Packaging process development for visible LEDs

Thumbnail Image

Files

master_Sippola_Perttu_2014.pdf (65.09 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2014-03-31

Department

Major/Subject

Mikro- ja nanotekniikka

Mcode

S3010

Degree programme

EST - Master’s Programme in Micro and Nanotechnology

Language

en

Pages

73+6

Series

Abstract

Valoa emittoivien diodien (LED) pakkausprosessi on suurin kuluerä koko tuotannossa. Tämä hidastaa korkean hyötysuhteen LED:ien laajaa omaksumista yleisvalaistukseen. Tässä diplomityössä kehitettiin pakkausprosessi optisen alueen LED:lle. Tutkimus ja kehitys suoritettiin Aalto-yliopiston Optoelektroniikan tutkimusryhmässä. Pakattujen LED:ien suorituskykyä tutkittiin elektroluminesenssi-mittauksilla ja pakkausepoksia optisella transmissiomittauksella. Kehitetty pakkausprosessi koostuu neljästä päävaiheesta. Ensin prosessoitu safiirikiekko sahataan yksittäisiksi LED-siruiksi kiekkosahalla. Seuraavaksi LEDsiru kiinnitetään metalliseen kahden pinnin TO-46 alustaan kiinnitysepoksilla. Tämän jälkeen sirun sähköiset kontaktit liitetään alumiinilangalla metallialustan kontakteihin. Lopulta LED-komponentti koteloidaan valamalla se läpinäkyvään pakkausepoksiin. Työn tuloksena valmistettiin sinisiä matalateho-LED:ejä tutkimustarkoituksiin. Mittausten tuloksena todettiin valitun kupuepoksin pystyvän korkeaan transmissioon sinisten LED:ien emissioaallonpituudella ja koko näkyvällä alueella. Elektroluminesenssimittausten tuloksena puolestaan havaittiin pakkausprosessoitujen LED:ien pystyvän tuottamaan 5,3 % ulkoisen kvanttihyötysuhteen (EQE, external quantum efficiency) ja 3,5 mW optisen tehon 20 mA ajovirralla. Optista suorituskykyä mittattiin ja vertailtiin myös prosessoidun kiekon kolmen eri alueen LEDsiruista ennen ja jälkeen epoksikoteloinnin. Mittaukset osoittivat LED-kiekolla esiintyvän eroja LED:ien optisessa tehossa ja EQE:ssä. Lisäksi epoksin todettiin laskevan emittoituvaa optista tehoa. Silti pakkausprosessin laadun todettiin täyttävän LED-pakkauksen vaatimukset riittävästi.

The back-end processing of light-emitting diode (LED) lighting incurs the highest cost quantity for the whole production. This hinders the adoption of highly efficient LEDs. In this work a packaging process for visible LEDs was developed. The research and development was carried out at the Optoelectronics research group of Aalto University. The performance of the packaged LEDs was studied by electroluminescence (EL) measurements and the encapsulation epoxy with optical transmission measurements. The packaging process consisted of four main stages. First, the singulation of the processed sapphire wafer into chips was performed with a blade-based dicing machine. Second, the LED chip was bonded with attachment epoxy onto a TO-46 two-pin metallic header. Third, wire-bonding was performed by an aluminum bond wire from the chip contacts to the header contacts. Finally, encapsulation was carried out with a transparent packaging epoxy. As a result, in-house fabricated blue LED devices operating on 20 mA drive current were produced for research purposes. It was observed with absolute irradiance measurements that the back-end processed LEDs can provide external quantum efficiencies (EQE) of 5,3 % and of 3,5 mW optical output powers with a 20 mA current. Furthermore, the studies of the used epoxy showed a high transmission for the average operation wavelength of the used LEDs. Also, the uniformity of the performance metrics of a processed LED wafer was tested by packaging and characterizing LEDs at three different wafer locations before and after encapsulation. Results showed that there were slight on-wafer performance variations regarding the optical power and the EQE. Moreover, optical power degradation was observed after encapsulation.

Description

Supervisor

Sopanen, Markku

Thesis advisor

Riuttanen, Lauri

Keywords

LED, packaging, back-end-process, dicing, chip attachment, wire-bonding, epoxy encapsulation, electroluminescence, pakkaus, back–end -prosessi, kiekkosahaus, sirukiinnitys, lanka-bondaus, epoksi, elektroluminesenssi

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201404231727

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC