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LED封装的研究现状及发展趋势
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LED封装的研究现状及发展趋势

作者:
来源:
集微网
发布时间:
2014/05/21 00:00
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      近几年,在全球节能减排的倡导和各国政府相关政策支持下,LED照明得到快速的发展。与传统光源相比具有寿命长、体积小、节能、高效、响应速度快、抗震、无污染等优点,被认为是可以进入普通照明领域的“绿色照明光源”,LED大规模应用于普通照明是一个必然的趋势。
  
      作为LED产业链中承上启下的LED封装,在整个产业链中起着关键的作用。对于封装而言,其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能多的提取芯片发出的光,同时降低封装热阻,提高可靠性。在封装过程中,封装材料和封装方式占主要影响因素。随着LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不断发展,对封装的要求也越来越高,一方面LED封装在兼顾发光角度、光色均匀性等方面时必须满足具有足够高的取光效率和光通量;另一方面,封装必须满足芯片的散热要求。因此,芯片、荧光粉、基板、热界面材料和等封装材料以及相应的封装方式亟待发展创新,以提高LED的散热能力和出光效率。
  
封装材料
  
       在封装过程中,封装材料性能的好坏是决定LED长期可靠性的关键。高性能封装材料的合理选择和使用,能够有效地提高LED的散热效果,大大延长LED的使用寿命。封装材料主要包括芯片、荧光粉、基板、热界面材料。
  
(1) 芯片结构
  
随着LED器件性能的不断发展和应用范围的不断拓宽,尤其是单颗大功率LED的开发,芯片结构也在不断地改进。目前LED芯片的封装结构主要有4种,即:正装结构、倒装结构、垂直结构和三维垂直结构。
  
目前普通的LED芯片采用蓝宝石衬底的正装结构,该结构简单,制作工艺比较成熟。但由于蓝宝石导热性能较差,芯片产生的热量很难传递到热沉上,在功率化LED应用中受到了限制。
  
倒装芯片封装是目前的发展方向之一,与正装结构相比,热量不必经过芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,进而通过金属底座散发到外界环境中。
  
垂直结构的蓝光芯片是在正装的基础上产生的,这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上,再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题,但工艺复杂,特别是衬底转换这个过程实现难度大,生产合格率也较低。
  
与垂直结构LED芯片相比,三维垂直结构LED芯片的主要优势在于无需打金线,使得其封装的厚度更薄、散热效果更好,并且更容易引入较大的驱动电流。
  
(2 )荧光粉
  
随着人们对LED光品质的要求越来越高,不同颜色、不同体系的LED用荧光粉逐步被开发出来,高光效、高显色指数、长寿命荧光粉开发及其涂覆技术的研究成为关键。目前主流的白光实现形式是蓝光LED芯片结合黄色YAG荧光粉,但为了得到更好的照明效果,氮化物/氮氧化物红色荧光粉、硅酸盐橙色和绿色荧光粉也得到了广泛的应用。
  
多色荧光粉的掺入对提高光源显色指数起到重要作用,拓宽了LED光源的应用领域,可以在一些对色彩还原度要求高的场合替代传统的卤素灯或金卤灯。同时,人们也在不断开发新型的LED用荧光粉,
  
红色和绿色荧光粉的加入,显著提高光源的显色指数。ZL201210264610.3[11]公开了一种蓝光激发的连续光谱荧光粉的制备方法,该荧光粉采用氧化锌、氧化镧、碳酸钙等原料,调节激活离子Ce3+、Eu3+的含量,可以得到在蓝光激发下发出470~700nm的连续光谱。同一基质的荧光粉在封装过程中会体现出更多的优势。
  
半导体纳米晶荧光粉也是近年研究比较热门的一个方向,因其有望改变目前LED对稀土材料的依赖,突破国外专利壁垒。同时,半导体纳米晶荧光粉具有尺寸小、波长可调、发光光谱宽、自吸收小等特点,在白光LED应用中具有潜在的市场。
  
(3) 散热基板
  
随着LED技术的发展,功率越来越高,LED芯片的热流密度更大,对封装基板材料热阻和膨胀系数的要求也越来越高。散热基板发展迅速,品种也比较多,目前主要由金属芯印刷电路板、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。
   
金属芯印刷电路板(MCPCB)是将原有的印刷电路板(PCB)附贴在另外一种热传导效果更好的金属(铝、铜)上,以此来强化散热效果,而这片金属位于印刷电路板内。这种技术能有效解决大功率器件在结构紧凑的趋势下所带来的散热问题。MCPCB热导率可达到1~2.2 W/(m·K)。
  
由于MCPCB的介电层没有太好的热传导率(0.3W/(m·K)),使其成为与散热器的散热瓶颈。金属基散热板具有高的热导率,能为器件提供良好的散热能力。将高分子绝缘层及铜箔电路与环氧树脂黏接方式直接与铝、铜板接合,然后再将LED配置在绝缘基板上,此绝缘基板的热导率就比较高,达1.12 W/(m·K)。
  
陶瓷材料封装基板稳定性好,可能是最有前景的研究方向。与金属材料封装基板相比,其省去绝缘层的复杂制作工艺。多层陶瓷金属封装(MLCMP)技术在热处理方面与传统封装方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料,具有导热系数高、介电常数和介电损耗低的特点,被认为是新一代半导体封装的理想材料。陶瓷覆铜板(DBC)[12]也是一种导热性能优良的陶瓷基板,所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,其热导率可达24~28W/(m·K)。
  
对于LED封装应用而言,散热基板除具备基本的高导热和布置电路功能外,还要求具有一定的绝缘、耐热、相匹配的膨胀系数。透明陶瓷材料技术,不仅具备高散热效率、耐热电、膨胀系数匹配等性能外,同时还有望在封装器件的光学性能上有所突破,实现全空间发光LED封装。
  
(4 )热界面材料
  
目前对于散热的研究人们更多的注重芯片、基板、散热器的材料和结构,却往往忽略了热界面材料的影响。热界面材料是用于两种材料间的填充物,在热量传递过程中起到桥梁的作用。LED灯具是一个多层结构的组合体,若要快速导出芯片产生的热量,尽量减小材料之间的热阻,提高导热率,热界面材料的导热性能在其中至关重要。目前用于LED封装的热界面材料有四种方式:导热胶粘剂、导电银胶、锡膏和锡金合金共晶焊接。
  
导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等,从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉、具有绝缘性能、工艺简单,但导热性普遍较差,热传导系数在0.7W/(m?K)左右。
  
导电银浆是在环氧树脂内添加银粉,其硬化温度一般低于200℃,热传导系数为20W/(m?K)左右,具有良好的导热特性,同时粘贴强度也较好,但银浆对光的吸收比较大,导致光效下降。对于小功率LED芯片发热量少,通过导电银胶作为粘结层完全可以满足散热以及可靠性问题[13]。导电锡膏的热传导系数约为50W/(m?K),一般用于金属之间焊接,导电性能也很优异。
  
锡金合金共晶焊接利用金属的共晶点将两种金属焊在一起,适合作为大功率LED芯片的粘结材料。Kim等[14]通过比较了导热导电银胶、Sn-Ag-Cu钎料和Au-Sn共晶钎料作为热界面材料的散热性能,发现对于SiC衬底片与Si基板的键合,Au/Sn共晶钎料的封装热阻明显低于银胶和Sn-Ag-Cu钎。
  
目前国内热界面材料远远落后于国外水平,随着LED封装集成度的提高和热流密度的增大,需要更高导热效率的新型热界面材料,以提高LED封装器件间的热量传递能力,如利用石墨烯、碳纳米管、纳米银线作为填料进行复合,同时利用无机官能团对基料进行修饰等制备出低热阻新型复合热界面材料技术。对于LED封装应用而言,理想的热界面材料除了具备低热阻外,还应有相匹配的膨胀系数和弹性模量,以及较好的机械性能、热变形温度高、成本较低等要求。
  
封装结构
  
在LED芯片技术的快速发展下,LED产品的封装形式也从单芯片封装方式发展到多芯片封装方式。它的封装结构也从Lamp封装到SMD封装再到COB封装和RP封装技术。
  
引脚式封装(Lamp)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LED封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高。表面贴装封装(SMD)因减小了产品所占空间面积、降低重量、允许通过的工作电流大,尤其适合自动化贴装生产,成为比较先进的一种工艺,从Lamp封装转SMD封装符合整个电子行业发展大趋势。但是在应用中存在散热、发光均匀性和发光效率下降等问题。
  
CoB(Chip on Board)封装结构是在多芯片封装技术的基础上发展而来,CoB封装是将裸露的芯片直接贴装在电路板上,通过键合引线与电路板键合,然后进行芯片的钝化和保护[15]。CoB的优点在于:光线柔和、线路设计简单、高成本效益、节省系统空间等[16],但存在着芯片整合亮度、色温调和与系统整合的技术问题。
  
远程荧光封装技术(RP)是将多颗蓝光LED与荧光粉分开放置,LED发出的蓝光在经过反射器、散射器等混光后均匀的入射到荧光粉层上,最终发出均匀白光的一种LED光源形式。与其他封装结构相比,RP封装技术性能更为特出:首先,是荧光粉体远离LED芯片,荧光粉不易受PN结发热的影响,特别是一些硅酸盐类的荧光粉,易受高温高湿的影响,在远离热源后可减少荧光粉热猝灭几率,延长光源的寿命。其次,荧光粉远离芯片设计的结构有利于光的取出,提高光源发光效率。再者,此结构发出的光色空间分布均匀,颜色一致性高。近年来,紫外激发的远程封装技术引起人们的高度关注,相比传统紫外光源,拥有独一无二的优势,包括功耗低、发光响应快、可靠性高、辐射效率高、寿命长、对环境无污染、结构紧凑等诸多优点,成为世界各大公司和研究机构新的研究热点之一。
  
发展趋势
  
近年来国内外众多科研机构和企业对LED封装技术持续开展研究,优良的封装材料和高效的封装工艺陆续被提出,高可靠性的LED照明新产品相继出现,如:LED灯丝、软基板封装技术等(如图4)同时具备一定的使用性能要求。
  
在对新型材料的不断研制下,超导电和超导热材料相继问世,为LED封装技术的进一步发展提供了坚实的基础,如石墨烯。,中国科学院半导体发明了以石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管,利用石墨烯优越的导电性能,使得部分热量可以经由石墨烯导热层传递到衬底上,增加了器件的导热通道,提高了散热效果[17]。
  
针对目前LED芯片采用低压直流驱动,需要在电源驱动器中进行降压整流处理,引起能量损耗和可靠性问题。人们分别提出采用高压的LED芯片和交流的LED芯片进行改善。2008年9月,台湾工研院以芯片式交流电发光二极管照明技术(On Chip Alternating Current LED Lighting Technology)获得美国R&D 100 Awards肯定。AC LED(Alternating Current LED)具有低能耗、高效率、使用方便等优异性能,同时也颠覆了传统LED的应用。
  
三维封装技术,对于LED封装而言是一种全新的概念,它对设计思路和理念、材料特性以及封装技术本身提出更多创新性的要求。三维打印技术从出现到今天,有了长足的提高,使LED三维封装技术成为一种可能,但目前存在许多需要克服的难题,如材料的复合制备、材料间热应力平衡控制、生产效率等。因而可以说基于三维打印技术的LED封装技术仍是较为遥远的设想。
  
从长远来看,LED封装技术需要加快针对三维封装的封装材料、封装结构以及多功能系统化集成的探究,按照集成电路的封装概念,提高LED封装的微型化,采用无键合金线的封装方法,实现高光效光源模组器件的散热能力,解决LED应用中光、热、电三者的矛盾,最终实现智能系统化的LED封装技术,满足日益复杂的LED应用要求。
  
结语
  

随着LED功率化、高效化、低成本、高可靠性的不断发展,对封装技术的要求将越来越苛刻,尤其是封装材料和封装工艺。封装技术比较复杂,需要综合考虑光学、热学、电学、结构等方面的因素,同时低热阻、稳定好的封装材料和新颖优异的封装结构仍是LED封装技术的关键。在新的封装材料与新的封装结构完美的结合下,舒适、美观和智能化的LED照明产品将不断涌现。