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5050LED燈珠

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5050LED燈珠-大功率封裝的5種關鍵技術

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5050LED燈珠-大功率封裝的5種關鍵技術

發布日期:2018-05-04 作者:普朗克光電 點擊:

5050LED燈珠(light-emitting diode)已成為國際新興戰略產業界的競爭熱點。在LED產業鏈中,上游包括襯底材料、外延、芯片設計及制造生產,中游涵蓋封裝工藝、裝備和測試技術, 下游為LED顯示照明和燈具等應用產品。目前主要采用藍光LED+黃色熒光粉工藝來實現白光大功率LED,即通過GaN基藍光LED一部分藍光激發 YAG(yttrium aluminum garnet)黃色熒光粉發射出黃光,另外一部分藍光透過熒光粉發射出來,由黃色熒光粉發射的黃光與透射的藍光混合后得到白光。藍光LED芯片出的藍光 透過涂覆在其周圍的黃色熒光粉,熒光粉被一部分藍光激發后發出黃光,藍光光譜與黃光光譜互相重疊后形成白光。

  大功率LED封裝作為產業鏈中承上啟下的重要一環,是推進半導體照明和顯示走向實用化的核心制造技術。只有通過開發低熱阻、高光效和高可靠性的LED封裝 和制造技術,對LED芯片進行良好的機械和電氣保護,減少機械、電、熱、濕和其他外部因素對芯片性能的影響,保障LED芯片穩定可靠的工作,才能提供高效 持續的高性能照明和顯示效果,實現LED所特有的節能長壽優勢,促進整個半導體照明和顯示產業鏈良性發展。鑒于國外相關公司出于市場利益的考慮,對相關核 心技術和裝備均采取封鎖措施,因而發展自主的大功率LED封裝技術特別是白光LED封裝設備已迫在眉睫。本文將簡要介紹大功率LED封裝領域的研究與應用 現狀,分析和總結大功率LED封裝過程中的關鍵技術問題,以期引起國內同行的注意,為實現大功率LED關鍵技術和裝備的自主化而努力。

  封裝工藝技術對LED性能起著至關重要的作用。LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。隨著 功率的增大,特別是固態照明技術發展的需求,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。從工藝兼容性及降低生產成本的角度看,LED封裝設計應與芯片設計同時進行,即芯片設計時就應該考慮到封裝結 構和工藝。目前功率LED封裝結構的主要發展趨勢是:尺寸小型化、器件熱阻最小化、平面貼片化、耐受結溫最高化、單燈光通量最大化;目標是提高光通量、光 效,減少光衰、失效率,提高一致性和可靠性。具體而言,大功率LED封裝的關鍵技術主要包括:熱散技術、光學設計技術、結構設計技術、熒光粉涂覆技術、共 晶焊技術等。

  1、散熱技術

  一般的LED節點溫度則不能超過120℃,即便是Lumileds、Nichia、CREE等推出的最新器件,其最高節點溫度仍不能超過150℃。因此 LED器件的熱輻射效應基本可以忽略不計,熱傳導和對流是LED散熱的主要方式。在散熱設計時先從熱傳導方面考慮,因為熱量首先從LED封裝模塊中傳導到 散熱器。所以粘結材料、基板是LED散熱技術的關鍵環節。

  粘結材料主要包括導熱膠、導電銀漿和合金焊料三種主要方式。導熱膠是在基體內部加入一些高導熱系數的填料,如SiC、A1N、A12O3、SiO2等,從 而提高其導熱;導電銀漿是將銀粉加入環氧樹脂中形成的一種復合材料,粘貼的硬化溫度一般低于200℃,具有良好的導熱特性、粘結性能可靠等優點,但銀漿對 光的吸收比較大,導致光效下降。

  基板主要包括陶瓷基板、陶瓷基板和復合基板三種主要方式。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型、工藝簡單、成本低而且容易 制成多種形狀等諸多優點;Al和Cu都是LED封裝基板的優良材料,由于金屬材料的導電性,為使其表面絕緣,往往需通過陽極氧化處理,使其表面形成薄的絕 緣層。金屬基復合材料主要有Cu基復合材料、Al基復合材料。Occhionero等人探究了AlSiC在倒裝芯片、光電器件、功率器件及大功率LED散 熱基板上的應用,在AlSiC中加入熱解石墨還可以滿足對散熱要求更高的工況。未來的復合基板主要有5種:單片電路碳質材料、金屬基復合材料、聚合物基復 合材料、碳復合材料和高級金屬合金。

  另外,封裝界面對熱阻影響也很大,改善LED封裝的關鍵在于減少界面和界面接觸熱阻,增強散熱。因此,芯片和散熱基板間的熱界面材料選擇十分重要。采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料,可大大降低界面熱阻。

  2、光學設計技術

  LED封裝的光學設計包括內光學設計和外光學設計。

  內光學設計的關鍵在于灌封膠的選擇與應用。在灌封膠的選擇上,要求其透光率高、折射率高、熱穩定性好、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、耐溫環保等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。其中,硅膠由于具有透光率高(可見光范圍內透光率大于99%)、 折射率高(1.4~1.5)、熱穩定性好(能耐受200℃高溫)、應力低(楊氏模量低)、吸濕性低(小于0.2%)等特點,明顯優于環氧樹脂,在大功率 LED封裝中得到廣泛應用。但硅膠性能受環境溫度影響較大,從而影響LED光效和光強分布,因此硅膠的制備工藝有待改善。

fg美人捕鱼  外光學設計是指對出射光束進行會聚、整形,以形成光強均勻分布的光場。主要包括反射聚光杯設計(一次光學)和整形透鏡設計(二次光學),對陣列模塊而言, 還包括芯片陣列的分布等。透鏡常用的形狀有凸透鏡、凹透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等,透鏡與大功率LED的裝配方法可采用氣密性封裝和半氣密性封 裝。近年來,隨著研究的深入,考慮到封裝后的集成要求,用于光束整形的透鏡采用了微透鏡陣列,微透鏡陣列在光路中可發揮二維并行的會聚、整形、準直等作 用,具有排列精度高、制作方便可靠、易于與其他平面器件耦合等優點,研究表明,采用衍射微透鏡陣列替代普通透鏡或菲涅爾微透鏡,可大大改善光束質量,提高 出射光強度,是大功率LED用于光束整形最有前途的新技術。


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