Technique of production high power led

一、生產工藝：
a)  清洗：採用超聲波清洗PCB或LED支架，並烘乾。 
b)  裝架：在LED管芯（大圓片）底部電極備上銀膠后進行擴張，將擴張后的管芯（大圓片）安置在刺晶臺上，在顯微鏡下用刺晶筆將管芯一個一個安裝在PCB或LED支架相應的焊盤上，隨後進行燒結使銀膠固化。  
c)  壓焊：用鋁絲或金絲焊機將電極連接到LED管芯上，以作電流注入的引線。LED直接安裝在PCB上的，一般採用鋁絲焊機。（製作白光TOP-LED需要金線焊機）
d)  封裝：通過點膠，用環氧將LED管芯和焊線保護起來。在PCB板上點膠，對固化后膠體形狀有嚴格要求，這直接關係到背光源成品的出光亮度。這道工序還將承擔點熒光粉（白光LED）的任務。
e)  焊接：如果背光源是採用SMD-LED或其它已封裝的LED，則在裝配工藝之前，需要將LED焊接到PCB板上。
f)  切膜：用沖床模切背光源所需的各種擴散膜、反光膜等。
g)  裝配：根據圖紙要求，將背光源的各種材料手工安裝正確的位置。
h)  測試：檢查背光源光電參數及出光均勻性是否良好。
 包裝：將成品按要求包裝、入庫。
二、封裝工藝
1.   LED的封裝的任務
是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時保護好LED芯片，並且起到提高光取出效率的作用。關鍵工序有裝架、壓焊、封裝。
2.   LED封裝形式 LED封裝形式可以說是五花八門，主要根據不同的應用場合採用相應的外形尺寸，散熱對策和出光效果。LED按封裝形式分類有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。
三、LED封裝工藝流程
   出烤，離模，噴劑，離模，注膠，插支，補壓，進烤.
四、封裝工藝說明
1.芯片檢驗
 鏡檢：材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑（lockhill） 
 芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求
 電極圖案是否完整
2.擴片 　
　由於LED芯片在划片后依然排列緊密間距很小（約0.1mm），不利於后工序的操作。我們採用擴片機對黏結芯片的膜進行擴張，是LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以採用手工擴張，但很容易造成芯片掉落浪費等不良問題。
3.點膠
　　在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。（對於GaAs、SiC導電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片，採用銀膠。對於藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED芯片，採用絕緣膠來固定芯片。）工藝難點在於點膠量的控制，在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。由於銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴格的要求，銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。
4.備膠
　　和點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠塗在LED背面電極上，然後把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高于點膠，但不是所有產品均適用備膠工藝。
5.手工刺片
　　將擴張后LED芯片（備膠或未備膠）安置在刺片台的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED芯片一個一個刺到相應的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便於隨時更換不同的芯片，適用於需要安裝多種芯片的產品。  
6.自動裝架 
　　自動裝架其實是結合了沾膠（點膠）和安裝芯片兩大步驟，先在LED支架上點上銀膠（絕緣膠），然後用真空吸嘴將LED芯片吸起移動位置，再安置在相應的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程，同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴，防止對LED芯片表面的損傷，特別是蘭、綠色芯片必須用膠木的。因為鋼嘴會划傷芯片表面的電流擴散層。
7.燒結
　　燒結的目的是使銀膠固化，燒結要求對溫度進行監控，防止批次性不良。銀膠燒結的溫度一般控制在150℃，燒結時間2小時。根據實際情況可以調整到170℃，1小時。絕緣膠一般150℃，1小時。銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時（或1小時）打開更換燒結的產品，中間不得隨意打開。燒結烘箱不得再其他用途，防止污染。  
8.壓焊
     壓焊的目的將電極引到LED芯片上，完成產品內外引線的連接工作。LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程，先在LED芯片電極上壓上第一點，再將鋁絲拉到相應的支架上方，壓上第二點后扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球，其餘過程類似。 壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節，工藝上主要需要監控的是壓焊金絲（鋁絲）拱絲形狀，焊點形狀，拉力。對壓焊工藝的深入研究涉及到多方面的問題，如金（鋁）絲材料、超聲功率、壓焊壓力、劈刀（鋼嘴）選用、劈刀（鋼嘴）運動軌跡等等。（下圖是同等條件下，兩種不同的劈刀壓出的焊點微觀照片，兩者在微觀結構上存在差別，從而影響著產品質量。）我們在這裡不再累述。
9.點膠封裝
　　LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。設計上主要是對材料的選型，選用結合良好的環氧和支架。（一般的LED無法通過氣密性試驗）TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。手動點膠封裝對操作水平要求很高（特別是白光LED），主要難點是對點膠量的控制，因為環氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在熒光粉沉澱導致出光色差的問題。
10.灌膠封裝
　　Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧，然後插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環氧固化后，將LED從模腔中脫出即成型。
11.模壓封裝
　　將壓焊好的LED支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空，將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂杆壓入模具膠道中，環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。
12.固化與后固化
    固化是指封裝環氧的固化，一般環氧固化條件在135℃，1小時。模壓封裝一般在150℃，4分鐘。
13.后固化
　　后固化是為了讓環氧充分固化，同時對LED進行熱老化。后固化對於提高環氧與支架（PCB）的粘接強度非常重要。一般條件為120℃，4小時。 
14.切觔和划片
　　由於LED在生產中是連在一起的（不是單個），Lamp封裝LED採用切觔切斷LED支架的連觔。SMD-LED則是在一片PCB板上，需要划片機來完成分離工作。
15.測試 
　　測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸，同時根據客戶要求對LED產品進行分選。
16.包裝
　　將成品進行計數包裝。超高亮LED需要防靜電包裝

高亮度LED封裝工藝及方案
大功率高亮度LED封裝

一）綜述
   從實際應用的角度來看：安裝使用簡單、體積相對較小的大功率LED器件在大部分的照明應用中必將取代傳統的小功率LED器件。其好處是非常明顯的，小功率的LED組成的照明燈具為了達到照明的需要，必須集中許多個LED的光能才能達到設計要求。帶來的缺點是線路異常複雜，散熱不暢，為了平衡各個LED之間的電流電壓關係必需設計複雜的供電電路。相比之下，大功率LED單體的功率遠大於單個LED等於若干個小功率LED的總和，供電線路相對簡單，散熱結構完善，物理特性穩定。所以說，大功率LED器件代替小功率LED器件成為主流半導體照明器件是必然的。但是對於大功率LED器件的封裝方法我們並不能簡單的套用傳統的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率，大的發熱量，高的出光效率給我們的封裝工藝封裝設備和封裝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器件就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的製造方法有如下幾種：
         2.1加大尺寸法：
     通過增大單顆LED的有效發光面積，和增大尺寸后促使得流經TCL層的電流均勻分布而特殊設計的電極結構（一般為梳狀電極）之改變以求達到預期的光通量。但是，簡單的增大發光面積無法解決根本的散熱問題和出光問題，並不能達到預期的光通量和實際應用效果。
          2.2硅底板倒裝法：
     首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸LED芯片（Flip Chip LED）。同時制備出相應尺寸的硅底板，並在上製作出供共晶焊接的金導電層及引出導電層（超聲金絲球焊點）。然後，利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。（這樣的結構較為合理，即考慮了出光問題又考慮到了散熱問題，這是目前主流的High Output Power Chip LED生產方式。）
    美國LumiLeds公司2001年研製出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FCLED）結構，具體做法為：
第一步，在外延片頂部的P型GaN：Mg澱積厚度大於500A的NiAu層，用於歐姆接觸和背反射；

第二步，採用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層，露出N型層；

第三步，澱積、刻蝕形成N型歐姆接觸層，芯片尺寸為1×1mm2，P型歐姆接觸為正方形，N歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴展距離，把擴展電阻降至最小；

第四步，將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管（ESD）的硅載體上。
        2.3陶瓷底板倒裝法：
    先利用LED晶片廠通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板，並在上製作出共晶焊接導電層及引出導電層。之後利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。（這樣的結構考慮了出光問題也考慮到了散熱問題，並且採用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板，散熱的效果非常理想，價格又相對較低所以為目前較為適宜的底板材料，並可為將來的集成電路化一體封裝伺服電路預留下了安裝空間）
      2.4藍寶石襯底過渡法：
    按照傳統的InGaN芯片製造方法在藍寶石襯底上生長出PN結后將藍寶石襯底切除再連接上傳統的四元材料，製造出上下電極結構的大尺寸藍光LED芯片。
       2.5AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法：
    美國Cree公司是採用SiC襯底製造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一廠家，幾年來AlGaInN/SiCa芯片結構不斷改進，亮度不斷提高。由於P型和N型電極分別僅次於芯片的底部和頂部，單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AlGaInN LED發展的另一主流。
三）、基礎封裝結構
大功率LED封裝中主要需考慮的問題有兩個：散熱與出光。
序號 材質 導熱係數/λW（m.K）
01 碳鋼（C＝0.5-1.5） 39.2-36.7
02 鎳鋼（Ni=1%-50%） 45.5-19.6
03 黃銅 (70Cu-30Zn) 109
04 鋁合金(60Cu-40Ni) 22.2
05 鋁合金(87Al-13Si) 162
06 鋁青銅(90Cu-10Al) 56
07 鎂 156
08 鉬 138
09 鉑 71.4
10 銀 427
11 錫 67
12 鋅 121
13 純銅　 398
14 黃金 315
15 純鋁 236
16 純鐵 81.1
17 玻璃 0.65-0.71
    從電流/溫度/光通量關係圖可得知，散熱對於功率型LED器件是至關重要的。如果不能將電流產生的熱量及時的散出，保持PN結的結溫度在允許範圍內，將無法獲得穩定的光輸出和維持正常的器件壽命。 常用的散熱材料中銀的導熱率最好，但是銀導散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的導熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁

的導熱率雖然低於銅，但勝在綜合成本最低，有利於大規模製造。
     我們經過兩年的實驗對比發現較為合適的做法是：連接芯片部分採用銅基或銀基熱沉，再將該熱沉連接在鋁基散熱器上採用階梯型導熱結構，利用銅或銀的高導熱率將芯片產生的熱量高效傳遞到鋁基散熱器，再通過鋁基散熱器將熱量散出（通過風冷或熱傳導方式散出）。
    這種做法的優點是：充分考慮散熱器性能價格比，將不同特點的散熱器結合在一起做到高效散熱、並且成本控制合理化。
    值得注意的是：連接銅基熱沉與芯片之間的材料選擇是十分重要的，LED行業常用的芯片連接材料為銀膠。但是，我們經過研究發現，銀膠的熱阻極高為：10-25W/（m.K）,如果採用銀膠作為連接材料，就等於人為的在芯片與熱沉之間加上了一道熱阻。另外銀膠固化后的內部基本結構為：環氧樹脂骨架+銀粉填充式導熱導電結構，這樣的結構熱阻極高且TG點較低，對器件的散熱與物理特性穩定極為不利。我們解決此問題的做法是：以錫片焊作為晶粒與熱沉之間的連接材料（錫的導熱係數67W/m.K）可以取得較為理想的導熱效果（熱阻約為16℃/W）,錫的導熱效果與物理特性遠優于銀膠。
3.2出光
    我們發現傳統的LED器件封裝方式只能利用芯片發出的約50%的光能，由於半導體與封閉環氧的折射率相差較大，致使內部的全反射臨界角很小，有源層產生的光只有小部分被取出，大部分在芯片內部經多次反射而被吸收，成為超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內部不同材料間折射、反射消耗掉的50%的光能加以利用，是設計出光系統的關鍵。
    通過芯片的倒裝技術（FLIP CHIP）可以比傳統的LED芯片封裝技術得到更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發光層之電極下方增加反射層來反射出浪費的光能則會造成約8%的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底部份（Sapphire）與環氧樹脂導光結合面上應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。
    經過上述光學封裝技術的改善，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器件的頂部透鏡之光學設計也是十分重要的，我們通常的做法是：在進行光學透鏡設計時應充分考慮最終照明器具的光學設計要求，儘量配合應用照明器具的光學要求進行設計。
    常用的透鏡形狀有：
     凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的裝配方法理想的情況應採取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限也可採取半氣密性封裝。透鏡材料應選擇高透光的玻璃或亞克力等合成材料。也可以採用傳統的環氧樹脂模組式封裝，加上二次散熱設

計也基本可以達到提高出光率的效果。
四）、電氣保護　
    我們實測發現以SiC為底襯的InGaN抗ESD人體模式（HBM）能達1100V以上。而一般似藍寶石Al2O3為底襯的InGaN抗ESD僅能達400~500V左右（不同廠牌產品之綜合結果），如此低的抗ESD能力給LED LAMP封裝廠商和下游電子應用廠商帶來了極大的不便。從同業相關資料得知，每年電子組件製造商因ESD靜電防護問題損失十分驚人，裝配與消費者使用過程都有一定的損失產生。我們知道，高ESD抗的SiC碳化硅比藍寶石Al2O3為底襯材料有一定的抗靜電優勢，但也無法根本解決ESD問題。
非正式統計從不同層面的電子製造商有以下表之損失估計報告
ESD對各電子製造商的平均損失ESD Informal Summary of Static Losses by Level
Static Losses Reported, ESD 靜電損失
各層製造商 Min. Loss Max. Loss Est. Avg. Loss
組件商 Component Manufacturer 4% 97% 16-22%
承造商 Subcontractors 3% 70% 9-15%
次承造商Contractors 2% 35% 8-14%
用戶 User 5% 70% 27-33%
Source:　Stephen　Halperin,“Guidelines for Static Control Management,”Eurostat,1990
ESD之不同層次的來源
ESD來源 10-25%RH 65-90%RH
行走在地毯上Walking across carpet 35，000V 1，500V
行走在膠地板Walking across vinyl tile 12，000V 250V
工人在工作台 Worker at bench 6，000V 100V
撿起膠袋Poly bag picked up form bench 20，000V 1，200V
發泡膠之椅了Chair with urethane foam 18，000V 1，500V
    我們發現，如果在大功率LED器件封裝結構中加入芯片外圍的抗ESD二極管，可以將抗ESD的能力提高到8500V以上。基本解決了不同層面的電子製造商的ESD損失問題，實際應用效果很好。
五）、發展趨勢及結束語
   我們知道，LED芯片的外量子效率取決于外延材料的內量子效率與芯片的取光效率。目前大功率型LED所採用的外延材料為MOCVD外延生長技朮和多量子阱結構，雖然現在其內量子效率並未達到最高，還有進一步提高的空間。但是我們發現，獲得LED器件高光通量的最大障礙依舊是芯片的取光方式與高出光效率的封裝結構的設計。
   從LED1970年到2006年這三十多年的發展經驗可以得知：LED的光通量大約每16-20月就要增加2.2倍。所以講，在可以預期的五年時間內照明級大功率LED器件的光效率達到100Lm/W將是有可能的事情。但是，我們並不能坐等大功率LED芯片達到此光效纔來進行封裝技術的開發與應用。我們認為，照明級大功率LED器件光效的提高有賴於芯片光效的提高和封裝取光散熱技術的提高的同步進行才能做到。同時，LED製造設備廠商也應同步進行此類設備的開發。