半导体照明课件第12章LED封装技术

第十二章LED封装技术

LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而1)引出正极、负极并对LED芯片和两个电极进行保护之外，还需要考虑2)将光取出并达到规定的光强分布。

此外,还要将管芯产生的热导出来,象InGaN器件还必须采取防静电措施。第十二章LED封装技术LED芯片只是对LED的封装既有电参数又有光参数的设计及技术要求。

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.

对LED的封装既有电参数又有光参数的设第一节LED器件的设计LED器件的设计包括电学、热学、光学和结构设计，这四方面是互相关联的，有时还有矛盾，考虑的原则是以光学参数(特别是光通量和光强)为主的最佳折中。

这就是半导体发光器件设计的最佳化。第一节LED器件的设计LED器件的设计包括电学一、设计原则

PN结发光器件的外量子效率为：

为电子注入效率，为转化为光子的内量子效率，为取光效率，提高这三个效率就可以提高器件的外量子效率。一、设计原则为电子注入效率，为转化为光子的内

方法：外延层的载流子浓度不能太少。

１）注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。２）浓度太低会增加器件串联电阻，增加压降，导致器件过热，增加温升，降低发光效率。

但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增加，并且会增加晶体不完整性，甚至出现杂质沉淀物或各种络合物，从而降低发光效率。二、电学设计电学设计问题主要在外延和芯片制作时考虑。1、提高PN结注入效率方法：外延层的载流子浓度不能太少。二、电学设计电学设2、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延层完整性降低，造成非辐射复合中心，严重影响器件的发光效率。二、电学设计2、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延层完整性降低，造成热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。它不仅与器件的可靠性有关，还直接影响到发光效率，因为一般半导体发光效率均随结温升高而降低。三、热学设计热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。三、热学设计1、热阻(thermalresistance)结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。式中RT为两点间的热阻，为两点间的温度差，PD为两点间的热功率流。表示单位耗散功率所引起的结温升高(˚C／W，或K/W。)

三、热学设计1、热阻(thermalresistance)式中RT结温：是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题.

结温：总热阻为各层热阻之和热阻：是指反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：℃/W导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1°C,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示(W/m·℃)。总热阻为各层热阻之和热阻：是指反映阻止热量传递能力的综合参SFT-LED热阻对比表从上表中我们可以看出，我公司LED的热阻远远低于同行的热阻，这为我公司LED的高亮度低光衰提供了保障。SFT-LED热阻对比表从上表中我们可以看出，我公司当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为结构层热阻

(导热热阻)。对于热流经过的截面积不变的平板，结构层热阻为其中L为平板的厚度，S为平板垂直于热流方向的截面积，λ为平板材料的热导率。2、结构层热阻RT三、热学设计当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热3、扩展热阻

当一热流通过一小面积进入无限固体中时，所产生的热阻称为扩展热阻。它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触面积和形状有关。面积一定时，细长形接触的扩展热阻低于方形，环形的小于椭圆形的，更小于圆形的。三、热学设计3、扩展热阻三、热学设计实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。

器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。总热阻＝各结构层热阻＋扩展热阻4、实际器件的热阻三、热学设计实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩5、降低热阻的措施

a、减少各结构层的厚度，采用高热导焊料，降低各结构层的热阻。

b、采用适当形状的PN结或管芯，降低扩展热阻。

c、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。

d、加大键合面积，降低键合热阻。三、热学设计5、降低热阻的措施三、热学设计光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。

式中，α为吸收系数，V为管芯体积，Ai为面积，Ti为透过率，Ri为反射率。由该式可见，要提高出光效率，就要减少管芯材料的体吸收和减少欧姆接触对光的吸收，并增大其他界面的透过率。四、光学设计模型：把管芯看作一个吸收系数为α，体积为V

的光学腔，它被面积为Ai的几个面包围。光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。1、减少体吸收（1）使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。（2）高杂质补偿的III-V族材料中，电发光辐射的能量远低于带隙宽度，吸收系数较非补偿的低n个数量级。如高补偿的掺硅砷化镓（GaAs）

（3）在出光一侧做成透光性好的“窗口”，可大大减少自吸收。

如，为提高AlGaAs器件的出光效率，在出光面生长一个带隙较宽的层。四、光学设计1、减少体吸收四、光学设计2、增大表面透过率由于LED晶体的折射率比较高，当光线射向晶体内表面时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射，容易发生全反射。采用拱形管芯可以增加临界角，调高出光效率。同理，在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜，可增大临界角减少全反射，提高出光效率。四、光学设计2、增大表面透过率四、光学设计3、反射器采用合适的金属或塑料反射腔结构，可以使下部和侧面的光经过反射到达器件前方，从而提高出光效率。反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。四、光学设计3、反射器四、光学设计4、采用透镜控制光强分布对LED光强分布的控制有两种方法：a、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜，作为功率LED器件的出光端；b、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂透镜，以达到各种光强分布的目的。四、光学设计4、采用透镜控制光强分布四、光学设计作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼视觉这一主观性很强的因素，它除了不同的视感灵敏度外，还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离(视距)、颜色、反差等因素影响。五、视觉因素作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼视

一、封装的作用

将普通二极管的管芯密封在封装体内，其作用是保护芯片和完成电气互连。

对LED的封装则是实现

输入电信号、

保护芯片正常工作

输出可见光的功能第二节LED封装技术一、封装的作用第二节LED封装技术

三、LED封装的方式的选择

LEDpn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，因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。能发射多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料等。因此，对LED封装，要根据LED芯片的大小、功率大小来选择合适的封装方式。三、LED封装的方式的选择四、LED封装的发展过程LED封装技术的发展分三个阶段，也是LED器件的功率、光通量、器件结构发展的三个阶段。1962-1989年主要是Ф3和Ф5的LED,用作数码管和矩阵管的显示器驱动电流≤20mA。四、LED封装的发展过程LED封装技术的发展分三个阶段，也1990-1999年发展了大光通量LED食人鱼和snap,用作汽车信号灯、景观照明驱动电流50-150mA。2000年-至今生产了功率型LED,用于照明驱动电流≥350mA。1990-1999年发展了大光通量LED食人鱼和snap五、小功率LED封装

常规小功率LED的封装形式主要有：１.引脚式封装；2.平面式封装；3.表面贴装式SMDLED；4.食人鱼PiranhaLED。五、小功率LED封装1、引脚式封装（一）引脚式封装结构

LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称Φ5mm）封装。1、引脚式封装（二）引脚式封装原理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。1、引脚式封装（二）引脚式封装原理1、引脚式封装（三）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）a、将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上（一般称为支架）；b、芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上；c、负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连；d、然后顶部用环氧树脂包封，做成直径5mm的圆形外形

反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。（三）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）2、平面式封装（一）平面式封装原理

平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件。通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，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，如数码管、“米”字管、矩阵管等。2、平面式封装2、平面式封装（二）平面式封装结构

2、平面式封装3、表贴式封装（一）表贴式封装原理

表面贴片LED（SMD）是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，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。3、表贴式封装（二）表贴式封装结构（二）表贴式封装结构4、食人鱼式封装（一）优点

为什么把着这种LED称为食人鱼，因为它的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha。食人鱼LED产品有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快。LED点亮后，pn结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上。4、食人鱼式封装（一）优点

食人鱼LED比φ3mm、φ5mm引脚式的管子传热快，从而可以延长器件的使用寿命。一般情况下，食人鱼LED的热阻会比φ3mm、φ5mm管子的热阻小一半，所以很受用户的欢迎。（一）优点4、食人鱼式封装（二）结构

4、食人鱼式封装三、功率型封装

功率型LED是未来半导体照明的核心，大功率LED有大的耗散功率，大的发热量，以及较高的出光效率，长寿命。不能简单地套用传统的小功率LED,必须在：

封装结构设计；选用材料；选用设备等方面重新考虑，研究新的封装方法。三、功率型封装不能简单地套用传统的小功率L三、功率型封装

目前功率型LED主要有以下6种封装形式：1.沿袭引脚式LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装三、功率型封装2.仿食人鱼式环氧树脂封装三、功率型封装2.仿食人鱼式环氧树脂封装三、功率型封装三、功率型封装3.铝基板（MCPCB）式封装三、功率型封装三、功率型封装4.借鉴大功率三极管思路的TO封装三、功率型封装三、功率型封装5.功率型SMD封装三、功率型封装1、主要材料及流程

五大物料五大制程晶片支架固晶銀胶金丝焊线环氧树脂封胶切脚测试第三节LED的封装工艺1、主要材料及流程五大物料五大制程晶片支架固晶銀胶金丝焊线环2.主要工艺2.主要工艺3.主要工艺说明

（1）芯片检验用显微镜检查材料表面是否有机械损伤及麻点；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。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使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.主要工艺说明（2）扩片（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。（3）点胶（4）背胶

和点胶相反，备胶是用背胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。背胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用背胶工艺。（5）手工刺片将扩张后LED芯片（背胶或未背胶）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。（4）背胶（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。（6）自动装架（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2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，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。（7）烧结（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的压焊工艺有两种：金丝球焊铝丝压焊1）铝丝压焊过程：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。2）金丝球焊过程：在压第一点前先烧个球，其余过程类似。（8）压焊

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）点胶封装点胶封装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）

压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上（10）灌胶封装灌封的过程是：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。（10）灌胶封装（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。（11）模压封装（12）固化与后固化后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℃，4小时。（13）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。（12）固化与后固化（14）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。（15）包装

将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。（14）测试4.封装设备（1）金相显微镜4.封装设备564.封装设备（2）晶片扩张机

4.封装设备574.封装设备（3）点胶机4.封装设备58（3）点胶机点胶机和固晶机一样，精度要求高，这样才能有效的控制胶量。胶量如果太多，芯片贴上去后就容易让多余的胶挤压出，阻挡和吸收的芯片周围的发光，而且对反射杯壁发射出的光吸收，影响了光亮度；如果胶量太少，特别是进入焊线的工序时，使得芯片从杯底脱落，就会引起死灯、漏电等等而造成次品。（3）点胶机594.封装设备（4）背胶机4.封装设备604.封装设备（5）固晶机4.封装设备614.封装设备（5）固晶机LED的晶粒放入封装位置的精确与否影响整件封装器件的发光效能，若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全发射出来，影响成品的光亮度。因此，固晶机必须选择高精度的固晶机，最好是拥有先进的预先图象识别系统。4.封装设备624.封装设备（6）焊线机4.封装设备63（6）焊线机焊线机在用之前，要调好1焊和2焊的功率，温度，压力；以及超声波的温度，功率。让这些参数能够让金线承受5g的拉力。这样才不会让以后的烘烤工序因为物质的膨胀系数不同而导致金线断裂或者脱焊。（6）焊线机644.封装设备（7）灌胶机4.封装设备65（7）灌胶机灌胶机的针头必须都是保持在同一水平的位置，而且漏胶的通道不能有渣滓，而且密封的很好，针头也必须隔段时间进行清理。由于封装后所形成的是由环氧树脂形成的一层光学“透镜”，倘若这层透镜中混有杂质就会使得出光效率不好，而且光斑中也会有黑点。（7）灌胶机664.封装设备（8）烤箱

4.封装设备67（8）烤箱烤箱必须是循环风，而且烤箱的隔层的托盘必须是保持水平的。在做白光LED的时候，点好的荧光粉必须要在烤箱内烤干，但是如果不是循环风和隔层的托盘，烤出的荧光粉分布不均匀，造成光斑的不均匀，还有可能造成荧光粉的溢出。（8）烤箱684.封装设备（9）液压机4.封装设备694.封装设备（10）切脚机4.封装设备704.封装设备（11）测试机4.封装设备714.封装设备（12）分光分色机4.封装设备72（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺73（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺74（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺75（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺76（四）、食人鱼LED封装工艺1.选定食人鱼LED的支架根据每一个食人鱼管子要放几个LED芯片，需要确定食人鱼支架中冲凹下去的碗的形状大小及深浅。（四）、食人鱼LED封装工艺77四、食人鱼LED封装工艺2.清洗支架3.将LED芯片固定在支架碗中4.经烘干后把LED芯片两极焊好5.根据芯片的多少和出光角度的大小，选用相应的模粒。食人鱼LED封装模粒的形状是多种多样的，有Φ3mm圆头和Φ5mm圆头，也有凹型形状和平头形状，根据出光角度的要求可选择相应的封装模粒。四、食人鱼LED封装工艺78四、食人鱼LED封装工艺6.在模粒中灌满胶，把焊好LED芯片的食人鱼支架对准模粒倒插在模粒中。7.待胶干后（用烘箱烘干），脱模即可8.然后放到切筋模上把它切下来9.接着进行测试和分选。四、食人鱼LED封装工艺79五、功率型封装1、L型电极的大功率LED芯片的封装

美国GREE公司的1W大功率芯片（L型电极）封装结构中上下各有一个电极。五、功率型封装80五、功率型封装1、L型电极的大功率LED芯片封装首先在SiC衬底镀一层金锡合金（一般做芯片的厂家已镀好），然后在热沉上同样也镀一层金锡合金，将LED芯片底座上的金属和热沉上的金属熔合在一起，称为共晶焊接。五、功率型封装81五、功率型封装1、L型电极的大功率LED芯片的封装这种封装方式，一定要注意当LED芯片与热沉在一起加热时，二者要接触好，最好二者之间加有一定压力，而且二者接触面受力均匀，两面平衡。控制好金和锡的比例，这样焊接效果才好，这种方法做出来的LED的热阻较小、散热较好、光效较好。五、功率型封装82五、功率型封装1、L型电极的大功率LED芯片的封装这种封装方式上下两面输入电流，如果与热沉相连的一极是与热沉直接导电的，则热沉也成为一个电极。使用这种LED要测试热沉是否与其接触的一极是零电阻，若为零则是连通的。因此连接热沉与散热片时要注意绝缘，而且要使用导热胶把热沉与散热片粘连好。五、功率型封装83五、功率型封装2、V型电极的大功率LED芯片的封装两个电极的p极和n极都在同一面

五、功率型封装84五、功率型封装2、V型电极的大功率LED芯片的封装对V型电极的大功率LED芯片的衬底通常是绝缘体（如蓝宝石）。而且在绝缘体的底层外壳上一般镀有一层光反射层，可以使射到衬底的光反射回来，从而让光线从正面射出，以提高光效。五、功率型封装85五、功率型封装2、V型电极的大功率LED芯片的封装这种封装应在绝缘体的下表面用一种（绝缘）胶把LED芯片与热沉粘合，上面把两个电极用金丝焊出。在封装V型电极大功率LED芯片时，由于点亮时发热量比较大，可以在LED芯片上涂一层硅凝胶，而不可用环氧树脂，这样：五、功率型封装86五、功率型封装2、V型电极的大功率LED芯片的封装一方面可防止金丝热膨胀冷缩与环氧树脂不一致而被拉断；另一方面防止因温度高而使环氧树脂变黄变污，结果透光性能不好。所以在制作V型电极大功率LED时应用硅凝胶调和荧光粉。五、功率型封装87五、功率型封装3、V型电极的大功率LED芯片倒装封装（1）理论基础

光线由一种介质进入另一种介质时，入射光一部分被折射，另一部分被反射。若光线由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2），当入射角（i1）大于全反射临界角（ic）时，折射光线消失，光线全部被反射。五、功率型封装88五、功率型封装3、V型电极的大功率LED芯片倒装封装（1）理论基础

ic=Sin-1n2/n1

n2

＜n1，若n2与n1的数值相差越大，则全反射临界角（ic）越小，光线越容易发生全反射现象。

五、功率型封装89五、功率型封装3、V型电极的大功率LED芯片倒装封装（2）正装的LED芯片

GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）→环氧树脂（n=1.5）→空气（n=1）。

五、功率型封装90五、功率型封装3、V型电极的大功率LED芯片倒装封装（2）倒装的LED芯片

五、功率型封装91五、功率型封装3、V型电极的大功率LED芯片倒装封装（2）倒装的LED芯片GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）→蓝宝石（n=1.8）→环氧树脂（n=1.5）→空气（n=1）；采用倒装芯片封装的LED的出光效率比正装芯片要高。

五、功率型封装92第十二章LED封装技术

LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而1)引出正极、负极并对LED芯片和两个电极进行保护之外，还需要考虑2)将光取出并达到规定的光强分布。

此外,还要将管芯产生的热导出来,象InGaN器件还必须采取防静电措施。第十二章LED封装技术LED芯片只是对LED的封装既有电参数又有光参数的设计及技术要求。

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.

对LED的封装既有电参数又有光参数的设第一节LED器件的设计LED器件的设计包括电学、热学、光学和结构设计，这四方面是互相关联的，有时还有矛盾，考虑的原则是以光学参数(特别是光通量和光强)为主的最佳折中。

这就是半导体发光器件设计的最佳化。第一节LED器件的设计LED器件的设计包括电学一、设计原则

PN结发光器件的外量子效率为：

为电子注入效率，为转化为光子的内量子效率，为取光效率，提高这三个效率就可以提高器件的外量子效率。一、设计原则为电子注入效率，为转化为光子的内

方法：外延层的载流子浓度不能太少。

１）注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。２）浓度太低会增加器件串联电阻，增加压降，导致器件过热，增加温升，降低发光效率。

但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增加，并且会增加晶体不完整性，甚至出现杂质沉淀物或各种络合物，从而降低发光效率。二、电学设计电学设计问题主要在外延和芯片制作时考虑。1、提高PN结注入效率方法：外延层的载流子浓度不能太少。二、电学设计电学设2、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延层完整性降低，造成非辐射复合中心，严重影响器件的发光效率。二、电学设计2、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延层完整性降低，造成热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。它不仅与器件的可靠性有关，还直接影响到发光效率，因为一般半导体发光效率均随结温升高而降低。三、热学设计热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。三、热学设计1、热阻(thermalresistance)结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。式中RT为两点间的热阻，为两点间的温度差，PD为两点间的热功率流。表示单位耗散功率所引起的结温升高(˚C／W，或K/W。)

三、热学设计1、热阻(thermalresistance)式中RT结温：是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题.

结温：总热阻为各层热阻之和热阻：是指反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：℃/W导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1°C,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示(W/m·℃)。总热阻为各层热阻之和热阻：是指反映阻止热量传递能力的综合参SFT-LED热阻对比表从上表中我们可以看出，我公司LED的热阻远远低于同行的热阻，这为我公司LED的高亮度低光衰提供了保障。SFT-LED热阻对比表从上表中我们可以看出，我公司当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为结构层热阻

(导热热阻)。对于热流经过的截面积不变的平板，结构层热阻为其中L为平板的厚度，S为平板垂直于热流方向的截面积，λ为平板材料的热导率。2、结构层热阻RT三、热学设计当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热3、扩展热阻

当一热流通过一小面积进入无限固体中时，所产生的热阻称为扩展热阻。它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触面积和形状有关。面积一定时，细长形接触的扩展热阻低于方形，环形的小于椭圆形的，更小于圆形的。三、热学设计3、扩展热阻三、热学设计实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。

器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。总热阻＝各结构层热阻＋扩展热阻4、实际器件的热阻三、热学设计实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩5、降低热阻的措施

a、减少各结构层的厚度，采用高热导焊料，降低各结构层的热阻。

b、采用适当形状的PN结或管芯，降低扩展热阻。

c、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。

d、加大键合面积，降低键合热阻。三、热学设计5、降低热阻的措施三、热学设计光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。

式中，α为吸收系数，V为管芯体积，Ai为面积，Ti为透过率，Ri为反射率。由该式可见，要提高出光效率，就要减少管芯材料的体吸收和减少欧姆接触对光的吸收，并增大其他界面的透过率。四、光学设计模型：把管芯看作一个吸收系数为α，体积为V

的光学腔，它被面积为Ai的几个面包围。光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。1、减少体吸收（1）使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。（2）高杂质补偿的III-V族材料中，电发光辐射的能量远低于带隙宽度，吸收系数较非补偿的低n个数量级。如高补偿的掺硅砷化镓（GaAs）

（3）在出光一侧做成透光性好的“窗口”，可大大减少自吸收。

如，为提高AlGaAs器件的出光效率，在出光面生长一个带隙较宽的层。四、光学设计1、减少体吸收四、光学设计2、增大表面透过率由于LED晶体的折射率比较高，当光线射向晶体内表面时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射，容易发生全反射。采用拱形管芯可以增加临界角，调高出光效率。同理，在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜，可增大临界角减少全反射，提高出光效率。四、光学设计2、增大表面透过率四、光学设计3、反射器采用合适的金属或塑料反射腔结构，可以使下部和侧面的光经过反射到达器件前方，从而提高出光效率。反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。四、光学设计3、反射器四、光学设计4、采用透镜控制光强分布对LED光强分布的控制有两种方法：a、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜，作为功率LED器件的出光端；b、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂透镜，以达到各种光强分布的目的。四、光学设计4、采用透镜控制光强分布四、光学设计作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼视觉这一主观性很强的因素，它除了不同的视感灵敏度外，还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离(视距)、颜色、反差等因素影响。五、视觉因素作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼视

一、封装的作用

将普通二极管的管芯密封在封装体内，其作用是保护芯片和完成电气互连。

对LED的封装则是实现

输入电信号、

保护芯片正常工作

输出可见光的功能第二节LED封装技术一、封装的作用第二节LED封装技术

三、LED封装的方式的选择

LEDpn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，因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。能发射多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料等。因此，对LED封装，要根据LED芯片的大小、功率大小来选择合适的封装方式。三、LED封装的方式的选择四、LED封装的发展过程LED封装技术的发展分三个阶段，也是LED器件的功率、光通量、器件结构发展的三个阶段。1962-1989年主要是Ф3和Ф5的LED,用作数码管和矩阵管的显示器驱动电流≤20mA。四、LED封装的发展过程LED封装技术的发展分三个阶段，也1990-1999年发展了大光通量LED食人鱼和snap,用作汽车信号灯、景观照明驱动电流50-150mA。2000年-至今生产了功率型LED,用于照明驱动电流≥350mA。1990-1999年发展了大光通量LED食人鱼和snap五、小功率LED封装

常规小功率LED的封装形式主要有：１.引脚式封装；2.平面式封装；3.表面贴装式SMDLED；4.食人鱼PiranhaLED。五、小功率LED封装1、引脚式封装（一）引脚式封装结构

LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称Φ5mm）封装。1、引脚式封装（二）引脚式封装原理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。1、引脚式封装（二）引脚式封装原理1、引脚式封装（三）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）a、将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上（一般称为支架）；b、芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上；c、负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连；d、然后顶部用环氧树脂包封，做成直径5mm的圆形外形

反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。（三）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）2、平面式封装（一）平面式封装原理

平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件。通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，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，如数码管、“米”字管、矩阵管等。2、平面式封装2、平面式封装（二）平面式封装结构

2、平面式封装3、表贴式封装（一）表贴式封装原理

表面贴片LED（SMD）是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，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。3、表贴式封装（二）表贴式封装结构（二）表贴式封装结构4、食人鱼式封装（一）优点

为什么把着这种LED称为食人鱼，因为它的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha。食人鱼LED产品有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快。LED点亮后，pn结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上。4、食人鱼式封装（一）优点

食人鱼LED比φ3mm、φ5mm引脚式的管子传热快，从而可以延长器件的使用寿命。一般情况下，食人鱼LED的热阻会比φ3mm、φ5mm管子的热阻小一半，所以很受用户的欢迎。（一）优点4、食人鱼式封装（二）结构

4、食人鱼式封装三、功率型封装

功率型LED是未来半导体照明的核心，大功率LED有大的耗散功率，大的发热量，以及较高的出光效率，长寿命。不能简单地套用传统的小功率LED,必须在：

封装结构设计；选用材料；选用设备等方面重新考虑，研究新的封装方法。三、功率型封装不能简单地套用传统的小功率L三、功率型封装

目前功率型LED主要有以下6种封装形式：1.沿袭引脚式LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装三、功率型封装2.仿食人鱼式环氧树脂封装三、功率型封装2.仿食人鱼式环氧树脂封装三、功率型封装三、功率型封装3.铝基板（MCPCB）式封装三、功率型封装三、功率型封装4.借鉴大功率三极管思路的TO封装三、功率型封装三、功率型封装5.功率型SMD封装三、功率型封装1、主要材料及流程

五大物料五大制程晶片支架固晶銀胶金丝焊线环氧树脂封胶切脚测试第三节LED的封装工艺1、主要材料及流程五大物料五大制程晶片支架固晶銀胶金丝焊线环2.主要工艺2.主要工艺3.主要工艺说明

（1）芯片检验用显微镜检查材料表面是否有机械损伤及麻点；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。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使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.主要工艺说明（2）扩片（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。（3）点胶（4）背胶

和点胶相反，备胶是用背胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。背胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用背胶工艺。（5）手工刺片将扩张后LED芯片（背胶或未背胶）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。（4）背胶（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。（6）自动装架（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2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，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。（7）烧结（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的压焊工艺有两种：金丝球焊铝丝压焊1）铝丝压焊过程：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。2）金丝球焊过程：在压第一点前先烧个球，其余过程类似。（8）压焊

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）点胶封装点胶封装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）

压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上（10）灌胶封装灌封的过程是：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。（10）灌胶封装（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。（11）模压封装（12）固化与后固化后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℃，4小时。（13）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。（12）固化与后固化（14）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。（15）包装

将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。（14）测试4.封装设备（1）金相显微镜4.封装设备1484.封装设备（2）晶片扩张机

4.封装设备1494.封装设备（3）点胶机4.封装设备150（3）点胶机点胶机和固晶机一样，精度要求高，这样才能有效的控制胶量。胶量如果太多，芯片贴上去后就容易让多余的胶挤压出，阻挡和吸收的芯片周围的发光，而且对反射杯壁发射出的光吸收，影响了光亮度；如果胶量太少，特别是进入焊线的工序时，使得芯片从杯底脱落，就会引起死灯、漏电等等而造成次品。（3）点胶机1514.封装设备（4）背胶机4.封装设备1524.封装设备（5）固晶机4.封装设备1534.封装设备（5）固晶机LED的晶粒放入封装位置的精确与否影响整件封装器件的发光效能，若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全发射出来，影响成品的光亮度。因此，固晶机必须选择高精度的固晶机，最好是拥有先进的预先图象识别系统。4.封装设备1544.封装设备（6）焊线机4.封装设备155（6）焊线机焊线机在用之前，要调好1焊和2焊的功率，温度，压力；以及超声波的温度，功率。让这些参数能够让金线承受5g的拉力。这样才不会让以后的烘烤工序因为物质的膨胀系数不同而导致金线断裂或者脱焊。（6）焊线机1564.封装设备（7）灌胶机4.封装设备157（7）灌胶机灌胶机的针头必须都是保持在同一水平的位置，而且漏胶的通道不能有渣滓，而且密封的很好，针头也必须隔段时间进行清理。由于封装后所形成的是由环氧树脂形成的一层光学“透镜”，倘若这层透镜中混有杂质就会使得出光效率不好，而且光斑中也会有黑点。（7）灌胶机1584.封装设备（8）烤箱

4.封装设备159（8）烤箱烤箱必须是循环风，而且烤箱的隔层的托盘必须是保持水平的。在做白光LED的时候，点好的荧光粉必须要在烤箱内烤干，但是如果不是循环风和隔层的托盘，烤出的荧光粉分布不均匀，造成光斑的不均匀，还有可能造成荧光粉的溢出。（8）烤箱1604.封装设备（9）液压机4.封装设备1614.封装设备（10）切脚机4.封装设备1624.封装设备（11）测试机4.封装设备1634.封装设备（12）分光分色机4.封装设备164（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺165（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺166（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺167（二）、SMDLED封装工艺（二）、SMDLED封装工艺168（四）、食人鱼LED封装工艺1.选定食人鱼LED的支架