LED封裝材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（上）

　　馮亞凱 天津大學(xué)化工學(xué)院教授

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)照明白皮書》關(guān)鍵材料 顧問

　　譚雨涵 北京十三中學(xué)

　　一、LED封裝技術(shù)與材料綜述

　　LED是半導(dǎo)體發(fā)光二極管，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于照明、顯示、信息和傳感器等諸多領(lǐng)域。LED器件按功率及用途要求，采用相應(yīng)的封裝材料，主要包括環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂和無機(jī)封裝材料等。

　　封裝材料和封裝工藝、封裝設(shè)備需要互相匹配，他們基本是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。LED封裝的主流方式有以下幾種:

　　1)基于液態(tài)膠水的點(diǎn)膠灌封;

　　2)基于固態(tài) EMc 的Transfer Molding轉(zhuǎn)進(jìn)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(diǎn)膠灌封技術(shù)

　　點(diǎn)膠灌封技術(shù)是LED封裝常用的標(biāo)準(zhǔn)工藝，點(diǎn)膠工藝的核心設(shè)備包括點(diǎn)膠機(jī)(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(jī)硅膠水，基本采用雙組分包裝方式，這是因?yàn)殡p組分有利于材料的長期存儲(chǔ)，但點(diǎn)膠灌封前，他們需經(jīng)過充分混合達(dá)到均一才能使用。為了將膠水與無機(jī)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(jī)，這樣才能確保無機(jī)材料在有機(jī)樹脂內(nèi)的均一分散?；旌虾蟮牟牧闲璋垂?yīng)商的推薦操作方法進(jìn)行LED的封裝，并且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用畢，否則，無機(jī)材料無法在液態(tài)膠水中長期穩(wěn)定分散，會(huì)發(fā)生團(tuán)聚和沉降現(xiàn)象。此外，A、B組分混合后，即使在室溫儲(chǔ)存，也會(huì)發(fā)生化學(xué)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(yīng)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(yīng)機(jī)理配置成單組份膠水。這種陽離子反應(yīng)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(lǐng)域。用 于LED封裝應(yīng)用的有機(jī)硅膠水主要是采用金屬鉑催化含雙鍵的有機(jī)硅氧烷與含硅氫的有機(jī)硅氧烷的加成反應(yīng)體系。該反應(yīng)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(chǔ)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(yīng)用而采用UV光固化體系。對(duì)于熱固化材料，點(diǎn)膠后，膠水需要經(jīng)過150度約2-5小時(shí)的高溫烘烤，實(shí)現(xiàn)完全固化封裝。當(dāng)樹脂固化時(shí)，樹脂會(huì)發(fā)生一定的體積收縮，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這會(huì)對(duì)樹脂與芯片、芯片與銀膠的粘結(jié)、金線焊點(diǎn)部位、樹脂與支架的結(jié)合界面等產(chǎn)生一定影響。因此，封裝材料和封裝工藝對(duì)LED器件的系統(tǒng)穩(wěn)定性有直接關(guān)聯(lián)，封裝工程師需要系統(tǒng)細(xì)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(zhuǎn)進(jìn)塑封(Transfer Molding)技術(shù)

　　Transfer Molding 就是轉(zhuǎn)進(jìn)塑封技術(shù)，由塑封機(jī)、芯片及其支撐材料、EMC(Epoxy Molding Compound) 封裝樹脂三大要素構(gòu)成。主要塑封機(jī)設(shè)備的分類和生成經(jīng)濟(jì)性總結(jié)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(dǎo)電或非導(dǎo)電固晶膠粘結(jié)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(diǎn)。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(jī);而直徑13mm、14mm、16mm為“小餅料”，適用于MGP?；蛉詣?dòng)模機(jī)。EMC在封裝溫度，通常是150°c下開始融化，在塑封機(jī)的傳輸桿推動(dòng)下，經(jīng)過流道，注射入含有芯片的模腔中。EMC在高溫下會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)，而失去流動(dòng)性，塑封機(jī)完成轉(zhuǎn)進(jìn)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(jī)硅熒光膠膜的熱壓合封裝技術(shù)

　　膠膜壓合技術(shù)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(jié)構(gòu)具有光色均一、散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)良、貼裝尺寸小等優(yōu)勢，在電視背光、手機(jī)背光、車燈、閃光燈、商業(yè)照明及智慧照明領(lǐng)域，與傳統(tǒng)正裝 LED封裝形式相比，膠膜壓合技術(shù)有無法替代的技術(shù)優(yōu)勢，將推動(dòng)LED領(lǐng)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(shù)是緊密結(jié)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(jī)硅熒光膠膜的熱壓合封裝技術(shù)

　　封裝LED CSP的核心技術(shù)是在芯片的五個(gè)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(shù)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(shè)計(jì)，需要反復(fù)噴涂 7-15次才能達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)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(yù)制的熒光膠膜在真空壓合治具內(nèi)結(jié)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(shè)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(biāo)準(zhǔn) 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(jī)操作臺(tái)面，一次性可放置4片標(biāo)準(zhǔn)壓合治具，由此可以得出單機(jī)臺(tái)的CSP的生產(chǎn)能力(以壓合周期10分鐘計(jì))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(xì)分領(lǐng)域的封裝材料

　　按照材料化學(xué)組成分類，LED封裝材料主要包括環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅兩大類;而按照封裝應(yīng)用和封裝工藝方式分類，封裝材料又有更多細(xì)分。表2給出了封裝材料形態(tài)、 封裝工藝、封裝產(chǎn)品應(yīng)用及材料供方競爭態(tài)勢。

　　2.1 細(xì)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(lán)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(lǐng)域因白色家電和消費(fèi)電子對(duì)器件可靠性要求適中，封裝材料EMC主要強(qiáng)調(diào)：

　　(1)對(duì)PCB基板以及鍍 銀金屬支架的粘結(jié);

　　(2)樹脂耐回流焊溫度，不發(fā)生熱應(yīng) 力死燈;

　　(3)耐返修解焊高溫不變黃。這一細(xì)分領(lǐng)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(xì)分市場二：小功率白光ChipLED

　　除彩色chipLED外，指示燈應(yīng)用還有白光器件的需求; 另外，白光ChipLED 還可以應(yīng)用在單色LCD背光、汽車氛圍燈、汽車顯示屏背光等高端應(yīng)用。這類 LED器件，因功率較低(<0.2W)，不必采用耐受藍(lán)光能力更高的有機(jī)硅材料，而是采用中高耐藍(lán)光環(huán)氧樹脂EMC混合熒光粉，以transfer Molding方式封裝。這一細(xì)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(hào)。

　　圖 5 部分中高端耐藍(lán)光環(huán)氧EMC的光衰對(duì)比

　　封裝用戶混合熒光粉的最大難點(diǎn)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(shè)備與品質(zhì)管控。目前，部分國內(nèi)EMC廠商已經(jīng)順應(yīng)市場要求，以粉體成品方式提供EMC材料。

　　2.3 細(xì)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(xì)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(jìn)入LED的Active Mode時(shí)代。

　　RGB顯示屏因長期高溫狀態(tài)下工作，LED器件需通過嚴(yán)格的PCT及TCT測試。封裝樹脂的粘結(jié)能力、耐潮氣滲透、不純離子雜質(zhì)含量是影響RGB器件可靠性的關(guān)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(diǎn)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(lán)光光衰能力36個(gè)月保持80%以上。戶內(nèi)屏功率開啟一般在30%- 50%，對(duì)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(qiáng)耐高溫性能。這一細(xì)分領(lǐng)域可選的封裝材料不多，除少數(shù)廠商使用有機(jī)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(hào)(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(dǎo)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(jìn)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(jī)粉體材料得到環(huán)氧樹脂-無機(jī)物復(fù)合材料，使其CTE接近基板材料的CTE。這一技術(shù)在IC行業(yè)封裝樹脂中廣泛應(yīng)用并且成熟，然而，普通的無機(jī)粉體或者不透明，或者離子不純物含量超標(biāo)，無法應(yīng)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(fù)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(xué)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(fù)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(xì)分市場四：光譜選擇透過/吸收EMC

　　隨著智能手機(jī)、穿戴設(shè)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(duì)光譜的選擇性過濾，由LED芯片對(duì)特定波長光線生成電信號(hào)反饋，達(dá)到開關(guān)控制目的。封裝樹脂通過添加某些過濾物質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、出現(xiàn)球頭填充不良、應(yīng)力開裂、耐高溫工作失效等技術(shù)問題，有待樹脂廠家從流動(dòng)性設(shè)計(jì)、高tg、低模量等方向持續(xù)改善。

　　圖9染料與波段過濾圖