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1、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)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。
2、經(jīng)過(guò)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(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)
3、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。9/9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(wèn)題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇(基
4、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)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬(如鋁,銅)、陶瓷(如,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(kāi)發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首
5、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)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,熱膨脹系數(shù)為(與
6、硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)),從而降低了封裝熱應(yīng)力。研究表明,封裝界面對(duì)熱阻影響也很大,如果不能正確處理界面,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
7、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9/9在LED使用過(guò)程中,輻射復(fù)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: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(wú)法從芯片中出射到外部。通過(guò)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)力釋放,并作為一
8、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,易于噴涂。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)脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高,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)于環(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,提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來(lái)的光子損失,提高外量子效率,但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高,硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大,導(dǎo)致硅膠的折射率降低,從而影響LED