LED封裝核心技術(shù)難點及裝備攻略
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間: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、透鏡成型和測試分選，而其中共晶焊、焊線、涂敷和透鏡成型是整個制造過程中的核心技術(shù)和裝備，本文將對這四大工藝和設(shè)備的機理、技術(shù)及裝備作一簡要介紹，商業(yè)照明燈具，以找出我國在發(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
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)達國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，這些國家對共晶焊設(shè)備的研究主要集中在兩個方向上：一是共晶熱壓，通過加熱和施加壓力來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，通過加熱和使用助焊劑來使帶有共晶焊料層的芯片和支架結(jié)合在一起。
國外相關(guān)核心研究和技術(shù)成果主要集中在CREE、Lumileds、Osram等國外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，所以這種設(shè)備只能用于研究機構(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，隨著我國半導(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)和研究機構(gòu)致力于介紹和研究共晶焊技術(shù)的發(fā)展趨勢、設(shè)備選型等；另一部分通過模仿、改造已經(jīng)實現(xiàn)了手工LED共晶焊機的國產(chǎn)化；還有一些企業(yè)根據(jù)貼片機的結(jié)構(gòu)研發(fā)出半自動化的LED共晶焊機，但由于貼片機無法解決LED封裝過程中芯片氧化、鍵合壓力變化、接觸面空洞率等核心問題，所以通過貼片機改造的LED固晶設(shè)備還無法商用。近年來在廣東省粵港招標專項等支持下，45所和國星光電合作已研制出樣機和應(yīng)用。
當前共晶焊機在以下方面仍是主要的技術(shù)難點：
(1)高精度焊接吸嘴的設(shè)計與制造；
(2)LED芯片與基板的高速高精度識別和定位；
(3)共晶過程中基于視覺的高精度位置／力控制；
(4)焊接過程中基于特定溫度曲線的階梯式脈沖溫度控制。
2、焊線機
目前主要的焊線機提供商有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市場。國內(nèi)尚無成熟可靠的金線機產(chǎn)品。其中K&S為美國公司，ESEC為瑞士公司，ASM為中國香港公司，Kaijo為日本公司。
引線鍵合技術(shù)作為焊線機核心技術(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與基板布線焊盤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表面接觸，辦公照明，經(jīng)換能器縱向超聲振動、劈刀壓力及加熱能量的共同作用，超市照明， led服裝照明，金屬燒球與焊盤接觸面產(chǎn)生塑性變形，接觸界面氧化膜被破壞，通過接觸面金屬原子的擴散及晶格位錯形成均勻的原子鍵鍵合焊點；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，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。
最初采用旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠驅(qū)動的串聯(lián)機構(gòu)形式，家用照明，如日本Kaijo公司的FB-128引線鍵合機，鍵合速度僅為5線／秒。到20世紀90年代，直線電機憑借其卓越性能代替了旋轉(zhuǎn)電機廣泛的應(yīng)用到引線鍵合設(shè)備上，如美國K&S公司的8028引線鍵合機，定位平臺利用廣義并聯(lián)機構(gòu)，平臺由線性導(dǎo)軌支撐，X，Y方向之間運動通過滾動軸承解耦，鍵合速度達到11線／秒。Kaijo公司通過對直線電機特殊設(shè)計，省掉了解耦機構(gòu)省掉了解耦機構(gòu)，并將其應(yīng)用到FB-700引線鍵合機上，LED照明工程，鍵合速度達到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，最大鍵合速度為21線／秒，實驗室內(nèi)達到28線／秒，為目前世界最高水平。
當前高速焊線機的主要技術(shù)難點是：
(1)高精度位置／力控制平臺技術(shù)；
(2)引線鍵合技術(shù)；
(3)鍵合軌跡規(guī)劃。
3、熒光粉涂覆機
歐美等發(fā)達國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)、遠離涂覆等涂覆技術(shù)，但國外各大公司出于自身市場利益的考慮，對相關(guān)工藝、核心技術(shù)和裝備一直實行封鎖政策。國內(nèi)廠商只能采用傳統(tǒng)的點膠工藝和技術(shù)，常用的國外點膠機有日本武藏MUSASHI、巖下IEI、NAKA公司、仲氏液控NLC公司、美國NORDSON等公司生產(chǎn)的設(shè)備。當今以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)的一個重要發(fā)展方向。目前，國際上先進的白光LED生產(chǎn)廠家(Cree、Philips Luminleds、Osram)已有保形涂層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開始出售，說明國外先進生產(chǎn)廠家都已經(jīng)完成了各自的保形涂層技術(shù)的開發(fā)并在部分產(chǎn)品上得到成功運用。
不同的LED封裝工藝，對應(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應(yīng)著傳統(tǒng)的點膠熒光粉涂覆工藝，LED-T5一體化燈管，需要使用熒光粉點膠設(shè)備。如下圖所示，點膠的方式主要有：
(1)時間／壓力型
由于時間／壓力型點膠技術(shù)只采用脈動的空氣壓力和針管就能實現(xiàn)點膠，因此超過70％的點膠系統(tǒng)采用了這種技術(shù)。它在膠體粘度中等大小時工作最好，LED照明企業(yè)，能夠點出各種形狀圖案如點、線等。
(2)計量管型
計量點膠頭是時間／壓力型點膠技術(shù)的進一步發(fā)展，它采用新的設(shè)計來提高點膠性能。這種技術(shù)中有代表性的是阿基米德計量管點膠和活塞式點膠。
(3)活塞型
采用類似活塞—氣缸的機構(gòu)來點膠。首先將膠體引入到一個開口的氣缸中，然后由馬達驅(qū)動的活塞會將氣缸密閉并產(chǎn)生運動，直到將腔中的流體全部從點膠頭擠出。由于這種方法實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。
當前熒光粉涂覆機的主要技術(shù)難點是：
(1)霧化噴涂的機理建模、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)鍵視覺檢測原理和算法；
(5)高精密熒光粉漿霧化噴頭的設(shè)計與制造。
4、壓模封裝機
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)過不同的幾臺設(shè)備進行扣透明透鏡、熱壓、注膠等工序才能完成其壓模封裝工藝。
國外能夠生產(chǎn)陶瓷基板LED模壓封裝設(shè)備(molding機)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HANMI公司等。比較先進的壓模封裝技術(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)在主流的機器，但價格非常昂貴，難于在我國推廣應(yīng)用。
國內(nèi)生產(chǎn)壓模封裝設(shè)備的公司有臺灣的天賀公司、GPM公司、單井工業(yè)公司等。大陸基本沒有公司能夠生產(chǎn)LED的壓模封裝設(shè)備。國內(nèi)進行壓模封裝透鏡成型中的壓模封裝，主要是采用人工進行操作。
當前主要的技術(shù)難點是：
(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，對大功率LED封裝技術(shù)的各項性能指標要求越來越高。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LED封裝產(chǎn)業(yè)尚存在以下問題：(1)關(guān)鍵裝備如熒光粉涂覆機、壓模封裝機、共晶焊機、貼片機等的國產(chǎn)化仍在起步階段。(2)關(guān)鍵工藝和技術(shù)幾乎都被國外幾大企業(yè)壟斷，國內(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)用整個產(chǎn)業(yè)鏈進行戰(zhàn)略布局，集中有限資源進行工藝、材料和裝備技術(shù)創(chuàng)新，以推進我國LED產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。
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