大功率LED的封裝技術(shù)

March 28, 2019

一、前言

 

　　大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。

 

　　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。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對(duì)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(lái)進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。

 

二、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

 

　　大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。

 

 

　　 具體而言，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：

 

（一）低熱阻封裝工藝

 

　　對(duì)于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇（基板材料、熱界面材料）與工藝、熱沉設(shè)計(jì)等。

 

　　LED封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和復(fù)合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國(guó)Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒(méi)有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導(dǎo)率為160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.0×10－6/℃（與硅的熱膨脹系數(shù)3.2×10－6/℃相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng)力。

 

 

　　研究表明，封裝界面對(duì)熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會(huì)影響鍵合和局部的散熱。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（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而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。

 

（二）高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝 

　　在LED使用過(guò)程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無(wú)法從芯片中出射到外部。通過(guò)在芯片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動(dòng)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、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來(lái)的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強(qiáng)分布。

 

　　熒光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少，輻射波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì)加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問(wèn)題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限（30nm），因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過(guò)在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10％-20％），并能有效改善光色質(zhì)量。

 

　　傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無(wú)法對(duì)熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而Lumileds公司開(kāi)發(fā)的保形涂層（Conformal coating）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3（b）。但研究表明，當(dāng)熒光粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國(guó)Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過(guò)在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如圖3(c)。

 

 

總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢(shì)，通過(guò)將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。

 

（三）陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)

 

　　經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖4所示。

 

 

 

1、引腳式（Lamp）LED封裝

 

　　引腳式封裝就是常用的Æ3－5mm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(shí)也可作為顯示屏。其缺點(diǎn)在于封裝熱阻較大（一般高于100K/W），壽命較短。

 

2、表面組裝（貼片）式（SMT－LED）封裝

 

　　表面組裝技術(shù)（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對(duì)準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB 表面上，經(jīng)過(guò)波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機(jī)械和電氣連接。SMT技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術(shù)和工藝。

 

3、板上芯片直裝式（COB）LED封裝

 

　　COB是Chip On Board（板上芯片直裝）的英文縮寫，是一種通過(guò)粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上，再通過(guò)引線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與PCB板間電互連的封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂），也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)合材料（如鋁基板或覆銅陶瓷基板等）。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合（金絲球焊）和常溫下的超聲波鍵合（鋁劈刀焊接）。COB技術(shù)主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻（一般為6-12W/m.K）。

 

4、系統(tǒng)封裝式（SiP）LED封裝

 

　　SiP（System in Package）是近幾年來(lái)為適應(yīng)整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片System on Chip（SOC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型封裝集成方式。對(duì)SiP－LED而言，不僅可以在一個(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建成一個(gè)更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)相比，SiP具有工藝兼容性好（可利用已有的電子封裝材料和工藝），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測(cè)試，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。按照技術(shù)類型不同，SiP可分為四種：芯片層疊型，模組型，MCM型和三維(3D)封裝型。

 

　　目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說(shuō)可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過(guò)提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸芯片等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。而這些都會(huì)增加LED的功率密度，如散熱不良，將導(dǎo)致LED芯片的結(jié)溫升高，從而直接影響LED器件的性能（如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移，壽命降低等）。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個(gè)最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價(jià)格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問(wèn)題。由于發(fā)光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動(dòng)和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過(guò)翅片和空氣間的自然對(duì)流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于自然對(duì)流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對(duì)于大功率LED封裝，則必須采用主動(dòng)散熱，如翅片＋風(fēng)扇、熱管、液體強(qiáng)迫對(duì)流、微通道致冷、相變致冷等。

 

　　在系統(tǒng)集成方面，臺(tái)灣新強(qiáng)光電公司采用系統(tǒng)封裝技術(shù)(SiP), 并通過(guò)翅片＋熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖5（a）。由于封裝熱阻較低（4.38℃/W）,當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，LED結(jié)溫控制在60℃以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學(xué)則采用COB封裝和微噴主動(dòng)散熱技術(shù)，封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如圖5（b）。

 

 

 

（四）封裝大生產(chǎn)技術(shù)

 

　　晶片鍵合（Wafer bonding）技術(shù)是指芯片結(jié)構(gòu)和電路的制作、封裝都在晶片（Wafer）上進(jìn)行，封裝完成后再進(jìn)行切割，形成單個(gè)的芯片（Chip）；與之相對(duì)應(yīng)的芯片鍵合（Die bonding）是指芯片結(jié)構(gòu)和電路在晶片上完成后，即進(jìn)行切割形成芯片（Die），然后對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)行封裝（類似現(xiàn)在的LED封裝工藝），如圖6所示。很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質(zhì)量更高。由于封裝費(fèi)用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現(xiàn)有的LED封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），將大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產(chǎn)的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對(duì)器件結(jié)構(gòu)的破壞，提高封裝成品率和可靠性，因而是一種降低封裝成本的有效手段。

 

此外，對(duì)于大功率LED封裝，必須在芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式（Package-less Packaging），同時(shí)簡(jiǎn)化封裝結(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面數(shù)，以降低封裝熱阻，提高出光效率。

 

（五）封裝可靠性測(cè)試與評(píng)估

 

　　LED器件的失效模式主要包括電失效（如短路或斷路）、光失效（如高溫導(dǎo)致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等）和機(jī)械失效（如引線斷裂，脫焊等），而這些因素都與封裝結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。LED的使用壽命以平均失效時(shí)間（MTTF）來(lái)定義，對(duì)于照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70％（對(duì)顯示用途一般定義為初始值的50％）的使用時(shí)間。由于LED壽命長(zhǎng)，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試與評(píng)估。測(cè)試內(nèi)容主要包括高溫儲(chǔ)存（100℃，1000h）、低溫儲(chǔ)存（－55℃，1000h）、高溫高濕（85℃/85％，1000h）、高低溫循環(huán)（85℃～－55℃）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗(yàn)只是問(wèn)題的一個(gè)方面，對(duì)LED壽命的預(yù)測(cè)機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題。

 

三、固態(tài)照明對(duì)大功率LED封裝的要求

 

　　與傳統(tǒng)照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或?yàn)V光片來(lái)產(chǎn)生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時(shí)保持具有高的顯色指數(shù)，滿足不同的應(yīng)用需要。但對(duì)其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：

 

（一）模塊化

 

　　通過(guò)多個(gè)LED燈（或模塊）的相互連接可實(shí)現(xiàn)良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過(guò)模塊化技術(shù)，可以將多個(gè)點(diǎn)光源或LED模塊按照隨意形狀進(jìn)行組合，滿足不同領(lǐng)域的照明要求。

 

（二）系統(tǒng)效率最大化

 

　　為提高LED燈具的出光效率，除了需要合適的LED電源外，還必須采用高效的散熱結(jié)構(gòu)和工藝，以及優(yōu)化內(nèi)/外光學(xué)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)系統(tǒng)效率。

 

（三）低成本

 

　　LED燈具要走向市場(chǎng)，必須在成本上具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（主要指初期安裝成本），而封裝在整個(gè)LED燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，是實(shí)現(xiàn)LED燈具商品化的關(guān)鍵。

 

（四）易于替換和維護(hù)

 

　　由于LED光源壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，因此對(duì)LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設(shè)計(jì)易于改進(jìn)以適應(yīng)未來(lái)效率更高的LED芯片封裝要求，并且要求LED芯片的互換性要好，以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。

 

　　LED燈具光源可由多個(gè)分布式點(diǎn)光源組成，由于芯片尺寸小，從而使封裝出的燈具重量輕，結(jié)構(gòu)精巧，并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)給設(shè)計(jì)提供了充分的想象空間。此外，LED照明控制的首要目標(biāo)是供電。由于一般市電電源是高壓交流電（220V，AC），而LED需要恒流或限流電源，因此必須使用轉(zhuǎn)換電路或嵌入式控制電路（ASICs），以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的校準(zhǔn)和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。此外，通過(guò)數(shù)字照明控制技術(shù)，對(duì)固態(tài)光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而在用戶、信息與光源間建立了新的關(guān)聯(lián)，并且可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者和消費(fèi)者的想象力。

 

四、結(jié)束語(yǔ)

 

　　LED封裝是一個(gè)涉及到多學(xué)科（如光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)體等）的研究課題。從某種角度而言，LED封裝不僅是一門制造技術(shù)（Technology），而且也是一門基礎(chǔ)科學(xué)（Science），良好的封裝需要對(duì)熱學(xué)、光學(xué)、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用。LED封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并且需要對(duì)光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮。在封裝過(guò)程中，雖然材料（散熱基板、熒光粉、灌封膠）選擇很重要，但封裝結(jié)構(gòu)（如熱學(xué)界面、光學(xué)界面）對(duì)LED光效和可靠性影響也很大，大功率白光LED封裝必須采用新材料，新工藝，新思路。對(duì)于LED燈具而言，更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。

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