LED封装技术在光电工程实践教学中的应用

By | 2020年7月24日

  1 引言


  跟着人们对工程教育成绩意识的一直深化,正在工科初等教育中试验、理论教授教养遭到愈来愈宽泛的注重1。但正在试验、理论教育的详细施行计划上若何表现业余性、钻研性、翻新性,的确是各人所面对的一个首要课题。家喻户晓,我国教育投入的程度不断比拟低,而光电相干的试验器材普通来讲价格都十分贵,触及到纳米技巧、高速光通讯等更是如斯。而因为理论教授教养自身的非凡性,普通要求正在较短的工夫段内实现年夜量先生的理论造就工作,仪器的台套数需求足够多;正在无限经费估算内,每一套仪器的价钱必需十分低,这使咱们正在理论内容的设置上遭到更多的限度。通过多方调研,咱们选定了发光二极管(LED,LightEmittingDiode)封装作为理论教授教养的内容之一。通过一年多的理论证实成果精良。LED是一种可间接将电能转化为可见光以及辐射能的发光器件,具备工作电压低,耗电量小,发光效率高,呼应工夫短,光色纯,构造结实,抗打击,耐振动,功能稳固牢靠,分量轻,体积小等一系列优点,倒退迅速,现已能批量消费整个可见光谱段各类颜色的高亮度、高功能产物,使用前景广阔。


  2 LED封装实习的意思


  社会的提高、科技的倒退,关于动力的需要变患上愈来愈年夜,无限的动力资本加剧了动力危机,动力紧缺是现今社会以及从此相称长的一个期间内制约经济倒退的突出瓶颈,十六届五中全会提出把节约资本作为根本国策,“十一五”布局大纲进一步把“十一五”期间单元GDP能耗升高20%作为束缚性目标。2007年6月国务院专门制订了《节能减排综合性工作计划》,国度发改委、国度高新技巧工业局踊跃推进以及促成对新动力、高效节能产物的开发推行。LED长达10万小时的寿命将极年夜地升高LED照明的保护老本、缩小电能耗费及二氧化碳气体的排放。


  最近几年来,日即日亚化学、丰田分解、SONY、佳友电工等都已有LED照明产物问世。世界驰名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入年夜量的人力物力进行LED照明产物的钻研开发以及消费。美国GE公司以及EMCORE公司协作成立新公司,专门开发白光LED,以庖代白炽灯、松散型荧光灯、卤钨灯以及汽车灯。中国事今朝寰球都会化过程最快的国度之一,领有泛滥处置钻研及消费LED的企业。能够意料正在将来的数十年内,关于年夜功率、高亮度、节能的LED照明产物的市场需要是极端宏大的。


  结业实习是每个工迷信生必修的理论教授教养环节。为了达到本科教育的造就指标,本着简捷易用、升高老本,又将LED封装工艺外延欠缺浮现的准则,设计一套LED封装实习零碎。经过现有设施实现从扩晶、点胶、固晶、烘烤、焊线、灌胶等近三十道工序的理论操练,使先生可以片面理解集成电路以及半导体光电子器件的封装原理以及详细工艺进程。正在以往的试验中,同窗所能接触到的往往都是器件、部件到仪器层面的内容,经过完好封装工艺的理论学习,同窗们能够用本人的双手去操作巨细只有几百微米的半导体芯片,能确切感触到年夜量仅仅靠念书或看文章所无奈领会到的成绩。为钻研生阶段处置光子晶体、纳米器件等畛域的钻研打下很好的根底。关于当前工作或钻研中解决巨大器件固定、衔接等成绩都有启示,为同窗们关上了一个触摸芯片世界的窗口。同时感触规模消费进程中的流程,使他们构成初步的工程概念。


  3 LED封装工艺流程


  正在LED工业链接中,下游是LED衬底晶片及衬底消费,中游为LED芯片设计及制作消费,上游是LED封装与测试。研发低热阻、光学特点优良、高牢靠的封装技巧是新型LED走向适用、走向市场的工业化必经之路,从某种意思上讲是链接工业与市场的纽带,只有封装好的能力成为终端产物,投入实际使用。


  LED封装技巧年夜都是正在分立器件封装技巧根底上倒退与演化而来的,但却有很年夜的非凡性。普通状况下,分立器件的管芯被密封正在封装体内,封装的作用次要是维护管芯以及实现电气互连。而LED封装既要实现输入光,又要维护管芯失常工作,既有电参数,又有光参数的设计及技巧要求,无奈简略地将分立器件的封装用于LED。


  LED产物的消费以及制作,有着完好、严格的工艺流程,每一一步都对产物的终极功能有间接影响。LED封装根本的流程图见图1。



  图1LED封装流程图

 

  4 创立LED封装实习基地


  4.1 封装实习平台搭建


  全主动化LED封装消费线要求主动化水平高,定位精确,适宜年夜规模批量消费,但造价低廉。今朝一套LED封装消费线普通正在几百万群众币以上,其实不适宜黉舍实习教授教养。手动LED封装线与主动LED封装线的工艺流程相反,因而作为LED封装工艺实习教授教养的内容,咱们置办手动LED封装设施。一套完好LED封装线的根本组成包罗如下次要设施:翻晶机、扩晶机、精细点胶机、含显微镜的刺晶座、金丝球焊机、LED灌胶机、气动起模机、沾胶机、真空箱、真空泵、光电烤箱、液压冲床、LED电脑检测仪等。同时对实习园地采纳防静电解决,使同窗理解无关半导体操作工艺对现场环境的要求。


  实习中采纳惯例(φ5妹妹型LED封装,它是将边长约0.25ram的正方形管芯粘结或烧结正在引线架上,管芯的正极经过球形接触点与金丝键合为内引线与一条管脚相连,负极经过固晶胶以及引线架的另外一管脚相连,而后其顶部用环氧树脂包封。正在教授教养中要求每一位同窗实现点胶、固晶、焊线、灌胶、测试等环节的理论流动。


  4.2 实习中LED封装资料功能与抉择


  封装资料是影响LED功能的次要要素之一,惯例LED封装资料次要包罗支架、固晶胶、芯片、荧光粉、配粉胶等。


  支架次要有铜支架、铁支架以及铝支架。铜支架导热、导电功能好,价钱较高。而铁支架的导热、导电功能绝对较差,易生锈,但价钱廉价。一般小功率LED封装罕用的是铝支架。LED罕用的固晶胶次要有银浆以及绝缘胶等。银浆的导热性好,能够延伸LED寿命,但银浆对光的排汇比拟年夜,招致光效降落不少,一样前提下,用银浆固晶与用绝缘胶固晶相比,初始光通量会相差较多。关于双电极的蓝光芯片,正在用银浆固晶时,对胶量的管制也很严格,不然容易造成短路。应用绝缘胶,因为导热性差,LED的寿命较低,但光效较高,点胶管制也没银浆那末严格。


  传统封装的超高亮度白光LED的配粉胶普通采纳环氧树脂或硅胶。硅胶配粉的白光LED的寿命显著比环氧树脂的长不少,缘由之一是用硅胶以及环氧树脂配粉的封装工艺纷歧样,硅胶烘烤温度较低,工夫较短,对芯片的伤害也小;另外,硅胶比环氧树脂更具弹性,更能对芯片起到维护作用。


  LED封装实习落选用罕用的直插型铝支架,固晶胶选用导热性较好的银浆,采纳环氧树脂作为实惯用的配粉胶。


  4.3 编写实习教材


  若何正当设计以及布置实习内容来进步先生理论以及翻新才能是最近几年来咱们下力量探究的内容。遵照的次要准则是强化先生根本才能的把握,实习内容紧跟LED封装行业的技巧支流,经过对现今LED封装前沿技巧的引见疏导先生追踪封装技巧的最新停顿。为此,一直欠缺以及更新实习内容,并前后对实习教材进行了2次修订。实习内容具备如下特性:


  (1)根底性先生正在此以前从未接触过巨细只有几百微米的半导体芯片,LED封装设施及封装资料的年夜局部都是第一次接触,实习起首正在相熟设施及耗材的根底上,重视根底实践常识与消费实际相连系的理论进程,重视LED封装工艺流程的把握,造就先生实际操作才能、剖析处理成绩的才能。


  (2)零碎性正在LED工业链接中,LED封装只是工业链中的一个环节,心愿经过LED封装实习,使同窗们对LED衬底晶片及衬底消费,LED芯片设计及制作消费,LED封装与测试、LED终端产物的开发行使整个LED工业有一个零碎化的意识。


  (3)适用性因为实习采纳的设施都是LED封装消费上应用的,这类训练对结业后正在LED工业链中企业工作的先生长短常无益处的。


  4.4 施展老师主导作用,增强老师步队建立


  素养优异且具备翻新才能的老师步队是片面施行翻新型能人造就的首要保障。而高校的老师绝年夜少数都是从黉舍到黉舍,很少有人参加LED封装消费建立,以是,实习基地建立就给老师提出了新的课题,实习指点老师参加到封装线的建立,要求实习指点老师投入到LED封装的理论中,对老师的营业素养进步起到了踊跃的促成作用。正在实习前,指点老师应向先生批注消费实习的目的、内容、方案以及实习基地的根本状况,使先生做好充沛预备。正在实习进程中,对一些工艺进程、景象能从实践上赐与诠释,从而造就先生综合运用常识剖析息争决实际成绩的才能。


  5 实习查核形式的变革


  实习查核是对先生实习阶段的学习以及综合才能的一次量化评定,~般采纳书面实习陈诉或考试的方式进行反省,这类调查形式存正在反省手法繁多,不克不及主观公正地反响先生的实习技艺以及所把握的常识。因为实习陈诉存正在没有同水平的相互剽窃景象,考试较难反映出先生的入手才能。


  LED封装实习问题由如下几局部组成:考勤、纪律、学风;LED封装实习产物的废品率;实习时期的综合体现;实习陈诉。考勤以及LED封装实习产物的废品率正在实习问题的量化上长短常主观的,实习时期的综合体现重视先生处理实际成绩的才能及实习操作才能,关于有共同见地或有翻新思想的先生应给予高分激励。实习陈诉中除了要求论述实习的目的、实习原理外,要求重视LED制作工艺流程、各工序的作用及每一个步骤施行中所要留意的事项,重点探讨试验后果。关于正在实习陈诉中提出对LED消费工艺流程中的一些设法主意(如现有工艺流程的改良、国际外LED的最新技巧停顿,国际外LED封装的近况等)及对LED封装工艺流程实习倡议的同窗正在此局部赐与高分。


  6 论断


  经过对业余理论教授教养的组织形式以及治理轨制进行富裕成效的变革以及理论,创立了校内LED封装消费实习基地,2007年正在我校光电信息业余的先生实习教授教养中,要求每一位同窗实现20个LED的封装,封装的LED及格数与人数关系见图2。



  图2 封装的LED及格数与人数的关系图


  共有166位同窗实现了整个封装进程,此中实现封装的20个LED中及格数是2个的同窗共有31位,LED及格数低于5个的同窗是102位,均匀及格率为25.99%,如斯低的及格率阐明LED封装实习没有太可能正在LED消费厂家进行。


  实习中同窗们用本人的双手正在显微镜下操作巨细只有几百微米的LED芯片,亲自体验LED封装消费的工艺进程,实现了LED封装实习,测试中看到本人封装的LED收回亮堂的光线,不由自主收回开心的笑声。从实习状况来看,成果非常显著。


  该实习基地正在餍足本校先生应用的状况下,2007年同时向浙江年夜学都会学院光电业余的先生开放。从此咱们将持续从更深条理深入LED封装实习的变革,一直探究,进一步欠缺LED封装实习的模式,更好地造就先生的综合才能,为先生结业后的工作奠基扎实的理论根底。


 


编纂:Cedar