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第二章 LED的封装原物料

一、LED芯片构造

LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件,它主要有砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga)、铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Sr)这几种元素中的若干种组成。法国二极管芯片制作方法和材料的磊晶种类:

◆LPE: Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法)GaP/GaP;

◆VPE: Vapor Phase Epitaxy(气相磊晶法)GaAsP/GaAs;

◆MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy(有机金属气相磊晶法)AlGaInP/GaN;

◆SH: Single Heterostructure(单异型结构)GaAlAs/GaAs;

◆DH: Double Heterostructure(双异型结构)GaAlAs/GaAs;

不同LED芯片,其结构大同小异,有基板(蓝宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成。

1、  LED单电极芯片;

2、  LED双电机芯片;

3、  LED的晶粒种类简介:不同材料晶粒,具有不同带隙,即具有不同发光波长;

4、  LED衬底材料的种类:蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC);

1)蓝宝石衬底有许多优点及缺点:

a.生产技术成熟、器件质量较好;

b.稳定性很好,能运用在高温生长过程中;

c.机械强度高,易于处理和清洗;

d.晶格失配和热应力失配,会在外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;

e.常温电阻率较大,无法制作垂直结构的器件,通常只在外延层上表面制作电极;

f.硬度非常高,减薄和切割较困难;导热性能不是很好。

2)硅衬底

目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式,分别是L接触(Laterial-contact,水平接触)和V接触(Vertical-contact,垂直接触)。

3)碳化硅衬底

碳化硅衬底的LED芯片电极是L型电极,电流是纵向流动的,采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好,有利于做成面积较大的大功率器件,但是相对于蓝宝石衬底而言,碳化硅制造成本较高,实现商业化还需要降低相应的成本。

4)三种衬底的性能比较:

衬底材料

导热系数

膨胀系数

稳定性

导热性

成本

抗静电能力

蓝宝石

46

1.9

一般

一般

150

5~20

碳化硅

490

-1.4

5、  LED芯片的制作流程:

1)光刻—等离子体蚀刻GaN—扩散和键合—镀金—晶圆芯片—抛光—检验—划片—崩裂—晶粒;

2)磊晶加热—干式蚀刻分离—透明层—p电极连接—n电极连接—测量—衬底研磨—划片—封装;

6、制作LED垒芯片方法的比较;

7、常用芯片见图:

1)单电极芯片:

a.圆电极芯片

b.方电极芯片;

c.带角电极芯片;

2)双电极芯片

 

二、Lamp—LED支架介绍

支架的作用:用来导电和支撑晶片;

支架的组成:一般来说是由支架素材经过电镀而形成,由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层;

1、Lamp—LED支架结构与相关尺寸

1)、LED支架图;

2)、LED支架说明;

3)、尺寸说明;

4)、LED支架材质;

5)、支架电镀知识;

6)、支架管控相关条件;

2、常用支架外观图集

3、LED支架进料检验内容:

数量短少、混料、生锈变色、镀层起泡脱落、弯曲变形、支架扇形弯曲、支架倾斜、支架压伤、支架刮伤、碗口变形、凹凸不平、阴阳极变形、冲压不良、电镀不均、支架污染、支架烧焦、碗底粗糙、脚弯曲、支架粗糙、银残留、支架弯头、支架毛边、支架异物(脚及下Bar发白)、支架电镀过薄、烘烤检验、焊线耐热试验。

 

三、LED模条介绍

1、模条的作用与模条简图

模条是LED成形的模具,一般有圆形、方形、塔形等,支架植得深还是浅由模条的卡点高低所决定,模条需存放在干净及室温以下的环境中,否则会影响产品外观;

2、模条结构说明:导柱、钢片、胶杯、卡点;

3、模条尺寸:

1)模条材质:塑料(TPX材质);

2)TPX物料简介:TPX如同PC、PMMA,具有极佳的透明度,但PC和PMMA是非结晶型,而TPX是结晶的材料,且在物理上有相当的差异存在;

3)TPX在以模具成型时要注意以下几点:

a.TPX具有极佳的耐热性、耐化学品及耐蒸汽性等,且TPX在透光性聚合物中比重最轻;

b.TPX的耐击性和PS及PMMA相当,TPX是结晶型材料,所以比其他非结晶型材料有更大的收缩率。

4)开模注意事项;

5)LED封装成形:圆形LED、方形LED、平头LED、椭圆LED、子弹头LED、内凹LED、特殊型LED;

6)模条进料检验内容:

型号不符、模条混装、模粒内表面模糊、模粒内表面刮伤、模粒裂痕、模粒帽檐破损、硅钢片生锈、硅钢片变形、模条底部塑料残留、卡点脱落、导柱脱落、圆缺边方向错位、卡点误差过大)插深或插浅)、中心间距不等(封胶实验有偏心)、胶杯成形不良(封胶实验有光斑不良)。

 

四、银胶和绝缘胶

银胶是用来导电、散热和固定芯片的;绝缘胶除了不导电外,也是用来散热和固定芯片的。因为在LED封装过程中的作用不同,因此所用位置也不同。

1、  银胶和绝缘胶的包装;

2、  银胶和绝缘胶的成分;

3、  银胶和绝缘胶的作业条件

4、  操作标准及注意事项;

5、  银胶及绝缘胶烘烤注意事项:

a.必须一次性烤干,若有软化、松动现象,为前一次未烤干,取出材料后空气进入银胶再次加温膨胀导致结合度变差;

b.烘干硬化后不能立即从烘箱中取出,应待自然冷却后再取出;

c.烘烤时注意时间不能过长过短,进出烘箱时都需落实做好记录,IPCQ做好监督。

6、银胶与绝缘胶的区别:

a.银胶需要搅拌,绝缘胶不需要搅拌;

b.银胶硬化速度比绝缘胶慢,银胶推力比绝缘胶小;

c银胶散热性较好,绝缘胶散热性较差;

d.银胶较绝缘胶吸光性强,反光性弱,成形产品中银胶亮度较绝缘胶低;

e.银胶推力较小,绝缘胶推力较大;

f.绝缘胶可与荧光粉混合后在一起配制成杯底绝缘胶做白光。

 

五、焊接线—金线和铝线

在封装LED时需要用金线或铝线把芯片两个电极和LED支架焊接起来,这才能把电源通过支架加到LED芯片上。

1、  金线和铝线图样和简介:金线和铝线都可以作为LED芯片与支架间的连接线。金线电阻率比铝线电阻率小,在LED功率比较大或要求电参数比较高的场合往往使用金线,其他场合可以使用比较廉价的铝线。

2、  经常使用的焊线规格;

3、  金线应用相关知识:

1)  焊线示意图;

2)  焊球相关名词定义;

3)  线尾切断方式;

4)  金线原材料质量会影响到焊球;

4、  金线的相关特性:金线在高温下焊接加热时间过长,其结合力会下降。金线放置时间越长与芯片的结合力越低。

5、  金线制造商检测金线的几种方法:在实验金线的延展力、柔韧力及焊球结合力时,通过不同的打线方式来检测—段式焊线、超低式焊、超长式焊线、超短式焊线;

6、  LED封装厂家检验金线的方法:LED生产厂家为了保证金线预先片焊接良好,在使用金线前和使用过程中都要对金线进行检测,检测内容包括焊线拉力、焊点、球颈及色泽。

 

六、封装胶水

1、LED封装经常使用的胶水型号

1)宜加化工生产的部分胶水简表;

2)包装图示;

2、胶水相关知识

1)胶的种类及成分;

2)胶水的应用过程;

3)宜加2015胶水相关特性参数;

4)环氧树脂化学分子式;

5)玻璃态转化温度(Tg)

a.对转化温度的定义:但高分子材料由硬而脆之玻璃状态,转变成软而韧之橡胶状态时,其温度范围称之为玻璃态转化温度;

b.曲线说明:但T>Tg是橡胶状态,但T<Tg是玻璃状态

◆可由玻璃态转化温度来预期温度循环、热冲击、及产品使用温度;

◆玻璃态转化温度与使用条件有关,亦与硬化情形有关;

◆玻璃态转化温度高于使用温度5%~10%较适合;

◆当同一配方,其所得硬化物玻璃态转化温度越高时,交联密度较高;

◆硬度越高,对机械或者热应力而言较脆;

◆收缩越大,内应力越大;

◆吸湿性较高;

◆使用寿命下降;

◆预期温度循环下降;

c.Tg与时间的关系图:开始随时间非线性增长,后来随时间略有下降;

d.玻璃态转化温度测试图:差式扫描热量法;

e.吸水与不吸水的Tg进行比较

6)辅助说明

a.通常而言,我们所说的Tg点是取转化区域的中心值,这一温度确切的说是以区域进行表示,而不是由单一点的数值进行表示的;

b.环氧树脂的化学性质称为附加的化学性质;

c.固化不足对环氧树脂的影响;

d.后期固化周期;

7)胶水的操作寿命及反应速率:

a.操作寿命的定义:操作寿命指环氧化合物的黏度超过可使用范围的极限时,通常用cps来表示,此外,温度是一主要的因素;

b.操作寿命具体说明:A/B胶混合后,黏度上升至起始黏度两倍时(黏度上升至无法操作时);

c.反应速率具体说明:多数环氧树脂的反应速率,将会每增加10度的温度就增长一倍,加热环氧树脂通常用来降低黏度,使其达到易除气泡的目的;

d.凝胶点:反应进行中,分子量迅速增加,且最后使得几条分子链连接在一起,成为极大的分子量网状系统,由一粘性的液体变成一有弹性的胶状,将呈现极大网状系统的主要现象,这种迅速且无法改变的变化,称为凝胶点。

8)胶水的硬化

a.定义:硬化在化学上属于完全反应,在工业上使用时,指能得到最佳性能所需的硬化程度;

b.硬化温度对LED的影响

◆前硬化温度太低:凝胶化与玻璃化同时发生,当温度再增高,可能仍会呈液体状;转化率不够,硬化不完全,且所需时间太长;

◆前硬化温度适中:硬化反应速率慢,微粒凝胶大;Tg与硬化温度相同;网状结构密度大;抗化学性高及各种物性优异;

◆硬化温度过高:放热量大,聚温太高,造成边缘与中心温差大;硬化速率太快,微粒凝胶小;网状结构密度小,Tg低;抗化学性低,物性差。

9)胶水的保存条件(环氧树脂系统及相关材料)

a.必须保存在原来的容器里;

b.应避免过热;

c.应避免太阳直接照射;

d.扩散剂Dp(Diffusant paste)内含易于沉淀的填充料,绝对需要先搅拌均匀再取用;

e.建议使用冷藏的方式来保存单液型的原料(银胶)

f.二液型的原料(A\B胶)不需要冷藏,冷藏保存将导致某些原料结晶;

10)胶水使用注意事项;

11)不同胶水组合形成胶体外观方式;

12)胶水Tg点实验图示;

13)LED制造厂对胶水的需求及胶水制造商的潜质问题:

a.LED制造厂对胶水的需求:

◆缩短加工时间;

◆增加模具的使用次数:增加产量;降低成本。同时通过改变树脂配方及提高硬化温度的方法来达到想要的效果;

b.提高硬化温度的潜在问题:

◆树脂硬化反应太紊乱的倾向;

◆网状结构的内部应力增加;

◆温度偏高导致架桥反应与裂解反应相互竞争;

◆硬化物的机械、物理、电气、热稳定性等性质普遍降低。

 

 

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