大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)大功率LED的封本文從光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、可靠性等方面，詳細(xì)評述了大功率白光LED封裝的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)展，并對大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評述。提出LED的封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與晶片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并且需要對光、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、螢光粉、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)介面，從而降低封裝熱阻，提高出光效率。文中最后對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40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)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。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)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。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。主要包括晶片布置、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。圖1 大功率白光LED封裝技術(shù)圖2 低溫共燒陶瓷金屬基板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引晶片產(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矽、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如Al2O3，AIN，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公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2，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晶片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將LED晶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)簡單，而且由于材料熱導(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Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和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3所示。其中氮化鋁(AIN)的熱導(dǎo)率為160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.010-6/(與矽的熱膨脹系數(shù)3.210-6/相當(dāng))，從而降低了封裝熱應(yīng)力大功率LED的封裝技術(shù) 圖3 覆銅陶瓷基板截面示意圖研究表明，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)鍵在于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，致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、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。(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，很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。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，并作為一種光導(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)氧樹脂和矽膠。矽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屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強(qiáng)分布。螢光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會(huì)發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì)加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉涂層是由環(huán)氧或矽膠與螢光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和螢光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用螢光粉尺寸在1m以上，折射率大于或等于1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及螢光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限(30nm)，因而在螢光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米螢光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色質(zhì)量。傳統(tǒng)的螢光粉涂敷方式是將螢光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在晶片上。由于無法對螢光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformal coating)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)螢光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖4b。但研究表明，當(dāng)螢光粉直接涂覆在晶片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通過在晶片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含螢光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)，如圖4(c)。總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將螢光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了螢光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學(xué)介面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。(三)陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖5所示。圖5 LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展1、引腳式(Lamp)LED封裝引腳式封裝就是常用的A3-5mm封裝結(jié)構(gòu)。一般用于電流較小(20-30mA)，功率較低(小于0.1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時(shí)也可作為顯示幕。其缺點(diǎn)在于封裝熱阻較大(一般高于100K/W)，壽命較短。2、表面組裝(貼片)式(SMT-LED)封裝表面組裝技術(shù)(SMT)是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將晶片引腳對準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機(jī)械和電氣連接。SMT技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術(shù)和工藝。3、板上晶片直裝式(COB)LED封裝COB是Chip On Board(板上晶片直裝)的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PCB板上，再通過引線鍵合實(shí)現(xiàn)晶片與PCB板間電互連的封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂)，也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)合材料(如鋁基板或覆銅陶瓷基板等)。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合(金絲球焊)和常溫下的超聲波鍵合(鋁劈刀焊接)。COB技術(shù)主要用于大功率多晶片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻(一般為6-12W/m.K)。4、系統(tǒng)封裝式(SiP)LED封裝SiP(System in Package)是近幾年來為適應(yīng)整機(jī)的攜帶型發(fā)展和小型化的要求，在系統(tǒng)晶片System on Chip (SOC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言，不僅可以在一個(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)發(fā)光晶片，還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、感測器等)集成在一起，構(gòu)建成一個(gè)更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)相比，SiP具有工藝相容性好(可利用已有的電子裝裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。按照技術(shù)類型不同，SiP可分為四種：晶片層疊型、模組型、MCM型和三維(3D)封裝型。目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等措施來實(shí)現(xiàn)。而這些都會(huì)增加LED的功率密度，如散熱不良，將導(dǎo)致LED晶片的結(jié)溫升高，從而直接影響LED器件的性能(如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移，壽命降低等)。多晶片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個(gè)最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價(jià)格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于紫光晶片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動(dòng)和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED(封裝)，則必須采用主動(dòng)散熱，如翅片+風(fēng)扇、熱管、液體強(qiáng)迫對流、微通道致冷、相變致冷等。在系統(tǒng)集成方面，臺(tái)灣新強(qiáng)光電公司采用系統(tǒng)封裝技術(shù)(SiP)，并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模組，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖6。由于封裝熱阻較低(4.38/W)，當(dāng)環(huán)境溫度為25時(shí)，LED結(jié)溫控制在60以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學(xué)則采用COB封裝和微噴主動(dòng)散熱技術(shù)，封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如圖7。圖6 72W高亮度LED封裝模塊(四)封裝大生產(chǎn)技術(shù)晶片鍵合(Wafer bonding)技術(shù)是指晶片結(jié)構(gòu)和電路的制作、封裝都在晶片(Wafer)上進(jìn)行，封裝完成后再進(jìn)行切割，形成單個(gè)的晶片(Chip);與之相對應(yīng)的晶片鍵合(Die bonding)是指晶片結(jié)構(gòu)和電路在晶片上完成后，即進(jìn)行切割形成晶片(Die)，然后對單個(gè)晶片進(jìn)行封裝(類似現(xiàn)在的LED封裝工藝)，如圖8所示。很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質(zhì)量更高。由于封裝費(fèi)用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現(xiàn)有的LED封裝形式(從晶片鍵合到晶片鍵合)，將大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產(chǎn)的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)的破壞，提高封裝成品率和可靠性，因而是一種降低封裝成本的有效手段。此外，對于大功率LED封裝，必須在晶片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)過程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式，同時(shí)簡化封裝結(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)介面數(shù)，以降低封裝熱阻，提高出光效率。圖8 芯片的封裝技術(shù)(五)封裝可靠性測試與評估LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導(dǎo)致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等)和機(jī)械失效(如引線斷裂、脫焊等)，而這些因素都與封裝結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。LED的使用壽命以平均失效時(shí)間(MTTF)來定義，對于照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70%(對顯示用途一般定義為初始值的50%)的使用時(shí)間。由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測試與評估。測試內(nèi)容主要包括高溫儲(chǔ)存(100，1000h)、低溫儲(chǔ)存(-55，1000h)、高溫高濕(85/85%，1000h)、高低溫回圈(85-55)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗(yàn)只是問題的一個(gè)方面，對LED壽命的預(yù)測機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題。三、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求與傳統(tǒng)照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或?yàn)V光片來產(chǎn)生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時(shí)保持具有高的顯色指數(shù)，滿足不同的應(yīng)用需要。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：(一)模組化通過多個(gè)LED燈(或模組)的相互連接可實(shí)現(xiàn)良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模組化技術(shù)，可以將多個(gè)點(diǎn)光源或LED模組按照隨意形狀進(jìn)行組合，滿足不同領(lǐng)域的照明要求。(二)系統(tǒng)效率最大化為提高LED燈具的出光效率，除了需要合適的LED電源外，還必須采用高效的散熱結(jié)構(gòu)和工藝，以及優(yōu)化內(nèi)/外光學(xué)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)系統(tǒng)效率。(三)低成本LED燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優(yōu)勢(主要指初期安裝成本)，而封裝在整個(gè)LED燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，是實(shí)現(xiàn)LED燈具商品化的關(guān)鍵。(四)易