COB封装最新技术.docx

大功率LED封装技术解析一、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，以降低晶片结温，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晶片结构、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。随着晶片功率的增大，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。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应 与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。 否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整， 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晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解 决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介 面材料)与工艺、热沉设计等。性能（含可能性，加工性.成本）图1大功率LED封装技术图2低温共烧陶瓷金属基板LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻 和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，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矽、金属（如 铝，铜)、陶瓷(如A12O3, AIN, SJC)和复合材料等。如Nichia公 司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm晶片倒装在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墓板预图2,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晶片和相应 的陶瓷基板，然后将LED晶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、耍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，热介面少，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(AIN和Al2O3)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3所示。其中氮化铝(AIN)的热导率为160W/mk， 热膨胀系数为4.0x10-6/°C(与矽的热膨胀系数3.2x10-6/°C相 当)，从而降低了封装热应力。研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面， 就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的介面在高温下 可能存在介面间隙，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介面和介面接触热阻，增强散热。因此， 晶片和散热基板间的热介面材料(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/mK， 致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒 的导电胶作为热介面材料，可大大降低介面热阻。图3覆铜陶瓷基板截面示意图(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：晶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，很多光线无法从晶片中出射到 外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)， 由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失， 提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护， 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 胶包括环氧树脂和矽胶。矽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，提高矽胶折射率可有 效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但矽胶性 能受环境温度影响较大。随着温度升高，矽胶内部的热应力加大，导 致矽胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。萤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，萤光粉量子效率降低， 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萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是 由环氧或矽胶与萤光粉调配而成，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 下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在 1pm以上，折射率大于或等于1.85,而矽胶折射率一般在1.5左右。 由于两者间折射率的不匹配，以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限 (30nm)，因而在萤光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通 过在矽胶中掺入纳米萤光粉，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。传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶 片上。由于无法对萤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)技术可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了 光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表 面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性， 而且大大提高了光效(60%)，如图4(c)。图4大功率白光LED封装结构总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高 折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将萤光粉内掺或外涂 于玻璃表面，不仅提高了萤光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此 外，减少LED出光方向的光学介面数，也是提高出光效率的有效措 施。(三) 、阵列封装与系统集成技术经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段， 如图5所示。图5LED封装技术和结构发展1、弓I脚式(Lamp)LED封装引脚式封装就是常用的A3-5mm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。主要用于仪表显 示或指示，大规模集成时也可作为显示幕。其缺点在于封装热阻较大 (一般高于100K/W)，寿命较短。2、表面组装侦占片）式（SMTLED）封装表面组装技术（SMT）是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到 PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工 具或设备将晶片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然 后直接贴装到未钻安装孔的PCB表面上，经过波峰焊或再流焊后， 使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠 性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一 种封装技术和工艺。3、板上晶片直装式（COB）LED封装COB是Chip On Board板上晶片直装）的英文缩写，是一种通 过粘胶剂或焊料将LED晶片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合 实现晶片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的 FR-4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或 陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高 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技术主要用于大功率多晶片阵列的LED封装，同SMT相比， 不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻（一般为 6-12W/m.K）。4、系统封装式（SiP）LED封装SiP（System in Package）是近几年来为适应整机的携带型发 展和小型化的要求，在系统晶片System on Chip （SOC）基础上发 展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一 个封装内组装多个发光晶片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、 控制电路、光学微结构、感测器等）集成在一起，构建成一个更为复 杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺相容性好（可 利用已有的电子装装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多 新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同， SiP可分为四种：晶片层叠型、模组型、MCM型和三维（3D）封装型。目前，高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高 总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提 高集成度、加大电流密度、使用大尺寸晶片等措施来实现。而这些都 会增加LED的功率密度，如散热不良，将导致LED晶片的结温升高， 从而直接影响LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移， 寿命降低等)。多晶片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的 方案，但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连 接，特别是散热等问题。由于紫光晶片的高密度集成，散热基板上的 温度很高，必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉 结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片， 通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单， 可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低， 集成度不高的情况。对于大功率LED(封装)，则必须采用主动散热， 如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。在系统集成方面，台湾新强光电公司采用系统封装技术(SiP)， 并通过翅片+热管的方式搭配高效能散热模组，研制出了 72W、80W 的高亮度白光LED光源，如图6。由于封装热阻较低(4.38°C/W)， 当环境温度为25C时，LED结温控制在60C以下，从而确保了 LED 的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用COB封装和 微喷主动散热技术，封装出了 220W和1500W的超大功率LED白 光光源，如图7。图6 72W高亮度LED封装模块图7220W超大功率LED照明模块(四) 、封装大生产技术晶片键合(Wafer bonding)技术是指晶片结构和电路的制作、 封装都在晶片(Wafer)上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的 晶片(Chip);与之相对应的晶片键合(Die bonding)是指晶片结构和 电路在晶片上完成后，即进行切割形成晶片(Die)，然后对单个晶片 进行封装(类似现在的LED封装工艺)，如图8所示。很明显，晶片 键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中 占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式(从晶片键合到晶片 键合)，将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高 LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构 的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效 手段。此外，对于大功率LED封装，必须在晶片设计和封装设计过程 中，尽可能采用工艺较少的封装形式，同时简化封装结构，尽可能减 少热学和光学介面数，以降低封装热阻，提高出光效率。图8芯片的封装技术(五) 、封装可靠性测试与评估LED器件的失效模式主要包括电失效(如短路或断路)、光失效 (如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等)和机械失效(如引线断 裂、脱焊等)，而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿 命以平均失效时间(MTTF)来定义，对于照明用途，一般指LED的输 出光通量衰减为初始的70%(对显示用途一般定义为初始值的50%) 的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行 可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存(100°C, 1000h)、 低温储存(-55C, 1000h)、高温高湿(85C/85%, 1000h)、高低 温回圈(85C-55C)、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。 然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理 和方法的研究仍是有待研究的难题。三、固态照明对大功率LED封装的要求与传统照明灯具相比，LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来 产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且可以实现动态或渐变的色彩 变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需 要。但对其封装也提出了新的要求，具体体现在：（一）模组化通过多个LED灯（或模组）的相互连接可实现良好的流明输出叠 加，满足高亮度照明的要求。通过模组化技术，可以将多个点光源或 LED模组按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。（二）系统效率最大化为提高LED灯具的出光效率，除了需要合适的LED电源外，还 必须采用高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计E提高 整个系统效率。（三）低成本LED灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势（主要指初期 安装成本），而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分，因此， 采用新型封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现LED灯具商品 化的关键。（四）易于替换和维护由于LED光源寿命长，维护成本低，因此对LED灯具的封装可 靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效 率更高的LED晶片封装要求，并且要求LED晶片的互换性要好，以 便于灯具厂商自己选择采用何种晶片。LED灯具光源可由多个分散式点光源组成，由于晶片尺寸小， 从而使封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集 成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提 供了充分的想像空间。此外，LED照明控制的首要目标是供电。由 于一般市电电源是高压交流电（220V，AC），而LED需要恒流或限 流电源。因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路（ASICs），以实现 先进的校准和闭环反馈控制系统，对固态光源的使用和控制主要依靠 智慧控制和管理软体来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的 关联，并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。四、结束语LED封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力 学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅 是一门制造技术，而且也是一门基础科学，良好的封装需要对热学、 光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应 与晶片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。 在封装过程中，虽然材料（散热基板、萤光粉、灌封胶）选择很重要， 但封装结构（如热学介面、光学介面）对LED光效和可靠性影响也很 大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于 LED灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。全球LED可以划分为三大阵营一个是日本、欧美为代表的阵营。全球五大LED巨头均属此阵营， 包括日亚化学、丰田合成、Lumileds、Cree和Osram。这个阵营还包 括东芝、松下和夏普。这个阵营技术一流，专利丰厚，在超高亮度 LED领域耕耘多年，目标市场是通用照明以及汽车照明。日本企业会 少量兼顾消费类电子产品背光用LED，欧美企业则对消费类电子产品 背光用LED毫无兴趣。第二个阵营是韩国和台湾厂家，这个阵营的厂家拥有消费类电子 完整产业链，关注消费类电子产品背光用LED，其技术与欧日美企业 有差距，尤其是通用照明领域。不过它们正在享受高速成长期。最后是中国大陆厂家，中国大陆厂家规模小，数量分散，技术低 下。以封装为例，韩国的封装厂不超过5家，而中国大陆有近千家， 很多厂家从事最低技术含量的树脂封装，从事SMD封装的企业屈指可 数。近千家封装厂年收入不及一个台湾龙头亿光的收入，而亿光跟韩 国厂家的差距也很大。中国大陆厂家的技术低下，大多从事四元黄绿 光LED生产，主要用于户外景观、装饰或广告。中国大陆虽然是全球 最大的消费类电子产品生产基地，但是采购权不在大陆厂家手中，都 集中在台湾和韩国厂家手中。消费类电子领域LED市场的高速成长， 大陆厂家看得到，吃不到。至于通用照明领域，更是鞭长莫及，技术 落后太多。