LED 封裝與檢測實驗實訓(xùn)平臺建設(shè)

宋琳琳 吳 屏 楊 軼

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳518055）

近幾年，各種各樣的電子產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在一些新興的行業(yè)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(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子工業(yè)也發(fā)展迅猛，這很大程度上是得益于微電子封裝技術(shù)的高速發(fā)展。由于電子產(chǎn)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(yīng)電子行業(yè)的迅速發(fā)展以及深圳市對電子封裝人才的大量需求，我校深圳校區(qū)結(jié)合材料科學(xué)與工程和光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的需求提出了LED 封裝與檢測實訓(xùn)平臺建設(shè)，探索多元化的實驗方法，為學(xué)生在微電子封裝和顯示產(chǎn)業(yè)從事相關(guān)的研究、設(shè)計、工程建設(shè)及運行維護(hù)打下良好的基礎(chǔ)。

1 當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的問題

1.1 由于半導(dǎo)體制造與封裝過程中的工藝相對復(fù)雜、技術(shù)難度高，且設(shè)備與耗材投入成本高，大部分高校更傾向于開設(shè)半導(dǎo)體元器件的調(diào)試與應(yīng)用課程，比如哈爾濱工程大學(xué)開設(shè)數(shù)控LED 恒流驅(qū)動實驗[1]、LED 調(diào)光調(diào)色實驗[2]、綠光LED 通信應(yīng)用[3]等，河北大學(xué)開設(shè)的LED 顯示應(yīng)用[4]等，然而僅培養(yǎng)學(xué)生使用半導(dǎo)體元器件的能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前我國在先進(jìn)存儲、先進(jìn)制造、高端封裝測試、關(guān)鍵裝備材料、新一代半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展舉步維艱，處處受限。正是因為如此，作為向企業(yè)輸送高技術(shù)人才的院校，我們更應(yīng)向著眼于國家在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、高技術(shù)人才培養(yǎng)方案，開設(shè)半導(dǎo)體制造與封裝課程，培養(yǎng)工科專業(yè)的學(xué)生有關(guān)半導(dǎo)體制造與封裝的原理與技術(shù)，與表面組裝、集成電路的應(yīng)用等一系電子技術(shù)串聯(lián)起來，打破實驗環(huán)節(jié)隔離的現(xiàn)狀，實現(xiàn)知識從點到網(wǎng)的過渡。

1.2 目前國內(nèi)有一些高校已經(jīng)搭建了LED 封裝與檢測平臺，比如重慶郵電大學(xué)[5]、武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院[6]、天津工業(yè)大學(xué)[7]等，但大部分實驗是以手動、半自動封裝設(shè)備為主，且封裝方式單一。然而目前LED 封裝技術(shù)是隨著電子產(chǎn)品的小型化、輕薄化等特點朝著高密度、多形態(tài)的方向發(fā)展，單一的封裝方式已不能滿足教學(xué)需求。需結(jié)合市場上應(yīng)用范圍較廣，發(fā)展前景較大的LED產(chǎn)品的封裝方式，建設(shè)一條涵蓋多種LED 封裝方式的自動化產(chǎn)線實訓(xùn)平臺，以縮小教學(xué)與工程實際需求的差距。

2 實驗實訓(xùn)平臺建設(shè)

2.1 可行性分析。LED 封裝與檢測實驗室是半導(dǎo)體技術(shù)和信息顯示行業(yè)的人才培養(yǎng)重要保障，是全面落實“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化思想的重要途經(jīng)。LED 封裝與檢測實驗室應(yīng)為高校師生提供LED 封裝與檢測的實驗環(huán)境，從耗材、設(shè)備、工藝、測試等方面提供實驗支撐，從教學(xué)、實踐、科研多方面滿足高校對LED 封裝與檢測資源的需求?；邳c膠和模壓兩種封裝方式構(gòu)建的LED封裝與檢測實驗室，充分依托半導(dǎo)體封裝技術(shù)，提供了豐富的實驗資源，能為實驗教學(xué)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(shù)的實驗環(huán)境。特別適合用于高校結(jié)合本校人才培養(yǎng)模式和粵港澳經(jīng)濟(jì)特區(qū)對半導(dǎo)體封裝實驗室進(jìn)行擴(kuò)展，為全校師生提供半導(dǎo)體封裝的實驗實訓(xùn)平臺。

2.2 LED 封裝與檢測實驗室整體構(gòu)架。根據(jù)人才培養(yǎng)以及產(chǎn)學(xué)研用的需求，LED 封裝與檢測實驗室建設(shè)主要為師生提供實訓(xùn)教學(xué)及科研的實驗環(huán)境。模擬市場上LED 封裝工廠實際情況建設(shè)一條以工藝和檢測設(shè)備為核心的自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)LED裸芯片封裝的自動化生產(chǎn)及性能檢測，實驗室整體架構(gòu)主要分為5 個層次，具體架構(gòu)見圖1。

圖1 LED 封裝與檢測實驗室整體架構(gòu)

2.3 LED 封裝與檢測實驗室實現(xiàn)

結(jié)合本校教學(xué)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(xué)、微電子等不同學(xué)科的知識內(nèi)容，滿足師生對不同實驗環(huán)境的需求。LED 封裝與檢測實驗室實現(xiàn)主要包含兩個關(guān)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(hù)和機械支撐，同時還具備了光學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)、散熱等關(guān)鍵性功能。LED 封裝過程的好壞直接決定了最終產(chǎn)品的可靠性和光學(xué)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(jié)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(jié)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(jié)劑上，再將固定了芯片的基板放入烘箱中進(jìn)行固化，最終實現(xiàn)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(shù)有粘結(jié)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(xiàn)引線框架和芯片之間的電氣連接。引線材料根據(jù)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(xué)性能和電學(xué)性能以及可操作性和接合性，目前大多數(shù)產(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)LED 的白光照明，采用藍(lán)光LED 芯片與黃色熒光粉組合實現(xiàn)白光是目前最常用的技術(shù)方法[10]。原理為當(dāng)芯片接收電信號并發(fā)出藍(lán)色時，一部分藍(lán)光照射在黃色熒光粉顆粒上激發(fā)黃光，激發(fā)的黃光與剩下的藍(lán)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(chǎn)品出射白光的光學(xué)性能和質(zhì)量，是封裝過程中最關(guān)鍵的步驟。目前在LED 封裝中應(yīng)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(shù)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(jié)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(shù)是實現(xiàn)和提升LED 的光學(xué)和熱學(xué)性能的關(guān)鍵，因此LED 測試的主要性能指標(biāo)也是圍繞這光學(xué)和熱學(xué)性能。光學(xué)方面主要包含光效、光強分布、色溫、空間顏色均勻性等。熱學(xué)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(jìn)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(shù)的測試系統(tǒng)，不僅得出光電參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，同時避免了燈珠長時間點亮發(fā)熱所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差。2.3.2.2 LED 加速老化測試：區(qū)別于傳統(tǒng)的環(huán)境試驗箱，LED 加速老化設(shè)備支持在高溫環(huán)境下可實時在線進(jìn)行光電色參數(shù)自動測試，并具備LED 壽命推算及預(yù)估的功能，簡化了傳統(tǒng)的LED 老化測試流程。該設(shè)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(xùn)教學(xué)：LED 封裝與檢測實驗實訓(xùn)平臺配置了LED 封裝的一整套自動化產(chǎn)線和潔凈間管理體系，可生產(chǎn)出符合市場標(biāo)準(zhǔn)的LED 燈珠。在充分考慮到學(xué)生上課時的空間性和安全性的基礎(chǔ)上，可完全滿足實驗實訓(xùn)教學(xué)的需求。

3.2 LED 燈珠樣品：實訓(xùn)課中自己封裝的LED 燈珠可作為后續(xù)電子工藝實習(xí)課程中的樣品，不僅將微電子封裝與應(yīng)用課程進(jìn)行緊密結(jié)合，構(gòu)建了更完整的課程體系，同時為學(xué)生構(gòu)建了一個由前到后、由生產(chǎn)到應(yīng)用的知識網(wǎng)絡(luò)，為加深學(xué)生理解工藝與性能之間關(guān)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(zhì)量的最基礎(chǔ)的因素，比如銀膠、合金線、封裝膠、熒光粉等。這也是材料專業(yè)最關(guān)心的科研問題。該平臺的工藝和測試設(shè)備可支持相關(guān)科研團(tuán)隊進(jìn)行封裝材料的科學(xué)研究和小批量生產(chǎn)驗證，為科研成果轉(zhuǎn)化提供平臺。

3.4 開展封裝工藝、結(jié)構(gòu)研究：在應(yīng)用封裝材料的同時，優(yōu)化封裝工藝和封裝結(jié)構(gòu)有助于提升LED 光學(xué)和熱學(xué)性能，這也是LED 封裝行業(yè)一直關(guān)注的重點。該平臺可與企業(yè)建立聯(lián)系，基于自動化設(shè)備的生產(chǎn)環(huán)境，優(yōu)化封裝工藝和結(jié)構(gòu)，從而提升LED 光學(xué)和熱學(xué)性能，真正意義上落實“產(chǎn)- 學(xué)- 研- 用”的思想。

3.5 可擴(kuò)展功能：可增添光刻機和成膜機等LED 芯片制造設(shè)備，建立LED 芯片生產(chǎn)- 一級封裝- 表面組裝的電子產(chǎn)品完整的產(chǎn)業(yè)鏈。實現(xiàn)電子產(chǎn)品全體系知識網(wǎng)絡(luò)的搭建，為深度培養(yǎng)電子行業(yè)人才提供支持和保障。

4 結(jié)論

LED 封裝與檢測實驗實訓(xùn)平臺的建設(shè)充分考慮到了我校辦學(xué)需求和粵港澳大灣區(qū)對人才需求，以及我國在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整，利用了LED 在電子封裝和顯示行業(yè)的基礎(chǔ)性和重要性，建立一個學(xué)科交叉融合的、具有良好的擴(kuò)展性的實驗環(huán)境?？蓪⒔虒W(xué)實踐、科學(xué)研究、企業(yè)崗位需求緊密結(jié)合，一方面提升了我校在電子行業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，加強學(xué)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(jìn)了產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)了科研成果轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)了我校的辦學(xué)特色。