大功率LED封装技术及其发展.txtゅ你不用一上线看见莪在线,就急着隐身,放心。莪不会去缠你。说好的不离不弃现在反而自己却做不到╮

本文由chenqing1949贡献

doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。

大功率 LED 封装技术及其发展

一、前言大功率 led 封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到 led 的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点,特别是大功率白光 led 封装更是研究热点中的热点。led 封装的功能主要包括:1.机械保护,以提高可靠性; 2.加强散热,以降低芯片结温,提高 led 性能; 3.光学控制,提高出光效率,优化光束分布;4.供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。 led 封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过 40 多年的发展,led 封装先后经历了支架式(Lamp led、贴片式(SMD led、功率型 led (Power led等发展阶段。随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,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。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

二、大功率 led 封装关键技术大功率 led 封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,如图 1 所示。这些因素彼此既相互独立,又相互影响。其中,光是 led 封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言,led 封装设计应与芯片

设计同时进行,即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则,等芯片制造完成后,可能由于封装的需要对芯片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。

具体而言,大功率 led 封装的关键技术包括:(一低热阻封装工艺低热阻封装工艺对于现有的 led 光效水平而言,由于输入电能的 80%左右转变成为热量,且 led 芯片

面积小,因此,芯片散热是 led 封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择基板材料、热界面材料与工艺、热沉设计等。 led 封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量,并传导到热沉上,实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、(如铝,、金属铜陶瓷(如,AlN,SiC和复合材料等。如 Nichia 公司的第三代 led 采用 CuW 做衬底,将 1mm 芯片倒装在 CuW 衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics 公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板,如图 2(a,并开发了相应的 led 封装技术。该技术首先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。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热界面少,大大提高了散热性能,为大功率 led 阵列封装提出了解决方案。德国 Curmilk 公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AlN 或和导电层(Cu在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性强,如图 2(b所示。其中氮化铝(AlN的热导率为 160W/mk,热膨胀系数为(与硅的热膨胀系数相当,从而降低了封装热应力。

研究表明,封装界面对热阻影响也很大,如果不能正确处理界面,就难以获得良好的散热效果。例如,室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善

led 封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热。因此,芯片和散热基板间的热界面材料(TIM选择十分重要。led 封装常用的 TIM 为导电胶和导热胶,由于热导率较低,一般为 0.5-2.5W/m K,致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。(二高取光率封装结构与工艺在 led

使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:芯片内部结构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损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶,由

于该胶层处于芯片和空气之间,从而有效减少了光子在界面的损失,提高了取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高 led 封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率 led 封装中得到广泛应用,但成本较高。研究表明,提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但硅胶性能

受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低,从而影响 led 光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合,形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光 led 色温、色度的变化,较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在 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。由于两者间折射率的不匹配,以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(3 0nm,因而在荧光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉,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%,并能有效改善光色质量。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而 Lumileds 公司开发的保形涂层(Conformal coating技术可实现荧光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图 3(b。但研究表明,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国 R