大功率LED封裝常用的5種關(guān)鍵技術(shù)和4種結(jié)構(gòu)形式
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2015-09-26
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LED(light-emitting diode)已成為國際新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)界的競爭熱點,。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中,，上游包括襯底材料、外延,、芯片設(shè)計及制造生產(chǎn),，LED射燈，中游涵蓋封裝工藝,、裝備和測試技術(shù),，家用照明，下游為LED顯示,、照明和燈具等應(yīng)用產(chǎn)品,。目前主要采用藍(lán)光LED+黃色熒光粉工藝來實現(xiàn)白光大功率LED，3c認(rèn)證,，即通過GaN基藍(lán)光LED一部分藍(lán)光激發(fā)YAG(yttrium aluminum garnet)黃色熒光粉發(fā)射出黃光,，另外一部分藍(lán)光透過熒光粉發(fā)射出來，由黃色熒光粉發(fā)射的黃光與透射的藍(lán)光混合后得到白光,。藍(lán)光LED芯片發(fā)出的藍(lán)光透過涂覆在其周圍的黃色熒光粉,，熒光粉被一部分藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃光，藍(lán)光光譜與黃光光譜互相重疊后形成白光,。
大功率LED封裝作為產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的重要一環(huán),，是推進(jìn)半導(dǎo)體照明和顯示走向?qū)嵱没暮诵闹圃旒夹g(shù)。只有通過開發(fā)低熱阻,、高光效和高可靠性的LED封裝和制造技術(shù),，對LED芯片進(jìn)行良好的機(jī)械和電氣保護(hù)，減少機(jī)械、電,、熱,、濕和其他外部因素對芯片性能的影響，保障LED芯片穩(wěn)定可靠的工作,，才能提供高效持續(xù)的高性能照明和顯示效果,，實現(xiàn)LED所特有的節(jié)能長壽優(yōu)勢，促進(jìn)整個半導(dǎo)體照明和顯示產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展,。鑒于國外相關(guān)公司出于市場利益的考慮,，對相關(guān)核心技術(shù)和裝備均采取封鎖措施，因而發(fā)展自主的大功率LED封裝技術(shù)特別是白光LED封裝設(shè)備已迫在眉睫,。本文將簡要介紹大功率LED封裝領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,，分析和總結(jié)大功率LED封裝過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，以期引起國內(nèi)同行的注意,，為實現(xiàn)大功率LED關(guān)鍵技術(shù)和裝備的自主化而努力,。
封裝工藝技術(shù)對LED性能起著至關(guān)重要的作用。LED封裝方法,、材料,、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電／機(jī)械特性,、具體應(yīng)用和成本等因素決定,。隨著功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求,，對LED封裝的光學(xué),、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了新的,、更高的要求,。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率,，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計,。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本的角度看，LED封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進(jìn)行,，商業(yè)照明,，即芯片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。目前功率LED封裝結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢是：尺寸小型化,、器件熱阻最小化,、平面貼片化、耐受結(jié)溫最高化,、單燈光通量最大化,；目標(biāo)是提高光通量,、光效，減少光衰,、失效率,，提高一致性和可靠性。具體而言,，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：熱散技術(shù),、光學(xué)設(shè)計技術(shù),、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),、熒光粉涂覆技術(shù)、共晶焊技術(shù)等,。
1,、散熱技術(shù)
一般的LED節(jié)點溫度則不能超過120℃，即便是LumiLEDs,、Nichia,、CREE等推出的最新器件，其最高節(jié)點溫度仍不能超過1500℃,。因此LED器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計,，熱傳導(dǎo)和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設(shè)計時先從熱傳導(dǎo)方面考慮,，因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導(dǎo)到散熱器,。所以粘結(jié)材料、基板是LED散熱技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。
粘結(jié)材料主要包括導(dǎo)熱膠,、導(dǎo)電銀漿和合金焊料三種主要方式。導(dǎo)熱膠是在基體內(nèi)部加入一些高導(dǎo)熱系數(shù)的填料,，如SiC,、A1N、A12O3,、SiO2等,，從而提高其導(dǎo)熱；導(dǎo)電銀漿是將銀粉加入環(huán)氧樹脂中形成的一種復(fù)合材料,，粘貼的硬化溫度一般低于200℃,，具有良好的導(dǎo)熱特性、粘結(jié)性能可靠等優(yōu)點,，但銀漿對光的吸收比較大,， led服裝照明，導(dǎo)致光效下降,。
基板主要包括陶瓷基板,、陶瓷基板和復(fù)合基板三種主要方式,。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型,、工藝簡單,、成本低而且容易制成多種形狀等諸多優(yōu)點；Al和Cu都是LED封裝基板的優(yōu)良材料,，由于金屬材料的導(dǎo)電性,，為使其表面絕緣，往往需通過陽極氧化處理,，使其表面形成薄的絕緣層,。金屬基復(fù)合材料主要有Cu基復(fù)合材料、Al基復(fù)合材料,。Occhionero等人探究了AlSiC在倒裝芯片,、光電器件、功率器件及大功率LED散熱基板上的應(yīng)用,，在AlSiC中加入熱解石墨還可以滿足對散熱要求更高的工況,。未來的復(fù)合基板主要有5種：單片電路碳質(zhì)材料、金屬基復(fù)合材料,、聚合物基復(fù)合材料,、碳復(fù)合材料和高級金屬合金。
另外,，封裝界面對熱阻影響也很大,，改善LED封裝的關(guān)鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱,。因此,，芯片和散熱基板間的熱界面材料選擇十分重要。采用低溫或共晶焊料,、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料,，可大大降低界面熱阻。
2,、光學(xué)設(shè)計技術(shù)
LED封裝的光學(xué)設(shè)計包括內(nèi)光學(xué)設(shè)計和外光學(xué)設(shè)計,。
內(nèi)光學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵在于灌封膠的選擇與應(yīng)用。在灌封膠的選擇上,，要求其透光率高,、折射率高、熱穩(wěn)定性好,、流動性好,、易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性,，還要求灌封膠具有低吸濕性,、低應(yīng)力,、耐溫環(huán)保等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠,。其中,，硅膠由于具有透光率高(可見光范圍內(nèi)透光率大于99％)、折射率高(1.4～1.5),、熱穩(wěn)定性好(能耐受200℃高溫),、應(yīng)力低(楊氏模量低)、吸濕性低(小于0.2％)等特點,，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂,，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用。但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大,，從而影響LED光效和光強(qiáng)分布,，因此硅膠的制備工藝有待改善。
外光學(xué)設(shè)計是指對出射光束進(jìn)行會聚,、整形，以形成光強(qiáng)均勻分布的光場,。主要包括反射聚光杯設(shè)計(一次光學(xué))和整形透鏡設(shè)計(二次光學(xué)),，國際資訊，對陣列模塊而言,，恒光,，還包括芯片陣列的分布等。透鏡常用的形狀有凸透鏡,、凹透鏡,、球鏡、菲涅爾透鏡,、組合式透鏡等,，透鏡與大功率LED的裝配方法可采用氣密性封裝和半氣密性封裝。近年來,，隨著研究的深入,，考慮到封裝后的集成要求，用于光束整形的透鏡采用了微透鏡陣列,，微透鏡陣列在光路中可發(fā)揮二維并行的會聚,、整形、準(zhǔn)直等作用,，具有排列精度高,、制作方便可靠、易于與其他平面器件耦合等優(yōu)點,，研究表明,，采用衍射微透鏡陣列替代普通透鏡或菲涅爾微透鏡,，可大大改善光束質(zhì)量，提高出射光強(qiáng)度,，是大功率LED用于光束整形最有前途的新技術(shù),。
3、LED封裝結(jié)構(gòu)形式
LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后擁有了引腳式,、功率型封裝,、貼片式(SMD)、板上芯片直裝式(COB)四個階段,。
(1)引腳式(Lamp)LED封裝
LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳,，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多,，技術(shù)成熟度較高,，封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn)。常用3～5mm封裝結(jié)構(gòu),，一般用于電流較小(20～30mA),，功率較低(小于0.1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示,，大規(guī)模集成時也可作為顯示屏,。其缺點在于封裝熱阻較大(一般高于100K／W)，壽命較短,。
(2)功率型LED封裝