封装工艺论文范文

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第1篇

关键词：电子封装,SiCp/Al,浇铸渗透

1. 前言

SiC颗粒增强铝基复合材料因其具有广泛的、潜在的应用价值，是在目前非连续增强金属基复合材料中研究较多，较为成熟的复合材料。SiC颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、低密度、高热导性、良好的尺寸稳定性和高微屈服强度等优异的力学和物理性能，被应用到汽车、航天、军事、电子和其他工业领域。从二十世纪八十年代初，世界各国开始竞相研究开发这种新型高性能材料。SiC颗粒增强铝基复合材料正受到越来越广泛的重视。

2. SiCp/Al复合材料在电子封装中的应用

夜上海论坛 随着电子装备的日益小型化、多功能化，LSI、VLSI不但集成度越来越高，而且基板上各类IC芯片的组装数及组装密度也越来越高(如MCM),也就是说，功率密度(输出功率／单位体积)越来越大。20世纪80年代末的功率密度为2．5W/cm 3 （40 W／in 3 )，而90年代己达6W／cm 3 (100 W／in 3 )以上。如何将产生的大量热量散发出去，这是电子装备在一定环境温度条件下能长期正常工作的保证，也是对电子装备的可靠性要求。在这类功率电路的电参数设计、结构设计及热设计三部分中，热设计显得更为重要。因为热耗散的好坏直接影响着电子装备的电性能和结构性能，甚至可引起重要电件能失效和结构的破坏。据统计，在电子产品失效中，由热引起的失效所占比重最大，为55％。由此可见，解决好热耗散是功率微电子封装的关键。

为从根本上改进产品的性能，全力研究和开发具有高热导及良好综合性能的新型封装材料显得尤为重要。热膨胀系数（CTE），导热系数(TC)和密度是发展现代电子封装材料所必须考虑的三大基本要素，只有能够充分兼顾这三项要求，并具有合理的封装工艺性能的材料才能适应电子封装技术发展趋势的要求。而SiC颗粒增强铝基复合材料则恰恰是既具有铝基体优良的导热性又可在相当广的范围内与多种材料的CTE相匹配的复合材料。 [1 ～ 2]

夜上海论坛 对表1中列出的芯片材料 Si、GaAs 以及各种封装材料的性能指标进行对比，不难看出，传统的材料如Al、Cu、Invar合金、Kovar 合金、W/Cu 合金、Mo/Cu 合金等 ,不能满足先进电子封装应用中低膨胀、高导热、低成本的严格要求。而Al 2 O 3 和BeO材料是广为使用的电子封装材料，但由于综合性能、环保、成本等因素，已难以满足功率微电子封装的要求。SiC颗粒增强铝基复合材料具有与Si、GaAs相匹配的热膨胀系数(CTE)以及强度高、重量轻、工艺实施性好、成本较低等特点。

因此，既具有优良的物理、机械性能，又具有容易加工、工艺简单、成本低廉、适应环保要求的新型微电子封装材料——SiC颗粒增强铝基复合材料——已能全面满足高密度电子封装技术的要求，成为最具有发展前景金属基复合材料。

表1 常用封装材料性能指标 [3]

 

材料 热膨胀系数 （10-6/K） 热导率 （W/(m*K）) 密度 (g/cm3) Si 4.1 150 2.3 GaAs 5.8 39 5.3 Al2O3 6.5 20 3.9 BeO 6.7 250 2.9 AlN 4.5 250 2.9 Al 23 230 2.7 Cu 17 400 8.9 Steel（4140） 13.5 50 7.8 Mo 5.0 140 10.2 W 4.45 168 19.3 Kovar 5.9 17 8.3 Invar 1.6 10

第2篇

论文关键词：低温低噪声放大器(LNA)，Ku波段，隔离器，噪声系数

 

1、引言

在微波通讯系统中，接收机噪声特性的优劣是决定系统接收灵敏度的重要因素，而接收前端的低噪声放大器（LNA）是影响接收系统噪声指标的关键部件，其噪声特性将直接影响系统整体的噪声水平[1]。低温下工作的Ku波段放大器具有极低的噪声特性，在微波通信、卫星通信、天文观测等领域中都具有非常重要的应用。当前Ku低温低噪声放大器的研究工作只有少量报道，性能尚不能达到实际使用的要求。

本文设计并制作了一个Ku波段低温低噪声放大器隔离器，旨在与高温超导滤波器级联，使用在高温超导滤波子系统之中[2]。该LNA采用插指电容新结构，使用ADS软件仿真优化性能，并通过优化的封装工艺制备了LNA样品站。在77K温度下测试结果表明，噪声系数小于2dB，增益约10dB，反射系数小于20dB。该LNA已与Ku波段超导滤波器成功级联。

夜上海论坛 2、低温低噪声放大器的仿真设计

2.1 器件选择

夜上海论坛 Ku波段LNA要求选用具有低噪声特性的晶体管，而高电子迁移率场效应管(HEMT)是新型的具有低噪声优点的一类晶体管，符合设计要求。通过晶体管性能分析并综合设计需要，选取了NEC公司的某一HEMT产品，其理论常温噪声系数高至18GHz只有0.75dB。

低损耗的PCB基板是研制Ku波段LNA的另一重要材料。本工作选用Rogers公司的高频PCB板，在高频段具有低插损特性，微波性能良好。

2.2 反射系数的设计

LNA设计中都需要考虑对反射系数S(1,1)和S(2,2)的设计隔离器，一般需要优化至-15dB以下，而最优化S(1,1)、S(2,2)的目标与最小化噪声和最大化增益往往是矛盾的，这给LNA的设计工作带来了很大的不便和困难。Isaac Lopez-Fernandez 在他的工作中使用了放大器设计中可以不考虑其反射性能，而使用隔离器来完善的方法[3]，同时还给出了隔离器附加噪声温度的计算公式：

其中隔离器的物理温度，是放大器的等效噪声温度，是隔离器可达到的增益。根据这个公式计算可以知道，对于一般的LNA和隔离器，77K低温下隔离器附加噪声温度不超过20%，相对于直接在设计中优化反射的办法，隔离器的附加噪声更小，同时可以大大简化设计过程。因此本工作反射系数不再进行最优化设计，而采用级联隔离器的方法改善器件之间的匹配站。

2.3 稳定性设计

为了保证LNA的可靠工作隔离器，需要保证其全频段无条件稳定，或至少要保证工作频段附近绝对稳定。LNA的稳定性判据为[4]：

和

其中：，

夜上海论坛 在ADS中，有其自身设计的稳定系数Mu，只要Mu>1就实现了绝对稳定。在ADS中对我们选用的HEMT晶体管进行仿真，图1给出了其全频带Mu值，可以发现其全频带Mu>1，也就是全频带绝对稳定，因此在设计过程中不会存在陷入潜在不稳的问题。同时因为我们在输入输出端都采用了隔离器设计，可以进一步优化反射，保证了LNA的稳定工作。

 

夜上海论坛 图1 LNA稳定性系数

第3篇

关键词:大功率白光LED;封装工艺可靠性;光斑;光通量

夜上海论坛 中图分类号:TN312+.8文献标识码:C

夜上海论坛 Reasearch on Encapsulation Technology Reliability of

High Power White-Light LED

(Ledman Optoelectronic Co., Shenzhen 518108, China)

Abstract: The package prospects and the main function of high power white-light LED are introduced firstly in this paper. And then, the key technology of high power white-light LED package is explained, which including fluorescent coating packaging technology, selecting the sealed silicone, packaging of large-size chip, reliability testing and evaluation. also some detailed researches on meliorating the light spot and improving luminous have been done.

Keywords: High Power White-Light LED; Encapsulation Reliability Technology; light spot; luminous

前 言

夜上海论坛 全世界已越来越重视节能省电的问题,而LED照明又被视为是下个10年颇受关注的应用,LED要走入普通照明仍有许多问题要克服,主要是由于发光效率太低､成本太高等两大限制,然而此两大限制却皆与大功率白光LED封装技术的发展息息相关｡LED封装的功能主要包括:(1)机械保护,以提高可靠性;(2)加强散热,以降低晶片结温,提高LED性能;(3)光学控制,提高出光效率,优化光束分布;(4)供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等｡为提高大功率LED封装技术的可靠性,究竟可以从哪些方面去努力呢?

1 大功率白光LED封装关键技术

剖析LED封装所需的每一道制程可知,大功率白光LED封装技术可细分成:(1)支架的设计(包括取光与散热);(2)晶片的选择与排列方式;(3)固晶方式;(4)金线线形与粗细;(5)荧光粉种类与涂布结构;(6)Silicone Lens的曲率与折射率｡此六项制程皆对LED的散热性能(热阻值)､光通量(流明)､发光效率､相对色温(CCT)､光色的均匀性､寿命等特性深具影响,因此每一环节皆不可轻忽｡下面将针对荧光粉涂层结构､封装胶体､大尺寸晶片封装作一些研究,并逐一说明其对LED特性影响的关系｡

具体从大功率白光LED封装以下几个关键技术做如下研究和说明:

1.1 荧光胶封装工艺

夜上海论坛 荧光粉的作用在于光色复合,形成白光｡研究表明随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化从而引起白光LED色温､色度的变化｡较高的温度还会加速荧光粉的老化,原因在于荧光粉涂层是由硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度碎灭和老化,使发光效率降低｡此外,高温下荧光胶的热稳定性也存在问题｡

夜上海论坛 1.1.1 光斑改善问题

夜上海论坛 传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与硅胶混合然后点涂在晶片上｡根据白光的发光原理可以知道,如果荧光粉加入的量太多就会造成发出的光偏黄,加入的量太少就会使得发出的光偏蓝｡现选用相对应波段的黄色荧光粉和硅胶,根据荧光粉的发光效率合理配制荧光胶,做出的白光其色坐标是在x=0.333,y=0.333附近,但是封装出的成品光斑是一片蓝,一片白,四周黄｡这是因为荧光粉被蓝光激发的不均匀,也就是说荧光粉的细小颗粒没有被蓝色的光完全激发｡分析具体的原因可能是荧光粉的涂敷厚度和形状未控制好,晶片各个发光面的荧光粉敷盖厚度不均或荧光粉沉淀导致出射光色彩不一致,出现局部光偏蓝或者偏黄｡

为了解决光斑不均匀问题,根据两层透镜的光辐射图样,凸透镜的角度与外封胶形成的透镜角度是相近的,于是我们选取荧光粉在支架面上形成的凸透镜,即荧光胶点凸杯,这样光斑有一定的改善,但效果仍然不是很理想｡

于是引入了扩散剂用以增强蓝光激发荧光粉的效率,增强荧光粉的发光效率｡通过实验,发现扩散剂的确对光斑有了改善,使得发出的光斑均匀一致,但是对LED进行测试的时候,发现其亮度不能达到预期的效果｡

夜上海论坛 1.1.2光通量提高问题

夜上海论坛 在烘烤的过程中,不同温度和时间对荧光胶的沉淀有不同的影响,使得荧光粉溶液的浓度分布均匀度有偏差,最后造成白光LED的色温分布不均,使得白光LED的亮度和光斑都不能达到预期效果｡那如何改善荧光粉的沉淀,这是新一步研究的问题｡从三个方面去改善:

夜上海论坛 (1) 通过生产工艺改善｡即生产过程中,在很短时间里将荧光胶均匀搅拌并脱泡,加快点荧光粉的速度,点好荧光粉的半成品很快进入烘烤,同时依据硅胶特性选定最合适的烘烤温度和时间｡

(2) 加入一种新的物质,使得荧光粉在高温下也能保持很好的均匀混合状态｡于是导入了化工里面的一种可以同时吸附有机物和无机物的表面活性剂,在温度和湿度以及荧光粉溶液都相同的条件下,将其中一瓶加入表面活性剂,并做好标号,将两瓶溶液都搅拌相同的时间至均匀｡将其分别排入晶片上,分时间间隔进行色温测试,通过实验我们得到了如图1所示色温变化图:

70min后加入表面活性剂的溶液比不加活性剂的溶液中荧光粉的沉淀率降低将近14%｡

(3)采用倒装晶片,将荧光粉混合溶液直接涂抹在晶片上｡所用到的溶液胶体不再是硅胶,因为硅胶的流动性较强,如果用传统的硅胶来混合荧光粉,荧光粉溶液就会从晶片表面溢出,所以这里选择可以自动成型的UV胶,将UV胶与普通荧光粉按照一定的比例进行均匀混合调配,将调配好的原料加入点胶机针筒对大功率发光二极管晶片进行点胶涂布,将涂布完成的晶片用紫外灯照射进行固化,完成固化工艺过程｡UV胶固化后对光线无遮挡,透光性极强,紫外光固胶,固化速度快,产能高,同时流明值提高近10%｡

夜上海论坛 1.2 封胶胶体的研究

夜上海论坛 在LED使用过程中,电子和空穴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:晶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;由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失｡

夜上海论坛 根据折射定律,光线从光密介质入射到光疏介质时,当入射角达到一定值,即大于等于临界角时,会发生全发射｡能射出的光只有入射角小于临界角所围成空间立体角内的光,因此其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失｡为了提高LED产品封装的取光效率,必须提高外封胶的折射率,以提高产品的临界角,从而提高产品的封装发光效率｡同时,封装材料对光线的吸收要小｡为了提高出射光的比例,封装的外形采取模塑(molding)半球形,这样,减少了出射界面由于折射率差引起的反射损失,而且光线从封装材料射向空气时,几乎是垂直射到界面,因而不再产生全反射｡

对大功率白光LED 模塑进行灌胶,选取透光率､折射率､耐热性较好的双组份有机硅胶,这种封胶材料不会因为温度的剧变所产生的内应力使金线与引线框架断开,并且全硅胶形成的"透镜"不会黄变｡

1.3 大尺寸晶片封装

目前,在大功率白光LED中,要在照明领域中普及,取代白炽灯,必须提高总的光通量或者说可以利用的光通量｡光通量的增加可以通过提高集成度,加大电流密度､使用大尺寸晶片等措施来实现｡虽然大型LED晶片可以获得大光束,不过加大晶片面积会导致晶片内发光层的电界不均等,发光部位受到局限､晶片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减｡同厂商60mil和45mil晶片,其它封装物料相同,初始光通量60mil晶片比45mil晶片高了5个流明,但1,000h老化衰减大了10%,其成品老化光通量衰减对比如图2所示:

目前大尺寸晶片封装的散热,抗衰减等技术问题仍有待进一步研究｡

1.4 封装可靠性测试与评估

LED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;机械失效,如引线断裂,脱焊等｡而这些因素都与封装结构和工艺有关｡对于主要用于照明用途的大功率LED,其使用寿命一般指LED输出光通量衰减为初始的70%的使用时间,寿命测试通常采取加速环境实验的方法进行可靠性测试与评估,对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题｡

2 结束语

夜上海论坛 环保议题日益突出,各国政府持续推动节能政策,LED照明市场前景很是乐观｡大功率白光LED封装是一个涉及到光学､热学､机械､电学､力学､材料､半导体等多学科的研究课题｡为了提升LED封装技术的可靠性,须着重LED封装技术的每一环节,从某种角度而言,LED封装不仅是一门制造技术,而且也是一门基础科学｡良好的封装需要对热学､光学､材料和工艺力学等物理本质的理解和应用｡在封装过程中,虽然散热基板,荧光粉,灌封胶等材料选择很重要,但封装结构,如热学界面,光学界面及封装方式对LED光效和可靠性影响也很大｡大功率白光LED封装需要不断的引入新材料,新工艺,新思路来提高其可靠性及在照明领域中的地位｡

夜上海论坛 雷曼光电愿与各界同仁一起致力于大功率LED的研发,为LED光电事业做出贡献｡

参考文献

[1] 彭万华.国内超高亮与白光LED产业解析[N].中国电子报,2004-03-19.

[2] 王耀明,王德苗,苏达.大功率LED的散热封装[J].江南大学学报,2009.

[3] 陈明详,罗小兵,马泽涛.大功率白光LED封装设计与研究进展[J].液晶与显示,2006,27(6):653-658.

[4] 余心梅.功率型发光二极管涂层技术的研究[D].成都:电子科技大学硕士论文,2007.

[5] Narendran N.Improved performance of white LED [J].Proc. SPIE,2005,5941:1-6.

夜上海论坛 [6] 刘丽,吴庆,黄先,等.白光LED荧光粉涂敷工艺及发光性质[J].发光学报,2007.