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大功率LED封裝常用的5種關鍵技術和4種結構形式

:2017-12-28    :333

  LED(light-emitting diode)已成為國際新興戰略產業界的競爭熱點。在LED產業鏈中,上遊包括襯底材料、外延、芯片設計及製造生產,中遊涵蓋封裝工藝、裝備和測試技術, 下遊為LED顯示、照明和燈具等應用產品。目前主要采用藍光LED+黃色熒光粉工藝來實現白光大功率LED,即通過GaN基藍光LED一部分藍光激發 YAG(yttrium aluminum garnet)黃色熒光粉發射出黃光,另外一部分藍光透過熒光粉發射出來,由黃色熒光粉發射的黃光與透射的藍光混合後得到白光。藍光LED芯片發出的藍光 透過塗覆在其周圍的黃色熒光粉,熒光粉被一部分藍光激發後發出黃光,藍光光譜與黃光光譜互相重疊後形成白光。

  大功率LED封裝作為產業鏈中承上啟下的重要一環,是推進半導體照明和顯示走向實用化的核心製造技術。隻有通過開發低熱阻、高光效和高可靠性的LED封裝 和製造技術,對LED芯片進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,實現LED所特有的節能長壽優勢,促進整個半導體照明和顯示產業鏈良性發展。鑒於國外相關公司出於市場利益的考慮,對相關核 心技術和裝備均采取封鎖措施,因而發展自主的大功率LED封裝技術特別是白光LED封裝設備已迫在眉睫。本文將簡要介紹大功率LED封裝領域的研究與應用 現狀,分析和總結大功率LED封裝過程中的關鍵技術問題,以期引起國內同行的注意,為實現大功率LED關鍵技術和裝備的自主化而努力。

  封裝工藝技術對LED性能起著至關重要的作用。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 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。從工藝兼容性及降低生產成本的角度看,LED封裝設計應與芯片設計同時進行,即芯片設計時就應該考慮到封裝結 構和工藝。目前功率LED封裝結構的主要發展趨勢是:尺寸小型化、器件熱阻最小化、平麵貼片化、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封裝的關鍵技術主要包括:熱散技術、光學設計技術、結構設計技術、熒光粉塗覆技術、共 晶焊技術等。

  1、散熱技術

  一般的LED節點溫度則不能超過120℃,即便是Lumileds、Nichia、CREE等推出的最新器件,其最高節點溫度仍不能超過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。在散熱設計時先從熱傳導方麵考慮,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散熱技術的關鍵環節。

  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係數的填料,如SiC、A1N、A12O3、SiO2等,從 而提高其導熱;導電銀漿是將銀粉加入環氧樹脂中形成的一種複合材料,粘貼的硬化溫度一般低於200℃,具有良好的導熱特性、粘結性能可靠等優點,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、陶瓷基板和複合基板三種主要方式。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易於成型、工藝簡單、成本低而且容易 製成多種形狀等諸多優點;Al和Cu都是LED封裝基板的優良材料,由於金屬材料的導電性,為使其表麵絕緣,往往需通過陽極氧化處理,使其表麵形成薄的絕 緣層。金屬基複合材料主要有Cu基複合材料、Al基複合材料。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。未來的複合基板主要有5種:單片電路碳質材料、金屬基複合材料、聚合物基複 合材料、碳複合材料和高級金屬合金。

  另外,封裝界麵對熱阻影響也很大,改善LED封裝的關鍵在於減少界麵和界麵接觸熱阻,增強散熱。因此,芯片和散熱基板間的熱界麵材料選擇十分重要。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麵材料,可大大降低界麵熱阻。

  2、光學設計技術

  LED封裝的光學設計包括內光學設計和外光學設計。

  內光學設計的關鍵在於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、流動性好、易於噴塗。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、耐溫環保等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和矽膠。其中,矽膠由於具有透光率高(可見光範圍內透光率大於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(小於0.2%)等特點,明顯優於環氧樹脂,在大功率 LED封裝中得到廣泛應用。但矽膠性能受環境溫度影響較大,從而影響LED光效和光強分布,因此矽膠的製備工藝有待改善。

  外光學設計是指對出射光束進行會聚、整形,以形成光強均勻分布的光場。主要包括反射聚光杯設計(一次光學)和整形透鏡設計(二次光學),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,考慮到封裝後的集成要求,用於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揮二維並行的會聚、整形、準直等作 用,具有排列精度高、製作方便可靠、易於與其他平麵器件耦合等優點,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,可大大改善光束質量,提高 出射光強度,是大功率LED用於光束整形最有前途的新技術。

  3、LED封裝結構形式

  LED封裝技術和結構先後擁有了引腳式、功率型封裝、貼片式(SMD)、板上芯片直裝式(COB)四個階段。

  (1)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,是最先研發成功投放市場的封裝結構,品種數量繁多,技術成熟度較高,封裝內結構與反射層仍在不斷改進。常 用3~5mm封裝結構,一般用於電流較小(20~30mA),功率較低(小於0.1W)的LED封裝。主要用於儀表顯示或指示,大規模集成時也可作為顯示 屏。其缺點在於封裝熱阻較大(一般高於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展,在大電流下產生比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鍵技術,能承受數W功率的LED封裝已出現。5W係列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨,白光LED光輸出達 1871m,光效44.31 lm/W綠光衰問題,開發出可承受10W功率的LED,大麵積管;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展空間。

  (3)表麵組裝(貼片)式(SMD)LED封裝

  早在2002年,表麵貼裝封裝的LED(SMDLED)逐漸被市場所接受,並獲得一定的市場份額從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業發展大趨勢,很多生產廠商推出此類產品。

  SMDLED是目前LED市場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框架包裹在PPA塑料之中,並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麵,通過向外平展或向內折彎形成器件管腳。改進型的SMDLED結構是伴隨著白光LED照明技術出現的,為了增大單個 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,並引入了熱沉的概念。這種改進的結構降低了最初SMDLED結構的高 度,金屬引線框架直接置於LED器件底部,通過注入塑料圍繞金屬框架形成反射杯,芯片置於金屬框架之上,金屬框架通過錫膏,直接焊接於線路板上,形成垂直 散熱通道。由於材料技術的發展,SMD封裝技術已經克服了散熱、使用壽命等早期存在的問題,可以用於封裝1~3W的大功率白光LED芯片。

  (4)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,不僅能減少支架的製造工藝及其成本,還具有減少熱阻的散熱優勢。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複合材料(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技術主要用於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看,COB將成為未來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 有助於實現LED芯片的合理配置,降低單個LED芯片的輸人電流量以確保高效率。而且這種麵光源能在很大程度上擴大封裝的散熱麵積,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,主要是基於沒有適用的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時,而且 成本較高。實際上,如果走“COB光源模塊—LED燈具”的路線,不但可以省工省時,而且可以節省器件封裝的成本。

  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封裝結構的設計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、熒光粉塗覆技術

  光轉化結構,即熒光粉塗層結構,主要麵向LED白光照明技術,目的是為將LED芯片發出的波長較短的光線轉化為與之互補(顏色互補形成白光)的波長較長的光線。

  目前采用熒光粉產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生方式隻是在OSRAM、Lumileds等公司的專利上報 道過,但仍未有商品化產品出現,而UV-LED配合三色熒光粉的方式目前也尚處於開發中。不同熒光粉產生白光LED的優缺點比較見下表。

  現有塗覆方式,如下圖所示,各有其優缺點。目前在廣泛使用的熒光粉塗覆方式是將熒光粉與灌封膠混合,然後直接點塗在芯片上。由於難以對熒光粉的塗覆厚度和 形狀進行精確控製,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,將熒光粉直接覆蓋於芯片之上,會導致熒光粉溫度上升, 進而降低熒光粉量子效率,嚴重影響封裝的轉換效率。

  而基於噴塗工藝的保形塗層技術可實現熒光粉的均勻塗覆,從而保障了光色的均勻性。但此技術難度大,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等發現熒光粉背散射特性會使50%~60%的正向入射光向後散 射。

  此外還有一種塗覆方法是使熒光粉層遠離LED芯片(例如使熒光粉層位於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,由於熒光粉層與芯片無直接接觸,芯片產生的熱量不會傳遞到熒光粉層,從而延長了熒光粉層的使用壽命。倫斯特理工學院的 Schubert等人的研究發現,利用遠離熒光粉塗覆工藝可以減少向後散熱的光線被芯片吸收的概率,可將LED的發光效率提高7%~16%。中山大學王剛等人也展開了相關研究,結果表明采用遠離熒光粉塗層可降低熒光粉塗層溫度約16.8℃,顯著提高熒光粉的轉換效率。但是遠離塗覆法也有其缺點,因為出於對 其使用熒光粉量較多,熒光粉版的製造與安裝工藝也相對較複雜等成本問題上的考慮,目前也無法得到廣泛推廣及工業應用。

  此外,You等人在研究熒光粉塗層優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,黃色熒光粉置於紅色熒光粉之上,實驗結果顯示,這樣的熒光粉塗覆結構可以減少熒光粉塗層間的相互吸收,封裝成品流明效率可提高18%。

  5、共晶焊技術

  共晶焊技術是大功率LED倒裝芯片封裝工藝中最為關健的核心技術之一。共晶焊技術在LED封裝過程中最為核心的散熱問題與固晶問題的優點,正在並將會成為 未來LED封裝發展的主流方向。共晶合金具有比純組元熔點低,熔化工藝簡單;共晶合金比純金屬有更好的流動性,在凝固中可防止阻礙液體流動的枝晶形成,從 而改善了鑄造性能;共晶合金還具有恒溫轉變特性(無凝固溫度範圍),可以減少鑄造缺陷,如偏聚和縮孔;固化後的共晶合金韌性強(接近金屬的韌性),不宜斷 裂;共晶凝固可獲得多種形態的顯微組織,尤其是規則排列的層狀或杆狀共晶組織,可成為優異性能的原位複合材料。正是由於共晶具有如此多的優勢,所以使用共 晶工藝製作出的LED封裝會具有降低阻抗和提升熱傳導效率的優勢。




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