第六章荧光粉、封装与散热

第七章荧光粉、封装与散热内容荧光粉种类及制备方法LED封装概述LED封装工艺LED散热设计荧光粉分类荧光粉是一种颗粒状发光材料，也称发光粉或荧光体。分类：按余辉时间：长余辉材料，短余辉材料按转换方式：上转换材料，下转换材料按激发方式：光致发光，电致发光，阴极射线发光我们关注光致发光的灯用荧光粉，短余辉，下转换目前荧光粉种类繁多，按基质材料包括铝酸盐系，磷酸盐系，硅酸盐系，钨酸盐系，钼酸盐系，硼酸盐系，钒酸盐系，ZnO,ZnS等II-VI族系，以及Y2O3，Gd2O3等稀土氧化物基质。绝大多数基质均要采用254nm或365nm深紫外线激发。常用的掺杂激活剂包括Ce,Eu,Tb等稀土元素及Mn,Ag等非稀土元素。

Eu3+窄红光，Eu2+，Ce3+宽带发光，Tb3+绿光。

稀土离子发光与在晶格中所处的对称环境密切相关。白光LED用荧光粉适用激发波长：蓝光或近紫外光。发光效率高：5微米以上至十几微米的球形颗粒，结晶良好，无杂相。稳定无毒生产成本低YAG（Y3Al5O12:Ce3+)，

TAG（Tb3Al5O12:Ce3+)蓝光激发黄色荧光粉，可配合蓝光芯片产生白光。YAG:日亚专利，目前最主流的产品。TAG:欧士朗专利，不容易做亮。ZnS系,S易分解，恶臭且腐蚀支架，淘汰产品。N化物（CaSiAlON:Eu2+等)：稳定，激发光谱宽，是优质红粉，但贵，40RMB/g以上。荧光粉的使用就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉；其次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。固相反应法的特点合成温度高、反应时间长粉体团聚严重，球磨后质量又降低形貌不规则，粒径分布过大容易产生杂相成本低，便于大规模生产，主流制备方法。喷雾热解法喷雾热解法是将原材料溶于水或有机溶剂，然后通过喷雾装置将其雾化喷入反应容器内，在高温下使溶液迅速挥发，反应物发生热分解或其它化学反应，生成与初始反应物不同的纳米粒子。干燥所需时间短，可以获得组分均匀的颗粒。操作简单，可连续进行生产。容易产生有毒有害的腐蚀性气体容易造成设备的老化和破损。水热合成法水热合成法的原理是在密闭的容器中，在水热条件下原始混合物进行反应的一种合成方法。水热合成法在荧光粉的合成上有独到之处，制备出的产品发光均匀、颗粒度细小且分布均匀、不需研磨。对设备要求高，产量低。水热法制备的ZnO球形介观晶体内容荧光粉种类及制备方法LED封装概述LED封装工艺LED散热设计一、封装的必要性

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，加入电流之后他才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正极、负极之外，同时还需要对LED芯片和两个电极进行保护。二、封装的作用

实现输入电信号、保护芯片正常工作、输出可见光的功能，其中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.三、LED封装的方式的选择

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。常用的LED芯片封装方式包括：引脚式封装平面式封装表贴封装食人鱼封装功率型封装LED的封装方式1.引脚式封装（1）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（2）引脚式封装过程（Φ5mm引脚式封装）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）；芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上；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；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。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，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。2、平面式封装（1）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）结构

3、表贴式封装表面贴片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

§6.2LED的封装方式4、食人鱼式封装（1）结构

4、食人鱼式封装（2）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（2）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。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。三、功率型封装目前功率型LED主要有：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3.铝基板（MCPCB）式封装三、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5.功率型SMD封装内容荧光粉种类及制备方法LED封装概述LED封装工艺LED散热设计一、引脚式封装工艺

五大物料五大制程晶片支架固晶银胶金线焊线环氧树脂封胶切脚測試一、引脚式封装工艺1.主要工艺

一、引脚式封装工艺1.主要工艺

一、引脚式封装工艺2.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。2.主要工艺说明（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。2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（6）自动装架

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。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（7）烧结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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（8）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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（9）点胶封装：TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。

§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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）§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（9）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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明

（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。§6.3LED封装工艺一、引脚式封装工艺2.主要工艺说明（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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（1）金相显微镜§6.3LED封装工艺3.封装设备（2）晶片扩张机

§6.3LED封装工艺3.封装设备（3）点胶机§6.3LED封装工艺（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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（4）背胶机§6.3LED封装工艺3.封装设备（5）固晶机§6.3LED封装工艺3.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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（6）焊线机§6.3LED封装工艺（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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（7）灌胶机§6.3LED封装工艺（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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（8）烤箱

§6.3LED封装工艺（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。§6.3LED封装工艺3.封装设备（9）液压机§6.3LED封装工艺3.封装设备（10）切脚机§6.3LED封装工艺3.封装设备（11）测试机§6.3LED封装工艺3.封装设备（12）分光分色机§6.3LED封装工艺二、SMDLED封装工艺§6.3LED封装工艺二、SMDLED封装工艺§6.3LED封装工艺三、DisplayLED封装工艺§6.3LED封装工艺三、DisplayLED封装工艺§6.3LED封装工艺四、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。§6.3LED封装工艺四、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。§6.3LED封装工艺四、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。§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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

§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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：§6.3LED封装工艺五、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。§6.3LED封装工艺五、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）。

§6.3LED封装工艺五、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

§6.3LED封装工艺五、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。

§6.3LED封装工艺五、大功率封装4、集成LED芯片封装

§6.3LED封装工艺五、功率型封装4、集成LED芯片封装使用单层或双层铝基板作为热沉，把单个芯片或多个芯片用固晶胶直接固定在铝基板（或同基板）上，LED芯片的p和n两个电极则键合在铝基板表层的薄铜板上。根据所需功率的大小确定底座上排列LED芯片的数目，可组合封装成1W、2W、3W等高亮度的大功率LED。§6.3LED封装工艺六、白光LED封装一般工艺流程

针对照明领域对光源的要求，照明用功率型白光LED的封装面临着以下挑战：①更高的发光效率；（高效芯片，高萃取，低通道吸收）②更高的单灯光通量；（高效芯片，大面积芯片）③更好的光学特性（光指向性、色温、显色性等）；（光学设计，芯片与荧光粉匹配，荧光粉涂覆）④更大的输入功率；（多芯片集成，良好散热）⑤更高的可靠性（更低的失效率、更长的寿命等）；⑥更低的光通量成本。（工艺简单、成熟，通用化设计）内容荧光粉种类及制备方法LED封装概述LED封装工艺LED散热设计

对于一般照明使用，将需要大量的LED元件集成在一块模组中以达到所需之照度。但LED的光电转换效率不高，大约只有15%至20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能。

热量是LED的最大威胁之一，不仅影响LED的电气性能，最终导致LED失效。如何让LED保持长时间的持续可靠工作是目前大功率LED器件封装和系统封装的关键技术。一、热量来源

对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中。

在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。一、热量来源

设发光二极管的热阻为Rth(0C/W)，热耗散功率为PD(W)，此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为:

PN结结温为:

其中TA为环境温度。

二、热量对LED的影响

LED发光过程中产生的热量将会造成LED模组的温度上升，当温度升高:1.发光强度降低：随着芯片结温的增加，芯片的发光效率效率也会随之减少，LED亮度下降。同时，由