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    大功率LED封裝常用的5種關(guān)鍵技術(shù)和4種結構形式

    :2017-12-28    :333
     LED(light-emitting diode)已成為國際新興戰略產(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、芯片設計及制造生產(chǎn),中游涵蓋封裝工藝、裝備和測試技術(shù), 下游為L(cháng)ED顯示、照明和燈具等應用產(chǎn)品。目前主要采用藍光LED+黃色熒光粉工藝來(lái)實(shí)現白光大功率LED,即通過(guò)GaN基藍光LED一部分藍光激發(fā) YAG(yttrium aluminum garnet)黃色熒光粉發(fā)射出黃光,另外一部分藍光透過(guò)熒光粉發(fā)射出來(lái),由黃色熒光粉發(fā)射的黃光與透射的藍光混合后得到白光。藍光LED芯片發(fā)出的藍光 透過(guò)涂覆在其周?chē)狞S色熒光粉,熒光粉被一部分藍光激發(fā)后發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的重要一環(huán),是推進(jìn)半導體照明和顯示走向實(shí)用化的核心制造技術(shù)。只有通過(guò)開(kāi)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(shí)現LED所特有的節能長(cháng)壽優(yōu)勢,促進(jìn)整個(gè)半導體照明和顯示產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展。鑒于國外相關(guān)公司出于市場(chǎng)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封裝設備已迫在眉睫。本文將簡(jiǎn)要介紹大功率LED封裝領(lǐng)域的研究與應用 現狀,分析和總結大功率LED封裝過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,以期引起國內同行的注意,為實(shí)現大功率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(zhù)至關(guān)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(zhù) 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(shù)思路來(lái)進(jìn)行封裝設計。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本的角度看,LED封裝設計應與芯片設計同時(shí)進(jìn)行,即芯片設計時(shí)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(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(guān)鍵技術(shù)主要包括:熱散技術(shù)、光學(xué)設計技術(shù)、結構設計技術(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節點(diǎn)溫度則不能超過(guò)120℃,即便是Lumileds、Nichia、CREE等推出的最新器件,其最高節點(diǎn)溫度仍不能超過(guò)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(shí)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(shù)的關(guān)鍵環(huán)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(huán)氧樹(shù)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(yōu)點(diǎn),但銀漿對 光的吸收比較大,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(jiǎn)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,由于金屬材料的導電性,為使其表面絕緣,往往需通過(guò)陽(yáng)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A(yíng)lSiC中加入熱解石墨還可以滿(mǎn)足對散熱要求更高的工況。未來(lái)的復合基板主要有5種:?jiǎn)纹娐诽假|(zhì)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(guān)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(xué)設計技術(shù)
     
      LED封裝的光學(xué)設計包括內光學(xué)設計和外光學(xué)設計。
     
      內光學(xué)設計的關(guān)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(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、低應力、耐溫環(huán)保等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠。其中,硅膠由于具有透光率高(可見(jiàn)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(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光效和光強分布,因此硅膠的制備工藝有待改善。
     
      外光學(xué)設計是指對出射光束進(jìn)行會(huì )聚、整形,以形成光強均勻分布的光場(chǎng)。主要包括反射聚光杯設計(一次光學(xué))和整形透鏡設計(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(lái),隨著(zhù)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封裝結構形式
     
      LED封裝技術(shù)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(gè)階段。
     
     ?。?)引腳式(Lamp)LED封裝
     
      LED腳式封裝采用引線(xiàn)架作各種封裝外型的引腳,是最先研發(fā)成功投放市場(chǎng)的封裝結構,品種數量繁多,技術(shù)成熟度較高,封裝內結構與反射層仍在不斷改進(jìn)。常 用3~5mm封裝結構,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。
     
     ?。?)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(wèn)題,因此, 管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù),能承受數W功率的LED封裝已出現。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開(kāi)始供貨,白光LED光輸出達 1871m,光效44.31 lm/W綠光衰問(wèn)題,開(kāi)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(chǎng)所接受,并獲得一定的市場(chǎng)份額從引腳式封裝轉向SMD符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢,很多生產(chǎn)廠(chǎng)商推出此類(lèi)產(chǎn)品。
     
      SMDLED是目前LED市場(chǎng)占有率最高的封裝結構,這種LED封裝結構利用注塑工藝將金屬引線(xiàn)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(xiàn)框架從反射杯底部延伸至器件側面,通過(guò)向外平展或向內折彎形成器件管腳。改進(jìn)型的SMDLED結構是伴隨著(zhù)白光LED照明技術(shù)出現的,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(kāi)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)的結構降低了最初SMDLED結構的高 度,金屬引線(xiàn)框架直接置于LED器件底部,通過(guò)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(guò)錫膏,直接焊接于線(xiàn)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(wèn)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(guò)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(玻璃纖維增強的環(huán)氧樹(shù)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(xiàn)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)。
     
      從成本和應用角度來(lái)看,COB將成為未來(lái)燈具化設計的主流方向。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大封裝的散熱面積,使熱量更容易傳導至外 殼。傳統的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(méi)有適用的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時(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(xiàn),不但可以省工省時(shí),而且可以節省器件封裝的成本。
     
      總之,無(wú)論是單器件封裝還是模組化COB封裝,從小功率到大功率,LED封裝結構的設計均圍繞著(zhù)如何降低器件熱阻,改善出光效果以及提高可靠性而展開(kāi)的。
     
      4、熒光粉涂覆技術(shù)
     
      光轉化結構,即熒光粉涂層結構,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(cháng)較短的光線(xiàn)轉化為與之互補(顏色互補形成白光)的波長(cháng)較長(cháng)的光線(xiàn)。
     
      目前采用熒光粉產(chǎn)生白光共有三種方式:藍光LED配合黃色熒光粉;藍光LED配合紅色、綠色熒光粉;UV-LED配合紅、綠、藍三色熒光粉。其中商品化的 白光LED多屬藍光LED配合黃色熒光粉的單芯片型,藍光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(zhuān)利上報 道過(guò),但仍未有商品化產(chǎn)品出現,而UV-LED配合三色熒光粉的方式目前也尚處于開(kāi)發(fā)中。不同熒光粉產(chǎn)生白光LED的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)下表。
     
     
    現有涂覆方式,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,導致出射光色彩不一致,出現偏藍光或者偏黃光。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 )導致熒光粉溫度上升, 進(jìn)而降低熒光粉量子效率,嚴重影響封裝的轉換效率。
     
     
    而基于噴涂工藝的保形涂層技術(shù)可實(shí)現熒光粉的均勻涂覆,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,嚴重地影響了出光效率。Yamada,Narendran等發(fā)現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(wú)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(cháng)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,利用遠離熒光粉涂覆工藝可以減少向后散熱的光線(xiàn)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(kāi)了相關(guān)研究,結果表明采用遠離熒光粉涂層可降低熒光粉涂層溫度約16.8℃,顯著(zhù)提高熒光粉的轉換效率。但是遠離涂覆法也有其缺點(diǎn),因為出于對 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雜等成本問(wèn)題上的考慮,目前也無(wú)法得到廣泛推廣及工業(yè)應用。
     
      此外,You等人在研究熒光粉涂層優(yōu)化的基礎上提出了采用多層熒光粉結構,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)驗結果顯示,這樣的熒光粉涂覆結構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(guò)程中最為核心的散熱問(wèn)題與固晶問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn),正在并將會(huì )成為 未來(lái)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(jiǎn)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變特性(無(wú)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(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效率的優(yōu)勢。



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