LED封装实验课程设计及问题研究

周凯宁，李登峰，周贤菊

(重庆邮电大学数理学院，重庆 400065)

LED封装实验课程设计及问题研究

周凯宁，李登峰，周贤菊

(重庆邮电大学数理学院，重庆 400065)

LED的封装技术直接影响到LED灯具的光、热、电综合性能。LED封装平台很好地再现了LED封装的工业化流程和工艺，能够完成LED封装实验的教学和科研任务。讲解了LED封装实验的课程设计，包括实验工艺流程、教学时间安排和考核方式的设计，对实验中可能出现的问题进行了分析，提出解决方法，并对实验平台的建设进行了介绍。

LED;封装;实验平台建设;实验课程设计。

为了满足信息显示行业发展对人才的需要，重庆邮电大学数理学院2011年成功申请设立了信息显示与光电技术专业。该专业培养方向要求学生熟悉信息显示与光电材料的合成、器件的制作和相关电路的设计，并具备运用这些知识和技能进行技术开发、应用研究和相关工作管理的能力。

LED光源作为第四代光源相对于传统光源具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、应用灵活、安全、响应快、无污染、控制灵活等优点。目前已广泛应用于室外照明、景观装饰、大面积室外显示屏、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源、汽车组合尾灯及车内照明等。LED产业正以高速发展［1－13］。LED封装在LED产业链中有其重要的地位，LED封装工艺直接影响到LED灯具产品的各项性能指标，一直是改进LED性能的研究热点。

目前国内高校拥有专业LED封装平台并能开设封装实验的很少，并且少有报道LED封装实验课程设计和问题讨论的相关文献。重庆邮电大学信息显示与光电技术专业开设了LED封装实验课程，该实验能够让学生熟悉并掌握LED封装的生产技术和工艺制作流程，并在实践中运用所学理论知识解决实际问题。基于该课程的开发过程，对三个年级开设本课程的教学经验和相关科研工作。

一、实验平台的建设

封装实验平台建设占地为300 m2，实验平台场地按照LED生产工艺环节布置和连通。实验场地内供电电源为220 V和380 V。实验室按照LED生产工艺环境要求，设计安装了通风、除湿、防尘、防雷、防震、防静电等系统和设施。

封装实验平台主要设备包括科信超声波金丝球焊机、LED光电烤箱、抽真空箱、扩晶机、刺晶座、点胶机、粘胶机、灌胶机、一切机、二切机、离模机、冰箱等。

实验过程中所需原材料及耗材包括不同型号支架、不同型号灯帽模具、不同波长范围的晶片、绝缘胶、银胶、环氧树脂胶、硅胶、金线、不同规格荧光粉等［2］。

本实验平台可以封装支架型LED、贴片型LED、白光大功率LED。可以承担《显示器件及技术实验》中LED封装实验，和白光大功率LED灯的科研实验等。

在此基础上，为了对封装的LED灯泡和灯具进行光、热、电等性能检测，建设了LED检测实验平台。检测实验平台主要设备包括远方DJ5000LED加速老化试验仪、远方JY2003荧光粉相对强度测量仪、远方LED310LED热电性能分析仪、LED620LED光强分布测试仪、PMS－80紫外—近红外光谱分析仪、0．3 m积分球、2 m积分球、GO－2000分布光度计。

二、LED封装原理

(一)LED封装原理和结构

LED是将电能转化为光能的半导体材料。由P型半导体和N型半导体构成的PN结是LED的核心结构。由于在P型半导体和N型半导体中存在着两种不同的载流子:空穴和电子，在外界电极、电压的作用下，两种载流子在PN结复合。电子从高能级跃迁到低能级，辐射以光子形式放出［3］。

现在的LED封装制作形式主要有引脚式封装、表面贴装封装和功率型封装。本研究以LED封装实验的开设为例，主要介绍引脚式LED制作封装的封装结构及工艺［3］。LED封装的作用是保护晶片，完成电气互连，增强晶片散热，以及完成光线的配光和输出，LED的封装技术直接影响到LED灯具的光、热、电综合性能。

引脚式封装的封装结构如图1，包括金属支架、银胶/绝缘胶、金线、晶片和环氧树脂胶［4］。

图1 引脚式LED封装结构

(二)封装工艺流程

工业化的直插型LED灯的封装工艺流程见图2。

图2 专业化直插型LED封装流程

三、封装实验设计

工业化生产直插型LED灯的主要流程包括:固晶、焊线、灌胶、测试和分光［5］。因为本科实验对实验产品没有统一光色的要求，所以实验内容略去了分光的环节。设计后的LED封装实验操作流程很好地再现了工业化生产的流程。流程如图3。

图3 实验室LED封装流程

LED封装实验学时安排为28个学时。一共分成7次课，每次4个学时连上。

实验课程的学时设计为:4个学时教师讲授LED发光学和检测理论知识、实验工艺流程和操作要点、工艺品质要求和安全注意事项等，4个学时教师指导学生完成扩晶、点胶环节，4个学时教师指导学生完成固晶环节，4个学时教师指导学生熟悉并掌握超声波金丝球焊机的使用，4个学时教师指导学生完成焊线环节，4个学时教师指导学生完成粘胶和荧光粉涂覆环节，4个学时教师指导学生完成灌胶、烘烤、切割和测试环节。

每次实验课的课程设计为:课程开始时，按照3人一组分组，小组内分工合作，最终以小组为单位完成封装产品。每次实验课前，教师向学生提供本次课的实验前准备要求，包括需要阅读的与本次实验环节相关的文献资料、相关实验基本原理、规范操作说明等，并要求学生提前完成规定的思考题。每次实验课，教师首先组织每小组回顾上次实验环节，讨论上次实验工艺遇到的问题和解决方案，并在组间进行讨论和分享。然后教师讲解本次实验工艺环节，工艺环节品质要求和操作要点。接着教师示范规范操作，指导每个小组完成该次课实验环节操作。最后，在本次实验结束前，组织小组组内和组间讨论本次实验遇到的具体问题和可能的解决方案，讲解本次实验报告的写作要求。

整个实验课程的考核设计为每次实验成绩、实验操作成绩和实验报告成绩，按一定比重取加权平均，总成绩为7次实验课成绩的加权平均。

四、LED封装实验制作过程容易出现的问题

在实验操作中，对固晶制作流程和焊线制作流程的品质要求很高，容易出现固晶位置不标准、焊线幅度不标准、一焊点和二焊点容易剥落等问题。而在粘胶制作流程中，不规范的操作容易在封装中引起气泡。这些问题对产品最后的热、电、光性能影响明显。

(一)固晶制作流程和问题分析

固晶制程操作规范:检查支架、晶片与要求相符。将扩好的晶片环固定在刺晶座上，固定支架的夹具放在固晶手座下方，调准显微镜。支架放在夹具上时支架大边向右，小边向左。调整刺晶座高度至合适。用固晶笔将晶片固至支架碗杯中央位置，晶片正负极和支架碗杯正负极方向对应。使用晶片的顺序为从上到下，从左到右。依次固完一组支架后，检查固晶品质，如有没有达到标准的用固晶笔将晶片固平、扶正。

固晶制程的品质要求:晶片固在支架碗杯底部中央位置，胶水没到晶片高度的1/4～1/3位置，胶水没有污染晶片上表面，晶片上表面水平，晶片正负极和支架正负极方向对应。固晶标准和固晶偏心见示意图4。

图4 固晶标准和固晶偏心

学生实验制作中常见的工艺问题有:

1)点胶量过多，固晶时胶水没过晶片上表面或污染上表面。

2)所固晶片偏离支架碗杯中心。可能的后果是导致LED光斑不良，影响LED的配光［7］。

3)所固晶片上表面不水平。可能的后果是影响LED的配光［7］。

固晶制程中工艺问题的解决方案及对策:

1)对于点胶量过多影响固晶制程品质的工艺问题，解决办法是调整和控制好点胶量，使固晶后胶水没到晶片高度的1/4～1/3。

2)对于所固晶片偏离支架碗杯中心的工艺问题，解决办法是用固晶笔将晶片调整到支架碗杯中央。

3)对于所固晶片上表面不水平的工艺问题，解决办法是用固晶笔将晶片固平。

(二)焊线制作流程和问题分析

焊线制程操作规范:开启电源，开启聚光灯。打开温度控制器，使工作台温度上升到200～250℃。设定焊接超声功率、焊接压力、焊接时间。设定烧球电流、烧球时间，使金球直径约为线径的3倍。穿好金线，烧好金球。将支架插入工作台夹具，调节显微镜。就绪后，进行打线调试，设定好第一焊和第二焊之间劈刀运动的高度和跨度，保证焊线具有良好的弧形。

焊线制程的品质要求:第一焊点、第二焊点牢靠。焊线弧度合适，焊线最高点应比第二焊点高3/2～2倍晶片高度。焊线不接触支架碗杯杯沿，不出现焊线倾倒。图5为焊线标准和焊线幅度过浅和过深的示意图［14］。

图5 标准焊线和不标准焊线

学生实验制作中常见的工艺问题有:

1)制作中劈刀容易堵塞。劈刀焊线时下降深度过深，撞击焊点引起堵塞;晶片上表面被胶水污染，焊线制程中胶水引起劈刀口堵塞;金线烧球较小引起金线堵塞劈刀口。

2)焊线幅度不符合要求，幅度过浅或者过深。存在的工艺问题是打线调试时没有调整好劈刀的运动高度和跨度。

3)第一焊点容易剥落。可能存在的工艺问题是劈刀口损坏，烧球不完全或者烧球太小，工作台温度没有达到标准。

4)第二焊点容易剥落。可能存在的工艺问题是第二焊点被胶水污染，劈刀口损坏，工作台温度没有达到标准，第二焊焊接时间、功率、压力参数设置不合适［8－9］。

焊线制程中工艺问题的解决方案及对策:

1)对于劈刀焊线时下降深度过深，撞击焊点引起堵塞的工艺问题，解决的办法是用镊子夹住劈刀尖，按住超声振动按钮，振动疏通劈刀口，并重新进行打线调试;对于晶片上表面被胶水污染，焊线制程中胶水引起劈刀口堵塞的问题，解决的办法是调整好点胶量，规范点胶制程和固晶制程操作，避免胶水污染晶片上表面;对于金线烧球较小引起金线堵塞劈刀口的问题，解决的办法是重新调整金线尾丝长度、烧球电流和烧球时间，使金球直径约为金丝线径3倍。

2)对于焊线幅度不符合要求，幅度过浅或者过深的工艺问题，解决的办法是重新进行打线调试，调整好焊线制程中劈刀运动的高度和跨度，保证焊线幅度合适，焊线最高点比第二焊点高3/2～2倍晶片高度。

3)对于第一焊点容易剥落的工艺问题，如果是由于劈刀口损坏引起，解决的办法是更换劈刀。如果是由于烧球不完全或者太小引起，解决的办法是调整金线尾丝长度、烧球电流和烧球时间;如果是由于工作台温度没有达到标准引起，解决的办法是调高温度使工作台温度达到200～250℃之间。

4)对于第二焊点容易剥落的工艺问题，如果是由于第二焊点被胶水污染引起，解决办法是规范点胶操作。如果是由于劈刀口损坏引起，解决办法是更换劈刀。如果是由于工作台温度没有达到标准引起，解决办法是调高温度使工作台温度达到200～250℃之间。如果是由于第二焊焊接时间、功率、压力参数设置不合适，解决的办法是重新调整。

(三)支架粘胶操作和问题分析

在工业化生产中，支架的粘胶是用粘胶机进行的。在实验过程中，因为产品数量少，改为采用注胶针筒配合点胶机手动粘胶。

粘胶制程操作规范:设定好点胶机注胶量。脚踏气动开关，注胶针头出胶。将针头靠在需粘胶的支架碗杯杯沿，让胶水缓慢流入碗底，填满整个支架碗杯。

粘胶制程的品质要求:胶水填满支架碗杯，碗中无气泡残留。

学生实验制作中容易出现的问题是粘胶后支架碗杯中留有气泡。可能存在的工艺问题是:胶水抽真空不够完全;支架碗杯有一定深度，而胶体有一定黏度，胶体来不及从支架碗杯边沿流向支架碗杯杯底，支架腕杯就已经被填满，将部分空气堵在杯里形成气泡，

粘胶制程中工艺问题的解决方案及对策是对胶水提前进行加热，提高其流速，减小黏稠度［15］。

五、结束语

LED封装实验已向两届本科学生开设，学生对整个实验兴趣浓厚。通过本实验的学习和操作，学生能熟悉并掌握直插型LED生产的各个流程工艺，并能对工艺中的常见问题独立进行分析和处理。所生产的直插型LED灯泡死灯率控制在20%以内。学生通过本实验的学习实践，为在后续的LED检测实验中，分析封装工艺对LED热、光、电性能的影响，打好了基础。对于完成实验情况较好、动手能力突出、分析解决问题能力较强的学生，可进一步向其开设设计性实验。

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(责任编辑 张佑法)

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1007－7111(2012)06－0056－04

2012－04－20

重庆高等教育教学改革研究项目(09－3－091)，重庆邮电大学教改项目(XJG1019)。

周凯宁(1985—)，男，研究方向:凝聚态物理发光材料。