崑崑崑崑 山山山山 科科科科 技技技技 大大大大 學學學學

電子工程系四電子工程系四電子工程系四電子工程系四技部技部技部技部

專專專專 題題題題 研研研研 究究究究 報報報報 告告告告

使用新穎製程取代傳統發光二極體固晶法使用新穎製程取代傳統發光二極體固晶法使用新穎製程取代傳統發光二極體固晶法使用新穎製程取代傳統發光二極體固晶法

學生學生學生學生：：：： 林尚颉

劉中凱

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：： 林俊良 老師

中 華 民 國 一 百 零 一 年 三中 華 民 國 一 百 零 一 年 三中 華 民 國 一 百 零 一 年 三中 華 民 國 一 百 零 一 年 三 月月月月

II

I

摘摘摘摘 要要要要

本研究在探討兩種固晶膠體 Epoxy DX20 固晶膠及信越化學

(ShinEtsu)KE-4901-W 矽膠體，在 LED 支架底部備上兩種不同膠體

後，將晶粒(chip)安置在有固晶膠的支架上，在用顯微鏡下用刺晶筆將

管芯一個一個安裝在 LED 支架相應的焊盤上，隨後進行燒結使膠體固

化利用這兩種不同的固晶膠體來進行封裝，探討兩者的之間的表面穿

透反射、光電特性、壽命來比較。

II

目 錄

頁數

摘要 --------------------------------------------------------------------

Ⅰ

目錄 --------------------------------------------------------------------

Ⅱ

表目錄 --------------------------------------------------------------------

Ⅳ

圖目錄 --------------------------------------------------------------------

V

第一章 緒論-------------------------------------------------------------- 1

1.1 前言--------------------------------------------------------------

1

1.2 研究動機與目的-----------------------------------------------

3

第二章 LED 封裝製程----------------------------------------------- 4

2.1 LED 封裝製程步驟--------------------------------------------

4

第三章 實驗流程與結果----------------------------------------------- 8

3.1 實驗封裝流程--------------------------------------------------

8

3.1.1 烘烤 DX-20 設定程序---------------------------------

11

3.1.2 分別以三批 DX-20 膠餅進行研究分析-------------

13

3.1.3 KE-4901-W 固化條件---------------------------------

15

3.1.4 封裝規劃流程-------------------------------------------

16

3.1.5 DX-20 與 KE-4901-W 膠餅分析比較-----------

17

III

3.1.6 照明工程中何謂流明與勒克司-----------------------

17

3.1.7 DX-20 與 KE-4901-W 膠餅進行實驗-------------

18

3.2 封裝量測結果--------------------------------------------------

20

3.3 變電流量測-----------------------------------------------------

21

3.4 光電特性量測--------------------------------------------------

22

3.5 LED 壽命架設--------------------------------------------------

23

第四章 結論---------------------------------------------------- 24

參考文獻 -------------------------------------------------------------------- 25

IV

表目錄表目錄表目錄表目錄

頁數

表 3.1 膠體比例分配表-------------------------------------------------- 9

表 3.2 各端頭膠體之使用----------------------------------------------- 10

表 3.3 第一批 DX-20 膠餅---------------------------------------------- 13

表 3.4 第二批 DX-20 膠餅---------------------------------------------- 14

表 3.5 第三批 DX-20 膠餅---------------------------------------------- 14

V

圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄

頁數

圖 1.1 LED 封裝流程圖-------------------------------------------------- 7

圖 3.1 實驗流程圖-------------------------------------------------------- 8

圖 3.2 封裝規劃流程圖-------------------------------------------------- 16

圖 3.3 雷射光會穿透膠餅----------------------------------------------- 19

圖 3.4 雷射光被表面反射----------------------------------------------- 19

圖 3.5 LED DX20 固化完成-------------------------------------------- 20

圖 3.6 LED KE-4901-W 固化完成------------------------------------- 20

圖 3.7 變電流量測圖----------------------------------------------------- 21

圖 3.8 光電特性量測圖-------------------------------------------------- 22

圖 3.9 光電特性量測圖-------------------------------------------------- 23

1

第一章第一章第一章第一章 緒論緒論緒論緒論

1.1前言

現今電子元件體積趨向小型化的趨勢，而使得發光二極體

(LED，light emitting diode)設計亦隨著朝向輕、薄、短、小的方向發

展；另一方面，LED 封裝(LED packaging)的主要目的在於保護晶片

及金線、線路，使免於受到空氣中塵埃、濕氣、震動的破壞，以提

高 LED 產品的機械性質、使用壽命與可靠度，因此，對於 LED 產

品的材料、結構、製程、可靠度的要求也越來越嚴格。

LED 封裝製程，若以基板(Substrate)來區分的話，主要可分為印

刷電路板 (Printed circuit board， PCB)、陶瓷 (ceramic)及導線架

(leadframe)三種板材的封裝方式。其中，陶瓷與導線架基板用於頂視

(TopView)與側視(Side View)LED 的封裝，手機按鍵的背光源所用的超

薄型表面黏著式(SMD，surface-mount device) 發光二極體產品，基板

以印刷電路板為主。一般在SMD LED 封裝製程中，所充填、包裝的材

料為環氧樹脂類的高分子材料，即EMC(epoxy molding compound)，這

是一種主要成分為熱固性聚合物(thermosettingpolymers)的塑膠。一般的製

造方式，大致可分為兩階段：第一階段主要為充填注膠過程，並使得

產品達成初步熟化；第二階段，即所謂的後熟化(Post-Mold Cure)製程，

2

則是加壓產品並在適當的環境下烘烤，以使得產品性質穩定、降低翹

曲量。

目前就LED 應用於手機上的數量來說，包含了約需1 顆的LED

來電指示燈，2 至4 顆的螢幕背光源及6 至8 顆的按鍵背光源需求，

再加上手機附加照相功能所需之3 至4 顆閃光燈用之白光LED，以

一台彩色手機對於LED 顆粒之需求量，平均將可達10 到12 顆。若

以近年手機年產銷量約4 億支、每支手機10 顆計算，則手機對LED

年需求量高達40 億顆。

3

1.2研究動機與目的

由於LED 產品設計持續朝向輕薄短小的趨勢來進行，因此在整個

產品開發過程中會產生許多問題，例如晶片效率、封裝膠體變異、熱

漲冷縮與散熱或熱傳導不佳等問題，這些問題間接會造成LED 產品效

能降低、可靠度不佳，因此開發新式樣LED 設計，導入新材料應用並

解決這些問題，將有助於產品效能改善與可靠度提升。

目前LED上依傳統的LED封裝結構為例，一般都是用固晶膠或銀

膠將LED晶片黏貼在導線架的反射杯中或SMD基座上，再由金或鋁線

焊線機完成LED元件的內外連接正負極後用環氧樹脂epoxy封裝而

成。若採用傳統式的LED封裝形式其程序雖然簡單，但其熱阻高達250

℃/W～300℃/W。LED將會因為散熱不良而導致晶片溫度迅速上升和

環氧樹脂變質，從而造成LED元件的加速老化到失去發光功能，且因

為持續的熱量累積所產生的發光效率降低並造成加速LED元件本身增

溫，增溫效應形成應力造成結構不良而燒毀。

因此信越化學(ShinEtsu)KE-4901-W矽膠即是本研究所要探討的材

料，利用本身具有優良之物理及化學之特性，改善傳統環氧樹脂epoxy

封裝的先天限制。

4

第二章第二章第二章第二章 LED封裝製程封裝製程封裝製程封裝製程

2.1 LED封裝實驗製程步驟

LED 封裝整個流程如圖1.1所示，在經過這些製程後，才可成

為具有完整功能之LED 元件。每一階段則簡述如下：

1. 固晶(die bond)

切割後之晶片則利用環氧樹脂(epoxy)或銀膠(dieattach)黏著在導線

架或印刷電路板上，此程序稱為固晶。環氧樹脂(epoxy)與銀膠(dieattach)

的差別在於銀膠有導電性，四元架構的晶片正面幾乎都是單焊墊(Pad)

而背面有作電極，所以必須利用銀膠固晶將背面的電極與 PCB 板的線

路能夠做電性連接，而非四元架構的晶片正面分別有正負極性，所以

固晶膠的選擇兩樣皆可。固晶的主要目的在於提供晶片有足夠強度黏

著在板材上，避免因其它程序而導致晶片位移或破裂。

2. 烘烤

將固晶完成的晶粒送進烤箱烘烤，使晶粒與板材穩固的粘著，避

免在打線時發生問題拔晶的現象發生。

3. 打線(wire bond)

打線製程的目的是將晶粒上的焊墊以極細的金線約(23~26μm)

連接到與板材上面的線路，進而將電路訊號傳送至外界。打線完成

5

後的晶粒將披覆一層可杜絕放射線干擾的膠質層。

4. 封膠(encapsulation)

先將要填充的膠餅(在此為環氧樹脂，通稱為 EMC，Epoxy Molding

Compound)先在預熱箱中預熱一段時間，等達到某一溫度膠餅軟化時

利用導螺桿加壓傳送的方式，將已經是融熔狀態的 EMC 給射出，經

澆道(Runner)、澆口(Gate)，最後到達模穴，而充滿整個模穴，待經過

冷卻熟化之後初步的構裝即算完成，此方式稱為轉移成型法(transfer

molding)。

5. 後熟化(post-mold cure)

在封膠製程完成後，膠體本身並未達到完全固化(fully cure)的狀

態，為了要讓膠體達到完全熟化的狀態，通常會將 LED 再放進烤箱

中烘烤(溫度必需大於玻璃轉化溫度，Tg)，此一步驟稱為後熟化製程。

一般 LED 封裝所用的環氧樹脂是屬於熱固(thermosetting)材料，當樹

脂在充填與固化階段的成型期間，因為整個模具環境處於高溫狀態（通

常為 160℃），此時分子彼此間會發生鍊結反應(crosslinking)，此反應

會使分子不斷鍊結在一起並放出熱量，最後當反應結束後便會固化，

變成性質不同的新物質，且再加熱也不會軟化熔融，並且也無法重覆

使用。

6

後熟化製程的主要目的即在於用加溫烘烤方式，使膠體能夠固化

完全並且使膠體的機械性質能夠更加良好、並達到穩定狀態、增加產

品的可靠度。

6. 檢測(inspection and testing)

檢測目的是對每顆 LED 成品進行測試，以確保產品功能無誤，

一般而言，檢測項目包含電性測試、共面度。

7. 可靠度(reliability)

可靠度測試，其目的為模擬各種環境狀況下如高濕，極高/低

溫及高壓等條件，依循電子工程設計發展聯合學會(Joint Electron

DeviceEngineering Council, JEDEC)的國際標準，來加速封裝元件的

破壞，進而推算是否符合元件使用壽命的規定。

可靠度測試的評估，以確認其生命週期，典型的生命週期分為三

個時期：

一、 夭折期(Infant Mortality)，產品可能在剛使用不久即失效，可能

是產品製造過程中的偶發性生產缺陷所造成。

二、 產品的穩定使用期(Useful Life)，產品於此時期維持約略相同的損

壞率，因此產品可於此時期的使用時間評估產品的使用壽命。

三、 為損耗期(WearOut Life)，產品在長時間使用下，由於外界環境

7

變化的影響與使用造成的劣化，使產品於此時期內的損壞率驟

然提升。

圖 1.1 LED 封裝流程圖

8

第三章第三章第三章第三章 實驗流程與結果實驗流程與結果實驗流程與結果實驗流程與結果

3.1實驗流程

圖 3.1 實驗流程圖

9

以下為實驗步驟:

1. Chip :

分為 Low power 、High power，電流分別為 20mA 、350mA，

我們選用 High power，來進行研究。

2. 配膠 ：

型號 A 膠 B 膠

5547 10 1

1012 1 1

3688 1 1

表 3.1 膠體比例分配表（單位為 g）

使用流程：

�工具 →

a. 探棒先用丙酮浸泡，將殘留之膠體溶解。

b. 酒精擦拭乾淨。

c. 吹離子風扇，去除靜電。

�電子秤 →

a. 先放空量杯至電子秤盤上。

b. 按 TARE 鍵歸零，目地排除重量。

此實驗我們選用 3688 膠體進行封裝，探棒兩端分別為平頭端、圓

10

頭端，依不同型號之膠體，A、B 膠濃稠度不一樣，故各端有不同的

使用功能。 如表 3.2 各端頭膠體之使用。

A 膠 B 膠

平頭端 因 A 膠較濃稠故使用此

端，讓膠體緩慢流入量杯

裡，讓秤盤達 1g 後，再

按 TARE 鍵歸零，表 A 膠

設定完成。

圓頭端

B 膠較為液態，故使用圓頭端

來控制膠體流量，秤盤達 1g

及可。

表 3.2 各端頭膠體之使用

�攪拌機 →

將配好的膠體放入機器裡的罐子內，按 Start 鍵，目地為脫

泡。

11

3. 點膠機 :

a . 將針筒用離子風扇吹大概 1~2 分鐘，將管內去除靜電。

b . 設定點膠時間。

c . 針筒部分歸零，把管內氣體排出大約 1~2 分鐘。

d . 點膠部分，設定一顆 Chip大約填滿的時間。

4. 烤箱 ︰

若要烤 Chip，必須先用酒精把烤箱內擦拭乾淨，大約用 100℃的

溫度將烤箱烘乾，升溫 15min，恆溫 30min，至少等一個半小時，把

烤箱的門打開待降溫到 30℃時，在將點膠完的支架放入烤箱，再把

FAN關掉，才能設定程式。

3.1.1 烘烤 DX-20設定程序

1. 按住 STOP 鍵不放，目的為歸零。

2. 按 SET 鍵 和 鍵將畫面跳至主程式。

3. 按 鍵，將畫面跳至 SP-1 程式介面。

4. 按 鍵開始設定程式。

12

5. 一般烘烤 DX-20 完整的程序要設定三道程式。

﹙1﹚SP-1 ︰

升溫 30℃～160℃ （18min）

恆溫 160℃ （5min）

﹙2﹚SP-2 ︰

升溫 160℃～170℃（5min）

恆溫 170℃ （1hr）

﹙3﹚SP-3 ︰

降溫 170℃～0℃（1hr～30min）

6. 設定完成後，再一次檢查是否設定錯誤

7. 開 FAN 。

8. 最後按 RUN 鍵，讓烤箱開始烘烤。

13

3.1.2 分別以三批 DX-20膠餅進行研究分析

1.

溫度 時間

升溫 30℃～160℃ 18min

恆溫 160℃ 5min

升溫 160℃～170℃ 5min

恆溫 170℃ 1hr

降溫 170℃～0℃ 1hr～30min

表 3.3 第一批 DX-20 膠餅

2.

溫度 時間

升溫 30℃～70℃ 18min

恆溫 70℃ 30min

升溫 70℃～90℃ 18min

恆溫 90℃ 1hr

升溫 90℃～150℃ 18min

恆溫 150℃ 30min

升溫 150℃～170℃ 5min

恆溫 170℃ 1hr～30min

14

降溫 170℃～0℃ 1hr

表 3.4 第二批 DX-20 膠餅

3.

溫度 時間

升溫 30℃～70℃ 18min

恆溫 70℃ 5min

升溫 70℃～120℃ 5min

恆溫 120℃ 1hr

升溫 120℃～170℃ 1hr～30min

恆溫 170℃ 2hr

降溫 170℃～0℃ 1hr～30min

表 3.5 第三批 DX-20 膠餅

15

3.1.3 KE-4901-W 固化條件

為了與傳統固晶膠 DX-20 來進行研究分析，我們選用信越化學

(ShinEtsu)KE-4901-W 矽膠製作膠餅實驗，此膠體屬矽樹脂〈Silicone〉

材料，故製作膠餅過程時，不需經過烤箱烘烤，待室溫固化即可。

以下為 KE-4901-W室溫固化膠餅製作程序 ：

1. 在模具上壓大約 0.1mm 的厚度。

2. 將 KE-4901-W灌入模具裡。

3. 為了保持膠餅固化過程中的平滑度，用保鮮膜將模具

包覆住，一方面也防止灰塵進入。

4. 室內空調大約維持在 20～23℃。

5. 室溫下固化時間約 8hr

16

3.1.4 封裝規劃流程

圖 3.2 封裝規劃流程圖

17

3.1.5 DX-20 與 KE-4901-W 膠餅分析比較

以上做完各膠體的膠餅模型後，我們開始進行兩組材料間的分

析，探討傳統 DX-20 固晶膠，與本實驗所採用的 KE-4901-W 材料間，

兩者在導線架﹙Lead Frame﹚裡，與 chip 黏著後，模擬分析兩材料間

的穿透﹑反射率，進而推翻新的材料，比傳統固晶膠增加其 LED 之流

明﹙Lumen；Lm﹚與使用壽命。

3.1.6 照明工程中何謂流明與勒克司

而所謂的「流明」，則是光能發射時，以肉眼所測得之量稱「光

通量」，光通量是光之能量通過程度，即光之流量，可稱為「光束」或

「光線」，以 F 表示。

「勒克司」﹙Lux；Lx﹚，在照明上某點上之照度，指該點單位面積

之光通量，以 E 表示。

18

光通量法公式：

F=ExA/UxM

F： 所需燈具光通量。﹙Lm﹚

E： 作業面照度需求。﹙Lx﹚

A： 作業面積。﹙㎡﹚

U： 照明率﹙％﹚，依燈具之配置，室內反射率等因素而決

定。

M： 維護率，指燈具隨使用時間汙損而降低效率。

3.1.7 DX-20 與 KE-4901-W 膠餅進行實驗

此流程的討論重點，在比較兩膠餅間的穿透與反射率，將膠餅拿

到穿透反射機上，先用銀座校正反射上限須達 90～93％，再拿黑色磁

碟片遮罩校正下限達 0％，完成新的校正值。

因 DX-20 為透明膠體，固光會穿透被銀座底盤吸收。 如﹙圖 3.3﹚

所示。 而 KE-4901-W 為乳白色膠體，故光幾乎被反射，使光的流明

提升。 如﹙圖 3.4﹚所示。

19

圖 3.3 雷射光會穿透膠餅

圖 3.4 雷射光被表面反射

20

3.2封裝量測結果

DX20 KE-4901-W

圖 3.5 LED DX20固化完成 圖 3.6 LED KE-4901-W固化完成

烘烤固化條件 常溫固化條件

種類種類種類種類 DX-20 KE-4901-W

6pcs / 平均流明平均流明平均流明平均流明 (lm) 8.17 8

溫度溫度溫度溫度 時間時間時間時間

30oC ~ 160

oC 18 分分分分

160oC 5 分分分分

160oC~170

oC 5 分分分分

170oC 1 小時小時小時小時

21

3.3變電流量測

圖 3.7 變電流量測圖

變電流提高之原因，因使用 KE-4901-W屬於 silicone 膠體，故其

固晶具有厚度及彈性，使得 chip 被墊高，相較於傳統固晶膠 Dx-20 將

chip緊密黏貼於底座，使得光及熱能被底盤吸收，而被墊高的 chip，

則因使用材料本身的乳白色以及墊高的因素將光聚集反射，使得肉眼

將兩顆 LED 分別做比較時，會發現兩顆 LED 光線亮度的不同，而量

測結果，初估判斷，因使用新的膠體將光線反射，使得 chip 較原本時

還要亮，並使流明提升。

22

3.4光電特性量測

圖3.8光電特性量測圖

在新穎材料的可靠度上，在溫度150度時長時間下烘烤及光電壽命

量測，並無顯著的衰退現象，結果得知此材料在未來封裝方式上，也

許可以做為新的替代材料。

封裝出的LED 元件，光電特性量測有電壓對電流、電流對波長、

溫度對電壓、亮度、波長，發光角度與光形，比較封裝後LED 光電特

性的差異以及熱阻的測試。

23

3.5 LED壽命架設

圖3.9光電特性量測圖

經過三個月的壽命量測結果，發現雖然使用新的膠體固晶，可以

使流明提升，但長期下來 chip 的使用不比傳統固晶膠來的穩定，原因

可能是，使用 silicone 因其厚度將 chip墊高，長期下來的熱能無法傳

遞到底部散熱，將熱氣封鎖住，迫使 chip 受損，但傳統固晶膠，將 chip

緊密貼於底部，長期架設下來，雖然流明也會慢慢減弱，但 chip 的使

用壽命卻比新式膠體來的長，將 chip貼於底部，熱能達到完整的散熱，

故目前為止傳統膠體使用的穩定度，還是比新式膠體來的穩定。

24

第四章第四章第四章第四章 結結結結 論論論論

雖然使用新的膠體固晶，可以使流明提升，但長期下來 chip 的使

用不比傳統固晶膠來的穩定，原因可能是，使用 silicone 因其厚度將

chip墊高，長期下來的熱能無法傳遞到底部散熱，將熱氣封鎖住，迫

使 chip 受損。

變電流提高之原因，因使用 KE-4901-W屬於 silicone 膠體，故其固晶

具有厚度及彈性，使得 chip 被墊高，相較於傳統固晶膠 Dx-20 將 chip

緊密黏貼於底座，使得光及熱能被底盤吸收，而被墊高的 chip，則因

使用材料本身的乳白色以及墊高的因素將光聚集反射，使得肉眼將兩

顆 LED 分別做比較時，會發現兩顆 LED 光線亮度的不同，而量測結

果。

本研究主要用 「低溫固晶」來達到節省烘烤過程的成本消耗，唯

有節省成本的開銷，LED才能大量運用在照明設備上進而開拓市場的

可能。

25

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

[1] 鄭為元，“利用模具塗佈螢光粉法改善白光 LED 的光均勻性”，

碩士論文，光電工程系，崑山科技大學，2011年。

[2] 劉如熹，林益山，“人類未來照明的夢想”，第 390 期，科學發

展，2005年，第 56-59頁。

[3] 史國光，“現代半導體發光及雷射二極體材料技術”，全華科技

圖書股份有限公司，2000年，第 4-10頁。

[4] 林宸生，陳德請，“近代光電工程導論”， 全華科技圖書股份有

限公司，2000年，第 5-8頁。

[5] 孫培真，黃建晃，“新世代節能環保白光 LED”，第 38 卷，第 7

期，生活科技教育月刊，2005年。

[6] 羅俊仁，“固態照明與白光二極體”，行政院國科會光電小組編，

2004年。

[7] C.Huh,K.S.Lee,E.J.Kang,and S.J.Park,“Improved light-output and

electrical performance of InGaN-based light-emitting diode by

microroughening of the p-GaN

surface,”Appl.Phys.Lett.,vol.93,p.9383,2003.

[8] Bin Hou, Haibo,and Junfei Li,“Methods of Increasing Luminous

Efficiency of Phosphor-Converted LED Realized by Conformal

Phosphor Coating,”J.Display.Technol.,vol.5,no.2,pp.57-60,2009.

26

[9] Chi-Feng Chang,Chun-Liang Lin,“Enhancement of Light Extraction in

LEDs by Doping Nano-Particle in Package Process,”Kun Shan

University Tainan,Taiwan,R.O.C.Thesis for Master of Science June

2010.

[10] Ching-Hsiang,Hsieh,Chun-liang,Lin,“A The Study of White LEDs

with Red/Green Phosphors and Optical Simulation of LEDs with

Patterned Sapphire Substrate”Kun Shan University

Tainan,Taiwan,R.O.C.Thesis for Master of Science June 2008.