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
：2017-12-28
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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(diǎn)。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，上游包括襯底材料、外延、芯片設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)，中游涵蓋封裝工藝、裝備和測試技術(shù)， 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(lán)光LED+黃色熒光粉工藝來實(shí)現(xiàn)白光大功率LED，即通過GaN基藍(lán)光LED一部分藍(lán)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(lán)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(lán)光混合后得到白光。藍(lán)光LED芯片發(fā)出的藍(lán)光 透過涂覆在其周圍的黃色熒光粉，熒光粉被一部分藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃光，藍(lán)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(jìn)半導(dǎo)體照明和顯示走向?qū)嵱没暮诵闹圃旒夹g(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(jìn)行良好的機(jī)械和電氣保護(hù)，減少機(jī)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(shí)現(xiàn)LED所特有的節(jié)能長壽優(yōu)勢，促進(jìn)整個(gè)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(shí)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(jī)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(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)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本的角度看，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。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(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)，熱傳導(dǎo)和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設(shè)計(jì)時(shí)先從熱傳導(dǎo)方面考慮，因?yàn)闊崃渴紫葟腖ED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(diǎn)，但銀漿對 光的吸收比較大，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(diǎn)；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(qiáng)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(jì)技術(shù)
LED封裝的光學(xué)設(shè)計(jì)包括內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)和外光學(xué)設(shè)計(jì)。
內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)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(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(diǎn)，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(qiáng)分布，因此硅膠的制備工藝有待改善。
外光學(xué)設(shè)計(jì)是指對出射光束進(jìn)行會(huì)聚、整形，以形成光強(qiáng)均勻分布的光場。主要包括反射聚光杯設(shè)計(jì)（一次光學(xué)）和整形透鏡設(shè)計(jì)（二次光學(xué)），對陣列模塊而言， 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(huì)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(diǎn)，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(qiáng)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(gè)階段。
?。?）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(jìn)。常 用3～5mm封裝結(jié)構(gòu)，一般用于電流較?。?0～30mA），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）功率型LED封裝
LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10～20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此， 管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白、綠、藍(lán)綠、藍(lán)的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達(dá) 1871m，光效44.31 lm／W綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率的LED，大面積管；尺寸為2.5mm X2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達(dá)2001 lm，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。
?。?）表面組裝（貼片）式（SMD）LED封裝
早在2002年，表面貼裝封裝的LED（SMDLED）逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產(chǎn)廠商推出此類產(chǎn)品。
SMDLED是目前LED市場占有率最高的封裝結(jié)構(gòu)，這種LED封裝結(jié)構(gòu)利用注塑工藝將金屬引線框架包裹在PPA塑料之中，并形成特定形狀的反射杯，金屬 引線框架從反射杯底部延伸至器件側(cè)面，通過向外平展或向內(nèi)折彎形成器件管腳。改進(jìn)型的SMDLED結(jié)構(gòu)是伴隨著白光LED照明技術(shù)出現(xiàn)的，為了增大單個(gè) LED器件的使用功率以提高器件的亮度，工程師開始尋找降低SMDLED熱阻的辦法，并引入了熱沉的概念。這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)降低了最初SMDLED結(jié)構(gòu)的高 度，金屬引線框架直接置于LED器件底部，通過注入塑料圍繞金屬框架形成反射杯，芯片置于金屬框架之上，金屬框架通過錫膏，直接焊接于線路板上，形成垂直 散熱通道。由于材料技術(shù)的發(fā)展，SMD封裝技術(shù)已經(jīng)克服了散熱、使用壽命等早期存在的問題，可以用于封裝1～3W的大功率白光LED芯片。
?。?）COB-LED封裝
COB封裝可將多顆芯片直接封裝在金屬基印刷電路板MCPCB，通過基板直接散熱，不僅能減少支架的制造工藝及其成本，還具有減少熱阻的散熱優(yōu)勢。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SMD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）。
從成本和應(yīng)用角度來看，COB將成為未來燈具化設(shè)計(jì)的主流方向。COB封裝的LED模塊在底板上安裝了多枚LED芯片，使用多枚芯片不僅能夠提高亮度，還 有助于實(shí)現(xiàn)LED芯片的合理配置，降低單個(gè)LED芯片的輸人電流量以確保高效率。而且這種面光源能在很大程度上擴(kuò)大封裝的散熱面積，使熱量更容易傳導(dǎo)至外 殼。傳統(tǒng)的LED燈具做法是：LED光源分立器件—MCPCB光源模組—LED燈具，主要是基于沒有適用的核心光源組件而采取的做法，不但耗工費(fèi)時(shí)，而且 成本較高。實(shí)際上，如果走“COB光源模塊—LED燈具”的路線，不但可以省工省時(shí)，而且可以節(jié)省器件封裝的成本。
總之，無論是單器件封裝還是模組化COB封裝，從小功率到大功率，LED封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均圍繞著如何降低器件熱阻，改善出光效果以及提高可靠性而展開的。
4、熒光粉涂覆技術(shù)
光轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，即熒光粉涂層結(jié)構(gòu)，主要面向LED白光照明技術(shù)，目的是為將LED芯片發(fā)出的波長較短的光線轉(zhuǎn)化為與之互補(bǔ)（顏色互補(bǔ)形成白光）的波長較長的光線。
目前采用熒光粉產(chǎn)生白光共有三種方式：藍(lán)光LED配合黃色熒光粉；藍(lán)光LED配合紅色、綠色熒光粉；UV-LED配合紅、綠、藍(lán)三色熒光粉。其中商品化的 白光LED多屬藍(lán)光LED配合黃色熒光粉的單芯片型，藍(lán)光LED配合紅色、綠色熒光粉的白光產(chǎn)生方式只是在OSRAM、Lumileds等公司的專利上報(bào) 道過，但仍未有商品化產(chǎn)品出現(xiàn)，而UV-LED配合三色熒光粉的方式目前也尚處于開發(fā)中。不同熒光粉產(chǎn)生白光LED的優(yōu)缺點(diǎn)比較見下表。
現(xiàn)有涂覆方式，如下圖所示，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前在廣泛使用的熒光粉涂覆方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后直接點(diǎn)涂在芯片上。由于難以對熒光粉的涂覆厚度和 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。GE公司Arik等人的研究表明，將熒光粉直接覆蓋于芯片之上，會(huì)導(dǎo)致熒光粉溫度上升， 進(jìn)而降低熒光粉量子效率，嚴(yán)重影響封裝的轉(zhuǎn)換效率。
而基于噴涂工藝的保形涂層技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，從而保障了光色的均勻性。但此技術(shù)難度大，而且由LED出射的藍(lán)光有很大一部分直接被熒光粉層反射 回芯片上，從而被芯片直接吸收，嚴(yán)重地影響了出光效率。Yamada，Narendran等發(fā)現(xiàn)熒光粉背散射特性會(huì)使50%～60%的正向入射光向后散 射。
此外還有一種涂覆方法是使熒光粉層遠(yuǎn)離LED芯片（例如使熒光粉層位于LED芯片外的反光杯或散光杯上），則可大幅減少被熒光粉層反射回芯片而被吸收的光 量，從而提高了出光效率。另外，由于熒光粉層與芯片無直接接觸，芯片產(chǎn)生的熱量不會(huì)傳遞到熒光粉層，從而延長了熒光粉層的使用壽命。倫斯特理工學(xué)院的 Schubert等人的研究發(fā)現(xiàn)，利用遠(yuǎn)離熒光粉涂覆工藝可以減少向后散熱的光線被芯片吸收的概率，可將LED的發(fā)光效率提高7%～16%。中山大學(xué)王剛等人也展開了相關(guān)研究，結(jié)果表明采用遠(yuǎn)離熒光粉涂層可降低熒光粉涂層溫度約16.8℃，顯著提高熒光粉的轉(zhuǎn)換效率。但是遠(yuǎn)離涂覆法也有其缺點(diǎn)，因?yàn)槌鲇趯?其使用熒光粉量較多，熒光粉版的制造與安裝工藝也相對較復(fù)雜等成本問題上的考慮，目前也無法得到廣泛推廣及工業(yè)應(yīng)用。
此外，You等人在研究熒光粉涂層優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了采用多層熒光粉結(jié)構(gòu)，將紅色熒光粉層與黃色熒光粉層分離，黃色熒光粉置于紅色熒光粉之上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這樣的熒光粉涂覆結(jié)構(gòu)可以減少熒光粉涂層間的相互吸收，封裝成品流明效率可提高18%。
5、共晶焊技術(shù)
共晶焊技術(shù)是大功率LED倒裝芯片封裝工藝中最為關(guān)健的核心技術(shù)之一。共晶焊技術(shù)在LED封裝過程中最為核心的散熱問題與固晶問題的優(yōu)點(diǎn)，正在并將會(huì)成為 未來LED封裝發(fā)展的主流方向。共晶合金具有比純組元熔點(diǎn)低，熔化工藝簡單；共晶合金比純金屬有更好的流動(dòng)性，在凝固中可防止阻礙液體流動(dòng)的枝晶形成，從 而改善了鑄造性能；共晶合金還具有恒溫轉(zhuǎn)變特性（無凝固溫度范圍），可以減少鑄造缺陷，如偏聚和縮孔；固化后的共晶合金韌性強(qiáng)（接近金屬的韌性），不宜斷 裂；共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原位復(fù)合材料。正是由于共晶具有如此多的優(yōu)勢，所以使用共 晶工藝制作出的LED封裝會(huì)具有降低阻抗和提升熱傳導(dǎo)效率的優(yōu)勢。
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