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LED封装材料的应用现状和发展趋势(上)

导读: LED是半导体发光二极管,现已广泛应用于照明、显示、信息和传感器等诸多领域。LED器件按功率及用途要求,采用相应的封装材料,主要包括环氧树脂、有机硅树脂和无机封装材料等。

一、LED封装技术与材料综述

LED是半导体发光二极管,现已广泛应用于照明、显示、信息和传感器等诸多领域。LED器件按功率及用途要求,采用相应的封装材料,主要包括环氧树脂、有机硅树脂和无机封装材料等。

封装材料和封装工艺、封装设备需要互相匹配,他们基本是一一对应的关系。LED封装的主流方式有以下几种:

1)基于液态胶水的点胶灌封;

2)基于固态 EMc 的Transfer Molding转进注射成型;

3)基于半固化胶膜的真空压合成型;

4)其他特殊封装方式,如基于液态树脂的模具注射成型、基于触变胶水的刷涂或印刷、喷涂等封装工艺。

1.1 点胶灌封技术

点胶灌封技术是LED封装常用的标准工艺,点胶工艺的核心设备包括点胶机(有气压、柱塞泵、齿轮泵等供料方式)、一体成型的带围坝或反射杯的金属支架,封装材料为双组分或单组份胶水。无论液态环氧树脂还是液态有机硅胶水,基本采用双组分包装方式,这是因为双组分有利于材料的长期存储,但点胶灌封前,他们需经过充分混合达到均一才能使用。为了将胶水与无机材料(例如荧光粉)充分混合,就必须借助于高速双行星分散机,这样才能确保无机材料在有机树脂内的均一分散。混合后的材料需按供应商的推荐操作方法进行LED的封装,并且在规定时间内用毕,否则,无机材料无法在液态胶水中长期稳定分散,会发生团聚和沉降现象。此外,A、B组分混合后,即使在室温储存,也会发生化学交联或吸湿,从而影响材料的黏度稳定。环氧树脂主要以酸酐作为固化剂,配置成加成反应型封装材料,这种环氧树脂是A、B双组分配方。此外,环氧树脂还可以基于阳离子反应机理配置成单组份胶水。这种阳离子反应配方材料更具耐热性和耐高温黄变能力,但碍于催化体系成本高,无法普遍使用,仅仅限定在触变性要求较高的封装领域。用 于LED封装应用的有机硅胶水主要是采用金属铂催化含双键的有机硅氧烷与含硅氢的有机硅氧烷的加成反应体系。该反应体系通常配制成A、B双组分封装材料,它们稳定性好,便于储存。LED封装胶水大部分是热固化的材料,也有部分封装材料为了特殊应用而采用UV光固化体系。对于热固化材料,点胶后,胶水需要经过150度约2-5小时的高温烘烤,实现完全固化封装。当树脂固化时,树脂会发生一定的体积收缩,产生收缩应力,这会对树脂与芯片、芯片与银胶的粘结、金线焊点部位、树脂与支架的结合界面等产生一定影响。因此,封装材料和封装工艺对LED器件的系统稳定性有直接关联,封装工程师需要系统细致研究分析,以确定最佳封装工艺和封装材料。

1.2 基于热固性树脂封装材料的转进塑封(Transfer Molding)技术

Transfer Molding 就是转进塑封技术,由塑封机、芯片及其支撑材料、EMC(Epoxy Molding Compound) 封装树脂三大要素构成。主要塑封机设备的分类和生成经济性总结在表1中。

芯片的支撑有金属支架(leadframe)和基板(PCB substrate)两种。正装芯片由导电或非导电固晶胶粘结在支架或基板上(die bonding),再经过金线(部分产品用铝线或铜线)连接芯片和支撑的接点。倒装芯片则通过锡膏或共晶焊接固定到支撑上,免去金线连接(wire bonding)。

LED封装用环氧树脂塑封料EMC是由环氧树脂、固化剂、特种添加剂组成的半固化、常温为固态的树脂材料,呈圆柱状“饼料”。行业通常以直径35mm、46mm、48mm称为“大饼料”,适用于传统塑封机;而直径13mm、14mm、16mm为“小饼料”,适用于MGP模或全自动模机。EMC在封装温度,通常是150°c下开始融化,在塑封机的传输杆推动下,经过流道,注射入含有芯片的模腔中。EMC在高温下会发生固化反应,而失去流动性,塑封机完成转进注射后,经过几分钟的保压,即可确保EMC固化完全,完成LED封装过程。

图1是EMC注射成型的示意图。

1.3 基于半固化有机硅荧光胶膜的热压合封装技术

胶膜压合技术是近五年新兴的一种中大功率LED的CSP(chip scale package)封装方法。LED CSP结构具有光色均一、散热结构优良、贴装尺寸小等优势,在电视背光、手机背光、车灯、闪光灯、商业照明及智慧照明领域,与传统正装 LED封装形式相比,胶膜压合技术有无法替代的技术优势,将推动LED领域的快速发展。LED行业的CSP概念参考了IC行业的概念,即封装后器件尺寸不超过未封装前裸芯片的1.14倍。LED行业的CSP概念与IC略有不同的是其和倒装芯片技术是紧密结合的,即免除金线连接(Wire Bonding),可直接供灯具厂表贴SMT使用。

图2基于半固化有机硅荧光胶膜的热压合封装技术

封装LED CSP的核心技术是在芯片的五个出光面形成厚度可控、且均匀一致的荧光胶层。在胶膜法技术成熟之前,多采用喷涂荧光胶水的方式在芯片表面形成荧光层。喷涂工艺根据LED色温设计,需要反复喷涂 7-15次才能达到设计要求,因此生产效率不佳。荧光胶膜压合法,借助于精密的压合设备和压合治具、以及半固化荧光胶膜的稳定和均一性,能够以较高精度和效率制作CSP,大幅度地提高生产效率。

LED封装材料的应用现状和发展趋势(上)

图3是胶膜压合法的原理图

荧光胶膜压合法工艺的核心步骤是:倒装芯片在耐热胶膜上阵列置晶、与预制的荧光胶膜在真空压合治具内结合、5-10分钟的真空保压及胶膜固化、硬化胶膜及芯片阵列的切割。真空压合设备需具备上、下模板高精度控温、快速抽真空、软合模行程控制等工艺基本能力。以35mil*35mil的倒装芯片为例,一块标准 100mm*100mm的压合治具可以容纳6000颗芯片阵列;已成熟量产的压合机操作台面,一次性可放置4片标准压合治具,由此可以得出单机台的CSP的生产能力(以压合周期10分钟计)为144K/hr。因此,荧光胶膜压合法是高效率、低成本、易掌控的CSP制造方法。

二、LED封装新兴细分领域的封装材料

按照材料化学组成分类,LED封装材料主要包括环氧树脂和有机硅两大类;而按照封装应用和封装工艺方式分类,封装材料又有更多细分。表2给出了封装材料形态、 封装工艺、封装产品应用及材料供方竞争态势。

LED封装材料的应用现状和发展趋势(上)

2.1 细分市场一: 环氧EMC封装小功率指示用ChipLED

小功率LED用于指示灯的器件采用基板或金属支架封装的ChipLED,因产量大、良率和效率竞争激烈,生产厂商基本采用transfer Molding方式用固态环氧树脂封装。主流产品包括红光、绿光、蓝光和黄光的ChipLED 0603,0805,1206 等,可以是单色、双色或RGB全彩。

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图 4 环氧EMC封装小功率指示用ChipLED

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