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| LED集成封裝的那些事，看這篇就懂了 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2016/1/27 11:42:00 |
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多芯片LED集成封裝是實(shí)現大功率白光LED照明的方式之一。本文歸納了集成封裝的特點(diǎn)，從產(chǎn)品應用、封裝模式，散熱處理和光學(xué)設計幾個(gè)方面對其進(jìn)行了介紹，并分析了集成封裝的發(fā)展趨勢，隨著(zhù)大功率白光LED在照明領(lǐng)域的廣泛應用，集成封裝也將得到快速發(fā)展。
目前，實(shí)現大功率LED照明的方法有兩種：一是對單顆大功率LED芯片進(jìn)行封裝，二是采用多芯片集成封裝。對于前者來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)芯片技術(shù)的發(fā)展，尺寸增大，品質(zhì)提高，可通過(guò)大電流驅動(dòng)實(shí)現大功率LED，但同時(shí)會(huì )受到芯片尺寸的限制，后者具有更大的靈活性和發(fā)展潛力，可根據照度不同來(lái)改變芯片的數量，同時(shí)它具有較高的性?xún)r(jià)比，使得LED集成封裝成為L(cháng)ED封裝的主流方向之一。
集成封裝產(chǎn)品的應用
據報道，美國UOE公司于2001年推出了采用六角形鋁板作為基板的多芯片組合封裝的Norlux系列LED；Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用在公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCCM）技術(shù)封裝的大功率LED陣列；松下公司于2003年推出由64顆芯片組合封裝的大功率白光LED；億光推出的6.4W、8W、12W的COB LED系列光源，采用在MCPCB基板多芯片集成的方式，減少了熱傳遞距離，降低了結溫。
李建勝等在分析LED日光燈各種技術(shù)方案的基礎上，采用COB工藝，將小功率芯片直接固定在鋁基板上，制成高效散熱的COB LED日光燈，從2009年開(kāi)始已經(jīng)用45000支LED日光燈對500輛世博公交車(chē)和近4000輛城市公交車(chē)進(jìn)行改裝，取代原有熒光燈，得到用戶(hù)好評，服務(wù)于上海世博會(huì )及城市交通。
楊朔利用多芯片集成封裝的LED光源模塊開(kāi)發(fā)出一款LED防爆燈，采用了熱管散熱技術(shù)。這種LED防爆燈亮度高，照射距離長(cháng)，可靠性高，散熱性能好，壽命長(cháng)。
LED集成封裝的特點(diǎn)
集成封裝也稱(chēng)多晶封裝，是根據所需功率的大小確定基板底座上LED芯片的數目，可組合封裝成1W、2W、3W等高亮度的大功率LED器件，最后，使用高折射率的材料按光學(xué)設計的形狀對芯片進(jìn)行封裝。
集成封裝特有的封裝原理決定了它具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如：（1）就我國而言大功率芯片的研發(fā)處于落后的位置，采用集成封裝不失為一種發(fā)展的捷徑，更符合我國的基本國情；（2）芯片可以設計為串聯(lián)或者并聯(lián)，靈活地適應不同的電壓和電流，便于驅動(dòng)器的設計，提高光源的光效和可靠性；（3）一定面積的基板上芯片的數目可以自由控制，根據客戶(hù)的要求，可以封裝成點(diǎn)光源或者面光源，形式多樣；（4）芯片直接基板相連，降低了封裝熱阻，散熱問(wèn)題易處理。
然而，對于集成封裝而言，同樣存在一些不足：（1）由于多芯片集成封裝在一塊基板上，導致所得的光源體積較大；（2）多顆芯片通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，相對于單顆芯片而言其可靠性較差，將導致整體光源受影響；（3）雖然多芯片封裝相對于單顆同功率大芯片來(lái)說(shuō)，散熱能力強，但由于多顆芯片同時(shí)散熱，熱散失程度不同，會(huì )引起芯片間的溫度不同，影響壽命，故散熱問(wèn)題的處理也很關(guān)鍵；（4）二次光學(xué)的設計問(wèn)題，多芯片出光角度不同，需要在一次光學(xué)設計的基礎上進(jìn)行二次光學(xué)設計，以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。
集成封裝過(guò)程中機械、熱學(xué)、光學(xué)的研究
集成封裝由于其所具有的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了LED封裝方式的主流方向，近年來(lái)引起很多企業(yè)和科研院所的關(guān)注并開(kāi)展了大量的研究，申請了相關(guān)的專(zhuān)利，這些都在極大的促進(jìn)集成封裝技術(shù)的發(fā)展。
（1）封裝結構模式
當前多芯片集成封裝的主流形式就是多顆芯片之間以串并聯(lián)的方式直接與基板相連接，然后對芯片進(jìn)行獨立封裝或者是封裝于同一透鏡下面。
徐向陽(yáng)等申請的專(zhuān)利中，將多顆芯片直接固晶在鋁基板上，涂覆熒光粉后，再在每顆LED芯片外面封蓋一個(gè)光學(xué)透鏡。工藝簡(jiǎn)單，封裝材料精簡(jiǎn)，同時(shí)熱阻降低，光效提高，此外還便于組裝成LED照明燈具產(chǎn)品，相對于同功率的單顆芯片封裝模式而言，COB模塊化LED封裝技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。
李建勝根據一般集成封裝中存在的層結合面和較長(cháng)的熱傳導距離問(wèn)題提出了一種COB集成封裝工藝。即在鋁質(zhì)PCB集成電路板上刻一些有利于芯片發(fā)光光線(xiàn)擴散的反光腔，將多顆芯片逐一植入腔內，同時(shí)在其周?chē)L制PCB線(xiàn)路，將芯片電極引線(xiàn)焊接至此，導通電路，最后在腔周?chē)逊e壘成環(huán)形圍柵，在其內涂敷硅膠和熒光粉，一次形成一體化的LEDCOB組件。這種設計將芯片與散熱器直接相連，減小了結構熱阻，散熱效果遠好于普通封裝結構，提高了LED的出光率。
李炳乾等采用COB技術(shù)和陣列化互聯(lián)的方式制備出白光LED光源模塊，他們將熒光粉層涂敷在出光板上，提高了出光的均勻性和熒光粉的穩定性；同時(shí)將陣列化互連方式與電流降額使用相結合，減少了傳統串聯(lián)和并聯(lián)連接方法時(shí)一個(gè)芯片損壞對其他芯片工作狀態(tài)的影響的缺陷，提高了系統可靠性，這種封裝結構達到了簡(jiǎn)化工藝的目的。
總體上，不同專(zhuān)利所描述的集成封裝的結構模式和原理都大同小異，差別主要在于所選的焊接方式、反光腔內壁的涂覆材料以及所選基板的不同，改變集成封裝的思維方式，使集成封裝在白光LED封裝中得到更廣泛的應用。
（2）散熱處理
集成封裝技術(shù)雖然是封裝的主要方向之一，但是散熱問(wèn)題卻一直是集成封裝技術(shù)的瓶頸，我們知道通常LED高功率產(chǎn)品其光電轉換效率為20%，剩下80%的電能均轉換為熱能，處理好散熱問(wèn)題，將會(huì )使LED光源的質(zhì)量上一個(gè)臺階。
集成封裝的熱處理思路目前主要集中在：選擇導熱系數高的基板；縮短熱傳遞的距離；優(yōu)化固晶技術(shù)等方面。蟻澤純從芯片的工作數量以及芯片的集成密度等方面分析發(fā)現集成封裝的多芯片白光LED結溫隨著(zhù)集成芯片數量的增加而增長(cháng)，其發(fā)光效率隨著(zhù)集成芯片數量的增加呈減小趨勢，因此芯片的數量及集成密度在集成封裝技術(shù)的應用中也是一個(gè)很重要的影響因素。
在公布號為CN102042500A專(zhuān)利中針對光源模塊的散熱性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形導熱裝置作為散熱區，使光源模塊在發(fā)光時(shí)，各發(fā)光芯片所產(chǎn)生的熱可以更快速的由基板發(fā)散。
在散熱基板材料的選擇中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大功率LED散熱基板的首選材料。程治國等以陶瓷基板（氧化鋁和氮化鋁，厚度0.5～1.0mm）為散熱基板，申請了發(fā)明專(zhuān)利。在專(zhuān)利中采用陶瓷基板金屬化技術(shù)，共晶焊接技術(shù)進(jìn)行LED集成封裝，導熱性能大大改善，采用集成封裝可以使光源功率達到200W。
LuqiaoYin研發(fā)出一種表層為L(cháng)TCC，底層為AlNx的陶瓷基板，經(jīng)集成封裝測試發(fā)現長(cháng)期點(diǎn)亮后PN結溫度只有70.8℃，經(jīng)ANSYS模擬觀(guān)察到跟陶瓷基板相連的鋁熱沉溫度只有39.3℃，當驅動(dòng)電流達到500mA時(shí)，也只有41.0℃。
（3）光學(xué)設計
大功率LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進(jìn)行兩次光學(xué)設計。一次光學(xué)設計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光，二次光學(xué)設計的目的則是讓整個(gè)燈具系統發(fā)出的光能滿(mǎn)足設計需求。集成封裝中由于存在多顆芯片，因此對于二次光學(xué)系統設計的要求更高！
為了實(shí)現道路照明所要求的矩形光斑分布，劉紅等依據光源特性和路面的光斑分布，通過(guò)折射定律建立透鏡母線(xiàn)的斜率方程，根據該方程設計了用于矩形光斑分布的LED路燈透鏡，采用正交優(yōu)化方法，利用LightTools軟件對所設計的透鏡光學(xué)系統進(jìn)行仿真比較研究，得到了一個(gè)矩形光斑分布的光學(xué)透鏡。仿真結果表明，該透鏡光學(xué)系統在高度為10m的照射條件下，照射面積為40m×10m的矩形光斑，均勻度為0.31。對有光斑尺寸要求的LED路燈透鏡來(lái)說(shuō)，該方法提供了一種簡(jiǎn)單有效的設計途徑。
宋春發(fā)等人設計出一種用于多顆芯片集成封裝的大功率LED透鏡及其燈具。透鏡包括入光面和出光面，還包括環(huán)形反射面，所述出光面與反射面相貫，所述入光面為二次曲面，其曲面系數為：K=-1.2～-1.5，R=35～41mm，所述出光面為平面，所述反射面為二次曲面，其曲面系數為：K=-0.24～-0.26，R=23～29mm。這種設計中LED中心區域的光線(xiàn)經(jīng)出光面出射，LED邊緣的光線(xiàn)經(jīng)環(huán)形反射面出射，可以避免由于透鏡的視場(chǎng)角有限而損失LED光能，從而最大限度的收集LED發(fā)出的光線(xiàn)，提高燈具的發(fā)光效率。
結束語(yǔ)
近年來(lái)，隨著(zhù)世界各國政府對LED發(fā)展的政策扶持以及LED芯片、封裝、應用技術(shù)的不斷提高，LED照明產(chǎn)業(yè)得到長(cháng)足發(fā)展。LED集成封裝雖然發(fā)展時(shí)間短，可借鑒的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗有限，但是在實(shí)際照明工程中表現出極大的優(yōu)勢，得到了市場(chǎng)的肯定，已經(jīng)成為了封裝技術(shù)的主要趨勢之一。
對于單顆芯片而言，雖然功率會(huì )越來(lái)越大，但要用到更大功率照明還是需要集成；同時(shí)隨著(zhù)科技的進(jìn)步，芯片品質(zhì)的提升，集成封裝將會(huì )具有更大的價(jià)格優(yōu)勢，對于LED照明的推廣有著(zhù)積極影響；隨著(zhù)封裝技術(shù)的不斷提高以及封裝材料性能的進(jìn)步，光源的光效將會(huì )逐步提高，散熱處理必將更為簡(jiǎn)便，集成封裝技術(shù)的優(yōu)勢也將愈加明顯，發(fā)展前景將越來(lái)越廣闊。 |
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