一文讀懂大功率LED封裝技術

大功率LED封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。

LED封裝的功能主要包括：1、機械保護，以提高可靠性;2、加強散熱，以降低晶片結溫，提高LED性能;3、光學控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布;4、供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。

LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由晶片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。隨著晶片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術發(fā)展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。

大功率LED封裝關鍵技術

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝相容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時進行，即晶片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結構進行調整，從而延長了產品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。

低熱阻封裝工藝

對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉變成為熱量，且LED晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括晶片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱介面材料)與工藝、熱沉設計等。

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結構)內部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將 1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，并開發(fā)了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應的陶瓷基板，然后將LED晶片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路，不僅結構簡單，而且由于材料熱導率高，熱介面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強。其中氮化鋁(AIN)的熱導率為 160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.0×10-6/℃(與矽的熱膨脹系數(shù)3.2×10-6/℃相當)，從而降低了封裝熱應力。

研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少介面和介面接觸熱阻，增強散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料(TIM)選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱介面材料，可大大降低介面熱阻。

高取光率封裝結構與工藝

在LED使用過程中，輻射復合產生的光子在向外****時產生的損失，主要包括三個方面：晶片內部結構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損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對晶片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和矽膠。矽膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內部的熱應力加大，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。

螢光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉換效率、穩(wěn)定性(熱和化學)等，其中，發(fā)光效率和轉換效率是關鍵。研究表明，隨著溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉涂層是由環(huán)氧或矽膠與螢光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和螢光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用螢光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及螢光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在螢光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米螢光粉，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%)，并能有效改善光色質量。

傳統(tǒng)的螢光粉涂敷方式是將螢光粉與灌封膠混合，然后點涂在晶片上。由于無法對螢光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformal coating)技術可實現(xiàn)螢光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖4b。但研究表明，當螢光粉直接涂覆在晶片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通過在晶片表面布置一個聚焦透鏡，并將含螢光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)。

總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將螢光粉內摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了螢光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學介面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。

陣列封裝與系統(tǒng)集成技術

經過40多年的發(fā)展，LED封裝術和結構先后經歷了四個階段。

1、引腳式(Lamp)LED封裝

引腳式封裝就是常用的A3-5mm封裝結構。一般用于電流較小(20-30mA)，功率較低(小于0.1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時也可作為顯示幕。其缺點在于封裝熱阻較大(一般高于100K/W)，壽命較短。

2、表面組裝(貼片)式(SMT-LED)封裝

表面組裝技術(SMT)是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術。具體而言，就是用特定的工具或設備將晶片引腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術和工藝。

3、板上晶片直裝式(COB)LED封裝

COB是Chip On Board(板上晶片直裝)的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PCB板上，再通過引線鍵合實現(xiàn)晶片與PCB板間電互連的封裝技術。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂)，也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(如鋁基板或覆銅陶瓷基板等)。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合(金絲球焊)和常溫下的超聲波鍵合(鋁劈刀焊接)。COB技術主要用于大功率多晶片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻(一般為6-12W/m.K)。

4、系統(tǒng)封裝式(SiP)LED封裝

SiP(System in Package)是近幾年來為適應整機的攜帶型發(fā)展和小型化的要求，在系統(tǒng)晶片System on Chip (SOC)基礎上發(fā)展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言，不僅可以在一個封裝內組裝多個發(fā)光晶片，還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學微結構、感測器等)集成在一起，構建成一個更為復雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝相容性好(可利用已有的電子裝裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發(fā)周期短等優(yōu)點。按照技術類型不同，SiP可分為四種：晶片層疊型、模組型、MCM型和三維(3D)封裝型。

目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等措施來實現(xiàn)。而這些都會增加LED的功率密度，如散熱不良，將導致LED晶片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能(如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移，壽命降低等)。多晶片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于紫光晶片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結構簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED(封裝)，則必須采用主動散熱，如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

COB封裝技術與SMD封裝技術比較

COB封裝在LED顯示屏應用領域已漸趨成熟，尤其在戶外小間距領域以其獨特的技術優(yōu)勢異軍突起。特別是在最近兩年，隨著生產技術以及生產工藝的改進，COB封裝技術已經取得了質的突破，以前一些制約發(fā)展的因素，也在技術創(chuàng)新的過程中迎刃而解。

那么，COB封裝技術優(yōu)勢到底在哪里?它與傳統(tǒng)的SMD封裝又有哪些不同?未來它會取代SMD成為LED顯示屏的主流嗎?

技術比較

COB封裝是將LED芯片直接用導電膠和絕緣膠固定在PCB板燈珠燈位的焊盤上，然后進行LED芯片導通性能的焊接，測試完好后，用環(huán)氧樹脂膠包封。

SMD封裝是將LED芯片用導電膠和絕緣膠固定在燈珠支架的焊盤上，然后采用和COB封裝相同的導通性能焊接，性能測試后，用環(huán)氧樹脂膠包封，再進行分光、切割和打編帶，運輸?shù)狡翉S等過程。

優(yōu)劣勢比較

SMD封裝廠能造出高質量的燈珠是勿容置疑的，只是生產工藝過多，成本會相對高些。還會增加從燈珠封裝廠到屏廠之間的運輸、物料倉儲和質量管控成本。

而SMD認為COB封裝技術過于復雜，產品的一次通過率沒有單燈的好控制，甚至是無法逾越的障礙。失效點無法維修，成品率低。

SMD封裝這種單燈珠單體化封裝技術已積累多年的實戰(zhàn)經驗，各家都有絕活，也有規(guī)模，技術成熟，實現(xiàn)起來相對容易。

COB封裝是一項多燈珠集成化的全新封裝技術，實踐過程中在生產設備、生產工藝裝備、測試檢測手段等很多的技術經驗是在不斷的創(chuàng)新實踐中來積累和驗證，技術門檻高難度大。目前面臨的最大困難就是如何提高產品的一次通過率。COB封裝所面臨的是一座技術高峰，但它并非不可逾越，只是實現(xiàn)起來相對困難。

SMD封裝中使用的四角或六角支架為后續(xù)的生產環(huán)節(jié)帶來了技術困難和可靠性隱患。比如燈珠面過回流焊工藝需要解決數(shù)量龐大的支架管腳焊接良率問題。如果SMD要應用到戶外，還要解決好支架管腳的戶外防護良率問題。

而COB技術正是由于省去了這個支架，在后續(xù)的生產環(huán)節(jié)中幾乎不會再有太大的技術困難和可靠性隱患。只面臨兩個技術丘陵：一個是如何保證IC驅動芯片面過回流焊時燈珠面不出現(xiàn)失效點，另一個就是如何解決模組墨色一致性問題。

綜合比較

COB封裝技術：

從封裝開始，一直到顯示屏制造完成，COB封裝技術是整合了LED顯示屏產業(yè)鏈的中下游環(huán)節(jié)，所有的生產都是在一個工廠內完成。這種生產組織形式簡單、流程緊湊、生產效率更高、更加有利于全自動化生產布局。這種組織形式也更有利于產品全過程的質量管控。這種組織形式還是一個有機的整體，在產品研發(fā)階段就要考慮各個生產環(huán)節(jié)可能遇到的問題，綜合評估制定技術實施方案。這種組織形式還可以更好地為終端客戶承擔品質責任。

COB封裝在LED顯示領域這種多燈珠集成化的封裝技術道路上只面臨一座技術高峰，它出現(xiàn)在燈珠的封裝環(huán)節(jié)。而且這種技術并非不可逾越，但也不是誰都能爬得過去的，是一種綜合技術的體現(xiàn)，需要無數(shù)次的失敗和經驗教訓總結，需要多年的技術積累和沉淀，需要堅定、踏實、不怕困難勇于創(chuàng)新的工匠精神。一旦越過這項技術高峰，如同鯉魚跳龍門， 山后的路將是一馬平川,在整個生產環(huán)節(jié)上再也沒有太大的技術難點。從紅色的產品可靠性曲線可以看到，COB封裝一旦將燈珠封好，后續(xù)的生產環(huán)節(jié)對其可靠性幾乎影響不大，在客戶端應用一年以后，可靠性指標和封裝時相差無幾。

SMD封裝技術：

在SMD顯示屏產業(yè)鏈中的封裝企業(yè)和顯示屏企業(yè)是兩類獨立的企業(yè)，產業(yè)利潤是由這兩類企業(yè)來分享的。蛋糕雖大，但企業(yè)多，競爭激烈，利潤薄。這種生產組織形式復雜，會浪費掉一部分產業(yè)利潤和效率，產品質量管控難度相對大。由于封裝環(huán)節(jié)和顯示屏廠環(huán)節(jié)互相獨立，針對生產過程中的技術難關很難有效配合，協(xié)同攻關。終端客戶使用產品一旦出現(xiàn)質量問題，涉及的環(huán)節(jié)多，追責難度大。

從整個生產過程中技術實施的難易程度和對產品可靠性的影響角度來分析，下圖中曲線顏色和意義同前圖。圖中可以看出SMD顯示屏封裝產業(yè)鏈上存在雙駝峰式的技術高峰, 這兩個技術難點都出現(xiàn)在屏廠環(huán)節(jié)，而封裝環(huán)節(jié)由于技術成熟穩(wěn)定，技術難度相對來說不大。所以SMD顯示屏的技術難度疊加在一起一定會超過COB封裝技術的難度。