LED 封裝與檢測實驗實訓平臺建設

宋琳琳 吳 屏 楊 軼

（哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳518055）

近幾年，各種各樣的電子產品已經在工業、農業、國防和日常生活中得到了廣泛的應用，尤其是在一些新興的行業中扮演重要的角色，比如人工智能、5G 通訊等。伴隨著電子科學技術的蓬勃發展，微電子工業也發展迅猛，這很大程度上是得益于微電子封裝技術的高速發展。由于電子產品具有高性能、高可靠、薄型化、便捷化以及向大眾化普及所要求的低成本等特點，這就要求微電子封裝要更輕、更薄、封裝密度更高，電性能和熱性能更高，可靠性更高，性能價格比更高。為適應電子行業的迅速發展以及深圳市對電子封裝人才的大量需求，我校深圳校區結合材料科學與工程和光電信息科學與工程專業的需求提出了LED 封裝與檢測實訓平臺建設，探索多元化的實驗方法，為學生在微電子封裝和顯示產業從事相關的研究、設計、工程建設及運行維護打下良好的基礎。

1 當前實踐教學中存在的問題

1.1 由于半導體制造與封裝過程中的工藝相對復雜、技術難度高，且設備與耗材投入成本高，大部分高校更傾向于開設半導體元器件的調試與應用課程，比如哈爾濱工程大學開設數控LED 恒流驅動實驗[1]、LED 調光調色實驗[2]、綠光LED 通信應用[3]等，河北大學開設的LED 顯示應用[4]等，然而僅培養學生使用半導體元器件的能力是遠遠不夠的。目前我國在先進存儲、先進制造、高端封裝測試、關鍵裝備材料、新一代半導體技術等領域的發展舉步維艱，處處受限。正是因為如此，作為向企業輸送高技術人才的院校，我們更應向著眼于國家在半導體產業的發展戰略、高技術人才培養方案，開設半導體制造與封裝課程，培養工科專業的學生有關半導體制造與封裝的原理與技術，與表面組裝、集成電路的應用等一系電子技術串聯起來，打破實驗環節隔離的現狀，實現知識從點到網的過渡。

1.2 目前國內有一些高校已經搭建了LED 封裝與檢測平臺，比如重慶郵電大學[5]、武漢軟件工程職業學院[6]、天津工業大學[7]等，但大部分實驗是以手動、半自動封裝設備為主，且封裝方式單一。然而目前LED 封裝技術是隨著電子產品的小型化、輕薄化等特點朝著高密度、多形態的方向發展，單一的封裝方式已不能滿足教學需求。需結合市場上應用范圍較廣，發展前景較大的LED產品的封裝方式，建設一條涵蓋多種LED 封裝方式的自動化產線實訓平臺，以縮小教學與工程實際需求的差距。

2 實驗實訓平臺建設

2.1 可行性分析。LED 封裝與檢測實驗室是半導體技術和信息顯示行業的人才培養重要保障，是全面落實“產、學、研、用”一體化思想的重要途經。LED 封裝與檢測實驗室應為高校師生提供LED 封裝與檢測的實驗環境，從耗材、設備、工藝、測試等方面提供實驗支撐，從教學、實踐、科研多方面滿足高校對LED 封裝與檢測資源的需求。基于點膠和模壓兩種封裝方式構建的LED封裝與檢測實驗室，充分依托半導體封裝技術，提供了豐富的實驗資源，能為實驗教學和科研靈活定制等離子體清洗、固晶、焊線、點膠、模壓、切割、光電綜合測試等不同技術的實驗環境。特別適合用于高校結合本校人才培養模式和粵港澳經濟特區對半導體封裝實驗室進行擴展，為全校師生提供半導體封裝的實驗實訓平臺。

2.2 LED 封裝與檢測實驗室整體構架。根據人才培養以及產學研用的需求，LED 封裝與檢測實驗室建設主要為師生提供實訓教學及科研的實驗環境。模擬市場上LED 封裝工廠實際情況建設一條以工藝和檢測設備為核心的自動化生產線，實現LED裸芯片封裝的自動化生產及性能檢測，實驗室整體架構主要分為5 個層次，具體架構見圖1。

圖1 LED 封裝與檢測實驗室整體架構

2.3 LED 封裝與檢測實驗室實現

結合本校教學和科研實際，LED 封裝與檢測實驗室可完成大小不同尺寸及不同形式的LED 封裝以及光色電和老化測試，涵蓋了光電信息、材料科學、微電子等不同學科的知識內容，滿足師生對不同實驗環境的需求。LED 封裝與檢測實驗室實現主要包含兩個關鍵階段

2.3.1 LED 封裝。通過封裝工藝，LED 芯片得到了充分的保護和機械支撐，同時還具備了光學參數調節、散熱等關鍵性功能。LED 封裝過程的好壞直接決定了最終產品的可靠性和光學性能[8]。如圖2 所示是貼片LED 封裝工藝流程[9]，主要包含：固晶、引線鍵合、熒光粉涂覆。2.3.1.1 固晶工藝：在LED 封裝過程中，將芯片通過粘結劑固定在封裝基板上的過程被稱為固晶工藝。固晶機通過點膠頭將粘結劑涂覆在芯片需要固定的位置，再通過吸嘴將芯片拾起，并放置在粘結劑上，再將固定了芯片的基板放入烘箱中進行固化，最終實現了芯片與基板的機械連接，同時為芯片底部的散熱提供通道。其中涉及的工藝參數有粘結劑用量和涂覆位置、芯片固定位置和方向、壓力、烘烤溫度等。2.3.1.2 引線鍵合工藝：引線鍵合工藝是使用焊線機將金絲通過熱超聲鍵合方式實現引線框架和芯片之間的電氣連接。引線材料根據框架的材料不同選擇金絲、銅絲、鋁絲以及合金絲。考慮到力學性能和電學性能以及可操作性和接合性，目前大多數產品采用的是Au-Ag 合金線。一焊焊點位于芯片電極上，二焊焊點位于引線框架的焊盤上，實現芯片和引線框架的電氣連接，為LED 芯片提供電信號輸入通道。其中涉及的工藝參數有鍵合壓力、鍵合高度、超聲功率、線弧高度、基底溫度、焊接時間等。2.3.1.3 熒光粉涂覆工藝：為了實現LED 的白光照明，采用藍光LED 芯片與黃色熒光粉組合實現白光是目前最常用的技術方法[10]。原理為當芯片接收電信號并發出藍色時，一部分藍光照射在黃色熒光粉顆粒上激發黃光，激發的黃光與剩下的藍光混合在一起形成白光。所以熒光粉涂覆工藝直接決定了最終LED 產品出射白光的光學性能和質量，是封裝過程中最關鍵的步驟。目前在LED 封裝中應用廣泛的涂覆方式有兩種：點膠模式和模壓模式。其中涉及的工藝參數有熒光粉與封裝膠比例、點膠量、壓力、烘烤溫度等。

圖2 LED 封裝工藝流程：(a)粘結劑涂覆；(b)固晶工藝；(c)引線鍵合工藝；(d)點膠工藝；(e)模壓工藝；(f)封裝LED 成品

2.3.2 LED 測試。LED 封裝技術是實現和提升LED 的光學和熱學性能的關鍵，因此LED 測試的主要性能指標也是圍繞這光學和熱學性能。光學方面主要包含光效、光強分布、色溫、空間顏色均勻性等。熱學性能和可靠性性能主要包含封裝熱阻、工作壽命等。2.3.2.1 光色電測試：將積分球、溫控裝置、分光光度計、精密源表、軟件等進行集成，形成一套可利用脈沖電源供電，同時測量LED 燈珠的光色電參數的測試系統，不僅得出光電參數的對應關系，同時避免了燈珠長時間點亮發熱所產生的數據偏差。2.3.2.2 LED 加速老化測試：區別于傳統的環境試驗箱，LED 加速老化設備支持在高溫環境下可實時在線進行光電色參數自動測試，并具備LED 壽命推算及預估的功能，簡化了傳統的LED 老化測試流程。該設備同時支持60 個工位，每個LED 燈珠之間是互不干擾。

3 實驗室功能分析

3.1 開展實驗實訓教學：LED 封裝與檢測實驗實訓平臺配置了LED 封裝的一整套自動化產線和潔凈間管理體系，可生產出符合市場標準的LED 燈珠。在充分考慮到學生上課時的空間性和安全性的基礎上，可完全滿足實驗實訓教學的需求。

3.2 LED 燈珠樣品：實訓課中自己封裝的LED 燈珠可作為后續電子工藝實習課程中的樣品，不僅將微電子封裝與應用課程進行緊密結合，構建了更完整的課程體系，同時為學生構建了一個由前到后、由生產到應用的知識網絡，為加深學生理解工藝與性能之間關系做了更好的詮釋。

3.3 開展封裝材料研究：封裝材料是影響LED 封裝質量的最基礎的因素，比如銀膠、合金線、封裝膠、熒光粉等。這也是材料專業最關心的科研問題。該平臺的工藝和測試設備可支持相關科研團隊進行封裝材料的科學研究和小批量生產驗證，為科研成果轉化提供平臺。

3.4 開展封裝工藝、結構研究：在應用封裝材料的同時，優化封裝工藝和封裝結構有助于提升LED 光學和熱學性能，這也是LED 封裝行業一直關注的重點。該平臺可與企業建立聯系，基于自動化設備的生產環境，優化封裝工藝和結構，從而提升LED 光學和熱學性能，真正意義上落實“產- 學- 研- 用”的思想。

3.5 可擴展功能：可增添光刻機和成膜機等LED 芯片制造設備，建立LED 芯片生產- 一級封裝- 表面組裝的電子產品完整的產業鏈。實現電子產品全體系知識網絡的搭建，為深度培養電子行業人才提供支持和保障。

4 結論

LED 封裝與檢測實驗實訓平臺的建設充分考慮到了我校辦學需求和粵港澳大灣區對人才需求，以及我國在半導體行業發展戰略的調整，利用了LED 在電子封裝和顯示行業的基礎性和重要性，建立一個學科交叉融合的、具有良好的擴展性的實驗環境。可將教學實踐、科學研究、企業崗位需求緊密結合，一方面提升了我校在電子行業人才培養質量，加強學生的實踐能力，另一方面提高了我校在微電子封裝的科研能力，推進了產學研合作，促進了科研成果轉化，體現了我校的辦學特色。