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LED基础
浅谈LED制造工艺流程及细节
作者:
深圳市新亚电子制程股份有限公司李毅
责任编辑:
发布日期:
2007年09月28日
随着20世纪90年代,人类对氮化物LED的发明、LED的效率有了非常快的发展。
随着相关技术的发展,在不久的未来LED会代替现有的照明灯泡。
近几年人们制造LED芯片过程中首先在衬底上制作氮化镓(GaN)基的外延片,外延片所需的材料源(碳化硅SiC)和各种高纯的气体如氢气H2或氩气Ar等惰性气体作为载体之后,按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。
接下来是对LED-PN结的两个电极进行加工,并对LED毛片进行减薄,划片。
然后对毛片进行测试和分选,就可以得到所需的LED芯片。
由于制作LED芯片设备的造价都比较昂贵,同时也是生产的一个投资重点,具体的工艺做法,不作详细的说明。
下面简单介绍一下LED生产流程图,如下:
LED生产流程图
(流程工艺) (使用设备)
测试芯片 芯片分选机
¦ ¦
排支架 (把芯片固定在支架座)芯片扩张机
¦ ¦
点 胶 点胶机显微镜
¦QC ¦
固 晶 倒膜机 扩晶机显微镜固晶座
¦QC ¦
(*白光) 固晶烘烤 烘箱 150C/2H
¦ ¦ ¦
配荧光粉 焊 线 (芯片焊两个电极)自动焊线机超声波焊线机 ¦ ¦ ¦
点荧光粉 *二焊加固锒胶 点胶机 显微镜
¦ ¦(QC白光) ¦
烘烤150C/1H--*锒胶烘烤 烘箱电子称抽真空机点胶机显微镜
¦ ¦
*支架沾胶 (支架沾胶)点胶机 烤箱120C/20min
¦ ¦
(下面说明植入工艺)植入支架 --灌胶机---- 自动灌胶机
短 烤 -- 烘 箱
离 模 -- 脱模机 ¦
¦
长 烤 烘箱 130C/6H
¦ ¦
- 切 一切模具(冲床)
¦ ¦
测试点数 LED电脑测试机
¦ QC ¦
全切 冲压机及全切模
¦ QC ¦
分光分色 LED分选机
¦ QC ¦
封口包装 封口机
入库
一、工艺说明(植入支架)
LED外型环氧树脂封装主要有以下几步:
模条预热--吹尘--树脂预热--配胶--搅拌--抽真空--灌胶入支架。
所用物料:
支架、LED芯片、锒胶绝缘胶(解冻,搅拌)、晶片(倒膜,扩晶)、金线、锒胶、荧光粉、胶带包装、模条(铝条,合金)、导热硅脂、焊接材料、树脂(AB胶或有机硅胶)、各种手动工具、各种测试材料(如万用表、示波器、电源等)。
二、LED封装技术
LED芯片只是一块很小的固体,它的两个电极要在显微镜下才能看见,加入电流后它才会发光,在制作工艺上除了要对LED芯片的两个电极进行焊接。
从而引出正负电极之外。
同时还要对LED芯片和两个电极进行保护,因此这就需要对LED芯片封装。
如:
常见直径5mm的圆柱型引脚式封装LED.这种技术就是将LED芯片粘结在引线架上(一般称为支架)。
芯片的正极用金丝键合连到另一引线架上,负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连,然后顶部用环氧树脂包封。
做成直径为5mm的圆形外形。
这种封装技术的作用是保护芯片,焊线金丝不受外界侵蚀。
固化后的环氧树脂,可以形成不同形状而起到透镜的功能。
选用透明的环氧树脂作为过渡。
可以提高芯片的出光效率。
环氧树脂构成的管壳具有很好的耐湿性,绝缘性和高机械强度,对芯片发出的光的折射率和透光率都很高。
但对于大功率LED而言,在通电后会产生较大的热量。
并且如果用于封装的环氧和金丝的膨胀系数不一样,那么膨胀时就会使金丝拉断或造成焊点接触电阻较大,从而影响了发光器件的质量。
特别应注意的是,封装胶会因温度过高而出现胶体变黄,因此降低了透光度并影响光的输出。
所以我们更应该考虑到LED的长久使用效果。
从而应该用有机硅胶材料来封装。
如:
MOMENTIVE中的XE14—B3445,XE14—B5778型硅胶就有良好的透光率。
不会随时间而恶化,热膨胀系数非常好,在紫外线照射下稳定性很理想。
这里要注意的问题是,LED使用散热问题。
目前散热也是选用铝或铜为散热器,但要特别注意热沉与散热器之间的粘接材料一般应采用导热胶。
如果是两个物体的表面接触。
中间会有空气,而且空气的导热系数很差。
所以在界面之间应有一层导热胶来让它们紧密接触。
这样导热效果才会好。
如GE的TSE-3081或MOMENTIVE品牌中的硅脂等都有很好的散热紧密连接的作用.
三、案例说明
1、在LED引脚式封装白光过程中,因为器件的体积较小,点荧光粉是一个难题。
有的厂家先把荧光粉与环氧树脂配好,做成一个模子,然后把配好荧光粉的环氧树脂做成一个胶饼,将胶饼贴在芯片上,周围再灌满环氧树脂。
但是要注意的是点荧光粉胶时在周围有气泡,而在抽真空时,没有把气泡处理干净。
结果在焊接时。
将热量传给芯片,使芯片周围的气膨胀,从而把荧光粉胶涨裂;或A、B、胶没有充分混合胶调配不均。
因此,使荧光粉胶自己开裂。
从而使很多厂家在制造LED白光过程中,大都利用自动化机器进行固晶和焊接线,所做出来的产品质量好,一致性好,非常适合大规模生产。
2、大功率LED封装过程中,由于点亮时发热量比较大,可以在LED芯片上盖一层硅凝胶,而不可用环氧树脂。
这样做一方面可防止金丝热胀冷缩与环氧树脂不一致而被拉断。
另一方面防止因温度高而使环氧树脂变黄变污。
环氧树脂在紫外光照射下易分解老化,结果透光性能不好,所以在制作功率LED白光(绿+红+蓝=白光)应用硅凝胶调和荧光粉,而LED芯片底层用硅胶导热,从而大大提高使用寿命。
3、提高白光LED光效作法。
目前对蓝光(或紫外光)片芯涂覆荧光粉制作白光LED,这要从材料上,工艺方面进行深入研究,我们提出使用硅胶拌荧光粉涂覆在蓝光芯片上,虽然开始会出现光衰,但是随着点亮时间的延长,又会慢慢提升光通量。
从而达到延长使用寿命的目的,另一方面就是人们常说的三基色LED。
这是让芯片直接点亮。
(不用荧光粉)混合成白光。
例如使用红、绿、蓝三种芯片组合成白光(三基色)。
四、LED的生产环境
制作LED的生产环境要有一万级到十万级的净化车间,并且温度和湿度都可调控的。
LED的生产环境中要有防静电措施,车间内的地板、墙壁、桌、椅等都要有防静电功能,特别是操作人员要穿上防静电服并戴上防静电手套。
为了尽量降低静电效应给器件带来的破坏和影响,对生产LED的洁净车间、整机装配调试车间、精密电子仪器生产车间都有严格的环境要求:
(1)地面、墙壁、工作台带静电情况:
光刻车间塑料板地面的静电电位约为500–1000V扩散间的塑料墙地面为700V,塑料顶棚为0–1000V。
(2)工作台面为500–2000V,最高可达5KV。
(3)风口、扩散间铝孔板的送风口为500–700V。
(4)人和服装可为30KV,非接地操作人员一般可带3–5KV,高时可达10KV。
(5)喷射清洗液的高压纯水为2KV,聚四氟乙烯支架有8–12KV,蕊片托盘为6KV,硅片间的隔纸可达2KV。
五、防静电措施。
静电击穿器件使其失效是在不知不觉中发生的,被静电损坏的LED不能用筛选方法排除,所以只有做好预防措施,建立一套防静电(ESD)生产工艺和测试流程规范。
这对提高LED产品质量及成品率是十分关键的。
主要的措施包括:
各环节要尽量减少接触这类LED器件的人数,限制人员不必要的走动,搬推椅子。
使用导电率好的包装袋来包装LED。
应戴上手套接触LED器件(但不能戴尼龙和橡皮手套)。
取出备用的LED器件后不要堆叠在一起,器件尽量不要互相接触。
从包装袋中取出而暂时不用的器件,应用防静电袋包装起来。
必须用手接触LED的器件时,应接触管壳而避免接触LED器件的引出端。
要接触LED器件前,应将手或身体接“地”一下,把静电释放干净。
电烙铁要求永久接地。
工作环境的相对湿度应保持在50%左右,不穿容易产生静电的工作服。
车间地面应采用含碳塑料,含碳橡胶或导电乙烯做成,电阻率∩<105欧.cm或用静电耗散性材料,电阻率应在105欧.cm–109欧.cm之间。
椅子和工作台上应附加一层静电耗散材料,椅子的电阻率应是105欧.cm–108欧.cm之间。
工作服,棉制工作服有一定的导电性,最好使用防静电服。
工作鞋要用静电耗散型材料做成,电阻率在105欧.cm–108欧.cm之间,也要有防静电鞋。
带上防静电手镯实际上是手镯与手接触,再把手镯接“地”,这样手与地就成为同电位,可将人身上的静电释放。
在工作区域使用离子风扇防止静电积累,因为离子风扇送出的负离子能与静电中和,不会使静电积累成很高电压。
车间里所用的设备都要有良好的接地,接地电阻不能大于10欧。
车间入口处一定要有接地金属球,人进入时先摸金属球,以释放身上的静电。
LED灯生产工艺
§1LED制造流程概述
LED的制作流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长;中游的芯片、电极制作、切割和测试分选;下游的产品封装。
图2.1LED制造流程图
§2LED芯片生产工艺
LED照明能够应用到高亮度领域归功于LED芯片生产技术的不断提高,包括单颗晶片的功率和亮度的提高。
LED上游生产技术是LED行业的核心技术,目前在该技术领先的国家主要日本、美国、韩国,还有我国台湾,而我国大陆在LED上游生产技术的发展比较靠后。
下图为上游外延片的微结构示意图。
图2.2蓝光外延片微结构图
生产出高亮度LED芯片,一直是世界各国全力投入研制的目标,也是LED发的方向。
目前,利用大功率芯片生产出来的白光1WLED流明值已经达能到150lm之高。
LED上游技术的发展将使LED灯具的生产成本越来越低,更显LED照明的优势。
以下以蓝光LED为例介绍其外延片生产工艺如下:
首先在衬低上制作氮化鎵(GaN)基的外延片,这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCVD)中完成的。
准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后,按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。
常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底,以及GaAs、AlN、ZnO等材料。
MOCVD是利用气相反应物(前驱物)及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应,将所需的产物沉积在衬底表面。
通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例,从而控制镀膜成分、晶相等品质。
MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备
然后是对LEDPN结的两个电极进行加工,电极加工也是制作LED芯片的关键工序,包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨;然后对LED毛片进行划片、测试和分选,就可以得到所需的LED芯片了。
图2.3LED生产流程
§3大功率LED生产工艺
作为LED节能灯光源的大功率LED,它是LED节能灯的核心部分。
大功率LED的生产工艺如何直接影响LED的性能,进而影响LED灯具的性能,如光衰、光效等。
§3.1LED封装工艺流程
以大功率LED封装产品为例,介绍它的封装制程如下:
图2.4大功率LED封装制程
§3.2大功率LED生产工艺
流程站别
使用设备及工具
作业条件
备注
固晶
1.储存银胶冰箱
2.银胶搅拌机
3.扩晶机
4.固晶机(如AD809)
5.烤箱
6离子风扇
1.储存银胶:
0℃一下保存。
2.银胶退冰:
室温4小时
3.扩晶机温度:
50℃±10℃
4.点银胶高度为晶片厚度的1/4
5.作业时静电环必须做测试记录
6.固晶时须使用离子风扇,离子风扇正面与晶片距离为20cm~140cm之间。
7.晶片固于支架杯子正中央,偏移量小于1/4晶片宽度,具体参考固晶图。
8.烤银胶条件:
150℃±10℃/2小时。
焊线
1.339EG焊线机
2.1.2mil的瓷嘴
3.大功率打线制具
1.339EG焊线机热板温度﹕150℃±10℃,焊线方式参固晶焊线图。
2.瓷嘴42K更换一次。
注﹕焊线时第二焊点一定要按照固晶焊线图上第二焊点位置(打斜线区域)焊线。
点胶
1.电子称
2.烤箱
3.抽真空机
4.点胶机
1.抽气时间:
1个大气压/5mins。
2.荧光胶烘烤条件﹕120℃±10℃/2Hrs。
荧光胶配比参考实验数据。
套盖
1.镊子
1.在套Lens前材料要用150℃±10℃烘烤15分钟﹐然而lens也要烘烤80℃±10℃/20min﹐然后套Lens。
2.夹起Lens,判别双耳朵位置后,放置于支架上白壳配合孔内﹐并压到位。
注意不要压塌金线,否则送到返修站,并记录事故率。
灌胶
1.电子称
2.烤箱
3.抽真空机
4.点胶机
5.镊子
6.棉花棒
7.不锈钢盘
1.以Silicone乔越OE-6250(A):
乔越OE-6250(B)=1:
1进行配胶。
2.抽气:
1个大气压/5mins。
3.以镊子压制lens上方,再将针头插至lens耳朵孔位进行灌胶,在点胶时点胶机气压先调至0.15MPA﹐然后根椐胶的粘度来做调整﹐直至胶由对面孔位少量溢出。
4.将整片支架倒置水平后,用力压实。
5.用棉花棒将多胶部分擦拭干净。
6.灌好胶后不用烘烤﹐在常温下将支架水平倒置整齐存放在不锈钢盘内24小时即可。
配好的胶要在30分钟内用完,且一次不宜配太多胶。
切脚&弯脚
1.手动弯脚机
1.弯脚后,Pin脚总长度为14.5mm±0.2mm(注:
弯脚时要注意Pin脚的长度及平整度)。
外观检验
1.静电环
1.有无汽泡、杂物﹑铜柱发黄。
2.PIN脚变形﹑多胶﹑缺脚。
作业前做静电环测试。
测试
1.维明658H测试机
2.积分球
1.测试﹕IF=350mA,VF>4.0V为不良VR=5V,IR>10uA为不良。
2.测试机只能开单向电源测试(详情请参TS)。
包装
1.Tapping机
2.静电袋
使用CarrierTape包装﹐1000PCS/卷,1卷/袋,10袋/箱。
QA
1.维明658H测试机
1.测试﹕IF=350mA,VF>4.0V为不良,VR=5V,IR>10uA为不良。
2.测试后外观﹕有无汽泡、杂物﹑铜柱发黄。
3.型号、数量、包装方式正确,包装外观无缺损。
§4LED节能灯具生产流程
LED灯具是利用LED做光源结合光学、热学、力学、电学、美学等学科知识生产出来的一种高效节能灯具。
图2.5LED节能灯生产技术
图2.6LED路灯生产流程
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