大功率led封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

《大功率led封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、大功率LED封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)摘要：本文從光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、可靠性等方面,詳細(xì)評(píng)述了大功率白光LED封裝的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)展，并對(duì)大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述。提出LED的封裝設(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)中應(yīng)盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面，從而降低封裝熱阻，提高出光效率。文中最后對(duì)LED燈具的設(shè)計(jì)和封裝要求進(jìn)行了闡述。一、前言大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近

2、年來的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性;2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能;3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布;4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。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40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(LampLED)、貼片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)等發(fā)展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態(tài)照

3、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)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。二、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

4、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。?圖1大功率白光LED封裝技術(shù)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

5、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;LaminaCeramics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

6、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。圖2(a)低溫共燒陶瓷金屬基板?圖2(b)覆銅陶瓷基板截面示意圖研究表明，封裝界面對(duì)熱阻影響也很大，如果不能正

7、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)高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝在LED使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生

8、的損失，主要包括三個(gè)方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋