LED集成封裝的研究現(xiàn)狀

陳鐘文 袁 波 陳小平 卓寧澤 施豐華 王海波，

(1.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇南京 210042;2.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210009;3.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，江蘇南京 210015)

1 引言

LED相對(duì)于傳統(tǒng)光源具有光效高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)時(shí)間短、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，使得它從發(fā)明就一直受到人們的關(guān)注。近些年來(lái)，LED照明已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，被業(yè)界認(rèn)為是照明市場(chǎng)發(fā)展的主要方向，具有巨大潛力。隨著人們對(duì)全球能源短缺的憂慮加劇，LED的前景備受矚目。現(xiàn)在世界各國(guó)都制訂了本國(guó)LED發(fā)展的計(jì)劃，我國(guó)“十二五”規(guī)劃也對(duì)LED發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了明確描述，并被列為“十二五”期間重點(diǎn)節(jié)能工程，包含在國(guó)家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)。

目前，實(shí)現(xiàn)大功率LED照明的方法有兩種:一是對(duì)單顆大功率LED芯片進(jìn)行封裝，二是采用多芯片集成封裝。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，尺寸增大，品質(zhì)提高，可通過(guò)大電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大功率LED，但同時(shí)會(huì)受到芯片尺寸的限制［1］，后者具有更大的靈活性和發(fā)展?jié)摿Γ筛鶕?jù)照度不同來(lái)改變芯片的數(shù)量，同時(shí)它具有較高的性價(jià)比，使得LED集成封裝成為L(zhǎng)ED封裝的主流方向之一。

2 集成封裝產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)報(bào)道［2］，美國(guó)UOE公司于2001年推出了采用六角形鋁板作為基板的多芯片組合封裝的Norlux系列LED;Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用在公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷 (LTCCM)技術(shù)封裝的大功率LED陣列;松下公司于2003年推出由64顆芯片組合封裝的大功率白光LED;億光推出的6.4W、8W、12W的COB LED系列光源，采用在MCPCB基板多芯片集成的方式，減少了熱傳遞距離，降低了結(jié)溫。

李建勝［3］等在分析LED日光燈各種技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用COB工藝，將小功率芯片直接固定在鋁基板上，制成高效散熱的COB LED日光燈，從2009年開始已用45000支LED日光燈對(duì)500輛世博公交車和近4000輛城市公交車進(jìn)行改裝，取代原有熒光燈，得到用戶好評(píng)，一直服務(wù)于上海世博會(huì)及城市交通。

楊朔［4］利用多芯片集成封裝的LED光源模塊開發(fā)出一款LED防爆燈，采用了熱管散熱技術(shù)。這種LED防爆燈亮度高，照射距離長(zhǎng)，可靠性高，散熱性能好，壽命長(zhǎng)。

3 LED集成封裝的特點(diǎn)

集成封裝也稱多晶封裝［5］，是根據(jù)所需功率的大小確定基板底座上LED芯片的數(shù)目，可組合封裝成1W、2W、3W等高亮度的大功率LED器件，最后，使用高折射率的材料按光學(xué)設(shè)計(jì)的形狀對(duì)芯片進(jìn)行封裝。其特有的封裝原理決定了它具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如:(1)就我國(guó)而言大功率芯片的研發(fā)處于落后的位置，采用集成封裝不失為一種發(fā)展的捷徑，更符合我國(guó)的基本國(guó)情;(2)芯片可以設(shè)計(jì)為串聯(lián)或者并聯(lián)，靈活地適應(yīng)不同的電壓和電流，便于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，提高光源的光效和可靠性;(3)一定面積的基板上芯片的數(shù)目可以自由控制，根據(jù)客戶的要求，可以封裝成點(diǎn)光源或者面光源，形式多樣;(4)芯片直接與基板相連，降低了封裝熱阻，散熱問(wèn)題易處理。

然而，對(duì)于集成封裝而言，同樣存在一些不足:(1)由于多芯片集成封裝在一塊基板上，導(dǎo)致所得的光源體積較大;(2)多顆芯片通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，相對(duì)于單顆芯片而言其可靠性較差，將導(dǎo)致整體光源受影響;(3)雖然多芯片封裝相對(duì)于單顆同功率大芯片來(lái)說(shuō)，散熱能力強(qiáng)，但由于多顆芯片同時(shí)散熱，熱散失程度不同，會(huì)引起芯片間的溫度不同，影響壽命，故散熱問(wèn)題的處理也很關(guān)鍵;(4)二次光學(xué)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，多芯片出光角度不同，需要在一次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，以滿足用戶的要求。

4 集成封裝過(guò)程中機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)的研究現(xiàn)狀

集成封裝由于其所具有的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了LED封裝方式的主流方向，近年來(lái)引起很多企業(yè)和科研院所的關(guān)注并開展了大量的研究，申請(qǐng)了相關(guān)的專利，這些都在極大的促進(jìn)集成封裝技術(shù)的發(fā)展。

4.1 封裝結(jié)構(gòu)模式

當(dāng)前多芯片集成封裝的主流形式就是多顆芯片之間以串并聯(lián)的方式直接與基板相連接，然后對(duì)芯片進(jìn)行獨(dú)立封裝或者是封裝于同一透鏡下面。

徐向陽(yáng)［6］等申請(qǐng)的專利中，將多顆芯片直接固晶在鋁基板上，涂覆熒光粉后，再在每顆LED芯片外面封蓋一個(gè)光學(xué)透鏡。工藝簡(jiǎn)單，封裝材料精簡(jiǎn)，同時(shí)熱阻降低，光效提高，此外還便于組裝成LED照明燈具產(chǎn)品，相對(duì)于同功率的單顆芯片封裝模式而言，COB模塊化LED封裝技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

李建勝［7］根據(jù)一般集成封裝中存在的層結(jié)合面和較長(zhǎng)的熱傳導(dǎo)距離問(wèn)題提出了一種COB集成封裝工藝。即在鋁質(zhì)PCB集成電路板上刻一些有利于芯片發(fā)光光線擴(kuò)散的反光腔，將多顆芯片逐一植入腔內(nèi)，同時(shí)在其周圍繪制PCB線路，將芯片電極引線焊接至此，導(dǎo)通電路，最后在腔周圍堆積壘成環(huán)形圍柵，在其內(nèi)涂敷硅膠和熒光粉，一次形成一體化的LED COB組件。這種設(shè)計(jì)將芯片與散熱器直接相連，減小了結(jié)構(gòu)熱阻，散熱效果遠(yuǎn)好于普通封裝結(jié)構(gòu)，提高了LED的出光率。

李炳乾［8］等采用COB技術(shù)和陣列化互聯(lián)的方式制備出白光LED光源模塊，他們將熒光粉層涂敷在出光板上，提高了出光的均勻性和熒光粉的穩(wěn)定性;同時(shí)將陣列化互連方式與電流降額使用相結(jié)合，減少了傳統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)連接方法時(shí)一個(gè)芯片損壞對(duì)其他芯片工作狀態(tài)的影響的缺陷，提高了系統(tǒng)可靠性，這種封裝結(jié)構(gòu)達(dá)到了簡(jiǎn)化工藝的目的。

總體上，不同專利所描述的集成封裝的結(jié)構(gòu)模式和原理都大同小異，差別主要在于所選的焊接方式、反光腔內(nèi)壁的涂覆材料以及所選基板的不同，改變集成封裝的思維方式，使集成封裝在白光LED封裝中得到更廣泛的應(yīng)用。

4.2 散熱處理

集成封裝技術(shù)雖然是封裝的主要方向之一，但是散熱問(wèn)題卻一直是集成封裝技術(shù)的瓶頸，我們知道通常LED高功率產(chǎn)品其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，剩下80%的電能均轉(zhuǎn)換為熱能，處理好散熱問(wèn)題，將會(huì)使LED光源的質(zhì)量上一個(gè)臺(tái)階。集成封裝的熱處理思路目前主要集中在:選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的基板;縮短熱傳遞的距離;優(yōu)化固晶技術(shù)等方面。蟻澤純［9］從芯片的工作數(shù)量以及芯片的集成密度等方面分析發(fā)現(xiàn)集成封裝的多芯片白光LED結(jié)溫隨著集成芯片數(shù)量的增加而增長(zhǎng)，其發(fā)光效率隨著集成芯片數(shù)量的增加呈減小趨勢(shì)，因此芯片的數(shù)量及集成密度在集成封裝技術(shù)的應(yīng)用中也是一個(gè)很重要的影響因素。

在公布號(hào)為CN 102042500 A［10］專利中針對(duì)光源模塊的散熱性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形導(dǎo)熱裝置作為散熱區(qū)，使光源模塊在發(fā)光時(shí)，各發(fā)光芯片所產(chǎn)生的熱可以更快速的由基板發(fā)散。

在散熱基板材料的選擇中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大功率LED散熱基板的首選材料。程治國(guó)［11］等以陶瓷基板 (氧化鋁和氮化鋁，厚度0.5～1.0mm)為散熱基板，申請(qǐng)了一發(fā)明專利。在專利中采用陶瓷基板金屬化技術(shù)，共晶焊接技術(shù)進(jìn)行LED集成封裝，導(dǎo)熱性能大大改善，采用集成封裝可以使光源功率達(dá)到200W。

Luqiao Yin［12］研發(fā)出一種表層為L(zhǎng)TCC，底層為AlNx的陶瓷基板，經(jīng)集成封裝測(cè)試發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期點(diǎn)亮后PN結(jié)溫度只有70.8℃，經(jīng)ANSYS模擬觀察到跟陶瓷基板相連的鋁熱沉溫度只有39.3℃，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到500mA時(shí)，也只有41.0℃。

4.3 光學(xué)設(shè)計(jì)

大功率LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進(jìn)行兩次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光，二次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的則是讓整個(gè)燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設(shè)計(jì)需求。集成封裝中由于存在多顆芯片，因此對(duì)于二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求更高!

為了實(shí)現(xiàn)道路照明所要求的矩形光斑分布，劉紅［13］等依據(jù)光源特性和路面的光斑分布，通過(guò)折射定律建立透鏡母線的斜率方程，根據(jù)該方程設(shè)計(jì)了用于矩形光斑分布的LED路燈透鏡，采用正交優(yōu)化方法，利用Light Tools軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的透鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較研究，得到了一個(gè)矩形光斑分布的光學(xué)透鏡。仿真結(jié)果表明，該透鏡光學(xué)系統(tǒng)在高度為10m的照射條件下，照射面積為40m×10m的矩形光斑，均勻度為0.31。對(duì)有光斑尺寸要求的LED路燈透鏡來(lái)說(shuō)，該方法提供了一種簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)途徑。

宋春發(fā)［14］等人設(shè)計(jì)出一種用于多顆芯片集成封裝的大功率LED透鏡及其燈具。透鏡包括入光面和出光面，還包括環(huán)形反射面，所述出光面與反射面相貫，所述入光面為二次曲面，其曲面系數(shù)為:K=－1.2～－1.5，R=35～41mm，所述出光面為平面，所述反射面為二次曲面，其曲面系數(shù)為:K=－0.24～－0.26，R=23～29mm。這種設(shè)計(jì)中LED中心區(qū)域的光線經(jīng)出光面出射，LED邊緣的光線經(jīng)環(huán)形反射面出射，可以避免由于透鏡的視場(chǎng)角有限而損失LED光能，從而最大限度的收集LED發(fā)出的光線，提高燈具的發(fā)光效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)政府對(duì)LED發(fā)展的政策扶持以及LED芯片、封裝、應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，LED照明產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。LED集成封裝雖然發(fā)展時(shí)間短，可借鑒的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)有限，但是在實(shí)際照明工程中表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，得到了市場(chǎng)的肯定，已經(jīng)成為了封裝技術(shù)的主要趨勢(shì)之一。

對(duì)于單顆芯片而言，雖然功率會(huì)越來(lái)越大，但要用到更大功率照明還是需要集成;同時(shí)隨著科技的進(jìn)步，芯片品質(zhì)的提升，集成封裝將會(huì)具有更大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，對(duì)于LED照明的推廣有著積極影響;隨著封裝技術(shù)的不斷提高以及封裝材料性能的進(jìn)步，光源的光效將會(huì)逐步提高，散熱處理必將更為簡(jiǎn)便，集成封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也將愈加明顯，發(fā)展前景將越來(lái)越廣闊。

［1］ Kim L，Choi J.Thermal Analysis of Multi-chip LED Packages［J］.SPIE，2006，6355E:1～8.

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