led封裝環節 最難的是哪部分流程 led封裝的業務來源是哪裏?如何尋找?
大功率led封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立,又相互影響。其中,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,等芯片制造完成後,可能由於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:
(壹)低熱阻封裝工藝
對於現有的led光效水平而言,由於輸入電能的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、熱沈設計等。
led封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沈結構)內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量,並傳導到熱沈上,實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁,銅)、陶瓷(如,AlN,SiC)和復合材料等。如Nichia公司的第三代led采用CuW做襯底,將1mm芯片倒裝在CuW襯底上,降低了封裝熱阻,提高了發光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫***燒陶瓷金屬基板,如圖2(a),並開發了相應的led封裝技術。該技術首先制備出適於***晶焊的大功率led芯片和相應的陶瓷基板,然後將led芯片與基板直接焊接在壹起。由於該基板上集成了***晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路,不僅結構簡單,而且由於材料熱導率高,熱界面少,大大提高了散熱性能,為大功率led陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板,由陶瓷基板(AlN或)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成,沒有使用黏結劑,因此導熱性能好、強度高、絕緣性強,如圖2(b)所示。其中氮化鋁(AlN)的熱導率為160W/mk,熱膨脹系數為(與矽的熱膨脹系數相當),從而降低了封裝熱應力。
研究表明,封裝界面對熱阻影響也很大,如果不能正確處理界面,就難以獲得良好的散熱效果。例如,室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙,基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善led封裝的關鍵在於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(TIM)選擇十分重要。led封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠,由於熱導率較低,壹般為0.5-2.5W/mK,致使界面熱阻很高。而采用低溫或***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。
(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;光子在出射界面由於折射率差引起的反射損失;以及由於入射角大於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。通過在芯片表面塗覆壹層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠),由於該膠層處於芯片和空氣之間,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,並作為壹種光導結構。因此,要求其透光率高,折射率高,熱穩定性好,流動性好,易於噴塗。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矽膠。矽膠由於具有透光率高,折射率大,熱穩定性好,應力小,吸濕性低等特點,明顯優於環氧樹脂,在大功率led封裝中得到廣泛應用,但成本較高。研究表明,提高矽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,但矽膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高,矽膠內部的熱應力加大,導致矽膠的折射率降低,從而影響led光效和光強分布。
熒光粉的作用在於光色復合,形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學)等,其中,發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明,隨著溫度上升,熒光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發生變化,從而引起白光led色溫、色度的變化,較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在於熒光粉塗層是由環氧或矽膠與熒光粉調配而成,散熱性能較差,當受到紫光或紫外光的輻射時,易發生溫度猝滅和老化,使發光效率降低。此外,高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩定性也存在問題。由於常用熒光粉尺寸在1um以上,折射率大於或等於1.85,而矽膠折射率壹般在1.5左右。由於兩者間折射率的不匹配,以及熒光粉顆粒尺寸遠大於光散射極限(30nm),因而在熒光粉顆粒表面存在光散射,降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米熒光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高led出光效率(10%-20%),並能有效改善光色質量。
傳統的熒光粉塗敷方式是將熒光粉與灌封膠混合,然後點塗在芯片上。由於無法對熒光粉的塗敷厚度和形狀進行精確控制,導致出射光色彩不壹致,出現偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發的保形塗層(Conformal coating)技術可實現熒光粉的均勻塗覆,保障了光色的均勻性,。但研究表明,當熒光粉直接塗覆在芯片表面時,由於光散射的存在,出光效率較低。有鑒於此,美國RenssELaer研究所提出了壹種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method,SPE),通過在芯片表面布置壹個聚焦透鏡,並將含熒光粉的玻璃片置於距芯片壹定位置,不僅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%)。
總體而言,為提高led的出光效率和可靠性,封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢,通過將熒光粉內摻或外塗於玻璃表面,不僅提高了熒光粉的均勻度,而且提高了封裝效率。此外,減少led出光方向的光學界面數,也是提高出光效率的有效措施。
(三)陣列封裝與系統集成技術