POWER大功率LED封裝技術(shù)和趨勢(shì)
：2018-01-03
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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)。
一、POWER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）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。
（三）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。深圳市極光光電有限公司專業(yè)LED封裝20年經(jīng)驗(yàn)，可提供各種照明解決方案。
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