昆山麥碩電子分析：各種電子封裝工藝技術(shù)

        電子封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)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(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是電子封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，電子封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進行，即芯片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到電子封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了電子產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。 

        具體而言，電子封裝的關(guān)鍵技術(shù)有下列幾個。

（一）低熱阻電子封裝工藝

　　對于現(xiàn)有的光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)計等。

　　電子封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實現(xiàn)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(fù)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(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)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(jié)構(gòu)與工藝

　　在使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)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(yīng)力、耐老化等特性。

       目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在電子封裝中得到廣泛應(yīng)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(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)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(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)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(nèi)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(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。

（三）陣列電子封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)

　　經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED電子封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)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(jié)構(gòu)。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(guī)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(shù)（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(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)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(jīng)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(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是電子行業(yè)最流行的一種電子封裝技術(shù)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(xiàn)芯片與PCB板間電互連的電子封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂），也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)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(shù)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(tǒng)電子封裝式（SiP）LED電子封裝

　　SiP（System in Package）是近幾年來為適應(yīng)整機的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片System on Chip（SOC）基礎(chǔ)上發(fā)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(nèi)組裝多個發(fā)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(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、完整的系統(tǒng)。同其他電子封裝結(jié)構(gòu)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(fā)周期短等優(yōu)點。

（四）電子封裝大生產(chǎn)技術(shù)

　　晶片鍵合（Wafer bonding）技術(shù)是指芯片結(jié)構(gòu)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(yīng)的芯片鍵合（Die bonding）是指芯片結(jié)構(gòu)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(xiàn)在的電子封裝工藝）。很明顯，晶片鍵合電子封裝的效率和質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)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。