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大功率LED封裝技術
2013-08-05

本文從光學、熱學、電學、可靠性等方面,詳細評述了大功率白光LED封裝的設計和研究進展,并對大功率LED封裝的關鍵技術進行了評述。提出LED的封裝設計應與晶片設計同時進行,并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中,雖然材料(散熱基板、螢光粉、灌封膠)選擇很重要,但封裝結構中應盡可能減少熱學和光學介面,從而降低封裝熱阻,提高出光效率。文中最后對LED燈具的設計和封裝要求進行了闡述。

一、前言

大功率LED封裝由于結構和工藝復雜,并直接影響到LED的使用性能和壽命,一直是近年來的研究熱點,特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。LED封裝的功能主要包括:1.機械保護,以提高可靠性;2.加強散熱,以降低晶片結溫,提高LED性能;3.光學控制,提高出光效率,優化光束分布;4.供電管理,包括交流/直流轉變,以及電源控制等。

LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由晶片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展,LED封裝先后經歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LEDPower LED)等發展階段。隨著晶片功率的增大,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。

二、大功率LED封裝關鍵技術

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面,如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立,又相互影響。其中,光是LED封裝的目的,熱是關鍵,電、結構與工藝是手段,而性能是封裝水平的具體體現。從工藝相容性及降低生產成本而言,LED封裝設計應與晶片設計同時進行,即晶片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則,等晶片制造完成后,可能由于封裝的需要對晶片結構進行調整,從而延長了產品研發周期和工藝成本,有時甚至不可能。

具體而言,大功率LED封裝的關鍵技術包括:

(一)低熱阻封裝工藝

對于現有的LED光效水平而言,由于輸入電能的80%左右轉變成為熱量,且LED晶片面積小,因此,晶片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括晶片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱介面材料)與工藝、熱沉設計等。

 

1  大功率白光LED封裝技術

 

2  低溫共燒陶瓷金屬基板

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結構)內部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產生的熱量,并傳導到熱沉上,實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括、金屬(如鋁,銅)、陶瓷(如Al2O3AINSiC)和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底,將1mm晶片倒裝在CuW襯底上,降低了封裝熱阻,提高了發光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板,如圖2,并開發了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應的陶瓷基板,然后將LED晶片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路,不僅結構簡單,而且由于材料熱導率高,熱介面少,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Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板,由陶瓷基板(AINAl2O3)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成,沒有使用黏結劑,因此導熱性能好、強度高、絕緣性強、如圖3所示。其中氮化鋁(AIN)的熱導率為160W/(m·k),熱膨脹系數為4.0×10-6/℃(與的熱膨脹系數3.2×10-6/℃相當),從而降低了封裝熱應力。

 

3  覆銅陶瓷基板截面示意圖

研究表明,封裝介面對熱阻影響也很大,如果不能正確處理介面,就難以獲得良好的散熱效果。例如,室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙,基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少介面和介面接觸熱阻,增強散熱。因此,晶片和散熱基板間的熱介面材料TIM)選擇十分重要。LED封裝常用的TIM導電膠導熱膠,由于熱導率較低,一般為0.5-2.5W/(m·k),致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱介面材料,可大大降低介面熱阻。

(二)高取光率封裝結構與工藝

LED使用過程中,輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失,主要包括三個方面:晶片內部結構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,很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(透鏡),由于該膠層處于晶片和空氣之間,從而有效減少了光子在介面的損失,提高了取光效率。此外,透鏡膠的作用還包括對晶片進行機械保護,應力釋放,并作為一種光導結構。因此,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,還要求透鏡膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的透鏡膠包括環氧樹脂膠由于具有透光率高,折射率大,熱穩定性好,應力小,吸濕性低等特點,明顯優于環氧樹脂,在大功率LED封裝中得到廣泛應用,但成本較高。研究表明,提高膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失,提高外量子效率,但膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高,膠內部的熱應力加大,導致膠的折射率降低,從而影響LED光效和光強分布。

螢光粉的作用在于光色復合,形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學)等,其中,發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明,隨著溫度上升,螢光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發生變化,從而引起白光LED色溫、色度的變化,較高的溫度還會加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉涂層是由環氧或與螢光粉調配而成,散熱性能較差,當受到紫光或紫外光的輻射時,易發生溫度猝滅和老化,使發光效率降低。此外,高溫下透鏡和螢光粉的熱穩定性也存在問題。由于常用螢光粉尺寸在1μm以上,折射率大于或等于1.85,而膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配,以及螢光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm),因而在螢光粉顆粒表面存在光散射,降低了出光效率。通過在膠中摻入納米螢光粉,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量。

傳統的螢光粉涂敷方式是將螢光粉與透鏡混合,然后點涂在晶片上。由于無法對螢光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制,導致出射光色彩不一致,出現偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發的保形涂層(Conformal coating)技術可實現螢光粉的均勻涂覆,保障了光色的均勻性,如圖4b。但研究表明,當螢光粉直接涂覆在晶片表面時,由于光散射的存在,出光效率較低。有鑒于此,美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE),通過在晶片表面布置一個聚焦透鏡,并將含螢光粉的玻璃片置于距晶片一定位置,不僅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%),如圖4

 

4  大功率白光LED封裝結構

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,通過將螢光粉內摻或外涂于玻璃表面,不僅提高了螢光粉的均勻度,而且提高了封裝效率。此外,減少LED出光方向的光學介面數,也是提高出光效率的有效措施。

(三)陣列封裝與系統集成技術

經過40多年的發展,LED封裝技術和結構先后經歷了四個階段,如圖5所示。

 

5  LED封裝技術和結構發展


1、引腳式(LampLED封裝
引腳式封裝就是常用的A3-5mm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幕。其缺點在于封裝熱阻較大(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(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。具體而言,就是用特定的工具或設備將晶片引腳對準預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,經過波峰焊或再流焊后,使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點,是電子行業最流行的一種封裝技術和工藝。
3、板上晶片直裝式(COBLED封裝
COBChip On Board(板上晶片直裝)的英文縮寫,是一種通過粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PCB板上,再通過引線鍵合實現晶片與PCB板間電互連的封裝技術。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環氧樹脂),也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(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技術主要用于大功率多晶片陣列的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、系統封裝式(SiPLED封裝
SiPSystem in Package)是近幾年來為適應整機的攜帶型發展和小型化的要求,在系統晶片System on Chip (SOC)基礎上發展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言,不僅可以在一個封裝內組裝多個發光晶片,還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學微結構、感測器等)集成在一起,構建成一個更為復雜的、完整的系統。同其他封裝結構相比,SiP具有工藝相容性好(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,易于分塊測試,開發周期短等優點。按照技術類型不同,SiP可分為四種:晶片層疊型、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,或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等措施來實現。而這些都會增加LED的功率密度,如散熱不良,將導致LED晶片的結溫升高,從而直接影響LED器件的性能(如發光效率降低、出射光發生紅移,壽命降低等)。多晶片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案,但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連接,特別是散熱等問題。由于紫光晶片的高密度集成,散熱基板上的溫度很高,必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數的翅片,通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環境中。該方案結構簡單,可靠性高,但由于自然對流換熱系數較低,只適合于功率密度較低,集成度不高的情況。對于大功率LED(封裝),則必須采用主動散熱,如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

在系統集成方面,臺灣新強光電公司采用系統封裝技術(SiP),并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模組,研制出了72W80W的高亮度白光LED光源,如圖6。由于封裝熱阻較低(4.38℃/W),當環境溫度為25℃時,LED結溫控制在60℃以下,從而確保了LED的使用壽命和良好的發光性能。而華中科技大學則采用COB封裝和微噴主動散熱技術,封裝出了220W1500W的超大功率LED白光光源,如圖7

 

6  72W高亮度LED封裝模塊

 

7  220W超大功率LED照明模塊

(四)封裝大生產技術

晶片鍵合(Wafer bonding)技術是指晶片結構和電路的制作、封裝都在晶片(Wafer)上進行,封裝完成后再進行切割,形成單個的晶片(Chip);與之相對應的晶片鍵合(Die bonding)是指晶片結構和電路在晶片上完成后,即進行切割形成晶片(Die),然后對單個晶片進行封裝(類似現在的LED封裝工藝),如圖8所示。很明顯,晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例,因此,改變現有的LED封裝形式(從晶片鍵合到晶片鍵合),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器件生產的潔凈度,防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞,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,對于大功率LED封裝,必須在晶片設計和封裝設計過程中,盡可能采用工藝較少的封裝形式,同時簡化封裝結構,盡可能減少熱學和光學介面數,以降低封裝熱阻,提高出光效率。

 

8  芯片的封裝技術

(五)封裝可靠性測試與評估

LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導致的透鏡膠黃化、光學性能劣化等)和機械失效(如引線斷裂、脫焊等),而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間(MTTF)來定義,對于照明用途,一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70%(對顯示用途一般定義為初始值的50%)的使用時間。由于LED壽命長,通常采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存(100℃1000h)、低溫儲存(-55℃1000h)、高溫高濕(85℃/85%1000h)、高低溫回圈(85℃-55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而,加速環境試驗只是問題的一個方面,對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。

三、固態照明對大功率LED封裝的要求

與傳統照明燈具相比,LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光,不僅效率高、光色純,而且可以實現動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數,滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求,具體體現在:
  (一)模組化

通過多個LED燈(或模組)的相互連接可實現良好的流明輸出疊加,滿足高亮度照明的要求。通過模組化技術,可以將多個點光源或LED模組按照隨意形狀進行組合,滿足不同領域的照明要求。
  (二)系統效率最大化

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構和工藝,以及優化內/外光學設計,以提高整個系統效率。
  (三)低成本

LED燈具要走向市場,必須在成本上具備競爭優勢(主要指初期安裝成本),而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分,因此,采用新型封裝結構和技術,提高光效/成本比,是實現LED燈具商品化的關鍵。
  (四)易于替換和維護

由于LED光源壽命長,維護成本低,因此對LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設計易于改進以適應未來效率更高的LED晶片封裝要求,并且要求LED晶片的互換性要好,以便于燈具廠商自己選擇采用何種晶片。

LED燈具光源可由多個分散式點光源組成,由于晶片尺寸小,從而使封裝出的燈具重量輕,結構精巧,并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒有現成的設計標準,但同時給設計提供了充分的想像空間。此外,LED照明控制的首要目標是供電。由于一般市電電源是高壓交流電(220VAC),而LED需要恒流或限流電源。因此必須使用轉換電路或嵌入式控制電路(ASICs),以實現先進的校準和閉環反饋控制系統,對固態光源的使用和控制主要依靠智慧控制和管理軟體來實現,從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯,并且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。

四、結束語

LED封裝是一個涉及到多學科(如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等)的研究課題。從某種角度而言,LED封裝不僅是一門制造技術,而且也是一門基礎科學,良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設計應與晶片設計同時進行,并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中,雖然材料(散熱基板、螢光粉、透鏡膠)選擇很重要,但封裝結構(如熱學介面、光學介面)對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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