原標(biāo)題：大功率LED封裝有哪五大關(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。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(zhǎng)了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時(shí)甚至不可能。
具體而言，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：
一、低熱阻封裝工藝
對(duì)于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)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(guān)鍵問(wèn)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(shè)計(jì)等。
LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)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 ，AlN，SiC)和復(fù)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(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(yīng)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芯片和相應(yīng)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(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導(dǎo)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(guó)Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或 )和導(dǎo)電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒(méi)有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)。其中氮化鋁(AlN)的熱導(dǎo)率為160W/mk，熱膨脹系數(shù)為 (與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng))，從而降低了封裝熱應(yīng)力。
二、高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝
在LED使用過(guò)程中，輻射復(fù)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：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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，很多光線無(wú)法從芯片中出射到外部。通過(guò)在芯片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)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(yīng)力、耐老化等特性。
目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)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(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高硅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，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強(qiáng)分布。
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(shì)，通過(guò)將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。
三、陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)
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、使用大尺寸芯片等措施來(lái)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(wèn)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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。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。
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)。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(guò)程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式(Package-less Packaging)，同時(shí)簡(jiǎn)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。
五、封裝可靠性測(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(lái)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(zhǎng)，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*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(wèn)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。
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