高亮度矩阵式LED封装挑战和解决方案

文章摘要： 矩阵式LED封装能获得更高流明每瓦的发光效率。在封装高亮度矩阵式LED的时候，低温共晶键合以及引线键合是两道关键的步骤。近几年发光二极管（LED）的应用在不断增长，其市场覆盖范围很广。包括像指示灯、聚光灯和头灯这样的汽车照明应用，显示背光和照相机闪光灯等照相功能，LED显示器背光和投射系统等消费产品，建筑物的特色照明和标志等建筑应用。LED亮度高、发光效率高且反应速度快。由于功耗低，使用寿命长，放热少且可发出彩色光等特点，已经在很多方面替代了白炽灯。随着LED效率的不断提高，产生的每瓦特流明量不断增大，LED照明变得越来越接近实际。比如在2003年，一个相当于3000lm的荧光灯管需

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     矩阵式LED封装能获得更高流明每瓦的发光效率。在封装高亮度矩阵式LED的时候，低温共晶键合以及引线键合是两道关键的步骤。

　　近几年发光二极管（LED）的应用在不断增长，其市场覆盖范围很广。包括像指示灯、聚光灯和头灯这样的汽车照明应用，显示背光和照相机闪光灯等照相功能，LED显示器背光和投射系统等消费产品，建筑物的特色照明和标志等建筑应用。LED亮度高、发光效率高且反应速度快。由于功耗低，使用寿命长，放热少且可发出彩色光等特点，已经在很多方面替代了白炽灯。

　　随着LED效率的不断提高，产生的每瓦特流明量不断增大，LED照明变得越来越接近实际。比如在2003年，一个相当于3000lm的荧光灯管需要采用1300个以上的30lm/W LED才能获得相当的效果。但到2005年，获得同样的荧光灯管发光效果所需的LED数目减少了20倍，只需50个左右，每个LED的发光效率为50lm/W或者更高，发光强度为60lm。

　　LED生产有四个环节，或者说涉及四个领域。第一个环节称作产品环节0，指生产器件本身。产品环节1是一级封装，这指的是通过芯片黏附和引线键合的方法将器件连接至电源上，形成表面贴装封装。产品环节2是指二级封装。将多个一级封装放在一起，形成像外部信号或室外照明灯应用所需的光输出。产品环节3是对整个系统或解决方案进行系统封装。

　　一级LED封装包括单个LED和复杂的LED矩阵的封装。在标准的LED阵列中，每个LED被连接至基板电极上，LED可分开处理或连接在一起。这种类型的封装多数是利用环氧树脂粘黏芯片。对于室外照明或背投屏幕照明等高亮度LED应用，需要采用矩阵结构的LED。在这种结构里，LED被紧密地将行与列排列起来，以获得尽可能多的光。图1是LED矩阵图，它们一起工作时可产生巨大的流明量。LED的数目和排列紧密程度要求芯片黏附材料的导热性能良好，以保持LED尽可能低温。

　　矩阵式LED封装是生产中许多系统的基础。它们现在才流行起来是因为这种结构能获得更多的流明每瓦功率。不过与单芯片封装相比，矩阵式LED封装对于芯片粘合和引线键合带来了很大挑战。高亮度LED应用要求热传输最大，才能满足性能要求。

　　封装高亮度LED

　　矩阵式LED工艺步骤包括材料准备、芯片的拾放、脉冲回流、清洁、引线键合及测试。下面的讨论将主要集中在脉冲回流（低温共晶键合）和引线键合步骤。示例为9×8的290祄 LED矩阵，采用AuSn粘合法。LED在列方向电气连接在一起。目标是利用冶金共晶互连将LED和基板连在一起，根据部件容差（约1mil的空隙）将LED尽可能紧密地布置。图2所示为该290祄 LED矩阵。

图1. 矩阵式LED

图2. 在引线键合前将290祄 LED矩阵黏附至AuSn上

　　脉冲回流

　　LED封装工艺的关键，是避免在二极管及其基板的共晶焊料处生成孔洞，产生稳定光传输所需的热连接和电连接由焊料完成。共晶芯片粘合剂将二极管产生的巨大热能传输出去，以保持器件的热稳定性。控制共晶粘合工艺是获得高成品率和可靠性的关键。

　　精确的共晶部件粘合包括三点：二极管的拾放，利用可编程的x、y或z轴方向搅拌法对成型前或镀锡前的器件进行在位回流，以及可编程脉冲式加热或稳态温度。要获得优化的热传导焊接界面，粘合工艺的温度曲线必须是可重复的，具有高温上升速率的能力。当界面温度升高至适当的共晶温度时，加热机制必须保持在设定好的温度下，温度过冲要尽可能小。经过一定的回流时间后，系统将控制加热机制冷却下来，将二级管的损伤减至最小，这样共晶材料就能达到冶金平衡。这种平衡是通过同时应用有源热电脉冲加热和冷却气体来实现的。

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