宋琳琳 吴 屏 杨 轶

（哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，广东 深圳518055）

近几年，各种各样的电子产品已经在工业、农业、国防和日常生活中得到了广泛的应用，尤其是在一些新兴的行业中扮演重要的角色，比如人工智能、5G 通讯等。伴随着电子科学技术的蓬勃发展，微电子工业也发展迅猛，这很大程度上是得益于微电子封装技术的高速发展。由于电子产品具有高性能、高可靠、薄型化、便捷化以及向大众化普及所要求的低成本等特点，这就要求微电子封装要更轻、更薄、封装密度更高，电性能和热性能更高，可靠性更高，性能价格比更高。为适应电子行业的迅速发展以及深圳市对电子封装人才的大量需求，我校深圳校区结合材料科学与工程和光电信息科学与工程专业的需求提出了LED 封装与检测实训平台建设，探索多元化的实验方法，为学生在微电子封装和显示产业从事相关的研究、设计、工程建设及运行维护打下良好的基础。

1 当前实践教学中存在的问题

1.1 由于半导体制造与封装过程中的工艺相对复杂、技术难度高，且设备与耗材投入成本高，大部分高校更倾向于开设半导体元器件的调试与应用课程，比如哈尔滨工程大学开设数控LED 恒流驱动实验[1]、LED 调光调色实验[2]、绿光LED 通信应用[3]等，河北大学开设的LED 显示应用[4]等，然而仅培养学生使用半导体元器件的能力是远远不够的。目前我国在先进存储、先进制造、高端封装测试、关键装备材料、新一代半导体技术等领域的发展举步维艰，处处受限。正是因为如此，作为向企业输送高技术人才的院校，我们更应向着眼于国家在半导体产业的发展战略、高技术人才培养方案，开设半导体制造与封装课程，培养工科专业的学生有关半导体制造与封装的原理与技术，与表面组装、集成电路的应用等一系电子技术串联起来，打破实验环节隔离的现状，实现知识从点到网的过渡。

1.2 目前国内有一些高校已经搭建了LED 封装与检测平台，比如重庆邮电大学[5]、武汉软件工程职业学院[6]、天津工业大学[7]等，但大部分实验是以手动、半自动封装设备为主，且封装方式单一。然而目前LED 封装技术是随着电子产品的小型化、轻薄化等特点朝着高密度、多形态的方向发展，单一的封装方式已不能满足教学需求。需结合市场上应用范围较广，发展前景较大的LED产品的封装方式，建设一条涵盖多种LED 封装方式的自动化产线实训平台，以缩小教学与工程实际需求的差距。

2 实验实训平台建设

2.1 可行性分析。LED 封装与检测实验室是半导体技术和信息显示行业的人才培养重要保障，是全面落实“产、学、研、用”一体化思想的重要途经。LED 封装与检测实验室应为高校师生提供LED 封装与检测的实验环境，从耗材、设备、工艺、测试等方面提供实验支撑，从教学、实践、科研多方面满足高校对LED 封装与检测资源的需求。基于点胶和模压两种封装方式构建的LED封装与检测实验室，充分依托半导体封装技术，提供了丰富的实验资源，能为实验教学和科研灵活定制等离子体清洗、固晶、焊线、点胶、模压、切割、光电综合测试等不同技术的实验环境。特别适合用于高校结合本校人才培养模式和粤港澳经济特区对半导体封装实验室进行扩展，为全校师生提供半导体封装的实验实训平台。

2.2 LED 封装与检测实验室整体构架。根据人才培养以及产学研用的需求，LED 封装与检测实验室建设主要为师生提供实训教学及科研的实验环境。模拟市场上LED 封装工厂实际情况建设一条以工艺和检测设备为核心的自动化生产线，实现LED裸芯片封装的自动化生产及性能检测，实验室整体架构主要分为5 个层次，具体架构见图1。

图1 LED 封装与检测实验室整体架构

2.3 LED 封装与检测实验室实现

结合本校教学和科研实际，LED 封装与检测实验室可完成大小不同尺寸及不同形式的LED 封装以及光色电和老化测试，涵盖了光电信息、材料科学、微电子等不同学科的知识内容，满足师生对不同实验环境的需求。LED 封装与检测实验室实现主要包含两个关键阶段

2.3.1 LED 封装。通过封装工艺，LED 芯片得到了充分的保护和机械支撑，同时还具备了光学参数调节、散热等关键性功能。LED 封装过程的好坏直接决定了最终产品的可靠性和光学性能[8]。如图2 所示是贴片LED 封装工艺流程[9]，主要包含：固晶、引线键合、荧光粉涂覆。2.3.1.1 固晶工艺：在LED 封装过程中，将芯片通过粘结剂固定在封装基板上的过程被称为固晶工艺。固晶机通过点胶头将粘结剂涂覆在芯片需要固定的位置，再通过吸嘴将芯片拾起，并放置在粘结剂上，再将固定了芯片的基板放入烘箱中进行固化，最终实现了芯片与基板的机械连接，同时为芯片底部的散热提供通道。其中涉及的工艺参数有粘结剂用量和涂覆位置、芯片固定位置和方向、压力、烘烤温度等。2.3.1.2 引线键合工艺：引线键合工艺是使用焊线机将金丝通过热超声键合方式实现引线框架和芯片之间的电气连接。引线材料根据框架的材料不同选择金丝、铜丝、铝丝以及合金丝。考虑到力学性能和电学性能以及可操作性和接合性，目前大多数产品采用的是Au-Ag 合金线。一焊焊点位于芯片电极上，二焊焊点位于引线框架的焊盘上，实现芯片和引线框架的电气连接，为LED 芯片提供电信号输入通道。其中涉及的工艺参数有键合压力、键合高度、超声功率、线弧高度、基底温度、焊接时间等。2.3.1.3 荧光粉涂覆工艺：为了实现LED 的白光照明，采用蓝光LED 芯片与黄色荧光粉组合实现白光是目前最常用的技术方法[10]。原理为当芯片接收电信号并发出蓝色时，一部分蓝光照射在黄色荧光粉颗粒上激发黄光，激发的黄光与剩下的蓝光混合在一起形成白光。所以荧光粉涂覆工艺直接决定了最终LED 产品出射白光的光学性能和质量，是封装过程中最关键的步骤。目前在LED 封装中应用广泛的涂覆方式有两种：点胶模式和模压模式。其中涉及的工艺参数有荧光粉与封装胶比例、点胶量、压力、烘烤温度等。

图2 LED 封装工艺流程：(a)粘结剂涂覆；(b)固晶工艺；(c)引线键合工艺；(d)点胶工艺；(e)模压工艺；(f)封装LED 成品

2.3.2 LED 测试。LED 封装技术是实现和提升LED 的光学和热学性能的关键，因此LED 测试的主要性能指标也是围绕这光学和热学性能。光学方面主要包含光效、光强分布、色温、空间颜色均匀性等。热学性能和可靠性性能主要包含封装热阻、工作寿命等。2.3.2.1 光色电测试：将积分球、温控装置、分光光度计、精密源表、软件等进行集成，形成一套可利用脉冲电源供电，同时测量LED 灯珠的光色电参数的测试系统，不仅得出光电参数的对应关系，同时避免了灯珠长时间点亮发热所产生的数据偏差。2.3.2.2 LED 加速老化测试：区别于传统的环境试验箱，LED 加速老化设备支持在高温环境下可实时在线进行光电色参数自动测试，并具备LED 寿命推算及预估的功能，简化了传统的LED 老化测试流程。该设备同时支持60 个工位，每个LED 灯珠之间是互不干扰。

3 实验室功能分析

3.1 开展实验实训教学：LED 封装与检测实验实训平台配置了LED 封装的一整套自动化产线和洁净间管理体系，可生产出符合市场标准的LED 灯珠。在充分考虑到学生上课时的空间性和安全性的基础上，可完全满足实验实训教学的需求。

3.2 LED 灯珠样品：实训课中自己封装的LED 灯珠可作为后续电子工艺实习课程中的样品，不仅将微电子封装与应用课程进行紧密结合，构建了更完整的课程体系，同时为学生构建了一个由前到后、由生产到应用的知识网络，为加深学生理解工艺与性能之间关系做了更好的诠释。

3.3 开展封装材料研究：封装材料是影响LED 封装质量的最基础的因素，比如银胶、合金线、封装胶、荧光粉等。这也是材料专业最关心的科研问题。该平台的工艺和测试设备可支持相关科研团队进行封装材料的科学研究和小批量生产验证，为科研成果转化提供平台。

3.4 开展封装工艺、结构研究：在应用封装材料的同时，优化封装工艺和封装结构有助于提升LED 光学和热学性能，这也是LED 封装行业一直关注的重点。该平台可与企业建立联系，基于自动化设备的生产环境，优化封装工艺和结构，从而提升LED 光学和热学性能，真正意义上落实“产- 学- 研- 用”的思想。

3.5 可扩展功能：可增添光刻机和成膜机等LED 芯片制造设备，建立LED 芯片生产- 一级封装- 表面组装的电子产品完整的产业链。实现电子产品全体系知识网络的搭建，为深度培养电子行业人才提供支持和保障。

4 结论

LED 封装与检测实验实训平台的建设充分考虑到了我校办学需求和粤港澳大湾区对人才需求，以及我国在半导体行业发展战略的调整，利用了LED 在电子封装和显示行业的基础性和重要性，建立一个学科交叉融合的、具有良好的扩展性的实验环境。可将教学实践、科学研究、企业岗位需求紧密结合，一方面提升了我校在电子行业人才培养质量，加强学生的实践能力，另一方面提高了我校在微电子封装的科研能力，推进了产学研合作，促进了科研成果转化，体现了我校的办学特色。