高亮度矩阵式LED封装挑战和解决方案

　　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。

　　LED矩阵封装是对温度非常敏感的工艺，在封装过程中需要谨慎控制。在设计在位共晶芯片粘合工艺的回流温度曲线时，需要提供恒定的熔化和无孔洞粘合界面——这对于二极管的温度平稳输出以及在LED工作时保持温度稳定是必要的。

　　本例采用了金属线加固脉冲热量回流。在脉冲加热周期中，利用一个伺服系统控制的上升曲线使温度从预热温度上升到回流温度，与传统的加热器相比，这样温度过冲会很低。温度曲线的可重复性对该工艺而言是很关键的，它可进行适当的共晶浸润，使孔洞极少且不会损伤LED。所需的温度曲线取决于基板所使用的材料、基板的尺寸和焊料的成分。采用只需点击操作的可编程曲线进行浸润，形成温度命令曲线。该系统在引线键合过程中捕捉实际的温度曲线，具有工艺可追溯性。脉冲式加热曲线控制使得LED矩阵可进行批回流，降低了整体周期时间并使高温时间尽可能的短，可保护对温度敏感的LED器件。

　　引线键合

　　一旦LED粘合后，采用键合线完成互连。高密度、高频率的LED矩阵格式要求LED采用金属线进行互连。尽管有多种引线键合的方法，如球形焊和楔形焊，试验数据表明采用球形焊接机进行的链状焊互连可获得最好的结果。对于标准的球形/针脚焊，先形成球形，再将引线拉至针脚处键合，形成LED的互连。链形键合是球形/针脚焊的变体，针脚并不是终端，在它的上面又进行了线圈-针脚复合，以完成链式引线键合组。图3显示了利用引线键合机进行链式焊接，设置一个球-线弧-中间针脚-线弧-中间针脚-线弧。最后是一个线弧针脚，在每个终端针脚上形成一个球形针脚保证连接。这并不是全新的技术，但通过材料选择和软件工具对它做进一步的开发。链形焊使得产率更高，因为它形成标准球形焊不必要形成无空气球体。此外由于链形焊针脚的形状，它存在的光闭塞会较少；并且拉力测试结果也证明它具有更好的拉拔强度。

图3. 具有安全连接的链状焊

　　LED的矩阵式组装可获得更大发光强度、更高亮度的LED。由于热的高浓度以及要求高频引线键合连接，这种结构对封装构成了挑战。在LED密集的区域中必须精确放置键合线，这种连接拥有稳定的线弧形状，由于热扰动幅度较大，连接强度还应足够强，以承受机械冲击和应力。封装工艺中有三个步骤很关键。第一个步骤是高度精确地拾放芯片，能在LED的几何公差范围内实现矩阵式LED应用。第二，有必要使用脉冲式加热控制批共晶回流芯片粘合工艺进行组装生产、LED保护并获得较好的热导性，以及低风险、高质量的产品性能。第三，链式连接为所有的LED提供极好的阵列电气和机械连接。坚持采用这些封装工艺可获得高亮度以及较好的散热效果，实现最大的出光效率。