龙8手机游戏官网:大功率LED封装常用的5种关键技术和4种结构形式
来源:龙8手机版网页登录官网 作者:龙8官方网手机2024-09-08 08:01:24产业链中,上游包括衬底材料、外延、芯片设计及制造生产,中游涵盖封装工艺、装备和测试技术, 下游为显示、照明和灯具等应用产品。目前主要采用蓝光LED+荧光粉工艺来实现白光大功率LED,即通过GaN基蓝光LED一部分蓝光激发 YAG(yttrium aluminum garnet)荧光粉发射出黄光,另外一部分蓝光透过荧光粉发射出来,由荧光粉发射的黄光与透射的蓝光混合后得到白光。蓝光LED芯片发出的蓝光 透过涂覆在其周围的荧光粉,荧光粉被一部分蓝光激发后发出黄光,蓝光光谱与黄光光谱互相重叠后形成白光。
大功率LED封装作为产业链中承上启下的重要一环,是推进半导体照明和显示走向实用化的核心制造技术。只有通过开发低热阻、高光效和高可靠性的LED封装 和制造技术,对LED芯片进行良好的机械和电气保护,减少机械、电、热、湿和其他外部因素对芯片性能的影响,保障LED芯片稳定可靠的工作,才能提供高效 持续的高性能照明和显示效果,实现LED所特有的节能长寿优势,促进整个半导体照明和显示产业链良性发展。鉴于国外相关公司出于市场利益的考虑,对相关核 心技术和装备均采取封锁措施,因而发展自主的大功率LED封装技术特别是白光LED封装设备已迫在眉睫。本文将简要介绍大功率LED封装领域的研究与应用 现状,分析和总结大功率LED封装过程中的关键技术问题,以期引起国内同行的注意,为实现大功率LED关键技术和装备的自主化而努力。
封装工艺技术对LED性能起着至关重要的作用。LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。随着 功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效 率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。从工艺兼容性及降低生产成本的角度看,LED封装设计应与芯片设计同时进行,即芯片设计时就应该考虑到封装结 构和工艺。目前功率LED封装结构的主要发展趋势是:尺寸小型化、器件热阻最小化、平面贴片化、耐受结温最高化、单灯光通量最大化;目标是提高光通量、光 效,减少光衰、失效率,提高一致性和可靠性。具体而言,大功率LED封装的关键技术主要包括:热散技术、光学设计技术、结构设计技术、荧光粉涂覆技术、共 晶焊技术等。
一般的LED节点温度则不能超过120℃,即便是LumiLEDs、Nichia、CREE等推出的最新器件,其最高节点温度仍不能超过1500℃。因此 LED器件的热辐射效应基本可以忽略不计,热传导和对流是LED散热的主要方式。在散热设计时先从热传导方面考虑,因为热量首先从LED封装模块中传导到 散热器。所以粘结材料、基板是LED散热技术的关键环节。
粘结材料主要包括导热胶、导电银浆和合金焊料三种主要方式。导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料,如SiC、A1N、A12O3、SiO2等,从 而提高其导热;导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料,粘贴的硬化温度一般低于200℃,具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点,但银浆对 光的吸收比较大,导致光效下降。
基板主要包括陶瓷基板、陶瓷基板和复合基板三种主要方式。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型、工艺简单、成本低而且容易 制成多种形状等诸多优点;Al和Cu都是LED封装基板的优良材料,由于金属材料的导电性,为使其表面绝缘,往往需通过阳极氧化处理,使其表面形成薄的绝 缘层。金属基复合材料主要有Cu基复合材料、Al基复合材料。Occhionero等人探究了AlSiC在倒装芯片、光电器件、功率器件及大功率LED散 热基板上的应用,在AlSiC中加入热解石墨还可以满足对散热要求更高的工况。未来的复合基板主要有5种:单片电路碳质材料、金属基复合材料、聚合物基复 合材料、碳复合材料和高级金属合金。
另外,封装界面对热阻影响也很大,改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热。因此,芯片和散热基板间的热界面材料选择十分重要。采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。
内光学设计的关键在于灌封胶的选择与应用。在灌封胶的选择上,要求其透光率高、折射率高、热稳定性好、流动性好、易于喷涂。为提高LED封装的可靠性,还 要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐温环保等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。其中,硅胶由于具有透光率高(可见光范围内透光率大于99%)、 折射率高(1.4~1.5)、热稳定性好(能耐受200℃高温)、应力低(杨氏模量低)、吸湿性低(小于0.2%)等特点,明显优于环氧树脂,在大功率 LED封装中得到广泛应用。但硅胶性能受环境温度影响较大,从而影响LED光效和光强分布,因此硅胶的制备工艺有待改善。
外光学设计是指对出射光束进行会聚、整形,以形成光强均匀分布的光场。主要包括反射聚光杯设计(一次光学)和整形透镜设计(二次光学),对阵列模块而言, 还包括芯片阵列的分布等。透镜常用的形状有凸透镜、凹透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等,透镜与大功率LED的装配方法可采用气密性封装和半气密性封 装。近年来,随着研究的深入,考虑到封装后的集成要求,用于光束整形的透镜采用了微透镜阵列,微透镜阵列在光路中可发挥二维并行的会聚、整形、准直等作 用,具有排列精度高、制作方便可靠、易于与其他平面器件耦合等优点,研究表明,采用衍射微透镜阵列替代普通透镜或菲涅尔微透镜,可大大改善光束质量,提高 出射光强度,是大功率LED用于光束整形最有前途的新技术。
LED封装技术和结构先后拥有了引脚式、功率型封装、贴片式(SMD)、板上芯片直装式(COB)四个阶段。
LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。常 用3~5mm封装结构,一般用于电流较小(20~30mA),功率较低(小于0.1W)的LED封装。主要用于仪表显示或指示,大规模集成时也可作为显示 屏。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W),寿命较短。
LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比5mmLED大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此, 管壳及封装也是其关键技术,能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,白光LED光输出达 1871m,光效44.31 lm/W绿光衰问题,开发出可承受10W功率的LED,大面积管;尺寸为2.5mm X2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达2001 lm,作为固体照明光源有很大发展空间。
早在2002年,表面贴装封装的LED(SMDLED)逐渐被市场所接受,并获得一定的市场份额从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势,很多生产厂商推出此类产品。
SMDLED是目前LED市场占有率最高的封装结构,这种LED封装结构利用注塑工艺将金属引线框架包裹在PPA塑料之中,并形成特定形状的反射杯,金属 引线框架从反射杯底部延伸至器件侧面,通过向外平展或向内折弯形成器件管脚。改进型的SMDLED结构是伴随着白光LED照明技术出现的,为了增大单个 LED器件的使用功率以提高器件的亮度,工程师开始寻找降低SMDLED热阻的办法,并引入了热沉的概念。这种改进的结构降低了最初SMDLED结构的高 度,金属引线框架直接置于LED器件底部,通过注入塑料围绕金属框架形成反射杯,芯片置于金属框架之上,金属框架通过锡膏,直接焊接于线路板上,形成垂直 散热通道。由于材料技术的发展,SMD封装技术已经克服了散热、使用寿命等早期存在的问题,可以用于封装1~3W的大功率白光LED芯片。
COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB,通过基板直接散热,不仅能减少支架的制造工艺及其成本,还具有减少热阻的散热优势。PCB 板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纤维增强的环氧树脂),也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可采用高温 下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的键合(铝劈刀焊接)。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装,同SMD相比,不仅大大提高了封装功 率密度,而且降低了封装热阻(一般为6-12W/mK)。
从成本和应用角度来看,COB将成为未来灯具化设计的主流方向。COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片,使用多枚芯片不仅能够提高亮度,还 有助于实现LED芯片的合理配置,降低单个LED芯片的输人电流量以确保高效率。而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积,使热量更容易传导至外 壳。传统的LED灯具做法是:LED光源分立器件MCPCB光源模组LED灯具,主要是基于没有适用的核心光源组件而采取的做法,不但耗工费时,而且 成本较高。实际上,如果走“COB光源模块LED灯具”的路线,不但可以省工省时,而且可以节省器件封装的成本。
总之,无论是单器件封装还是模组化COB封装,从小功率到大功率,LED封装结构的设计均围绕着如何降低器件热阻,改善出光效果以及提高可靠性而展开的。
光转化结构,即荧光粉涂层结构,主要面向LED白光照明技术,目的是为将LED芯片发出的波长较短的光线转化为与之互补(颜色互补形成白光)的波长较长的光线。
目前采用荧光粉产生白光共有三种方式:蓝光LED配合荧光粉;蓝光LED配合红色、绿色荧光粉;UV-LED配合红、绿、蓝三色荧光粉。其中商品化的 白光LED多属蓝光LED配合荧光粉的单芯片型,蓝光LED配合红色、绿色荧光粉的白光产生方式只是在Osram、Lumileds等公司的专利上报 道过,但仍未有商品化产品出现,而UV-LED配合三色荧光粉的方式目前也尚处于开发中。不同荧光粉产生白光LED的优缺点比较见下表。
现有涂覆方式,如下图所示,各有其优缺点。目前在广泛使用的荧光粉涂覆方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后直接点涂在芯片上。由于难以对荧光粉的涂覆厚度和 形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。GE公司Arik等人的研究表明,将荧光粉直接覆盖于芯片之上,会导致荧光粉温度上升, 进而降低荧光粉量子效率,严重影响封装的转换效率。
而基于喷涂工艺的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆,从而保障了光色的均匀性。但此技术难度大,而且由LED出射的蓝光有很大一部分直接被荧光粉层反射 回芯片上,从而被芯片直接吸收,严重地影响了出光效率。Yamada,Narendran等发现荧光粉背散射特性会使50%~60%的正向入射光向后散 射。
此外还有一种涂覆方法是使荧光粉层远离LED芯片(例如使荧光粉层位于LED芯片外的反光杯或散光杯上),则可大幅减少被荧光粉层反射回芯片而被吸收的光 量,从而提高了出光效率。另外,由于荧光粉层与芯片无直接接触,芯片产生的热量不会传递到荧光粉层,从而延长了荧光粉层的使用寿命。伦斯特理工学院的 Schubert等人的研究发现,利用远离荧光粉涂覆工艺可以减少向后散热的光线被芯片吸收的概。