大功率白光LED封裝技術(shù)的研究

林志龍

（廈門信達(dá)灝天科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在社會(huì)不斷進(jìn)步和發(fā)展的背景下，人們對(duì)照明的要求不僅體現(xiàn)在明亮程度、護(hù)眼等方面，同時(shí)對(duì)節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定、高效等方面，也提出了一定的要求。因此，LED燈開始逐漸受到了人們的高度重視，并且開始大范圍地將其應(yīng)用在實(shí)際生活中，促使LED在照明領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了更好的發(fā)展。因此，為了保證能夠提升LED的照明效果，降低功率，需要對(duì)可靠度比較高的封裝技術(shù)進(jìn)行研究，真正解決LED封裝技術(shù)中存在的不足。以此保證能夠制造出更多高質(zhì)量的LED燈，擴(kuò)大其使用規(guī)模，使LED在照明領(lǐng)域能夠更好地發(fā)展。

1 大功率白光LED封裝技術(shù)概述

在大功率白光LED不斷的發(fā)展過程中，LED的輸入功率得到了非常明顯的改善，在很大程度上提升了LED的實(shí)際發(fā)光亮度，也因此，對(duì)散熱能力、芯片焊接等技術(shù)方面的要求也越來(lái)越高。在這種情況下，對(duì)大功率白光LED封裝技術(shù)進(jìn)行研究和分析非常重要。在實(shí)際的封裝中，主要有以下幾種封裝技術(shù)。

1.1 低熱阻封裝技術(shù)

傳統(tǒng)的照明燈，如白熾燈和熒光燈，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)散熱方面的要求并不高，散熱一般是通過輻射的形式實(shí)現(xiàn)，而白光LED對(duì)散熱方面的要求相對(duì)比較高，一般是利用熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行散熱。但是由于LED發(fā)光材料一般是固體形式的半導(dǎo)體芯片，并且通過電流實(shí)現(xiàn)到處發(fā)光，在這種情況下，能夠通過輻射散發(fā)出去的部分非常少[1]。而對(duì)目前市場(chǎng)中的LED器件來(lái)看，輸入其中的電能，有85%左右都會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能，因此，在實(shí)際的封裝過程中，主要需要對(duì)芯片散熱問題進(jìn)行重點(diǎn)管理，主要包括封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、熱沉設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行管理。針對(duì)LED來(lái)說(shuō)，主要有界面熱阻、內(nèi)部熱阻2個(gè)部分，散熱的基板一般會(huì)吸收來(lái)自芯片的熱量，并且上傳到熱沉上，然后再由熱沉和外界進(jìn)行熱交換。一般情況下，LED散熱基板需要具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：金屬基板的散熱比較高，并且具有一定的高熟導(dǎo)性、電磁屏蔽等優(yōu)勢(shì)，但是金屬熱膨脹系數(shù)比較大；陶瓷基板擁有耐高溫、耐潮濕、散熱性好等優(yōu)勢(shì)，但是在價(jià)格上要比一般的基板貴很多，還沒有廣泛應(yīng)用；高熱傳導(dǎo)可繞基板主要采用了環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)物實(shí)現(xiàn)絕緣，可靠性相對(duì)比較高。

1.2 倒裝焊工藝

針對(duì)該技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要是針對(duì)芯片中的凸點(diǎn)，按照不同芯片的凸點(diǎn)，利用焊料或者是電膠，將芯片和基板連接在一起。在這個(gè)過程中，首先需要在基板、芯片上做出對(duì)應(yīng)的凸點(diǎn)，然后通過貼片的形式將其與設(shè)備對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行回流焊接等，最后再完成對(duì)應(yīng)的填充和固化相關(guān)工作，流程如圖1。倒裝焊技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵內(nèi)容，首先，就是對(duì)芯片和基板凸點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，其次就是正確選擇芯片和凸點(diǎn)焊料。這樣才能夠保證倒裝焊工序能夠更加有效地開展。

圖1 倒裝焊工藝流程圖

1.3 共晶焊工藝

共晶焊技術(shù)主要是將芯片直接焊接到散熱基板和熱沉上，然后將帶有LED芯片的散熱基板、熱沉，直接焊接到封裝器件中，這樣就能夠更好地提升器件實(shí)際散熱能力。在這個(gè)過程中，對(duì)散熱基板的選擇非常重要，一般會(huì)選擇銅、硅、陶瓷等作為材料的基板，其中鋁基覆銅板與上述的材料相對(duì)比，是一種比較新的材料，在散熱性方面也比較好。在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的過程中，共晶材料選擇、焊機(jī)溫度是需要關(guān)注的2個(gè)內(nèi)容，如在焊接中，芯片底表面接觸層，可以選擇金錫合金或者是純錫，進(jìn)而保證芯片能夠更好地被焊接到鍍有金、銀的基板上。再將基板加熱，溫度合適時(shí)，就能夠?qū)⒔鸹蛘咩y元素滲透到底表面的接觸層中，從而保證合金熔點(diǎn)和成分比出現(xiàn)一定變化，使共晶層能夠固化，為后續(xù)的LED芯片焊接到熱沉和散熱基板相關(guān)工作提供支持。

2 器件散熱、空間色度均勻性、色溫的研究

2.1 器件散熱

在傳統(tǒng)的照明期間，一般不會(huì)存在散熱方面的問題，這主要是由于熒光燈等在實(shí)際使用中，燈絲可以達(dá)到比較高的溫度，發(fā)出包括紅外線在內(nèi)的光，利用輻射方式將熱量散發(fā)出去。但是LED發(fā)光機(jī)制略有不同，其主要是靠電子在能帶間躍遷而產(chǎn)生的光，光譜中不包括紅外的部分，因此熱量無(wú)法通過輻射的方式散出，這也是LED叫做冷光源的一個(gè)原因。而在制造過程中，為了保證器件的使用壽命，需要將器件溫度控制在110℃以下，因此，對(duì)LED燈來(lái)說(shuō)，散熱有非常重要的意義。當(dāng)前制作出的大功率白光LED在芯片尺寸會(huì)大于1mm×1mm，在這種情況下，單個(gè)期間耗散的實(shí)際功率一般會(huì)在1W以上，如果只是簡(jiǎn)單的將封裝尺寸按照一定比例進(jìn)行放大，那么芯片的熱量就無(wú)法散出，容易造成芯片、熒光粉快速老化，嚴(yán)重的話還可能會(huì)導(dǎo)致倒裝焊焊錫出現(xiàn)融化的情況，進(jìn)而使芯片失效。并且，在溫度不斷上升時(shí)，LED色度也會(huì)變差，主要原因是隨著溫度的不斷上升，藍(lán)光發(fā)光峰值會(huì)向著長(zhǎng)波長(zhǎng)方向進(jìn)行移動(dòng)，總體的發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)降低，白光色度也就會(huì)變差。綜上，針對(duì)散熱問題來(lái)說(shuō)，如何改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，保證其能夠適應(yīng)芯片出現(xiàn)面積增大而導(dǎo)致的散熱問題，就成了封裝中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容[2]。在解決該問題的過程中，主要以下2種方法：1）在芯片制作中，采用上述提到的倒裝焊結(jié)構(gòu)。LED產(chǎn)生的熱量主要存在于比較薄的源層中，而在封裝完成后，熱量主要利用在管座中的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)散熱，因此普通的芯片結(jié)構(gòu)，會(huì)造成管座和芯片有源層之間溫差不斷變大，導(dǎo)致管芯溫度不斷上升，進(jìn)而影響器件的實(shí)際性能。而在采用倒裝焊相關(guān)技術(shù)后，就可以將熱沉作為一種散熱的導(dǎo)體，并且由于錫具有比較好的傳熱效果，因此散熱效率要明顯高于正面出光的散熱效率。2）對(duì)原有的LED封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用特殊的鋁基板，作為承載器件的一個(gè)平臺(tái)，器件散熱和反光都使用厚度為2mm的鋁制基板，并且將GaN芯片直接黏附在熱沉上，更好地將熱量傳輸出去。3）在集群使用器件的過程中，需要使用通過合適方式進(jìn)行固定的散熱片，在必要的情況下，可以另外加散熱風(fēng)扇。

2.2 色溫與空間色度均勻性

在照明中應(yīng)用的LED一般是集群使用，需要照明系統(tǒng)在空間色度上保證均勻。對(duì)白光來(lái)說(shuō)，一般會(huì)通過色溫對(duì)色度差異性進(jìn)行表征。人眼能夠分辨的色溫差異一般為50K～100K，而當(dāng)前LED之間色度一般不均勻，一些單顆LED器件色溫差異會(huì)達(dá)到800K。經(jīng)過大量的研究后證明，造成角向色溫差異出現(xiàn)的主要原因，是由于熒光粉的厚度不夠均勻，因此，可以通過合理有效的方法，保證在添加熒光粉的相關(guān)工作中，對(duì)其用量、濃度以及覆蓋層的實(shí)際外形情況進(jìn)行控制。

3 大功率白光LED封裝技術(shù)的難點(diǎn)與優(yōu)化對(duì)策

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

在LED不斷發(fā)展和應(yīng)用的過程中，其封裝技術(shù)具有的重要性也不斷地凸顯出來(lái)，針對(duì)大功率白光LED封裝技術(shù)來(lái)說(shuō)，仍存在很多的困難需要解決。LED使用的各種外延材料，內(nèi)部量子效率依然沒有完全發(fā)揮出來(lái)，還存在比較大的提升空間；芯片的取光方式和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依然制約著LED的實(shí)際高光通量，這些問題使LED封裝技術(shù)需要面臨幾個(gè)方面的實(shí)際挑戰(zhàn)。

3.1.1 無(wú)鉛化封裝

無(wú)鉛焊料一直到現(xiàn)在也沒有被所有人認(rèn)同，并且有一些專家會(huì)認(rèn)為其在化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、工藝性能等方面不如傳統(tǒng)的鉛錫焊料。因此無(wú)鉛化封裝技術(shù)應(yīng)用依然處于比較初級(jí)的探索階段，在未來(lái)具有比較好的發(fā)展空間[3]。并且，基于我國(guó)當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)以及環(huán)保方面的發(fā)展來(lái)說(shuō)，采用無(wú)鉛化封裝是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1.2 封裝過程的高集成化

大功率白光LED的實(shí)際封裝技術(shù)面臨的另外一個(gè)問題，就是封裝過程中的高度集成化特點(diǎn)，如果想要保證大功率白光LED器件可以更好地發(fā)展，廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域中，就可以將大功率的芯片應(yīng)用在LED中。由于現(xiàn)階段LED芯片技術(shù)發(fā)展并不是非常樂觀，會(huì)受到一定的限制。因此，可以采用多芯片集成封裝的形式，將小功率的芯片直接集成到一個(gè)基板上，但是這種方式對(duì)封裝結(jié)構(gòu)有比較高的要求，需要保證封裝結(jié)構(gòu)的熱阻比較低。

3.2 封裝流程與優(yōu)化對(duì)策

通過對(duì)LED封裝需要經(jīng)過的程序進(jìn)行分析可以了解到，大功率LED封裝技術(shù)可以直接分成支架設(shè)計(jì)，其中包括取光和散熱、晶片選擇和排列方式、固晶過程和方式、金線線形和粗細(xì)、熒光粉種類以及涂布結(jié)構(gòu)、曲率以及折射率。這6項(xiàng)內(nèi)容對(duì)LED等的散熱情況、光通量、發(fā)光效率、相對(duì)色溫等，都有非常重要的影響，因此每個(gè)環(huán)節(jié)工作都需要給予充分重視，具體封裝流程圖參考圖2。

圖2 大功率LED燈封裝流程圖

3.2.1 熒光膠封裝工藝

LED燈中使用熒光粉的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)光色符合，形成白光，經(jīng)過大量的時(shí)間研究可以了解到，在溫度不斷上升的情況下，熒光粉的量子效率會(huì)出現(xiàn)降低趨勢(shì)，造成出光減少，并且輻射的實(shí)際波長(zhǎng)情況也會(huì)出現(xiàn)變化，最終導(dǎo)致LED出現(xiàn)色度和色溫的變化。同時(shí)，在溫度比較高的情況下，還會(huì)造成熒光粉快速老化，其主要原因是熒光粉土層是由熒光粉和硅膠調(diào)配而成的，在散熱性能上比較差，一旦受到紫光或者是紫外光照射，就容易出現(xiàn)老化等問題，導(dǎo)致發(fā)光效率降低。針對(duì)熒光膠封裝工藝來(lái)說(shuō)，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面的問題：1）改善光斑問題，按照白光的實(shí)際發(fā)光原理可以了解到，如果熒光粉的量過多，發(fā)出的光線就會(huì)比較黃，而量太少會(huì)造成光偏藍(lán)。因此，為了保證能夠發(fā)出白光，解決光斑不夠均勻的問題，需要根據(jù)2層透鏡光輻射圖樣，凸透鏡角度和外封膠形成角度相近原理，選擇熒光粉在支架面上形成的一種凸透鏡，也就是熒光焦點(diǎn)凸杯，用來(lái)改善光斑。同時(shí)，為了保證改善的效果更好，可以通過加入擴(kuò)散劑的方式，提升熒光粉發(fā)光效率。2）提升光通量的措施，在實(shí)際的烘烤過程中，溫度和時(shí)間的不同，對(duì)熒光膠沉淀情況有不同的影響，導(dǎo)致溶液濃度分布容易出現(xiàn)不均勻的情況，造成LED等色溫分布不夠均勻，亮度與光斑無(wú)法達(dá)到擁有的標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對(duì)這種情況，首先，需要通過改善生產(chǎn)工藝提升光通量，即在實(shí)際生產(chǎn)中，短時(shí)間內(nèi)將熒光膠攪拌均勻，加快熒光粉的點(diǎn)速，并且保證半成品能夠在最短時(shí)間內(nèi)接受烘烤，并且按照硅膠特點(diǎn)選擇適合的溫度和時(shí)間，其次，可以在其中加入新物質(zhì)，保證熒光粉即使在高溫環(huán)境中，也能夠保持比較好的混合狀態(tài)。如可以加入能夠同時(shí)吸附有機(jī)物、無(wú)機(jī)物的一種表面活性劑。最后一種方式就是采用倒裝晶片技術(shù)，將混合液直接在晶片上涂抹。在該過程中，需要改變材料，不能夠使用流動(dòng)性比較強(qiáng)的硅膠，可以采用UV膠這種能夠自動(dòng)成型的材料，防止溶液從表面滲出。

3.2.2 大尺寸晶片封裝

當(dāng)前針對(duì)大功率的白光LED來(lái)說(shuō)，想要保證其能夠被廣泛地應(yīng)用在照明領(lǐng)域，完全取代白熾燈，就需要提升總光通量，或者可以形容為提高能夠利用的光通量。由于增加光通量可以通過提升集成度、加大電流密度、使用大尺寸晶片等多種不同的途徑實(shí)現(xiàn)，因此，不僅可以從上述提到的高集成化角度入手，也可以對(duì)大尺寸晶片封裝技術(shù)進(jìn)行深入研究。需要注意的是，與高集成化發(fā)展趨勢(shì)相似，雖然大型的LED晶片能夠獲得更大的光束，但是加大晶片的面積會(huì)造成晶片內(nèi)不發(fā)光層出現(xiàn)電界不均勻等問題，在這種情況下，發(fā)光的部位就會(huì)受到一定局限，并且晶片內(nèi)部產(chǎn)生的光線，在放射到外部時(shí)會(huì)受到一定的影響，出現(xiàn)不斷衰減的情況。因此，當(dāng)前針對(duì)大尺寸晶片的封裝工藝研究來(lái)說(shuō)，需要重點(diǎn)研究對(duì)應(yīng)的抗衰減、散熱技術(shù)，通過完善大尺寸晶片封裝的技術(shù)，提升技術(shù)水平，保證其能夠更好地發(fā)揮作用，真正在大功率LED封裝中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

3.2.3 封裝可靠性的測(cè)試和評(píng)估

LED器件處于失效模式時(shí)，主要體現(xiàn)出以下3種情況：1）電失效。也就是日常生活中比較常見的短路、斷路、光失效等。2）光失效。這種情況主要是由于高溫造成灌封膠出現(xiàn)黃化、光學(xué)性能逐漸劣化等原因造成的。3）機(jī)械失效。如引線出現(xiàn)斷裂的問題，脫焊等。這些問題的出現(xiàn)，與封裝工藝和結(jié)構(gòu)，有非常直接的關(guān)系。因此，針對(duì)LED封裝來(lái)說(shuō)，需要有效地開展可靠性測(cè)試與評(píng)估，利用加速環(huán)境實(shí)驗(yàn)對(duì)使用壽命和可靠性進(jìn)行測(cè)試，如果出現(xiàn)如圖3的失效曲線，則需要進(jìn)一步加強(qiáng)封裝工藝，保證LED的使用安全性和可靠性。

圖3 典型失效率曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

大功率白光LED燈作為當(dāng)前照明領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)組成部分，其發(fā)揮出了不可替代的作用。當(dāng)前在市場(chǎng)中一些功率型的LED還無(wú)法滿足照明的實(shí)際需求，因此需要通過對(duì)相關(guān)的封裝技術(shù)進(jìn)行研究和分析，制定出解決技術(shù)難題的策略。相信在未來(lái)，LED封裝技術(shù)一定能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。