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          昆山麥碩電子分析:各種電子封裝工藝技術
          [2019-05-11]

          昆山麥碩電子分析:各種電子封裝工藝技術



            

                  電子封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立,又相互影響。其中,光是LED電子封裝的目的,熱是關鍵,電、結構與工藝是手段,而性能是電子封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言,電子封裝設計應與芯片設計同時進行,即芯片設計時就應該考慮到電子封裝結構和工藝。否則,等芯片制造完成后,可能由于電子封裝的需要對芯片結構進行調整,從而延長了電子產品研發周期和工藝成本,有時甚至不可能。 

                  具體而言,電子封裝的關鍵技術有下列幾個。




          (一)低熱阻電子封裝工藝

           

            對于現有的光效水平而言,由于輸入電能的80%左右轉變成為熱量,且芯片面積小,因此,芯片散熱是電子封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、電子封裝材料選擇(基板材料、熱界面材料)與工藝、熱沉設計等。

            電子封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結構)內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量,并傳導到熱沉上,實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬(如鋁,銅)、陶瓷(如,AlN,SiC)和復合材料等。


            研究表明,電子封裝界面對熱阻影響也很大,如果不能正確處理界面,就難以獲得良好的散熱效果。因此,芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)選擇十分重要。采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料,可大大降低界面熱阻。



          (二)高取光率電子封裝結構與工藝

           

            在使用過程中,輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失,主要包括三個方面:芯片內部結構缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此,很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠),由于該膠層處于芯片和空氣之間,從而有效減少了光子在界面的損失,提高了取光效率。此外,灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護,應力釋放,并作為一種光導結構。因此,要求其透光率高,折射率高,熱穩定性好,流動性好,易于噴涂。為提高電子封裝的可靠性,還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。


                 目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高,折射率大,熱穩定性好,應力小,吸濕性低等特點,明顯優于環氧樹脂,在電子封裝中得到廣泛應用,但成本較高。研究表明,提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失,提高外量子效率,但硅膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高,硅膠內部的熱應力加大,導致硅膠的折射率降低,從而影響光效和光強分布。

            熒光粉的作用在于光色復合,形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學)等,其中,發光效率和轉換效率是關鍵。


            總體而言,為提高的出光效率和可靠性,電子封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢,通過將熒光粉內摻或外涂于玻璃表面,不僅提高了熒光粉的均勻度,而且提高了電子封裝效率。此外,減少出光方向的光學界面數,也是提高出光效率的有效措施。



          (三)陣列電子封裝與系統集成技術

           

            經過40多年的發展,LED電子封裝技術和結構先后經歷了四個階段。

          1、引腳式(Lamp)LED電子封裝

            引腳式電子封裝就是常用的3-5mm電子封裝結構。一般用于電流較?。?0-30mA),功率較低(小于0.1W)的LED電子封裝。主要用于儀表顯示或指示,大規模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于電子封裝熱阻較大(一般高于100K/W),壽命較短。



          2、表面組裝(貼片)式(SMT-LED)電子封裝

            表面組裝技術(SMT)是一種可以直接將電子封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種電子封裝技術。具體而言,就是用特定的工具或設備將芯片引腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上,然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB 表面上,經過波峰焊或再流焊后,使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點,是電子行業最流行的一種電子封裝技術和工藝。



          3、板上芯片直裝式(COB)LED電子封裝

            COB是Chip On Board(板上芯片直裝)的英文縮寫,是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上,再通過引線鍵合實現芯片與PCB板間電互連的電子封裝技術。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環氧樹脂),也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(如鋁基板或覆銅陶瓷基板等)。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合(金絲球焊)和常溫下的超聲波鍵合(鋁劈刀焊接)。COB技術主要用于大功率多芯片陣列的LED電子封裝,同SMT相比,不僅大大提高了電子封裝功率密度,而且降低了電子封裝熱阻(一般為6-12W/m.K)。



          4、系統電子封裝式(SiP)LED電子封裝

            SiP(System in Package)是近幾年來為適應整機的便攜式發展和系統小型化的要求,在系統芯片System on Chip(SOC)基礎上發展起來的一種新型電子封裝集成方式。對SiP-LED而言,不僅可以在一個電子封裝內組裝多個發光芯片,還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學微結構、傳感器等)集成在一起,構建成一個更為復雜的、完整的系統。同其他電子封裝結構相比,SiP具有工藝兼容性好(可利用已有的電子電子封裝材料和工藝),集成度高,成本低,可提供更多新功能,易于分塊測試,開發周期短等優點。




          (四)電子封裝大生產技術

           

            晶片鍵合(Wafer bonding)技術是指芯片結構和電路的制作、電子封裝都在晶片(Wafer)上進行,電子封裝完成后再進行切割,形成單個的芯片(Chip);與之相對應的芯片鍵合(Die bonding)是指芯片結構和電路在晶片上完成后,即進行切割形成芯片(Die),然后對單個芯片進行電子封裝(類似現在的電子封裝工藝)。很明顯,晶片鍵合電子封裝的效率和質量更高。由于電子封裝費用在大功率LED器件制造成本中占了很大比例,因此,改變現有的電子封裝形式(從芯片鍵合到晶片鍵合),將大大降低電子封裝制造成本。此外,晶片鍵合電子封裝還可以提高器件生產的潔凈度,防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞,提高電子封裝成品率和可靠性,因而是一種降低電子封裝成本的有效手段。


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