大功率白光LED封裝技術*

張寅 施豐華 徐文飛 范供齊 王海波

(1.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇南京210009;2.南京工業(yè)大學電光源材料研究所，江蘇南京210015)

1 引言

隨著照明技術的發(fā)展，大功率白光LED將是未來照明的核心。白光LED作為新型光源，與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長、體積小、節(jié)能、高效、響應速度快、抗震、無污染等優(yōu)點，被認為是可以進入普通照明領域的“綠色照明光源”，尤其是大功率白光LED的誕生被業(yè)界稱為“照明領域的第四次革命”，LED大規(guī)模應用于普通照明是一個必然的趨勢［1～3］。

LED的產業(yè)鏈總體分為上、中、下游，分別是LED外延片、LED封裝、LED產品應用。其中關于LED封裝，特別是大功率LED封裝不能再按照傳統(tǒng)的設計理念與生產模式(傳統(tǒng)的大功率LED封裝技術存在著一些不足，如散熱問題、光取出方式等等)［4～6］。大功率LED封裝不僅結構和工藝復雜，而且對封裝材料有一定的要求，因此，當前需要對傳統(tǒng)的封裝工藝進行研究?，F(xiàn)在我們所面臨的挑戰(zhàn):尋找導熱性能優(yōu)良的封裝材料;優(yōu)化封裝結構;改進封裝工藝。

隨著照明技術的發(fā)展，為了滿足普通照明的要求，大功率芯片隨之誕生，這就對LED封裝的熱學、電學、機械提出了更高要求，傳統(tǒng)的小功率LED封裝結構和工藝難以滿足要求。

2 大功率LED封裝的關鍵技術

相對于普通白光LED，大功率LED芯片具有較大的熱流率會產生大量的熱量。研究發(fā)現(xiàn)，LED器件的光通量與芯片的取光方式和出光效率的封裝設計有關，因此LED封裝方式將會向以下的幾個方向發(fā)展。

2.1 低熱阻封裝工藝

傳統(tǒng)的照明對散熱問題要求不高，白熾燈、熒光燈可以通過輻射的方式進行散熱。白光LED以熱傳導為主進行散熱，LED是由固體半導體芯片作為發(fā)光材料，采用電致發(fā)光，所以其熱量僅有極少部分通過輻射散發(fā)出去［7］。對現(xiàn)有的LED器件而言，輸入電能的80%左右轉變成熱能，所以芯片散熱管理對LED封裝意義重大。芯片散熱管理主要包括芯片的位置、封裝材料(散熱基板、熱界面材料)、封裝結構(如熱學界面)還有熱沉設計等。

LED封裝兩大主要熱阻內部熱阻和界面熱阻，熱阻的封裝材料散熱基板。芯片所產生的熱量被散熱基板所吸收，并傳到熱沉上，通過熱沉實現(xiàn)與外界進行熱交換。常見的LED散熱基板的類型有:(1) 高散熱金屬基板:擁有高熱導性、高耐熱性、電磁屏蔽等優(yōu)點。不過，金屬基板其缺點是金屬熱膨脹系數(shù)很大。(2) 陶瓷基板散熱性更好，且耐高溫，耐潮濕等優(yōu)點，但是由于價格是普通基板的數(shù)倍，所以至今還沒能成為散熱型基板的理想材料。(3) 高熱傳導可繞基板與傳統(tǒng)的可繞基板相同，唯獨在絕緣層方面，采用軟質環(huán)氧樹脂充填高熱傳導性無機物，具有柔軟可繞，高可靠性的優(yōu)點［8］。以上基板的熱導率如表1所示:

表1 各種基板的熱導率

2.2 倒裝芯片封裝技術

傳統(tǒng)的LED采用正裝結構，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，下面采用藍寶石為襯底。在傳統(tǒng)的正裝LED芯片封裝方式中，由于P型GaN摻雜非常困難，現(xiàn)在大多數(shù)采用的方法是在P型GaN上制備金屬透明電極(見圖1)，使電流穩(wěn)定擴散，達到均勻發(fā)光的目的。這種正裝結構的PN結是通過藍寶石襯底來進行散熱，由于環(huán)氧樹脂導熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導體，熱阻大，導致熱量傳導不出去，從而影響各個器件的正常工作。

圖1 傳統(tǒng)正裝LED芯片結構示意圖

為了克服傳統(tǒng)正裝LED芯片的缺陷，采用了先進的倒裝芯片(flip chip)技術，是在芯片的P極和N極下方用金線焊線機制作兩個金絲球焊點(如圖2)，作為電極的引出機構，用金線來連接芯片外側和Si底板。這就克服正裝芯片出光效率和電流問題的弊端。從芯片PN極上的熱量通過金絲球焊點傳到Si熱沉，Si是散熱的良導體，其散熱效果遠好于靠藍寶石來散熱。利用倒裝芯片封裝技術不但提高了LED的壽命，而且使LED整體散熱性能有了一次飛躍［9～10］。

圖2 Flip chip倒裝芯片結構示意圖

2.3 熱學封裝技術

能否成功地解決散熱問題對大功率白光LED的發(fā)光效率和可靠性有很大的影響。對于單顆LED來說，熱量全部來自于芯片，而芯片的尺寸很小熱量不能及時的散發(fā)出去，會加速芯片和熒光粉的老化，還可導致倒裝焊的焊錫融化，使芯片失效。當溫度超過一定值，器件的的失效率呈指數(shù)規(guī)律變化，數(shù)據(jù)顯示:元器件溫度每上升2℃，可靠性降低10%。為了保證器件的壽命，一般要求PN極的溫度在110℃以下，因此芯片散熱是LED封裝必須解決的問題［11］。解決熱的問題有兩種辦法:一是提高芯片內量子效率，即提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少熱量的產生;二是LED結構的改進，使內部的熱量加快散發(fā)，有效地降低芯片的溫度［12］。

封裝界面對熱阻的影響也是很大的，若不正確處理界面，難于獲得良好的散熱效果。改善LED封裝的關鍵界面之間的空隙，增強散熱。所以選擇芯片和散熱基板的材料十分重要，LED常用的封裝材料為導熱膠，導熱率很低，使界面熱阻很高。采用低溫的錫膏作為熱界面材料，界面熱阻大大地降低了。為了取得更好的散熱效果，引入了新的固晶工藝，即共晶焊接技術，以Si片焊接作為熱沉與晶粒之間的連接材料(結構如圖3)其散熱效果與物理特性遠好于以往使用的Ag膠(Ag膠的熱阻高，采用Ag膠就等于人為地在芯片和熱沉之間加上一層熱阻)，取得了良好的導熱效果。

圖3 大功率高亮度白光LED結構示意圖

3 封裝技術的發(fā)展方向

LED封裝技術主要是向高可靠性、高發(fā)光效率、高散熱能力與薄型化發(fā)展。從芯片來看，水平式芯片最為普遍，垂直式芯片與覆晶型芯片是由一些比較有實力的廠家進行研發(fā)，水平式LED使用藍寶石作為基板，其散熱性能較差，光取出效率下降幅度較大，在高電流驅動下。垂直式芯片使發(fā)光層的材料得以充分應用，電流密度增大，LED電阻降低，熱量減少，大功率白光LED倒裝芯片的電流分布的均勻性和散熱能力得到提升，從而有效改善倒裝芯片的質量和性能。大功率白光LED的封裝主流方向如下:

3.1 COB封裝技術

COB封裝是指直接在電路板上黏貼裸外延片，并將導線直接焊接在PCB的鍍金線路上，再通過封膠技術，將IC制造過程中的封裝步驟轉移到電路板上直接組裝。COB的優(yōu)點在于:線路設計簡單、高成本效益、節(jié)省系統(tǒng)空間等，但存在著芯片整合亮度、色溫調和與系統(tǒng)整合的技術問題。

MCOB技術好，能夠有效提高產品的穩(wěn)定性，更重要的是降低成本，所以MCOB技術將是LED行業(yè)的一種主流的封裝形式。這是一項基礎性技術，MCOB可以有效提高產品效率。中科院提供了關鍵技術，成功地解決了MCOB成本和散熱問題，即磁控建設技術有效地提高了反射率。基于這種技術，是將基材和芯片的直接接觸，散熱結構只有一層，散熱基片上的熱量可以直接傳到基板上。由于MCOB封裝的芯片可以大大降低成本，所以可以認為在不久的將來LED照明的成本可以做到比節(jié)能燈高一點或者持平。

3.2 高電壓直流芯片封裝

正裝結構的高電壓LED芯片:把一個芯片的外延層分割成數(shù)個芯片單元，并把它們串聯(lián)起來，則構成高電壓芯片。晶元推出正裝結構的高電壓直流芯片，其中紅光芯片HF27A的電壓為34伏，效率達到128 lm/W，白光達到135 lm/W(5000k)。

3.3 無金線封裝

晶科電子最新推出的陶瓷基光源產品系列，該產品采用倒裝焊技術產品基于APT專利技術，實現(xiàn)了單芯片及多芯片模組的無金線、無固晶膠封裝，具有高亮度、高光效、高可靠性、低熱阻、顏色一致性好等特點。

4 結語

封裝技術關鍵在于優(yōu)良的封裝結構、良好的散熱性能、低熱阻和低機械應力。照明白光LED受多重因素的影響，其中色度穩(wěn)定性和均勻性、散熱條件對LED的性能影響比較大。LED封裝設計需要對光學、熱學、電學、結構等方面進行綜合的考慮，使這幾個方面相互達到平衡，以達到最佳效果。大功率白光LED封裝只有通過不斷地采用新工藝、新材料、新思路才能得以發(fā)展。

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