張寅 施豐華 徐文飛 范供齊 王海波

(1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009;2.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，江蘇南京210015)

1 引言

隨著照明技術(shù)的發(fā)展，大功率白光LED將是未來(lái)照明的核心。白光LED作為新型光源，與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長(zhǎng)、體積小、節(jié)能、高效、響應(yīng)速度快、抗震、無(wú)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”，尤其是大功率白光LED的誕生被業(yè)界稱(chēng)為“照明領(lǐng)域的第四次革命”，LED大規(guī)模應(yīng)用于普通照明是一個(gè)必然的趨勢(shì)［1～3］。

LED的產(chǎn)業(yè)鏈總體分為上、中、下游，分別是LED外延片、LED封裝、LED產(chǎn)品應(yīng)用。其中關(guān)于LED封裝，特別是大功率LED封裝不能再按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與生產(chǎn)模式(傳統(tǒng)的大功率LED封裝技術(shù)存在著一些不足，如散熱問(wèn)題、光取出方式等等)［4～6］。大功率LED封裝不僅結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，而且對(duì)封裝材料有一定的要求，因此，當(dāng)前需要對(duì)傳統(tǒng)的封裝工藝進(jìn)行研究?，F(xiàn)在我們所面臨的挑戰(zhàn):尋找導(dǎo)熱性能優(yōu)良的封裝材料;優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu);改進(jìn)封裝工藝。

隨著照明技術(shù)的發(fā)展，為了滿足普通照明的要求，大功率芯片隨之誕生，這就對(duì)LED封裝的熱學(xué)、電學(xué)、機(jī)械提出了更高要求，傳統(tǒng)的小功率LED封裝結(jié)構(gòu)和工藝難以滿足要求。

2 大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于普通白光LED，大功率LED芯片具有較大的熱流率會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。研究發(fā)現(xiàn)，LED器件的光通量與芯片的取光方式和出光效率的封裝設(shè)計(jì)有關(guān)，因此LED封裝方式將會(huì)向以下的幾個(gè)方向發(fā)展。

2.1 低熱阻封裝工藝

傳統(tǒng)的照明對(duì)散熱問(wèn)題要求不高，白熾燈、熒光燈可以通過(guò)輻射的方式進(jìn)行散熱。白光LED以熱傳導(dǎo)為主進(jìn)行散熱，LED是由固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，采用電致發(fā)光，所以其熱量?jī)H有極少部分通過(guò)輻射散發(fā)出去［7］。對(duì)現(xiàn)有的LED器件而言，輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成熱能，所以芯片散熱管理對(duì)LED封裝意義重大。芯片散熱管理主要包括芯片的位置、封裝材料(散熱基板、熱界面材料)、封裝結(jié)構(gòu)(如熱學(xué)界面)還有熱沉設(shè)計(jì)等。

LED封裝兩大主要熱阻內(nèi)部熱阻和界面熱阻，熱阻的封裝材料散熱基板。芯片所產(chǎn)生的熱量被散熱基板所吸收，并傳到熱沉上，通過(guò)熱沉實(shí)現(xiàn)與外界進(jìn)行熱交換。常見(jiàn)的LED散熱基板的類(lèi)型有:(1) 高散熱金屬基板:擁有高熱導(dǎo)性、高耐熱性、電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，金屬基板其缺點(diǎn)是金屬熱膨脹系數(shù)很大。(2) 陶瓷基板散熱性更好，且耐高溫，耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，但是由于價(jià)格是普通基板的數(shù)倍，所以至今還沒(méi)能成為散熱型基板的理想材料。(3) 高熱傳導(dǎo)可繞基板與傳統(tǒng)的可繞基板相同，唯獨(dú)在絕緣層方面，采用軟質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂充填高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)物，具有柔軟可繞，高可靠性的優(yōu)點(diǎn)［8］。以上基板的熱導(dǎo)率如表1所示:

表1 各種基板的熱導(dǎo)率

2.2 倒裝芯片封裝技術(shù)

傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu)，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹(shù)脂，下面采用藍(lán)寶石為襯底。在傳統(tǒng)的正裝LED芯片封裝方式中，由于P型GaN摻雜非常困難，現(xiàn)在大多數(shù)采用的方法是在P型GaN上制備金屬透明電極(見(jiàn)圖1)，使電流穩(wěn)定擴(kuò)散，達(dá)到均勻發(fā)光的目的。這種正裝結(jié)構(gòu)的PN結(jié)是通過(guò)藍(lán)寶石襯底來(lái)進(jìn)行散熱，由于環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱能力很差，藍(lán)寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱阻大，導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)不出去，從而影響各個(gè)器件的正常工作。

圖1 傳統(tǒng)正裝LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖

為了克服傳統(tǒng)正裝LED芯片的缺陷，采用了先進(jìn)的倒裝芯片(flip chip)技術(shù)，是在芯片的P極和N極下方用金線焊線機(jī)制作兩個(gè)金絲球焊點(diǎn)(如圖2)，作為電極的引出機(jī)構(gòu)，用金線來(lái)連接芯片外側(cè)和Si底板。這就克服正裝芯片出光效率和電流問(wèn)題的弊端。從芯片PN極上的熱量通過(guò)金絲球焊點(diǎn)傳到Si熱沉，Si是散熱的良導(dǎo)體，其散熱效果遠(yuǎn)好于靠藍(lán)寶石來(lái)散熱。利用倒裝芯片封裝技術(shù)不但提高了LED的壽命，而且使LED整體散熱性能有了一次飛躍［9～10］。

圖2 Flip chip倒裝芯片結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 熱學(xué)封裝技術(shù)

能否成功地解決散熱問(wèn)題對(duì)大功率白光LED的發(fā)光效率和可靠性有很大的影響。對(duì)于單顆LED來(lái)說(shuō)，熱量全部來(lái)自于芯片，而芯片的尺寸很小熱量不能及時(shí)的散發(fā)出去，會(huì)加速芯片和熒光粉的老化，還可導(dǎo)致倒裝焊的焊錫融化，使芯片失效。當(dāng)溫度超過(guò)一定值，器件的的失效率呈指數(shù)規(guī)律變化，數(shù)據(jù)顯示:元器件溫度每上升2℃，可靠性降低10%。為了保證器件的壽命，一般要求PN極的溫度在110℃以下，因此芯片散熱是LED封裝必須解決的問(wèn)題［11］。解決熱的問(wèn)題有兩種辦法:一是提高芯片內(nèi)量子效率，即提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生;二是LED結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使內(nèi)部的熱量加快散發(fā)，有效地降低芯片的溫度［12］。

封裝界面對(duì)熱阻的影響也是很大的，若不正確處理界面，難于獲得良好的散熱效果。改善LED封裝的關(guān)鍵界面之間的空隙，增強(qiáng)散熱。所以選擇芯片和散熱基板的材料十分重要，LED常用的封裝材料為導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱率很低，使界面熱阻很高。采用低溫的錫膏作為熱界面材料，界面熱阻大大地降低了。為了取得更好的散熱效果，引入了新的固晶工藝，即共晶焊接技術(shù)，以Si片焊接作為熱沉與晶粒之間的連接材料(結(jié)構(gòu)如圖3)其散熱效果與物理特性遠(yuǎn)好于以往使用的Ag膠(Ag膠的熱阻高，采用Ag膠就等于人為地在芯片和熱沉之間加上一層熱阻)，取得了良好的導(dǎo)熱效果。

圖3 大功率高亮度白光LED結(jié)構(gòu)示意圖

3 封裝技術(shù)的發(fā)展方向

LED封裝技術(shù)主要是向高可靠性、高發(fā)光效率、高散熱能力與薄型化發(fā)展。從芯片來(lái)看，水平式芯片最為普遍，垂直式芯片與覆晶型芯片是由一些比較有實(shí)力的廠家進(jìn)行研發(fā)，水平式LED使用藍(lán)寶石作為基板，其散熱性能較差，光取出效率下降幅度較大，在高電流驅(qū)動(dòng)下。垂直式芯片使發(fā)光層的材料得以充分應(yīng)用，電流密度增大，LED電阻降低，熱量減少，大功率白光LED倒裝芯片的電流分布的均勻性和散熱能力得到提升，從而有效改善倒裝芯片的質(zhì)量和性能。大功率白光LED的封裝主流方向如下:

3.1 COB封裝技術(shù)

COB封裝是指直接在電路板上黏貼裸外延片，并將導(dǎo)線直接焊接在PCB的鍍金線路上，再通過(guò)封膠技術(shù)，將IC制造過(guò)程中的封裝步驟轉(zhuǎn)移到電路板上直接組裝。COB的優(yōu)點(diǎn)在于:線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高成本效益、節(jié)省系統(tǒng)空間等，但存在著芯片整合亮度、色溫調(diào)和與系統(tǒng)整合的技術(shù)問(wèn)題。

MCOB技術(shù)好，能夠有效提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，更重要的是降低成本，所以MCOB技術(shù)將是LED行業(yè)的一種主流的封裝形式。這是一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)，MCOB可以有效提高產(chǎn)品效率。中科院提供了關(guān)鍵技術(shù)，成功地解決了MCOB成本和散熱問(wèn)題，即磁控建設(shè)技術(shù)有效地提高了反射率?；谶@種技術(shù)，是將基材和芯片的直接接觸，散熱結(jié)構(gòu)只有一層，散熱基片上的熱量可以直接傳到基板上。由于MCOB封裝的芯片可以大大降低成本，所以可以認(rèn)為在不久的將來(lái)LED照明的成本可以做到比節(jié)能燈高一點(diǎn)或者持平。

3.2 高電壓直流芯片封裝

正裝結(jié)構(gòu)的高電壓LED芯片:把一個(gè)芯片的外延層分割成數(shù)個(gè)芯片單元，并把它們串聯(lián)起來(lái)，則構(gòu)成高電壓芯片。晶元推出正裝結(jié)構(gòu)的高電壓直流芯片，其中紅光芯片HF27A的電壓為34伏，效率達(dá)到128 lm/W，白光達(dá)到135 lm/W(5000k)。

3.3 無(wú)金線封裝

晶科電子最新推出的陶瓷基光源產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品采用倒裝焊技術(shù)產(chǎn)品基于APT專(zhuān)利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單芯片及多芯片模組的無(wú)金線、無(wú)固晶膠封裝，具有高亮度、高光效、高可靠性、低熱阻、顏色一致性好等特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

封裝技術(shù)關(guān)鍵在于優(yōu)良的封裝結(jié)構(gòu)、良好的散熱性能、低熱阻和低機(jī)械應(yīng)力。照明白光LED受多重因素的影響，其中色度穩(wěn)定性和均勻性、散熱條件對(duì)LED的性能影響比較大。LED封裝設(shè)計(jì)需要對(duì)光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行綜合的考慮，使這幾個(gè)方面相互達(dá)到平衡，以達(dá)到最佳效果。大功率白光LED封裝只有通過(guò)不斷地采用新工藝、新材料、新思路才能得以發(fā)展。

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