發(fā)光二極管的應用在最近不斷增長，而且市場覆蓋范圍十分之廣。從手機相機攝像頭，到汽車上的指示燈，聚光燈和頭燈，都被選擇應用其上。因為LED燈亮度高，發(fā)光效率高而且反應速度快。能耗低，使用壽命長，放熱少，而且可以發(fā)出彩光，已經讓白熾燈幾乎退出了市場。

隨著LED效率的不斷提高，產生的每瓦特流明量不斷增大，利用LED進行通用照明變得越來越接近實際。比如在2003年，一個相當于3000流明的熒光燈管需要采用超過1300個效率為30流明/瓦的LED才能獲得相當的效果。但到2005年，獲得同樣的熒光燈管發(fā)光效果所需的LED數目減少了20倍，只需50個左右，每個LED的發(fā)光效率為50流明/瓦或者更高，發(fā)光強度為60流明。

 
LED照明水平
 

LED生產有四個環(huán)節(jié)，或著說涉及四個領域。第一個環(huán)節(jié)稱作產品環(huán)節(jié)0，指生產器件本身。第二個環(huán)節(jié)產品環(huán)節(jié)1是一級封裝，這指通過芯片黏附和引線鍵合的方法將器件連接至電源上，形成表面安裝封裝。第三個環(huán)節(jié)產品環(huán)節(jié)2指二級封裝。將多個一級封裝放在一起，形成像外部信號或室外照明燈應用所需的光輸出。第四個環(huán)節(jié)產品環(huán)節(jié)3是對整個系統(tǒng)或解決方案進行系統(tǒng)封裝。

 

一級LED 封裝包括單個LED和復雜的LED矩陣的封裝。在標準的LED陣列中，每個LED被連接至基板電極上。LED可分開處理或連接在一起。這種類型的封裝多數是利用環(huán)氧樹脂粘黏芯片。對于高亮度LED應用，如室外照明或尾部投射屏幕照明，需要采用矩陣結構的LED。在這種結構里，將LED進行緊密的行與列的排列，以獲得盡可能多的光。圖1是LED矩陣圖，它們一起可發(fā)出巨大的流明量。LED的數目和排列緊密程度要求芯片黏附材料的導熱性能良好，以保持LED盡可能低溫。

 

 

 LED矩陣圖

 

矩陣式LED封裝是生產中許多系統(tǒng)的基礎。它們的新近流行是因為這種結構能獲得更多的流明每瓦功率。不過與單芯片封裝相比，矩陣式LED封裝對于芯片粘合劑和引線鍵合帶來了很大挑戰(zhàn)。高亮度LED應用要求熱傳輸最大，才能滿足性能要求。

 

封裝高亮度LED
 

矩陣式LED工藝步驟包括材料準備、芯片的取放、脈沖回流、清潔、引線鍵合及測試。下面的討論將主要集中在脈沖回流(低溫共晶鍵合)和引線鍵合步驟。示例為9 8的290祄LED矩陣，采用AuSn粘合法。LED在列方向被電氣連接在一起。目的是利用冶金共晶互連將LED和基板連在一起，根據部件容差(約 1mil的空隙)將LED盡可能緊密地布置。圖2所示為該290祄LED矩陣。

 

 

 引線鍵合前將290微米LED黏附至AuSn上

 

脈沖回流
 

LED封裝工藝的關鍵，是避免在二極管和其基板的共晶焊料處產生孔洞，產生穩(wěn)定光傳輸所需的熱連接和電連接由焊料完成。共晶芯片粘合劑將二極管產生的巨大熱能傳輸出去，以保持器件的熱穩(wěn)定性?？刂乒簿д澈瞎に囀谦@得高成品率和可靠性的關鍵。

 

精確的共晶部件粘合包括二極管的取放、利用可編程的x、y或z軸方向攪拌對成型前或鍍錫前的器件進行現(xiàn)場回流，以及可編程脈沖加熱或穩(wěn)態(tài)溫度。要獲得優(yōu)化的熱傳導焊接界面，粘合工藝的溫度曲線必須是可重復的，具有高溫上升速率的能力。當界面溫度升高至適當的共晶溫度時，加熱機制必須保持在設定好的溫度下，溫度過沖要盡可能小。經過一段必須的回流時間后，加熱機制必須能夠控制冷卻，使對二極管的損傷盡可能小，使得共晶材料能達到冶金學平衡。這種平衡是通過同時應用有源熱電脈沖加熱和冷卻氣體實現(xiàn)的。

 

LED矩陣封裝是對溫度非常敏感的工藝，在封裝過程中需要謹慎控制。現(xiàn)場共晶芯片粘合工藝的回流溫度曲線的設計要提供恒定的熔化和無孔洞粘合界面。這對于將熱量從二極管穩(wěn)定傳出和在LED工作時保持溫度穩(wěn)定是必須的。

 

本例采用了金屬線加固脈沖熱量回流。在脈沖加熱周期中，利用一個伺服系統(tǒng)控制的上升曲線使溫度從預熱溫度上升到回流溫度，與傳統(tǒng)的加熱系統(tǒng)相比，這樣溫度過沖會很低。溫度曲線的可重復性對于該工藝是很關鍵的，它可進行適當的共晶浸潤，使孔洞極少且不會損傷LED。所需的溫度曲線取決于基板所使用的材料、基板的尺寸和焊料的成分。采用只需點擊的可編程曲線進行浸潤，形成溫度命令曲線。該系統(tǒng)在引線鍵合過程中抓取實際的溫度曲線，具有工藝可追溯性。脈沖加熱曲線控制使得LED矩陣可進行批回流，降低了整體周期時間和使高溫時間盡可能低，可保護對溫度敏感的LED器件。

 

引線鍵合
 

將LED粘合后，采用鍵合線完成互連。高密度、高頻率的LED矩陣格式要求LED采用金屬線進行互連。盡管有多種引線鍵合方法，如球形焊和楔形焊，試驗數據表明采用球形焊接機進行的鏈狀焊互連可獲得最好結果。對于標準的球形/針腳焊，先形成球形，再將引線拉至針腳處鍵合，形成LED的互連。鏈形鍵合是球形 /針腳焊的變體，針腳并不是終端，在其上又進行了線圈-針腳復合，以完成鏈式引線鍵合組。圖3顯示了利用引線鍵合機進行鏈式焊接，設置一個球-線弧-中間針腳-線弧-中間針腳-線弧。最后是一個線弧針腳，隨后在每個終端針腳上形成一個球形針腳保證連接。這并不是全新的技術，但通過材料選擇和軟件工具對其做出了進一步開發(fā)。鏈形焊使得產率更高，因為它形成標準球形焊不必要形成無空氣球體。此外由于鏈形焊針腳圖形，存在的光閉塞會較少，并且拉力測試結果證明它具有更好的拉拔強度。

 

 

 具有安全連接的鏈狀焊

 

獲得高密度，高亮度的LED。

難點：

由于熱的高濃度要求以及要求高頻引線鍵合諒解，其結構對封裝結構有挑戰(zhàn)。

解決方式：

在LED密集的區(qū)域中心精確放置鍵合線，這種連接擁有穩(wěn)定的弧線形狀，并且因為有較大的熱擾動，連接強度應該足夠強，以承受機械沖擊和應力。
 

封裝工藝三個關鍵步驟。
 

1.第一個步驟是高度精確地取放芯片，以在LED的幾何公差范圍內實現(xiàn)矩陣式LED應用。

2.有必要應用脈沖加熱控制批共晶回流芯片粘合工藝進行組裝生產、LED保護以及較好的熱導性，同時提供高質量和低風險性能。

3.鏈式連接為所有的LED提供極好的的陣列電氣和機械連接。采用這些封裝工藝可獲得高亮度效果，同時還實現(xiàn)散熱和最大的出光效率。

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