• banner1
  • banner2
  • banner3
当前位置:主页 > 产品案例 >

大功率LED封装技能与发展趋势

来源:http://lrbqc.cn 责任编辑:环亚ag88手机版 更新日期:2018-09-21 11:31

  大功率LED封装技能与发展趋势

  摘要
本文从光学、热学、电学、牢靠性等方面,详细评述了大功率白光LED封装的规划和研讨进展,并对大功率LED封装的要害技能进行了评述。提出LED的封装规划应与芯片规划一起进行,而且需求对光、热、电、结构等功用一致考虑。在封装过程中,尽管资料(散热基板、荧光粉、灌封胶)挑选很重要,但封装结构中应尽可能削减热学和光学界面,然后下降封装热阻,进步出光功率。文中最终对LED灯具的规划和封装要求进行了论述。
要害词:固态照明 大功率LED 白光LED 封装

一、前语

大功率LED封装因为结构和工艺杂乱,并直接影响到LED的运用功用和寿数,一直是近年来的研讨热门,特别是大功率白光LED封装更是研讨热门中的热门。LED封装的功用首要包含:1.机械保护,以进步牢靠性;2.加强散热,以下降芯片结温,进步LED功用;3.光学操控,进步出光功率,优化光束散布;4.供电办理,包含沟通/直流改动,以及电源操控等。
LED封装办法、资料、结构和工艺的挑选首要由芯片结构、光电/机械特性、详细运用和本钱等要素决议。经过40多年的开展,LED封装先后阅历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等开展阶段。跟着芯片功率的增大,特别是固态照明技能开展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有用地下降封装热阻,进步出光功率,有必要选用全新的技能思路来进行封装规划。

二、大功率LED封装要害技能

大功率LED封装首要触及光、热、电、结构与工艺等方面,如图1所示。这些要素互相既彼此独立,又彼此影响。其间,光是LED封装的意图,热是要害,电、结构与工艺是手法,而功用是封装水平的详细表现。从工艺兼容性及下降出产本钱而言,LED封装规划应与芯片规划一起进行,即芯片规划时就应该考虑到封装结构和工艺。不然,等芯片制作完成后,可能因为封装的需求对芯片结构进行调整,然后延长了产品研发周期和工艺本钱,有时乃至不可能。

   图1 大功率白光LED封装技能

详细而言,大功率LED封装的要害技能包含:

(一)低热阻封装工艺

关于现有的LED光效水平而言,因为输入电能的80%左右改动成为热量,且LED芯片面积小,因而,芯片散热是LED封装有必要处理的要害问题。首要包含芯片安置、封装资料挑选(基板资料、热界面资料)与工艺、热沉规划等。
LED封装热阻首要包含资料(散热基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。散热基板的效果就是吸收芯片发作的热量,并传导到热沉上,完成与外界的热交换。常用的散热基板资料包含硅、金属(如铝,铜)、陶瓷(如Al2O3,AlN,SiC)和复合资料等。如Nichia公司的第三代LED选用CuW做衬底,将1mm芯片倒装在CuW衬底上,下降了封装热阻,进步了发光功率和功率;Lamina Ceramics公司则研发了低温共烧陶瓷金属基板,如图2(a),并开发了相应的LED封装技能。该技能首要制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板,然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。因为该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及操控补偿电路,不只结构简略,而且因为资料热导率高,热界面少,大大进步了散热功用,为大功率LED阵列封装提出了处理计划。德国Curmilk公司研发的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成,没有运用黏结剂,因而导热功用好、强度高、绝缘性强,如图2(b)所示。其间氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与硅的热膨胀系数3.2×10-6/℃适当),然后下降了封装热应力。

研讨标明,封装界面临热阻影响也很大,假如不能正确处理界面,就难以取得杰出的散热效果。例如,室温下触摸杰出的界面在高温下可能存在界面空隙,基板的翘曲也可能会影响键合和部分的散热。改善LED封装的要害在于削减界面和界面触摸热阻,增强散热。因而,芯片和散热基板间的热界面资料(TIM)挑选十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶,因为热导率较低,一般为0.5-2.5W/mK,致使界面热阻很高。而选用低温或共晶焊料、焊膏或许内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面资料,可大大下降界面热阻。

(二)高取光率封装结构与工艺
在LED运用过程中,辐射复合发作的光子在向外发射时发作的丢失,首要包含三个方面:芯片内部结构缺陷以及资料的吸收;光子在出射界面因为折射率差引起的反射丢失;以及因为入射角大于全反射临界角而引起的全反射丢失。因而,许多光线无法从芯片中出射到外部。经过在芯片外表涂覆一层折射率相对较高的通明胶层(灌封胶),因为该胶层处于芯片和空气之间,然后有用削减了光子在界面的丢失,进步了取光功率。此外,灌封胶的效果还包含对芯片进行机械保护,应力开释,并作为一种光导结构。因而,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为进步LED封装的牢靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。现在常用的灌封胶包含环氧树脂和硅胶。硅胶因为具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低一级特色,显着优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛运用,但本钱较高。研讨标明,进步硅胶折射率可有用削减折射率物理屏障带来的光子丢失,进步外量子功率,但硅胶功用受环境温度影响较大。跟着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率下降,然后影响LED光效和光强散布。
荧光粉的效果在于光色复合,构成白光。其特性首要包含粒度、形状、发光功率、变换功率、稳定性(热和化学)等,其间,发光功率和变换功率是要害。研讨标明,跟着温度上升,荧光粉量子功率下降,出光削减,辐射波长也会发作改动,然后引起白光LED色温、色度的改动,较高的温度还会加快荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉分配而成,散热功用较差,当遭到紫光或紫外光的辐射时,易发作温度猝灭和老化,使发光功率下降。此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。因为常用荧光粉尺度在1um以上,折射率大于或等于1.85,而硅胶折射率一般在1.5左右。因为两者间折射率的不匹配,以及荧光粉颗粒尺度远大于光散射极限(30nm),因而在荧光粉颗粒外表存在光散射,下降了出光功率。经过在硅胶中掺入纳米荧光粉,可使折射率进步到1.8以上,下降光散射,进步LED出光功率(10%-20%),并能有用改善光色质量。
传统的荧光粉涂敷办法是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。因为无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行准确操控,导致出射光颜色不一致,呈现偏蓝光或许偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技能可完成荧光粉的均匀涂覆,保证了光色的均匀性,如图3(b)。但研讨标明,当荧光粉直接涂覆在芯片外表时,因为光散射的存在,出光功率较低。有鉴于此,美国Rensselaer 研讨所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method,SPE),经过在芯片外表安置一个聚集透镜,并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片必定方位,不只进步了器材牢靠性,而且大大进步了光效(60%),如图3(c)。

图3 大功率白光LED封装结构

整体而言,为进步LED的出光功率和牢靠性,封装胶层有逐步被高折射率通明玻璃或微晶玻璃等替代的趋势,经过将荧光粉内掺或外涂于玻璃外表,不只进步了荧光粉的均匀度,而且进步了封装功率。此外,削减LED出光方向的光学界面数,也是进步出光功率的有用办法。

(三)阵列封装与体系集成技能

经过40多年的开展,LED封装技能和结构先后阅历了四个阶段,如图4所示。

图4 LED封装技能和结构开展

1、引脚式(Lamp)LED封装
引脚式封装就是常用的Æ3-5mm封装结构。一般用于电流较小(20-30mA),功率较低(小于0.1W)的LED封装。首要用于外表显现或指示,大规模集成时也可作为显现屏。其缺陷在于封装热阻较大(一般高于100K/W),寿数较短。
2、外表拼装(贴片)式(SMT-LED)封装

外表拼装技能(SMT)是一种能够直接将封装好的器材贴、焊到PCB外表指定方位上的一种封装技能。详细而言,就是用特定的东西或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上,然后直接贴装到未钻装置孔的PCB 外表上,经过波峰焊或再流焊后,使器材和电路之间树立牢靠的机械和电气衔接。SMT技能具有牢靠性高、高频特性好、易于完成自动化等长处,是电子职业最盛行的一种封装技能和工艺。
3、板上芯片直装式(COB)LED封装

COB是Chip On Board(板上芯片直装)的英文缩写,是一种经过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上,再经过引线键合完成芯片与PCB板间电互连的封装技能。PCB板能够是低本钱的FR-4资料(玻璃纤维增强的环氧树脂),也能够是高热导的金属基或陶瓷基复合资料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可选用高温下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技能首要用于大功率多芯片阵列的LED封装,同SMT比较,不只大大进步了封装功率密度,而且下降了封装热阻(一般为6-12W/m.K)。
4、体系封装式(SiP)LED封装

SiP(System in Package)是近几年来为习惯整机的便携式开展和体系小型化的要求,在体系芯片System on Chip(SOC)基础上开展起来的一种新式封装集成办法。对SiP-LED而言,不只能够在一个封装内拼装多个发光芯片,还能够将各种不同类型的器材(如电源、操控电路、光学微结构、传感器等)集成在一起,构建成一个更为杂乱的、完好的体系。同其他封装结构比较,SiP具有工艺兼容性好(可运用已有的电子封装资料和工艺),集成度高,本钱低,可供给更多新功用,易于分块测验,开发周期短等长处。依照技能类型不同,SiP可分为四种:芯片层叠型,模组型,MCM型和三维(3D)封装型。
现在,高亮度LED器材要替代白炽灯以及高压汞灯,有必要进步总的光通量,或许说能够运用的光通量。而光通量的添加能够经过进步集成度、加大电流密度、运用大尺度芯片等办法来完成。而这些都会添加LED的功率密度,如散热不良,将导致LED芯片的结温升高,然后直接影响LED器材的功用(如发光功率下降、出射光发作红移,寿数下降等)。多芯片阵列封装是现在取得高光通量的一个最可行的计划,可是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气衔接,特别是散热等问题。因为发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,有必要选用有用的热沉结构和适宜的封装工艺。常用的热沉结构分为被迫和自动散热。被迫散热一般选用具有高肋化系数的翅片,经过翅片和空气间的天然对流将热量耗散到环境中。该计划结构简略,牢靠性高,但因为天然对流换热系数较低,只适合于功率密度较低,集成度不高的状况。关于大功率LED封装,则有必要选用自动散热,如翅片+电扇、热管、液体逼迫对流、微通道致冷、相变致冷等。
在体系集成方面,台湾新强光电公司选用体系封装技能(SiP), 并经过翅片+热管的办法调配高效能散热模块,研发出了72W、80W的高亮度白光LED光源,如图5(a)。因为封装热阻较低(4.38℃/W),当环境温度为25℃时,LED结温操控在60℃以下,然后保证了LED的运用寿数和杰出的发光功用。而华中科技大学则选用COB封装和微喷自动散热技能,封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源,如图5(b)。

  
(四)封装大出产技能

晶片键合(Wafer bonding)技能是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片(Wafer)上进行,封装完成后再进行切开,构成单个的芯片(Chip);与之相对应的芯片键合(Die bonding)是指芯片结构和电路在晶片上完成后,即进行切开构成芯片(Die),然后对单个芯片进行封装(相似现在的LED封装工艺),如图6所示。很显着,晶片键合封装的功率和质量更高。因为封装费用在LED器材制作本钱中占了很大份额,因而,改动现有的LED封装方式(从芯片键合到晶片键合),将大大下降封装制作本钱。此外,晶片键合封装还能够进步LED器材出产的洁净度,避免键合前的划片、分片工艺对器材结构的损坏,进步封装成品率和牢靠性,因而是一种下降封装本钱的有用手法。
此外,关于大功率LED封装,有必要在芯片规划和封装规划过程中,尽可能选用工艺较少的封装方式(Package-less Packaging),一起简化封装结构,尽可能削减热学和光学界面数,以下降封装热阻,进步出光功率。

(五)封装牢靠性测验与评价

LED器材的失效形式首要包含电失效(如短路或断路)、光失效(如高温导致的灌封胶黄化、光学功用劣化等)和机械失效(如引线开裂,脱焊等),而这些要素都与封装结构和工艺有关。LED的运用寿数以均匀失效时刻(MTTF)来界说,关于照明用处,一般指LED的输出光通量衰减为初始的70%(对显现用处一般界说为初始值的50%)的运用时刻。因为LED寿数长,一般采纳加快环境实验的办法进行牢靠性测验与评价。测验内容首要包含高温贮存(100℃,1000h)、低温贮存(-55℃,1000h)、高温高湿(85℃/85%,1000h)、高低温循环(85℃~-55℃)、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。但是,加快环境实验仅仅问题的一个方面,对LED寿数的猜测机理和办法的研讨仍是有待研讨的难题。

三、固态照明对大功率LED封装的要求

与传统照明灯具比较,LED灯具不需求运用滤光镜或滤光片来发作有色光,不只功率高、光色纯,而且能够完成动态或突变的颜色改动。在改动色温的一起坚持具有高的显色指数,满意不同的运用需求。但对其封装也提出了新的要求,详细表现在:

(一)模块化

经过多个LED灯(或模块)的彼此衔接可完成杰出的流明输出叠加,满意高亮度照明的要求。经过模块化技能,能够将多个点光源或LED模块依照随意形状进行组合,满意不同范畴的照明要求。

(二)体系功率最大化

为进步LED灯具的出光功率,除了需求适宜的LED电源外,还有必要选用高效的散热结构和工艺,以及优化内/外光学规划,以进步整个体系功率。

(三)低本钱

LED灯具要走向市场,有必要在本钱上具有竞赛优势(首要指初期装置本钱),而封装在整个LED灯具出产本钱中占了很大部分,因而,选用新式封装结构和技能,进步光效/本钱比,是完成LED灯具商品化的要害。

(四)易于替换和保护

因为LED光源寿数长,保护本钱低,因而对LED灯具的封装牢靠性提出了较高的要求。要求LED灯具规划易于改善以习惯未来功率更高的LED芯片封装要求,而且要求LED芯片的互换性要好,以便于灯具厂商自己挑选选用何种芯片。
LED灯具光源可由多个散布式点光源组成,因为芯片尺度小,然后使封装出的灯具重量轻,结构精巧,并可满意各种形状和不同集成度的需求。仅有的缺乏在于没有现成的规划标准,但一起给规划供给了充沛的幻想空间。此外,LED照明操控的首要方针是供电。因为一般市电电源是高压沟通电(220V,AC),而LED需求恒流或限流电源,因而有必要运用变换电路或嵌入式操控电路(ASICs),以完成先进的校准和闭环反应操控体系。此外,经过数字照明操控技能,对固态光源的运用和操控首要依托智能操控和办理软件来完成,然后在用户、信息与光源间树立了新的相关,而且能够充沛发挥规划者和消费者的幻想力。

四、结束语

LED封装是一个触及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、资料、半导体等)的研讨课题。从某种视点而言,LED封装不只仅一门制作技能(Technology),而且也是一门基础科学(Science),杰出的封装需求对热学、光学、资料和工艺力学等物理实质的了解和运用。LED封装规划应与芯片规划一起进行,而且需求对光、热、电、结构等功用一致考虑。在封装过程中,尽管资料(散热基板、荧光粉、灌封胶)挑选很重要,但封装结构(如热学界面、光学界面)对LED光效和牢靠性影响也很大,大功率白光LED封装有必要选用新资料,新工艺,新思路。关于LED灯具而言,更是需求将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。

致 谢:
衷心感谢马泽涛、袁柳林、周波、陈伟、石雄、宋镜明、刘宗源、王恺、程婷等的辛勤工作与研讨成果。

参考文献
[1] Mehmet Arika, Charles Beckerb, Stanton Weaverb, et al.. Thermal Management of LEDs: Package to System. Proc. of SPIE, Vol. 5187, 2004, 64-75

[2] Tim Whitaker. LEDs in the mainstream: technical hurdles and standardization issures. LEDs magazine, Oct., 2005, 11-13
[3] Bill Riegler and Rob Thomaier. Index-matching silicones enable high-brightness LED packaging. LEDs magazine, Feb., 2006, 19-21

[4] N. Taskar, R. Bhargava, J. Barone, et al.. Quantum Confined Atom based Nanophosphors for Solid State Lighting. Proc. of SPIE, Vol. 5187, 2004, 133-141

[5] Daniel A. Steigerwald, Jerome C. Bhat, Dave Collins, et al.. Illumination With Solid State Lighting Technology. IEEE Joural on selected topics in quantum electronics, Vol. 8, No.2, 2002, 310-320

[6] Nadarajah Narendran. Improved Performance of White LED. Proc. of SPIE, Vol. 5941, 2005, 1-6

[7] 刘胜,陈明祥,罗小兵,甘志银,一种白色发光二极管芯片的制备办法,我国发明专利:200610029858.6(申请号),美国专利申请中

[8] 刘胜,罗小兵,用于发光二极管LED的微喷发流水冷却体系,我国发明专利:200510111104.0(申请号),我国实用新式专利:200520047169.9(申请号)
 

  

   LED封装

Copyright © 2013 环亚ag88手机版ag88环亚娱乐环亚娱乐平台 All Rights Reserved 网站地图