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基藍光LED一部分藍光激發(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光混合后得到白光。藍光LED芯片發(fā)出的藍光透過涂覆在其周圍的黃色熒光粉，熒光粉被一部分藍光激發(fā)后發(fā)出黃光，藍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)，是推進半導(dǎo)體照明和顯示走向?qū)嵱没�的核心制造技術(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芯片進行良好的機械和電氣保護，減少機械、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行會聚、整形，以形成光強均勻分布的光場。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。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