一文讀懂大功率LED封裝技術(shù)

大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)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(jié)溫，提高LED性能;3、光學(xué)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(zhuǎn)變，以及電源控制等。

LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由晶片結(jié)構(gòu)、光電/機械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)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(shù)發(fā)展的需求，對LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機械結(jié)構(gòu)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(shù)思路來進行封裝設(shè)計。

大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)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(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)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(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進行，即晶片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)計等。

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)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(fù)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(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應(yīng)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(qū)動電路及控制補償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)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(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和導(dǎo)電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強度高、絕緣性強。其中氮化鋁(AIN)的熱導(dǎo)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(dāng))，從而降低了封裝熱應(yīng)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(guān)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(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)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(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)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(jié)構(gòu)與工藝

在LED使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：晶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)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(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)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(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)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(zhì)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(dǎo)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(shù)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(dāng)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(nèi)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(xué)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(shù)

經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)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(jié)構(gòu)。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(shù)(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(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將晶片引腳對準(zhǔn)預(yù)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(jīng)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(shù)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(shù)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(shù)。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(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)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(shù)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(yīng)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(chǔ)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(nèi)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(xué)微結(jié)構(gòu)、感測器等)集成在一起，構(gòu)建成一個更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)致LED晶片的結(jié)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(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

COB封裝技術(shù)與SMD封裝技術(shù)比較

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

那么，COB封裝技術(shù)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(shù)比較

COB封裝是將LED芯片直接用導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量的燈珠是勿容置疑的，只是生產(chǎn)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(zhì)量管控成本。

而SMD認為COB封裝技術(shù)過于復(fù)雜，產(chǎn)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(shù)已積累多年的實戰(zhàn)經(jīng)驗，各家都有絕活，也有規(guī)模，技術(shù)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(shù)，實踐過程中在生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝裝備、測試檢測手段等很多的技術(shù)經(jīng)驗是在不斷的創(chuàng)新實踐中來積累和驗證，技術(shù)門檻高難度大。目前面臨的最大困難就是如何提高產(chǎn)品的一次通過率。COB封裝所面臨的是一座技術(shù)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(chǎn)環(huán)節(jié)帶來了技術(shù)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(yīng)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(shù)正是由于省去了這個支架，在后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中幾乎不會再有太大的技術(shù)困難和可靠性隱患。只面臨兩個技術(shù)丘陵：一個是如何保證IC驅(qū)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(shù)：

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

COB封裝在LED顯示領(lǐng)域這種多燈珠集成化的封裝技術(shù)道路上只面臨一座技術(shù)高峰，它出現(xiàn)在燈珠的封裝環(huán)節(jié)。而且這種技術(shù)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(shù)的體現(xiàn)，需要無數(shù)次的失敗和經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)，需要多年的技術(shù)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(shù)高峰，如同鯉魚跳龍門， 山后的路將是一馬平川,在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)上再也沒有太大的技術(shù)難點。從紅色的產(chǎn)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(chǎn)環(huán)節(jié)對其可靠性幾乎影響不大，在客戶端應(yīng)用一年以后，可靠性指標(biāo)和封裝時相差無幾。

SMD封裝技術(shù)：

在SMD顯示屏產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)組織形式復(fù)雜，會浪費掉一部分產(chǎn)業(yè)利潤和效率，產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)過程中的技術(shù)難關(guān)很難有效配合，協(xié)同攻關(guān)。終端客戶使用產(chǎn)品一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，涉及的環(huán)節(jié)多，追責(zé)難度大。

從整個生產(chǎn)過程中技術(shù)實施的難易程度和對產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈上存在雙駝峰式的技術(shù)高峰, 這兩個技術(shù)難點都出現(xiàn)在屏廠環(huán)節(jié)，而封裝環(huán)節(jié)由于技術(shù)成熟穩(wěn)定，技術(shù)難度相對來說不大。所以SMD顯示屏的技術(shù)難度疊加在一起一定會超過COB封裝技術(shù)的難度。