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    POWER大功率LED封裝技術(shù)和趨勢

    :2018-01-03    :333
            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。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(zhù)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。
     
            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(guān)鍵,電、結構與工藝是手段,而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言,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。否則,等芯片制造完成后,可能由于封裝的需要對芯片結構進(jìn)行調整,從而延長(cháng)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、熱沉設計等。
     
            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,并傳導到熱沉上,實(shí)現與外界的熱交換。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、靜電保護電路、驅動(dòng)電路及控制補償電路,不僅結構簡(jiǎn)單,而且由于材料熱導率高,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Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板,由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成,沒(méi)有使用黏結劑,因此導熱性能好、強度高、絕緣性強,如圖2(b)所示。其中氮化鋁(AlN)的熱導率為160W/mk,熱膨脹系數為4.0×10-6/℃(與硅的熱膨脹系數3.2×10-6/℃相當),從而降低了封裝熱應力。
     
            研究表明,封裝界面對熱阻影響也很大,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為導電膠和導熱膠,由于熱導率較低,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。
     
            (二)封裝大生產(chǎn)技術(shù)
     
            晶片鍵合(Wafer bonding)技術(shù)是指芯片結構和電路的制作、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);與之相對應的芯片鍵合(Die bonding)是指芯片結構和電路在晶片上完成后,即進(jìn)行切割形成芯片(Die),然后對單個(gè)芯片進(jìn)行封裝(類(lèi)似現在的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,必須在芯片設計和封裝設計過(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)化封裝結構,盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面數,以降低封裝熱阻,提高出光效率。
     
            (三)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(如高溫導致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等)和機械失效(如引線(xiàn)斷裂,脫焊等),而這些因素都與封裝結構和工藝有關(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(shí)間。由于LED壽命長(cháng),通常采取加速環(huán)境試驗的方法進(jìn)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)、高低溫循環(huán)(85℃~-55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而,加速環(huán)境試驗只是問(wèn)題的一個(gè)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(tài)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(lái)產(chǎn)生有色光,不僅效率高、光色純,而且可以實(shí)現動(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,滿(mǎn)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)模塊化
     
      通過(guò)多個(gè)LED燈(或模塊)的相互連接可實(shí)現良好的流明輸出疊加,滿(mǎn)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(mǎn)足不同領(lǐng)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(yōu)化內/外光學(xué)設計,以提高整個(gè)系統效率。
     
            (三)低成本
     
      LED燈具要走向市場(chǎng),必須在成本上具備競爭優(yōu)勢(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,采用新型封裝結構和技術(shù),提高光效/成本比,是實(shí)現LED燈具商品化的關(guān)鍵。
     
            (四)易于替換和維護
     
            由于LED光源壽命長(cháng),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(jìn)以適應未來(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(chǎng)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,結構精巧,并可滿(mǎn)足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒(méi)有現成的設計標準,但同時(shí)給設計提供了充分的想象空間。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(220V,AC),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(shí)現先進(jìn)的校準和閉環(huán)反饋控制系統。此外,通過(guò)數字照明控制技術(shù),對固態(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,從而在用戶(hù)、信息與光源間建立了新的關(guān)聯(lián),并且可以充分發(fā)揮設計者和消費者的想象力。
     
            四、結束語(yǔ)
     
            LED封裝是一個(gè)涉及到多學(xué)科(如光學(xué)、熱學(xué)、機械、電學(xué)、力學(xué)、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(mén)制造技術(shù)(Technology),而且也是一門(mén)基礎科學(xué)(Science),良好的封裝需要對熱學(xué)、光學(xué)、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時(shí)進(jìn)行,并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。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,但封裝結構(如熱學(xué)界面、光學(xué)界面)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。深圳市極光光電有限公司專(zhuān)業(yè)LED封裝20年經(jīng)驗,可提供各種照明解決方案。
     
     



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