Technique of production high power led

一、生产工艺：
a)  清洗：采用超声波清洗PCB或LED支架，并烘干。 
b)  装架：在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张，将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。  
c)  压焊：用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线。LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。（制作白光TOP-LED需要金线焊机）
d)  封装：通过点胶，用环氧将LED管芯和焊线保护起来。在PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品的出光亮度。这道工序还将承担点荧光粉（白光LED）的任务。
e)  焊接：如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED，则在装配工艺之前，需要将LED焊接到PCB板上。
f)  切膜：用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。
g)  装配：根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。
h)  测试：检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。
 包装：将成品按要求包装、入库。
二、封装工艺
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。
三、LED封装工艺流程
   出烤，离模，喷剂，离模，注胶，插支，补压，进烤.
四、封装工艺说明
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。
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。
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）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

高亮度LED封装工艺及方案
大功率高亮度LED封装

一）综述
   从实际应用的角度来看：安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。其好处是非常明显的，小功率的LED组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求。带来的缺点是线路异常复杂，散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流电压关系必需设计复杂的供电电路。相比之下，大功率LED单体的功率远大于单个LED等于若干个小功率LED的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。所以说，大功率LED器件代替小功率LED器件成为主流半导体照明器件是必然的。但是对于大功率LED器件的封装方法我们并不能简单的套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率，大的发热量，高的出光效率给我们的封装工艺封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。
二）、大功率LED芯片
     要想得到大功率LED器件就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造方法有如下几种：
         2.1加大尺寸法：
     通过增大单颗LED的有效发光面积，和增大尺寸后促使得流经TCL层的电流均匀分布而特殊设计的电极结构（一般为梳状电极）之改变以求达到预期的光通量。但是，简单的增大发光面积无法解决根本的散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。
          2.2硅底板倒装法：
     首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片（Flip Chip LED）。同时制备出相应尺寸的硅底板，并在上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点）。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。（这样的结构较为合理，即考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的High Output Power Chip LED生产方式。）
    美国LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，具体做法为：
第一步，在外延片顶部的P型GaN：Mg淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；

第二步，采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层；

第三步，淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1×1mm2，P型欧姆接触为正方形，N欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；

第四步，将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。
        2.3陶瓷底板倒装法：
    先利用LED晶片厂通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层。之后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。（这样的结构考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热的效果非常理想，价格又相对较低所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路化一体封装伺服电路预留下了安装空间）
      2.4蓝宝石衬底过渡法：
    按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后将蓝宝石衬底切除再连接上传统的四元材料，制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。
       2.5AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法：
    美国Cree公司是采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一厂家，几年来AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别仅次于芯片的底部和顶部，单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AlGaInN LED发展的另一主流。
三）、基础封装结构
大功率LED封装中主要需考虑的问题有两个：散热与出光。
序号 材质 导热系数/λW（m.K）
01 碳钢（C＝0.5-1.5） 39.2-36.7
02 镍钢（Ni=1%-50%） 45.5-19.6
03 黄铜 (70Cu-30Zn) 109
04 铝合金(60Cu-40Ni) 22.2
05 铝合金(87Al-13Si) 162
06 铝青铜(90Cu-10Al) 56
07 镁 156
08 钼 138
09 铂 71.4
10 银 427
11 锡 67
12 锌 121
13 纯铜　 398
14 黄金 315
15 纯铝 236
16 纯铁 81.1
17 玻璃 0.65-0.71
    从电流/温度/光通量关系图可得知，散热对于功率型LED器件是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时的散出，保持PN结的结温度在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。 常用的散热材料中银的导热率最好，但是银导散热板的成本较高不适宜做通用型散热器。而铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝

的导热率虽然低于铜，但胜在综合成本最低，有利于大规模制造。
     我们经过两年的实验对比发现较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热沉，再将该热沉连接在铝基散热器上采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效传递到铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。
    这种做法的优点是：充分考虑散热器性能价格比，将不同特点的散热器结合在一起做到高效散热、并且成本控制合理化。
    值得注意的是：连接铜基热沉与芯片之间的材料选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，我们经过研究发现，银胶的热阻极高为：10-25W/（m.K）,如果采用银胶作为连接材料，就等于人为的在芯片与热沉之间加上了一道热阻。另外银胶固化后的内部基本结构为：环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性稳定极为不利。我们解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热沉之间的连接材料（锡的导热系数67W/m.K）可以取得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）,锡的导热效果与物理特性远优于银胶。
3.2出光
    我们发现传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能，由于半导体与封闭环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗掉的50%的光能加以利用，是设计出光系统的关键。
    通过芯片的倒装技术（FLIP CHIP）可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果不在芯片的发光层之电极下方增加反射层来反射出浪费的光能则会造成约8%的光损失。所以底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热沉的镜面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部份（Sapphire）与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料以改善芯片出光的折射率。
    经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率（光通量）。
    大功率LED器件的顶部透镜之光学设计也是十分重要的，我们通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。
    常用的透镜形状有：
     凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的装配方法理想的情况应采取气密性封装，如果受透镜形状所限也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光的玻璃或亚克力等合成材料。也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设

计也基本可以达到提高出光率的效果。
四）、电气保护　
    我们实测发现以SiC为底衬的InGaN抗ESD人体模式（HBM）能达1100V以上。而一般似蓝宝石Al2O3为底衬的InGaN抗ESD仅能达400~500V左右（不同厂牌产品之综合结果），如此低的抗ESD能力给LED LAMP封装厂商和下游电子应用厂商带来了极大的不便。从同业相关资料得知，每年电子组件制造商因ESD静电防护问题损失十分惊人，装配与消费者使用过程都有一定的损失产生。我们知道，高ESD抗的SiC碳化硅比蓝宝石Al2O3为底衬材料有一定的抗静电优势，但也无法根本解决ESD问题。
非正式统计从不同层面的电子制造商有以下表之损失估计报告
ESD对各电子制造商的平均损失ESD Informal Summary of Static Losses by Level
Static Losses Reported, ESD 静电损失
各层制造商 Min. Loss Max. Loss Est. Avg. Loss
组件商 Component Manufacturer 4% 97% 16-22%
承造商 Subcontractors 3% 70% 9-15%
次承造商Contractors 2% 35% 8-14%
用户 User 5% 70% 27-33%
Source:　Stephen　Halperin,“Guidelines for Static Control Management,”Eurostat,1990
ESD之不同层次的来源
ESD来源 10-25%RH 65-90%RH
行走在地毯上Walking across carpet 35，000V 1，500V
行走在胶地板Walking across vinyl tile 12，000V 250V
工人在工作台 Worker at bench 6，000V 100V
捡起胶袋Poly bag picked up form bench 20，000V 1，200V
发泡胶之椅了Chair with urethane foam 18，000V 1，500V
    我们发现，如果在大功率LED器件封装结构中加入芯片外围的抗ESD二极管，可以将抗ESD的能力提高到8500V以上。基本解决了不同层面的电子制造商的ESD损失问题，实际应用效果很好。
五）、发展趋势及结束语
   我们知道，LED芯片的外量子效率取决于外延材料的内量子效率与芯片的取光效率。目前大功率型LED所采用的外延材料为MOCVD外延生长技术和多量子阱结构，虽然现在其内量子效率并未达到最高，还有进一步提高的空间。但是我们发现，获得LED器件高光通量的最大障碍依旧是芯片的取光方式与高出光效率的封装结构的设计。
   从LED1970年到2006年这三十多年的发展经验可以得知：LED的光通量大约每16-20月就要增加2.2倍。所以讲，在可以预期的五年时间内照明级大功率LED器件的光效率达到100Lm/W将是有可能的事情。但是，我们并不能坐等大功率LED芯片达到此光效才来进行封装技术的开发与应用。我们认为，照明级大功率LED器件光效的提高有赖于芯片光效的提高和封装取光散热技术的提高的同步进行才能做到。同时，LED制造设备厂商也应同步进行此类设备的开发。