各种电子封装工艺技术.docx

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各种电子封装工艺技术

各种电子封装工艺技术

　　电子封装方法、材料、结构和工艺的选择要紧由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。

通过40多年的进展，LED电子封装先后经历了支架式（LampLED）、贴片式（SMDLED）、功率型LED（PowerLED）等进展时期。

随着芯片功率的增大，专门是固态照明技术进展的需求，对电子封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。

为了有效地降低电子封装热阻，提高出光效率，必须采纳全新的技术思路来进行电子封装设计。

二、电子封装关键技术

　　电子封装要紧涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。

这些因素彼此既相互独立，又相互阻碍。

其中，光是LED电子封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是电子封装水平的具体表达。

从工艺兼容性及降低生产成本而言，电子封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到电子封装结构和工艺。

否则，等芯片制造完成后，可能由于电子封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了电子产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。

具体而言，电子封装的关键技术包括：

（一）低热阻电子封装工艺

　　关于现有的光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且芯片面积小，因此，芯片散热是电子封装必须解决的关键问题。

要紧包括芯片布置、电子封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。

　　电子封装热阻要紧包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。

散热基板的作用确实是吸取芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。

常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如，AlN，SiC）和复合材料等。

如Nichia公司的第三代LED采纳CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了电子封装热阻，提高了发光功率和效率；LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2（a），并开发了相应的电子封装技术。

该技术第一制备出适于共晶焊的芯片和相应的陶瓷基板，然后将芯片与基板直截了当焊接在一起。

由于该基板上集成了共晶焊层、静电爱护电路、驱动电路及操纵补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大:

//dianzifengzhuang提高了散热性能，为阵列电子封装提出了解决方案。

德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2（b）所示。

其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为（与硅的热膨胀系数相当），从而降低了电子封装热应力。

　　研究说明，电子封装界面对热阻阻碍也专门大，假如不能正确处理界面，就难以获得良好的散热成效。

例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会阻碍键合和局部的散热。

改善电子封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。

因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。

电子封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一样为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻专门高。

而采纳低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。

（二）高取光率电子封装结构与工艺

　　在使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的缺失，要紧包括三个方面：

芯片内部结构缺陷以及材料的吸取；光子在出射界面由于折射率差引起的反射缺失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射缺失。

因此，专门多光线无法从芯片中出射到外部。

通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透亮胶层（灌封胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的缺失，提高了取光效率。

此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械爱护，应力开释，并作为一种光导结构。

因此，要求其透光率高，折射率高，热稳固性好，流淌性好，易于喷涂。

为提高电子封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。

目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。

硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳固性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在电子封装中得到广泛应用，但成本较高。

研究说明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子缺失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度阻碍较大。

随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而阻碍光效和光强分布。

　　荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。

其特性要紧包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳固性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。

研究说明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低,出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。

缘故在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。

此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳固性也存在问题。

由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一样在1.5左右。

由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。

通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高出光效率（10％-20％），并能有效改善光色质量。

　　传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。

由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确操纵，导致出射光色彩不一致，显现偏蓝光或者偏黄光。

而Lumileds公司开发的保形涂层（Conformalcoating）技术可实现荧光粉的平均涂覆，保证了光色的平均性，如图3（b）。

但研究说明，当荧光粉直截了当涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。

有鉴于此，美国RenssELaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺（ScatteredPhotonExtractionmethod，SPE），通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如图3（c）。

　　总体而言，为提高的出光效率和可靠性，电子封装胶层有逐步被高折射率透亮玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的平均度，而且提高了电子封装效率。

此外，减少出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。

（三）阵列电子封装与系统集成技术

　　通过40多年的进展，LED电子封装技术和结构先后经历了四个时期，如图4所示。

　　1、引脚式（Lamp）LED电子封装

　　引脚式电子封装确实是常用的3－5mm电子封装结构。

一样用于电流较小（20－30mA），功率较低（小于0.1W）的LED电子封装。

要紧用于外表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。

其缺点在于电子封装热阻较大（一样高于100K/W），寿命较短。

　　2、表面组装（贴片）式（SMT－LED）电子封装

　　表面组装技术（SMT）是一种能够直截了当将电子封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种电子封装技术。

具体而言，确实是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直截了当贴装到未钻安装孔的PCB表面上，通过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。

SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种电子封装技术和工艺。

　　3、板上芯片直装式（COB）LED电子封装

　　COB是ChipOnBoard（板上芯片直装）的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直截了当粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的电子封装技术。

PCB板能够是低成本的FR－4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也能够是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。

而引线键合可采纳高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。

COB技术要紧用于大功率多芯片阵列的LED电子封装，同SMT相比，不仅大大提高了电子封装功率密度，而且降低了电子封装热阻（一样为6-12W/m.K）。

　　4、系统电子封装式（SiP）LED电子封装

　　SiP（SysteminPackage）是近几年来为适应整机的便携式进展和系统小型化的要求，在系统芯片SystemonChip（SOC）基础上进展起来的一种新型电子封装集成方式。

对SiP－LED而言，不仅能够在一个电子封装内组装多个发光芯片，还能够将各种不同类型的器件（如电源、操纵电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。

同其他电子封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子电子封装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。

按照技术类型不同，SiP可分为四种：

芯片层叠型，模组型，MCM型和三维（3D）电子封装型。

　　目前，高亮度器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高总的光通量，或者说能够利用的光通量。

而光通量的增加能够通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。

而这些都会增加的功率密度，如散热不良，将导致芯片的结温升高，从而直截了当阻碍LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移，寿命降低等）。

多芯片阵列电子封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案，然而LED阵列电子封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接，专门是散热等问题。

由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度专门高，必须采纳有效的热沉结构和合适的电子封装工艺。

常用的热沉结构分为被动和主动散热。

被动散热一样选用具有高肋化系数的翅片，通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。

该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低，集成度不高的情形。

关于电子封装，则必须采纳主动散热，如翅片＋风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。

　　在系统集成方面，台湾新强光电公司采纳系统电子封装技术（SiP）,并通过翅片＋热管的方式搭配高效能散热模块，研制出了72W、80W的高亮度白光光源，如图5（a）。

由于电子封装热阻较低（4.38℃/W）,当环境温度为25℃时，大功率LED结温操纵在60℃以下，从而确保了的使用寿命和良好的发光性能。

而华中科技大学则采纳COB电子封装和微喷主动散热技术，电子封装出了220W和1500W的超白光光源，如图5（b）。

（四）电子封装大生产技术

　　晶片键合（Waferbonding）技术是指芯片结构和电路的制作、电子封装都在晶片（Wafer）上进行，电子封装完成后再进行切割，形成单个的芯片（Chip）；与之相对应的芯片键合（Diebonding）是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片（Die），然后对单个芯片进行电子封装（类似现在的电子封装工艺），如图6所示。

专门明显，晶片键合电子封装的效率和质量更高。

由于电子封装费用在大功率LED器件制造成本中占了专门大比例，因此，改变现有的电子封装形式（从芯片键合到晶片键合），将大大降低电子封装制造成本。

此外，晶片键合电子封装还能够提高器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高电子封装成品率和可靠性，因而是一种降低电子封装成本的有效手段。

　　此外，关于电子封装，必须在芯片设计和电子封装设计过程中，尽可能采纳工艺较少的电子封装形式（Package-lessPackaging），同时简化电子封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低电子封装热阻，提高出光效率。

（五）电子封装可靠性测试与评估

　　器件的失效模式要紧包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与电子封装结构和工艺有关。

大功率LED的使用寿命以平均失效时刻（MTTF）来定义，关于照明用途，一样指的输出光通量衰减为初始的70％（对显示用途一样定义为初始值的50％）的使用时刻。

由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。

测试内容要紧包括高温储存（100℃，1000h）、低温储存（－55℃，1000h）、高温高湿（85℃/85％，1000h）、高低温循环（85℃～－55℃）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。

然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对寿命的推测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

三、固态照明对电子封装的要求

　　与传统照明灯具相比，灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且能够实现动态或渐变的色彩变化。

在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需要。

但对其电子封装也提出了新的要求，具体表达在：

（一）模块化

　　通过多个灯（或模块）的相互连接可实现良好的流明输出叠加，满足高亮度照明的要求。

通过模块化技术，能够将多个点光源或模块按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。

（二）系统效率最大化

　　为提高灯具的出光效率，除了需要合适的电源外，还必须采纳高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计，以提高整个系统效率。

（三）低成本

　　灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势（要紧指初期安装成本），而电子封装在整个灯具生产成本中占了专门大部分，因此，采纳新型电子封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现灯具商品化的关键。

（四）易于替换和爱护

　　由于光源寿命长，爱护成本低，因此对灯具的电子封装可靠性提出了较高的要求。

要求灯具设计易于改进以适应以后效率更高的LED芯片电子封装要求，同时要求LED芯片的互换性要好，以便于灯具厂商自己选择采纳何种芯片。

　　灯具光源可由多个分布式点光源组成，由于芯片尺寸小，从而使电子封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集成度的需求。

唯独的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提供了充分的想象空间。

此外，照明操纵的首要目标是供电。

由于一样市电电源是高压交流电（220V，AC），而需要恒流或限流电源，因此必须使用转换电路或嵌入式操纵电路（），以实现先进的校准和闭环反馈操纵系统。

此外，通过数字照明操纵技术，对固态光源的使用和操纵要紧依靠智能操纵和治理软件来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的关联，同时能够充分发挥设计者和消费者的想象力。

四、终止语

　　电子封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。

从某种角度而言，电子封装不仅是一门制造技术（Technology），而且也是一门基础科学（Science），良好的电子封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的明白得和应用。

LED电子封装设计应与芯片设计同时进行，同时需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。

在电子封装过程中，尽管材料（散热基板、荧光粉、灌封胶）选择专门重要，但电子封装结构（如热学界面、光学界面）对光效和可靠性阻碍也专门大，白光电子封装必须采纳新材料，新工艺，新思路。

关于灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。