大功率LED封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理透析
3、板上芯片直裝式(COB)LED封裝
COB是Chip On Board(板上芯片直裝)的英文縮寫,是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上,再通過引線鍵合實現(xiàn)芯片與PCB板間電互連的封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂),也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(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SMT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、K)。
4、系統(tǒng)封裝式(SiP)LED封裝
SiP(System in Package)是近幾年來為適應(yīng)整機的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求,在系統(tǒng)芯片System on Chip(SOC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言,不僅可以在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光芯片,還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學微結(jié)構(gòu)、傳感器等)集成在一起,構(gòu)建成一個更為復雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)相比,SiP具有工藝兼容性好(可利用已有的電子封裝材料和工藝),集成度高,成本低,可提供更多新功能,易于分塊測試,開發(fā)周期短等優(yōu)點。按照技術(shù)類型不同,SiP可分為四種:芯片層疊型,模組型,MCM型和三維(3D)封裝型。
目前,高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈,必須提高總的光通量,或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸芯片等措施來實現(xiàn)。而這些都會增加LED的功率密度,如散熱不良,將導致LED芯片的結(jié)溫升高,從而直接影響LED器件的性能(如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移,壽命降低等)。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案,但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連接,特別是散熱等問題。由于發(fā)光芯片的高密度集成,散熱基板上的溫度很高,必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片,通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,但由于自然對流換熱系數(shù)較低,只適合于功率密度較低,集成度不高的情況。對于大功率LED封裝,則必須采用主動散熱,如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。
在系統(tǒng)集成方面,臺灣新強光電公司采用系統(tǒng)封裝技術(shù)(SiP), 并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模塊,研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源,如圖5(a)。由于封裝熱阻較低(4、38℃/W),當環(huán)境溫度為25℃時,LED結(jié)溫控制在60℃以下,從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學則采用COB封裝和微噴主動散熱技術(shù),封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源,如圖5(b)。
?。ㄋ模┓庋b大生產(chǎn)技術(shù)
晶片鍵合(Wafer bonding)技術(shù)是指芯片結(jié)構(gòu)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(yīng)的芯片鍵合(Die bonding)是指芯片結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(chǎn)的潔凈度,防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)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(shè)計和封裝設(shè)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(jié)構(gòu),盡可能減少熱學和光學界面數(shù),以降低封裝熱阻,提高出光效率。
?。ㄎ澹┓庋b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(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。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(huán)境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內(nèi)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(huán)(85℃~-55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而,加速環(huán)境試驗只是問題的一個方面,對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。
三、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求
與傳統(tǒng)照明燈具相比,LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產(chǎn)生有色光,不僅效率高、光色純,而且可以實現(xiàn)動態(tài)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(shù),滿足不同的應(yīng)用需要。但對其封裝也提出了新的要求,具體體現(xiàn)在:
?。ㄒ唬┠K化
通過多個LED燈(或模塊)的相互連接可實現(xiàn)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(shù),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(lǐng)域的照明要求。
?。ǘ┫到y(tǒng)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(jié)構(gòu)和工藝,以及優(yōu)化內(nèi)/外光學設(shè)計,以提高整個系統(tǒng)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(yōu)勢(主要指初期安裝成本),而封裝在整個LED燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分,因此,采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù),提高光效/成本比,是實現(xiàn)LED燈具商品化的關(guān)鍵。
?。ㄋ模┮子谔鎿Q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(shè)計易于改進以適應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)成的設(shè)計標準,但同時給設(shè)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(zhuǎn)換電路或嵌入式控制電路( ),以實現(xiàn)先進的校準和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。此外,通過數(shù)字照明控制技術(shù),對固態(tài)光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現(xiàn),從而在用戶、信息與光源間建立了新的關(guān)聯(lián),并且可以充分發(fā)揮設(shè)計者和消費者的想象力。
四、結(jié)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(shù)(Technology),而且也是一門基礎(chǔ)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(zhì)的理解和應(yīng)用。LED封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進行,并且需要對光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)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(jié)構(gòu)(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。
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