一、大功率LED封装技术

1、大功率LED和普通LED技术工艺上的不同

大功率LED是LED节能灯的一种，相对于小功率LED来说，大功率LED的单颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率LED额定电流都是20mA，额定电流大于20mA的基本上都可以算作大功率。大功率的亮度单位为lm（流明），小功率的亮度单位一般为mcd。

1）  大功率LED目前的分类标准由三种：第一种是按功率大小分，封装成型后按功率不同分类；第二种可以按封装工艺不同分类；第三种是按光衰程度不同分类。

2）  大功率LED封装由于结构和工艺复杂，直接影响到LED的使用性能和寿命，其主要功能包括：机械保护、加强散热、光学控制、供电管理。

2、大功率LED封装的关键技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，其中光是目的、热是关键、电结构与工艺是手段、而性能是封装水平的具体体现，具体而言大功率LED封装的关键技术包括以下几个方面：

1）  低热阻封装技术：改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热，因此晶片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要；

2）  大功率LED封装电极形式和衬底减薄技术：加大芯片尺寸法、硅衬底倒装法、陶瓷基板倒装法、蓝宝石衬底倒装法（机械研磨抛光减薄法、激光剥离的方法LLO、丰田方法TG）、AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法

3）  阵列封装与系统集成技术

a.LED封装技术和结构发展过程：Lmap—SMT—COB—SiP

b.板上晶片直装式（COB）封装，需要考虑散热问题（晶片排列面积、晶片间距、晶片耐高温性），光学设计（一次光学设计、二次光学设计）及可靠性；

c.系统封装式（SiP）LED封装，其核心技术为超低热阻基材和嵌入式被动组件设计及制作；

d.陶瓷可变电阻基板新型封装技术。

3、大功率LED封装工艺流程：进料—料检—固晶—焊线—点荧光粉—烘烤—看外观—热测—切单粒—分光分色—包装—QA—入库—出库

4、大功率LED的晶片装架

1）装架基础

目的：用银胶将芯片固定在支架的载片区上，使芯片和支架形成良好的接触；

技术要求：芯片必须四周包胶，银胶高度不得超过芯片高度的1/3，芯片要放置平整，无缺胶、粘胶、装反、芯片无损伤、沾污；

工艺要求：物料需正确存放和使用。

2）装架设备：自动装架机台，需注意吸嘴和点胶头的选择。

5、大功率LED的封装固晶

固晶基础、灌胶设备、固晶机设备

6、提高LED固晶品质六大步骤：

1）严格检测固晶站的LED原物料

2）减少不利的人为因素

3）保证不会出现机台不良；

4）执行正确的调机方法；

5）掌握好制程；

 

 

6）保持环境符合要求。

7、大功率LED的封装焊线：

压焊的目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种，对铝丝压焊的过程是：先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。

8、大功率LED封装的未来

1）在未来大功率阵列式组装方式上，SMD和COB要共存很长一段时间；

2）LED真空包装印刷封装技术；

3）几种典型大功率封装： 产品形式（传统直插式、仿食人鱼式、铝基板封装式、TO封装、贴片式SMD、Emitter式、灯泡式）；芯片组合（单芯片、多芯片）；透镜封装（环氧树脂封装、光学硅胶直接灌封、光学透镜+柔性光学硅胶灌封、软性光学硅胶模压成型）。

 

二、大功率LED装架、点胶、固晶操作规范工艺卡

此处重点摘录导电胶的使用规范：

1、导电胶的使用规范

1）领取时间：在剩余最后一支针筒时领取新的原装导电胶；

2）分装过程：

a.从仓库领来的导电胶，放在室温下进行回温后，把瓶子上产生的水汽用干净的无尘布擦净；打开瓶盖，用专用搅拌工具沿同一方向搅拌约10min后，先分装进针筒（依生产需要，每次分装允许的数量小于等于7针筒）；其余的导电胶分装进罐装容器（A\B\C三罐），等待下一次的分装；分装完成后必须立即送进0-5度冰箱保存，做好记录。

b.搅拌工具用完后及时清洗，清洗时可先用包装支架的白纸擦去大部分的粘结胶，后放在超声波内用丙酮进行超声波清洗5min，晾干后待下一次使用。

3）分装后的状态标识：

a.分装进罐装容器、针筒后，须采用皱纹胶布在罐装容器，针筒上做状态标识。标注型号、有效期（指原装容器上标识的材料有效期），罐装容器序号(A\B\C)/针筒序号；

b.导电胶在小于5度的储存条件下，必须于1个月内用完，回温次数不得多于5次。

4）分装后的使用：

a.分装进针筒的导电胶在冰箱中放置时须指定人员每天旋转针筒180度，且非指定人员不得打开冰箱；由指定人员从冰箱中取出分装进针筒的导电胶，按工艺要求进行醒料，统一发给机台操作人员待用或加入机台胶盘；

b.醒料：生产使用时，针筒应垂直放置进行回温；且须待导电胶回温30min后，方能使用；

c.每次加胶动作完成后，针筒必须立即放回0-5度冰箱保存；非装架使用的，未过期失效的导电胶不用时也应及时放入并行存储。

5）使用注意事项：

a.连续使用时，必须2天清洗一次胶盘；

b.无法连续使用时，每次添加的胶量应能在18h内用完，若用不完或停用18h以上，须清洗胶盘；

c.银胶一天使用完一支针筒（5ml），未使用完的不再用于装架，只供第二天点胶使用；

d.使用完的针筒，不再放回冰箱，由专人统一回收，交厂统一进行处理

 

三、白光LED封装技术

1、白光LED光效飞跃的历程和电光转换效率极限：

1）白光LED光效飞跃的历程：

◆2006年6月日亚化学发布光效100lm/W的白色LED；

◆2006年7月Cree开发出光效率达到131100lm/W的白光LED；

◆2006年12月日亚化学白色LED发光效率增至150lm/W；

◆2006年12月首尔半导体单芯片白光LED光效达100lm/W；

◆2006年12月艾笛森芯片白光LED最高亮度250lm；

◆2007年2月CAO Group Dynasty系列LED光效达100lm/W；

◆2007年8月欧司朗发布光效达85lm/W的红色及橙色系LED；

◆2007年9月西铁城电子开发出540lm照明用白色LED；

◆2007年9月日亚化学发布350mA时光效134lm/W高功率白色LED；

◆2008年5月日本LED照明推进协会修改普通照明用白光LED开发蓝图；

◆2008年7月东芝将上市光通量为90lm的白色LED；

◆2008年10月Cree发布光效达157lm/W的白色LED；

◆2009年12月Cree发布光效达186lm/W的白色LED；

◆2010年1月Cree发布光效达208lm/W的白色LED；

◆目前中国大陆LED封装企业近2000家，大部分厂家的白光LED光效达到120lm/W以上。

2）白光LED电光转换效率极限：电能全部转换为光能的电光转化效率是330lm/W，暖白色的光效会稍低，也就是说，一颗完美的1W白光LED，在357mA电源驱动下，正向压降为2.8V，发光通量为330lm（电能全部转换为光能的当量）。

2、白光LED发光原理及技术指标

1）白光LED发光原理：

a.多色芯片白光LED（三色芯片RGB、四芯片BGRY）

b.双色芯片白光LED（B+Y、B+YG、BG+Y芯片）

c.蓝色单芯片+荧光粉白光LED（InGaN蓝芯片+黄荧光粉YAG、InGaN蓝芯片+红荧光粉+绿荧光粉）

d.紫外单芯片+红、绿、蓝荧光粉白光LED；

e.黄LED+ZnSe单结晶基板白光LED；

f.光子晶体白光LED；

g.无荧光粉量子阱白光LED。

2）白光LED特殊的技术指标：光通量、发光效率、色温、显色指数、稳定性、寿命。

3、白光LED的工艺流程和制作方法

蓝光芯片—工艺说明—固定芯片—焊线—灌胶—LED的生产环境—烘烤芯片—涂覆荧光粉

4、大功率白光LED的制作

1）自动喷胶设备；

2）大功率白光LED的三个通道：电流通道、出光通道、热通道。这三个通道能否设计好，对于大功率LED来说是至关重要的。

3）大功率白光LED的评价

a.经过一段时间连续点亮，它的光通量衰减曲线是怎样的？反向漏电有什么变化？色温有什么变化？

b.大功率白光LED的色温分布是怎样的？光强的分布情况是怎样的？

c.热阻大小是多少？

5、白光LED的可靠性及使用寿命

1）影响白光LED寿命的主要原因：芯片的导热性、芯片的抗静电性、芯片的抗浪涌电压和电流；

2）工艺流程对白光LED寿命的影响：封装方法、pn结的工作温度。

 

四、大功率和白光LED封装材料

1、大功率LED支架

1）大功率LED支架的结构

2）大功率LED支架使用注意事项：

◆LED镀银支架的电镀要求；

◆镀银层化学性质；

◆仓储使用中注意事项；

◆支架放置注意事项；

◆支架的分批管理。

2、大功率LED的散热基板

1）LED结温与发光效率及寿命的关系；

2）LED散热基板的分类：

a.系统电路板；

b.LED晶粒基板：厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、薄膜陶瓷基板

3）常用封装材料的技术指标；

4）大功率LED金属基散热基板：

a.铝基板：一般用于1-5W大功率LED的封装上，功率再大LED如采用铝基板，因热膨胀系数大有导致晶粒脱落的危险。

铝基板生产工艺：制作底片—备料—制图形—蚀刻—表面处理（浸Sn）—印字符—机加—检验—包装。

铝基板的特点：绝缘层薄热阻小、无磁性、散热好、机械强度高

b.铜基散热基板

c.陶瓷散热基板

◆LED陶瓷散热基板介绍：厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷基板、薄膜陶瓷基板；

◆国际大厂LED产品发展趋势：低温共烧多层陶瓷LTCC、高温共烧多层陶瓷HTCC、直接接合铜基板DBC(Direct Bonded Copper)、直接镀铜基板DPC（Direct Plate Copper）

◆陶瓷散热基板特性

3、  大功率LED封装用硅胶：

1）道康宁LED硅胶

◆道康宁OE6351硅胶—大功率LED灌模条胶水；

◆道康宁OE6250硅胶—大功率LED灌透镜胶水；

◆道康宁JCR6175硅胶—大功率LED混荧光粉胶水；

◆道康宁OE6550硅胶—大功率LED混荧光粉胶水；

◆道康宁EG6301硅胶—贴片SMD封装胶水；

◆道康宁大功率LED硅胶6865M/N。

2）信越LED硅胶

◆大功率用硅胶SCR-1012、SMD TOP VIEW SCR-1012/1012B-R/1016、HIGH POWER KER-2500 KER6100 KER3000-M2、LED的固晶 SMP2800；

◆Lamp两引线直插式：SCR-1012、KER-3000-M2；

◆SMD用硅胶: SCR-1012/1012B-R/1016、KER-2500LV；

◆High Power（大功率）：KER6200、KER-2500、 KER6100、KER-3200-T1。

4、大功率芯片

1）芯片厂商

◆大陆LED芯片厂商：三安光电、上海蓝光、士兰明芯、大连路美、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、浪潮华光、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪星源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电、乾照光电、晶达光电、深圳方大、上海蓝宝；

◆台湾LED芯片厂商：晶元光电、联铨、元坤、连勇、国联、广镓光电、新世纪、华上、泰谷光电、奇力、钜新、光宏、晶发、视创、洲磊、联胜、汉光、光磊、鼎元、翟富洲技、灿圆、联鼎、全新光电、华兴、东贝、光鼎、亿光、佰鸿、今台、菱生精密、立基、光宝、宏齐；

◆国外LED芯片厂商：惠普、科锐、日亚化学、丰田合成、大洋日酸、东芝、昭和电工、Lumileds、旭明、Genelite、欧司朗、GeLcore、首尔半导体、普瑞、韩国安萤火Epivalley。

2)部分厂商几种大功率LED芯片参数。

5、白光LED荧光粉

1）概述：LED荧光粉近几年发展非常迅速，美国GE公司持有多项专利，国内也有一些专利报道。蓝光LED激发的黄色荧光粉基本上能满足目前白光LED产品的要求，但还需要进一步提高效率，降低粒度，最好能制备出直径3-4nm的球形荧光粉；

2）化学成分及特性；

3）LED荧光粉的应用：

◆实现白光发射

◆利用某波段LED发光效率高的优点制备其它波段LED；

◆将发光波长有误差的LED重新利用；

◆让LED光色更柔和、鲜艳。

 

一、LED的特点

1、发光效率高：白炽灯、卤钨灯—12～24lm/W；荧光灯50～70lm/W；钠灯90～140lm/W；改良LED灯50～200lm/W。

2、耗电量少：同样照明效果前提下，耗电量LED是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。

3、使用寿命长：5～10年。

4、安全可靠性强：发热量低、无热辐射、冷光源。

5、有利于环保：易安装维护、易回收、节能。

 

二、LED的发光原理

1、LED简述：LED(Light Emitting Diode)是发光二极管的英文简写，是自发辐射的的发光器件，可以发射紫外光、可见光和红外光。其发光原理是电激发光。

2、LED的基本特性：

1）构造坚固，不易破损：经环氧树脂封装，经高温烘烤，硬度极高；

2）信赖度好，使用寿命长：电子与空穴结合发光，不易发热，故寿命长；

3）操作电流及电压低，消耗功率小，省电：由电转换成光之效率高，故耗电量极低；

4）反应速度快，传导性好，容易配合高频驱动：放电性发光，点亮、关灯速度快；

5）体积小：可根据客户不同要求采用不同模条封装，甚至可成形极小表面型、薄型及轻量化产品；

6）可回收，产品符合环保要求：产品不易碎，故对环境不会造成影响；

7）可选择多种不同的颜色及外观：可配合多种不同色剂并按不同比例调配颜色。

3、LED的发光原理：

1）认识发光二极管LED

a.LED在电子线路中的符号；

b.半导体PN结和发光原理；

c.无机半导体材料发光二极管及发光颜色；

d.二极管的结构；

2）半导体材料的能带和LED的发光条件：

a.半导体的能带：不是所有的半导体材料都能发光，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料，只有直接带隙材料才能发光。直接带隙材料电子可在导带带底垂直跃迁到价带带顶，它在导带和价带中具有相同的动量，发光效率高。

b.制造LED的发光条件：

◆化合物半导体晶体的禁带宽度要能够用来获得所希望的发光波长；

◆发光材料能容易制成PN二极管，多个结层的晶格常数要匹配，做成所谓DH层（Double Hetero Layer），但两侧晶格常数必须一致；

◆以禁带宽度的材料夹着活性层发光区域的两侧，活性层的带隙比覆面层的带隙小，活性层的折射率比覆面层的折射率大，所发光很容易由内部出射；

◆能有稳定的物理及化学结构。结晶的离子性高，禁带带宽比较大，熔点也较高，所成的化合物半导体晶体材料能在较高温度环境下工作；

◆有直接迁移带或间接迁移带的晶体。发光区域多为直接迁移带隙材料，其有较高的发光效率，电子（空穴）的移动度也比间接迁移带隙材料要高。

 

三、LED系列产品介绍

1、LED产业分工：

a.上游：晶圆：单晶棒—单芯片—结构设计—垒芯片（成品：单芯片、垒芯片）（LPE液相垒晶成长法，Liquid Phase Epitaxy；VPE气相垒晶成长法，Vapor Phase Epitaxy；MOVPE/MOCVD有机金属气相垒晶法，Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）

b.中游：制程：金属蒸镀—光罩蚀刻—热处理（p、n电极制作）—切割—崩裂成品（晶粒）

c.下游：封装：点胶固晶—焊线—灌胶—切脚测试—分光—包装（LED应用：灯泡lamp、数字/字符、表面粘贴、点矩阵型、集束型、模块）

2、LED封装分类：LED依发光波长可分为可见光（波长380～780nm）与不可见光（红外线和紫外线）LED（波长850nm～1550nm和波长小于390nm）。

 

四、LED的发展史和前景分析

1、LED的发展史：

1）1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象，由于其发出的黄光太暗并摒弃了研究；

2）20世纪20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光，再一次因为发光暗淡而停止；

3）1936年，George Destiau发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告，随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语；

4）20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。第一个商用    LED只能发出不可见的红外光，但迅速应用于感应与光电领域；

5）20世纪60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED，磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至发出橙色的光；

6）70年代中期，磷化镓被用作发光光源，随后就发出了灰白绿光，双层磷化镓发出黄色光，金刚砂发出黄光及绿色光；

7）80年代早期到中期对砷化镓、磷化铝的使用使得第一代高亮度LED诞生，先是红色、接着是黄色、最后为绿色；

8）90年代早期采用铟铝磷化镓生产出了橘红、橙、黄和绿光的LED，第一个具有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期；

9）90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光粉，荧光粉吸收来自芯片上的蓝色光源再转化成白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

10）LED的发光效率从最初的0.05lm/W，经历了0.1lm/W，几流明/瓦时代，数十流明/瓦时代，到现在约120lm/W以上了。

2、可见光LED的发展趋势和前景：

1）高亮度LED发展进程飞快：尽管LED目前仍有应用瓶颈，但业界认为，但LED发光效率提升2倍，驱动电流提升3倍，封装成本下降1/2三个条件都具备时，可促使整体LED照明价格大幅度下降，LED照明进入家庭成为可能；

2）我国LED发展前景：LED产业在国内有良好的发展前景。

3、  LED的应用：

1）大中小LED显示屏：室内外广告牌、体育场计分牌、信息显示屏等

2）交通信号灯：市内交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号灯；

3）光色照明：室外景观照明和室内装饰照明；

4）专用普通照明：便携式照明、低照度照明、阅读照明、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯路灯；

5）安全照明：矿灯、防爆灯、应急灯、安全指示灯；

6）特种照明：军用照明灯、医用手术灯、医用治疗灯、农作物和花卉专用照明灯。

4、全球光源市场的发展动向：

1）国际LED厂商：白光LED技术的开发与掌握，是目前国际LED厂商发展的重点，为维持未来市场上的优势，全球重要战略联盟早已成形；

2）白光LED各种制造技术的优缺点；

3）大功率LED封装形态发展的考量点：

a.具有自主知识产权；

b.主流产品标准化；

c.有助于性能指标的提高；

d.有助于光源可靠性的提高；

e.方便照明应用（电路连接、系统配光、散热装配、结构安装）

f.适合大批量生产；

g.有利于降低成本；

4）半导体照明的LED封装形态发展趋势：新大功率LED主流封装形态的特征：

a.应用安装形式平面贴片化；

b.器件尺寸小型化；

c.光学透镜硅胶模造一体化；

d.出光形式泛光化；

e.热电管理分离化；

f.热量管理应用化；

g.单灯光通量最大化；

h.器件热阻最小化；

i.器件结温最高化；

j.应用对接即插化；

k.供电模式交流化；

l.生产技术成熟化；

m.生产工艺简单化；

n.生产模式标准化；

o.生产能力规模化；

p.生产成本最低化。