超实用！LED封装核心技术难点及装备攻略

互推小编 2023-08-06

LED封装制造主要流程包括固晶、焊线、荧光粉涂覆、透镜成型和测试分选，而其中共晶焊、焊线、涂敷和透镜成型是整个制造过程中的核心技术和装备，本文将对这四大工艺和设备的机理、技术及装备作一简要介绍，以找出我国在发展LED新兴战略产业中亟待攻克的一些技术难题。

1、共晶焊机

目前，鉴于LED共晶技术有广阔的工业应用背景，欧美等发达国家投入了很大精力在LED共晶核心技术攻关上。如下图所示，这些国家对共晶焊设备的研究主要集中在两个方向上：一是共晶热压，通过加热和施加压力来使带有共晶焊料层的芯片和支架(基板)结合在一起；二是共晶回流，通过加热和使用助焊剂来使带有共晶焊料层的芯片和支架结合在一起。

国外相关核心研究和技术成果主要集中在Cree、Lumileds、Osram等国外LED知名企业。Cree公司在大功率LED共晶焊设备研发方面处于领先地位，已经推出了共晶焊封装大功率LED系列产品EZ9004。但是由于工艺复杂，而且需要使用回流焊加热工艺，所以还存在产量低、芯片氧化、浮焊现象、空洞率高等缺点，所以这种设备只能用于研究机构和小批量生产。首尔半导体也推出了共晶焊大功率产品。

近年来，随着我国半导体产业的迅速发展，相关企业和学者开始着手LED共晶焊工艺和设备的研究，一些企业和研究机构致力于介绍和研究共晶焊技术的发展趋势、设备选型等；另一部分通过模仿、改造已经实现了手工LED共晶焊机的国产化；还有一些企业根据贴片机的结构研发出半自动化的LED共晶焊机，但由于贴片机无法解决LED封装过程中芯片氧化、键合压力变化、接触面空洞率等核心问题，所以通过贴片机改造的LED固晶设备还无法商用。近年来在广东省粤港招标专项等支持下，45所和国星光电合作已研制出样机和应用。

当前共晶焊机在以下方面仍是主要的技术难点：

(1)高精度焊接吸嘴的设计与制造；

(2)LED芯片与基板的高速高精度识别和定位；

(3)共晶过程中基于视觉的高精度位置／力控制；

(4)焊接过程中基于特定温度曲线的阶梯式脉冲温度控制。

2、焊线机

目前主要的焊线机提供商有K&S(又称KNS)，ESEC(欧洲半导体设备)，ASM，Kaijo这四家，基本上垄断了主要的金线机市场。国内尚无成熟可靠的金线机产品。其中K&S为美国公司，ESEC为瑞士公司，ASM为中国香港公司，Kaijo为日本公司。

引线键合技术作为焊线机核心技术是指利用热、力、超声能量耦合作用，将半导体芯片外接引线焊盘与基板布线焊盘或电子封装外壳引脚用金属丝相连接的工艺技术，其基本原理如下图所示。首先利用高压电火花(EFO)使穿过劈刀小孔的金属丝端部熔成球状，接着劈刀下行，在一定压力作用下使金属球与芯片焊盘表面接触，经换能器纵向超声振动、劈刀压力及加热能量的共同作用，金属烧球与焊盘接触面产生塑性变形，接触界面氧化膜被破坏，通过接触面金属原子的扩散及晶格位错形成均匀的原子键键合焊点；之后劈刀随键合头升起一段距离后引导引线移向引线框上的焊盘，最后在超声能量、加热能量的耦合作用下完成楔焊(新月形)焊点。

最初采用旋转电机加滚珠丝杠驱动的串联机构形式，如日本Kaijo公司的FB-128引线键合机，键合速度仅为5线／秒。到20世纪90年代，直线电机凭借其卓越性能代替了旋转电机广泛的应用到引线键合设备上，如美国K&S公司的8028引线键合机，定位平台利用广义并联机构，平台由线性导轨支撑，X，Y方向之间运动通过滚动轴承解耦，键合速度达到11线／秒。Kaijo公司通过对直线电机特殊设计，省掉了解耦机构省掉了解耦机构，并将其应用到FB-700引线键合机上，键合速度达到16线／秒。而瑞士ESEC公司利用该结构研制的3200引线键合机，最大键合速度为21线／秒，实验室内达到28线／秒，为目前世界最高水平。

当前高速焊线机的主要技术难点是：

(1)高精度位置／力控制平台技术；

(2)引线键合技术；

(3)键合轨迹规划。

3、荧光粉涂覆机

欧美等发达国家先后在荧光粉技术上投入了大量的研究精力，取得比较领先地位的公司有Cree、Philips Luminleds、Osram、NORDSON、ASYMTEK等，它们掌握了荧光粉喷涂技术、保形涂覆技术、远离涂覆等涂覆技术，但国外各大公司出于自身市场利益的考虑，对相关工艺、核心技术和装备一直实行封锁政策。国内厂商只能采用传统的点胶工艺和技术，常用的国外点胶机有日本武藏MUSASHI、岩下IEI、NAKA公司、仲氏液控NLC公司、美国NORDSON等公司生产的设备。当今以Lumileds公司提出的保形涂层概念已经成为现在功率型白光LED封装技术的一个重要发展方向。目前，国际上先进的白光LED生产厂家(Cree、Philips Luminleds、Osram)已有保形涂层结构的产品开始出售，说明国外先进生产厂家都已经完成了各自的保形涂层技术的开发并在部分产品上得到成功运用。

不同的LED封装工艺，对应着不同的荧光粉涂覆设备。例如，Philips Luminleds最初提出的1W功率型LED封装工艺，目前市面上普遍的SMD封装工艺以及COB集成芯片封装工艺都对应着传统的点胶荧光粉涂覆工艺，需要使用荧光粉点胶设备。如下图所示，点胶的方式主要有：

(1)时间／压力型

由于时间／压力型点胶技术只采用脉动的空气压力和针管就能实现点胶，因此超过70％的点胶系统采用了这种技术。它在胶体粘度中等大小时工作最好，能够点出各种形状图案如点、线等。

(2)计量管型

计量点胶头是时间／压力型点胶技术的进一步发展，它采用新的设计来提高点胶性能。这种技术中有代表性的是阿基米德计量管点胶和活塞式点胶。

(3)活塞型

采用类似活塞—气缸的机构来点胶。首先将胶体引入到一个开口的气缸中，然后由马达驱动的活塞会将气缸密闭并产生运动，直到将腔中的流体全部从点胶头挤出。由于这种方法实际上控制的是气缸内的流体体积而非流体压力，这样就避免了胶体特性变化的影响。不管胶体的粘度如何变化，采用这种技术点出的胶量能够始终保持不变。

而陶瓷基板LED封装技术，或者wafer级荧光粉涂覆技术，则需要使用到高精度荧光粉雾化喷涂设备，目前世界上只有美国NORDSON、ASYMTEK等少数几家公司可以生产。其核心部件荧光粉雾化喷头结构原理图，如下图所示。

当前荧光粉涂覆机的主要技术难点是：

(1)雾化喷涂的机理建模、控制及工艺；

(2)荧光粉涂层的面均匀度控制和厚度控制；

(3)荧光粉浆点喷涂的分布式参数系统建模；

(4)均匀度和厚度的关键视觉检测原理和算法；

(5)高精密荧光粉浆雾化喷头的设计与制造。

4、压模封装机

与荧光粉涂覆设备一样，不同的LED封装结构形式，则需要不同形式的压模封装设备。例如：SMD封装结构形式不需要压模封装设备，只需涂覆荧光粉后将其烘干即可；而陶瓷基板LED封装工艺则需要日本TOWA公司、香港(荷兰)的ASM公司所制造的molding设备；传统1W功率型LED则需要经过不同的几台设备进行扣透明透镜、热压、注胶等工序才能完成其压模封装工艺。

国外能够生产陶瓷基板LED模压封装设备(molding机)的公司有日本TOWA公司、Apic Yama da公司、香港(荷兰)的ASM公司、荷兰FICO公司、韩国HANMI公司等。比较先进的压模封装技术是TOWA公司的压缩成型，其工艺示意图如下图所示。国内常用的模压封装设备主要是TOWA、ApicYamada、ASM等公司的设备。Towa的设备是现在主流的机器，但价格非常昂贵，难于在我国推广应用。

国内生产压模封装设备的公司有台湾的天贺公司、GPM公司、单井工业公司等。大陆基本没有公司能够生产LED的压模封装设备。国内进行压模封装透镜成型中的压模封装，主要是采用人工进行操作。

当前主要的技术难点是：

(1)专用脱模材料的研发与制造；

(2)高精度注胶系统的研发；

(3)全自动压模封装工艺和设备的研发。

5、结论

由于大功率LED在照明中的广泛应用，对大功率LED封装技术的各项性能指标要求越来越高。合适的荧光粉涂覆和压模成型方式，合理的透镜选择和形状变化可有效地提高白光LED的出光效率和使用寿命。新的封装材料、封装工艺、封装理念和透镜材料及结构必然是提高白光LED出光效率的主要研究方向。

目前我国LED封装产业尚存在以下问题：(1)关键装备如荧光粉涂覆机、压模封装机、共晶焊机、贴片机等的国产化仍在起步阶段。(2)关键工艺和技术几乎都被国外几大企业垄断，国内LED封装企业需突破专利封锁。(3)亟待从芯片、材料、设备和应用整个产业链进行战略布局，集中有限资源进行工艺、材料和装备技术创新，以推进我国LED产业的良性发展。

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