焊线工艺对LED封装光源性能的影响及分析

王忆1，*关华生1,2黄旭升2龙陈2

（1五邑大学应用物理与材料学院广东江门529020，2广州光为照明科技有限公司广州番禺511400）

一、引言

LED由于体积小、耗电量低、使用寿命长、环保、坚固耐用等特点，开启了第三次照明革命的新时代。环保和节能成为市场热点，LED照明将迎来快速发展时期。现阶段，LED照明行业亟待解决的核心技术难题主要包括外延片、芯片的研发技术以及封装工艺技术。而封装技术的重要性不亚于芯片生产，LED产品中很多问题诸如死灯、电压偏高、波长偏移、亮度降低都有可能是由于对封装工艺问题的认识不足而导致的。

LED封装工艺流程中，焊线是指将金线末端采用电子打火棒打火烧结成金球，再利用焊针经由超声波振荡能量在一定的焊接压力下让金球与焊垫产生相对的摩擦运动，并借由快速摩擦产生的能量使金球与焊垫达到离子程度的熔接。焊线工艺是将芯片跟支架连接起来将电能转化为光能最直接的体现。在焊线工艺里，必须选取好质量较好的相关材料、性能稳定的设备、调节好各项程序参数以及技术员熟练的操作，这样才能保证生产出高品质的半成品，同时也为后续工序稳固了基础。

目前，解决LED死灯和较大光衰等问题是行业内亟待解决的重大技术难题。LED 死灯是影响产品质量、可靠性的主要因素，如何减少和杜绝死灯，提高产品质量和可靠性，是封装及照明应用企业需要解决的关键问题。本论文旨在从LED封装流程中焊线工艺出发，探究由于不正确的焊线操作而导致产品不良的原因，以及分析由此而对产品性能产生的影响。通过修正和改善，从而减少和杜绝产品在焊线工艺出现不良，从而为生产高品质、可靠性高的产品打下了稳固的基础。

本论文将从焊线材料、焊线设备、以及焊线程序以及其参数入手来研究LED内部连线的情况，进而从内部保证产品有良好的电性导通，做到裸晶测试的数据跟所给芯片相关参数相差不大。针对于常见的几种焊线不良的产品，通过修改焊线设备参数以及焊线程序参数来得到合格的产品，并给出初步解决方案。

二、焊线工艺需注意的关键技术

全自动焊线机是由多个系统集成的一种复杂设备。它的控制系统包括计算机系统、运动系统、通信系统、图像系统，各个系统都相互依存，由此组成光机电一体化设备。设备不仅具有高响应、低振动、高效率的特性，而且还有稳定的超声输出、打火系统和高精准的图像捕捉，焊接材料可以由全自动进出料系统来进行全自动循环焊接。超声波焊线机是利用超声波的振动能量，将相同金属或不同金属连接起来的一种方法。焊接时，设备没有给金属输送电流，也没有给予高温，只是将振动的能量通过转换而变成为工作件间的摩擦，使金属焊接面温度有一定的升高，从而发生塑性变形。在焊接初时，在一定静压力作用下，两种金属在焊接接头通过瞬时的熔合和凝结便可实现良好连接。焊接过程不会产生飞溅和氧化等现象。金、银、铜、铝等金属的细丝都能通过超声波焊线机进行单点焊接或者多点焊接。

图1. 常用全自动焊线机

根据焊线工艺的要求，焊线前的准备工作尤为重要，比如1W的单颗大功率碗杯型支架、普瑞45mil的芯片、直径1.2mil的金线等等。软件初始化完毕后，载入的程序如无意外应该是上次关机前保存的焊线程序。如果要做与上次不同的产品，就是把当前的程序删掉，删掉的程序包括工作区域的设置、进出料盒和进料轨道的参数、支架和芯片电极对点及其PR光、金线连接的程序。除此之外，还需要进行以下几个方面的认真检查：（1）完成固晶的半成品要确保支架没有弯曲变形，否则会引起支架掉落或者造成机台卡料从而致使产品不良或降低生产效率；（2）芯片、支架表面无杂物，若有杂物可能导致自动焊接过程中PR光搜索不到点而导致机台显示警告信号，若可以搜索到则瓷嘴直接焊接在杂物上而导致漏焊或者虚焊，严重的可能会使金球焊接不上导致金线断开，更严重的则直接导致瓷嘴阻塞或者撞坏瓷嘴，所以这一步检查非常

有必要；（3）金线的地线必须良好接地，因为焊接本身就是一个回路，回路中有电流通过，若金线地线没有接好，则在焊接过程中会经常出现断线的情况；（4）确保金线线夹里面无杂质，因为焊接过程拉动金线的是靠气体，若有杂物卡住金线，则会导致金球滑球，即是焊接时金球滑离电极中心；（5）焊接温度必须要调节好，包括焊前预热温度、焊接温度和焊后温度，因为温度在焊接过程中有相当重要的作用，而温度随不同的产品而不尽相同，比如某机台的的预热温度是180℃，焊接温度是180℃，焊后温度是100℃。

设置焊球组和焊线组，相对于一些COB产品或者集成产品十分必要，以下几个方面需要认真考虑：（1）一焊线接触时间、接触功率、接触压力：一焊是指焊接在芯片上的金球与电极之间的焊接，时间是先决因素，若没有接触时间，接触功率和接触压力则没有任何意义，此三者将决定金球与电极是否焊接得上；（2）一焊球、二焊线接触时间、接触功率、接触压力：两者都是控制金球与支架之间的焊接，时间是先决因素，若没有接触时间，接触功率和接触压力则没有任何意义，此三者将决定金球与支架是否焊接得上；（3）一焊线时间、功率、压力：时间和功率会同时影响烧出金球的大小，功率和压力会决定金球的大小和厚度，功率过小会致使烧出的金球比较小而厚，功率过大会使金球比较大而扁；压力过小会使拉力测试达不到标准，拉力过大在拉力测试时电极脱落或者压坏芯片；（4）一焊球时间、功率、压力：时间和功率会同时影响烧出金球的大小，功率过小或压力过小都会导致金球太小，也有可能会拉力测试达不到标准，还可能会断E点；功率过大或者压力过大都有可能导致焊不上；（5）二焊线时间、功率、压力：时间就是指鱼尾与支架上金球的键合时间，功率过小会导致鱼尾焊不上，功率过大会导致鱼尾与金球键合中心偏移；压力过小会导致拉力测试达不到标准，压力过大会导致支架上的金球被压得太扁或者鱼尾跟金球焊不上，直接翘线；（6）线弧：常见的线弧模式有三种：第一种是STD-QA，只用一个折点，适合于焊点在芯片边缘时；第二种是STD-SQ，具有平台弧，适用于跨芯片比例小于50%时；第三种是BGA-LAST，具有长平台弧，适用于跨芯片比例大于50%时。

焊线完成后需要进行几项重点检测。一是焊线弧线的的检验，如图2.所示。

图2. 焊线的线弧检验基准图

二是焊点检测。主要包含以下4点：（1）.金球为锥形，应扁平而不能高圆；（2）.金球直径为金线直径的3~5倍（约占电极的80%~100%）；（3）金球厚度为金球直径的1/2-2/3；（4）金球同金线交接点完整无折痕。具体列表如表一：

图3. 一焊球检测标准图

表1. 焊点检测合格与不合格对比图说明

三是拉力检测。

表二拉力检测标准

三、综合测试判断

除了上述三种主要检测标准之外，由于机台的不稳定性、焊线材料的不一致性以及程序参数的协调性，很难保证经过焊线出来的产品都是良品，其中肯定有不良品，包括有重焊、偏焊、虚焊以及漏焊。重焊是焊线位置金线数量多于设计数量；偏焊是金球与电极中心键合有偏移；虚焊是焊点脱落或者金线虚连；漏焊是芯片与电极没有金线连接。

（一）外观检测

图4.（1）良品图4.（2）重焊

图4.（3）偏焊图4.（4）虚焊

对于重焊情况，由于每个电极上都焊接了两条金线，第二次焊接的金球直接压在了第一条金线的线颈上，从外观可以看出金球已经变形，线弧也不符合标准，而且由于第一条金线的线颈被压在芯片表面，很容易导致芯片表面的正负极导电触手相连接造成漏电。

管控标准规定：金球与芯片电极焊接面积必须大于金球面积的2/3。对于偏焊情况，由于一焊金球没有压在电极中心，金球已经偏离电极中心一半的距离，这样会导致金球与芯片电极键合程度不够高，金球很容易在受热时脱离电极造成死灯现象。另外，由于芯片上电极以外的区域与金球很难融合，故金球的形状也会发生改变。

对于虚焊情况，线弧会出现不稳定的情况。这极有可能是因为热板上有杂物或者热压板没有压紧支架使得实际高度跟测量高度不一致而造成虚焊现象。一般来说，由于芯片处于中间位置，故一焊影响不大。但是，二焊球跟支架的键合不够牢固，金球只是附在支架表面，而且鱼尾也会压偏在金球边缘，极易发生翘线现象。而且当后段灌胶烘烤时，由于应力的作用二焊点肯定会脱离支架，造成频闪或者死灯。

而漏焊就是芯片上有一个或者多个电极没有焊上金线，导致芯片不亮或者单边亮的现象。

（二）综合检测

主要是通过光、色、电综合性能的检测来判断。因此对于焊线合格与不合格的判断，最好还要通过光电色的综合测试来进行。几个关键步骤如下：

（1）.使用低电流点亮，观察晶片导通是否正常，双线晶片需确认有无单边不亮现象；（2）.使用额定电流（350mA），确认芯片有无频闪及暗亮现象；

（3）.额定电流点亮，分别对重焊、偏焊、虚焊、漏焊以及良品进行裸晶测试，观察所测得的光学参数，包括光通量Φ、发光效率η、光辐射功率P、主波长λd、色坐标（x，y）、半波宽Δλp、色纯度P、正向电压U、显色指数Ra；

（4）.建立图表，进行数据处理以及分析；

（5）.得出结论，并确定问题的原因和解决方案。

四、焊线问题的一些解决方案

要想生产出合格的焊线产品，必须要做到以下几点：

（一）要保证自动焊线机台的稳定性，包括电性稳定和气压稳定；

（二）做好材料的防潮、防氧化保护措施，确保进入机台的待焊线材料都是符合生产标准的；

（三）熟练的焊线技术和良好的操作习惯；

（四）对于重焊现象，纯粹是因为操作员不小心把已经焊线完毕的材料再次放进机台进行第二次焊线，所以操作员要学会把材料归类放好即可避免；

（五）对于偏焊现象，一是编辑焊线程序芯片对点时十字光标没有对准电极中心；二是拉线时十字光标没有对准电极中心；三是编辑程序完毕进入自动焊线之前没有进

行金球位置校正；四是由于温度延迟时间过短导致温漂；五是线夹有杂物导致金球滑球；

（六）对于虚焊现象，一是由于电子打火杆挡到瓷嘴下降；二是焊线功率和焊线压力过小；三是是由于热板太低或者热压板太高而导致材料压不紧；

（七）对于漏焊现象，一是接触功率和接触应力过小；二是金线地线没接好导致断线；三是烧球电流过大导致断线；四是线尾过长或者过短导致烧球失败。

总之，焊线产品出现焊线不良的情况，可根据上述方案探究其产生的原因，问题基本上都可以得到解决。