1、LED照明技术陕西科技大学陕西科技大学电气与信息工程学院电气与信息工程学院王进军王进军第六章 LED封装技术6.1 概述6.2 LED的封装方式6.3 LED封装工艺6.4 功率型LED封装关键技术6.5 荧光粉溶液涂抹技术6.6 封胶胶体设计6.7 散热设计概述概述概述概述LED的封装方式LED的封装方式一、LED封装的发展过程 LED的封装方式 常规小功率LED的封装形式主要有：；表面贴装式SMD LED；食人鱼Piranha LED；LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装方式LED的封装
2、方式PiranhaLED的封装方式 LED的封装方式 功率型LED是未来半导体照明的核心，LED的封装方式LED的封装方式 目前功率型LED主要有以下6种封装形式：沿袭引脚式 LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装LED的封装方式仿食人鱼式环氧树脂封装LED的封装方式铝基板（MCPCB）式封装LED的封装方式借鉴大功率三极管思路的TO封装LED的封装方式功率型SMD封装LED的封装方式L公司的Lxx封装LED封装工艺五大物料五大物料五大製程五大製程晶片支架固晶銀膠金線銲線環氧樹脂封膠切腳測試LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺 LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺 LED
3、封装工艺LED封装工艺手工刺片 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。 LED封装工艺自动装架 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。 LED封装工艺自动装架 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
4、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。 LED封装工艺烧结 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。 LED封装工艺烧结 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。 LED封装工艺压焊 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的压焊工艺有两种：金丝球焊铝丝压焊LED封装工艺压焊 1）铝丝压焊过程：先在LED芯片电极上压上
5、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。2）金丝球焊过程： 在压第一点前先烧个球，其余过程类似。 LED封装工艺压焊 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。LED封装工艺点胶封装 ：TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。 LED封装工艺点胶封装 点胶封装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） LE
6、D封装工艺点胶封装 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。 LED封装工艺灌胶封装 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。LED封装工艺模压封装 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。LED封装工艺固化与后固化 固化是指封
7、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。 LED封装工艺固化与后固化 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。LED封装工艺切筋和划片 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。LED封装工艺测试 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。 （15）包装 将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。LED封装工艺
8、LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺1. 选定食人鱼LED的支架 根据每一个食人鱼管子要放几个LED芯片，需要确定食人鱼支架中冲凹下去的碗的形状大小及深浅。LED封装工艺2. 清洗支架3. 将LED芯片固定在支架碗中4. 经烘干后把LED芯片两极焊好5. 根据芯片的多少和出光角度的大小，选用相应的模粒。 食人鱼LED封装模粒的形状是多种多样
9、的，有3mm圆头和5mm圆头，也有凹型形状和平头形状，根据出光角度的要求可选择相应的封装模粒。LED封装工艺6. 在模粒中灌满胶，把焊好LED芯片的食人鱼支架对准模粒倒插在模粒中。7. 待胶干后（用烘箱烘干），脱模即可8. 然后放到切筋模上把它切下来9. 接着进行测试和分选。LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺 光线由一种介质进入另一种介质时，入射光一部分被折射，另一部分被反射。 若光线由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2），当入射角（i1） 大于全反射临界角（ic）时，折射光线消失，光线全部
10、被反射。LED封装工艺 ic=Sin-1n2/n1 n2 n1，若n2与n1的数值相差越大，则全反射临界角（ic）越小，光线越容易发生全反射现象。LED封装工艺（2）正装的LED芯片 GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1）。 LED封装工艺（2）倒装的LED芯片 LED封装工艺（2）倒装的LED芯片 GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）蓝宝石（n=1.8）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1）； 采用倒装芯片封装的LED的出光效率比正装芯片要高。 LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺L
11、ED封装工艺 LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺 LED封装工艺LED封装工艺LED封装工艺 LED封装工艺（LED封装工艺功率型LED封装关键技术照明领域对半导体LED光源的要求 传统LED的光通量与白炽灯和荧光灯等通用光源相比，距离甚远。 LED要进入照明领域，首要任务是将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。 由于LED芯片输入功率的不断提高，对功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装关键技术照明领域对半导体LED光源的要求 针对照明领域对光源的要求，照明用功率型LED的封装面临着以下挑战： 更高的发光效率； 更高的
12、单灯光通量； 更好的光学特性（光指向性、色温、显色性等）； 更大的输入功率； 功率型LED封装关键技术照明领域对半导体LED光源的要求 更高的可靠性（更低的失效率、更长的寿命等）； 更低的光通量成本。 这些挑战的要求在美国半导体照明发展蓝图中已充分体现（见下表）。 我们可以通过改善LED封装的关键技术，来逐步使之实现。功率型LED封装关键技术照明领域对半导体LED光源的要求功率型LED封装关键技术提高发光效率1. 提高发光效率的途径 LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。 提高LED发光效率的主要途径有： 提高芯片的发光效率； 功率型LED封装关键技术提高发光效率1
13、. 提高发光效率的途径 将芯片发出的光有效地萃取出来； 将萃取出来的光高效地导出LED管体外； 提高荧光粉的激发效率（对白光而言）； 降低LED的热阻。 功率型LED封装关键技术提高发光效率2. 芯片的选择 LED的发光效率主要决定于芯片的发光效率。随着芯片制造技术的不断进步，芯片的发光效率在迅速提高。目前发光效率高的芯片主要有：HP公司的TS类芯片、CREE公司的XB类芯片、WB（wafer bonding）类芯片、功率型LED封装关键技术提高发光效率2. 芯片的选择ITO类芯片、表面粗化芯片倒装焊类芯片等等。 可以根据不同的应用需求和LED封装结构特点，选择合适的高发光效率的芯片进行封装。
14、功率型LED封装关键技术提高发光效率3. 出光通道的设计与材料选择 芯片选定之后，要提高LED的发光效率，能否将芯片发出的光高效地萃取和导出，就显得非常关键了。（1）光的萃取 功率型LED封装关键技术3. 出光通道的设计与材料选择 （1）光的萃取 由于芯片发光层的折射率较高（GaN n=2.4，GaP n=3.3），如果出光通道与芯片表面接合的物质的折射率与之相差较大（如环氧树脂为n=1.5）。 则会导致芯片表面的全反射临界角较小，芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用，相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部，造成萃光效率偏低，直接影响LED的发光效率。功率型LED封装关键技术3. 出
15、光通道的设计与材料选择 （1）光的萃取 为了提高萃光效率，在选择与芯片表面接合的物质时，必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。 采用高折射率的柔性硅胶作与芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。功率型LED封装关键技术（1）光的萃取 GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）蓝宝石（n=1.8）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1）； GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1） 采用倒装芯片封装的LED的出光通道折射率匹配比正装芯片要好，出光效
16、率更高。功率型LED封装关键技术提高发光效率3. 出光通道的设计与材料选择 （2）光的导出1）设计良好的出光通道，使光能够高效地导出到LED管体外反射腔体的设计； 透镜的设计； 出光通道中各种不同材料的接合界面设计和折射率的匹配尽可能减少出光通道中不必要的光吸收和泄漏现象。功率型LED封装关键技术提高发光效率3. 出光通道的设计与材料选择 （2）光的导出2）出光通道材料的选择： 高的透光率； 匹配良好的折射率； 抗UV、防黄变特性； 高的温度耐受能力和良好的应力特性。功率型LED封装关键技术提高发光效率4. 荧光粉的使用 就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。 首先要选
17、用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉； 其次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。功率型LED封装关键技术提高发光效率4. 荧光粉的使用 传统上将荧光胶全部注满反射杯的做法：（1）不但涂布均匀性得不到保障，（2）而且会在反射腔体中形成荧光粉的漫射分布，造成不必要的光泄漏损失，既影响光色的品质，又会使LED光效降低。功率型LED封装关键技术提高发光效率4. 荧光粉的使用 采用荧光粉薄膜式涂布可以解决上述问题： 功率型LED封装关键技术提高发光效率5. 热阻的降低 LED自身的发热使芯片的结温升高，导致芯片发光效率的下降
18、。 功率型 LED必须要有良好的散热结构，使LED内部的热量能尽快尽量地被导出和消散，以降低芯片的结温，提高其发光效率。功率型LED封装关键技术提高发光效率5. 热阻的降低 芯片结温（TJ）与环境温度（TA）、热阻（Rth）和输入功率（PD）的关系是： TJ=TA+RthPD 功率型LED封装关键技术提高发光效率5. 热阻的降低 在输入功率PD一定的情况下，热阻Rth的大小对结温的高低有很大的影响，也就是说，热阻的高低是LED散热结构好坏的标志。 采用优良的散热技术降低封装结构的热阻，将使LED发光效率的提高得到有效的保障。 功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 1. 调控光强的空间分
19、布 与传统光源相比，LED发出的光有较强的指向性，如果控制得当，可以提高整体的照明效率，使照明效果更佳。 如何根据照明应用的需要，调控LED的光强空间分布呢？功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 1.调控光强的空间分布 可以通过以下步骤来实现。清楚了解芯片发光的分布特点； 根据芯片发光的分布特点和LED最终光强分布的要求设计出光通道： 反射腔体的设计； 功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 1. 调控光强的空间分布 透镜的设计； 光线在出光通道中折射和漫射的考虑； 出光通道各部分的几何尺寸的设计和配合。 选择合适的出光通道材料和加工工艺。 功率型LED封装关键技术改善LED的光
20、学特性 2. 改善光色均匀性 目前最常用的LED白光生成的技术路线是 ：蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）。 该工艺方法，是将荧光粉与载体胶混合后涂布到芯片上。 功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 在操作过程中，由于：载体胶的粘度是动态参数；荧光粉比重大于载体胶而容易产生沉淀；以及涂布设备精度等因素的影响。 荧光粉的涂布量和均匀性的控制有难度，导致白光颜色的不均匀。功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 改善光色均匀性的方法有： 出光通道的设计； 荧光粉粒度大小的合理选择； 载体胶粘度特性的把握； 功率型LED封装关键技术改善LE
21、D的光学特性 2. 改善光色均匀性 改进荧光胶调配的工艺方法，防止操作过程中荧光粉在载体胶内产生沉降； 采用高精度的荧光粉涂布设备，并改良荧光胶涂布的方法和形式功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 白光LED色温的调控主要是通过：蓝色芯片波长的选定，荧光粉受激波长的匹配，和荧光粉涂布量、均匀性的控制来实现的。功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 基于蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）LED白光生成技术路线的机理和荧光粉的特性，早期传统的白光LED在高色温区域（5500K）里，色温的调控比较容易实现，显色性也较好（Ra80）。功
22、率型LED封装关键技术3. 改善色温与显色性 在照明应用通常要求的低色温区域（2700K5500K），传统白光LED的色温调控较难，显色性也不佳（Ra80），与照明光源的要求有一定的差距。 即使可以生成低色温的白光，其色坐标也偏离黑体辐射轨迹较远（通常是在轨迹上方），使其光色不正，显色性差。功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 要解决这一问题，关键是荧光粉的改良，可以通过添加红色荧光粉，使LED发出的白光的色坐标尽量靠近黑体辐射轨迹，从而改善其光色和显色性。 目前改善白光LED在低色温区的显色性的主要方法有4种：功率型LED封装关键技术改善LED的光学特性 3.
23、 改善色温与显色性 尽量选用短波长的蓝色芯片（D460nm）； 分析白光LED发光谱线的缺陷，选用含有可以弥补这些缺陷的物质的合适的荧光粉； 改善荧光粉的涂布技术，保证荧光粉得到充分而均匀的激发； 采用其它具有显色性优势的白光生成技术路线。功率型LED封装关键技术提高LED的单灯光通量和输入功率 目前LED的单灯光通量偏小，独立应用于照明有较大的局限； 其输入功率也偏小，需要较多的外围应用电路配合。 LED要进入照明领域，必须提高LED的单灯光通量和输入功率。 功率型LED封装关键技术提高LED的单灯光通量和输入功率 提高LED的单灯光通量和输入功率的途径有： 1. 在输入功率一定的前提下，提
24、高LED的发光效率是获取更大单灯光通量的最直接的途径；2. 采用大面积芯片封装LED，加大工作电流，可以获得较高的单灯光通量和输入功率； 功率型LED封装关键技术提高LED的单灯光通量和输入功率 3. 采用多芯片高密度集成化封装功率型LED，是目前获得高单灯光通量和高输入功率的最常用方法。 在以上3种途径中，散热技术是关键。提高LED的散热能力，降低热阻，是提高LED的单灯光通量和输入功率得以实现的根本保障。 功率型LED封装关键技术降低LED的成本 价格高是半导体LED进入照明领域的最终瓶颈。就封装技术而言，LED要降低成本，必须解决以下五个问题： 成熟可行的技术路线； 简单可靠、易于产业化
25、生产的工艺方法；通用化的产品设计；功率型LED封装关键技术降低LED的成本 高的产品性能和可靠性； 高的成品率。六、改善LED的可靠性 在实际应用中，人们普遍关注的LED可靠性问题主要有：死灯、光衰、色移、闪烁和寿命等等。荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术（荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术荧光粉溶液涂抹技术 荧光粉溶液涂抹技术封胶胶体设计封胶胶体设计封胶胶体设计封胶胶体设计封胶胶体设计封胶胶体设计封胶胶体设计散热设计散热设计 散热设计散热设计 散热设计散热设计 散热设计散热设计散热设计散热设计2. 散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计 散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计散热设计
