各種電子封裝工藝技術(shù)

1、電子封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，弁直接影響到的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點(diǎn)，特別是白光電子封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。電子封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。電子封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電/機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED電子封裝先后經(jīng)歷了支架式(LampLED)、貼片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)等發(fā)展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對電子封裝的

2、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低電子封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行電子封裝設(shè)計(jì)。二、電子封裝關(guān)鍵技術(shù)電子封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互影響。其中，光是LED電子封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是電子封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，電子封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到電子封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于電子封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,從而延長了電子產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。具體而言，電子封裝的關(guān)鍵

3、技術(shù)包括：（一）低熱阻電子封裝工藝對于現(xiàn)有的光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且芯片面積小，因此，芯片散熱是電子封裝必須解決的關(guān)鍵問題。主要包括芯片布置、電子封裝材料選擇（基板材料、熱界面材料）與工藝、熱沉設(shè)計(jì)等。電子封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，弁傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁,銅）、陶瓷（如,AlN,SiC）和復(fù)合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuWa襯底，將1mm&片倒裝在CuW寸底上，降低了電子封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina

4、Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a）,弁開發(fā)了相應(yīng)的電子封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大http:提高了散熱性能，為陣列電子封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導(dǎo)率為160W/mk熱膨脹系數(shù)為（與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)

5、），從而降低了電子封裝熱應(yīng)力。研究表明，電子封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善電子封裝的關(guān)鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。電子封裝常用的TIM為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為0.5-2.5W/mK,致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。（二）高取光率電子封裝結(jié)構(gòu)與工藝在使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，

6、主要包括三個(gè)方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層（灌封膠），由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高電子封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應(yīng)力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定

7、性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在電子封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響光效和光強(qiáng)分布。熒光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會發(fā)生變化，從而引起白光色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成

8、，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。止匕外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85,而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限(30nn),因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高出光效率(10%-20%),并能有效改善光色質(zhì)量。傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏

9、藍(lán)光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformalcoating)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3(b)。但研究表明，當(dāng)熒光粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國RenssELaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(ScatteredPhotonExtractionmethod,SPE),通過在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%),如圖3(c)?？傮w而言，為提高的出光效率和可靠性，電子封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，

10、通過將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了電子封裝效率。止匕外，減少出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。（三）陣列電子封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED電子封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖4所示。1、引腳式（Lam©LED電子封裝引腳式電子封裝就是常用的3-5mmt子封裝結(jié)構(gòu)。一般用于電流較小（2030mA,功率較低（小于0.1W的LED電子封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時(shí)也可作為顯示屏。其缺點(diǎn)在于電子封裝熱阻較大（一般高于100Kz四，壽命較短。2、表面組裝（貼片）式（SMLE。電子封裝表面組裝技術(shù)（SMT是一種可

11、以直接將電子封裝好的器件貼、焊到PCBS面指定位置上的一種電子封裝技術(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機(jī)械和電氣連接。SM餓術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，是電子行業(yè)最流行的一種電子封裝技術(shù)和工藝。3、板上芯片直裝式（COBLED電子封裝CO呢ChipOnBoard（板上芯片直裝）的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PC時(shí)上，再通過引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與PCBfe間電互連的電子封裝技術(shù)。PCBB可以是低成本的FR-4材料（

12、玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂），也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)合材料（如鋁基板或覆銅陶瓷基板等）而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合（金絲球焊）和常溫下的超聲波鍵合（鋁劈刀焊接）。CO豉術(shù)主要用于大功率多芯片陣列的LED電子封裝，同SM"目比，不僅大大提高了電子封裝功率密度，而且降低了電子封裝熱阻（一般為6-12W/m.K）o4、系統(tǒng)電子封裝式（SiP）LED電子封裝SiP（SysteminPackage）是近幾年來為適應(yīng)整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片SystemonChip（SOC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電子封裝集成方式。對SiPLED而言，不僅可以在一個(gè)電子封裝內(nèi)組裝多

13、個(gè)發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建成一個(gè)更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。同其他電子封裝結(jié)構(gòu)相比，SiP具有工藝兼容性好（可利用已有的電子電子封裝材料和工藝），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。按照技術(shù)類型不同，SiP可分為四種：芯片層疊型，模組型，MCMS和三維（3D）電子封裝型。目前，高亮度器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸芯片等措施來實(shí)現(xiàn)。而這些都會增加的功率密度，如散熱不良，將導(dǎo)致芯片的結(jié)溫升高，從而直接

14、影響LED器件的性能(如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移，壽命降低等)。多芯片陣列電子封裝是目前獲得高光通量的一個(gè)最可行的方案，但是LED陣列電子封裝的密度受限于價(jià)格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于發(fā)光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的電子封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于電子封裝，則必須采用主動散熱，如翅片+風(fēng)扇、熱管、液體強(qiáng)迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

15、在系統(tǒng)集成方面，臺灣新強(qiáng)光電公司采用系統(tǒng)電子封裝技術(shù)(SiP),并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了72W80W勺高亮度白光光源，如圖5(a)。由于電子封裝熱阻較低(4.38C/W)，當(dāng)環(huán)境溫度為25c時(shí)，大功率LED結(jié)溫控制在60c以下，從而確保了的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學(xué)則采用CO曲子封裝和微噴主動散熱技術(shù)，電子封裝出了220MB1500幃勺超白光光源，如圖5(b)。(四)電子封裝大生產(chǎn)技術(shù)晶片鍵合（Waferbonding）技術(shù)是指芯片結(jié)構(gòu)和電路的制作、電子封裝都在晶片（Wafer）上進(jìn)行，電子封裝完成后再進(jìn)行切割，形成單個(gè)的芯片（Chip）；與之相對應(yīng)的芯

16、片鍵合（Diebonding）是指芯片結(jié)構(gòu)和電路在晶片上完成后，即進(jìn)行切割形成芯片（Die）,然后對單個(gè)芯片進(jìn)行電子封裝（類似現(xiàn)在的電子封裝工藝），如圖6所示。很明顯，晶片鍵合電子封裝的效率和質(zhì)量更高。由于電子封裝費(fèi)用在大功率LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現(xiàn)有的電子封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），將大大降低電子封裝制造成本。止匕外，晶片鍵合電子封裝還可以提高器件生產(chǎn)的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)的破壞，提高電子封裝成品率和可靠性，因而是一種降低電子封裝成本的有效手段。止匕外，對于電子封裝，必須在芯片設(shè)計(jì)和電子封裝設(shè)計(jì)過程中，盡可能采用工藝較少的電子封裝形式（Pa

17、ckage-lessPackaging）,同時(shí)簡化電子封裝結(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面數(shù)，以降低電子封裝熱阻，提高出光效率。（五）電子封裝可靠性測試與評估器件的失效模式主要包括電失效（如短路或斷路）、光失效（如高溫導(dǎo)致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等）和機(jī)械失效（如引線斷裂，脫焊等），而這些因素都與電子封裝結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。大功率LED的使用壽命以平均失效時(shí)間（MTTF來定義，對于照明用途，一般指的輸出光通量衰減為初始的70%（對顯示用途一般定義為初始值的50%）的使用時(shí)間。由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測試與評估。測試內(nèi)容主要包括高溫儲存（100c,1000h）、低溫儲存

18、（55C,1000h）、高溫高濕（85C/85%,1000h）、高低溫循環(huán)（85c-55C）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗(yàn)只是問題的一個(gè)方面，對壽命的預(yù)測機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題。三、固態(tài)照明對電子封裝的要求與傳統(tǒng)照明燈具相比，燈具不需要使用濾光鏡或?yàn)V光片來產(chǎn)生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時(shí)保持具有高的顯色指數(shù)，滿足不同的應(yīng)用需要。但對其電子封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：（一）模塊化通過多個(gè)燈（或模塊）的相互連接可實(shí)現(xiàn)良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術(shù)，可以將多個(gè)點(diǎn)光源或模塊按照隨意形狀進(jìn)行組合，滿足不同領(lǐng)域的照明要求。（二）系統(tǒng)效率最大化為提高燈具的出光效率，除了需要合適的電源外，還必須采用高效的散熱結(jié)構(gòu)和工藝，以及優(yōu)化內(nèi)/外光學(xué)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)系統(tǒng)效率。（三）低成本燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優(yōu)勢（主要指初期安裝成本），而電子封裝在整個(gè)燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分，因此，采用新型電子封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，是實(shí)現(xiàn)燈具商品化的關(guān)鍵。（四）易于替換和維護(hù)由于光源壽命長，維護(hù)成本低，因此對燈具的電子封裝可靠性提出了較高的要求。要求燈具設(shè)