大功率LED封裝工藝分析！-----深圳封裝廠
大功率LED光源光有好芯片還不夠，還有合理的封裝。要有高的取光效率的封裝結(jié)構(gòu)，而熱阻盡可能低，從而光電的性能及可靠性。
一、LED光源封裝工藝
    由于LED的結(jié)構(gòu)形式不同，封裝工藝上也有一些差別，但關(guān)鍵工序相同，LED封裝主要工藝有：固晶→焊線→封膠→切腳→分級→包裝。
 二、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)
 1、封裝技術(shù)的要求
   大功率LED封裝涉及到光、電、熱、結(jié)構(gòu)和工藝等方面，這些因素既立又影響。光是封裝的目的，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，熱是關(guān)鍵，性能是封裝水平的具體體現(xiàn)?？紤]到工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本，應(yīng)同時進行LED封裝設(shè)計與芯片設(shè)計，否則，芯片制造完成后，可能因封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，將可能延長產(chǎn)品研發(fā)的周期和成本，甚至會不能實現(xiàn)量產(chǎn)。
 2、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱技術(shù)
  LED的光電轉(zhuǎn)換效率僅為20%～30%，輸入電能的70%～80%轉(zhuǎn)變成了熱量，芯片的散熱是關(guān)鍵。小功率LED封裝一般采用銀膠或絕緣膠將芯片黏接在反射杯里，通過焊接金絲(或鋁絲)完成內(nèi)外連接，后用環(huán)氧樹脂封裝。封裝熱阻高達150～250℃/W，一般采用20mA左右的驅(qū)動電流。大功率LED的驅(qū)動電流達到350mA、700mA甚至1A，采用傳統(tǒng)直插式LED封裝工藝，會因散熱不良導致芯片結(jié)溫上升，再加上強烈的藍光照射，環(huán)氧樹脂很容易產(chǎn)生黃化現(xiàn)象，加速器件老化，甚至失效，迅速熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成開路而死燈。大功率LED封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的是改善散熱性能，主要包括芯片結(jié)構(gòu)形式、封裝材料(基板材料、熱界面材料)的選擇與工藝、將導電與導熱路線分開的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，比如：采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、減薄襯底或垂直芯片結(jié)構(gòu)的芯片，選用共晶焊接或高導熱性能的銀膠、采用COB技術(shù)將芯片直接封裝在金屬鋁基板上、增大金屬支架的表面積等方法。
 3、光學設(shè)計技術(shù)
  不同用途的產(chǎn)品對LED的色坐標、色溫、顯色性、光強和光的空間分布等要求不同。為提高器件的取光效率，并實現(xiàn)更優(yōu)的出光角度和配光曲線，需要對芯片反光杯與透鏡進行光學設(shè)計。大功率LED通常是將LED芯片安裝在反射杯的熱沉、支架或基板上，反射杯一般采用鍍高反射層(鍍Ag或Al)的方式提高反射效果，大功率LED出光效率還受模具精度及工藝影響很大，如果處理不好，容易導致很多光線被吸收，無法按預(yù)期目標發(fā)射出來，導致封裝后的大功率LED發(fā)光效率偏低。
 4、灌封膠的選擇
  灌封膠的作用有兩點：(1)對芯片、金線進行機械保護;(2)作為一種光導材料，將更多的光導出。封裝時，LED芯片產(chǎn)生的光向外發(fā)射產(chǎn)生的損失主要有：(1)光子在LED芯片出射界面由于折射率差引起的反射損失(即菲涅爾損失);(2)光學吸收;(3)全內(nèi)反射損失。因此，在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明光學材料，可以減少光子在界面的損失，提高出光效率。常用的灌封膠有環(huán)氧樹脂和硅膠。環(huán)氧樹脂黏度低、流動性好、固化速度適中，固化后無氣泡、表面平整、有很好的光澤、硬度高，防潮防水防塵性能佳，耐濕熱和大氣老化，成本較低，是LED封裝。硅膠具有透光率高、熱穩(wěn)定性好、折射率大、吸濕性低、應(yīng)力小等特點，優(yōu)于環(huán)氧樹脂，但成本較高。小功率LED一般選用環(huán)氧樹脂封裝，大功率LED內(nèi)部通常填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因照射高溫或紫外線出現(xiàn)老化變黃，也不會因溫度驟變而導致器件開路的現(xiàn)象，通過提高硅膠折射率，可減少菲涅爾損失，提高出光效率。
 5、熒光粉涂敷量和均勻性控制技術(shù)
  大功率白光LED的發(fā)光效率和光的質(zhì)量與熒光粉的選擇和工藝過程有關(guān)。熒光粉的選擇包括激發(fā)波長與芯片波長的匹配、顆粒大小與均勻度、激發(fā)效率等。熒光粉涂覆根據(jù)藍光芯片的發(fā)光分布進行調(diào)整，使混出的白光均勻，否則會出現(xiàn)藍黃圈現(xiàn)象，嚴重的會影響光源質(zhì)量，激發(fā)效率也會大幅下降。熒光粉與膠體的混合配方及涂膠工藝是LED光色在空間分布均勻和一致性的關(guān)鍵。將熒光粉與膠按一定配比混合后涂到芯片上，在LED芯片上方形成半球狀。這種分布會使光色的空間分布不均勻，有黃圈或藍圈。另外，在熒光粉涂敷過程中，由于膠的黏度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于膠產(chǎn)生沉淀，使熒光粉的涂敷量控制增加了更多變數(shù)，容易導致白光的光色空間分布不均勻。
 三、大功率LED封裝的可靠性分析
 1、靜電對LED芯片造成的損傷
   瞬間的電場或電流產(chǎn)生的熱使LED局部受損傷，表現(xiàn)為漏電流迅速增加，有時雖能工作，但亮度降低或白光變色，壽命受損。當電場或電流擊穿LED的PN結(jié)時，LED內(nèi)部完全破壞造成死燈。在LED封裝生產(chǎn)線，所有設(shè)備都要求接地，一般接地電阻為4Ω，要求高的場所接地電阻為≤2Ω。LED應(yīng)用流水線設(shè)備和人員接地不良也會造成LED損壞。按照LED使用手冊標準規(guī)定，LED引線距膠體應(yīng)不少于3～5mm進行彎腳或焊接，但大多數(shù)應(yīng)用企業(yè)做不到，僅相隔一塊PCB板的厚度(≤2mm)進行焊接，也會對LED造成損害。過高的焊接溫度使芯片特性變壞，降低發(fā)光效率，甚至死燈。尤其是一些小企業(yè)采用40W普通烙鐵手工焊接，無法控制焊接溫度，烙鐵溫度一般在300℃～400℃，LED引線高溫膨脹系數(shù)比150℃左右的膨脹系數(shù)高幾倍，內(nèi)部的金絲焊點會因熱脹冷縮將焊接點拉開，造成死燈。
 2、LED器件內(nèi)部連接線開路
  支架排的優(yōu)劣是影響LED性能的關(guān)鍵。支架排采用銅或鐵經(jīng)精密模具沖壓而成，由于銅材較貴，大多采用冷軋低碳鋼沖壓LED支架排，鐵支架排鍍銀。鍍銀的作用有兩點：(1)防止氧化生銹;(2)方便焊接。因為每年都有一段時間空氣濕度大，容易造成電鍍差的金屬件生銹，使LED元件失效。封裝好的LED會因鍍銀層太薄而附著力不大，焊點脫離支架造成死燈。另外，封裝的每道工序嚴格操作，任何環(huán)節(jié)的疏忽都會造成死燈。
   固晶工序，膠量恰到好處，固晶膠點不能過多或過少，多點了膠會返到芯片金墊上造成短路，而少點了膠芯片黏不牢，散熱性能變差。
   焊接工序，要適當配合金絲球焊機的壓力、溫度、時間、功率參數(shù)，一般固定時間，而調(diào)節(jié)其他三個參數(shù)。應(yīng)適中調(diào)節(jié)壓力，過大易壓碎芯片，太小又易虛焊。焊接溫度一般在280℃。功率調(diào)節(jié)是指超聲波功率調(diào)節(jié)，過大過小都不好，以適中為度。金絲球焊機參數(shù)的調(diào)節(jié)，以焊接好的材料用推拉力機檢測不小于10g為合格。
 3、大功率LED可靠性測試與評估
  大功率LED器件與封裝結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的失效模式有光失效(如灌封膠黃化、光學性能劣化等)、電失效(如短路斷路)和機械失效(如引線斷裂、脫焊等)。以平均失效時間定義LED的使用壽命，一般指LED的輸出光通量衰減為初始值的70%的使用時間(用于顯示屏一般為初始值的50%)。通常采取加速環(huán)境試驗的方法進行可靠性測試和評估，測試內(nèi)容包括高溫儲存(100℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85%，1000h)、低溫儲存(-55℃，1000h)、高低溫循環(huán)(85℃～-55℃)、冷熱沖擊、抗溶性、耐腐蝕性、機械沖擊等。
 四、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求
   在固態(tài)照明領(lǐng)域的應(yīng)用LED對大功率白光LED封裝提出新的挑戰(zhàn)，在提高散熱效率、驅(qū)動控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計方面也有大的提升空間。
 1、進一步提升發(fā)光效率
  LED的理論發(fā)光效率達到300lm/W以上，目前試驗室大功率白光LED的發(fā)光效率超過150lm/W，而量產(chǎn)、的大功率白光LED發(fā)光效率僅在70～100lm/W左右，沒有充分發(fā)揮出節(jié)能優(yōu)勢。因此，發(fā)光芯片的效率有待提高，還要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料技術(shù)及工藝技術(shù)等方面入手，完善封裝工藝。
 2、進一步提升光譜質(zhì)量
  人眼習慣于太陽發(fā)出的連續(xù)光譜的光，目前白光LED光譜的不連續(xù)性，尤其是熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED存在色溫偏高、顯色性不高等問題。開發(fā)高顯指和寬光譜的LED光源，滿足照明對光源質(zhì)量的高要求。
 3、進一步提高光色一致性
 大功率白光LED需要保持良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性，不能衰減過快，也不能因為長時間使用，白光顏色發(fā)生黃變影響光色質(zhì)量。
 4、進一步降低成本
 
LED燈具市場化價格是關(guān)鍵。目前大功率LED室內(nèi)照明燈具光源部分占成本較大比重，初次購買成本約為傳統(tǒng)照明燈具的5～10倍。采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，降低大功率LED的單位流明成本。
   總之，LED封裝是一門涉及光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等多學科的研究課題。我國每年智能照明產(chǎn)品的需求超過100萬盞，目前已有“智慧城市”試點193個，通過與數(shù)字、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的結(jié)合，智能化照明緊隨智慧城市的建設(shè)而大放異彩。采用新思路、新工藝、新材料來改進大功率白光LED的封裝，發(fā)揮出LED光源節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等性，才能真正帶來一場照明產(chǎn)業(yè)革命LED鍍銀支架（LED燈腳）使用注意事項！
為了減少led鍍銀支架在倉儲及使用中的不良，在使用方便的同時，請關(guān)注以下事項：
     1、  LED鍍銀支架是功能性的電鍍，我們注重的是可焊性及銀鍍層導電的良好性，其次是支架的抗氧化性等功能。
      2、  銀鍍層化學性質(zhì)：單質(zhì)銀在常規(guī)狀態(tài)下化學性質(zhì)表現(xiàn)穩(wěn)定，同水及空氣中的氧極少發(fā)生化學反應(yīng)，但遇到硫化氫、氧化合物、紫外線照射，酸、堿、鹽類物質(zhì)作用則極易發(fā)生化學反應(yīng)，其表現(xiàn)為銀層表面發(fā)黃并逐漸變成黑褐色。雖然我司對電鍍后的LED支架對鍍銀層進行微弱的有機保護處理，但其抗變色性能依然很弱，所以，在支架不走生產(chǎn)流程操作時，請密封保存。
        3、  倉儲使用中注意事項：
a、  在未打開包裝的條件下，倉儲放置條件：25℃以下，相對濕度<65%以下； b、  LED鍍銀支架的包裝一旦打開，請注意以下事項： 1請勿用徒手接觸支架。徒手接觸支架，汗液會附著于支架表面，后續(xù)存放或烘烤中將加速支架鍍層變色氧化及支架基體生銹氧化，若徒手接觸支架功能區(qū)，其焊線效果極差； 2作業(yè)環(huán)境應(yīng)保持恒定，控制于25℃以下，相對濕度<65%以下，以防止支架氧化生銹； 3在晝夜溫差時，應(yīng)盡量減少作業(yè)環(huán)境中的空氣流動，長時間不作業(yè)的支架應(yīng)采用不含硫框、箱予以密封保護； 4LED支架在烤箱內(nèi)，在維持烤箱正常運行下，其排氣口盡量關(guān)閉； 5在低溫季節(jié)，要盡量減少裸支架在流程中的存放時間，因為環(huán)境溫度較低時，大氣氣壓同時偏低，空氣污染指數(shù)較高，日常工作所產(chǎn)生的廢氣難以散發(fā)，而容易與銀發(fā)生化學反應(yīng)導致變色。 6封裝完畢的產(chǎn)品應(yīng)盡快鍍錫處理（含全鍍品），否則容易出現(xiàn)引線腳氧化，導致外觀不良及焊錫不良； 7由于助焊劑呈酸性，因此產(chǎn)品焊錫以后需清洗干凈表現(xiàn)殘留物質(zhì)，否則將在較短的時間出現(xiàn)氧化生銹。
        4、  為使用的支架堆放需不超過四層，防止重力擠壓變形；搬運過程中應(yīng)輕拿輕放；拆開包裝時應(yīng)用刀片劃開粘膠帶。
        5、  由于支架沖壓模具是機械配合，須定期維護模具，以支架的機械尺寸在圖紙公差范圍內(nèi)。為了貴司作業(yè)順暢，請做好支架的分批管制，以減少不同批支架的偏差： a、  確認包裝箱上封箱色帶及生產(chǎn)日期編號，兩者能統(tǒng)一則以同批投料，否則請分開投料； b、  檢驗時，請勿混放不同批次的產(chǎn)品； c、  不同時間進料的支架盡量分開使用。
       6、  成品后的保存環(huán)境同3-a要求，但由于銅材材質(zhì)的變化，很難少年宮BAR切口處不生銹。所以，為了提司的產(chǎn)品檔次，建議采用半鍍支架，封裝后的半成品再做鍍錫保護。插件LED發(fā)光二極管種類劃分？
LED產(chǎn)品分類很多，我們簡單地來看看分類方法。LED根據(jù)發(fā)光管發(fā)光顏色、發(fā)光管出光面特徵、發(fā) 光管結(jié)構(gòu)、發(fā)光強度和工作電流、芯片材料、功能等標準有不同的分類方法。下面簡單介紹種分 類方法。
      1、根據(jù)發(fā)光管發(fā)光顏色分類
      根據(jù)發(fā)光管發(fā)光顏色的不同，可分成紅光、橙光、綠光（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。 另外，有的發(fā)光二極管中包含 2 種或 3 種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有 色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類 型。
      2、根據(jù)發(fā)光管出光面特徵分類
     根據(jù)發(fā)光管出光面特徵的不同，可分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。
圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm 的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：
（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為 5°～20° 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。
（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為 20°～45°。
（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為 45°～90°或更大，散射劑的量較大。
3、根據(jù)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分類
根據(jù)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，可分為全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等。
4、根據(jù)發(fā)光強度和工作電流分類
根據(jù)發(fā)光強度和工作電流，可分為普通亮度LED（發(fā)光強度<10mcd）、高亮度led（10～100mcd）>100mcd）。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED 的工作電流在 2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。
5、按功率分:有小功率LED(0.04-0.08W),中功率LED(0.1-0.5W),大功率LED(1-500W), 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,LED的功率越做越大.