浅谈各种电子封装工艺技术

        电子封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED电子封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是电子封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，电子封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到电子封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于电子封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了电子产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。 

        具体而言，电子封装的关键技术有下列几个。

　　对于现有的光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且芯片面积小，因此，芯片散热是电子封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、电子封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。

　　电子封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如，AlN，SiC）和复合材料等。

　　研究表明，电子封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。

　　在使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构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损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高电子封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。

       目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在电子封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响光效和光强分布。

　　荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。

　　总体而言，为提高的出光效率和可靠性，电子封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了电子封装效率。此外，减少出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。

　　经过40多年的发展，LED电子封装技术和结构先后经历了四个阶段。

1、引脚式（Lamp）LED电子封装

　　引脚式电子封装就是常用的3－5mm电子封装结构。一般用于电流较小（20－30mA），功率较低（小于0.1W）的LED电子封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于电子封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。

2、表面组装（贴片）式（SMT－LED）电子封装

　　表面组装技术（SMT）是一种可以直接将电子封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种电子封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种电子封装技术和工艺。

3、板上芯片直装式（COB）LED电子封装

　　COB是Chip On Board（板上芯片直装）的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的电子封装技术。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED电子封装，同SMT相比，不仅大大提高了电子封装功率密度，而且降低了电子封装热阻（一般为6-12W/m.K）。

4、系统电子封装式（SiP）LED电子封装

　　SiP（System in Package）是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip（SOC）基础上发展起来的一种新型电子封装集成方式。对SiP－LED而言，不仅可以在一个电子封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他电子封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子电子封装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。

　　晶片键合（Wafer bonding）技术是指芯片结构和电路的制作、电子封装都在晶片（Wafer）上进行，电子封装完成后再进行切割，形成单个的芯片（Chip）；与之相对应的芯片键合（Die bonding）是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片（Die），然后对单个芯片进行电子封装（类似现在的电子封装工艺）。很明显，晶片键合电子封装的效率和质量更高。由于电子封装费用在大功率LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的电子封装形式（从芯片键合到晶片键合），将大大降低电子封装制造成本。此外，晶片键合电子封装还可以提高器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高电子封装成品率和可靠性，因而是一种降低电子封装成本的有效手段。

　　此外，对于电子封装，必须在芯片设计和电子封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的电子封装形式（Package-less Packaging），同时简化电子封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低电子封装热阻，提高出光效率。

　　器件的失效模式主要包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与电子封装结构和工艺有关。大功率LED的使用寿命以平均失效时间（MTTF）来定义，对于照明用途，一般指的输出光通量衰减为初始的70％（对显示用途一般定义为初始值的50％）的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存（100℃，1000h）、低温储存（－55℃，1000h）、高温高湿（85℃/85％，1000h）、高低温循环（85℃～－55℃）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

结束语

　　电子封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，电子封装不仅是一门制造技术，而且也是一门基础科学，良好的电子封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED电子封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在电子封装过程中，虽然材料（散热基板、荧光粉、灌封胶）选择很重要，但电子封装结构（如热学界面、光学界面）对光效和可靠性影响也很大，白光电子封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。