LED封装工艺介绍及其步骤

 

LED封装的工艺流程大致如下:

1. LED的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。
2. LED封装形式
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
4．封装工艺说明
　

　芯片设计

　　从芯片的演变历程中发现，各大LED生产商在上游磊晶技术上不断改进，如利用不同的电极设计控制电流密度，利用ITO薄膜技术令通过LED的电流能平均分布等，使在结构上都尽可能产生多的。再运用各种不同方法去抽出LED发出的每一粒光子，如生产不同外形的芯片；利用芯片周边有效地控制光折射度提高LED取率，研制扩大单一芯片表面尺寸（>2mm2）增加发光面积，更有利用粗糙的表面增加光线的透出等等。

　　有一些高亮度LED芯片上p-n两个电极的位置相距拉近，令芯片发光效率及散热能力提高。而近已有的生产，就是利用新改良的溶解（Laser lift-o）及金属黏合技术（metal bonding），将LED磊晶晶圆从GaAs或GaN长晶基板移走，并黏合到另一金属基板上或其它具有高反射性及高热传导性的物质上面，帮助大功率LED提高取光效率及散热能力。

. 　　封装设计

　　经过多年的发展，垂直（φ3mm、φ5mm）和SMD灯（表面贴装LED）已演变成一种标准产品模式。但随着芯片的发展及需要，开拓出切合大功率的封装产品设计，为了利用自动化组装技术降低制造成本，大功率的SMD灯亦应运而生。而且，在可携式消费产品市场急速的带动下，大功率LED封装体积设计也越小越薄以提供更阔的产品设计空间。

　　为了保持成品在封装后的光亮度，新改良的大功率SMD器件内加有杯形反射面，有助把全部的光线能一致地反射出封装外以增加输出。而盖住LED上圆形的，用料上更改用以Silone封胶，代替以往在环氧树脂（Epoxy），使封装能保持一定的耐用性。

　　封装工艺及方案

　　封装之主要目的是为了确保半导体芯片和下层电路间之正确电气和机械性的互相接续，及保护芯片不让其受到机械、热、潮湿及其它种种的外来冲击。选择封装方法、材料和运用机台时，须考虑到LED磊晶的外形、电气/机械特性和固晶等因素。因LED有其光学特性，封装时也须考虑和确保其在光学特性上能够满足。

　　无论是垂直LED或SMD封装，都必须选择一部高的固晶机，因LED晶粒放入封装的位置精准与否是直接影响整件封装器件发光效能。若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全反射出来，影响成品的光亮度。但若一部固晶机拥有先进的预先图像辨识系统（PR System），尽管品质参差的引线框架，仍能精准地焊接于反射杯内预定之位置上。

　　一般低功率LED器件（如指示设备和手机键盘的照明）主要是以银浆固晶，但由于银浆本身不能抵受高温，在提升亮度的同时，发热现象也会产生，因而影响产品。要获得高品质高功率的LED,新的固晶工艺随之而发展出来，其中一种就是利用共晶焊接技术，先将晶粒焊接于一散热基板（soubmount）或热沉（heat sink）上，然后把整件晶粒连散热基板再焊接于封装器件上，这样就可增强器件散热能力，令发相对地增加。至于基板材料方面，硅（Silicon）、铜（Copper）及陶瓷（Ceramic）等都是一般常用的散热基板物料。

　　共晶焊接

　　技术关键是共晶材料的选择及焊接温度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用纯锡（Sn）或金锡（Au-Sn）合金作接触面镀层，晶粒可焊接于镀有金或银的基板上。当基板被加热至适合的共晶温度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高溶点，令共晶层固化并将LED紧固的焊于热沉或基板上。

　　选择共晶温度视乎晶粒、基板及器件材料耐热程度及往后SMT回焊制程时的温度要求。考虑共晶固晶机台时，除高位置外，另一重要条件就是有灵活而且稳定的温度控制，加有氮气或混合气体装置，有助于在共晶过程中作防氧化保护。当然和银浆固晶一样，要达至高的固晶，有赖于严谨的机械设计及高的马达运动，才能令焊头运动和焊力控制恰到好处之余，亦无损高产能及高良品率的要求。

　　进行共晶焊接工艺时亦可加入助焊剂，这技术的特点是无须额外附加焊力，故此不会因固晶焊力过大而令过多的共晶合金溢出，减低LED产生短路的机会。

　　覆晶（Flip Chip）焊接

1.芯片检验
镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）
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。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。
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。
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。
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.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。
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。
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。
9.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。
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。
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。
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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.包装
将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。