本文核心內(nèi)容是介紹大功率LED發(fā)光二極管封裝技術(shù)，目的是分析不同技術(shù)的應(yīng)用。
概要
大功率LED發(fā)光二極管封裝主要涉及光，熱，電，結(jié)構(gòu)和技術(shù)。這些因素彼此密切相關(guān)。其中，照明是LED發(fā)光二極管封裝的目的，散熱是一項關(guān)鍵任務(wù)，激勵，結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計是手段，性能表現(xiàn)出包裝水平的具體體現(xiàn)。在工藝兼容性和成本降低方面，LED發(fā)光二極管封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進(jìn)行，即LED芯片設(shè)計中應(yīng)考慮封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，由于封裝的需要，芯片結(jié)構(gòu)需要在完成后進(jìn)行調(diào)整，從而延長產(chǎn)品開發(fā)周期和工藝成本，有時甚至導(dǎo)致產(chǎn)品不可行。
圖1大功率LED發(fā)光二極管封裝技術(shù)
具體而言，大功率LED發(fā)光二極管封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：
1.低熱阻包裝工藝
對于現(xiàn)有的LED發(fā)光二極管發(fā)光效率水平，由于大約80％的輸入電能轉(zhuǎn)換為熱能，而LED芯片的面積較小，LED發(fā)光二極管封裝中芯片的散熱是必須解決的關(guān)鍵任務(wù)。低熱阻封裝的工藝主要包括芯片布局，封裝材料選擇（基板材料，熱界面材料）和工藝，散熱器設(shè)計等。
LED發(fā)光二極管封裝的熱阻主要包括材料（散熱基板和散熱器結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的功能是吸收芯片產(chǎn)生的熱量并將其傳遞到散熱器，實現(xiàn)與外界的熱交換。常見的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁、銅）、陶瓷（如AlN和SiC）和復(fù)合材料等。
例如，在第三代LED發(fā)光二極管中，Nichia公司使用CuW作為基板并將其上的1mm芯片倒置，這降低了封裝的熱阻，并提高了發(fā)光功率和效率；如圖2（a）所示，Lamina Ceramics公司開發(fā)了低溫共燒陶瓷金屬基板和相應(yīng)的LED發(fā)光二極管封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備適用于共晶焊接的高功率LED芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將LED芯片直接焊接到基板上。由于共晶焊料層，靜電保護(hù)電路，驅(qū)動電路和控制補(bǔ)償電路集成在基板上，基板為大功率LED陣列封裝提供了解決方案，因為它具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
由德國Curmilk公司開發(fā)的高導(dǎo)熱率銅包覆陶瓷板由陶瓷基板（AlN）和導(dǎo)電層（Cu）制成，其在高溫和高壓下燒結(jié)而不使用粘合劑。因此具有良好的導(dǎo)熱性，高強(qiáng)度和強(qiáng)絕緣性。如圖2（b）所示，AlN的導(dǎo)熱系數(shù)為160W / mk，熱膨脹系數(shù)等于硅的熱膨脹系數(shù)，從而降低了封裝的熱應(yīng)力。
圖2大功率LED封裝的五大關(guān)鍵技術(shù)
結(jié)果表明，封裝界面對熱阻的影響很大，如果界面處理不當(dāng)，則難以散熱。例如，當(dāng)界面在室溫下良好接觸時，界面間隙可能存在于高溫下，并且基板的翹曲也可能影響粘合和局部散熱。減少接口和接口熱接觸，增強(qiáng)散熱是改善LED封裝的關(guān)鍵。因此，芯片和散熱基板之間的熱界面材料（TIM）的選擇非常重要。導(dǎo)電粘合劑和導(dǎo)熱粘合劑是LED發(fā)光二極管封裝中常見的TIM。0.5-2.5 W / mK的低導(dǎo)熱率導(dǎo)致高界面熱阻。然而，
2.高發(fā)光率的發(fā)光二極管封裝結(jié)構(gòu)和工藝
應(yīng)用LED發(fā)光二極管時，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在外向發(fā)射中的損失主要包括三個方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和材料利用率低；由于折射率差異導(dǎo)致出射界面處光子的反射損失；并且入射角引起的全反射損失大于全反射的臨界角。
結(jié)果，很多光都無法從芯片中發(fā)出。由于粘合劑層包裹芯片，因此通過在芯片表面上涂覆具有相對高折射率的透明粘合劑層（澆注密封劑），可以有效地減少界面處光子的損失，從而提高提取效率。此外，澆注密封劑起到機(jī)械保護(hù)芯片，釋放應(yīng)力和作為光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用。
因此，要求粘合劑層具有高透光率，高折射率，良好的熱穩(wěn)定性，良好的流動性，并且易于噴涂。為了提高LED發(fā)光二極管封裝的可靠性，澆注密封劑還需要具有低吸濕性，低應(yīng)力和耐老化性。
常用的密封劑包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力低，吸濕性低等優(yōu)點，優(yōu)于環(huán)氧樹脂。它廣泛用于大功率LED發(fā)光二極管封裝，但成本高。此外，表明增加硅膠的折射率可以有效地減少由折射率引起的光子損失并提高外部量子效率。然而，硅膠的性質(zhì)受環(huán)境溫度的影響很大。隨著溫度的升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致折射率降低，影響LED發(fā)光二極管的發(fā)光效率和光強(qiáng)分布。
熒光粉的功能在于光與色的結(jié)合，形成白光。其特性包括粒徑，形狀，發(fā)光效率，轉(zhuǎn)換效率，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，熒光粉的量子效率降低，發(fā)射減少，輻射波長發(fā)生變化，導(dǎo)致白光LED發(fā)光二極管的色溫和色度發(fā)生變化，從而加速熒光粉的老化。原因是熒光粉涂層是由熒光粉與環(huán)氧樹脂或硅膠混合而成，散熱性差。當(dāng)暴露于紫外線或紫外線輻射時，容易發(fā)生溫度淬火和老化，
此外，灌封和熒光粉的熱穩(wěn)定性問題在高溫下存在。普通熒光粉的尺寸大于1um，折射率不小于1.85。與硅膠的折射率不匹配約為1.5，熒光粉顆粒的尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限（30nm），因此熒光粉在其表面上具有光散射，這降低了輸出效率。通過在硅膠中加入納米熒光粉，可以將折射率提高到1.8以上，可以減少光散射，提高LED發(fā)光二極管的光效率（10-20％），光線和色彩的質(zhì)量可以得到改善。
傳統(tǒng)的熒光粉涂布方法是將熒光粉與涂膠混合，然后將其涂在芯片上。由于熒光粉的涂層厚度和形狀不能精確控制，熒光粉的發(fā)光顏色不一致，可能有藍(lán)光或黃光。由Lumileds公司開發(fā)的保形涂層技術(shù)可以實現(xiàn)熒光粉的均勻涂層，并確保光和顏色的均勻性，如圖3（b）所示。然而，當(dāng)熒光粉直接涂覆在芯片表面上時，由于光散射的存在，光效率低。鑒于此，美國倫斯勒研究所提出了一種散射光子提取方法（SPE）。
圖3大功率LED封裝的五大關(guān)鍵技術(shù)
通常，為了提高LED發(fā)光二極管的發(fā)光效率和可靠性，封裝的粘合劑逐漸被高折射率透明玻璃或玻璃陶瓷代替。摻雜磷光體或?qū)⑵渫扛苍诓ＡП砻嫔喜粌H可以改善磷光體的均勻性，還可以提高封裝效率。此外，減少LED發(fā)光二極管的光學(xué)接口數(shù)量也是提高光效率的有效措施。
3.陣列封裝和系統(tǒng)集成技術(shù)
經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED發(fā)光二極管封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了四個階段，如圖4所示。
圖4LED發(fā)光二極管包裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)的發(fā)展
①燈泡LED發(fā)光二極管封裝
燈具LED發(fā)光二極管封裝是3-5mm的常見封裝結(jié)構(gòu)。它通常用于LED發(fā)光二極管封裝，具有低電流（20-30mA）和低功率（低于0.1W）。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成也可用作顯示屏。它具有熱阻大（通常高于100K / W）和壽命短的缺點。
②SMT-LED發(fā)光二極管封裝
表面貼裝技術(shù)（SMT）是一種封裝技術(shù)，可以將封裝器件直接焊接到PCB表面的指定位置。具體來說，使用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳指向預(yù)涂有粘合劑和焊膏的焊盤，然后將其直接連接到未焊接的PCB表面，波峰焊或回流焊后，可靠的機(jī)械和建立設(shè)備和電路之間的電連接。SMT技術(shù)是電子工業(yè)中最受歡迎的封裝技術(shù)，具有可靠性高，頻率特性高，易于自動化等優(yōu)點。
③COB-LED發(fā)光二極管封裝
板上芯片（COB）是一種封裝技術(shù)，通過膠水或焊料將LED芯片直接連接到PCB，芯片和PCB之間的電氣互連通過引線鍵合實現(xiàn)。PCB不僅可以是低成本的FR-4材料（玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂），而且可以是具有高導(dǎo)熱性的金屬基體或陶瓷基復(fù)合材料（如鋁基板或銅包陶瓷基板等）。引線鍵合可以在高溫下采用熱超聲波焊接（金線焊球），在室溫下采用超聲波焊接。COB技術(shù)主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝。與SMT相比，COB技術(shù)不僅可以大大提高封裝的功率密度，還可以降低封裝的熱阻（一般為6-12W / mK）。
④SiP-LED發(fā)光二極管封裝
基于片上系統(tǒng)（SOC），系統(tǒng)級封裝（SiP）是一種新的封裝和集成方法，以滿足便攜式開發(fā)和整個系統(tǒng)小型化的要求。對于SiP-LED發(fā)光二極管，不僅要在單個封裝中組裝多個LED芯片，還要將各種類型的器件（如電源，控制電路，光學(xué)微結(jié)構(gòu)，傳感器等）集成到更復(fù)雜和完整的系統(tǒng)中。與其他封裝結(jié)構(gòu)相比，SiP具有更好的工藝兼容性（SiP可以使用現(xiàn)有的封裝材料和工藝）。包括易于塊測試，SiP具有集成度高，成本低，功能新，開發(fā)周期短等優(yōu)點。根據(jù)技術(shù)類型，SiP可分為四種類型：芯片堆疊，模塊，MCM和三維（3D）封裝。
目前，為了替代白熾燈和高壓汞燈，高亮度LED發(fā)光二極管器件必須提高總光通量或可用光通量。可以通過增加集成度，增加電流密度或使用大尺寸芯片來實現(xiàn)光通量的增加。但所有這些都會增加LED發(fā)光二極管的功率密度，例如散熱不良，這會增加LED芯片的結(jié)溫，從而直接影響LED發(fā)光二極管器件的性能（如發(fā)光效率下降，出射光紅移，降低壽命等）。
多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量最可行的方法之一，但LED發(fā)光二極管陣列封裝的密度受價格，可用空間，電氣連接，特別是散熱等因素的限制。由于發(fā)光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度非常高，因此必須采用有效的散熱結(jié)構(gòu)和合適的封裝技術(shù)。常用的散熱器結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。被動散熱通常使用具有高肋系數(shù)的翅片，并通過翅片和空氣之間的自然對流將熱量散發(fā)到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但由于自然對流的傳熱系數(shù)低，它僅適用于低功率密度和低集成度的封裝。對于大功率LED發(fā)光二極管封裝，必須主動散熱，如散熱片+風(fēng)扇，熱管，液體強(qiáng)制對流，微通道冷卻，相變冷卻等。
4.包裝批量生產(chǎn)技術(shù)
晶圓鍵合技術(shù)是指在晶圓上制作芯片結(jié)構(gòu)和封裝電路，然后切割晶圓以形成單個芯片。芯片結(jié)構(gòu)和電路在晶片上完成，切割晶片以形成芯片，然后封裝單個芯片（類似于當(dāng)前的LED發(fā)光二極管封裝工藝），如圖5所示，進(jìn)行芯片鍵合
顯然，晶圓鍵合效率更高，質(zhì)量更高。由于封裝成本占LED發(fā)光二極管器件制造成本的很大一部分，因此改變現(xiàn)有的LED發(fā)光二極管封裝形式（從芯片鍵合到晶圓鍵合）將大大降低封裝和制造成本。此外，晶圓鍵合還可以防止在鍵合之前由劃線和切片引起的器件結(jié)構(gòu)的損壞，提高LED發(fā)光二極管器件生產(chǎn)的清潔度，封裝產(chǎn)量和可靠性。因此，晶圓鍵合是降低封裝成本的有效手段。
圖5大功率LED發(fā)光二極管封裝的五大關(guān)鍵技術(shù)
此外，對于高功率LED發(fā)光二極管封裝，在芯片設(shè)計和封裝設(shè)計過程中必須盡可能采用少量封裝步驟。它可以簡化封裝結(jié)構(gòu)，減少熱界面和光學(xué)界面的數(shù)量，從而降低封裝的熱阻，提高光生產(chǎn)效率。
5.封裝可靠性的測試和評估
LED發(fā)光二極管器件的失效模式主要包括電氣故障（如短路或開路），光學(xué)故障（如密封膠高溫泛黃，光學(xué)性能下降等）和機(jī)械故障（如導(dǎo)線斷裂，脫焊，所有這些因素都與包裝結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。LED發(fā)光二極管的使用壽命由平均故障時間（MTTF）定義，它通常是指LED發(fā)光二極管輸出通量衰減到服務(wù)時間的初始70％（顯示目的一般定義為初始值的50％） 。由于LED的壽命長，加速環(huán)境測試的方法通常用于測試和估計可靠性。測試內(nèi)容主要包括高溫存儲（100℃，1000h），低溫存儲（-55℃，1000h），高溫高濕（85℃/ 85~1000h），高低溫循環(huán)（85℃?-55℃），熱沖擊，耐腐蝕，耐溶解性，機(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預(yù)測機(jī)制和方法的研究仍然是一個難以研究的問題。
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