大功率LED封裝5個關鍵技術

光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，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。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能。
具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：一、低熱阻封裝工藝對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱界面材料)與工藝、熱沉設計等。
二、高取光率封裝結構與工藝在LED使用過程中，輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要包括三個方面：芯片內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，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、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優于環氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。
三、陣列封裝與系統集成技術經過40多年的發展，LED封裝技術和結構先后經歷了四個階段，
1、引腳式(Lamp)LED封裝引腳式封裝就是常用的3－5mm封裝結構。一般用于電流較小(20－30mA)，功率較低(小于0、1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于封裝熱阻較大(一般高于100K/W)，壽命較短。2、表面組裝(貼片)式(SMT－LED)封裝表面組裝技術(SMT)是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術。具體而言，就是用特定的工具或設備將芯片引腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點，是電子行業最流行的一種封裝技術和工藝。3、板上芯片直裝式(COB)LED封裝COB是ChipOnBoard(板上芯片直裝)的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上，再通過引線鍵合實現芯片與PCB板間電互連的封裝技術。PCB板可以是低成本的FR－4材料(玻璃纖維增強的環氧樹脂)，也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(如鋁基板或覆銅陶瓷基板等)。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合(金絲球焊)和常溫下的超聲波鍵合(鋁劈刀焊接)。COB技術主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻(一般為6-12W/m、K)。4、系統封裝式(SiP)LED封裝SiP(SysteminPackage)是近幾年來為適應整機的便攜式發展和系統小型化的要求，在系統芯片System電源、控制電路、光學微結構、傳感器等)集成在一起，構建成一個更為復雜的、完整的系統。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝兼容性好(可利用已有的電子封裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發周期短等優點。按照技術類型不同，SiP可分為四種：芯片層疊型，模組型，MCM型和三維(3D)封裝型。深圳市歐普特工業材料有限公司專業生產RTV單組份硅橡膠、電子硅膠,有機硅膠,加成型硅橡膠、環氧樹脂灌封膠,led灌封膠。

四、封裝大生產技術晶片鍵合(Waferbonding)技術是指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片(Wafer)上進行，封裝完成后再進行切割，形成單個的芯片(Chip)；與之相對應的芯片鍵合(Diebonding)是指芯片結構和電路在晶片上完成后，即進行切割形成芯片(Die)，然后對單個芯片進行封裝(類似現在的LED封裝工藝)，如圖6所示。很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現有的LED封裝形式(從芯片鍵合到晶片鍵合)，將大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞，提高封裝成品率和可靠性，因而是一種降低封裝成本的有效手段。
五、封裝可靠性測試與估LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導致的灌封膠黃化(hua)、光學性能劣化(hua)等(deng)(deng))和機(ji)(ji)械(xie)失效(如引線(xian)斷裂，脫焊等(deng)(deng))，而這些因素都與封裝結構和工(gong)藝有關。LED的(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)壽(shou)(shou)命(ming)以平均失效時間(jian)(MTTF)來定義(yi)，對(dui)(dui)于(yu)照明用(yong)(yong)途(tu)，一般(ban)指LED的(de)(de)輸出光通(tong)量衰減為初(chu)始(shi)的(de)(de)70％(對(dui)(dui)顯示(shi)用(yong)(yong)途(tu)一般(ban)定義(yi)為初(chu)始(shi)值的(de)(de)50％)的(de)(de)使(shi)用(yong)(yong)時間(jian)。由于(yu)LED壽(shou)(shou)命(ming)長，通(tong)常采取加(jia)速(su)環(huan)境試(shi)驗(yan)的(de)(de)方(fang)法(fa)進(jin)行可靠性測(ce)試(shi)與估(gu)。測(ce)試(shi)內容主要包(bao)括高(gao)溫儲(chu)存(100℃，1000h)、低溫儲(chu)存(－55℃，1000h)、高(gao)溫高(gao)濕(85℃/85％，1000h)、高(gao)低溫循環(huan)(85℃～－55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗(kang)溶性、機(ji)(ji)械(xie)沖擊等(deng)(deng)。然而，加(jia)速(su)環(huan)境試(shi)驗(yan)只是問題的(de)(de)一個方(fang)面，對(dui)(dui)LED壽(shou)(shou)命(ming)的(de)(de)預測(ce)機(ji)(ji)理和方(fang)法(fa)的(de)(de)研究仍是有待研究的(de)(de)難題。