LED封装生产实习报告.docx
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LED封装生产实习报告
实习
报告
一、实习目的和任务
1.了解全国LED封装产业的发展现状。
2.熟悉白光LED封装的整个流程，掌握LED封装的各项技术。
3.学会测量LED的各项参数，并对结果进行分析。
4.尝试着找出LED封装技术中存在的问题，提出改善LED性能的方法。
5.掌握LED的建模软件Tracepro及有限元分析软件Ansys
6.巩固所学的理论知识，把理论知识应用到实践中去。
二、实习原理
1.LED照明的发展概况
发光二极管（LED）是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaN（氮化镓）、GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成的，其核心是PN结。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区复合而发光，如图1所示。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
如图2所示。
图1LED能带图图2LED结构示意图
照明光源的发展经历了四个阶段：
火焰、蜡烛和油灯、灯泡和光管、LED光源。
LED是一种半导体发光器件。
从小功率发展到今天的大功率，甚至集成化模组，其发光效率越来越高，被誉为新一代绿色光源。
由于LED具有发光效率高，寿命长，体积小，重量轻，方向性好，响应速度快等一系列优点而广泛应用到照明的各个领域：
大屏幕显示、背光照明（手机、LCD）、普通照明（路灯、室内灯）。
白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源；白光LED将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导。
表1各种光源性能的比较
上表中所示为LED的各项性能和传统光源的对比情况，由于LED的大部分项性能优于传统光源，可以预测，在不久的未来LED将成为照明市场的主流产品之一。
2.中国LED封装产业的发展现状
LED光电产业是一个新兴的朝阳产业，具有节能、环保的特点，符合我们国家的能源、减碳战略，从而获得很多的产业和市场需求，成为一道亮丽的产业发展风景。
LED产业链总体分为上、中、下游，分别是LED外延芯片、LED封装及LED应用。
作为LED产业链中承上启下的LED封装产业，在整个产业链中起得无可比拟的重要作用。
另外中国是LED封装大国，据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国。
3.LED封装的作用：
1）机械保护，以提高可靠性；
2）散热设计，以降低芯片结温，提高LED性能；
3）光学控制，提高出光效率，优化光束分布；
4）电气连接，包括和供电源的连接，以及电源控制等
4.LED封装的工艺流程
1）
固晶：
将芯片焊接在支架或基板上，导热或导电（电极垂直结构），机械固定
2）打金线：
实现芯片和外电路的电气连接
3）涂覆荧光粉：
混色实现白光出光
4）加透镜：
机械保护、出光分布设计
其示意图如下图所示：
图3LED封装的工艺流程
5.LED封装所用材料及方法
1）LED芯片
LED功率和尺寸：
一般尺寸越大功率越大。
额定电流350mA的1W芯片，大小约40×40mil，即约1×1mm；额定电流150mA的0.5W芯片，大小约20×20mil，即约0.5×0.5mm。
LED的发射波长为：
λ=
。
蓝光LED中心波长在蓝光455/460nm附近。
LED芯片衬底有蓝宝石衬底（传统）、SiC衬底（Cree专利）、Si衬底（未商业化）。
LED电极的结构分为垂直结构和水平结构。
其中垂直结构的电流分布均匀性更优。
2）固晶焊料
固晶的方法有：
a.树脂粘贴法
采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属（如金或银）形成电和热的良导体。
商业常用的是银胶。
b.金属合金焊接法（共晶焊接）
共晶焊接原理:
在共晶温度时能形成共晶的两种金属相互接触,经过互扩散后便可在其间形成具有共晶成分的液相合金,随时间延长,液相层不断增厚,冷却后液相层又不断交替析出两种金属,每种金属一般又以自己的原始固相为基础而长大、结晶析出,因此两种金属之间的共晶能将两种金属紧密地结合在一起。
共晶焊料（锡/银/铜）加热到230°C左右，再冷却固化。
焊接的方式分为：
正装焊接和倒装焊接。
本次实习所用固晶材料为银胶，焊接方式为正装焊接。
图4全自动固晶机
焊接过程中可能出现的问题有：
a.Thevoid（填充材料中留有孔洞）、b.Theexfoliation（界面层脱落）、c.Poorbonding（出现虚焊）。
因此在焊接过程中要克服这些问题。
3）打线
打线采用超声金丝球焊技术，本次实习使用超声波金丝球焊机进行打线。
焊接原理：
利用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接，是一种物理变化过程。
首先金丝的首端必须经过处理形成球形，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生朔性变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接。
图5超声波金丝球焊机
4）涂覆荧光粉
常用荧光粉有Ce:
YAG荧光粉（其他的还有：
氧化物荧光粉、硅酸盐荧光粉）。
荧光粉的激发光谱中心波长一般在455nm附近，和蓝光LED的中心波长相匹配。
5）封装所用材料的价钱
芯片（2-20元/块）、硅胶（3-9元/g）、荧光粉（20-60元/g）、支架大概是几毛钱一个。
6.LED封装中的问题
LED封装中共存在着四方面的问题：
力、热、光、电。
力的问题包括：
a银胶/共晶焊接,b金丝焊接,c封装胶应力,d模块封装中的力学问题。
热的问题包括：
a器件的导热，b模块的散热,c荧光粉热效应,d硅胶/环氧树脂的热问题。
光的问题包括：
a芯片出光,b荧光粉混光,c一次光学,d二次光学。
电的问题包括：
a芯片的电学,b器件的电学,c驱动电路,d控制系统。
热和光是LED封装中最为重要的两个问题。
1）热问题
热问题主要包括热的产生、热的传导和热的发散等热物理过程以及热对LED性能产生的影响。
热的产生：
LED大约60%的功率转变为热量。
焦耳热，光的重新吸收，吸收发热。
热的传导：
热量在通道中的各层介质之间的传导。
热的发散：
热向环境的发散过程。
LED封装中和热最直接相关的两个因素：
固晶材料和封装基板。
a.固晶材料
不同的焊接材料对热阻有着不同的影响。
高导热绝缘胶：
热导率1W/m*K，厚度20um，热阻20K/W；导电银胶：
热导率6W/m*K，厚度20um，热阻3.3K/W；共晶焊接：
热导率（39～59）W/m*K，厚度2um，热阻（0.05～0.03）K/W。
图6LED封装中热学模拟图
b．封装基板
目前常见的大功率LED封装基板有PCB、MCPCM金属覆铜板、Al2O3陶瓷和AlN陶瓷。
类型
热导率W/mK
膨胀系数ppm/K
耐热性能
PCB
0～3
15
300℃/120s
金属覆铜板
1～5
22
288℃/30s
陶瓷
基板
氧化铝
～20
7
500℃
氮化铝
～180
5
500℃
图7金属覆铜板图8陶瓷基板
高功率LED陶瓷封装技术主要可区分成厚膜陶瓷技术和积层陶瓷技术两种。
陶瓷封装的优点：
热导率高，导热性好，热阻低，热膨胀系数（CTE）和LED非常相近，热应力小，可靠性高，电绝缘性能高，抗干扰性强，抗弯抗压、化学稳定性好。
陶瓷封装的缺点是成本过高。
传统高功率LED元件，多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为芯片散热基板，再以打金线方式将LED芯片和陶瓷基板结合。
代表产品为CREE公司的XLamp和OSRAM公司的OSLON。
随着LED集成程度的提高，特别是大功率LED多芯片集成封装的发展，LED集成封装是未来发展的趋势，因此LED照明光源的热管理问题越来越严重。
因此我们要寻找高散热系数的基板材料，以取代氧化铝。
将LED芯片和其基板以共晶或覆晶的方式连结，大幅增加经由芯片至系统电路板之散热效率。
综上所述，改善大功率LED热问题的一个重要的方向是寻找高热导率的固晶方式和封装基板。
2）光问题
LED的光问题包括出光效率、光色问题。
出光效率和芯片结构（如光子晶体）、结温、封装结构（如倒装）、荧光粉（如涂覆方式）、反射杯和透镜密切相关。
传统的白光LED中蓝光芯片和荧光粉是最重要的两种和光密切相关
的材料。
蓝光芯片影响发光的因素有：
波长、强度、摆放位置、电压、电流。
荧光粉影响发光的因素有：
种类、颗粒、光谱。
涂覆方式和光色是和荧光粉关系最大的因素。
白光LED有以下获得方法：
（1）将红、绿、蓝三基色LED组成一个象素（pixel）可得到白光；
（2）由蓝光LED芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成白光LED。
（最常用、商业化）
（3）将蓝光LED芯片和可被蓝光激发的绿光和红光荧光粉组成白光LED。
（4）用紫外光LED芯片和可被紫外光激发而发射红、绿、蓝三基色荧光粉组成白光LED。
（5）“多量子阱”白光LED。
本次生产实习所用的即是由蓝光LED芯片和可被蓝光激发的黄光荧光粉组成的白光LED。
7.LED封装的光电测试
对于完成封装的LED，进行相关的测量包括：
•I-V测试
•光辐射功率和光通量
•发光效率
•光谱测量
•色坐标、相关色温和显色指数
•配光曲线（光强分布）
•热阻测试
1）光通量
单位：
流明（lm），流明的定义：
波长为555nm（绿光）辐射通量为1/673W的单色的光通量。
2）发光效率
定义：
发光效率=光通量/电功率，单位：
流明/瓦（lm/W）。
3）光谱测量
激发光谱是指发光材料的某一发射光波长强度随激发光波长的变化。
激发光谱说明了对发光起作用的激发光的波长范围。
发射光谱是指发光材料在某一波长激发下，发光的能量随波长的变化。
发射中心的结构（激活离子的电子跃迁和所处的晶格位置）决定了发射光谱的形成。
发射光谱按发射谱带的带宽一般可分为线谱（带宽比较窄）和带谱（带宽比较宽）。
图9相对光谱图
6）CIE1931色度图
CIE1931色度图是根据1931CIE－XYZ系统绘制出来的。
x色度坐标相当于红原色的比例，y色度坐标相当于绿原色的比例。
图中没有z色度坐标，因为x+y+z=1。
图10CIE1931色度图
a.色坐标
在C.I.E系统中，三个基本颜色被称为“基础激励”，而一个颜色使用它的三色激励值（又称三刺激值）表示，三刺激值即为混合某一种颜色时所需的三个基色的数量，分别用X、Y、Z表示。
在理论上，为了定量地表示颜色，采用平面直角色度坐标：
x、y、z分别是红、绿、蓝三基色的比例系数，x+y+z=1。
为测量某光源（发光体）的色坐标，必须先测量其光谱组成的功率分布s（λ），然后再查表找出各光谱的三刺激值x（λ）、y（λ）、z（λ），则光源的三刺激值为：
式中K为调整因数，它是将发光体的Y值调整为100时得到的值。
该样品的色坐标为：
b.相关色温
因为光源的色度坐标很难做到恰好坐在黑体轨迹上，所以用和黑体轨迹最接近的颜色来确定该光源的色温，叫相关色温。
相关色温是指和具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度，用K氏温度表示。
C.显色指数
光源对物体的显色能力称为显色性，是通过和同色温的标准光源下物体外观颜色的比较。
当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。
色差程度越大，光源对该色的显色性越差。
白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。
此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下和在同色温的基准下此8色的偏离程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。
低于20的光源通常不适于一般用途。
LED为低显色指数光源。
LED显色指数低的主要原因为缺少红光辐射。
要改善LED的显色性，可以在白光光谱中加入红光辐射。
图11加红光补充，提高显示指数
7）配光曲线
定义：
它是指光源（或灯具）在空间各个方向的光强分布。
图12配光曲线
8）热阻测试
芯片的结和PCB板间的热阻Rjb定义：
稳态热阻
其中,
为LED的节温，
为PCB板底部温度，
为总输入电功率,
为出光功率
三、实习步骤和内容
1.日程安排
1）第一天：
上午老师介绍LED的前景和实验原理，下午进行Tracepro软件光模拟和Ansys软件热模拟。
2）第二天：
上午进行固晶，并在废弃基板上练习打线；下午正式打线。
3）第三天：
上午涂覆荧光粉，点胶；下午进行灌封保护透镜。
4）第四天：
外电路连接，进行LED性能的各项测试。
5）第五天，思考总结。
2.LED的Tracepro软件光学模拟设计
（1）建立几何模型（包括各部分几何尺寸及相对位置）；
a）建立LED基板：
先插入底部半径为10，长度为5的圆柱体，再插入圆锥（为方便观察把“视图”改为“轮廓”），圆柱体和圆锥体作差运算得基板；
b）插入芯片；
c）填充硅胶
d）生成透镜，用一长方体和球体作差集，作差集后整个LED系统建模完成；
e）加入观测屏；
f）
为使系统显得更真实，可以改变其着色；
（2）赋予光学属性（发光类型、波长范围、折射率等）；
a）反光杯属性:
选择“reflector”的“surface0”,右击选“属性”-在弹出框中选“表面”-右边目录选“dafault”-名称选“mirror”-“应用”。
b）LED芯片属性:
选择“chip”的顶面“surface4”，右击选“表面光源”，设置参数；
c）硅胶透镜属性设置:
同时选择“silicone”和“lens”，右击“属性”-“材料”-目录“plastic”-名称“acrylic”–“应用”;
（3）进行光线追踪:
追踪光线越少，时间越快，但精确度越低；光线越多，时间越长，但精确度越高；
（4）模拟结果分析
a）发光角度分析：
如图13，因为模型有环形对称性，所以四个角度代表的配光曲线重合，发光半角宽均为55度左右；
b）光斑分析：
单击点选接收面“screen”的下表面“surface2”，再选择“辐照度分析图”，设置合适的参数即可得照度图，如图14。
在照度图中可以分析入射总光通量、光照度最大值、最小值、平均值等。
图13配光曲线图14照度图
3.LED的热学模拟
由于从芯片有源区—硅胶—透镜—空气，耗散的热量远小于芯片产生总热量，于是忽略这一传热路径的所散掉的热量。
图15LED的热学模拟
热学模拟的具体步骤如下：
（1）新建“实体零件”。
“拉伸”画出实体并保存。
文件的扩展名为.par。
（2）将各实体零件装配。
（3）保存为和ANSYS软件兼容的文件。
扩展名为x-t。
（4）选择要进行运算的地址和jobname.然后RUN；
（5）导入所建文件。
FILE—import—PARA—选择所建文件；
（6）选择热分析preference--thermal；
（7）增加元素类型preprocesor，elementtype，add，edit、delete、add、solid、brick8node70、OK、colse；
（8）进行布尔运算。
命令行输入命令vglue，all回车；
（9）确定体号对应什么材料。
实验中：
2：
导热胶-1.2；4：
银胶-2.0；6：
芯片-氮镓170；7：
基板-al250；8：
热沉-au390；然后输入材料属性。
Preprocesor、materialprops、materialmode、thermal、conductivity、isotropic—输入热导率KXX。
多种材料对应多种属性；
（10）材料属性和体对应该。
preprocesor—meshing—meshattributes—pickvolumes.输入体，并和materialnumber下拉框的数字相对应；
（11）划分网格。
preprocesor—meshing—meshtool—mesh—pickall（忽略过程中弹出的所有warning之类的直到划分网格结束）；
（12）定义负载和边界条件。
preprocesor—load—defineload—apply—thermal—heatgenerate（onvolume,输入代表芯片的体号，再为芯片定义热生成率0.8e10）/convenction；
实验中：
芯片6的生成率设为0.8e10W/mm3。
基板底面6定义对流系数为30，对流气体温度定义为25；
（13）进行运算。
Solution—solve—currentLS—OK；
（14）结果显示。
Generalpostproc—plotresult—contourplot—nodalsolu—DOFsolution—nodaltemperature；
（15）显示各个体的结果。
菜单栏中select—Entities—第一个下拉框选中volume，第二个下拉框选中bynum/pick—输入体号；然后再菜单栏中Select—Entities—第一个下拉框选中Elements,第二个下拉框选中attachedto—voOK。
之后再Generalpostproc—plotresult—contourplot—nodalsolu—DOFsolution—nodaltemperature.就可以显示出所选体的结果了。
图16LED的热学模拟图
4.LED的封装过程
4.1固晶
固晶的具体步骤为：
（1）首先把银浆搅拌均匀，确保均匀的导电和导热性能。
（2）把反射杯放在在显微镜下面，往聚光杯里注入适量的银胶。
然后将芯片放入反射杯中，正面朝上，并尽量使芯片的正负极和反射杯的正负极在同一方向上，以方便打线，再用小镊子轻轻压一下，以防银胶和芯片之间出现缝隙，使两者间紧密接触。
（3）最后把做好的反射杯放在1400C恒温烤箱中烘烤，一个小时后取出。
在固晶过程中，要注意以下事项：
（1）注意控制注入银胶量。
银胶应涂覆成正方形，面积约等于芯片的面积。
如果银胶量过多溢出，会造成PN结短路，结合层的阻值增大。
另外如果银胶量少，那就无法起到粘结芯片的作用。
（2）注意芯片要放在合适的位置。
理想的状态是把芯片放置在聚光杯的正中央，并尽量使芯片的正负极和反射杯的正负极在同一方向上，这样方便采光和打线。
（3）注意控制好烘烤的温度及时间。
温度过低我们就无法使银胶固化，芯片和支架粘附不好，芯片可能会脱离。
另外温度过高，产生应力大，体积电阻也相应发生变化。
4.2打线
本次实习用超声波金丝球焊机进行打线。
打线的具体步骤如下：
（1）把样品放在超声波金丝球焊机的载物台上，并夹紧。
整个打线过程是在显微镜下进行的。
（2）先把焊头大概移到LED的电极上方，按下主操作键不放，焊头向下运动，调节高度调节旋钮，使焊头高度下降，使焊头精确对准LED的一个电极，然后再把焊头调高到合适的高度。
即焊头到达了一焊的瞄准位置。
（3）松开主操作键，焊头快速向下运动，打在一焊的位置上，这样就把金丝的一端焊在了电极上。
然后焊头向上运动，焊头处的金丝被烧出一个小球。
（4）把焊头移到外引线槽位置，按下主操作键不放，使焊头到达二焊瞄准位置，调好高度以后，松开主操作键，焊头打在二焊位置上，金丝的另一端就被焊到外引线槽上了，这样LDE芯片的电极和外引线槽就用金丝连接起来了。
（5）为了防止虚焊，可在上面外引线槽金丝连接点位置大小一焊，移到焊头到外引线槽的另一位置打下二焊。
（6）重复以上步骤，把LED的其它电极和外引线槽用金丝连接起来。
打线过程中，我们要注意一下问题：
（1）因为主操作键比较敏感，所按下主操作键后在打线前一定不能放，以防打在错误的位置。
（2）打二焊时应该先把焊头拉到外引线槽的外边缘，使金丝拉长一定长度，然后焊头往里移，让金线形成拱形，以防金丝接触到反射杯的边缘，造成短路。
（3）为了防止虚焊，上面步骤6是必须的。
（4）打好线后，不要用手接触LED的正面，样品要小心轻放，以防断线、塌丝和金丝碰到反射杯。
4.3点胶（涂覆荧光粉）
涂覆荧光粉的具体步骤如下：
（1）首先按1:
8比例配制荧光粉。
（2）然后把配制好的荧光粉慢慢地涂在已经打好线的芯片上。
（3）最后先将已经涂上荧光粉的反射杯拿去抽真空半小时，然后再放入1400C的恒温烤箱中烘烤，一个小时后取出即可。
在点胶过程中要注意荧光粉的涂覆要小心，以免损坏金丝或造成LED芯片短路；荧光粉的量要控制好，如过多，则LED发光偏黄，如过少，则LED发光偏蓝。
4.4灌封保护透镜
灌胶的具体步骤如下：
（1）先按照要求进行配胶，后将已配好的胶搅拌均匀后置入真空干燥箱内进行脱泡。
（2）进行灌胶，使胶成半球形，形成保护透镜。
（3）最后先将已灌好胶的反射杯拿去抽真空半小时，然后再放入140℃的恒温烤箱中烘烤一小时，使胶固化。
在灌胶过程中要注意一下事项：
样品要放到真空烘箱中脱泡，防止保护透镜中残存气泡，影响发光；要控制好胶的量，若过多，则胶对光的吸收也多，应使保护透镜尽量成半球状，提高光的萃取率。
5.LED的光电测试
在测试之前首先要首先LED的外电路连接，在两极上分别焊上一条导线。
封装好的LED光电测量包括：
IV测试，发光效率，光谱测量，光辐射功率和光通量，色坐标、相关色温和显色指数，配光曲线（光强分布），热阻测试。
5.1发光效率，光谱测量，光辐射功率和光通量，色坐标、相关色温和显色指数的测量
以上参数的测量所用设备装置如下图所示。
（包括积分球、PMS-50增强型光谱分析仪、计算机光谱分析软件等）
图17LED光电测量设备
连接好电路后，把LED用胶紧密粘贴在积分球的入射窗口上，然后封好窗口，避免光漏出。
电极的两条引线连接在测试仪上，打开软件，点击运行软件，开始测试。
软件测试完毕后在弹出的对话框中输入电流、电压、环境温度、湿度等参数，软件会自动算出发光效率，光谱测量，色坐标、相关色温和显色指数等各项参数。
所得结果如下图所示。
略
4.2IV曲线测试
利用同一套设备，改变LED的温度，测量LED在不同温度下的I-V特性，即是不同电压下对应的电流值，结果如下表所示。
表2不同温度下不同电压对应的电流值
V/V
2
2.5
2.8
2.85
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.6
30℃
I/mA
0
10-3
0.03
0.042
0.055
0.079
0.12
0.157
0.198
0.241
0.33
45℃
I/mA
0
0.001
0.039
0.052
0.066
0.098
0.135
0.174
0.214
0.257
0.344
60℃
I/mA
0
0.002
0.047
0.061
0.076
0.11
0.148
0.187
0.228
0.271
0.349
由上表可用origin8.0做出LED的IV曲线如下图所示：
图18LED的IV特性曲线
4.3LED的配光曲线
为了测量LED光强在各个方向上的分布，即配光曲线，采用如下图所示的实验装置测试。
通过LED的180°旋转，用光度计测量LED在不同方向上的光强分布。
图19LED配光曲线测量装置
所得结果如下图所示
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