LED封裝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-05-19

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 近幾年，產(chǎn)業(yè)資訊，在全球節(jié)能減排的倡導(dǎo)和各國政府相關(guān)政策支持下，LED照明得到快速的發(fā)展。與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長、體積小、節(jié)能、高效、響應(yīng)速度快、抗震、無污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是可以進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的“綠色照明光源”，LED大規(guī)模應(yīng)用于普通照明是一個必然的趨勢。

　　作為LED產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的LED封裝，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中起著關(guān)鍵的作用。對于封裝而言，其關(guān)鍵技術(shù)歸根結(jié)底在于如何在有限的成本范圍內(nèi)盡可能多的提取芯片發(fā)出的光，同時降低封裝熱阻，提高可靠性。在封裝過程中，封裝材料和封裝方式占主要影響因素。隨著LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，對封裝的要求也越來越高，一方面LED封裝在兼顧發(fā)光角度、光色均勻性等方面時必須滿足具有足夠高的取光效率和光通量；另一方面，封裝必須滿足芯片的散熱要求。因此，芯片、熒光粉、基板、熱界面材料和等封裝材料以及相應(yīng)的封裝方式亟待發(fā)展創(chuàng)新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

　　封裝材料

　　在封裝過程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長期可靠性的關(guān)鍵。高性能封裝材料的合理選擇和使用，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長LED的使用壽命。封裝材料主要包括芯片、熒光粉、基板、熱界面材料。

　　（1） 芯片結(jié)構(gòu)

　　隨著LED器件性能的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開發(fā)，芯片結(jié)構(gòu)也在不斷地改進(jìn)。目前LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)主要有4種，即：正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和三維垂直結(jié)構(gòu)。

　　目前普通的LED芯片采用藍(lán)寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝比較成熟。但由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能較差，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應(yīng)用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一，與正裝結(jié)構(gòu)相比，熱量不必經(jīng)過芯片的藍(lán)寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，進(jìn)而通過金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中。

　　垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)光芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍(lán)寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復(fù)雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個過程實(shí)現(xiàn)難度大，生產(chǎn)合格率也較低。

　　與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比，三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢在于無需打金線， led商業(yè)照明，使得其封裝的厚度更薄、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅(qū)動電流。

　　（2 ）熒光粉

　　隨著人們對LED光品質(zhì)的要求越來越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發(fā)出來，高光效、高顯色指數(shù)、長壽命熒光粉開發(fā)及其涂覆技術(shù)的研究成為關(guān)鍵。目前主流的白光實(shí)現(xiàn)形式是藍(lán)光LED芯片結(jié)合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數(shù)起到重要作用，拓寬了LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域，可以在一些對色彩還原度要求高的場合替代傳統(tǒng)的鹵素?zé)艋蚪瘥u燈。同時，人們也在不斷開發(fā)新型的LED用熒光粉，

　　紅色和綠色熒光粉的加入，顯著提高光源的顯色指數(shù)。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍(lán)光激發(fā)的連續(xù)光譜熒光粉的制備方法，該熒光粉采用氧化鋅、氧化鑭、碳酸鈣等原料，調(diào)節(jié)激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)出470～700nm的連續(xù)光譜。同一基質(zhì)的熒光粉在封裝過程中會體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。

　　半導(dǎo)體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴，突破國外專利壁壘。同時，半導(dǎo)體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長可調(diào)、發(fā)光光譜寬、自吸收小等特點(diǎn)，在白光LED應(yīng)用中具有潛在的市場。

（3） 散熱基板

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率越來越高，LED芯片的熱流密度更大，對封裝基板材料熱阻和膨脹系數(shù)的要求也越來越高。散熱基板發(fā)展迅速，品種也比較多，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料。

　　　金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來強(qiáng)化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內(nèi)。這種技術(shù)能有效解決大功率器件在結(jié)構(gòu)緊湊的趨勢下所帶來的散熱問題。MCPCB熱導(dǎo)率可達(dá)到1～2.2 W/(m·K)。

　　由于MCPCB的介電層沒有太好的熱傳導(dǎo)率(0.3W/(m·K))，使其成為與散熱器的散熱瓶頸。金屬基散熱板具有高的熱導(dǎo)率，照明產(chǎn)品，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環(huán)氧樹脂黏接方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導(dǎo)率就比較高，醫(yī)院led照明，達(dá)1.12 W/(m·K)。

　　陶瓷材料封裝基板穩(wěn)定性好，可能是最有前景的研究方向。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復(fù)雜制作工藝。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術(shù)在熱處理方面與傳統(tǒng)封裝方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、介電常數(shù)和介電損耗低的特點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷基板，所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，其熱導(dǎo)率可達(dá)24～28W/(m·K)。

　　對于LED封裝應(yīng)用而言，散熱基板除具備基本的高導(dǎo)熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、相匹配的膨脹系數(shù)。透明陶瓷材料技術(shù)，酒店led照明，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數(shù)匹配等性能外，同時還有望在封裝器件的光學(xué)性能上有所突破，實(shí)現(xiàn)全空間發(fā)光LED封裝。

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