?改变填充胶的胶量(胶体在碗口处的高低变化) 在实际的封装中，受物料一致性、过程稳定性等影响，未能确保填充胶的胶量在碗杯口处显得一致，即胶体或有凹入或有凸起情形。通过模拟，可以大致了 [16]解到相关参数的变化，为工程制定标准胶量提供依据。 图2.10 Candela 图 21 图2.11 母线为向外圆弧的碗杯 图2.12 Candela 图 a. 凸起 如图2.13 所示，设定凸起是高度为0.1mm 的球缺，模拟可得发光角度及出光效率分别为122?、39.53%，如图2.14所示。 图2.13 胶体凸起 b. 凹入 如图2.15 所示，设定凹入是深度为0.15mm的球缺，模拟可得发光角度及出光效率分别为110?、36.28%，见图2.16。 c. 与碗杯口齐平 如图2.17，使胶体表面与碗杯口齐平，模拟可得发光角度及出光效率分别为116?、36.15%，见图2.18。 22 图2.14 Candela 图 图2.15 胶体凹入 图2.16 Candela 图 比较三种情形，可知凸起的胶体对出光效率更为有利，发光角度的大小与填充胶体的高低(多少) 的光系是正相关的。从应用光学理论的角度可以对此做简略的解释: 光从光密介质射入光疏介质时会在一定的入射角条件下发生全反象[17];就本例而言，胶体与碗杯口齐平或凹入，其发生全反射的表面积都比胶体凸起的大，因此对出光效率更为不利。 23 图2.17 胶体与碗杯口齐平 图2.18 Candela 图 2.4.4 发光强度分布 [18]在实际的产品应用中，对LED封装产品的发光角度有特定的要求。以下为在不改变现有支架结构的情况下，对雷曼大功率LED 进行60?发光角度产品的设计:改变凸起透镜的形状，逐一模拟，可最终寻得合适的设计。如图2.19(a)、2.19(b)、2.19(c)所示，a、b、c 透镜分别为不同形状的凸起透镜结构示意图，对应的Candela 图分别如图2.20~2.22 所示。 [19]对比三者的模拟结果(见表2.4)，可知出光效率并没有明显的区别。c 类型的透镜所得的发光角度约为60?，符合本次光学设计要求。 图2.19(a) a透镜 24 图2.19(b) b透镜 图2.19(c) c透镜 图2.20 a透镜的Candela图 25 图2.21 b透镜的Candela图 图2.22 c透镜的Candela图 表2.4 不同设计的参数比较 o透镜形状类别 出光效率(%) 发光角度() 81.58 90a透镜 81.48 50b透镜 81.51 60c透镜 26 3 LED封装技术发展趋势 3.1 LED芯片效率的提升对芯片面积的影响 LED芯片效率提高使芯片面积大幅度减小，从而改变封装的方式，使单一 [20]器件的光输出大大增加，如表3.1所示。提高LED芯片发光效率技术的方法有: 表3.1 芯片效率的提升对芯片面积的影响 芯片面积 类比光效(得到 实现的光效 (mm×mm) 可能的实现时间 的光通量)(m) (m/w) 2005.06 40×40 60l 48l 2007.06 38×38 60l 55l 2007.12 32×32 601 65l 2008.06 28×28 60l 75l 2008.12 24×24 60l 95l 2009.06 20×20 60l 110l 2009.10 18×20 60l 150l 2010.06 16×18 60l 180l 2010.12 14×18 60l 200l (1) 衬底技术 InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布拉格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4,提升到了25%~30,。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。 (2) 反射技术 透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。 (3) 表面微机构技术 表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20mm的器件，出光效率可增长30,。当窗口层厚度减至10mm时，出光效率将有60,的改进。对于585~625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。 27 (4) 倒装芯片技术 通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由p-n结发光区发出的光透过上面的p型区射出。由于p型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在p区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。p区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。 (5) 芯片键合技术 光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。 (6) 激光剥离技术(LLO) 激光剥离技术(LLO)是利用激光能量分解GaN与蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。n面为出光面:发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片。更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。 3.2 LED器件效率与封装工艺的提升对LED应用成本的影响 依照目前以实现的LED技术发展可以预计未来三到五年，每100lm的LED价格将会下降到RMB2元。即现在的高品质2000Lm E27节能灯价格约为RMB27~47元，则同样为2000lm的LED节能灯的LED器件成本将为20元RMB， [21]由于LED器件效率与封装工艺的提升将使LED应用成本大幅度下降，如图3.1所示，从而使LED制造的节能灯直接威胁到传统荧光管节能灯的市场。 LED在新型照明系统中与传统光源相比体积占明显优势，保持这一优势有利于LED的应用设计及大规模推广。 28 2010年要得到2000Lm的 2007年的要得到2000Lm的LED成本为 ，， LED成本为330.6=19.8元RMB 3315=495元RMB 驱动及外壳散热器的成本为8元RMB, 驱动及外壳散热器的成本为8元28.8 VS 652 RMB, 相差22倍 加工成本为1元RMB 加工成本为5元RMB 合计为28.8元RMB 合计为652元RMB 图3.1 LED器件效率与封装工艺的提升对LED应用成本的影响 3.3 LED封装未来工艺及装备的改变分析 LED LAMP现有的封装形式为:DIP、SMD、TOP、SUPERFLUX、HIGHT [22]POWER，目前各种封装形式的不足有热阻高、出光利用率低、最终应用结构匹配难等，未来芯片技术将会以提高效率降低成本、荧光粉技术以提高效率稳定性与演色指数为进步方向。具体情况如表3.2所示。 表3.2 LED封装未来工艺及装备的改变 工序 目前的工艺 目前的设备 存在的不足 未来可能的工艺 固晶 银胶粘着 自动固晶机 热阻高 共晶 焊线 金丝球焊 自动焊线机 成本高抗应力变形差 铜线焊接或植球焊接 点胶 环氧树手动及半自动点无法精确控制粉量及模造预成型粉胶层 +YAG荧光胶机 光色 粉 成型 环氧树脂模自动成型机 热阻高，UV特性及物模造注胶成型的硅胶 条成型 理化学稳定性差 透镜 测试 自动分光分色机 测试值与实际环境应电性能及光性能测试 用差别大 分选 自动分光分色机 主要进行光色杂乱的无需进行光色分选 大量分选 LED封装设备及工艺的改变，如图3.2所示。 手动点胶 手动精密点胶 自动精密点胶 精密胶粉成型 29 手动焊线 自动焊线 铜线球焊 新的成型工艺将应用硅胶模造旧有的LED环氧树脂成型工艺工艺来保护器件内部结构和改优点是成熟，缺点是热阻高紫外变出来空间分布 线黄变严重 图3.2 LED封装设备及工艺的改变 通过这些改变，可以得到如下结论: (1) LED封装技术及装备将会发生很大的改变。 [23](2) LED封装工艺将会变得更简单，自动化程度将会变得更高，综合成本将会大副度下降。 (3) LED的封装企业将成为本次改变的推动者，向上推动LED芯片企业改变 [24]后段制造工艺，横向互动LED封装装备制造企业适应开发新的LED封装设备，向下推动灯具制造企业紧跟LED技术发展的趋势，在高光效低发热的新器件的应用上改变现有的笨重LED灯具，服务于节能社会。 (4) 灯具制造商兼并收购LED封装企业将成为新的趋势(垂直整合，吸收技术降低成本，提高竞争力) (5) 高功率LED器件的国际标准将会逐步落定尘埃，诞生出国际“LED器件标准灯，各类LED应用将会步入有序开发。LED封装企业即将步入“标准工序大量制造时代”。 3.4 LED封装技术的几种发展趋势 (1) 采用大面积芯片封装 用1mm×1mm的大尺寸芯片取代现有的0.3mm×0.3mm的小芯片封装，在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下，是一种主要的技术发展趋势。 (2) 芯片倒装技术 解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。在p电极上做[25]上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基座上的凸点键合。基座用散热良好的Si材料制得，并在上面做好防静电电路。根据美国LumiLEDs公司的结果，芯片倒装约增加出光效率1.6倍。芯片散热能力也得到大幅改善，采用倒装技术后的大功率发光二极管的热阻可低到12~15?/W。 (3) 金属键合技术 这是一种廉价而有效的制作功率LED的方式。主要是采用金属与金属或者 [26]金属与硅片的键合技术，采用导热良好的硅片取代原有的GaAs或蓝宝石衬底，金属键合型LED具有较强的热耗散能力。 (4) 开发大功率紫外光LED UV LED配上三色荧光粉提供了另一个方向，白光色温稳定性较好，使其在许多高品质需求的应用场合(如节能台灯)中得到应用。这样的技术虽然有种种的优点，但仍有相当的技术难度，这些困难包括配合荧光粉紫外光波长的选择、UV LED制作的难度及抗UV封装材料的开发等等。 (5) 开发新的荧光粉和涂敷工艺 [27] 荧光粉质量和涂敷工艺是确保白光LED质量的关键。荧光粉的技术发展趋势是开发纳米晶体荧光粉、表面包覆荧光粉技术，在涂布工艺方面发展荧光粉 30 均匀的荧光板技术，将荧光粉与封装材料混合技术。 (6) 开发新的封装材料 开发新的安装在LED芯片的底板上的高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度约提高5~10倍。就目前的趋势看来，金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。 原来的LED有很多光线因折射而无法从LED芯片中照射到外部，而新开发的LED在芯片表面涂了一层折射率处于空气和LED芯片之间的硅类透明树脂[28]，并且通过使透明树脂表面带有一定的角度，从而使得光线能够高效照射出来，此举可将发光效率大约提高到了原产品的2倍。 目前对于传统的环氧树脂其热阻高，抗紫外老化性能差，研发高透过率，耐热，高热导率，耐UV和日光辐射及抗潮的封装树脂也是一个趋势。在焊料方面，要适应环保要求，开发无铅低熔点焊料，而且进一步开发有更高导热系数和对LED芯片应力小的焊料是另一个重要的课题。 (7) 多芯片型RGB LED 将发出红、蓝、绿三种颜色的芯片，直接封装在一起配成白光的方式，可制成白光发光二极管。其优点是不需经过荧光粉的转换，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以藉由分 [29]开控制三色发光二极管的光强度，达成全彩的变色效果(可变色温)，并可藉由芯片波长及强度的选择得到较佳的演色性。利用多芯片RGB LED封装型式的发光二极管，很有机会成为取代目前使用CCFL的LCD背光模块中背光源的主要光源之一。 (8) 多芯片集成封装 目前大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。采用常规芯 [30]片进行高密度组合封装的功率型LED可以获得较高发光通量，是一种切实可行很有推广前景的功率型LED固体光源。小芯片工艺相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。 (9) 平面模块化封装 平面模块化封装是另一个发展方向，这种封装的好处是由模块组成光源，其形状，大小具有很大的灵活性，非常适合于室内光源设计，芯片之间的级联和通断保护是一个难点。大尺寸芯片集成是获得更大功率LED的可行途径，倒装芯片结构的集成，优点或许更多一些。 31 4 结 论 按固体发光物理学原理，LED的发光效能近似100%，因此，LED被誉为21世纪的照明新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，它具有节能、环保、寿命长等特点，在生产使用过程中已经取得了一定的成果，如封装形式的多种多样，有Lamp-LED(垂直LED)、TOP-LED(顶部发光LED)、Side-LED(侧发光LED)、SMD-LED(表面贴装LED)、High-Power-LED(高功率LED)、Flip Chip-LED(覆晶LED)等;封装工艺流程的日趋完善，现代技术共分16个步骤来完成;封装材料的诸多选择，如主剂材料可选环氧树脂、活性稀释剂等，固化剂材料可选甲基六氢苯酐、抗氧剂等。在实际生产中也解决了很多问题，如LED芯片效率的提升使得芯片的面积不断减小，LED器件效率与封装工艺的提升使得LED应用成本不断下降等。 封装技术是保证二极管具备良好性能的一个重要环节，对于在封装过程中存在的诸多问题也进行了深一步的研究，如对热阻高的问题，通过对材料内部热阻和界面热阻的分析，采用CuW做衬底，将1mm倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效;对出光利用率低的问题，通过雷曼某大功率LED的模拟实验，将所得结果用在实际的设计应用中，得到了当支架碗杯内壁的形状为圆弧向里、填充胶胶量(即胶体在碗口处的高低变化)为凸起时，可以得到最为理想的出光效率。这些进步的取得使得LED在生产及应用领域取得一个飞速的发展，并将使LED封装技术朝着采用大面积芯片封装、芯片倒装技术、开发新的荧光粉和涂敷工艺、开发新的封装材料、多芯片集成封装、平面模块化封装等的趋势发展。 国家半导体照明工程将紧急启动，通过“863”计划等科技计划的支持，我国已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装及应用的比较完整的产业链，我国有能力承接国际半导体照明产业的转移，并且在个别技术线路上已经有明显进展，有可能取得关键技术的突破。经过不懈的坚持和努力，相信我国的半导体技术将朝着更完善、更经济的方向发展。 32 谢 辞 经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文已经接近尾声，作为一个大专的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有原指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成这个论文是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师原云峰老师。原老师平日里工作繁多，但在我做毕业论文的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查整个过程中都给予了我悉心的指导。我的论文较为复杂烦琐，但是原老师仍然细心地纠正文章中的错误。除了敬佩老师们的专业水平外，他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向、老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础;同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业论文才会顺利完成。同时我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 最后感谢理学院和我的母校----山西机电职业技术学院三年来对我的大力栽培。 参考文献 [1] 刘静,刘生春.光学与光电技术[J].延安大学物理学院学报,2008,6(5):91-93. 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