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不能买世界杯:大功率LED封装常用的5种要害技能和4种结构办法

发布时间:2021-08-27 09:51:30 来源:欧宝娱乐官网app下载 作者:欧宝娱乐平台app

  产业链中,上游包含衬底资料、外延、芯片规划及制作出产,中游包含封装工艺、配备和测验技能, 下流为显现、照明和灯具等运用产品。现在首要选用蓝光LED+黄色荧光粉工艺来完成白光大功率LED,即经过GaN基蓝光LED一部分蓝光激起 YAG(yttrium aluminum garnet)黄色荧光粉发射出黄光,别的一部分蓝光透过荧光粉发射出来,由黄色荧光粉发射的黄光与透射的蓝光混合后得到白光。蓝光LED芯片宣布的蓝光 透过涂覆在其周围的黄色荧光粉,荧光粉被一部分蓝光激起后宣布黄光,蓝光光谱与黄光光谱彼此堆叠后构成白光。

  大功率LED封装作为产业链中承上启下的重要一环,是推动半导体照明和显现走向实用化的中心制作技能。只要经过开发低热阻、高光效和高牢靠性的LED封装 和制作技能,对LED芯片进行杰出的机械和电气维护,削减机械、电、热、湿和其他外部要素对芯片功能的影响,保证LED芯片安稳牢靠的作业,才干供给高效 继续的高功能照明和显现作用,完成LED所特有的节能长命优势,促进整个半导体照明和显现产业链良性开展。鉴于国外相关公司出于商场利益的考虑,对相关核 心技能和配备均采纳封闭办法,因而开展自主的大功率LED封装技能特别是白光LED封装设备已火烧眉毛。本文将扼要介绍大功率LED封装范畴的研讨与运用 现状,剖析和总结大功率LED封装过程中的要害技能问题,以期引起国内同行的留意,为完成大功率LED要害技能和配备的自主化而尽力。

  封装工艺技能对LED功能起着至关重要的作用。LED封装办法、资料、结构和工艺的挑选首要由芯片结构、光电/机械特性、详细运用和本钱等要素决议。跟着 功率的增大,特别是固态照明技能开展的需求,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。为了有用地下降封装热阻,进步出光效 率,有必要选用全新的技能思路来进行封装规划。从工艺兼容性及下降出产本钱的视点看,LED封装规划应与芯片规划一起进行,即芯片规划时就应该考虑到封装结 构和工艺。现在功率LED封装结构的首要开展趋势是:尺度小型化、器材热阻最小化、平面贴片化、耐受结温最高化、单灯火通量最大化;方针是进步光通量、光 效,削减光衰、失功率,进步一致性和牢靠性。详细而言,大功率LED封装的要害技能首要包含:热散技能、光学规划技能、结构规划技能、荧光粉涂覆技能、共 晶焊技能等。

  一般的LED节点温度则不能超过120℃,即便是LumiLEDs、Nichia、CREE等推出的最新器材,其最高节点温度仍不能超过1500℃。因而 LED器材的热辐射效应根本能够忽略不计,热传导和对流是LED散热的首要办法。在散热规划时先从热传导方面考虑,因为热量首先从LED封装模块中传导到 散热器。所以粘结资料、基板是LED散热技能的要害环节。

  粘结资料首要包含导热胶、导电银浆和合金焊料三种首要办法。导热胶是在基体内部参加一些高导热系数的填料,如SiC、A1N、A12O3、SiO2等,从 而进步其导热;导电银浆是将银粉参加环氧树脂中构成的一种复合资料,张贴的硬化温度一般低于200℃,具有杰出的导热特性、粘结功能牢靠等长处,但银浆对 光的吸收比较大,导致光效下降。

  基板首要包含陶瓷基板、陶瓷基板和复合基板三种首要办法。陶瓷基板首要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型、工艺简略、本钱低并且简略 制成多种形状等许多长处;Al和Cu都是LED封装基板的优秀资料,因为金属资料的导电性,为使其外表绝缘,往往需经过阳极氧化处理,使其外表构成薄的绝 缘层。金属基复合资料首要有Cu基复合资料、Al基复合资料。Occhionero等人探求了AlSiC在倒装芯片、光电器材、功率器材及大功率LED散 热基板上的运用,在AlSiC中参加热解石墨还能够满意对散热要求更高的工况。未来的复合基板首要有5种:单片电路碳质资料、金属基复合资料、聚合物基复 合资料、碳复合资料和高档金属合金。

  别的,封装界面临热阻影响也很大,改进LED封装的要害在于削减界面和界面触摸热阻,增强散热。因而,芯片和散热基板间的热界面资料挑选十分重要。选用低温或共晶焊料、焊膏或许内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面资料,可大大下降界面热阻。

  内光学规划的要害在于灌封胶的挑选与运用。在灌封胶的挑选上,要求其透光率高、折射率高、热安稳性好、活动性好、易于喷涂。为进步LED封装的牢靠性,还 要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐温环保等特性。现在常用的灌封胶包含环氧树脂和硅胶。其间,硅胶因为具有透光率高(可见光规模内透光率大于99%)、 折射率高(1.4~1.5)、热安稳性好(能耐受200℃高温)、应力低(杨氏模量低)、吸湿性低(小于0.2%)等特色,显着优于环氧树脂,在大功率 LED封装中得到广泛运用。但硅胶功能受环境温度影响较大,然后影响LED光效和光强散布,因而硅胶的制备工艺有待改进。

  外光学规划是指对出射光束进行集聚、整形,以构成光强均匀散布的光场。首要包含反射聚光杯规划(一次光学)和整形透镜规划(二次光学),对阵列模块而言, 还包含芯片阵列的散布等。透镜常用的形状有凸透镜、凹透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等,透镜与大功率LED的装置办法可选用气密性封装和半气密性封 装。近年来,跟着研讨的深化,考虑到封装后的集成要求,用于光束整形的透镜选用了微透镜阵列,微透镜阵列在光路中可发挥二维并行的集聚、整形、准直等作 用,具有摆放精度高、制作便利牢靠、易于与其他平面器材耦合等长处,研讨标明,选用衍射微透镜阵列代替一般透镜或菲涅尔微透镜,可大大改进光束质量,进步 出射光强度,是大功率LED用于光束整形最有出路的新技能。

  LED封装技能和结构先后具有了引脚式、功率型封装、贴片式(SMD)、板上芯片直装式(COB)四个阶段。

  LED脚式封装选用引线架作各种封装外型的引脚,是最早研制成功投放商场的封装结构,种类数量繁复,技能成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。常 用3~5mm封装结构,一般用于电流较小(20~30mA),功率较低(小于0.1W)的LED封装。首要用于外表显现或指示,大规模集成时也可作为显现 屏。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W),寿数较短。

  LED芯片及封装向大功率方向开展,在大电流下发生比5mmLED大10~20倍的光通量,有必要选用有用的散热与不劣化的封装资料处理光衰问题,因而, 管壳及封装也是其要害技能,能承受数W功率的LED封装已呈现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年头开端供货,白光LED光输出达 1871m,光效44.31 lm/W绿光衰问题,开宣布可承受10W功率的LED,大面积管;尺度为2.5mm X2.5mm,可在5A电流下作业,光输出达2001 lm,作为固体照明光源有很大开展空间。

  早在2002年,外表贴装封装的LED(SMDLED)逐步被商场所承受,并取得必定的商场份额从引脚式封装转向SMD契合整个电子职业开展大趋势,许多出产厂商推出此类产品。

  SMDLED是现在LED商场占有率最高的封装结构,这种LED封装结构运用注塑工艺将金属引线结构包裹在PPA塑料之中,并构成特定形状的反射杯,金属 引线结构从反射杯底部延伸至器材旁边面,经过向外平展或向内折弯构成器材管脚。改进型的SMDLED结构是伴跟着白光LED照明技能呈现的,为了增大单个 LED器材的运用功率以进步器材的亮度,工程师开端寻觅下降SMDLED热阻的办法,并引入了热沉的概念。这种改进的结构下降了开始SMDLED结构的高 度,金属引线结构直接置于LED器材底部,经过注入塑料环绕金属结构构成反射杯,芯片置于金属结构之上,金属结构经过锡膏,直接焊接于线路板上,构成笔直 散热通道。因为资料技能的开展,SMD封装技能现已克服了散热、运用寿数等前期存在的问题,能够用于封装1~3W的大功率白光LED芯片。

  COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB,经过基板直接散热,不只能削减支架的制作工艺及其本钱,还具有削减热阻的散热优势。PCB 板能够是低本钱的FR-4资料(玻璃纤维增强的环氧树脂),也能够是高热导的金属基或陶瓷基复合资料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可选用高温 下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技能首要用于大功率多芯片阵列的LED封装,同SMD比较,不只大大进步了封装功 率密度,并且下降了封装热阻(一般为6-12W/mK)。

  从本钱和运用视点来看,COB将成为未来灯具化规划的干流方向。COB封装的LED模块在底板上装置了多枚LED芯片,运用多枚芯片不只能够进步亮度,还 有助于完成LED芯片的合理装备,下降单个LED芯片的输人电流量以保证高功率。并且这种面光源能在很大程度上扩展封装的散热面积,使热量更简略传导至外 壳。传统的LED灯具做法是:LED光源分立器材MCPCB光源模组LED灯具,首要是根据没有适用的中心光源组件而采纳的做法,不光耗工费时,并且 本钱较高。实际上,假如走“COB光源模块LED灯具”的道路,不光能够省工省时,并且能够节约器材封装的本钱。

  总归,无论是单器材封装仍是模组化COB封装,从小功率到大功率,LED封装结构的规划均环绕着怎么下降器材热阻,改进出光作用以及进步牢靠性而打开的。

  光转化结构,即荧光粉涂层结构,首要面向LED白光照明技能,意图是为将LED芯片宣布的波长较短的光线转化为与之互补(颜色互补构成白光)的波长较长的光线。

  现在选用荧光粉发生白光共有三种办法:蓝光LED合作黄色荧光粉;蓝光LED合作赤色、绿色荧光粉;UV-LED合作红、绿、蓝三色荧光粉。其间商品化的 白光LED多属蓝光LED合作黄色荧光粉的单芯片型,蓝光LED合作赤色、绿色荧光粉的白光发生办法只是在Osram、Lumileds等公司的专利上报 道过,但仍未有商品化产品呈现,而UV-LED合作三色荧光粉的办法现在也尚处于开发中。不同荧光粉发生白光LED的优缺点比较见下表。

  现有涂覆办法,如下图所示,各有其优缺点。现在在广泛运用的荧光粉涂覆办法是将荧光粉与灌封胶混合,然后直接点涂在芯片上。因为难以对荧光粉的涂覆厚度和 形状进行准确操控,导致出射光颜色不一致,呈现偏蓝光或许偏黄光。GE公司Arik等人的研讨标明,将荧光粉直接覆盖于芯片之上,会导致荧光粉温度上升, 然后下降荧光粉量子功率,严重影响封装的转化功率。

  而根据喷涂工艺的保形涂层技能可完成荧光粉的均匀涂覆,然后保证了光色的均匀性。但此技能难度大,并且由LED出射的蓝光有很大一部分直接被荧光粉层反射 回芯片上,然后被芯片直接吸收,严重地影响了出光功率。Yamada,Narendran等发现荧光粉背散射特性会使50%~60%的正向入射光向后散 射。

  此外还有一种涂覆办法是使荧光粉层远离LED芯片(例如使荧光粉层坐落LED芯片外的反光杯或散光杯上),则可大幅削减被荧光粉层反射回芯片而被吸收的光 量,然后进步了出光功率。别的,因为荧光粉层与芯片无直触摸摸,芯片发生的热量不会传递到荧光粉层,然后延长了荧光粉层的运用寿数。伦斯特理工学院的 Schubert等人的研讨发现,运用远离荧光粉涂覆工艺能够削减向后散热的光线被芯片吸收的概率,可将LED的发光功率进步7%~16%。中山大学王刚 等人也打开了相关研讨,成果标明选用远离荧光粉涂层可下降荧光粉涂层温度约16.8℃,明显进步荧光粉的转化功率。可是远离涂覆法也有其缺点,因为出于对 其运用荧光粉量较多,荧光粉版的制作与装置工艺也相对较杂乱等本钱问题上的考虑,现在也无法得到广泛推行及工业运用。

  此外,You等人在研讨荧光粉涂层优化的基础上提出了选用多层荧光粉结构,将赤色荧光粉层与黄色荧光粉层别离,黄色荧光粉置于赤色荧光粉之上,试验成果显现,这样的荧光粉涂覆结构能够削减荧光粉涂层间的彼此吸收,封装制品流明功率可进步18%。

  共晶焊技能是大功率LED倒装芯片封装工艺中最为关健的中心技能之一。共晶焊技能在LED封装过程中最为中心的散热问题与固晶问题的长处,正在并将会成为 未来LED封装开展的干流方向。共晶合金具有比纯组元熔点低,熔化工艺简略;共晶合金比纯金属有更好的活动性,在凝结中可防止阻止液体活动的枝晶构成,从 而改进了铸造功能;共晶合金还具有恒温改变特性(无凝结温度规模),能够削减铸造缺点,如偏聚和缩孔;固化后的共晶合金耐性强(挨近金属的耐性),不宜断 裂;共晶凝结可取得多种形状的显微安排,尤其是规矩摆放的层状或杆状共晶安排,可成为优异功能的原位复合资料。正是因为共晶具有如此多的优势,所以运用共 晶工艺制作出的LED封装会具有下降阻抗和提高热传导功率的优势。