LED封裝核心技術(shù)難點(diǎn)及裝備攻略

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-09-28

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LED封裝制造主要流程包括固晶、焊線、熒光粉涂覆、透鏡成型和測(cè)試分選，而其中共晶焊、焊線、涂敷和透鏡成型是整個(gè)制造過(guò)程中的核心技術(shù)和裝備，本文將對(duì)這四大工藝和設(shè)備的機(jī)理、技術(shù)及裝備作一簡(jiǎn)要介紹，商業(yè)照明燈具，以找出我國(guó)在發(fā)展LED新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中亟待攻克的一些技術(shù)難題。

1、共晶焊機(jī)
目前，鑒于LED共晶技術(shù)有廣闊的工業(yè)應(yīng)用背景，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家投入了很大精力在LED共晶核心技術(shù)攻關(guān)上。如下圖所示，這些國(guó)家對(duì)共晶焊設(shè)備的研究主要集中在兩個(gè)方向上：一是共晶熱壓，通過(guò)加熱和施加壓力來(lái)使帶有共晶焊料層的芯片和支架(基板)結(jié)合在一起；二是共晶回流，通過(guò)加熱和使用助焊劑來(lái)使帶有共晶焊料層的芯片和支架結(jié)合在一起。



國(guó)外相關(guān)核心研究和技術(shù)成果主要集中在CREE、Lumileds、Osram等國(guó)外LED知名企業(yè)。Cree公司在大功率LED共晶焊設(shè)備研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，行業(yè)資訊，已經(jīng)推出了共晶焊封裝大功率LED系列產(chǎn)品EZ9004。但是由于工藝復(fù)雜，而且需要使用回流焊加熱工藝，所以還存在產(chǎn)量低、芯片氧化、浮焊現(xiàn)象、空洞率高等缺點(diǎn)，所以這種設(shè)備只能用于研究機(jī)構(gòu)和小批量生產(chǎn)。首爾半導(dǎo)體也推出了共晶焊大功率產(chǎn)品。

近年來(lái)，隨著我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)企業(yè)和學(xué)者開(kāi)始著手LED共晶焊工藝和設(shè)備的研究，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)致力于介紹和研究共晶焊技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、設(shè)備選型等；另一部分通過(guò)模仿、改造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了手工LED共晶焊機(jī)的國(guó)產(chǎn)化；還有一些企業(yè)根據(jù)貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)研發(fā)出半自動(dòng)化的LED共晶焊機(jī)，但由于貼片機(jī)無(wú)法解決LED封裝過(guò)程中芯片氧化、鍵合壓力變化、接觸面空洞率等核心問(wèn)題，所以通過(guò)貼片機(jī)改造的LED固晶設(shè)備還無(wú)法商用。近年來(lái)在廣東省粵港招標(biāo)專項(xiàng)等支持下，45所和國(guó)星光電合作已研制出樣機(jī)和應(yīng)用。

當(dāng)前共晶焊機(jī)在以下方面仍是主要的技術(shù)難點(diǎn)：
(1)高精度焊接吸嘴的設(shè)計(jì)與制造；
(2)LED芯片與基板的高速高精度識(shí)別和定位；
(3)共晶過(guò)程中基于視覺(jué)的高精度位置／力控制；
(4)焊接過(guò)程中基于特定溫度曲線的階梯式脈沖溫度控制。

2、焊線機(jī)
目前主要的焊線機(jī)提供商有K&S(又稱KNS)，ESEC(歐洲半導(dǎo)體設(shè)備)，ASM，Kaijo這四家， led商業(yè)照明，LED照明企業(yè)，基本上壟斷了主要的金線機(jī)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟可靠的金線機(jī)產(chǎn)品。其中K&S為美國(guó)公司，ESEC為瑞士公司，ASM為中國(guó)香港公司，Kaijo為日本公司。

引線鍵合技術(shù)作為焊線機(jī)核心技術(shù)是指利用熱、力、超聲能量耦合作用，將半導(dǎo)體芯片外接引線焊盤(pán)與基板布線焊盤(pán)或電子封裝外殼引腳用金屬絲相連接的工藝技術(shù)，其基本原理如下圖所示。首先利用高壓電火花(EFO)使穿過(guò)劈刀小孔的金屬絲端部熔成球狀，接著劈刀下行，在一定壓力作用下使金屬球與芯片焊盤(pán)表面接觸，辦公照明，經(jīng)換能器縱向超聲振動(dòng)、劈刀壓力及加熱能量的共同作用，超市照明， led服裝照明，金屬燒球與焊盤(pán)接觸面產(chǎn)生塑性變形，接觸界面氧化膜被破壞，通過(guò)接觸面金屬原子的擴(kuò)散及晶格位錯(cuò)形成均勻的原子鍵鍵合焊點(diǎn)；之后劈刀隨鍵合頭升起一段距離后引導(dǎo)引線移向引線框上的焊盤(pán)，技術(shù)資訊，最后在超聲能量、加熱能量的耦合作用下完成楔焊(新月形)焊點(diǎn)。

最初采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，家用照明，如日本Kaijo公司的FB-128引線鍵合機(jī)，鍵合速度僅為5線／秒。到20世紀(jì)90年代，直線電機(jī)憑借其卓越性能代替了旋轉(zhuǎn)電機(jī)廣泛的應(yīng)用到引線鍵合設(shè)備上，如美國(guó)K&S公司的8028引線鍵合機(jī)，定位平臺(tái)利用廣義并聯(lián)機(jī)構(gòu)，平臺(tái)由線性導(dǎo)軌支撐，X，Y方向之間運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾動(dòng)軸承解耦，鍵合速度達(dá)到11線／秒。Kaijo公司通過(guò)對(duì)直線電機(jī)特殊設(shè)計(jì)，省掉了解耦機(jī)構(gòu)省掉了解耦機(jī)構(gòu)，并將其應(yīng)用到FB-700引線鍵合機(jī)上，LED照明工程，鍵合速度達(dá)到16線／秒。而瑞士ESEC公司利用該結(jié)構(gòu)研制的3200引線鍵合機(jī)，最大鍵合速度為21線／秒，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)達(dá)到28線／秒，為目前世界最高水平。

當(dāng)前高速焊線機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)是：
(1)高精度位置／力控制平臺(tái)技術(shù)；
(2)引線鍵合技術(shù)；
(3)鍵合軌跡規(guī)劃。

3、熒光粉涂覆機(jī)
歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家先后在熒光粉技術(shù)上投入了大量的研究精力，取得比較領(lǐng)先地位的公司有Cree、Philips Luminleds、Osram、NORDSON、ASYMTEK等，它們掌握了熒光粉噴涂技術(shù)、保形涂覆技術(shù)、遠(yuǎn)離涂覆等涂覆技術(shù)，但國(guó)外各大公司出于自身市場(chǎng)利益的考慮，對(duì)相關(guān)工藝、核心技術(shù)和裝備一直實(shí)行封鎖政策。國(guó)內(nèi)廠商只能采用傳統(tǒng)的點(diǎn)膠工藝和技術(shù)，常用的國(guó)外點(diǎn)膠機(jī)有日本武藏MUSASHI、巖下IEI、NAKA公司、仲氏液控NLC公司、美國(guó)NORDSON等公司生產(chǎn)的設(shè)備。當(dāng)今以Lumileds公司提出的保形涂層概念已經(jīng)成為現(xiàn)在功率型白光LED封裝技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，國(guó)際上先進(jìn)的白光LED生產(chǎn)廠家(Cree、Philips Luminleds、Osram)已有保形涂層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開(kāi)始出售，說(shuō)明國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)廠家都已經(jīng)完成了各自的保形涂層技術(shù)的開(kāi)發(fā)并在部分產(chǎn)品上得到成功運(yùn)用。

不同的LED封裝工藝，對(duì)應(yīng)著不同的熒光粉涂覆設(shè)備。例如，商業(yè)照明燈具，建筑照明，Philips Luminleds最初提出的1W功率型LED封裝工藝，目前市面上普遍的SMD封裝工藝以及COB集成芯片封裝工藝都對(duì)應(yīng)著傳統(tǒng)的點(diǎn)膠熒光粉涂覆工藝，LED-T5一體化燈管，需要使用熒光粉點(diǎn)膠設(shè)備。如下圖所示，點(diǎn)膠的方式主要有：

(1)時(shí)間／壓力型
由于時(shí)間／壓力型點(diǎn)膠技術(shù)只采用脈動(dòng)的空氣壓力和針管就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠，因此超過(guò)70％的點(diǎn)膠系統(tǒng)采用了這種技術(shù)。它在膠體粘度中等大小時(shí)工作最好，LED照明企業(yè)，能夠點(diǎn)出各種形狀圖案如點(diǎn)、線等。

(2)計(jì)量管型
計(jì)量點(diǎn)膠頭是時(shí)間／壓力型點(diǎn)膠技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它采用新的設(shè)計(jì)來(lái)提高點(diǎn)膠性能。這種技術(shù)中有代表性的是阿基米德計(jì)量管點(diǎn)膠和活塞式點(diǎn)膠。

(3)活塞型
采用類似活塞—?dú)飧椎臋C(jī)構(gòu)來(lái)點(diǎn)膠。首先將膠體引入到一個(gè)開(kāi)口的氣缸中，然后由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的活塞會(huì)將氣缸密閉并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，直到將腔中的流體全部從點(diǎn)膠頭擠出。由于這種方法實(shí)際上控制的是氣缸內(nèi)的流體體積而非流體壓力，這樣就避免了膠體特性變化的影響。不管膠體的粘度如何變化，采用這種技術(shù)點(diǎn)出的膠量能夠始終保持不變。

而陶瓷基板LED封裝技術(shù)，或者wafer級(jí)熒光粉涂覆技術(shù)，則需要使用到高精度熒光粉霧化噴涂設(shè)備，目前世界上只有美國(guó)NORDSON、ASYMTEK等少數(shù)幾家公司可以生產(chǎn)。其核心部件熒光粉霧化噴頭結(jié)構(gòu)原理圖，如下圖所示。

當(dāng)前熒光粉涂覆機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)是：
(1)霧化噴涂的機(jī)理建模、控制及工藝；
(2)熒光粉涂層的面均勻度控制和厚度控制；
(3)熒光粉漿點(diǎn)噴涂的分布式參數(shù)系統(tǒng)建模；
(4)均勻度和厚度的關(guān)鍵視覺(jué)檢測(cè)原理和算法；
(5)高精密熒光粉漿霧化噴頭的設(shè)計(jì)與制造。

4、壓模封裝機(jī)
與熒光粉涂覆設(shè)備一樣，不同的LED封裝結(jié)構(gòu)形式，則需要不同形式的壓模封裝設(shè)備。例如：SMD封裝結(jié)構(gòu)形式不需要壓模封裝設(shè)備，LED天花燈，只需涂覆熒光粉后將其烘干即可；而陶瓷基板LED封裝工藝則需要日本TOWA公司、香港(荷蘭)的ASM公司所制造的molding設(shè)備；傳統(tǒng)1W功率型LED則需要經(jīng)過(guò)不同的幾臺(tái)設(shè)備進(jìn)行扣透明透鏡、熱壓、注膠等工序才能完成其壓模封裝工藝。

國(guó)外能夠生產(chǎn)陶瓷基板LED模壓封裝設(shè)備(molding機(jī))的公司有日本TOWA公司、Apic Yama da公司、香港(荷蘭)的ASM公司、荷蘭FICO公司、韓國(guó)HANMI公司等。比較先進(jìn)的壓模封裝技術(shù)是TOWA公司的壓縮成型，其工藝示意圖如下圖所示。國(guó)內(nèi)常用的模壓封裝設(shè)備主要是TOWA、ApicYamada、ASM等公司的設(shè)備。Towa的設(shè)備是現(xiàn)在主流的機(jī)器，但價(jià)格非常昂貴，難于在我國(guó)推廣應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)壓模封裝設(shè)備的公司有臺(tái)灣的天賀公司、GPM公司、單井工業(yè)公司等。大陸基本沒(méi)有公司能夠生產(chǎn)LED的壓模封裝設(shè)備。國(guó)內(nèi)進(jìn)行壓模封裝透鏡成型中的壓模封裝，主要是采用人工進(jìn)行操作。

當(dāng)前主要的技術(shù)難點(diǎn)是：
(1)專用脫模材料的研發(fā)與制造；
(2)高精度注膠系統(tǒng)的研發(fā)；
(3)全自動(dòng)壓模封裝工藝和設(shè)備的研發(fā)。

5、結(jié)論
由于大功率LED在照明中的廣泛應(yīng)用，對(duì)大功率LED封裝技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求越來(lái)越高。合適的熒光粉涂覆和壓模成型方式，合理的透鏡選擇和形狀變化可有效地提高白光LED的出光效率和使用壽命。新的封裝材料、封裝工藝、封裝理念和透鏡材料及結(jié)構(gòu)必然是提高白光LED出光效率的主要研究方向。

目前我國(guó)LED封裝產(chǎn)業(yè)尚存在以下問(wèn)題：(1)關(guān)鍵裝備如熒光粉涂覆機(jī)、壓模封裝機(jī)、共晶焊機(jī)、貼片機(jī)等的國(guó)產(chǎn)化仍在起步階段。(2)關(guān)鍵工藝和技術(shù)幾乎都被國(guó)外幾大企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)LED封裝企業(yè)需突破專利封鎖。(3)亟待從芯片、材料、設(shè)備和應(yīng)用整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行戰(zhàn)略布局，集中有限資源進(jìn)行工藝、材料和裝備技術(shù)創(chuàng)新，以推進(jìn)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

 

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