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LED封装工艺简介


主讲:罗坚义 博士 五邑大学 应用物理与材料学院 Email: luojiany@mail3.sysu.edu.cn 短号: 645104

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概述 封装工艺介绍 产品性能测试和分光

封装的必要性 LED芯片只是一块很小的固体,它的两个电极要在显 微镜下才能看见,加入电流之后它才会发光。 在制作工艺上,

除了要对LED芯片的两个电极进行焊 接,从而引出正极、负极之外,同时还需要对LED芯片和 两个电极进行保护。

? 封装的作用 ?
研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型 LED走向实用、走向市场的产业化必经之路.

?

LED技术大都是在半导体分离器件封装技术基础上发展与 演变而来的。

?

将普通二极管的管芯密封在封装体内,起作用是保护芯片 和完成电气互连。

1. 封装的定义:LED(发光二极管)封装就是将芯 片与电极引线、管座和透镜等组件通过一定的工艺技 术结合在一起,使之成为可直接使用的发光器件的过 程。它相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不 仅要求能够保护灯芯,而且还要求能够透光,所以对 封装材料有着特殊的要求。

给芯片穿衣戴帽,并且提供接线

封装的目的: LED的封装是为了维护本身的气密性,并保护不受周 围环境中湿度与温度的影响,以及防止组件受到机械 振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。因此, 封装的目的有下列几点:

(1) 防止湿气等由外部侵入;
(2) 以机械方式支持导线;

(3) 有效地将内部产生的热排出;
(4) 提供能够手持的形体。

发光二极管(LED)的制造过程大体可分 为三个阶段:前段、中段、后段(也称为上 游、中游、下游)。 前段工序主要完成晶圆制造和外延生长, 中段工序主要包括研磨、蒸镀、光刻、切 割等过程,后段工序则是根据不同的需要 把LED封装成各种形式。

以陶瓷、金属 为封装基板

气密性、导热 性以及稳定性 都较好,但成 本高

高端产品 /大功率 白光LED

以塑料为封装 基板

气密性、导热 性以及稳定性 都较差,但成 本低

低端产品 如灯饰照 明等

2.LED产品封装结构类型

平面式LED (Display)

普通LED (P2)

食人鱼 (P4)

贴片 (SMD)

大功率 (High Power Led)

(1)引脚式封装(DIP直插式封装)

LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚,常见的 是直径为5mm的圆柱型(简称Φ 5mm)封装。

(2)、平面式封装

平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构
型器件。

通过LED的适当连接(包括串联和并联)和合适的光学
结构,可构成发光显示器的发光段和发光点,然后由这些

发光段和发光点组成各种发光显示器,如数码管、“米”
字管、矩阵管等。

(2)、平面式封装

(3)、表贴式封装

表面贴片LED(SMD)是一种新型的表面贴装式半导
体发光器件,具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可

靠性高等优点。
其发光颜色可以是白光在内的各种颜色,可以满足表

面贴装结构的各种电子产品的需要,特别是手机、笔记本
电脑。

(4)食人鱼式封装

(4)、食人鱼式封装

为什么把着这种LED称为食人鱼,因为它的形状很像亚马
孙河中的食人鱼Piranha 。

食人鱼LED产品有很多优点,由于食人鱼LED所用的支
架是铜制的,面积较大,因此传热和散热快。

LED点亮后, pn结产生的热量很快就可以由支架的四个
支脚导出到PCB的铜带上。

(5)、功率型封装
功率型LED是未来半导体照明的核心,大功率LED有

? 大的耗散功率,
? 大的发热量, ? 以及较高的出光效率,

? 长寿命。

(5)、功率型封装 大功率LED的封装不能简单地套用传统的小功率LED

的封装,必须在:

? 封装结构设计;

? 选用材料;
? 选用设备
等方面重新考虑,研究新的封装方法。

2.1 各类典型LED封装流程介绍 直插式lamp-LED灯的封装工艺流程

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数码管(Display) LED的封装工艺流程
贴片式(SMD)LED的封装工艺流程 食人鱼LED封装工艺流程

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引脚式封装过程(Φ5mm引脚式封装)

① 将边长0.25mm的正方形芯片粘结或烧结在支架上;

② 芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上;
③ 负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连

④ 然后顶部用环氧树脂包封,做成直径5mm的圆形外形

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (1)芯片检验 用显微镜检查材料表面

? 是否有机械损伤及麻点; ? 芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求; ? 电极图案是否完整。

(2)扩片 由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm),不 利于后工序的操作。 采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,使LED芯片的间距拉 伸到约0.6mm。 也可以采用手工扩张,但很容易造成芯片掉落浪费等不良问 题。

2. 主要工艺说明 (3)点胶 在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。

? 对于GaAs、SiC导电衬底,具有背面电极的红光、黄光、
黄绿芯片,采用银胶。

? 对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片,采用绝缘胶
来固定芯片。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (3)点胶 工艺难点在于点胶量的控制,在胶体高度、点胶位置 均有详细的工艺要求。 由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求,银 胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

一、引脚式封装工艺

2. 主要工艺说明
(4) 备胶

和点胶相反,备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面
电极上,然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。

备胶的效率远高于点胶,但不是所有产品均适用备胶
工艺。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (5)手工刺片 将扩张后LED芯片(备胶或未备胶)安置在刺片台的 夹具上,LED支架放在夹具底下,在显微镜下用针将LED 芯片一个一个刺到相应的位置上。 手工刺片和自动装架相比有一个好处,便于随时更换 不同的芯片,适用于需要安装多种芯片的产品。

2. 主要工艺说明
(6)自动装架

自动装架其实是结合了沾胶(点胶)和安装芯片两大步
骤:

? 先在LED支架上点上银胶(绝缘胶),
? 然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置, ? 再安置在相应的支架位置上。

一、引脚式封装工艺
2. 主要工艺说明

(6) 自动装架
自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程,同时对

设备的沾胶及安装精度进行调整。
在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴,防止对LED芯片 表面的损伤,特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢 嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

2. 主要工艺说明 (7)烧结 烧结的目的是使银胶固化,烧结要求对温度进行监控 ,防止批次性不良。 银胶烧结的温度一般控制在150℃,烧结时间2小时。根 据实际情况可以调整到170℃,1小时。 绝缘胶一般150℃,1小时。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (7)烧结 银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时(或1小时) 打开更换烧结的产品,中间不得随意打开。 烧结烘箱不得再其他用途,防止污染。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明

(8)压焊
压焊的目的将电极引到LED芯片上,完成产品内外引

线的连接工作。
LED的压焊工艺有两种:

? 金丝球焊
? 铝丝压焊

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明

(8)压焊
1)铝丝压焊过程:

? 先在LED芯片电极上压上第一点,
? 再将铝丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断铝丝。
2)金丝球焊过程:
在压第一点前先烧个球,其余过程类似。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (8)压焊 压焊是LED封装技术中的关键环节,工艺上主要需要 监控的是压焊金丝(铝丝)拱丝形状,焊点形状,拉力。 对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题,如金( 铝)丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀(钢嘴)选用、 劈刀(钢嘴)运动轨迹等等。

一、引脚式封装工艺
2. 主要工艺说明

(9)点胶封装 :TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。

一、引脚式封装工艺

2. 主要工艺说明
(9)点胶封装

点胶封装基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑
点。

设计上主要是对材料的选型,选用结合良好的环氧和
支架。(一般的LED无法通过气密性试验)

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (9)点胶封装 手动点胶封装对操作水平要求很高(特别是白光LED ),主要难点是对点胶量的控制,因为环氧在使用过程中 会变稠。 白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问 题。

一、引脚式封装工艺

2. 主要工艺说明
(10)灌胶封装

Lamp-LED的封装采用灌封的形式,灌封的过程是:

? 先在LED成型模腔内注入液态环氧, ? 然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让环氧固化后, ? 将LED从模腔中脱出即成型。

2. 主要工艺说明

(11)模压封装

① 将压焊好的LED支架放入模具中, ② 将上下两副模具用液压机合模并抽真空, ③ 将固态环氧放入注胶道的入口加热, ④ 用液压顶杆压入模具胶道中, ⑤ 环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (12)固化与后固化 固化是指封装环氧的固化,一般环氧固化条件在135℃ ,1小时。 模压封装一般在150℃,4分钟。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (12)固化与后固化 后固化是为了让环氧充分固化,同时对LED进行热老 化。 后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重 要。 一般条件为120℃,4小时。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (13)切筋和划片

接负极

接正极

由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),Lamp 封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。 SMD-LED则是在一片PCB板上,需要划片机来完成分 离工作。

一、引脚式封装工艺 2. 主要工艺说明 (14)测试 测试LED的光电参数、检验外形尺寸,同时根据客户 要求对LED产品进行分选。 (15)包装 将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。

2. 数码管LED的封装工艺流程

扩晶

备胶

固晶
PCB板清洗

焊线

前期测试

异常返工处理 包装 光电测试 灌胶

二、 封装工艺介绍
2、Display LED封装工艺

2、Display LED封装工艺

4、食人鱼LED封装工艺
(1). 选定食人鱼LED的支架

根据每一个食人鱼管子要放几个LED芯片,需要确定
食人鱼支架中冲凹下去的碗的形状大小及深浅。

4、食人鱼LED封装工艺
(2). 清洗支架

(3). 将LED芯片固定在支架碗中
(4). 经烘干后把LED芯片两极焊好

(5). 根据芯片的多少和出光角度的大小,选用相应的模粒。
食人鱼LED封装模粒的形状是多种多样的,有Φ 3mm圆头

和Φ 5mm圆头,也有凹型形状和平头形状,根据出光角度的
要求可选择相应的封装模粒。

4、食人鱼LED封装工艺 (6). 在模粒中灌满胶,把焊好LED芯片的食人鱼支架对准 模粒倒插在模粒中。 (7). 待胶干后(用烘箱烘干),脱模即可 (8). 然后放到切筋模上把它切下来 (9). 接着进行测试和分选。

2.2 固晶和焊线 在LED的封装工艺中,固晶和焊线是两个关 键性的工艺,直接影响着封装的品质和产品 的成品率。

2.2 固晶和焊线
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芯片类型

单电极芯片一般为红、黄、橙、黄绿;双电极芯片一般为蓝,蓝绿、 紫外或者特殊的超高亮红、黄芯片。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线
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固晶胶—导电银胶和绝缘胶

银胶的作用:固定晶片和导电的作用,用于单电极晶片的粘接。 银胶的主要成份:银粉占75-80%、EPOXY(环氧树脂)占10-15%、添加剂 占5-10%。 银胶的使用:冷藏,使用前需解冻并充分搅拌均匀,因银胶放置长时间后, 银粉会沉淀,如不搅拌均匀将影响银胶的使用性能 绝缘胶的作用:固定晶片和导热的作用,用于双电极晶片的绝缘粘接。 绝缘胶的主要成份:① EPOXY;②Silicone 绝缘胶的使用:冷藏,使用前需解冻

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固晶胶使用过程注意点 (1) 胶保存:固晶胶为单液型,需保存在低温冷冻状态下 (-20至-30℃)。 (2) 胶解冻方式:解冻时应放于防潮干燥箱中,且应密封 解冻,有助于避免潮气或凝结水滴的可能。解冻时间 30min使胶解冻完全。 (3)已固晶支架进行烘烤时应直接放在烘箱的网层上加热, 以便固晶支架受热均匀;且烘烤时应尽量减少开启烘箱的 次数。 (4)每批烘烤出的固晶产品应进行焊线抽检,确认胶是否 还可继续使用 (5)每周应对烘箱进行清洁,避免烘箱内部污染造成胶的 污染。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线 ? 固晶的目的:利用银胶或者绝缘胶将LED芯片与 支架或者PCB板粘连在一起(如图2.1), 其中银 胶是起导电和粘连的作用,主要应用于正面只有 单电极的芯片,而绝缘胶只起到粘连的作用,主 要用于正面有双电极的芯片。银胶与绝缘胶均须 冷藏保存,以维持其粘度及避免填充物沉淀。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线

固晶的具体操作过程

醒胶

扩晶

点胶

手工刺片 自动固晶机

烘烤固化

前期准备

固晶工序

后期处理

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线
自动固晶机的工作原理: 先在固晶位置点上适量粘性物质

(固晶胶),通过相机对芯片与支
架识别定位,确认吸晶与固晶坐标, 机器利用电磁阀产生真空吸住蓝膜,

顶针适时顶起芯片,固晶摆臂在抽
成真空的吸嘴与芯片表面接触,吸 起芯片,然后摆臂摆到固晶位置,

压下到固晶高度,释放真空,将芯
片固定到固晶位置,摆臂回摆到等 待位置,准备下个固晶流程。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线 固晶工序的注意点 (1)剥离芯片膜时用离子风机对着芯片膜进行操 作,防止静电击穿芯片。 (2)点胶胶量要适中,胶量不能少于芯片的1/4, 不可高于芯片的1/2。 胶量太少会造成芯片固不 牢,易摆动;胶量太多会造成不易烘干及银胶胶量 太多易造成正负极微导通造成死灯现象。 (3)点胶位和固芯片位置要正,固在支架碗中央 为最佳。不固正易产生半值角偏差,发光不均匀。 (4)固晶胶与酒精、水等易发生不良反应,易造 成固晶胶的失效,在点胶和固晶时应注意酒精的使 用,擦洗时最好用无尘布。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线

? 焊线的目的: 焊线的工艺过程通常称 为压焊,压焊的目的是把电极引到LED 芯片上,完成产品内外引线的连接工作。 使用的设备是铝丝或金丝焊机。LED的 压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。 铝丝压焊时,先在LED芯片电极上压焊 第一点,再将铝丝拉到相应的支架上方, 压第二点后扯断铝丝。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线
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金线焊线机的原理:利用温度、压力、超声波振
荡的能量在一定时间的配合下,完成引线连接动作。 焊接的过程是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。

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线

焊线动画演示

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步骤一:自捲线将金线沿相关路径穿过瓷嘴的中心孔,此动 作为穿线,穿线仅在更换线捲、断线或换瓷嘴的情况下才需 执行,瓷嘴前端线尾长度之设定可拉出一段较长的线尾,再 由程式设定瓷嘴上升到需求的线尾长度时将线夹关闭即可。

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步骤二:利用电子烧球器(electronic flame off,EFO)烧金球,

打火电极朝金线移动,当间隙逐渐缩小至某依间隙值时,电
极与金线间会产生瞬间高压放电功效,此一放电会使金线迅 即熔融并形成球状,线夹在这期间内为关闭状态,用以提供 电源的导通路径与接地的功能,防止高压电流藉由金线窜流 到机器上,造成机器损毁。

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步骤三:金球成形后打火电极回到定位,此时导线架正被置
于轨道上,利用压板夹住并藉由下方加热器加热,而瓷嘴开 始移动至第一焊点(晶片端) ,并向下移动直到金球被压住。

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步骤四:瓷嘴将金球压至Pad表面,并施加设定的压力与超 音波功率进行焊接,超音波功率提供摩擦将表面的氧化层除

去,同时去除表面之粗糙度,进而促成焊接介面之形成,完
成第一焊点之球形焊接。
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步骤五:第一焊点完成后,线夹变成开的状态,依据设定的 焊线回路控制马达,使瓷嘴按照回路运动,所需之金线则藉 由放线装置之配合,自线捲轴中送出。

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步骤六:瓷嘴依设定的路径,带动金线移动到内引脚的第二 焊点位置,当瓷嘴将金线压在焊点表面时,焊线之回路亦告

完成。
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步骤七:金线被瓷嘴已设定之Force压住,配合超音波产生焊 接之功效,完成第二焊点之焊接。

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步骤八:完成第二焊点后,瓷嘴向上提升至一设定高度,使 金线在瓷嘴嘴外伸出一段所需的线尾长度,利用线夹关闭夹 住金线后,瓷嘴与线夹往上提升,造成瓷嘴与焊点分离,之 后瓷嘴回到设定之定位点上,完成一条焊线回路之焊线循环



二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线 焊线的拉力测试

拉力断 点 A B

描述 可能原因 一焊球与芯片 一焊参数不良或芯片焊 焊垫脱离 垫氧化等 线颈部位断裂 线颈受损变细

可能风险 缺亮 缺亮

C
D E

线弧拉断



无风险
缺亮 缺亮

键合部位脱离 二焊参数不良 二焊球与PCB 二焊参数不良或金属镀 脱离 层不良

二、 封装工艺介绍
2.2 固晶和焊线

焊点的推力测试

当推力值大于标准要求值并且有残金时,表明焊 点与正负电极的结合较为牢固。

焊线制程中,第一焊点的推力是指金球推力(Ball Shear)。第 二焊点的拉力是指金线拉力(Wire Pull),拉力要拉到金球脫落, 这种机率很小,但是拉到第二焊点金球颈部断裂,这是最常见 的。 制程中,所考量的关键参数有US Power、Force、Time和 Temperature(,Force是指下压的力量,超音波能量是指來回震 动摩擦,温度是指热板的温度,其考量主要在第二焊点,因為 第二焊点對温度较敏感,所以金线若再第二焊点打得上,第一 焊点一般情況都沒问题。

二、 封装工艺介绍
2.3 封胶

(1)原材料介绍
环氧树脂A胶 ? 硬化剂B胶 ? 扩散剂 ? 色素剂 ? 模条 ? 封胶站使用的辅料: 丙酮、甲苯、乙醇
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LED封装胶主要有两种:硅胶和环氧树脂。LED封装中的环氧 树脂为A、B组份,以液态形式存在。 1. 环氧树脂(Epoxy) 环氧树脂的作用:保护LED的内部结构,可稍微改变LED的发 光颜色,亮度及角度;使LED成形。 封装树脂包括:A胶(主剂)、B胶(硬化剂),其主要成分 为环氧树脂(Epoxy Resin)、酸酐类(酸无水物 Anhydride)

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优点:具有成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性; 热膨胀系数较小,水蒸气的透过性要小,不含对元件有影响 的不纯物,与金属、PPA材料结合性良好;一般说来环氧树脂 比其它树脂更具有优越的电气性、接着性及良好的低压成形 流动性,并且价格便宜,因此成为最常用的半导体塑封材料。
缺点:内应力较大,散热效果不佳,耐黄变能力弱,抗紫外 能力弱。

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环氧树脂的使用要求: A、保存条件为室温下6个月; B、主剂和硬化剂一经混合即慢慢起反应使粘度逐渐变高,因此务 必在可使用时间内使用完,以免因粘度过高而无法使用。灌模后 需立即进入烘烤,以免表面吸潮引起慢干及发脆。 C、主剂可加热降低粘度以利混合后脱泡,但温度过高时将缩短可 使用时间。

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D、硬化剂会吸收空气中的水分形成沉淀物,因此使用完毕需立即 盖紧,以免变质无法使用。
E、配胶时一定要精确地按照规定比例进行配胶及充分搅拌,以免 产生胶烘烤不干、易脆、胶色不一致或均匀等品质异常。调配好 的胶如暂时不用时,需密封且适当保温放置,以免吸潮或粘度变 高而影响作业和产品品质。

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F、封胶、配胶环境一定要保持清洁及适当的温度和湿度,以免因环
境不适而影响产品品质。

二、 封装工艺介绍
2.3 封胶

(2)LED-lamp 封胶工艺

二、 封装工艺介绍
2.3 封胶

Lamp-LED的封装采用灌封的形式,灌封的过程是:

? 先在LED成型模腔内注入液态环氧,
? 然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让环氧固化后,

? 将LED从模腔中脱出即成型。

二、 封装工艺介绍
2.3 封胶

(3)LED数码管的封胶工艺

三、LED产品性能测试和分光
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3.1 LED 常规性能测试 电特性 光特性 开关特性 颜色特性 热学特性 可靠性 ……

相关知识回顾
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光强度(I, 坎德拉cd) 光通量 (Φ,流明 lm) 光亮度(cd/m2) 光照度 (勒克斯Lux)

人眼对555 nm 光 感觉最亮,定义为683 lm/w

辐射通量 辐射照度 辐射强度 辐射亮度

光通量

光照度
光强度

光亮度

(1)光通量测试方法
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变角光度计法
以LED的顶部为假 象球心,光电探测 器与LED的距离为 假想球半径,然后 把此假想球面分成N 个部分,假设每个 部分的照度相同, 则积分或累加厚很 容易得到总光通量。

? 积分球法
特点:只能测量相对值,需 要经过定标和校正,测试时 间较短。

特点:准确度高, 但耗时长。

此外,由于积分球法测试光通量时光源对光的自 吸收会对测试结果造成影响,因此,往往引入辅 助灯

(2)光谱分析测试

光栅光谱仪的工作原理

I N2I 0单

光栅衍射 光强曲线

单缝衍射 轮廓线 8 sin? (?/d)

-8

-4

0

4

?

光栅 分光 镜

远方PMS 系统原理框图

?

LED的光谱特性参数主要包 括峰值发射波长、光谱辐射 带宽和光谱功率分布等。单 色LED的光谱为单一波峰, 特性以峰值波长和带宽表示, 而白光LED的光谱由多种单 色光谱合成。所有LED的光 谱特性都可由光谱功率分布 表示,而由LED的光谱功率 分布还可计算得到色度参数。

白光LED光谱功率分布

(3)光强分布测试
光探头

旋转台 光强分布测试仪

LED光强测试中的问题

CIE-127提出了两种推荐测试条件使得各个LED 在同一条件下进行光强测试与评价

符合路灯设计的配光曲线

3.2 LED产品自动分光

分光机

高速光 谱仪

电参数 测量仪

机械传 送系统

其中最核心和关键的部分为高速光学光谱仪。由于对生产效率 的要求至少要过到20K/小时LED以上的分拣速度,所以对光学 光谱仪的检测和数据处理速度有很高的要求。

分光机原理框图


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