大功率LED封裝技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

　　大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。

　　LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電/機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式（LampLED）、貼片式（SMDLED）、功率型LED（PowerLED）等發(fā)展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對(duì)LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。

　　二、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

　　大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。

　　3－5mm封裝結(jié)構(gòu)。一般用于電流較小（20－30mA），功率較低（小于0.1W）的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時(shí)也可作為顯示屏。其缺點(diǎn)在于封裝熱阻較大（一般高于100K/W），壽命較短。

　　2、表面組裝（貼片）式（SMT－LED）封裝

　　表面組裝技術(shù)（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對(duì)準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB 表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機(jī)械和電氣連接。SMT技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術(shù)和工藝。

　　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(shí)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(qiáng)的環(huán)氧樹脂），也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)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 inPackage）是近幾年來為適應(yīng)整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片SystemonChip（SOC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型封裝集成方式。對(duì)SiP－LED而言，不僅可以在一個(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)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(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建成一個(gè)更為復(fù)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(cè)試，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)。而這些都會(huì)增加LED的功率密度，如散熱不良，將導(dǎo)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(gè)最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價(jià)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(dòng)和主動(dòng)散熱。被動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)于大功率LED封裝，則必須采用主動(dòng)散熱，如翅片＋風(fēng)扇、熱管、液體強(qiáng)迫對(duì)流、微通道致冷、相變致冷等。

　　在系統(tǒng)集成方面，臺(tái)灣新強(qiáng)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(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，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(xué)則采用COB封裝和微噴主動(dòng)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）。

（四）封裝大生產(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(jìn)行，封裝完成后再進(jìn)行切割，形成單個(gè)的芯片（Chip）；與之相對(duì)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(jìn)行切割形成芯片（Die），然后對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)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(fèi)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(duì)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(duì)于大功率LED封裝，必須在芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)過程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式（Package-less Packaging），同時(shí)簡化封裝結(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)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(cè)試與評(píng)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(dǎo)致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等）和機(jī)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(shí)間（MTTF）來定義，對(duì)于照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70％（對(duì)顯示用途一般定義為初始值的50％）的使用時(shí)間。由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試與評(píng)估。測(cè)試內(nèi)容主要包括高溫儲(chǔ)存（100℃，1000h）、低溫儲(chǔ)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(jī)械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗(yàn)只是問題的一個(gè)方面，對(duì)LED壽命的預(yù)測(cè)機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題。

　　三、固態(tài)照明對(duì)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?yàn)V光片來產(chǎn)生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時(shí)保持具有高的顯色指數(shù)，滿足不同的應(yīng)用需要。但對(duì)其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：

　　（一）模塊化

　　通過多個(gè)LED燈（或模塊）的相互連接可實(shí)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(gè)點(diǎn)光源或LED模塊按照隨意形狀進(jìn)行組合，滿足不同領(lǐng)域的照明要求。

　　（二）系統(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(xué)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)系統(tǒng)效率。

　　（三）低成本

　　LED燈具要走向市場(chǎng)，必須在成本上具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（主要指初期安裝成本），而封裝在整個(gè)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(shí)現(xiàn)LED燈具商品化的關(guān)鍵。

　?。ㄋ模┮子谔鎿Q和維護(hù)

　　由于LED光源壽命長，維護(hù)成本低，因此對(duì)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(jì)易于改進(jìn)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(gè)分布式點(diǎn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)給設(shè)計(jì)提供了充分的想象空間。此外，LED照明控制的首要目標(biāo)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（ASICs），以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的校準(zhǔn)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(duì)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(shí)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(jì)者和消費(fèi)者的想象力。

　　四、結(jié)束語

　　LED封裝是一個(gè)涉及到多學(xué)科（如光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)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(xué)（Science），良好的封裝需要對(duì)熱學(xué)、光學(xué)、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用。LED封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，并且需要對(duì)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(xué)界面、光學(xué)界面）對(duì)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(duì)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。