POWER大功率LED封裝技術和趨勢
：2018-01-03
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LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展，LED封裝先后經歷了支架式（Lamp LED）、貼片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等發展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、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思路來進行封裝設計。
一、POWER大功率LED封裝關鍵技術
大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與芯片設計同時進行，即芯片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能
具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：
（一）低熱阻封裝工藝
對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇（基板材料、熱界面材料）與工藝、熱沉設計等。
LED封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結構）內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），并開發了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路，不僅結構簡單，而且由于材料熱導率高，熱界面少，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公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和導電層（Cu）在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導率為160W/mk，熱膨脹系數為4.0×10-6/℃（與硅的熱膨脹系數3.2×10-6/℃相當），從而降低了封裝熱應力。
研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。
（二）封裝大生產技術
晶片鍵合（Wafer bonding）技術是指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片（Wafer）上進行，封裝完成后再進行切割，形成單個的芯片（Chip）；與之相對應的芯片鍵合（Die bonding）是指芯片結構和電路在晶片上完成后，即進行切割形成芯片（Die），然后對單個芯片進行封裝（類似現在的LED封裝工藝），如圖6所示。很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現有的LED封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），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器件生產的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞，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，必須在芯片設計和封裝設計過程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式（Package-less Packaging），同時簡化封裝結構，盡可能減少熱學和光學界面數，以降低封裝熱阻，提高出光效率。
（三）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（如高溫導致的灌封膠黃化、光學性能劣化等）和機械失效（如引線斷裂，脫焊等），而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間（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％）的使用時間。由于LED壽命長，通常采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存（100℃，1000h）、低溫儲存（－55℃，1000h）、高溫高濕（85℃/85％，1000h）、高低溫循環（85℃～－55℃）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而，加速環境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。
三、固態照明對大功率LED封裝的要求
與傳統照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實現動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數，滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現在：
（一）模塊化
通過多個LED燈（或模塊）的相互連接可實現良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術，可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合，滿足不同領域的照明要求。
（二）系統效率最大化
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構和工藝，以及優化內/外光學設計，以提高整個系統效率。
（三）低成本
LED燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優勢（主要指初期安裝成本），而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結構和技術，提高光效/成本比，是實現LED燈具商品化的關鍵。
（四）易于替換和維護
由于LED光源壽命長，維護成本低，因此對LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設計易于改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求，并且要求LED芯片的互換性要好，以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。
LED燈具光源可由多個分布式點光源組成，由于芯片尺寸小，從而使封裝出的燈具重量輕，結構精巧，并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒有現成的設計標準，但同時給設計提供了充分的想象空間。此外，LED照明控制的首要目標是供電。由于一般市電電源是高壓交流電（220V，AC），而LED需要恒流或限流電源，因此必須使用轉換電路或嵌入式控制電路（ASICs），以實現先進的校準和閉環反饋控制系統。此外，通過數字照明控制技術，對固態光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現，從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯，并且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。
四、結束語
LED封裝是一個涉及到多學科（如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等）的研究課題。從某種角度而言，LED封裝不僅是一門制造技術（Technology），而且也是一門基礎科學（Science），良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時進行，并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中，雖然材料（散熱基板、熒光粉、灌封膠）選擇很重要，但封裝結構（如熱學界面、光學界面）對LED光效和可靠性影響也很大，大功率白光LED封裝必須采用新材料，新工藝，新思路。對于LED燈具而言，更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。深圳市極光光電有限公司專業LED封裝20年經驗，可提供各種照明解決方案。
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