大功率白光LED封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

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1、大功率白光LED封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)一、前言????大功率LED封裝由於結(jié)構(gòu)和工藝複雜，並直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來(lái)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，以降低晶片結(jié)溫，提高LED性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分佈；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晶片結(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(guò)40多年的發(fā)展，LED封裝先後經(jīng)歷了支架式（LampLED）、貼片式（SMD

2、LED）、功率型LED（PowerLED）等發(fā)展階段。隨著晶片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(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，必須採(cǎi)用全新的技術(shù)思路來(lái)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，而性能是封裝水準(zhǔn)的具體體現(xiàn)。從工藝相容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與晶片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即晶片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮

3、到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等晶片製造完成後，可能由於封裝的需要對(duì)晶片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品研發(fā)週期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。圖1?大功率白光LED封裝技術(shù)（一）低熱阻封裝工藝　　對(duì)於現(xiàn)有的LED光效水準(zhǔn)而言，由於輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。主要包括晶片佈置、封裝材料選擇（基板材料、熱介面材料）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)部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸收晶片產(chǎn)生的熱量，並傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬（

4、如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和複合材料等。如Nichia公司的第三代LED採(cǎi)用CuW做襯底，將1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina?Ceramics公司則研製了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），並開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先製備出適於共晶焊的大功率LED晶片和相應(yīng)的陶瓷基板，然後將LED晶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(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，而且由於材料熱導(dǎo)率高，熱介面少，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)Cur

5、milk公司研製的高導(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(méi)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，熱膨脹係數(shù)為4.0×10-6/℃（與矽的熱膨脹係數(shù)3.2×10-6/℃相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng)力。圖2（b）覆銅陶瓷基板截面示意圖研究表明，封裝介面對(duì)熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙，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)鍵在於減少介面和介面接

6、觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由於熱導(dǎo)率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使介面熱阻很高。而採(cǎi)用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱介面材料，可大大降低介面熱阻?！　。ǘ└呷」饴史庋b結(jié)構(gòu)與工藝　　在LED使用過(guò)程中，輻射複合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：晶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由於折射率差引起的反射損失；以及由於入射角大於全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無(wú)法從晶片中出射到外部。通過(guò)在晶片表面塗覆一層折射

7、率相對(duì)較高的透明膠層（灌封膠），由於該膠層處?kù)毒涂諝庵g，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。圖3?大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)???此外，灌封膠的作用還包括對(duì)晶片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，並作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動(dòng)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(yīng)力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和矽膠。矽膠由於具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)於環(huán)氧樹(shù)脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理

8、屏障帶來(lái)的