立洋股份：大功率LED光源封裝技術(shù)及結(jié)構(gòu)形式解析
2016-09-27
隨著LED商業(yè)照明及家居照明滲透率的快速提升，持續(xù)帶動市場需求正向成長。封裝形式也開始逐漸走向制式化。目前照明市場上LED主流的封裝方式主要由PPA或PCT封裝的中小功率產(chǎn)品、EMC封裝的中大功率和傳統(tǒng)的陶瓷封裝大功率LED以及COB封裝構(gòu)成。
大功率LED封裝作為產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的重要一環(huán)，是推進(jìn)半導(dǎo)體照明和顯示走向?qū)嵱没暮诵闹圃旒夹g(shù)。只有通過開發(fā)低熱阻、高光效和高可靠性的LED封裝和制造技術(shù)，對LED芯片進(jìn)行良好的機(jī)械和電氣保護(hù)，減少機(jī)械、電、熱、濕和其他外部因素對芯片性能的影響，保障LED芯片穩(wěn)定可靠的工作，才能提供高效持續(xù)的高性能照明和顯示效果，實現(xiàn)LED所特有的節(jié)能長壽優(yōu)勢，促進(jìn)整個半導(dǎo)體照明和顯示產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展。
封裝工藝技術(shù)對LED性能起著至關(guān)重要的作用。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。隨著功率的增大，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。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本的角度看，LED封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進(jìn)行，即芯片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。目前功率LED封裝結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢是：尺寸小型化、器件熱阻最小化、平面貼片化、耐受結(jié)溫最高化、單燈光通量最大化;目標(biāo)是提高光通量、光效，減少光衰、失效率，提高一致性和可靠性。如目前立洋股份的倒裝EMC系列產(chǎn)品FE35最高功率可達(dá)3W，光通量400lm，實現(xiàn)了小發(fā)光面高流明輸出。具體而言，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：熱散技術(shù)、光學(xué)設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、熒光粉涂覆技術(shù)、共晶焊技術(shù)等。
1、散熱技術(shù)
一般的LED節(jié)點溫度則不能超過120℃，因此LED器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計，熱傳導(dǎo)和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設(shè)計時先從熱傳導(dǎo)方面考慮，因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導(dǎo)到散熱器。所以粘結(jié)材料、基板是LED散熱技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
粘結(jié)材料主要包括導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀漿和合金焊料三種主要方式。導(dǎo)熱膠是在基體內(nèi)部加入一些高導(dǎo)熱系數(shù)的填料，如SiC、A1N、A12O3、SiO2等，從而提高其導(dǎo)熱;導(dǎo)電銀漿是將銀粉加入環(huán)氧樹脂中形成的一種復(fù)合材料，粘貼的硬化溫度一般低于200℃，具有良好的導(dǎo)熱特性、粘結(jié)性能可靠等優(yōu)點，但銀漿對光的吸收比較大，導(dǎo)致光效下降。
基板主要包括陶瓷基板、金屬合成基板和復(fù)合基板三種主要方式。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型、工藝簡單、成本低而且容易制成多種形狀等諸多優(yōu)點;Al和Cu都是LED封裝基板的優(yōu)良材料，由于金屬材料的導(dǎo)電性，為使其表面絕緣，往往需通過陽極氧化處理，使其表面形成薄的絕緣層。金屬基復(fù)合材料主要有Cu基復(fù)合材料、Al基復(fù)合材料。目前立洋股份第二代COB產(chǎn)品主要采用的鏡面鋁基板和銅基板，如4046鏡面鋁系列光效可達(dá)175lm/w。
另外，封裝界面對熱阻影響也很大，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選擇十分重要。采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。
2、光學(xué)設(shè)計技術(shù)
LED封裝的光學(xué)設(shè)計包括內(nèi)光學(xué)設(shè)計和外光學(xué)設(shè)計。
內(nèi)光學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵在于灌封膠的選擇與應(yīng)用。在灌封膠的選擇上，要求其透光率高、折射率高、熱穩(wěn)定性好、流動性好、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、耐溫環(huán)保等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。其中，硅膠由于具有透光率高(可見光范圍內(nèi)透光率大于99%)、折射率高(1.4～1.5)、熱穩(wěn)定性好(能耐受200℃高溫)、應(yīng)力低(楊氏模量低)、吸濕性低(小于0.2%)等特點，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。
外光學(xué)設(shè)計是指對出射光束進(jìn)行會聚、整形，以形成光強(qiáng)均勻分布的光場。主要包括反射聚光杯設(shè)計(一次光學(xué))和整形透鏡設(shè)計(二次光學(xué))，對陣列模塊而言，還包括芯片陣列的分布等。透鏡常用的形狀有凸透鏡、凹透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等，透鏡與大功率LED的裝配方法可采用氣密性封裝和半氣密性封裝。立洋股份專利moding技術(shù)可一次性提升10-15%出光率，同時易于二次配光。
3、LED封裝結(jié)構(gòu)形式
LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后擁有了引腳式、功率型封裝、貼片式(SMD)、板上芯片直裝式(COB)四個階段。
(1)引腳式(Lamp)LED封裝
LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高，封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn)。常用3～5mm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)模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于封裝熱阻較大(一般高于100K/W)，壽命較短。
(2)功率型LED封裝
LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10～20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白、綠、藍(lán)綠、藍(lán)的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達(dá)1871m，光效44.31 lm/W綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率的LED，大面積管;尺寸為2.5mm X2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達(dá)2001 lm，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。
(3)表面組裝(貼片)式(SMD)LED封裝
早在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMDLED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產(chǎn)廠商推出此類產(chǎn)品。
SMDLED是目前LED市場占有率最高的封裝結(jié)構(gòu)，這種LED封裝結(jié)構(gòu)利用注塑工藝將金屬引線框架包裹在PPA塑料之中，并形成特定形狀的反射杯，金屬引線框架從反射杯底部延伸至器件側(cè)面，通過向外平展或向內(nèi)折彎形成器件管腳。
(4)COB-LED封裝
COB封裝可將多顆芯片直接封裝在金屬基印刷電路板MCPCB，通過基板直接散熱，不僅能減少支架的制造工藝及其成本，還具有減少熱阻的散熱優(yōu)勢。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)主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMD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稫)。
從成本和應(yīng)用角度來看，COB將成為未來燈具化設(shè)計的主流方向。COB封裝的LED模塊在底板上安裝了多枚LED芯片，使用多枚芯片不僅能夠提高亮度，還有助于實現(xiàn)LED芯片的合理配置，降低單個LED芯片的輸人電流量以確保高效率。
總之，無論是單器件封裝還是模組化COB封裝，從小功率到大功率，LED封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計均圍繞著如何降低器件熱阻，改善出光效果以及提高可靠性而展開的。
4、熒光粉涂覆技術(shù)
光轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，即熒光粉涂層結(jié)構(gòu)，主要面向LED白光照明技術(shù)，目的是為將LED芯片發(fā)出的波長較短的光線轉(zhuǎn)化為與之互補(顏色互補形成白光)的波長較長的光線。
5、共晶焊技術(shù)
共晶焊技術(shù)是大功率LED倒裝芯片封裝工藝中最為關(guān)健的核心技術(shù)之一。共晶焊技術(shù)在LED封裝過程中最為核心的散熱問題與固晶問題的優(yōu)點，正在并將會成為未來LED封裝發(fā)展的主流方向。共晶合金具有比純組元熔點低，熔化工藝簡單;共晶合金比純金屬有更好的流動性，在凝固中可防止阻礙液體流動的枝晶形成，從而改善了鑄造性能;共晶合金還具有恒溫轉(zhuǎn)變特性(無凝固溫度范圍)，可以減少鑄造缺陷，如偏聚和縮孔;固化后的共晶合金韌性強(qiáng)(接近金屬的韌性)，不宜斷裂;共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀或桿狀共晶組織，可成為優(yōu)異性能的原位復(fù)合材料。正是由于共晶具有如此多的優(yōu)勢，所以使用共晶工藝制作出的LED封裝會具有降低阻抗和提升熱傳導(dǎo)效率的優(yōu)勢。
