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1、大功率白光LED封裝技術(shù)與發(fā)展趨勢一、刖百大功率型封裝由於結(jié)構(gòu)和工藝複雜，並直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的硏究熱點，特別是大功率白光LED封裝更是硏究熱點屮的熱點。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，包括交流値流轉(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)用和成本等因索決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先後經(jīng)歷了支架式(LampLED)、貼片式(S1VIDLED)、功率型LED(Powe
2、rLED)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。爲(wèi)了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須採用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計。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。這些因索彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(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)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進(jìn)行，即晶片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(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
3、晶片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品硏發(fā)週期和工藝成本，有時甚至不可能。
4、性能(含可霏性.加工性.成本廠
5、（一）低熱阻封裝工藝對於現(xiàn)有的LED光效水準(zhǔn)而言，由於輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成爲(wèi)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，實現(xiàn)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A12O3，AIN，SiC）和複合材料等。如Nichia公司
6、的第三代LED採用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；LaminaCeramics公司則硏製了低溫共燒陶瓷金屬基板5如圖2（a），並開發(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)動電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由於材料熱導(dǎo)率高，熱介面少，大大提高了散熱性能，爲(wèi)大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司硏製的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（A1N或A12O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓
7、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。其屮氮化鋁（A1N）的熱導(dǎo)率爲(wèi)160W/mk，熱膨脹係數(shù)爲(wèi)4.0xl0-6/cC（與矽的熱膨脹係數(shù)3.2xlO-6/°C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雨層圖2（b）覆銅陶瓷基板戳面示意圖硏究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得艮好的散熱效果。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
8、要。LED封裝常用的TIM爲(wèi)導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由於熱導(dǎo)率較低，一般爲(wèi)0.5-2.5W/mK，致使介面熱阻很高。而採用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作爲(wèi)熱介面材料，可大大降低介面熱阻。（二）高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝在LED使用過程中，輻射複合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：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，很多光線無法從晶片屮出射到外部。通過在晶片表面塗覆一層折射率相對較高的透明膠層（灌封膠），由於該膠層處於晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，
9、提高了取光效率。（a）傳統(tǒng)封（b）采用勰淒層的封葩構(gòu)（c）呈于SPE的封葩構(gòu)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晶片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，並作爲(wèi)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，流動性好，易於噴塗。爲(wèi)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。日前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和矽膠。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，明顯優(yōu)於環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。硏究表明，提
