电子封装与检测技术(LED制造与应用)

1、电子封装与检测技术 课 程 报 告指导老师： 姓 名： 班 级： 学 号： 航空电子工程系2014年12月LED制造与应用（成都航空职业技术学院，成都，610100，中国）摘要： LED结构及其特征，LED的封装技术，LED的可靠性技术， LED在生活中的应用，本文LED的制造与应用以四个方面来阐述。详细介绍了三种常见的LED的封装形式。在高速发展的21世纪人们的生活离不开光源！其光源主要来源于太阳还有就是人类自己所研究的可见光这就是LED发光技术。LED在半导体照明、汽车用灯、信号显示、显示器背光源、信息显示屏、生物、医疗等领域有很广泛的应用，作为目前全球备受瞩目的新一代光源，被称为21世纪

2、最有发展前景的绿色照明光源。关键词：引脚式封装；平面封装；SMD封装； 1.前言近年来随着城市建设和电子信息产业的高速发展，人们对光源的需求与日俱增，光源的增加也加大了人们对用电量的需求。随着LED照明技术的开发，LED在照明方面具有的优势体现了出来，其主要在于节能、环保和寿命三方面。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转换效率非常高，理论上只需要白炽灯10%的耗能、荧光灯50%的耗能。中国绿色照明工程促进项目办公室曾经做过一项调查，我国每年照明用电量高达3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯或者取代部分荧光灯，将节省1/3的照明用电量，这意味着至少节约1000亿度电，相当于一个总投资超过200

3、0亿元的三峡工程的全年发电量。这对于能源十分紧张的我国而言，无疑具有十分重要的战略意义。在使用寿命方面，LED采用固体封装，结构牢靠，寿命可高达数十万小时，是荧光灯的10倍、白炽灯的100倍，另外，采用LED代替荧光灯可以避免荧光灯破裂而溢出汞所造成的二次污染，而LED的频带只有12nm，不会产生紫外线和红外线来污染环境。LED的节能环保，在当今社会上越来越引起了人们的重视，各个国家也都有具体的计划和措施。我国利用太阳能和风能直接点亮LED路灯，这在其他国家也得到了应用。所以在未来LED制造与应用技术将大大提高，而LED制造产业也将高速发展。2. LED结构及其特征LED是（Light-Emi

4、tting Diode）的缩写，中文译为发光二极管。就是一种会发光的半导体组件。它能将电能转换为光能，与普通半导体二极管一样都具有两个电极（正极和负极）。LED在工作时需外加电源，由正负两极流入LED。LED的内部结构也有和半导体二极管相似的P区和N区，P区和N区的交界处形成PN结。LED也是具有普通二极管的单向导电功能，如图1.1所示。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的，根据加在二极管两端的电压大小，利用通过LED的电流最终使PN结发光。图1.1 LED的PN结2.1 LED的基本结构与发光原理LED器件的制造目的是为了得到光，所以它的基本结构与普通半导体二极管并不一样。图

5、2.1 LED的结构，图2.2 LED芯片结构。图2.2 LED的芯片结构图2.1 LED的结构 当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。（如图2.3所示，）不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。图2.3 LED的发光原理3. LED的封装LED芯片只是很

6、小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看到，加入电流后它才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正、负电极之外，同时要对LED芯片和两个电极进行保护，因此，就需要对LED芯片进行封装。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。LED的核心发光部分是由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

7、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。因此对LED的封装要根据LED芯片的大小、功率的大小来选择合适的方式。3.1引脚式封装引脚式LED封装大多数带有阳极和阴极两个引脚，采用单列或双列直插式多芯片封装的少数器件则带有多个引脚。图3.1 圆头插脚式LED圆头插脚式LED是普遍采用的封装形式，（如图3.1所示）。这种封装用环氧化树脂包围材料，芯片约90%的热量由引线架（主要是阴极引线架）传递到印制

8、电路板（PCB）上，再散发到周围空气中。环氧树脂的直径分为2.0mm、3.0mm、40mm、5.0mm、等规格，发光角（21/2）的范围可达18°120°。作为阳极和阴极的引脚，可选用镀银（或者镀锡）的铜、铁等材料，其形状有直形、带肩形等。其光性能优良，工艺适应性 好，产品可靠性高。3.1.1工艺流程及设备引脚式封装常用的是3mm、5mm、8mm、10mm单芯片的封装方式，封装的工艺流程及设备如图3.2所示。图3.2 引脚式封装的工艺流程及设备按照以上详细步骤，配合良好的管理机制和生产环境，就有可能制造出品质优异的LED产品，其总要求为：u 出光效率高，选择好的芯片和封装材

9、料进行一次性光学设计，采用好的工艺，达到理想的出光率。u 均匀性好，合格率高，黑灯率控制在3/10000以内。u 光斑均匀，色温一致，引脚干净无损点。3.1.2一次性光学设计LED封装时要使LED成发光电器件，就必须进行光学设计。简称一次性光学设计。它决定着LED的发光角度、通光量大小、光强大小、光强分布、色温范围和色温分布。一次性光学分为折射式、反射式和折反射式三种。3.1.3生产注意事项在生产LED时应具备良好的生产意识，生产环境和管理机制是生产良好的产品的重要因素。在LED封装现场，其生产环境应要求是净化厂房，要有效的防止静电。防止静电对LED的封装与生产有重要的意义。它直接影响着LED

10、的寿命与可靠性。3.2平面封装平面发光器件是由多个发光二极管芯片组合而成的结构型器件。通过发光二极管芯片的适当连接和结构的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器，如发光显示器、数码管、符号管、“米”字管、矩阵管、光柱等。使用发光二极管做成的平面显示器与其他显示器件相比，具有工作电压低、省电、多色、色彩鲜明、寿命长、耐振等特点。3.2.1反射罩式数码管LED发光显示器可由数码管、“米”字管、符号管和矩形管组成各种显示器件。数码管有反射罩式、单片集成式、他们大多数是由多个芯片以共阳极和共阴极两种电路组成的。反罩式数码管一般使用白色塑料做成带反射腔的7

11、段式外壳，将LED芯片黏在与反射罩的7个反射腔互相对应的印制电路板（PCB）上。每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片，以形成发光区域，如图3.3所示。图3.3 反罩式数码管示意图在安装反射罩前，在芯片和印制电路板上通过压焊方法，使用3.0um的硅丝或金丝把芯片与印制电路板上的电路连接好。在反射罩滴入环氧树脂，在把带有芯片的印制电路板与反射罩的对应位黏合，使之固化。为了满足用户需要，发光区的背景颜色通常是黑、灰、有色散射等。反射罩式数码管具有字形大、用料省、组装灵活等优点。反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。图3.4为实封方式，这种方式是采用环氧树脂把LED芯片黏合在印制电路板上，并用铝

12、丝或金丝把芯片与线路连接，然后在反射罩正面贴上高温胶带，把环氧树脂灌满，最后将焊好LED的芯片的印制电路板对准空位压好，让其固化。图3.4 实封方式示意图图3.5为空封方式，这种方式在出光面上盖有滤色膜和均光膜，首先将LED芯片黏合在印制电路板上，用铝丝或金丝把芯片与电路连接好，然后在反射罩上贴上滤色膜和均光膜。对数码管的品质要求：发光颜色均匀，封装表面平整，没有杂物或者气泡，视度要宽，整体器件要平整，没有变形和弯曲。图3.4 空封方式示意图3.3 SMD封装表面贴片二极管（SMD）是一种新型的表面贴装式半导体发光元器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。其发光颜色可以是包括

13、白光在内的各种颜色，可以满足表面贴装结构的各种电子产品的需要，特别是手机、笔记本电脑等的需要。3.3.1 SMD的封装工艺SMD的封装一般有两种结构：一种是为金属支架片式LED，另一种为PCB片式LED，具体流程如图3.5所示。图3.5 SMD封装工艺流程划片测试分选编带出货检查烘干固化封装金丝键合银浆固化芯片安装目前主要都是使用自动化机器进行固晶和焊线，所以做出来的产品质量好、一致性好，非常适合大规模生产。特别应注意的是，在制作SMD白光LED时，由于器件的体积较小，点荧光粉就成了一个难题，有的厂家先把荧光粉与环氧树脂配好，做成一个模子，然后把配好的荧光粉的环氧树脂做成一个胶饼，并将胶饼贴在

14、芯片上，周围再灌满环氧树脂，从而制成SMD封装的白光LED。3.3.2测试LED与选择PCB对SMD封装的LED进行测试，其体积较小，不便于手工操作，所以必须使用自动测试的仪器。以PCB片式LED为例，对于如图3.6所示的0603片式SMD LED，其尺寸为1.6mm×0.8mm×0.8mm。图3.6 0603片式SMD LED由于结构的微型化，PCB的选材和板图设计十分重要。综合各方面考虑，选厚度为0.3mm、面积为60mm×130mm的PCB作为基板，在板上设计41组封装结构，每组由44只片式LED连为一体，每个单元示意图见图3.7。(b)适用于V型电极的LE

15、D芯片图(a)适用于L型电极的LED芯片图图3.7 0603片式SMD LED测试用于PCB的单元示意图对于PCB基板的质量要求包括：l 要有足够的精度，厚度的不均匀度小于±0.03mm，定孔位对电路板图案偏差度小于±0.05mm；l 镀金属的厚度和质量必须确保金丝键合后的拉力大于8g（约0.08N）；l 表面没有污染，PCB上的化学物质要清理干净，封装时胶的黏合要牢固。目前SMD封装的LED大量用在显示屏上，其中把SMD上的芯片连接的部分直接与显示屏的电路板用导热胶黏合，让SMD上的热量传递到显示屏的电路板上，这样热量由显示屏上的电路板散发到空气中，有利于显示屏的散热。随

16、着SMD的器件的发展，今后的接插件会朝着SMD器件的方向发展，实现小型化、高密度和色彩鲜艳，这样显示器的屏幕在有限的尺寸中可获得更高的分辨率。同时可实现结构轻巧简化及良好的白平衡，并且半值角可达160°，从而使显示器更薄，可获得更好的观看效果。4. LED的可靠性技术近年来，由于LED的技术发展迅速，主要性能指标有很大提高，目前LED器件的发光效超过200lm/W，产业化水平达110120lm/W，可以作为光源在照明领域推广应用，目前已进入室外景观照明、功能性照明、商用照明等领域。在应用过程中，有几个主要技术和成本问题，如LED照明灯具的能效还不高，LED白光的光色在某些照明场合还不

17、合适，LED灯具的可靠性还不高，有些产品寿命很短，另外LED灯具的价格目前普遍偏高等，这些问题有待进一步解决和提高。业界同行对LED光源的可靠性和成本问题比较重视，均在努力解决之中。4.1 LED器件的可靠性LED器件可靠性主要取决于二个部分：外延芯片及器件封装的性能质量1.外延芯片的失效影响外延芯片性能及质量的，主要是与外延层特别是P-n结部分的位错和缺陷的数目和分布情况，金属与半导体接触层质量，以及外延层及芯片表面和周边沾污引起离子数目及状况有关。芯片在加热加电条件下，会逐步引起位错、缺陷、表面和周边产生电漂移及离子热扩散，使芯片失效，正是上面所说的本质失效。要提高外延芯片可靠性指标，从根

18、本上要降低外延生长过程中产生的位错和缺陷以及外延层表面和周边的沾污，提高金属与半导体接触质量，从而提高工作寿命的时间。目前有报道，对裸芯片作加速寿命试验，并进行推算，一般寿命达10万小时以上，甚至几十万小时。2.器件封装的失效有报道称：LED器件失效大约70%以上是由封装引起，所以封装技术对LED器件来说是关键技术。有关LED器件封装技术在文章3、4中有详细论述，所以在此不作介绍，只简要分析有关LED器件封装的可靠性问题。LED封装引起的失效是从属失效，其原因很复杂，主要来源有三部分：其一，封装材料不佳引起，如环氧、硅胶、荧光粉、基座、导电胶、固晶材料等。其二，封装结构设计不合理，如材料不匹配

19、、产生应力、引起断裂、开路等。其三，封装工艺不合适，如装片、压焊、点胶工艺、固化温度及时间等。为提高器件封装可靠性，首先在原材料选用方面要严格控制材料的质量，在封装结构上除了考虑出光效率和散热外，还要考虑多种材料结合在一起时的热涨匹配问题。在封装工艺上，要严格控制每道工序的工艺流程，尽量采用自动化设备、确保工艺的一致性及重复性，保障LED器件性能和可靠性指标。除此之外还有其他关于LED的可靠性技术因素，包含：LED照明灯可靠性、LED驱动电源模块、散热问题、LED照明灯具的成本问题等等。所以在今后LED可靠性有待解决，这样才能是LED产业化的健康发展。5. LED在生活中的应用在各种新兴产业应用领域的不断涌现的带动下，近些年LED市场规模得到了快速提升，其