深度解析高亮度矩陣式LED封裝技術(shù)和解決方案
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2014-02-22
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近幾年發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用在不斷增長，其市場覆蓋范圍很廣,，包括像指示燈,、聚光燈和頭燈這樣的汽車照明應(yīng)用，像顯示背光和照相機閃光燈這樣的照相功能,，像LED顯示器背光和投射系統(tǒng)這樣的消費產(chǎn)品,，商業(yè)照明，像建筑物的特色照明和標志這樣的建筑應(yīng),，以及許多其他方面的應(yīng)用,。LED亮度高、發(fā)光效率高且反應(yīng)速度快,。由于耗能低,，超市照明，使用壽命長,，節(jié)能與環(huán)保,，放熱少且可發(fā)出彩色光的特點，已經(jīng)在很多方面替代了白熾燈,。
隨著LED效率的不斷提高,，產(chǎn)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(dāng)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(dāng)?shù)男Ч�,。但�?005年，獲得同樣的熒光燈管發(fā)光效果所需的LED數(shù)目減少了20倍,，只需50個左右,，口碑，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(chǎn)有四個環(huán)節(jié)，或著說涉及四個領(lǐng)域,。第一個環(huán)節(jié)稱作產(chǎn)品環(huán)節(jié)0,，指生產(chǎn)器件本身。第二個環(huán)節(jié)產(chǎn)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,，裝修照明，形成表面安裝封裝,。第三個環(huán)節(jié)產(chǎn)品環(huán)節(jié)2指二級封裝,。將多個一級封裝放在一起，LED射燈,，形成像外部信號或室外照明燈應(yīng)用所需的光輸出,。第四個環(huán)節(jié)產(chǎn)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(fù)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(shù)是利用環(huán)氧樹脂粘黏芯片,。對于高亮度LED應(yīng)用，如室外照明或尾部投射屏幕照明,，需要采用矩陣結(jié)構(gòu)的LED,。在這種結(jié)構(gòu)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(shù)目和排列緊密程度要求芯片黏附材料的導(dǎo)熱性能良好,， led戶外照明，以保持LED盡可能低溫,。
圖1LED矩陣圖
矩陣式LED封裝是生產(chǎn)中許多系統(tǒng)的基礎(chǔ),。它們的新近流行是因為這種結(jié)構(gòu)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(yīng)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98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(jù)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。
圖2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(guān)鍵,，是避免在二極管和其基板的共晶焊料處產(chǎn)生孔洞,，產(chǎn)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(chǎn)生的巨大熱能傳輸出去,，以保持器件的熱穩(wěn)定性,。控制共晶粘合工藝是獲得高成品率和可靠性的關(guān)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(dǎo)焊接界面，粘合工藝的溫度曲線必須是可重復(fù)的,，具有高溫上升速率的能力,。當(dāng)界面溫度升高至適當(dāng)?shù)墓簿囟葧r，辦公照明,，ROSH認證,，加熱機制必須保持在設(shè)定好的溫度下，溫度過沖要盡可能小,。經(jīng)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(xué)平衡,。這種平衡是通過同時應(yīng)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�,，F(xiàn)場共晶芯片粘合工藝的回流溫度曲線的設(shè)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(yù)熱溫度上升到回流溫度，LED照明工程,，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(fù)性對于該工藝是很關(guān)鍵的,，ROSH認證,，它可進行適當(dāng)?shù)墓簿Ы䴘櫍箍锥礃O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,，照明方案,，試驗數(shù)據(jù)表明采用球形焊接機進行的鏈狀焊互連可獲得最好結(jié)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(fù)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(shè)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(shù)，商業(yè)照明燈具,，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(chǎn)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，醫(yī)院led照明,，存在的光閉塞會較少,，并且拉力測試結(jié)果證明它具有更好的拉拔強度。
圖3具有安全連接的鏈狀焊
結(jié)論
將LED進行矩陣式組裝可獲得更高密度,、更高亮度的LED,。由于熱的高濃度以及要求高頻引線鍵合連接，國內(nèi)資訊,，這種結(jié)構(gòu)對封裝構(gòu)成了挑戰(zhàn),。在LED密集的區(qū)域中必須精確放置鍵合線，這種連接擁有穩(wěn)定的線弧形狀,，由于較大的熱擾動,，連接強度還應(yīng)足夠強，以承受機械沖擊和應(yīng)力,。封裝工藝中有三個步驟很關(guān)鍵,。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(nèi)實現(xiàn)矩陣式LED應(yīng)用,。第二,，有必要應(yīng)用脈沖加熱控制批共晶回流芯片粘合工藝進行組裝生產(chǎn)、LED保護以及較好的熱導(dǎo)性,，同時提供高質(zhì)量和低風(fēng)險性能,。第三，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。