大功率LED封裝常用的5種關鍵技術和4種結構形式

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-09-26

瀏覽次數:次

 LED(light-emitting diode)已成為國際新興戰略產業界的競爭熱點。在LED產業鏈中，上游包括襯底材料、外延、芯片設計及制造生產，LED射燈，中游涵蓋封裝工藝、裝備和測試技術，家用照明，下游為LED顯示、照明和燈具等應用產品。目前主要采用藍光LED+黃色熒光粉工藝來實現白光大功率LED，3c認證，即通過GaN基藍光LED一部分藍光激發YAG(yttrium aluminum garnet)黃色熒光粉發射出黃光，另外一部分藍光透過熒光粉發射出來，由黃色熒光粉發射的黃光與透射的藍光混合后得到白光。藍光LED芯片發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后發出黃光，藍光光譜與黃光光譜互相重疊后形成白光。

大功率LED封裝作為產業鏈中承上啟下的重要一環，是推進半導體照明和顯示走向實用化的核心制造技術。只有通過開發低熱阻、高光效和高可靠性的LED封裝和制造技術，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芯片穩定可靠的工作，才能提供高效持續的高性能照明和顯示效果，實現LED所特有的節能長壽優勢，促進整個半導體照明和顯示產業鏈良性發展。鑒于國外相關公司出于市場利益的考慮，對相關核心技術和裝備均采取封鎖措施，因而發展自主的大功率LED封裝技術特別是白光LED封裝設備已迫在眉睫。本文將簡要介紹大功率LED封裝領域的研究與應用現狀，分析和總結大功率LED封裝過程中的關鍵技術問題，以期引起國內同行的注意，為實現大功率LED關鍵技術和裝備的自主化而努力。

封裝工藝技術對LED性能起著至關重要的作用。LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電／機械特性、具體應用和成本等因素決定。隨著功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、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思路來進行封裝設計。從工藝兼容性及降低生產成本的角度看，LED封裝設計應與芯片設計同時進行，商業照明，即芯片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。目前功率LED封裝結構的主要發展趨勢是：尺寸小型化、器件熱阻最小化、平面貼片化、耐受結溫最高化、單燈光通量最大化；目標是提高光通量、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封裝的關鍵技術主要包括：熱散技術、光學設計技術、結構設計技術、熒光粉涂覆技術、共晶焊技術等。

1、散熱技術

一般的LED節點溫度則不能超過120℃，即便是LumiLEDs、Nichia、CREE等推出的最新器件，其最高節點溫度仍不能超過1500℃。因此LED器件的熱輻射效應基本可以忽略不計，熱傳導和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設計時先從熱傳導方面考慮，因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導到散熱器。所以粘結材料、基板是LED散熱技術的關鍵環節。

粘結材料主要包括導熱膠、導電銀漿和合金焊料三種主要方式。導熱膠是在基體內部加入一些高導熱系數的填料，如SiC、A1N、A12O3、SiO2等，從而提高其導熱；導電銀漿是將銀粉加入環氧樹脂中形成的一種復合材料，粘貼的硬化溫度一般低于200℃，具有良好的導熱特性、粘結性能可靠等優點，但銀漿對光的吸收比較大， led服裝照明，導致光效下降。

基板主要包括陶瓷基板、陶瓷基板和復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點；Al和Cu都是LED封裝基板的優良材料，由于金屬材料的導電性，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。金屬基復合材料主要有Cu基復合材料、Al基復合材料。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。未來的復合基板主要有5種：單片電路碳質材料、金屬基復合材料、聚合物基復合材料、碳復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、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。

2、光學設計技術

LED封裝的光學設計包括內光學設計和外光學設計。

內光學設計的關鍵在于灌封膠的選擇與應用。在灌封膠的選擇上，要求其透光率高、折射率高、熱穩定性好、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、低應力、耐溫環保等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。其中，硅膠由于具有透光率高(可見光范圍內透光率大于99％)、折射率高(1.4～1.5)、熱穩定性好(能耐受200℃高溫)、應力低(楊氏模量低)、吸濕性低(小于0.2％)等特點，明顯優于環氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用。但硅膠性能受環境溫度影響較大，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。

外光學設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計(一次光學)和整形透鏡設計(二次光學)，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揮二維并行的會聚、整形、準直等作用，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。

3、LED封裝結構形式

LED封裝技術和結構先后擁有了引腳式、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，是最先研發成功投放市場的封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。常用3～5mm封裝結構，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