深度講解高亮度矩陣式LED封裝技術和解決方案

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)稱作產品環(huán)節(jié)0，指生產器件本身。第二個環(huán)節(jié)產品環(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。

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生孔洞，產生穩(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生的巨大熱能傳輸出去，以保持器件的熱穩(wěn)定性。控制共晶粘合工藝是獲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?，F(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