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半导体照明封装发展研究

发布时间:2018/8/7 12:02:22    来源:安徽省照明学会    查看次数:47

半导体照明封装发展研究

在半导体照明产业链中,封装起着承上启下的作用,除了实现基本的电信号连接外,还可以保护芯片免受环境影响,提高光效和增强散热能力,甚至决定着LED性能(影响着光形和光色)的好坏。本报告主要针对LED 封装要求的高光效、高可靠性、智能化要求,阐述包括封装形式、封装材料、封装工艺及光、热、电、机械等方面综合设计。

光学设计

光学性能是评价LED 封装品质高低最直接指标。良好的光学设计要求高流明效率、高光型可控性、高空间颜色一致性等,因此LED不仅要节能,还要适应人眼的舒适要求,提高照明品质。因而计算机光学模拟仿真,设计独特透镜,成为封装的重要环节。此外光学设计也涉及到荧光粉的涂敷工艺,从早期的点胶工艺发展到保型涂敷工艺,LED颜色的一致性、均匀性达到更佳,这符合封装工艺的发展。

电气设计

良好的电气设计应保证LED安全性何和可靠性。由于LED易控制的特点,未来LED的应用应与控制技术结合,因而在封装层面与控制技术结合是未来的一个选项之一。

散热设计

LED散热设计是封装工艺中极为重要的一环,直接决定LED的效率和寿命,需重点研究。目前,大功率LED 光效大幅提高,但仍有超过50%电能转换为热能,散热不佳,导致芯片结温升高,从而降低了芯片的内量子效率,影响寿命,直接导致失效。此外,封装后的LED,热源不仅来自于芯片,还来自于荧光粉颗粒、硅胶、框架自吸收等。因此,需要综合考虑热源,进行良好的封装散热设计,有效耗散掉这些热量。而增强LED封装散热的主要方法是使散热路径的界面变大,路径变短。散热路径往往经历散热界面,而界面连接往往是散热的瓶颈,因而需要重点研究设计。

可靠性设计

封装的可靠性设计涉及材料的选择、工艺的选取、操作的合理、结构的紧凑等方面,良好的封装需减少变形、空洞、脱层、裂纹等。

满足上述提及的LED封装设计要求,需改善封装的材料,包括散热基板、荧光粉、热界面材料、硅胶材料、引线材料等,为此本章节详细阐述了封装材料。

在基板材料方面,早期的封装适应于小功率LED,采用金属支架,形式从直插LED支架、食人鱼LED支架、贴片LED支架发展到大功率LED 支架。然而,由于金属材料的热膨胀系数与LED芯片的热胀系数失配较大,考虑到LED工作循环,结温变化,容易造成微小裂缝,增加界面热阻,因而金属基板不是最佳选择。陶瓷基板由于热胀系数和蓝宝石芯片接近,且部分陶瓷的导热系数好,如AlN陶瓷,接近金属导热系数,因而可以作为大功率LED的理想的封装基板。国外高端的封装产品先后采用了陶瓷封装LED,极大降低了热阻,并且为实现小型化,为采用Molding工艺直接在陶瓷基板上制作硅胶透镜提供可能。典型的产品有LumiLEDs的REBEL、Osram的OSLON等,这些LED适用于高温密闭环境,如高端汽车LED车灯。另外,其他的基板材料有硅、MCPCB等均具有某些缺点而限制使用。此外,作为大功率集成封装的COB金属基板,表面覆银或铜,芯片直接连接其上,具有良好的散热性,但同样具有热失配的问题。从综合性能来看,未来一段时间,封装基板的主流还是金属支架,而高端产品主要是陶瓷基板。

荧光粉材料是直接决定芯片封装后的光色。当前主流产品仍是利用蓝光芯片黄色荧光粉获取白光,但封装的LED显色不佳。而铕激活的硅酸盐荧光粉在蓝光激活下可以发出绿光、黄光、橙红色光、红光,封装的LED颜色丰富,显色性好,效率高,可替代黄色荧光粉。然而,硅酸盐耐水、耐热性能不加,需对荧光粉表面进行处理,因此,利用纳米技术制备包裹硅酸盐荧光粉材料,将是未来提高硅酸盐荧光粉应用的一个重要手段。

近年,氮氧化物的荧光粉材料开始发展,主要用于制备高性能的红光荧光粉。利用氮氧化物和YAG 荧光粉得到的白光LED不仅显色指数高,且具有较高的颜色稳定性。然而,氮氧化物荧光粉价格昂贵,更多的是作为黄色荧光粉的补光材料,以此改善LED的红光部分发光不足的问题,提高显色性。综合来看,未来几年,荧光粉主要还是黄色荧光粉,但LED更加强调显色性,必须牺牲部分效率,添加红色荧光粉。此外,硅酸盐荧光粉已经得到部分应用,具有很大的应用潜力。

此外,上述提及过,热界面往往是决定LED热阻的瓶颈,因而,热界面材料非常重要。目前,LED 封装常用的热界面材料有导热胶、导热银胶、金属焊膏等。导热胶仅限于小功率LED 封装应用;导电银胶比导热胶稍好,主要应用于中小功率LED 封装;焊膏固晶与LED芯片形成化学键连接,散热效果好,提高了LED 器件可靠性,将是未来大功率LED主要热界面材料。此外,近年来一些新型的TIM 材料与技术开始应用于大功率LED 封装,如利用纳米技术实现热界面材料。未来热界面材料仍将继续发展,以降低热阻。

另外,为提高出光效率,灌封胶材料和透镜材料将获得持续发展,要求具有高折射率,耐高温性、耐冲击性、耐紫外线且具有恰当的硬度,适合成型、易加工,以便光学设计。而在引线材料方面,金线仍是未来主流。

上述各种封装材料的发展,使得LED的封装形式和工艺取得长足进步。早期的LED封装主要是为了实现芯片保护功能和电气连接,因而散热、光学设计考虑较少,封装形式也是简单引脚式封装。随着功率加大,需要考虑到散热性能,因而发展到现在贴片式封装,进一步考虑散热发展到典型的大功率“Luxeon LED”支架式封装;直至最近,利用Molding工艺在陶瓷基板上利用COB技术封装大功率LED。从以上封装形式发展看,散热要求越来越高,功率越来越大,封装形式也逐渐简化,这是单颗粒封装发展的趋势。

随着大功率LED 照明的快速发展,越来越多的应用需要单个LED 封装模块产生较多的光通量,因此,多芯片封装是未来的一个发展方向之一。多芯片LED 封装的热流密度和热量更加集中,它主要采用金属基板作为热衬,利用COB技术封装,散热路径短,模块紧凑。此外,高性能多芯片集成COB封装则利用陶瓷基板。为进一步降低成本,研发低成本、大批量、高质量的LED 封装技术也成了亟待解决的难点和热点,极有前景的晶圆级封装以及卷对卷LED 封装也在逐渐兴起。封装形式将逐渐趋向上游产业链方向发展,封装成本越来越低。甚至,随着LED 封装的集成化,也有人提出将驱动电路集成到LED 封装中,实现系统级封装(system on package)。

未来,计算机仿真技术进一步发展,封装的光场、热场、可靠性均可通过计算机模拟仿真,这也是未来发展的趋势。