LED封裝技術(shù)201308

1、LED封裝技術(shù)概要摘 要該文主要概述的LED封裝過程中提高性能注意事項，以及對在光電性能均符合要求的基礎(chǔ)上，對封裝樣品的可靠性進行評估與驗證，并對失效現(xiàn)象進行分析的理論基礎(chǔ)。通過可靠性試驗與進行失效分析，及時發(fā)現(xiàn)封裝設(shè)計缺陷（特別是集成封裝），并對封裝工藝與設(shè)計方案的改善提供一定依據(jù)；以及對封裝產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計，特別是對散熱要求設(shè)計提供一定參考，避免超出最大承受的應(yīng)力所造成的的產(chǎn)品非正常失效。一、LED封裝（真對白光）技術(shù)性能參數(shù)控制1.1 提高LED封裝光效：（1）選取高發(fā)光效率的芯片；（2）提高熒光粉的激發(fā)效率（薄膜式涂布；芯片波長與發(fā)光粉的激發(fā)波長匹配，即芯片發(fā)出光譜絕大部分能激發(fā)熒光粉）

2、；（3）COB封裝選用大粒徑的熒光粉（>13um,良好的流動性與分散性有利于顆粒均勻分布；粒徑過大缺點，沉降快）；（4）藍光芯片波長選定與熒光粉受激發(fā)波長匹配（確定封裝性能要求，依據(jù)CIE色度圖選擇適合波長的芯片與對應(yīng)的熒光粉）；（5）降低LED熱阻；（6）提高芯片出光效率（接合界面折射率匹配，高透光率的材料【抗UV，防黃變，耐高溫】）。1.2 LED封裝光強空間分布，光色均勻性：出光通道，熒光粉粒度大小，熒光粉調(diào)配防粉沉降，熒光粉涂布工藝精度（均勻度）。1.3 色溫與顯色性控制：熒光粉涂布與均勻性控制。（eg低色溫顯色性控制，采用波長450-452nm的藍光芯片；熒光粉選擇彌補光譜缺陷

3、,如采用長波紅粉（640或650nm）。熒光粉與灌封膠的混配比例控制以及點膠膠量的控制。1.4 AC-HV-SIP 封裝1.4.1. AC-HV驅(qū)動：將驅(qū)動的效率提高10%-20%；將驅(qū)動的價格降低10%-20%。1.4.2. HV芯片制作：芯片級實現(xiàn)微晶粒串并聯(lián)，低電流高電壓，簡化芯片固晶，鍵合數(shù)量，封裝成本降低。單位面積內(nèi)形成多顆微晶粒集成，避免芯片間BIN內(nèi)波長電壓亮度跨度帶來的不一致；（缺點：出光面減小，出光均勻性與眩光加劇；芯片熱阻大）1.4.3.SIP 系統(tǒng)式封裝：SiP（System in Package）是在系統(tǒng)芯片System on Chip（SOC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型

4、封裝集成方式。對SiPLED在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光芯片，以及各種不同類型的器件（如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建成一個更為復(fù)雜的、集成度高的完整系統(tǒng)。注：針對該種封裝方式，在封裝技術(shù)工藝條件較差情況下，首先應(yīng)該進行IC，電子元器件，以及LED芯片的各自獨立封裝后再組成電路系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能進行測試與驗證，再進行可靠性實驗與失效分析，及時發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵組件的缺陷與應(yīng)用設(shè)計缺陷。確認無誤后再進行SiP封裝測試與試驗。這樣容易找出問題原因（器件缺陷，設(shè)計缺陷，還是封裝工藝缺陷）。二、LED封裝關(guān)鍵材料簡要分析2.1 芯片工作電流確定：不同尺寸芯片的導(dǎo)熱性能不同(同樣電流密度的芯片，

5、大尺寸的芯片優(yōu)于小尺寸的芯片；即大尺寸的芯片工作電流較大)；不同材料芯片對溫度的敏感程度不同（紅光芯片耐受溫度強）2.2 灌封膠作用：對芯片進行機械保護，應(yīng)力釋放；一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)；折射率介于芯片和空氣之間，減少光損失?！竟喾饽z需抗UV，防黃變，耐高溫】。2.3硅膠作用：透鏡填充硅膠；LED固晶硅膠按分子鏈基團的種類分：甲基系有機硅膠（大部分，耐侯性更好）；苯基系有機硅膠（成本高，折射率更好）。2.4 基板陶瓷：是Al2O3，chips 襯底也 是Al2O3，熱膨脹系數(shù)相近， 不會因溫度變化而晶粒開焊導(dǎo)致光衰和死燈 。金屬鋁基板：熱膨脹系數(shù)至少比晶 粒襯底大4 倍，溫度變化容 易帶來可靠性問題 。

6、三、LED封裝的可靠性3.1 降低熱阻，提高散熱LED散熱路徑：芯片-粉膠層（-硅膠-透鏡）-環(huán)境；芯片-金線-電極-環(huán)境；芯片-固晶膠（-熱沉-固晶膠）-鋁板-環(huán)境。高導(dǎo)熱系數(shù)材料，導(dǎo)熱能力匹配。各路徑關(guān)鍵材料工藝控制（熒光粉膠層厚度；電氣連接（金線鋁線直徑以及引腳材料）；固晶銀膠（AuSn或AgSn共晶）厚度，熱沉與鋁片的粘合膠改為金屬焊接）3.2防ESD技術(shù)芯片底襯加齊納二極管（內(nèi)置或外置）；制造過程防ESD；3.3機械應(yīng)力防范（熱膨脹系數(shù)-CTE匹配）主要是不同材質(zhì)的接觸表面四、LED失效分析4.1 失效模式（影響因素）芯片，封裝（材料結(jié)構(gòu)性能），熱過應(yīng)力，電過應(yīng)力，裝配共五種4.1.

7、1 芯片（ESD損傷）芯片材料缺陷、電極材料劣化、PN結(jié)結(jié)構(gòu)損傷、芯片電極歐姆接觸不良及芯片污染等引起的失效。藍光LED自身衰減。外延芯片位錯、缺陷、表面和周邊產(chǎn)生電漂移及離子熱擴散。4.1.2封裝LED支架失效：銀層與空氣中硫化氫、 氧化合物、酸、堿、鹽類反應(yīng)，或經(jīng)紫外線照射，發(fā)黃發(fā)黑，并導(dǎo)致密封膠和支架剝離。鍵合線失效：金線失效-虛焊脫焊，工藝不當(dāng)，芯片表面氧化和鋁的金屬間化合物；“紫斑”（AuAl2）和“白斑”（Au2Al）， Au和Al兩種元素的擴散速率不同，導(dǎo)致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋，降低了焊點力學(xué)性能和電學(xué)性能。銅線失效-銅容易被氧化，鍵合工藝不穩(wěn)定硬度、屈服強度等物理參數(shù)

8、高于金和鋁，鍵合時需要更大的超聲能量和鍵合壓力，硅芯片造成損傷。封裝材料（固晶膠、封裝膠等）結(jié)構(gòu)變化（退化）：固化后表面起皺，由收縮所引起膠中添加有溶劑型的硅樹脂造成；環(huán)氧樹脂在短波照射或者長時間高溫下會變黃，透明度降低。熒光粉失效：老化，量子效率降低，黃光成分減少，并導(dǎo)致光輸出的減少和顏色的漂移。4.1.3電應(yīng)力(EOS)失效：在過電應(yīng)力作用下工作，電子元器件局部熱點溫度達到材料熔點時使材料熔化，導(dǎo)致元器件燒毀，形成開路或短路。4.1.4熱應(yīng)力失效：結(jié)溫過高、惡劣環(huán)境等引起的失效。（材料不匹配）4.1.5 裝配(工藝)失效：指的是焊接不良、裝配不當(dāng)?shù)纫鸬氖А?.2 失效類別與現(xiàn)象（1）參

9、數(shù)失效：非正常光衰，色漂移，Vf與Ir變壞，以及光指向性變壞共四種。色溫漂移的機理主要與溫度有關(guān)，但高溫對熒光粉漂移影響不大，主要是熒光膠的膠體在高溫下透明性能變差，造成色溫漂移，光效下降。另外由于高溫，導(dǎo)致藍光芯片發(fā)光效率急劇降低，對熒光粉的激發(fā)總能量減少，從而引起色溫變化（原因COB封裝，中熒光粉的量影響色溫變化），有待驗證。（2）嚴重失效：開路短路，閃爍等注：（3）針對集成封裝，存在電源控制部分失效的可能。關(guān)鍵IC芯片與電子元器件失效機理的分析也是關(guān)鍵。4.3 失效分析方法與失效機理分析失效機理：在某種應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致失效的物理（化學(xué)）變化過程，和對這一過程的解釋；是引起電子元器件失效

10、的實質(zhì)原因。如電遷移開路、電化學(xué)遷移短路等（針對內(nèi)部作用而言）。工程上，有時會把失效原因說成是失效機理（該說法是針對外部應(yīng)力而言）。常見電子元器件失效機理：二次擊穿（熱或電流應(yīng)力，電壓突然跌落、電流突然上升的物理現(xiàn)象，導(dǎo)致PN結(jié)被燒毀）雙極型三極管失效機理；§熱奔（PN結(jié)界面處為一導(dǎo)電物所穿透。即：硅的局部溶解，而產(chǎn)生的鋁“穿刺”透入硅襯底問題的原因，結(jié)穿刺經(jīng)常導(dǎo)致PN結(jié)短路失效）二極管、三極管失效機理；§dI/dt場效應(yīng)管失效機理；§閂鎖效應(yīng)Latch up（PNPN四層結(jié)構(gòu)，在浪涌電壓作用下，電流CMOS電路中固有的寄生可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成

11、低阻大電流通路）CMOS失效機理；§鋁電遷移IC金屬化鋁失效機理；§爆米花（塑料封裝器件封裝材料內(nèi)的水汽在高溫下受熱發(fā)生膨脹，使塑封材料與金屬框架和發(fā)生分層效應(yīng)，拉斷鍵合絲，從而發(fā)生發(fā)生開路失效）塑料封裝失效機理；§界面剪切力界面材料熱失配；§ESD靜電敏感器件失效機理； 金鋁化合物、柯肯德爾效應(yīng)（(300以上)金的擴散速度大于鋁擴散速度，結(jié)果出現(xiàn)了在金層一側(cè)留卜部分原子空隙，在鍵合界面形成空洞，導(dǎo)致鍵合界面強度極具下降，接觸電阻增大，最終導(dǎo)致開路）金鋁鍵合失效機理；§硅鋁共熔接觸窗失效機理；§化學(xué)電遷移（加上電壓，加速電遷移。導(dǎo)致出

12、現(xiàn)短路、耐壓劣化及絕緣性能變壞等失效）Ag、Sn、Cu等金屬的失 效機理（金屬遷移性質(zhì)、水、電場、 離子）；§熱電遷移IC金屬化鋁大電流高溫；§化學(xué)腐蝕腐蝕性離子污染；§應(yīng)力腐蝕機械應(yīng)力引起的腐蝕；熱載流子注入（載流子的溫度超過了晶格溫度，載流子注入電荷積累引起元器件電參數(shù)不穩(wěn)定）；§金屬化鋁電遷移（電子風(fēng)）：在電流作用下，金屬離子沿導(dǎo)體移動，產(chǎn)生質(zhì)量的傳輸，導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)某此部位產(chǎn)生空洞或晶須(小丘)，而在負極端產(chǎn)生空洞，使金屬條斷開；4.3.1 失效分析流程外觀檢測，電測，應(yīng)力試驗分析，故障模擬分析確認失效原因。4.3.2非破壞性分析；內(nèi)部無損探測一般用

13、于檢測電子元器件及多層印制電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如：.內(nèi)引線開路或短路； .粘接缺陷； .封裝裂紋、空洞； .橋連、立碑及器件漏裝； .焊點缺陷(PCB)；設(shè)備：X射線透視系統(tǒng)（對MOS管存在損傷風(fēng)險）；掃描聲學(xué)顯微系統(tǒng)4.3.3半破壞性分析：光學(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)破壞，但還保留電性能，對內(nèi)部進行非破壞的分析。塑封化學(xué)法:硫酸/硝酸SIMS分析技術(shù)五、LED壽命（可靠度）試驗方法與理論基礎(chǔ)5.1試驗樣品選?。?）選取同一系列有代表性的型號，第一次抽樣測試，進行老化篩選一致性樣品（目的：剔除快退化和突然失效器件）；（2）數(shù)量確定：每個應(yīng)力水平下的小功率樣品數(shù)量不少于10只，功率型產(chǎn)品不少于5只。5.2 應(yīng)力

14、要求一般情況下，一個完整的加速壽命試驗其應(yīng)力水平應(yīng)不少于3個：最高應(yīng)力，最低應(yīng)力，技術(shù)標準中規(guī)定的額定值（注：最高應(yīng)力水平不得大于該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)材料、制造工藝所內(nèi)承受的極限應(yīng)力，以免帶進新的失效機理）。5.3 失效判據(jù)(1) 參數(shù)失效: GB/T24823-2009 普通照明用LED模塊性能要求（常溫）光通維持率：3000H92%；6000H88%；燃點70%額定壽命70%；平均顏色漂移：u/v：3000H-±0.004；6000H-±0.006。能源之星燈具LED壽命達3.5萬h: 老化1000h做初值，3000h96%,6000h92%，10000h86%；同時u，v色度

15、變化保持在0.007 內(nèi)。(其它：Vf與Ir變壞Vf增大；Vr=5V的條件下，反向電流：Ir5µA)(2) 嚴重失效：開路短路，閃爍等。(3) 由于器件向失效發(fā)展的機理不同，其能量勢壘的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一樣。所以根據(jù)激活能量值Ea推出失效機理，據(jù)此改進器件設(shè)計和生產(chǎn)工藝。某一批次器件的Ea可看出近似相同。5.3 試驗截尾時間應(yīng)使失效數(shù)r大于或等于投試樣品數(shù)n 的30%，當(dāng)失效數(shù)無法達到30%n時，至少有r4。試驗過程中由于非產(chǎn)品本身原因所造成的失效不應(yīng)計入失效數(shù)內(nèi)。5.4 測試要求（1）測量方法及要求應(yīng)符合SJ/T 23552006。（2）測試間隔時間：長短與施加

16、應(yīng)力的大小有關(guān)，施加應(yīng)力小，則測試間隔長；施加應(yīng)力大，則測試間隔短。每個加速應(yīng)力水平下的壽命試驗的測試數(shù)據(jù)點數(shù)m不應(yīng)少于5個（m5）。（3）試驗中取出樣品進行測試時間：到再次投入樣品繼續(xù)進行試驗的時間一般不應(yīng)超過24小時。（4）測試：同一測試儀器和工具，如必須更換時，則必須經(jīng)過計量，以便保證測試精度。5.5 可靠度R(t)R(t)=(N-n(t)/N其中，R(t)為工作時間為t未失效的樣品率，N為試驗樣品數(shù)，n(t) 為工作時間為t失效的樣品數(shù)。5.6 測試誤差處理為減少試驗數(shù)據(jù)的誤差，第一個數(shù)據(jù)點的退化量應(yīng)大于儀器測量誤差；可以采用圖估法(在概率紙上描點劃線或運用計算機)進行線性擬合。按GB

17、 2689.281采用圖估法對結(jié)果有效性的判斷5.7 光通量試驗數(shù)據(jù)處理理論基礎(chǔ)（1）結(jié)溫（Tj）的計算對于小功率LED：Tj= Ta + VF*IF*Rj-a對于功率型LED：Tj= Ta +( VF*IFPt )*(Rj-c + Rc-h + Rh-a)式中: Ta為環(huán)境溫度（本試驗的烘箱溫度為環(huán)境溫度）；VF為正向電壓；輸出功率Pt較小時可以忽略不計。Rj-c為結(jié)到殼的熱阻；Rc-h為殼到熱沉的熱阻，當(dāng)Rc-h在最佳情況下，計算時可以忽略不計；Rh-a為熱沉到環(huán)境的熱阻。（2）溫度應(yīng)力加速模型：阿侖尼斯（Arrhenius）模型= IF*0exp(-Ea/k Tj)式中IF為工作電流，0

18、為常數(shù)；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)(8.62×10-5ev)；Tj為結(jié)溫（絕對溫度）。（3）光通量衰減（70%）作為單一失效判據(jù)Pt= P0*exp(-t)其中，P0為初始光通量；Pt為加溫加電后對應(yīng)某一工作時間的光通量；為某一結(jié)溫下的退化系數(shù)；t為某一產(chǎn)品的試驗截止時間某一結(jié)溫下的工作壽命：Lc,i=ti（lnC/(lnPc,i/Pc,i)其中，光通量維持率為C=Pt/ P0；Lc,i為光通量維持率為C，結(jié)溫為i條件下的工作壽命。（注：若光通量出現(xiàn)先上升再下降的情況（如加長余輝熒光粉），Lc,iT2T1；其中T1為光通量開始線性減產(chǎn)的時間點，LED的實際壽命周期為T2：（4）常溫（25）工作壽命的推算（單顆）（5）可靠度壽命(Tr)：同一型號或同一批產(chǎn)品或系列產(chǎn)品壽命的推斷產(chǎn)品的失效分布屬指數(shù)分布規(guī)律，則：Tr=(-lnr/) 其中，r為可靠度，為失效率5.8 色坐標漂移驗證數(shù)據(jù)處理：威布爾分布圖估法六、LED可靠性試驗參照