大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)doc資料

1、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(píng)述了大功率白光 LED 封裝的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)展，并對(duì)大功率 LED 封 裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了評(píng)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(duì)光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮。 在封裝過(guò)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(duì) 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(lái)的研究熱點(diǎn)，特別是大 功率

2、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(guò)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(duì) LED 封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)

3、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)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(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)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。具體而言，大功率 LED

4、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 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。LED產(chǎn)品封裝材料.結(jié)構(gòu)與工藝性能（含可能性，加工性.成本）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AI2O3，AI

5、N，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(kāi)發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備岀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(jiǎn)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(guó) Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板 （AIN和 A

6、I2O3）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4.0 xiO-6/'C（與矽的熱膨脹系數(shù) 3.2 X10-6廠(chǎng)C相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng) 力銅層大功率LED的封裝技術(shù)AIN基扳圖3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

7、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(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：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(xiàn)無(wú)法從晶片中岀射到外部。通過(guò)在晶片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明膠層（灌封膠），由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的

8、損失，提高了取光效率。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， 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(shù)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(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屏障帶來(lái)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)

9、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，岀光減少，輻射波長(zhǎng)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(wèn)題。由于常用螢光粉尺寸在1gm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

10、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(guò)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(wú)法對(duì)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(kāi)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，岀光效率較低。有鑒于此，美國(guó)Rensselaer

11、研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通過(guò)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)?？傮w而言，為提高LED的岀光效率和可靠性，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(shì)，通過(guò)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岀光方向的光學(xué)介面數(shù)，也是提高岀光效率的有效措施。(三) 陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)經(jīng)過(guò)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

12、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(duì)準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤(pán)圖形上，然后直接貼 裝到未鉆安裝孔的 PCB 表面上，經(jīng)過(guò)波峰焊或再流焊后，使器件和電

13、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(xiě)，是一種通過(guò)粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PCB板上，再通過(guò)引線(xiàn)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(shù)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(xiàn)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）oCOB技術(shù)主要用于大功 率多

14、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） o4、系統(tǒng)封裝式 （SiP）LED 封裝SiP（System in Package）是近幾年來(lái)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 onChip （SOC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型封裝集成方式。對(duì)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(lèi)型的器件（如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、感測(cè)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

15、高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測(cè)試，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。按照技術(shù)類(lèi)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(shuō)可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過(guò)提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等措施來(lái)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

16、散熱等問(wèn)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(guò)翅片和空氣間的自然對(duì)流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于自然對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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

17、.38'C /W），當(dāng)環(huán)境溫度 為25 C時(shí)，LED結(jié)溫控制在60C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(duì)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(duì)單個(gè)晶片進(jìn)行封裝（類(lèi)似現(xiàn)在的LED封

18、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(duì)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(duì)于大功率LED封裝，必須在晶片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式, 同時(shí)簡(jiǎn)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，提高岀光效率。* * 住lift- »rorc圖8芯片的封裝技術(shù)（五）封裝可靠性測(cè)試與評(píng)

19、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(xiàn)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(lái)定義，對(duì)于照明用途，一般指 LED的輸出光通量衰減為初始的70%（對(duì)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(zhǎng)，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試與評(píng)估。測(cè)試內(nèi)容主要包括高溫儲(chǔ)存 （100C，1000h）、低溫儲(chǔ)存（-55 °C，1000h）、高溫高濕（85 C /85%，1000h）、高低 溫回圈（85 C-55C ）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、

20、機(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗(yàn)只是問(wèn)題的一個(gè)方 面，對(duì)LED壽命的預(yù)測(cè)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(duì)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(lái)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(mǎn)足不同的應(yīng)用需要。但 對(duì)其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：（一）模組化通過(guò)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(mǎn)足高亮度照明的要求。通過(guò)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(mǎn)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(chǎng)，必須在成本上具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) （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）易于替換和維護(hù)由于 LED 光源壽命