高亮度矩陣式的LED封裝技術(shù)與解決方案

　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，像建筑物的特色照明和標(biāo)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，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(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，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，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(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(biāo)準(zhǔn)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，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(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(zhǔn)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(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?？刂乒簿д澈瞎に囀谦@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，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(jǐn)慎控制。現(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，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，它可進行適當(dāng)?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(jié)果。對于標(biāo)準(zhǔn)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?zhǔn)揭€鍵合組。圖3顯示了利用引線鍵合機進行鏈?zhǔn)胶附樱O(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)，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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jié)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(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?zhǔn)竭B接為所有的LED提供極好的的陣列電氣和機械連接。