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POWER大功率LED封裝技術和趨勢

: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。經過40多年的發展,LED封裝先後經曆了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發展階段。隨著芯片功率的增大,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。

  二、POWER大功率LED封裝關鍵技術

  大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方麵,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成本而言,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。否則,等芯片製造完成後,可能由於封裝的需要對芯片結構進行調整,從而延長了產品研發周期和工藝成本,有時甚至不可能

  具體而言,大功率LED封裝的關鍵技術包括:

  (一)低熱阻封裝工藝

  對於現有的LED光效水平而言,由於輸入電能的80%左右轉變成為熱量,且LED芯片麵積小,因此,芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱界麵材料)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)內部熱阻和界麵熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量,並傳導到熱沉上,實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁,銅)、陶瓷(如Al2O3,AlN,SiC)和複合材料等。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,提高了發光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研製了低溫共燒陶瓷金屬基板,如圖2(a),並開發了相應的LED封裝技術。該技術首先製備出適於共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板,然後將LED芯片與基板直接焊接在一起。由於該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控製補償電路,不僅結構簡單,而且由於材料熱導率高,熱界麵少,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公司研製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,熱膨脹係數為4.0×10-6/℃(與矽的熱膨脹係數3.2×10-6/℃相當),從而降低了封裝熱應力。

  研究表明,封裝界麵對熱阻影響也很大,如果不能正確處理界麵,就難以獲得良好的散熱效果。例如,室溫下接觸良好的界麵在高溫下可能存在界麵間隙,基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。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(TIM)選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠,由於熱導率較低,一般為0.5-2.5W/mK,致使界麵熱阻很高。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麵材料,可大大降低界麵熱阻。

  (四)封裝大生產技術

  晶片鍵合(Wafer bonding)技術是指芯片結構和電路的製作、封裝都在晶片(Wafer)上進行,封裝完成後再進行切割,形成單個的芯片(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後,即進行切割形成芯片(Die),然後對單個芯片進行封裝(類似現在的LED封裝工藝),如圖6所示。很明顯,晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由於封裝費用在LED器件製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),將大大降低封裝製造成本。此外,晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔淨度,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,對於大功率LED封裝,必須在芯片設計和封裝設計過程中,盡可能采用工藝較少的封裝形式(Package-less Packaging),同時簡化封裝結構,盡可能減少熱學和光學界麵數,以降低封裝熱阻,提高出光效率。

  (五)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、光學性能劣化等)和機械失效(如引線斷裂,脫焊等),而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間(MTTF)來定義,對於照明用途,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%)的使用時間。由於LED壽命長,通常采取加速環境試驗的方法進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(85℃~-55℃)、熱衝擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械衝擊等。然而,加速環境試驗隻是問題的一個方麵,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產生有色光,不僅效率高、光色純,而且可以實現動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數,滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求,具體體現在:

  (一)模塊化

  通過多個LED燈(或模塊)的相互連接可實現良好的流明輸出疊加,滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術,可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合,滿足不同領域的照明要求。

  (二)係統效率最大化

  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,以及優化內/外光學設計,以提高整個係統效率。

  (三)低成本

  LED燈具要走向市場,必須在成本上具備競爭優勢(主要指初期安裝成本),而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分,因此,采用新型封裝結構和技術,提高光效/成本比,是實現LED燈具商品化的關鍵。

  (四)易於替換和維護

  由於LED光源壽命長,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燈具設計易於改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求,並且要求LED芯片的互換性要好,以便於燈具廠商自己選擇采用何種芯片。

  LED燈具光源可由多個分布式點光源組成,由於芯片尺寸小,從而使封裝出的燈具重量輕,結構精巧,並可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在於沒有現成的設計標準,但同時給設計提供了充分的想象空間。此外,LED照明控製的首要目標是供電。由於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製電路(ASICs),以實現先進的校準和閉環反饋控製係統。此外,通過數字照明控製技術,對固態光源的使用和控製主要依靠智能控製和管理軟件來實現,從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯,並且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。

  四、結束語

  LED封裝是一個涉及到多學科(如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等)的研究課題。從某種角度而言,LED封裝不僅是一門製造技術(Technology),而且也是一門基礎科學(Science),良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時進行,並且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中,雖然材料(散熱基板、熒光粉、灌封膠)選擇很重要,但封裝結構(如熱學界麵、光學界麵)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。對於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LED封裝20年經驗,可提供各種照明解決方案。




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