LED封裝的研究現狀及發展趨勢

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-05-19

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 近幾年，產業資訊，在全球節能減排的倡導和各國政府相關政策支持下，LED照明得到快速的發展。與傳統光源相比具有壽命長、體積小、節能、高效、響應速度快、抗震、無污染等優點，被認為是可以進入普通照明領域的“綠色照明光源”，LED大規模應用于普通照明是一個必然的趨勢。

　　作為LED產業鏈中承上啟下的LED封裝，在整個產業鏈中起著關鍵的作用。對于封裝而言，其關鍵技術歸根結底在于如何在有限的成本范圍內盡可能多的提取芯片發出的光，同時降低封裝熱阻，提高可靠性。在封裝過程中，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展，對封裝的要求也越來越高，一方面LED封裝在兼顧發光角度、光色均勻性等方面時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的封裝方式亟待發展創新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

　　封裝材料

　　在封裝過程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長期可靠性的關鍵。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） 芯片結構

　　隨著LED器件性能的不斷發展和應用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開發，芯片結構也在不斷地改進。目前LED芯片的封裝結構主要有4種，即：正裝結構、倒裝結構、垂直結構和三維垂直結構。

　　目前普通的LED芯片采用藍寶石襯底的正裝結構，該結構簡單，制作工藝比較成熟。但由于藍寶石導熱性能較差，芯片產生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發展方向之一，與正裝結構相比，熱量不必經過芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，進而通過金屬底座散發到外界環境中。

　　垂直結構的藍光芯片是在正裝的基礎上產生的，這種芯片是將傳統藍寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結構的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復雜，特別是襯底轉換這個過程實現難度大，生產合格率也較低。

　　與垂直結構LED芯片相比，三維垂直結構LED芯片的主要優勢在于無需打金線， led商業照明，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動電流。

　　（2 ）熒光粉

　　隨著人們對LED光品質的要求越來越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發出來，高光效、高顯色指數、長壽命熒光粉開發及其涂覆技術的研究成為關鍵。目前主流的白光實現形式是藍光LED芯片結合黃色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用。

　　多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數起到重要作用，拓寬了LED光源的應用領域，可以在一些對色彩還原度要求高的場合替代傳統的鹵素燈或金鹵燈。同時，人們也在不斷開發新型的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。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍光激發的連續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，調節激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍光激發下發出470～700nm的連續光譜。同一基質的熒光粉在封裝過程中會體現出更多的優勢。

　　半導體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴，突破國外專利壁壘。同時，半導體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長可調、發光光譜寬、自吸收小等特點，在白光LED應用中具有潛在的市場。

（3） 散熱基板

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

　　　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效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來強化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內。這種技術能有效解決大功率器件在結構緊湊的趨勢下所帶來的散熱問題。MCPCB熱導率可達到1～2.2 W/(m·K)。

　　由于MCPCB的介電層沒有太好的熱傳導率(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率，照明產品，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，此絕緣基板的熱導率就比較高，醫院led照明，達1.12 W/(m·K)。

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

　　對于LED封裝應用而言，散熱基板除具備基本的高導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。透明陶瓷材料技術，酒店led照明，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數匹配等性能外，同時還有望在封裝器件的光學性能上有所突破，實現全空間發光LED封裝。

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