LED封裝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-05-19

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 近幾年,，產(chǎn)業(yè)資訊，在全球節(jié)能減排的倡導(dǎo)和各國(guó)政府相關(guān)政策支持下,，LED照明得到快速的發(fā)展,。與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長(zhǎng)、體積小,、節(jié)能,、高效、響應(yīng)速度快,、抗震,、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),，被認(rèn)為是可以進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的“綠色照明光源”，LED大規(guī)模應(yīng)用于普通照明是一個(gè)必然的趨勢(shì),。

　　作為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的LED封裝,，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中起著關(guān)鍵的作用。對(duì)于封裝而言,，其關(guān)鍵技術(shù)歸根結(jié)底在于如何在有限的成本范圍內(nèi)盡可能多的提取芯片發(fā)出的光,，同時(shí)降低封裝熱阻，提高可靠性,。在封裝過(guò)程中,，封裝材料和封裝方式占主要影響因素。隨著LED高光效化,、功率化,、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，對(duì)封裝的要求也越來(lái)越高,，一方面LED封裝在兼顧發(fā)光角度,、光色均勻性等方面時(shí)必須滿足具有足夠高的取光效率和光通量；另一方面,，封裝必須滿足芯片的散熱要求,。因此，芯片,、熒光粉,、基板、熱界面材料和等封裝材料以及相應(yīng)的封裝方式亟待發(fā)展創(chuàng)新,，以提高LED的散熱能力和出光效率,。

　　封裝材料

　　在封裝過(guò)程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵,。高性能封裝材料的合理選擇和使用,，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長(zhǎng)LED的使用壽命,。封裝材料主要包括芯片,、熒光粉、基板,、熱界面材料,。

　　（1） 芯片結(jié)構(gòu)

　　隨著LED器件性能的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷拓寬,，尤其是單顆大功率LED的開發(fā),，芯片結(jié)構(gòu)也在不斷地改進(jìn)。目前LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)主要有4種,，即：正裝結(jié)構(gòu),、倒裝結(jié)構(gòu),、垂直結(jié)構(gòu)和三維垂直結(jié)構(gòu)。

　　目前普通的LED芯片采用藍(lán)寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，制作工藝比較成熟。但由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能較差,，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上,，在功率化LED應(yīng)用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一,，與正裝結(jié)構(gòu)相比,，熱量不必經(jīng)過(guò)芯片的藍(lán)寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底,，進(jìn)而通過(guò)金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中,。

　　垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)光芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的芯片倒過(guò)來(lái)鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上,，再將藍(lán)寶石襯底激光剝離,。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問(wèn)題，但工藝復(fù)雜,，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)難度大,，生產(chǎn)合格率也較低。

　　與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比,，三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需打金線,， led商業(yè)照明，使得其封裝的厚度更薄,、散熱效果更好,，并且更容易引入較大的驅(qū)動(dòng)電流。

　�,。�2 ）熒光粉

　　隨著人們對(duì)LED光品質(zhì)的要求越來(lái)越高，不同顏色,、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發(fā)出來(lái),，高光效、高顯色指數(shù),、長(zhǎng)壽命熒光粉開發(fā)及其涂覆技術(shù)的研究成為關(guān)鍵,。目前主流的白光實(shí)現(xiàn)形式是藍(lán)光LED芯片結(jié)合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果,，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉,、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　多色熒光粉的摻入對(duì)提高光源顯色指數(shù)起到重要作用,，拓寬了LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域,，可以在一些對(duì)色彩還原度要求高的場(chǎng)合替代傳統(tǒng)的鹵素?zé)艋蚪瘥u燈,。同時(shí)，人們也在不斷開發(fā)新型的LED用熒光粉,，

　　紅色和綠色熒光粉的加入,，顯著提高光源的顯色指數(shù)。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍(lán)光激發(fā)的連續(xù)光譜熒光粉的制備方法,，該熒光粉采用氧化鋅,、氧化鑭、碳酸鈣等原料,，調(diào)節(jié)激活離子Ce3+,、Eu3+的含量，可以得到在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)出470～700nm的連續(xù)光譜,。同一基質(zhì)的熒光粉在封裝過(guò)程中會(huì)體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì),。

　　半導(dǎo)體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個(gè)方向，因其有望改變目前LED對(duì)稀土材料的依賴,，突破國(guó)外專利壁壘,。同時(shí)，半導(dǎo)體納米晶熒光粉具有尺寸小,、波長(zhǎng)可調(diào),、發(fā)光光譜寬、自吸收小等特點(diǎn),，在白光LED應(yīng)用中具有潛在的市場(chǎng),。

（3） 散熱基板

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率越來(lái)越高,，LED芯片的熱流密度更大,，對(duì)封裝基板材料熱阻和膨脹系數(shù)的要求也越來(lái)越高。散熱基板發(fā)展迅速,，品種也比較多,，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復(fù)合材料,、陶瓷基復(fù)合材料,。

　　　金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬(鋁、銅)上,，以此來(lái)強(qiáng)化散熱效果,，而這片金屬位于印刷電路板內(nèi)。這種技術(shù)能有效解決大功率器件在結(jié)構(gòu)緊湊的趨勢(shì)下所帶來(lái)的散熱問(wèn)題,。MCPCB熱導(dǎo)率可達(dá)到1～2.2 W/(m·K),。

　　由于MCPCB的介電層沒(méi)有太好的熱傳導(dǎo)率(0.3W/(m·K))，使其成為與散熱器的散熱瓶頸,。金屬基散熱板具有高的熱導(dǎo)率,，照明產(chǎn)品,，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環(huán)氧樹脂黏接方式直接與鋁,、銅板接合,，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導(dǎo)率就比較高,，醫(yī)院led照明,，達(dá)1.12 W/(m·K)。

　　陶瓷材料封裝基板穩(wěn)定性好,，可能是最有前景的研究方向,。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復(fù)雜制作工藝,。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術(shù)在熱處理方面與傳統(tǒng)封裝方法相比有大幅度的改善,。新型的AlN陶瓷材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高,、介電常數(shù)和介電損耗低的特點(diǎn),，被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷基板,，所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能,，高導(dǎo)熱特性，其熱導(dǎo)率可達(dá)24～28W/(m·K),。

　　對(duì)于LED封裝應(yīng)用而言,，散熱基板除具備基本的高導(dǎo)熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣,、耐熱,、相匹配的膨脹系數(shù)。透明陶瓷材料技術(shù),，酒店led照明,，不僅具備高散熱效率、耐熱電,、膨脹系數(shù)匹配等性能外,，同時(shí)還有望在封裝器件的光學(xué)性能上有所突破，實(shí)現(xiàn)全空間發(fā)光LED封裝,。

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