一文讀懂大功率LED封裝技術(shù)

　　大功率LED封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來(lái)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、機械保護，以提高可靠性;2、加強散熱，以降低晶片結溫，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/直流轉變，以及電源控制等。

　　LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由晶片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。隨著(zhù)晶片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)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(shù)思路來(lái)進(jìn)行封裝設計。

　　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、結構與工藝等方面。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(guān)鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝相容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時(shí)進(jìn)行，即晶片設計時(shí)就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結構進(jìn)行調整，從而延長(cháng)了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。

　　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晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。主要包括晶片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱介面材料)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)內部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導到熱沉上，實(shí)現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將 1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，并開(kāi)發(fā)了相應的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應的陶瓷基板，然后將LED晶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(dòng)電路及控制補償電路，不僅結構簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導率高，熱介面少，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(AIN和 Al2O3)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成，沒(méi)有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強。其中氮化鋁(AIN)的熱導率為 160W/mk，熱膨脹系數為4.0×10-6/℃(與矽的熱膨脹系數3.2×10-6/℃相當)，從而降低了封裝熱應力。

　　研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙，基板的翹曲也可能會(huì )影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關(guān)鍵在于減少介面和介面接觸熱阻，增強散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料(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，致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱介面材料，可大大降低介面熱阻。

　　高取光率封裝結構與工藝

　　在LED使用過(guò)程中，輻射復合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：晶片內部結構缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線(xiàn)無(wú)法從晶片中出射到外部。通過(guò)在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對晶片進(jìn)行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好，流動(dòng)性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和矽膠。矽膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來(lái)的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著(zhù)溫度升高，矽膠內部的熱應力加大，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。

　　螢光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著(zhù)溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長(cháng)也會(huì )發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì )加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉涂層是由環(huán)氧或矽膠與螢光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和螢光粉的熱穩定性也存在問(wèn)題。由于常用螢光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及螢光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在螢光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過(guò)在矽膠中摻入納米螢光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色質(zhì)量。

　　傳統的螢光粉涂敷方式是將螢光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在晶片上。由于無(wú)法對螢光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開(kāi)發(fā)的保形涂層(Conformal coating)技術(shù)可實(shí)現螢光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖4b。但研究表明，當螢光粉直接涂覆在晶片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通過(guò)在晶片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含螢光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)。

　　總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過(guò)將螢光粉內摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了螢光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學(xué)介面數，也是提高出光效率的有效措施。

　　陣列封裝與系統集成技術(shù)

　　經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結構先后經(jīng)歷了四個(gè)階段。

　　1、引腳式(Lamp)LED封裝

　　引腳式封裝就是常用的A3-5mm封裝結構。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，大規模集成時(shí)也可作為顯示幕。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備將晶片引腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤(pán)圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經(jīng)過(guò)波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。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、板上晶片直裝式(COB)LED封裝

　　COB是Chip On Board(板上晶片直裝)的英文縮寫(xiě)，是一種通過(guò)粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PCB板上，再通過(guò)引線(xiàn)鍵合實(shí)現晶片與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(shù)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(xiàn)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)主要用于大功率多晶片陣列的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、系統封裝式(SiP)LED封裝

　　SiP(System in Package)是近幾年來(lái)為適應整機的攜帶型發(fā)展和小型化的要求，在系統晶片System on Chip (SOC)基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言，不僅可以在一個(gè)封裝內組裝多個(gè)發(fā)光晶片，還可以將各種不同類(lèi)型的器件(如電源、控制電路、光學(xué)微結構、感測器等)集成在一起，構建成一個(gè)更為復雜的、完整的系統。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝相容性好(可利用已有的電子裝裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。按照技術(shù)類(lèi)型不同，SiP可分為四種：晶片層疊型、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(shuō)可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過(guò)提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等措施來(lái)實(shí)現。而這些都會(huì )增加LED的功率密度，如散熱不良，將導致LED晶片的結溫升高，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)。多晶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(wèn)題。由于紫光晶片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動(dòng)和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般選用具有高肋化系數的翅片，通過(guò)翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結構簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數較低，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(dòng)散熱，如翅片+風(fēng)扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

　　COB封裝技術(shù)與SMD封裝技術(shù)比較

　　COB封裝在LED顯示屏應用領(lǐng)域已漸趨成熟，尤其在戶(hù)外小間距領(lǐng)域以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢異軍突起。特別是在最近兩年，隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，COB封裝技術(shù)已經(jīng)取得了質(zhì)的突破，以前一些制約發(fā)展的因素，也在技術(shù)創(chuàng )新的過(guò)程中迎刃而解。

　　那么，COB封裝技術(shù)優(yōu)勢到底在哪里?它與傳統的SMD封裝又有哪些不同?未來(lái)它會(huì )取代SMD成為L(cháng)ED顯示屏的主流嗎?

　　技術(shù)比較

　　COB封裝是將LED芯片直接用導電膠和絕緣膠固定在PCB板燈珠燈位的焊盤(pán)上，然后進(jìn)行LED芯片導通性能的焊接，測試完好后，用環(huán)氧樹(shù)脂膠包封。

　　SMD封裝是將LED芯片用導電膠和絕緣膠固定在燈珠支架的焊盤(pán)上，然后采用和COB封裝相同的導通性能焊接，性能測試后，用環(huán)氧樹(shù)脂膠包封，再進(jìn)行分光、切割和打編帶，運輸到屏廠(chǎng)等過(guò)程。

　　優(yōu)劣勢比較

　　SMD封裝廠(chǎng)能造出高質(zhì)量的燈珠是勿容置疑的，只是生產(chǎn)工藝過(guò)多，成本會(huì )相對高些。還會(huì )增加從燈珠封裝廠(chǎng)到屏廠(chǎng)之間的運輸、物料倉儲和質(zhì)量管控成本。

　　而SMD認為COB封裝技術(shù)過(guò)于復雜，產(chǎn)品的一次通過(guò)率沒(méi)有單燈的好控制，甚至是無(wú)法逾越的障礙。失效點(diǎn)無(wú)法維修，成品率低。

　　SMD封裝這種單燈珠單體化封裝技術(shù)已積累多年的實(shí)戰經(jīng)驗，各家都有絕活，也有規模，技術(shù)成熟，實(shí)現起來(lái)相對容易。

　　COB封裝是一項多燈珠集成化的全新封裝技術(shù)，實(shí)踐過(guò)程中在生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝裝備、測試檢測手段等很多的技術(shù)經(jīng)驗是在不斷的創(chuàng )新實(shí)踐中來(lái)積累和驗證，技術(shù)門(mén)檻高難度大。目前面臨的最大困難就是如何提高產(chǎn)品的一次通過(guò)率。COB封裝所面臨的是一座技術(shù)高峰，但它并非不可逾越，只是實(shí)現起來(lái)相對困難。

　　SMD封裝中使用的四角或六角支架為后續的生產(chǎn)環(huán)節帶來(lái)了技術(shù)困難和可靠性隱患。比如燈珠面過(guò)回流焊工藝需要解決數量龐大的支架管腳焊接良率問(wèn)題。如果SMD要應用到戶(hù)外，還要解決好支架管腳的戶(hù)外防護良率問(wèn)題。

　　而COB技術(shù)正是由于省去了這個(gè)支架，在后續的生產(chǎn)環(huán)節中幾乎不會(huì )再有太大的技術(shù)困難和可靠性隱患。只面臨兩個(gè)技術(shù)丘陵：一個(gè)是如何保證IC驅動(dòng)芯片面過(guò)回流焊時(shí)燈珠面不出現失效點(diǎn)，另一個(gè)就是如何解決模組墨色一致性問(wèn)題。

　　綜合比較

　　COB封裝技術(shù)：

　　從封裝開(kāi)始，一直到顯示屏制造完成，COB封裝技術(shù)是整合了LED顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的中下游環(huán)節，所有的生產(chǎn)都是在一個(gè)工廠(chǎng)內完成。這種生產(chǎn)組織形式簡(jiǎn)單、流程緊湊、生產(chǎn)效率更高、更加有利于全自動(dòng)化生產(chǎn)布局。這種組織形式也更有利于產(chǎn)品全過(guò)程的質(zhì)量管控。這種組織形式還是一個(gè)有機的整體，在產(chǎn)品研發(fā)階段就要考慮各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節可能遇到的問(wèn)題，綜合評估制定技術(shù)實(shí)施方案。這種組織形式還可以更好地為終端客戶(hù)承擔品質(zhì)責任。

　　COB封裝在LED顯示領(lǐng)域這種多燈珠集成化的封裝技術(shù)道路上只面臨一座技術(shù)高峰，它出現在燈珠的封裝環(huán)節。而且這種技術(shù)并非不可逾越，但也不是誰(shuí)都能爬得過(guò)去的，是一種綜合技術(shù)的體現，需要無(wú)數次的失敗和經(jīng)驗教訓總結，需要多年的技術(shù)積累和沉淀，需要堅定、踏實(shí)、不怕困難勇于創(chuàng )新的工匠精神。一旦越過(guò)這項技術(shù)高峰，如同鯉魚(yú)跳龍門(mén)， 山后的路將是一馬平川,在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節上再也沒(méi)有太大的技術(shù)難點(diǎn)。從紅色的產(chǎn)品可靠性曲線(xiàn)可以看到，COB封裝一旦將燈珠封好，后續的生產(chǎn)環(huán)節對其可靠性幾乎影響不大，在客戶(hù)端應用一年以后，可靠性指標和封裝時(shí)相差無(wú)幾。

　　SMD封裝技術(shù)：

　　在SMD顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈中的封裝企業(yè)和顯示屏企業(yè)是兩類(lèi)獨立的企業(yè)，產(chǎn)業(yè)利潤是由這兩類(lèi)企業(yè)來(lái)分享的。蛋糕雖大，但企業(yè)多，競爭激烈，利潤薄。這種生產(chǎn)組織形式復雜，會(huì )浪費掉一部分產(chǎn)業(yè)利潤和效率，產(chǎn)品質(zhì)量管控難度相對大。由于封裝環(huán)節和顯示屏廠(chǎng)環(huán)節互相獨立，針對生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)難關(guān)很難有效配合，協(xié)同攻關(guān)。終端客戶(hù)使用產(chǎn)品一旦出現質(zhì)量問(wèn)題，涉及的環(huán)節多，追責難度大。

　　從整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中技術(shù)實(shí)施的難易程度和對產(chǎn)品可靠性的影響角度來(lái)分析，下圖中曲線(xiàn)顏色和意義同前圖。圖中可以看出SMD顯示屏封裝產(chǎn)業(yè)鏈上存在雙駝峰式的技術(shù)高峰, 這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)都出現在屏廠(chǎng)環(huán)節，而封裝環(huán)節由于技術(shù)成熟穩定，技術(shù)難度相對來(lái)說(shuō)不大。所以SMD顯示屏的技術(shù)難度疊加在一起一定會(huì )超過(guò)COB封裝技術(shù)的難度。