浅谈大功率LED封装工艺设计及优化

刘勇求，严其艳（广东科技学院，广东东莞，523083）



浅谈大功率LED封装工艺设计及优化

刘勇求，严其艳
（广东科技学院，广东东莞，523083）

大功率LED在节能和亮度方面的突出优势，得到了越来越的运用，如广场、草坪等环境。本文通过阐释大功率LED封装工艺的设计流程、重点参数、封装工艺等，分析了优化环节与措施，旨在为大功率LED的生产提供理论依据。

大功率LED；封装工艺；设计优化

引言

LED照明首先应用在平板计算机、液晶电视等背板中，当时LED价格昂贵、发光度低、成品率低等，应用领域很窄。伴随着技术进步，目前LED已经具备价格合理、使用寿命较长、已经应运到普通照明中［1］。在广场、草坪等开阔的环境照明中，提高照明强度非常重要，其中封装工艺是生产大功率LED的主要环节，选择何种反射材料、固晶材料、芯片涂覆、LED芯片封装胶等，将影响折射系数、应力强度等关键因素［2］。

因此本文对其封装工艺设计、材料选择和改进技术等方面进行有针对性的研究，提出了大功率LED封装优化环节与措施。

1　大功率LED应用领域及存在的问题

LED即发光二极管。与白炽灯相比，其能耗可降低百分之八十至百分之九十，与荧光灯相比能耗可降低一半，寿命是白炽灯的二十至三十倍，是荧光灯的十倍，而且无毒无害，属于绿色光源。因此，LED以其高光效、低能耗、长寿命的突出优势得到了全世界范围内的普遍运用，被认为是继火焰、白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯后的新型光源。

2　大功率LED封装设计流程

在LED产品家族中表面贴式SMD封装器件占有很大比例［3］，大功率LED是以SMD为基础封装的，在指示灯领域和照明领域都得到了广泛运用。SMD封装器件在体积、色域、散射角等方面具有突出优势，现阶段被广泛用于手机、计算机等电子设备显示器生产领域，需求量越来越大［4-5］。

2.1前期准备

在大功率LED封装过程中，前期准备工作是非常必要的，原材料的准备是其中重要一环，需要准备的原材料包括蓝光芯片、支架、荧光粉等，见表1。为了确保LED稳定性和安全性，在前期准备时需要抽检其样品，保证其品质。

表1　前期准备注意事项

2.2设计流程

综合来说，LED封装工艺大体上由芯片固晶、芯片焊线、荧光粉涂胶和烘烤4个重要环节构成。本文根据SMD在LED行业中封装工艺的应用现状，制定了初步的TOP SMD LED封装流程：

（1）固晶

固晶流程（见图1）起着将LED晶片用胶固定在热沉（即LED支架）上的作用。通常情况下，固晶胶应当在零下四十度的环境中进行保存，需要使用的时候，将绝缘胶吸入针筒之内，在正常温度下存放三十分钟，待胶醒之后将其置于固晶机胶盘进行自动化搅拌。

在扩晶的过程中，把晶片膜置于母环，将原来的间距0.1毫米扩大至0.6毫米。晶完成后进行固晶，在使用前用压缩空气对LED支架进行清洁，然后置于夹具中，编制流程。调控位置和固晶胶的用量。由于固晶绝缘胶反射能力很弱，能够吸收环境中的光，所以当固晶绝缘胶用量过多的时候会减少环境中光的通过量，太少则会对晶片粘稠度产生影响，通常情况下固晶绝缘胶的用量不应当大于晶片宽度的百分之三十五，不然会对LED光在环境中的空间分布产生很大影响。固晶之后需要烘烤固晶胶，烘烤温度为135摄氏度，烘烤时间为一个半小时。烘烤完成后等胶冷却时，检查固晶胶的固化情况，检查的方式为进行推力（大于一百克）测试，如图1所示。

图1　固晶流程

（2）金丝键合工艺

运用热压和力超声波（金球热压超声键合工艺）将LED支架上的键合和芯片电极对接，使产品的内外引线的衔接程序得以完成。

在电气放点系统释放出电火花的情况下，磁嘴外部伸出的金线部分会融化形成圆球形状，然后会沉降下来，降球星金属按压在LED支架镀银部位。当有适宜的压力产生和存在超声波、底板被加热的环境中，支架引线金属和镀银层两者都具有塑性，因此会发生一定程度的变形。第二焊点球完成之后，磁嘴会自动位移到芯片电极（第一焊点）的位置，放电将电极焊和金线对接，紧接着移动到芯片电极处完成扯线、送线，运用磁嘴外部表面施加按压力给金线，线弧会在热和超声效应共同作用下形成，然后扯线的过程中金线会断裂。

通常情况下，破坏测试和镜检是键合质量评定标准。前者主要测试金线拉力和金秋推力，金线的直径不同，拉力大小的最低值规定也不尽相同。后者用显微镜观察会出现弧线，这个时候要检测是否有焊点偏移和金球受受损的情况出现。

（3）荧光粉涂覆和烘烤

运用最普遍与最传统的荧光粉涂覆方法就是点胶涂覆法，点胶涂覆法最大的优点是利于规模化生产，且其生产简便，在当前应用最为广泛，但相对而言其精确控制方面难以达到高标准，以至于点胶涂覆法具有较差的重复性，此外产品的一致性受到沉淀的影响而不高。

荧光粉涂覆过程中通常情况下会出现大量气泡的问题。在大功率LED灯珠使用中受热会出现膨胀现象，空气和硅胶的膨胀系数不一样可能导致气体膨胀，进而产生硅胶弹性体被撕裂，如果气泡靠近金属甚至会使金丝断裂，所以大功率LED的稳定性和可靠性受到气泡存在的影响。硅胶和固晶胶的吸湿性造成的LED支架潮湿和搅拌过程中大量微小气泡的产生是气泡产生的主要原因。

（4）静电和存储管理

存储也是保障大功率LED可靠性和稳定性的重要阶段。大功率LED封装硅胶的吸湿属性会使空气中的水分渐渐渗透通过LED支架PPA和硅胶，氧化银层，使银层反射光的灵敏性降低。除此之外，还有一种化学元素有可能进入LED支架和正一价的银元素，今儿发生化学反应，这种元素就是银，最终产生黑色的Ag2S，LED支架镀银层反射光能力因为这种化学反应而大大降低，进而产生色温漂移和光衰现象。所以大功率LED灯珠保存的时候需要真空密封，存放环境的温度低于三十摄氏度，湿度低于百分之六十，环境中以及环境周边不能有硫元素的存在。当发现存储环境不具备这些要求的时候，将其置于烤箱中进行干燥处理，在低于八十摄氏度的烤箱中进行除湿处理。

3　大功率LED封装工艺的优化

3.1焊线工艺优化

在生产实践中，LED失效的原因中焊接不良占了很大比例，因此为了保障LED焊线质量，非常有必要对焊线工艺参数进行改进和优化。通过以上分析可知，温度对LED失效的影响最大，焊线压力和功率也不容忽视，时间的影响可以忽略不计。最理想的排列组合是A2B2C3D1，在生产中对这个组合进行验证，随机抽取三组二十个抽样样品进行试验，不合标准产品的个数分别为1、0、1，继续在最理想参数排列组合范围内进行很小的调整变化，会很容易得到高良率参数，避免了盲目的进行参数调整，生产率得到了大大提高。参数见表2所示。

表2　焊线工艺优化实验参数

导致键合不良和失效的原因有多种，例如空气灰尘污染、人体净化、存储不良等原因造成支架机物受到污染。同时管壳、金丝保管、存放不良，容易老化，金丝延展度和硬度均会产生改变。所以，对LED支架表层必要的清洁至关重要。

为了使LED金线键合的可靠性和稳定性得到提高，应当在其工艺之前运用增加一道等离子清洁工序。增加这一工序之后，经过生产实验发现，与没有这道工序相比，清洁后的芯片焊线和支架的拉伸韧性增加了百分之二十四。

3.2荧光粉涂覆工艺

过去的点胶涂覆法在很多方面都具有突出的优势。然而朗伯型是LED的光强分布类型，采用传统方法的时候，因为反射情况的变化影响，其光线在支架外缘的蓝光由于在穿透荧光粉层的时候几乎被全部吸收殆尽，所以光强较弱，导致LED颜色不均匀，出现黄晕。

在点胶涂覆工艺流程的基础上，运用反沉淀荧光粉涂覆工艺，LED荧光粉胶层会出现微微凸起的球面荧光粉层结构，在出光和减少荧光粉层的散射损失方面，这种结构的优势非常明显。除此之外，这种结构可以有效避免LED出现内蓝外黄的光圈，使其能够呈现出高品质的白光。

4　结束语

生产成本较高是我国大功率LED深入到室内照明市场的掣肘，产品制定统一标准对降低其生产成本方面具有重大的影响。因为我国将来的大功率LED研究开发工作应当将重心放在以下两个方面：第一，提高荧光粉涂覆技术的一致性和可重复性；第二，运用新型硅胶材料和荧光粉，使得大功率LED的可靠性和光色质量得到全面提高。

2014年广东省普通高校青年创新人才项目（2014KQNCX245）。

［1］陈明祥，罗小兵，马泽涛，刘胜. 大功率白光LED封装设计与研究进展［J］. 半导体光电，2016，06:653-658.

［2］白林，梁宏宝. 大功率白光LED路灯发光板设计与驱动技术［J］.发光学报，2012，04:487-494.

［3］赵紫薇，纪献兵，徐进良，薛强，张伟.大功率LED的寿命与散热技术的研究进展［J］. 微电子学，2013，02.

［4］陈超中等. 功率型LED光通维持寿命的预测［J］，中国照明电器，2010（8）.

［5］周一平.LED照明灯具的寿命分析［D］，湖南师范大学，2011.

Design and Optimization of High-Power LED Packaging Technology

Yongqiu Liu， Qiyan Yan
（Guangdong University of Science & Technology， Dongguan， Guangdong， 523083， China）

The outstanding advantage of High power LED is energy saving and brightness. High power LED is used more and more widely， such as squares， lawns and other environments.This paper describes the design of high-power LED packaging process， focus parameters， packaging technology，etc.，which provide a theoretical basis for the production of high-power LED based on Analysis and optimization measures.

High Power LED； Packaging Process； Design Optimization

严其艳（1981-），女，讲师，主要研究方向为大功率LED封装技术，神经网络技术，专家系统，数据采集。

TU113.8+4

A

2095-8412 （2016） 03-514-04

刘勇求（1980-），女，湖南湘潭人，汉，讲师，硕士，研究方面为智能仪器，广东科技学院机电工程系教师。

E-mail: banbianqiu@126.com