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LED封装的现状及发展趋势分析

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-07-06  来源:《照明》  作者:汤坤 卓宁泽 施丰华 邢海东 刘光熙 王海波  
  1前言
 
  近几年来,在全球节能减排的倡导和各国政府相关政策支持下,LED技术得到不断创新,因而LED照明得到快速的发展[1]。与传统光源相比LED具有寿命长、体积小、节能、高效、响应速度快、抗震、无污染等优点,被认为是可以进入普通照明领域的“绿色照明光源”,今后,LED大规模应用于普通照明是一个必然的趋势[2-4]。
 
  作为LED产业链中承上启下的LED封装,在整个产业链中起着关键的作用[5]。对于封装而言,其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能多的提取芯片发出的光,同时降低封装热阻,提高可靠性[6]。在封装过程中,封装材料和封装方式占主要影响因素。随着LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不断发展,对封装的要求也越来越高,一方面LED封装在兼顾发光角度、光色均匀性等方面时必须满足具有足够高的取光效率和光通量;另一方面,封装必须满足芯片的散热要求。因此,芯片、荧光粉、基板、热界面材料和等封装材料以及相应的封装方式亟待发展创新,以提高LED的散热能力和出光效率。
 
  2封装材料
 
  在封装过程中,封装材料性能的好坏与稳定性是决定LED长期可靠性的关键。高性能封装材料的合理选择和使用,能够有效地提高LED的散热效果,大大延长LED的使用寿命。而封装材料主要包括芯片、荧光粉、基板、热界面材料。
 
  2.1芯片结构
 
  随着LED器件性能的不断发展和应用范围的不断拓宽,尤其是单颗大功率LED的开发,芯片结构也在不断地改进。目前LED芯片的封装结构主要有4种,即正装结构[7]、倒装结构[8]、垂直结构[9]和三维垂直结构[10]。
图1.LED芯片结构(a正装结构、b倒装结构、c垂直结构、d三维垂直结构)                                               
 
  目前,市场上比较普通的LED芯片采用蓝宝石衬底的正装结构,该产品结构简单,制作工艺比较成熟。但由于蓝宝石导热性能较差,芯片产生的热量很难传递到热沉上,在功率化LED应用中受到了限制。而倒装芯片封装是目前的发展方向之一,与正装结构相比,其产品产生的热量不必经过芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,进而通过金属底座散发到外界环境中。
 
  垂直结构的蓝光芯片是在正装的基础上产生的,这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上,再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题,但工艺复杂,特别是衬底转换这个过程实现难度大,生产合格率也较低。
 
  与垂直结构LED芯片相比,三维垂直结构LED芯片的主要优势在于无需打金线,使得其封装的厚度更薄、散热效果更好,并且更容易引入较大的驱动电流。
 
  2.2荧光粉
 
  随着人们对LED光品质的要求越来越高,不同颜色、不同体系的LED用荧光粉逐步被开发出来,高光效、高显色指数、长寿命荧光粉开发及其涂覆技术的研究成为关键。目前主流的白光实现形式是蓝光LED芯片结合黄色YAG荧光粉,但为了得到更好的照明效果,氮化物/氮氧化物红色荧光粉、硅酸盐橙色和绿色荧光粉也得到了广泛的应用。
图2、LED用荧光粉(a黄色荧光粉、b红色荧光粉、c绿色荧光粉)
 
  多色荧光粉的渗入对提高光源显色指数起到重要作用,拓宽了LED光源的应用领域,可以在一些对色彩还原度要求高的场合替代传统的卤素灯或金卤灯。同时,人们也在不断开发新型的LED用荧光粉,
 
  红色和绿色荧光粉的加入,显著提高了光源的显色指数。ZL201210264610.3[11]公开了一种蓝光激发的连续光谱荧光粉的制备方法,该荧光粉采用氧化锌、氧化镧、碳酸钙等原料,调节激活离子Ce3+、Eu3+的含量,可以得到在蓝光激发下发出470~700nm的连续光谱。同一基质的荧光粉在封装过程中会体现出更多的优势。
 
  半导体纳米晶荧光粉也是近年研究比较热门的一个方向,因其有望改变目前LED对稀土材料的依赖,突破国外专利壁垒。同时,半导体纳米晶荧光粉具有尺寸小、波长可调、发光的光谱宽、自吸收小等特点,在白光LED应用中具有潜在的市场。
 
  2.3散热基板
 
  随着LED技术的发展,功率越来越高,LED芯片的热流密度更大,对封装基板材料热阻和膨胀系数的要求也越来越高。散热基板发展迅速,品种也比较多,目前主要由金属芯印刷电路板、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。
 
表1 散热基板应用性能比较
  金属芯印刷电路板(MCPCB)是将原有的印刷电路板(PCB)附贴在另外一种热传导效果更好的金属(铝、铜)上,以此来强化散热效果,而这片金属位于印刷电路板内。这种技术能有效解决大功率器件在结构紧凑的趋势下所带来的散热问题。MCPCB热导率可达到1~2.2 W/(m•K)。
 
  由于MCPCB的介电层没有太好的热传导率(0.3W/(m•K)),使其成为与散热器的散热瓶颈。金属基散热板具有高的热导率,能为器件提供良好的散热能力。将高分子绝缘层及铜箔电路与环氧树脂黏接方式直接与铝、铜板接合,然后再将LED配置在绝缘基板上,此绝缘基板的热导率就比较高,达1.12 W/(m•K)。
 
  陶瓷材料封装基板稳定性好,可能是最有前景的研究方向。与金属材料封装基板相比,其省去绝缘层的复杂制作工艺。多层陶瓷金属封装(MLCMP)技术在热处理方面与传统封装方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料,具有导热系数高、介电常数和介电损耗低的特点,被认为是新一代半导体封装的理想材料。陶瓷覆铜板(DBC)[12]也是一种导热性能优良的陶瓷基板,所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,其热导率可达24~28W/(m•K)。
 
关键词: LED 封装 材料 结构
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