高亮度矩陣式的LED封裝技術與解決方案

　近幾年發(fā)光二極管（LED）的應用在不斷增長，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，像建筑物的特色照明和標志這樣的建筑應，以及許多其他方面的應用。LED亮度高、發(fā)光效率高且反應速度快。由于耗能低，使用壽命長，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?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，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，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，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(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(shù)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。

　 　圖1 LED矩陣圖

　　矩陣式LED封裝是生產(chǎn)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(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。

　　引線鍵合前將290微米LED黏附至AuSn上

　　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?？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?shù)墓簿囟葧r，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(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?shù)墓簿Ы?，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(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(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，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

　 　圖3 具有安全連接的鏈狀焊

　　結論

　　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，連接強度還應足夠強，以承受機械沖擊和應力。封裝工藝中有三個步驟很關鍵。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應用。第二，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(chǎn)、LED保護以及較好的熱導性，同時提供高質(zhì)量和低風險性能。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。