馮亞凱 天津大學化工學院教授
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)照明白皮書》關鍵材料 顧問
譚雨涵 北京十三中學
一、LED封裝技術與材料綜述
LED是半導體發(fā)光二極管，現(xiàn)已廣泛應用于照明、顯示、信息和傳感器等諸多領域。LED器件按功率及用途要求，采用相應的封裝材料，主要包括環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂和無機封裝材料等。
封裝材料和封裝工藝、封裝設備需要互相匹配，他們基本是一一對應的關系。LED封裝的主流方式有以下幾種:
1)基于液態(tài)膠水的點膠灌封;
2)基于固態(tài) EMc 的Transfer Molding轉進注射成型;
3)基于半固化膠膜的真空壓合成型;
4)其他特殊封裝方式，如基于液態(tài)樹脂的模具注射成型、基于觸變膠水的刷涂或印刷、噴涂等封裝工藝。
1.1 點膠灌封技術
點膠灌封技術是LED封裝常用的標準工藝，點膠工藝的核心設備包括點膠機(有氣壓、柱塞泵、齒輪泵等供料方式)、一體成型的帶圍壩或反射杯的金屬支架，封裝材料為雙組分或單組份膠水。無論液態(tài)環(huán)氧樹脂還是液態(tài)有機硅膠水，基本采用雙組分包裝方式，這是因為雙組分有利于材料的長期存儲，但點膠灌封前，他們需經(jīng)過充分混合達到均一才能使用。為了將膠水與無機材料(例如熒光粉)充分混合，就必須借助于高速雙行星分散機，這樣才能確保無機材料在有機樹脂內(nèi)的均一分散。混合后的材料需按供應商的推薦操作方法進行LED的封裝，并且在規(guī)定時間內(nèi)用畢，否則，無機材料無法在液態(tài)膠水中長期穩(wěn)定分散，會發(fā)生團聚和沉降現(xiàn)象。此外，A、B組分混合后，即使在室溫儲存，也會發(fā)生化學交聯(lián)或吸濕，從而影響材料的黏度穩(wěn)定。環(huán)氧樹脂主要以酸酐作為固化劑，配置成加成反應型封裝材料，這種環(huán)氧樹脂是A、B雙組分配方。此外，環(huán)氧樹脂還可以基于陽離子反應機理配置成單組份膠水。這種陽離子反應配方材料更具耐熱性和耐高溫黃變能力，但礙于催化體系成本高，無法普遍使用，僅僅限定在觸變性要求較高的封裝領域。用 于LED封裝應用的有機硅膠水主要是采用金屬鉑催化含雙鍵的有機硅氧烷與含硅氫的有機硅氧烷的加成反應體系。該反應體系通常配制成A、B雙組分封裝材料，它們穩(wěn)定性好，便于儲存。LED封裝膠水大部分是熱固化的材料，也有部分封裝材料為了特殊應用而采用UV光固化體系。對于熱固化材料，點膠后，膠水需要經(jīng)過150度約2-5小時的高溫烘烤，實現(xiàn)完全固化封裝。當樹脂固化時，樹脂會發(fā)生一定的體積收縮，產(chǎn)生收縮應力，這會對樹脂與芯片、芯片與銀膠的粘結、金線焊點部位、樹脂與支架的結合界面等產(chǎn)生一定影響。因此，封裝材料和封裝工藝對LED器件的系統(tǒng)穩(wěn)定性有直接關聯(lián)，封裝工程師需要系統(tǒng)細致研究分析，以確定最佳封裝工藝和封裝材料。
1.2 基于熱固性樹脂封裝材料的轉進塑封(Transfer Molding)技術
Transfer Molding 就是轉進塑封技術，由塑封機、芯片及其支撐材料、EMC(Epoxy Molding Compound) 封裝樹脂三大要素構成。主要塑封機設備的分類和生成經(jīng)濟性總結在表1中。
芯片的支撐有金屬支架(leadframe)和基板(PCB substrate)兩種。正裝芯片由導電或非導電固晶膠粘結在支架或基板上(die bonding)，再經(jīng)過金線(部分產(chǎn)品用鋁線或銅線)連接芯片和支撐的接點。倒裝芯片則通過錫膏或共晶焊接固定到支撐上，免去金線連接(wire bonding)。
LED封裝用環(huán)氧樹脂塑封料EMC是由環(huán)氧樹脂、固化劑、特種添加劑組成的半固化、常溫為固態(tài)的樹脂材料，呈圓柱狀“餅料”。行業(yè)通常以直徑35mm、46mm、48mm稱為“大餅料”，適用于傳統(tǒng)塑封機;而直徑13mm、14mm、16mm為“小餅料”，適用于MGP?；蛉詣幽C。EMC在封裝溫度，通常是150°c下開始融化，在塑封機的傳輸桿推動下，經(jīng)過流道，注射入含有芯片的模腔中。EMC在高溫下會發(fā)生固化反應，而失去流動性，塑封機完成轉進注射后，經(jīng)過幾分鐘的保壓，即可確保EMC固化完全，完成LED封裝過程。
圖1是EMC注射成型的示意圖
1.3 基于半固化有機硅熒光膠膜的熱壓合封裝技術
膠膜壓合技術是近五年新興的一種中大功率LED的CSP(chip scale package)封裝方法。LED CSP結構具有光色均一、散熱結構優(yōu)良、貼裝尺寸小等優(yōu)勢，在電視背光、手機背光、車燈、閃光燈、商業(yè)照明及智慧照明領域，與傳統(tǒng)正裝 LED封裝形式相比，膠膜壓合技術有無法替代的技術優(yōu)勢，將推動LED領域的快速發(fā)展。LED行業(yè)的CSP概念參考了IC行業(yè)的概念，即封裝后器件尺寸不超過未封裝前裸芯片的1.14倍。LED行業(yè)的CSP概念與IC略有不同的是其和倒裝芯片技術是緊密結合的，即免除金線連接(Wire Bonding)，可直接供燈具廠表貼SMT使用。
圖2基于半固化有機硅熒光膠膜的熱壓合封裝技術
封裝LED CSP的核心技術是在芯片的五個出光面形成厚度可控、且均勻一致的熒光膠層。在膠膜法技術成熟之前，多采用噴涂熒光膠水的方式在芯片表面形成熒光層。噴涂工藝根據(jù)LED色溫設計，需要反復噴涂 7-15次才能達到設計要求，因此生產(chǎn)效率不佳。熒光膠膜壓合法，借助于精密的壓合設備和壓合治具、以及半固化熒光膠膜的穩(wěn)定和均一性，能夠以較高精度和效率制作CSP，大幅度地提高生產(chǎn)效率。
圖3是膠膜壓合法的原理圖
熒光膠膜壓合法工藝的核心步驟是：倒裝芯片在耐熱膠膜上陣列置晶、與預制的熒光膠膜在真空壓合治具內(nèi)結合、5-10分鐘的真空保壓及膠膜固化、硬化膠膜及芯片陣列的切割。真空壓合設備需具備上、下模板高精度控溫、快速抽真空、軟合模行程控制等工藝基本能力。以35mil*35mil的倒裝芯片為例，一塊標準 100mm*100mm的壓合治具可以容納6000顆芯片陣列;已成熟量產(chǎn)的壓合機操作臺面，一次性可放置4片標準壓合治具，由此可以得出單機臺的CSP的生產(chǎn)能力(以壓合周期10分鐘計)為144K/hr。因此，熒光膠膜壓合法是高效率、低成本、易掌控的CSP制造方法。
二、LED封裝新興細分領域的封裝材料
按照材料化學組成分類，LED封裝材料主要包括環(huán)氧樹脂和有機硅兩大類;而按照封裝應用和封裝工藝方式分類，封裝材料又有更多細分。表2給出了封裝材料形態(tài)、 封裝工藝、封裝產(chǎn)品應用及材料供方競爭態(tài)勢。
2.1 細分市場一: 環(huán)氧EMC封裝小功率指示用ChipLED
小功率LED用于指示燈的器件采用基板或金屬支架封裝的ChipLED，因產(chǎn)量大、良率和效率競爭激烈，生產(chǎn)廠商基本采用transfer Molding方式用固態(tài)環(huán)氧樹脂封裝。主流產(chǎn)品包括紅光、綠光、藍光和黃光的ChipLED 0603，0805，1206 等，可以是單色、雙色或RGB全彩。
圖 4 環(huán)氧EMC封裝小功率指示用ChipLED
這一領域因白色家電和消費電子對器件可靠性要求適中，封裝材料EMC主要強調：
(1)對PCB基板以及鍍 銀金屬支架的粘結;
(2)樹脂耐回流焊溫度，不發(fā)生熱應 力死燈;
(3)耐返修解焊高溫不變黃。這一細分領域代表材料有日東電工NT-8524、長春化工CV1002和德高化成TC-8020等。
2.2 細分市場二：小功率白光ChipLED
除彩色chipLED外，指示燈應用還有白光器件的需求; 另外，白光ChipLED 還可以應用在單色LCD背光、汽車氛圍燈、汽車顯示屏背光等高端應用。這類 LED器件，因功率較低(<0.2W)，不必采用耐受藍光能力更高的有機硅材料，而是采用中高耐藍光環(huán)氧樹脂EMC混合熒光粉，以transfer Molding方式封裝。這一細分市場多采用SOL Epoxy的OP-1000、日東NT-600H、NT-814、 德高化成CT-8500、TC-8600等牌號。
圖 5 部分中高端耐藍光環(huán)氧EMC的光衰對比
封裝用戶混合熒光粉的最大難點在于干混法的分散均一性。由于EMC廠商提供的膠餅一般呈圓柱顆粒狀，封裝廠需先行粉碎，再與熒光粉按比例混合，并再一次打餅成膠粒，這一過程為干混法。從分散均一性來看，樹脂的粉末平均粒徑越接近熒光粉粒徑(一般為D50=8-16um)、且樹脂粉粒徑分布半峰寬越窄，熒光粉的分散均一度就越高，白光LED的落BIN就越集中。樹脂粉碎的粒徑控制是非常專業(yè)的粉體制造過程，需要專業(yè)的設備與品質管控。目前，部分國內(nèi)EMC廠商已經(jīng)順應市場要求，以粉體成品方式提供EMC材料。
2.3 細分市場三：小間距RGB LED顯示屏用環(huán)氧樹脂EMC
近年來，市場增長最快的LED細分產(chǎn)品是RGB顯示屏。普通間距(P>3)RGB仍采用液態(tài)環(huán)氧灌封形式，應用較為集中的封裝尺寸有1921、2121、3030、5050(反射杯外型尺寸)，封裝樹脂較流行應用稻田H2002(戶內(nèi))及IK1001(戶外)。
圖 6 RGB 屏封裝尺寸與封裝方式
市場熱點的小間距RGB屏(P<1.9)則采用transfer Molding方式，由整塊基版陣列固晶打線，通過over Molding成型、然后切割(singulation)，制成五面發(fā)光的EMc1010及EMC0808。新一代基于R、G、B倒裝芯片的Mini-COB，向著更小間距及控制IC集成化、模塊化發(fā)展，家用tV將有望從LCD的Passive Mode 進入LED的Active Mode時代。
RGB顯示屏因長期高溫狀態(tài)下工作，LED器件需通過嚴格的PCT及TCT測試。封裝樹脂的粘結能力、耐潮氣滲透、不純離子雜質含量是影響RGB器件可靠性的關鍵因素。特別是沿海城市的鹽霧侵蝕，是RGB屏死燈及常亮的失效主要原因。失效原理如圖7所示。
圖7 RGB器件失效原理示意圖
此外，戶外RGB屏一般需要全功率點亮，而且，需要抵抗太陽紫外線的照射，這就要求封裝材料耐藍光光衰能力36個月保持80%以上。戶內(nèi)屏功率開啟一般在30%- 50%，對封裝材料耐光衰能力的要求稍低。此外，RGB屏的返修解錫過程的高溫易造成封裝材料黃變，這就需要樹脂有較強耐高溫性能。這一細分領域可選的封裝材料不多，除少數(shù)廠商使用有機硅樹脂封裝外，日東電工的高可靠性樹脂nt-600H基本是市場壟斷材料。最近，德高化成推出氯離子不純物含量相比nt-600H降低70%的更高可靠性EMC TC-8600，有望為RGB封裝用戶提供更多材料選擇。
小間距EMC五面出光燈珠的封裝型號(尺寸)主要有EMC1010、EMC0808、EMC0606。由于基板材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)為4-7ppm/degc，而純環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)為60-70ppm/degc，這兩種材料的熱膨脹系數(shù)之差非常大，導致封裝后整板材料翹曲?；搴穸仍奖?，則翹曲越發(fā)明顯，甚至翹曲影響后道切割工序的進行。為了減小翹曲，可行的方法是降低環(huán)氧樹脂封裝材料的CTE(熱膨脹系數(shù))，通常添加無機粉體材料得到環(huán)氧樹脂-無機物復合材料，使其CTE接近基板材料的CTE。這一技術在IC行業(yè)封裝樹脂中廣泛應用并且成熟，然而，普通的無機粉體或者不透明，或者離子不純物含量超標，無法應用在RGB EMC透明環(huán)氧樹脂體系中。德高化成近期發(fā)表了添加特殊透明粉體的TC-8600F環(huán)氧樹脂-透明填料復合體系產(chǎn)品，該體系添加的粉體材料與環(huán)氧樹脂有一致的光學折射率，可保證光線透過率接近純環(huán)氧樹脂。
表4. 添加特殊透明粉體的TC-8600F環(huán)氧樹脂-透明填料復合體系的熱膨脹系數(shù)
圖8添加50%透明粉體的TC-8600F明顯消除翹曲效果圖
2.4 細分市場四：光譜選擇透過/吸收EMC
隨著智能手機、穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)、大尺寸LCD白板的興起，紅外通訊、環(huán)境光傳感器、接近光傳感器等一系列紅外器件迅速發(fā)展起來。傳感器的工作原理是通過對光譜的選擇性過濾，由LED芯片對特定波長光線生成電信號反饋，達到開關控制目的。封裝樹脂通過添加某些過濾物質，可以實現(xiàn)對可見光(550nm特征波長)或紅外光(840nm特征波長)的選擇性透過，而屏蔽其他波段光線進入芯片。可見光透過的器件可以做成環(huán)境光傳感器，而紅外光透過的器件可以與可見光透過器件組合，做成接近光傳感器。選擇性強且透過率高的過濾添加物目前尚待國產(chǎn)化。一般的紅外器件基本采用普通EMC封裝。某些新開發(fā)的封裝形式結構復雜、出現(xiàn)球頭填充不良、應力開裂、耐高溫工作失效等技術問題，有待樹脂廠家從流動性設計、高tg、低模量等方向持續(xù)改善。
圖9染料與波段過濾圖
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