发光二极管资料.docx

1、发光二极管资料发光二极管资料一、生产工艺1. 工艺：a） 清洗：采用超声波清洗 PCB或LED支架，并烘干。b） 装架：在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张，将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在 PCB或 LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。c） 压焊：用铝丝或金丝焊机将电极连接到 LED管芯上，以作电流注入的引线。LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。 （制作白光TOP-LED需要金线焊机）d） 封装：通过点胶，用环氧将 LED管芯和焊线保护起来。在 PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品的

2、出光亮度。这道工序还将承担点荧光粉（白光 LED的任务。e） 焊接：如果背光源是采用 SMD-LED或其它已封装的LED,则在装配工艺之前，需要将 LED焊接到PCB板上。f） 切膜：用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。g） 装配：根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。h） 测试：检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。包装：将成品按要求包装、入库。二、封装工艺1. LED 的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好 LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。2. LED 封装形式LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应

3、用场合采用相应的外形尺寸， 散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LEDTOP-LED、 Side-LED 、 SMD-LED、 High-Power-LED 等。3. LED 封装工艺流程4封装工艺说明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

4、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

5、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，特别是兰、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

6、温度一般控制在 150C，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到 170C，1小时。绝缘胶一般150C，1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔 2小时（或 1 小时）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。右图是铝丝压焊的过程，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

7、，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。（下图是同等条件下， 两种不同的劈刀压出的焊点微观照片， 两者在微观结构上存在差别， 从而影响着产品质量。 ）我们在这里不再累述。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） 如右图所示的TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。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

8、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 135C, 1小时。模压封装一般在 150C, 4分钟。13. 后固化后固化是为了让环氧充分固化，同时对

9、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 120C, 4小时。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-LEDW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。LED封装结构及技术：1 引言LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结 构牢固，抗冲击，耐

10、振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种 颜色的高亮度、高性能产品。国产红、绿、橙、黄的LED产量约占世界总量的12%， “十五”期间的产业目标是达到年产 300亿只的能力，实现超高亮度AiGsInP的LED外延片和芯片的大生产，年产 10亿只以上红、橙、黄超高亮度 LED管芯，突破GaN材料的关键技术，实现 蓝、绿、白的LED的中批量生产。据预测，到 2005年国际上LED的市场需求量约为2000亿只，销售额达800亿美元。在LED产业链接中，上游是 LED衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为 LED芯片设计及制造生产，下游归 LE

11、D封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型 LED走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。2 LED 封装的特殊性LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体 内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而 LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于 LED。LED的核心发光

12、部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光 或近红外光。但 pn 结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这 主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规5mm型 LED 封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通 过反射杯和引线架的另一管脚相连， 然后其顶部用环氧树脂包封。 反射杯的作用是收集管芯侧面、 界面发出的光，

13、向期望的方向角内发射。 顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质 （掺或不掺散色剂 ） ，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部 分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光 出射效率。 用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性， 绝缘性， 机械强度， 对管芯发出光的折射率和透射率高。 选择不同折射率的封装材料， 封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构

14、、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到 LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。一般情况下，LED的发光波长随温度变化为 0. 2-0 . 3nm/C，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经 pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高 1C，LED的发光强度会相应地减少 1 %左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法， 降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以

15、达到 70mA 100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的 LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉 上等方法。此外，在应用设计中， PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙 LED光效已达到1001m/W绿LED为501m/W单只LED的光通量也达到数十Im。LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂 质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，

16、同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强 LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化 SMD进程更是产业界研发的主流方向。3 产品封装结构类型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

17、出多种系列，品种、规格的产品。LED产品封装结构的类型如表 2所示，也有根据发光颜色、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。4 引脚式封装LED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

18、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 pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包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 2mm3mm4. 4mm5mm7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。花

19、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 CMO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524V的各种电压指示灯。面光源是多个 LED管芯粘结在微型 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

20、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，

21、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

22、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pn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，只能在圭寸装时借助荧光物质，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

23、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。5 表面贴装封装在2002年，表面贴装封装的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大趋势，很多生产厂商推出此类产品。早期的SMDLED大多采用带透明塑料体的 SOT-23改进型，外形尺寸 3. 04X1. 11mm卷盘式容器编带包装。在 SOT-23基础上，研发出带 透镜的高亮度SMD勺SLM-125系列，SLM-245系列LED,前者为单色发光，后者为双色或三色发光。近些年， SMD LED成为一个发展热

24、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，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全 彩显示屏应用。表3示出常见的SMDLED的几种尺寸，以及根据尺寸（加上必要的间隙）计算出来的最佳观视距离。焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的 SMDLED的数据都是以4. 0X4. 0mm勺焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度 LED产品可采用PLCC塑封带引线片式载体）-2封装，外形尺寸为3. 0X2. 8mm通过独特方法装配

25、高亮度管芯，产品热阻为 400K/W可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下达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。PLCC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，符合自动拾取一贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显 示鲜艳清晰。多色PLCC封装带有一个外部反射器，可简便地与发光管或光导相结合，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，研发在 3. 5V、1A驱动条件下工作的功率型 SMD LED封装。6 功率型封装LED芯片及封装向大功率方向发

26、展， 在大电流下产生比 5mmLE大 10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣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 W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1871m光效44. 31m/W绿光衰问题，开发出可承受 10W功率的LED,大面积管；匕尺寸为 2. 5X2. 5mm可在 5A电流下工作，光输出达 2001m作为固体照明光源有很大发展空间。Luxeon系列功率LED是将A1GalnN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

27、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 14C/ 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- 120C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 （0.375

28、X25. 4）mm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 AlGaInN 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

29、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 SMDLED体积很小，可灵活地组合起来，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。7 LED发展及应用前景近几年，LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，广泛用于大面积图文显示全彩屏，状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的 背光源，汽车组合尾灯及车内照明等等方面，其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入 LED光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED用

30、作固体照明器件的经济性显著，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在 20%以上，美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。目前，普通白光 LED发光效率251m）/V，专家预计2005年可能超过3001m/W。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域，被学术界和产业界认为是 LED进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯、白光 LED必须具有1502001m/W的光效，且每Im的价格应明显低于 0. 015/Im（现价约0. 25$/Im,红LED为0 . 065/Im），要实现这一目标仍有很多技 术问题需要研究，但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理

31、学原理， LED的发光效率能近似100%，因此，LED被誉为21 世纪新光源，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。8 结束语国内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 10kk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

32、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。高亮度LED之封装光通原理技术分析：编者按：毫无疑问的，这个世界需要高亮度发光二极管（ High Brightness Light-Emitting Diode ; HB LED），不仅是高亮度的白光LED（ HB WLED，也包括高亮度的各色 LED,且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（ Ultra High Brightness LED ，简称： UHD LED）。用LED背光取代手持装置原有的 EL背光、CCFL背光，不仅电路设计更简洁容易，且有较高的外力抗受性。用 LED背光取代液晶电视原有的 CCFL背