大功率LED喷射式点胶过程的研究思考

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摘 要 大功率led照明具有高效、安全、耐久、绿色等诸多优点，目前已经被业内公认为是下一代的照明光源，不少国家已经启动了大功率LED的产业规划。封装是大功率LED制造的中游环节，其中，芯片的荧光粉点胶是重要的工序；而点胶品质对于大功率LED成品的光效与可靠性有很大的影响。随着LED的生产效率不断提高以及封装功率的不断提升，喷射式点胶已经逐步替代了接触式点胶工艺，而荧光粉硅胶也取代了环氧树脂成为了主流的封装材料。但是硅胶的粘度较高，因此针对大功率LED高频、微量、高一致性的点胶要求，目前还存在不出胶、一致性差等问题。本文首先概述了一下照明用LED产业的现状，随后重点探讨粉胶两相点胶当中存在的各种问题并给出一些思路。文章可以为点胶阀等封装装备生产企业及相关研究提供一定的参考。

关键词 发光二极管；微电子封装；喷射式点胶

中图分类号TN305 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）118-0179-02

0 引言

发光二极管（LED）是一种新型的固体光源，它具备节能、环保、安全、小巧、高效、寿命较长、发光性能稳定等显著优点。但是我国目前尚未掌握高性能LED产业核心的制造技术。因此大力发展LED照明产业对于落实低碳经济、建设创新型国家、培养科技人才都具有战略意义。

封装是LED芯片制造中承上启下的重要一环，LED产品性能与封装质量密切相关。荧光粉点胶是LED封装的关键环节，它直接影响着LED器件的封装质量。

若点胶过程中粉胶不均、成型不好，将会造成芯片热分布不均，进而导致芯片局部过热，引起光衰。若胶滴尺寸不一，则会导致LED的色温分布变大，同样会使得产品质量下降。

随着LED芯片的功率不断提升，封装尺寸也随之加大，目前一百流明以上的LED封装尺寸已经达到了5×5mm2。而在LED芯片表层实现大面积、均匀、高速的荧光粉布胶成为了封装装备制造中新的挑战。

要想解决当前LED点胶过程中存在的问题，需要对整个点胶过程进行系统的研究。首先，由于LED点胶是将荧光粉混合在硅胶当中，因此需要对这种流固耦合流体的流变特性有所了解。其次，目前喷射式点胶阀普遍采取的喷胶原理为撞针撞击式结构，该结构运用到LED粉胶两相流点胶场合便出现了新的问题。再者，胶滴从喷嘴喷出后的运动状态与胶滴的成型品质存在很大的联系，要想获得更好的胶滴品质便需要系统研究一下两者的关系。最后，由于点胶工艺具有一定的持续时间，而胶液在该过程中会发生化学变化，如何保证胶滴的一致性也是一个难点。

1 粉胶两相流固耦合流体的流变特性研究

高性能LED的封装材料对产品的发光效率、亮度、耐久性、使用寿命等都有着非常重要的作用。传统小功率LED的封装材料主要是环氧树脂，它具有成本低、使用方便等特点，被广泛地应用在特种LED照明领域。但是随着LED封装功率的不断提升以及在照明领域的使用，环氧树脂已经无法满足目前的封装需求，因此有机硅材料就应运而生了。

1.1 胶水在点胶过程中存在的问题

为了让散发蓝光的LED芯片输出照明用的白光，目前广泛采用的方法是将微米级的黄色荧光粉颗粒以一定的质量比例掺入硅胶内，将混合好的胶液搅拌均匀后通过点胶过程均匀地涂抹在芯片上。

但在胶液喷射分配的过程中，胶水的流变特性会随着时间推移而发生改变，这是因为胶水中的水分不断地蒸发，高聚物基团中的分子力增加发生固化、粘度增加，因此会出现胶液喷射量逐步减少，甚至不出胶的现象，这最终将会影响到胶滴的一致性。同时由于供胶压力长时间作用在贮胶针筒内，使得胶液中掺入的荧光粉颗粒沉降速度加快，这将会最终导致喷出的胶水荧光粉含量不均匀。

1.2 针对因粘度漂移而导致的喷胶量减少的思考

若要从化学的角度来解决胶水粘度漂移进而保证胶滴的一致性是比较难的，从控制的角度出发则可以比较容易实现。

首先需要利用流变测试仪器对胶液的流变测试做系统的研究，得到胶水随着温度、剪切速率、荧光粉比例、时间等因素变化的各类曲线图，揭示其粘度变化的特定规律，随后根据这类曲线建立胶液的经验公式，最后便可以通过控制算法来对胶液的粘度增量进行加温补偿。

值得注意的是，在喷射的过程中不能使用太高的温度来降低粘度。一是因为加温后会加速胶液的固化，二是因为粘度降低会导致出胶量的增加进而达不到微量的封装要求。

硅胶是一种高聚合化合物，在常温下既有流体的性质，也有一些弹性的性质，是一种时变性质的非牛顿流体。因此研究粉胶两相流体在常温下的力学性能对设计喷射机构也具有一定的指导意义。

2 胶液在阀内流动情况的仿真研究

目前电子封装业广泛使用的是时间-压力式点胶[5]。但它存在效率低、点胶一致性不稳定、容易损伤器件等问题，其点胶性能无法满足高性能LED制造的高频率、高一致性要求。

喷射式点胶是一种非接触式点胶技术。它在生产过程中针头不需要进行竖直方向的往复运动，因而大幅度提高了点胶速度，同时避免了对器件表面的损伤，将成为未来LED点胶的主流技术。

2.1 喷射阀设计过程存在的问题

在目前LED点胶装备产业链中，喷胶阀的设计与制造是其中的关键技术。但是当前企业对于喷射阀的设计还处在主要经验设计阶段，并没有形成系统的设计理论以及可执行的设计准则。对于阀体内的各个零部件种尺寸及受力情况并没有很深入的研究，更谈不上如何对结构进行优化。

上述局面导致了国产喷射阀性能的局限性，也在很大程度上制约了自主创新的步伐。从产品效果上来讲，有不少高粘度的液体在常温下是难以喷出的，而企业针对这种办法一般都是采取加温来处理。

2.2 优化喷射阀设计的思路

国内不少学者针对点胶装备做过研究，但大多是通过改变撞针的驱动方式来改变工作频率，并没有涉及到阀体尺寸的设计根据，对整个阀体的数学物理模型研究则很少涉及。

首先可以利用流体仿真软件对阀体内粉胶两相流体的流动情况进行系统的计算机有限元仿真研究，揭示在撞针高速撞击过程中胶液的流动情况及阀体零件的受力情况。同时还可以得到仿真的出胶量、喷胶速度、回流量以及其他数据。从目前已经得到的研究成果来看，胶液在阀体内部的回流是常温下高粘度胶液喷出的一大阻碍。

其次可以通过粘性流体多维流动的N-S方程以及分布参数系统的建模理论来建立整个喷射阀的数学模型，并结合实际的喷胶实验和仿真计算来修正和调整模型，进而起到指导这一类喷射点胶阀设计的作用。

3 胶液在阀外喷射情况的实验研究

胶液在撞针的高速撞击下克服阻力从喷嘴处以较高的速度喷出，经过一小段时间的自由运动后最终落在基板上形成胶滴，这一过程对于胶滴成型也有着非常重要的作用。胶液在喷嘴外的自由流动不仅仅和喷射速度有关，与胶液粘度、喷嘴的几何结构、基板高度、生产环境、系统振动等因素都有关系。要想获得高品质的胶滴形状，稳定胶液喷射过程便成为了必要的途径。而目前国内外对于该过程的研究很少，国内尚未发现有公开的文献。

3.1 胶液喷射过程中存在的问题

胶液从阀体喷嘴处以一定速度喷出，随后自由运动到达基板这一个过程可定义为胶液喷射过程，该过程稳定与否与胶滴的品质密切的联系。当前在喷射过程中有拉丝、桥接、定位不准、挂胶、分柱等种种问题存在。

导致上述问题存在的原因非常复杂，各项因素相互耦合。其中主要的因素有胶液粘度过高、胶滴的动能不足无法克服粘性阻力、阀体在撞击过程中产生振动等，其中胶液的粘度占据了比较主要的位置。但前文已经提到，一味地降低粘度也会有副作用，因此需要提出新的方法来稳定胶液喷射的过程。

3.2 胶液喷射过程的研究思路

胶液喷射是在极其短的时间内完成的，而且对于这方面的研究文献非常少，可参考的资料不多。因此我们可以从最基本的现象入手进行研究。

高速摄像机可以在一秒的时间内捕抓数千张不失真的图片，通过对胶液喷射的过程进行现象捕捉可以详细地了解胶液从喷嘴出来到基板的整个运动过程。在此基础上通过改变点胶的供胶气压、胶液粘度、基板高度、撞针行程等各参数来观察不同参数对胶液喷射情况的影响便可以初步找出胶液的喷射规律，进而可以得到最优的点胶参数组合。在对可调参数进行优化以后，还可以结合喷嘴的几何参数进行研究，找出最适宜断胶的喷嘴形状与尺寸。

随后根据现场实验数据以及胶液在阀内部的流动情况，可以对胶滴喷射的自由运动过程进行数学建模，建立喷射阀的一般性设计守则，并提出新的喷嘴结构。

4 胶滴体积一致性的控制算法研究

在实现大功率LED的荧光粉层的均匀涂覆，保证胶滴体积大小和重量的一致性就显得十分重要了。若荧光粉层涂覆不均匀，那么最直接的后果便是芯片散热出现问题，温度场分布不均匀，最终导致结温偏高，降低发光效率和使用寿命。

4.1 影响胶滴一致性的因素

胶滴的一致性有两方面的含义，一个是每一滴胶水需要保证其大小、重量、形状的一致；另一个则是要保证在这一批胶水的分配过程中保证一致性。前者是单点的一致性，后者是批次的一致性。影响前者的因素很多，更多的是概率在影响着它的分布。比如周围的环境、设备运行的稳定性、撞针撞击后产生的不规律振动等等。

而后者主要是受胶水特性的影响，随着时间推移、粘度增加，越到后面胶液越难以喷出，体积自然会越来越小。

4.2 胶滴一致性控制算法的思路

对于单点的一致性利用控制算法很难得到解决，它更多的是要通过增加整个机械结构的稳定性来降低胶滴体积与重量的分布方差，进而保证一致性。这就要求在设计和加工上下功夫。

而针对由于粘度漂移而导致的一致性问题则可以通过控制算法很好的予以解决。

5 结论

在LED封装过程中，荧光粉点胶是一项极其重要的工序，它直接影响了LED成品的质量。而如何实现高性能LED制造中高粘度、高频率、高可靠性的点胶要求则成为LED封装装备制造的难题。

要想解决当前LED点胶过程中的问题，需要对整个喷胶过程及其周边情况进行分解，独立研究后再集成研究，这是一项艰巨的系统工程。

文章首先提出了针对封装材料外部特性的研究工作，这一项工作可以为阀体的设计、建模、仿真以及胶滴的一致性控制提供详细的数据。随后对胶液的运动分解成两步：阀体内的流动情况和阀体外的喷射情况，通过对这一部分的运动学和动力学研究，我们能够获得一般性的设计准则，这对于设计喷射发具有很强的指导意义。最后为了进一步保证胶滴的成型品质，可以利用实时在线反馈的批次性算法进行补偿，以得到更加稳定的胶滴体积和重量。

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