LED封装知识文档格式.docx

LED封装知识文档格式.docx

《LED封装知识文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED封装知识文档格式.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应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-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。

3.LED封装工艺流程

a）芯片检验

镜检：

1、材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill） 

；

2、芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求 

3、电极图案是否完整。

b）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。

c）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。

∙d）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。

e）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.

f）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。

g）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。

h）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，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。

i）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。

j）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。

k）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。

l）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。

m）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。

n）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。

o）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。

p）包装

将成品进行计数包装。

超高亮LED需要防静电包装。

　　如何预测LED的寿命

　　一切事物都有发生、发展和消亡的过程，LED也不例外，是有一定寿命的。

早期的LED只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。

但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的LED路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。

过去认为LED寿命一定就是10万小时的神话似乎彻底破灭了。

那么到底问题出在哪里呢？

　　假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。

通常定义衰减30%的时间作为其寿命。

　　那么LED的寿命能不能预测呢？

这个问题无法简单地回答，需要从头讲起。

∙　1．LED的光衰：

　　大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。

引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。

还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。

各种品牌的LED它的光衰是不同的。

通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。

例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。

图1.Cree公司的LED的光衰曲线

　　从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。

从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。

所以延长寿命的关键就是要降低结温。

不过这些数据只适合于Cree的LED。

并不适合于其他公司的LED。

例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。

图2.Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线

　　当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。

　　其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。

　　2．如何才能延长LED的寿命

　　由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。

而降低结温的关键就是要有好的散热器。

能够及时地把LED产生的热散发出去。

　　在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。

实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的LED寿命。

　　3．如何测量结温

　　结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在LED的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进PN结来测量它的温度。

当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻Rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。

，但是在安装好散热器以后，问题就又变得复杂起来了。

因为通常LED是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。

包括Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms（铝基板到散热器），Rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。

图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图。

其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。

也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。

图3.LED到散热器各个热阻的示意图

　　幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。

那么结温和哪个电压有关呢？

这个关系又是怎么样的呢？

　　我们首先要从LED的伏安特性讲起。

　　4．LED伏安特性的温度系数

　　我们知道LED是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。

其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。

图4中画出了LED的伏安特性的温度特性。

图4.LED伏安特性的温度特性

　　假定对LED以Io恒流供电，在结温为T1时，电压为V1，而当结温升高为T2时，整个伏安特性左移，电流Io不变，电压变为V2。

这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mV/oC表示。

对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mV/oC。

但是LED大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。

幸好各家LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。

例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其温度系数为-4mV/oC。

要比普通硅二极管大2倍。

而美国Philips-Lumileds公司的LuxeonRebel的伏安特性温度系数为-2—4mV/oC。

至于美国普瑞的阵列LED（BXRA）就给出了更为详细的数据。

图5.Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线

　　但是，他们给出的数据，其范围也未免过于宽大，以至于失去了利用的价值。

不管怎样，只要知道LED的温度系数就很容易可以从测量LED的前向电压中推算出LED的结温了。

　　5．如何具体测算LED的结温。

　　现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。

来说明如何具体测算LED的结温。

要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。

同时要把连接到LED去的两根线引出来。

在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。

把这两个值相减，得出其差值。

再被4mV去除一下，就可以得出结温了。

实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。

例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。

这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。

假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。

　　采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。

　　6．如何来预测这个灯具的寿命。

　　从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。

但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。

最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。

这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。

也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。

紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。

紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。

　　不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。

很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。

另外，对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。

　　LED主要参数与特性

　　LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。

它具备pn结结型器件的电学特性：

I-V特性、C-V特性和光学特性：

光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

本文将为你详细介绍。

　　1、LED电学特性

　　1.1I-V特性

　　表征LED芯片pn结制备性能主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质：

单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

图1 

LED 

I-V特性曲线

　　如图1：

（1）正向死区：

（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；

开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

（2）正向工作区：

电流IF与外加电压呈指数关系：

IF=IS（eqVF/KT–1）

IS为反向饱和电流。

V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升：

IF=ISeqVF/KT

　　（3）反向死区：

V＜0时pn结加反偏压V=-VR时，反向漏电流IR（V=-5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。

　　（4）反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压；

VR电压对应IR为反向漏电流。

当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

　　1.2C-V特性

　　鉴于LED的芯片有9×

9mil（250×

250um），10×

10mil，11×

11mil（280×

280um），12×

12mil（300×

300um），故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。

C-V特性呈二次函数关系（如图2）。

由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。

图2 

LEDC-V特性曲线

　　1.3最大允许功耗PFm

　　当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×

IF.LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。

若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。

　　1.4响应时间

　　响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。

现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。

　　1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr、tf。

图中t0值很小，可忽略。

图3

　　②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。

LED熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

　　不同材料制得的LED响应时间各不相同；

如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。

因此它们可用在10~100MHZ高频系统。

　　2、LED光学特性

　　发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

　　2.1发光法向光强及其角分布Iθ

　　2.1.1发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。

LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：

位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°

。

当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。

发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

　　2.1.2发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。

它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

　　⑴为获得高指向性的角分布（如图4）

图4

　　①LED管芯位置离模粒头远些；

　　②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

　　③封装的环氧树脂中勿加散射剂。

　　采取上述措施可使LED2θ1/2=6°

左右，大大提高了指向性。

　　⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：

5°

、10°

、30°

、45°

　　2.2发光峰值波长及其光谱分布

　　⑴LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。

当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

　　LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

图5 

LED光谱分布曲线

1.蓝光InGaN/GaN 

2.绿光GaP：

N 

3.红光GaP：

Zn-O

4.红外GaAs 

5.Si光敏二极管 

6.标准钨丝灯

∙图5绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。

其中

　　①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=460～465nm；

　　②是绿色GaP:

N的LED，发光谱峰λp=550nm；

　　③是红色GaP:

Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm；

　　④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910nm；

　　⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。

　　由图5可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。

只有单色光才有λp波长。

　　⑵谱线宽度：

在LED谱线的峰值两侧±

△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。

半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。

　　⑶主波长：

有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；

甚至有多个峰值，并非单色光。

为此描述LED色度特性而引入主波长。

主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。

单色性越好，则λp也就是主波长。

如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。

　　2.3光通量

　　光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。

F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。

随着电流增加，LED光通量随之增大。

可见光LED的光通量单位为流明（lm）。

　　LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

目前单色LED的光通量最大约1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm（小芯片），对于1mm×

1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。

　　2.4发光效率和视觉灵敏度

　　①LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。

前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。

LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

　　②视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。

人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680lm/w，若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=∫Pλdλ；

F=∫KλPλdλ

　　③发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ。

若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W若光子能量hc=ev，则η≈ηP，则总光通F=（F/P）P=KηPW式中K=F/P。

　　④流明效率：

LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP

它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

　　以下列出几种常见LED流明效率（可见光发光效率）：

　　品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。

事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。

　　由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。

当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：

　　①用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；

　　②把芯片