近幾年發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用在不斷增長(zhǎng)，其市場(chǎng)覆蓋范圍很廣，包括像指示燈、聚光燈和頭燈這樣的汽車(chē)照明應(yīng)用，像顯示背光和照相機(jī)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(fèi)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(zhǎng)，放熱少且可發(fā)出彩色光的特點(diǎn)，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(jìn)行通用照明變得越來(lái)越接近實(shí)際。比如在2003年，一個(gè)相當(dāng)于3000流明的熒光燈管需要采用超過(guò)1300個(gè)效率為30流明/瓦的LED才能獲得相當(dāng)?shù)男Ч５?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(gè)左右，每個(gè)LED的發(fā)光效率為50流明/瓦或者更高，發(fā)光強(qiáng)度為60流明。
LED照明水平
LED生產(chǎn)有四個(gè)環(huán)節(jié)，或著說(shuō)涉及四個(gè)領(lǐng)域。第一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品環(huán)節(jié)1是一級(jí)封裝，這指通過(guò)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(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品環(huán)節(jié)2指二級(jí)封裝。將多個(gè)一級(jí)封裝放在一起，形成像外部信號(hào)或室外照明燈應(yīng)用所需的光輸出。第四個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品環(huán)節(jié)3是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或解決方案進(jìn)行系統(tǒng)封裝。
一級(jí)LED 封裝包括單個(gè)LED和復(fù)雜的LED矩陣的封裝。在標(biāo)準(zhǔn)的LED陣列中，每個(gè)LED被連接至基板電極上。LED可分開(kāi)處理或連接在一起。這種類(lèi)型的封裝多數(shù)是利用環(huán)氧樹(shù)脂粘黏芯片。對(duì)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(jìn)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?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能獲得更多的流明每瓦功率。不過(guò)與單芯片封裝相比，矩陣式LED封裝對(duì)于芯片粘合劑和引線鍵合帶來(lái)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(cè)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(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。控制共晶粘合工藝是獲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(duì)成型前或鍍錫前的器件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，加熱機(jī)制必須保持在設(shè)定好的溫度下，溫度過(guò)沖要盡可能小。經(jīng)過(guò)一段必須的回流時(shí)間后，加熱機(jī)制必須能夠控制冷卻，使對(duì)二極管的損傷盡可能小，使得共晶材料能達(dá)到冶金學(xué)平衡。這種平衡是通過(guò)同時(shí)應(yīng)用有源熱電脈沖加熱和冷卻氣體實(shí)現(xiàn)的。
LED矩陣封裝是對(duì)溫度非常敏感的工藝，在封裝過(guò)程中需要謹(jǐn)慎控制。現(xiàn)場(chǎng)共晶芯片粘合工藝的回流溫度曲線的設(shè)計(jì)要提供恒定的熔化和無(wú)孔洞粘合界面。這對(duì)于將熱量從二極管穩(wěn)定傳出和在LED工作時(shí)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(gè)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(guò)沖會(huì)很低。溫度曲線的可重復(fù)性對(duì)于該工藝是很關(guān)鍵的，它可進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓簿Ы?rùn)，使孔洞極少且不會(huì)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(diǎn)擊的可編程曲線進(jìn)行浸潤(rùn)，形成溫度命令曲線。該系統(tǒng)在引線鍵合過(guò)程中抓取實(shí)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(jìn)行批回流，降低了整體周期時(shí)間和使高溫時(shí)間盡可能低，可保護(hù)對(duì)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(jìn)行互連。盡管有多種引線鍵合方法，如球形焊和楔形焊，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明采用球形焊接機(jī)進(jìn)行的鏈狀焊互連可獲得最好結(jié)果。對(duì)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(jìn)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(jī)進(jìn)行鏈?zhǔn)胶附樱O(shè)置一個(gè)球-線弧-中間針腳-線弧-中間針腳-線弧。最后是一個(gè)線弧針腳，隨后在每個(gè)終端針腳上形成一個(gè)球形針腳保證連接。這并不是全新的技術(shù)，但通過(guò)材料選擇和軟件工具對(duì)其做出了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。鏈形焊使得產(chǎn)率更高，因?yàn)樗纬蓸?biāo)準(zhǔn)球形焊不必要形成無(wú)空氣球體。此外由于鏈形焊針腳圖形，存在的光閉塞會(huì)較少，并且拉力測(cè)試結(jié)果證明它具有更好的拉拔強(qiáng)度。
圖3 具有安全連接的鏈狀焊
結(jié)論
將LED進(jìn)行矩陣式組裝可獲得更高密度、更高亮度的LED。由于熱的高濃度以及要求高頻引線鍵合連接，這種結(jié)構(gòu)對(duì)封裝構(gòu)成了挑戰(zhàn)。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(dòng)，連接強(qiáng)度還應(yīng)足夠強(qiáng)，以承受機(jī)械沖擊和應(yīng)力。封裝工藝中有三個(gè)步驟很關(guān)鍵。第一個(gè)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(shí)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(jìn)行組裝生產(chǎn)、LED保護(hù)以及較好的熱導(dǎo)性，同時(shí)提供高質(zhì)量和低風(fēng)險(xiǎn)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(jī)械連接。采用這些封裝工藝可獲得高亮度效果，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)散熱和最大的出光效率。
