功率型LED封裝趨勢

摘要：本文重點介紹了陶瓷基板模封硅膠、COB封裝、高壓LED、Remote-phosphor LED、倒裝芯片封裝技術等幾種LED的封裝趨勢，分析了各技術方案的優(yōu)缺點。

關鍵詞：封裝 硅膠 COB LED 遠程熒光體

1 概述

根據(jù)我國國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)的數(shù)據(jù)顯示，2011年我國LED行業(yè)總規(guī)模達到1560億元，同比增長30%，預計到2015年，半導體照明將占據(jù)通用照明市場30%的份額，半導體照明產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到5000億元。同時，市場的競爭也愈發(fā)激烈，各LED廠不斷更新產(chǎn)品技術，不斷推出新產(chǎn)品，以適應日益發(fā)展的應用需求。

2 技術趨勢

對于LED封裝來說，其關鍵技術歸根結(jié)底在于如何在有限的成本范圍內(nèi)盡可能高的提取芯片發(fā)出的光，同時降低封裝熱阻，提高封裝可靠性。圍繞著這些問題，如何進行材料選擇、如何進行結(jié)構設計以及如何開展工藝實施等，使LED滿足各種應用的要求，成為LED封裝業(yè)界研究的熱點。縱觀目前的LED封裝行業(yè)，陶瓷基板模封硅膠、多芯片集成封裝技術（即COB LED）、高壓LED應用技術等，因在技術上有其獨特的優(yōu)點，已成為業(yè)內(nèi)的一些趨勢。下面我們就來談談這些封裝技術。

2.1 陶瓷基板模封硅膠 2007年左右，Lumileds首次推出了陶瓷基板模封硅膠產(chǎn)品Luxeon Rebel系列功率型LED，其尺寸僅為3mm×4.5mm×2.1mm，隨后，Cree和Osram也推出了同類封裝產(chǎn)品。發(fā)展到今天，這個家族在產(chǎn)品種類上已經(jīng)非常豐富，包含了多種規(guī)格的系列產(chǎn)品。此類產(chǎn)品的特點是LED芯片直接裝配于陶瓷基板上，通過molding工藝將硅膠半包封于基板上形成透鏡，陶瓷基板分氧化鋁及氮化鋁兩種材料，表面覆銅形成線路及電極焊盤。因陶瓷基板吸水性小，可較好的解決金屬框+PPA產(chǎn)品水汽從縫隙進入的問題；其次，陶瓷基板的耐溫性能好，熱膨脹系數(shù)與芯片比較接近，大大提高了產(chǎn)品的可靠性，同時，陶瓷表面的銅箔設計比較靈活，極大方便了產(chǎn)品的結(jié)構設計；第三，器件尺寸可做的比較小，SMD封裝，符合小型化、貼片化的應用趨勢。另外，封裝時為百顆級以上的產(chǎn)品連成整片進行，比較適合大批量的生產(chǎn)作業(yè)，可提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。這類產(chǎn)品的推廣挑戰(zhàn)主要在于成本，一是高性能陶瓷材料的價格比較高，特別是氮化鋁陶瓷，目前陶瓷基板在LED封裝中也僅在瓦級以上的產(chǎn)品上廣泛應用；二是設備的投入相對會高一些，如硅膠molding設備等。

2.2 芯片集成封裝：COB LED技術 傳統(tǒng)做法是將LED芯片裝配于引線框架進行封裝成分立的器件，再將LED器件焊接于印刷電路板（PCB）上，形成光源模組。這種做法的缺點主要有三方面：一是LED芯片PN結(jié)發(fā)出的熱在流經(jīng)引線框架后，還需經(jīng)過焊接層（如錫層或?qū)崮z層等）、PCB層，才能到達燈具的散熱器，而錫層或?qū)崮z層以及普通FR4 PCB或鋁基板絕緣層的導熱系數(shù)相對較低，導致整個模組的熱阻非常高，無法及時將PN結(jié)的熱散出去。第二是還需經(jīng)過組裝焊接這道工序，增加了工藝難度及成本。另外一個缺點是這種形式的光源集成度無法做得很高。COB LED（Chip on Board）是直接將單顆或多顆LED芯片裝配于基板上的集成封裝產(chǎn)品，它可以較好的解決上述傳統(tǒng)做法的幾個缺點，因此，目前在球泡燈等燈具上已有廣泛的應用。如圖一所示，結(jié)構上主要包含基板、LED芯片、封裝硅膠等材料。采用的基板主要為陶瓷基板或金屬基板（常見的是鋁基板），陶瓷基板可在表面直接覆銅，實現(xiàn)電路及焊盤等功能，價格相對鋁基板會貴一些，但因陶瓷基板絕緣性好，在燈具應用時可相對容易的實現(xiàn)安規(guī)設計，減少電路成本。鋁基板表面也需覆銅以實現(xiàn)電路及焊盤層，兩層之間需要絕緣膠粘結(jié)和隔離，絕緣膠的導熱性能及絕緣性對鋁基板性能的影響較大，考慮散熱，一般需要將裝片區(qū)的絕緣層挖去，直接露出鋁板部分，鋁板表面需做拋光或電鍍處理。價格上鋁基板相對比較有優(yōu)勢，但在燈具安規(guī)設計時需要考慮做好電絕緣設計，同時其熱膨脹系數(shù)相對陶瓷來說比較大，與芯片襯底的熱膨脹系數(shù)對比較大。芯片部分可根據(jù)光源的功率及光通量要求選擇不同的尺寸，從小功率芯片到中功率芯片到大功率芯片，都可選擇，相應的，小功率芯片因為打線及裝片的數(shù)量較多，對生產(chǎn)工藝的要求較高，具體選擇哪種，需綜合評估成本、光效及光源發(fā)光均勻性要求等因素。熒光膠及硅膠的封裝方式目前有幾種：一是利用設備及模具直接molding成形，此方法成形一致性好，成形外觀形式可多樣，但設備及模具投入高。方法二是在發(fā)光芯片周圍先點一圈圍壩膠，利用點膠機點熒光膠。在此基礎上，另一方法是不點圍壩膠，而是直接采用專用的COB膠，利用膠的本身特性及表面張力，實現(xiàn)涂覆面積及形狀的控制。與第一種方法比，后兩種在設備投入上比較小，但成形的一致性及膠的形狀上比較欠缺。

2.3 高壓LED的應用 從原理上講，高壓LED并不是一個全新的產(chǎn)品，其基本思路是將多顆芯片串聯(lián)起來使用，在相同功率的情況下，要達到相同的光通量，可以選用大電流低電壓的芯片方案，也可以使用高電壓低電流（即高壓LED）的芯片方案，這兩種方案可以根據(jù)具體的要求及使用背景來選擇。在高電壓燈具外形尺寸有限制的情況下，如球泡燈等，考慮燈具的散熱及光分布，經(jīng)常留給驅(qū)動板的放置空間非常有限，為了將驅(qū)動板盡可能的做小，需要簡化驅(qū)動線路，縮小元器件的尺寸，此時使用高壓LED是一個很不錯的選擇。目前市場上高壓LED的實現(xiàn)方式有兩種，一種是在封裝階段利用鍵合技術將多顆小芯片串聯(lián)起來，如Cree XM-L高壓LED產(chǎn)品，這種技術的優(yōu)點是LED芯片可選的規(guī)格比較多，芯片排布方式及串聯(lián)顆數(shù)均可自由選擇。另一種是在芯片制作階段用電極方式將多顆小芯片串聯(lián)起來，再將多顆串聯(lián)在一起的芯片當做一大芯片切割使用，這種芯片封裝的LED集成度相對高，但芯片供應商目前相對較少，除了臺灣晶電及國內(nèi)一兩家外，其他鮮有廠家可供。

2.4 遠程熒光粉體結(jié)構：Remote-phosphor LED 遠程熒光粉體LED的設計構思是將藍光LED光源與熒光粉分開放置，LED發(fā)出的藍光在經(jīng)過反射器、散射器等混光后均勻的入射到熒光粉層上，最終發(fā)出均勻白光的一種LED光源形式，如圖二所示，為利用Remote-phosphor設計的一種LED球泡燈。這種Remote-phosphor LED技術多用于一些燈具，如筒燈、球泡燈、蠟燭燈等，優(yōu)點有幾方面：一是熒光粉體遠離LED芯片，熒光粉不易受PN結(jié)發(fā)熱的影響，特別是一些硅酸鹽類的熒光粉，易受高溫高濕的影響，在遠離熱源后可減少熒光粉熱猝滅幾率，延長光源的壽命。同時，傳統(tǒng)的做法熒光粉覆蓋在芯片表面，因熒光粉有一定的顆粒度，使得芯片發(fā)出的光部分被熒光粉遮蓋，無法跑出，而這種熒光粉遠離芯片設計的結(jié)構有利于光的取出，提高光源發(fā)光效率。還有，傳統(tǒng)白光LED受熒光膠涂覆精度及藍光芯片本身光強、波長等參數(shù)的影響，色坐標的離散性比較大，如3528產(chǎn)品一般批量的離散性為Δx=0.02-0.03，Δy=0.04-0.05，隨涂覆設備精度及涂覆工藝的影響差異較大。而Remote-phosphor LED在藍光階段通過反射、散射等已經(jīng)把各部分的藍光進行了一定的混光，入射到熒光粉體時已相對均勻，且熒光粉體本身比較大，個體之間的差異相對較小，故藍光在經(jīng)過熒光粉體后出射的是均勻的白光，也就是說燈具的發(fā)光色空間分布是均勻的，且不同燈具間的顏色一致性也是能保證的。從圖中也可以看到，這種燈具的結(jié)構會相對比較復雜一些，熒光粉的用量與傳統(tǒng)方案相比也會多一些，但整個燈具的成本是否上升需綜合評估各部分的情況。

2.5 倒裝芯片封裝技術 倒裝芯片封裝是LED業(yè)界的關鍵技術及發(fā)展方向之一。常見的用藍寶石作為襯底的藍光芯片制作工藝比較簡單，目前技術也相對比較成熟，但因藍寶石襯底的導熱能力不理想，由此便產(chǎn)生了垂直結(jié)構的藍光芯片，這種芯片是將傳統(tǒng)藍寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個過程實現(xiàn)難度大，生產(chǎn)合格率也較低。倒裝芯片封裝的結(jié)構示意如圖三，在將藍寶石襯底芯片倒過來后，利用種植金球等工藝將芯片焊接在陶瓷等基板上，因為金球已將芯片的正負極連接至基板的相應電極，故可省去打線的工藝，同時，因為沒有金絲的位置影響，白光LED產(chǎn)品的熒光粉涂覆工藝相對容易實施，特別是熒光粉噴涂等工藝，在沒有金絲的影響下，其產(chǎn)品的光色一致性都將得到大大的提高。這種封裝技術的難點在于芯片與基板的鍵合強度，如工藝得不到保證的話，芯片容易從基板脫落，造成失效。

3 結(jié)束語

LED封裝在整個LED照明產(chǎn)業(yè)起著承上啟下的關鍵作用，整個封裝涉及到光學、熱學、電學、色度學、材料學等多個學科的知識。陶瓷基板模封硅膠技術？或者COB技術？還是遠程熒光粉等其他技術？最終的選擇還是在于市場導向。應用市場的多樣化，決定了產(chǎn)品的多元化，通過這些封裝技術的研究，達到低成本、高光效的最終目標，未來，也肯定還有其他形式的封裝技術。

參考文獻：

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