大功率LED导电银胶及其封装技术和趋势精

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1、大功率 LED 导电银胶及其封装技术和趋势前言大功率 LED 封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到 LED 的使用性能和寿命,一直是近年来的研究 热点,特别是大功率白光 LED 封装更是研究热点中的热点。 LED 封装的功能主要包括:1. 机械保护,以提 高可靠性; 2. 加强散热,以降低芯片结温,提高 LED 性能; 3. 光学控制,提高出光效率,优化光束分布; 4. 供电管理,包括交流 /直流转变,以及电源控制等。LED 封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电 /机械特性、具体应用和成本等因素决 定。经过 40多年的发展, LED 封装先后经历了支架式 (Lamp LED 、

2、贴片式 (SMD LED 、功率型 LED(Po wer LED 等发展阶段。随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对 LED 封装的光学、热 学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全 新的技术思路来进行封装设计。一 大功率高导热 LED 导电胶、导电银胶导电胶是 IED 生产封装中不可或缺的一种胶水,其对导电银浆的要求是导电、导热性能要号,剪切强度要 大,并且粘结力要强。UNINWELL 国际作为世界高端电子胶粘剂的领导品牌,公司以“您身边的高端电子粘结防护专家”为服 务宗旨。公司开发的导电银胶、导电银浆、贴片胶、底部填充胶、

3、TUFFY 胶、 LCM 密封胶、 UV 胶、太阳能 电池组件密封胶等八大系列光电胶粘剂具有最高的产品性价比,公司在全球拥有近百家世界五百强客户。 最近, UNINWELL 国际与上海常祥实业强强联合,共同开发中国高端电子胶粘剂市场。UNINWELL 国际开发的导电胶和导电银胶导电性好、剪切力强、流变性也很好、并且吸潮性低。特别 适合大功率高高亮度 LED 的封装。公司的专门开发的 6886系列导电银胶,特别适合大功率高亮度 LED 用,导热系数为:25.8 剪切强度 为:14.7,为行业之最。二、大功率 LED 封装关键技术大功率 LED 封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,这些因素彼

4、此既相互独立,又相互影响。 其中,光是 LED 封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺 兼容性及降低生产成本而言, LED 封装设计应与芯片设计同时进行,即芯片设计时就应该考虑到封装结构 和工艺。否则,等芯片制造完成后,可能由于封装的需要对芯片结构进行调整,从而延长了产品研发周期 和工艺成本,有时甚至不可能。具体而言,大功率 LED 封装的关键技术包括:(一低热阻封装工艺对于现有的 LED 光效水平而言, 由于输入电能的 80%左右转变成为热量, 且 LED 芯片面积小, 因此, 芯片散热是 LED 封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择

5、(基板材料、热界面材料 与工艺、热沉设计等。LED 封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量, 并传导到热沉上, 实现与外界的热交换。 常用的散热基板材料包括硅、 金属 (如铝, 铜 、 陶瓷(如 Al2O3, AlN , SiC 和复合材料等。如 Nichia 公司的第三代 LED 采用 CuW 做衬底,将 1mm 芯 片倒装在 CuW 衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率; Lamina Ceramics 公司则研制了低温共 烧陶瓷金属基板,并开发了相应的 LED 封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率 LED 芯片和相

6、 应的陶瓷基板,然后将 LED 芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、 驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热界面少,大大提高了散热性能,为 大功率 LED 阵列封装提出了解决方案。德国 Curmilk 公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AlN 或 Al2O3和导电层(Cu 在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性 强。其中氮化铝(AlN 的热导率为 160W/mk,热膨胀系数为 4.010-6/(与硅的热膨胀系数 3.210-6 /相当,从而降低了封装热应力。在 LED 使用过程中,辐射复合产生的光子在

7、向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:芯片内部结 构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损失;以及由于入射角大于全反射临界 角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对 较高的透明胶层 (灌封胶 ,由于该胶层处于芯片和空气之间,从而有效减少了光子在界面的损失,提高了 取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要 求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高 LED 封装的可靠性,还要求灌封胶 具有低吸湿性、 低应力、 耐老化等特性。 目前常用的灌封胶包括环氧树

8、脂和硅胶。 硅胶由于具有透光率高, 折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率 LED 封装中得到广泛应 用,但成本较高。研究表明,提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效 率,但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低, 从而影响 LED 光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合, 形成白光。 其特性主要包括粒度、 形状、 发光效率、 转换效率、 稳定性 (热 和化学等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,荧光粉量子效率降低 , 出光减 少,辐射波长也会发生变化,从而引起白

9、光 LED 色温、色度的变化,较高的温度还会加速荧光粉的老化。 原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时, 易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常 用荧光粉尺寸在 1um 以上,折射率大于或等于 1.85,而硅胶折射率一般在 1.5左右。由于两者间折射率的 不匹配,以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm ,因而在荧光粉颗粒表面存在光散射,降低了出 光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉,可使折射率提高到 1.8以上,降低光散射,提高 LED 出光效率(1 0%-20%,并能有效改善光色质量

10、。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度 和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而 Lumileds 公司开发的保形涂层 (Conformal coating 技术可实现荧光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性。但研究表明,当荧光粉直接 涂覆在芯片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国 Rensselaer 研究所提出了一种光 子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method , SPE ,通过在芯片表面布置一个聚焦透镜,并将含 荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置,不仅提高

11、了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%。1、引脚式(Lamp LED 封装引脚式封装就是常用的 3-5mm 封装结构。一般用于电流较小(20-30mA ,功率较低(小于 0.1 W 的 LED 封装。 主要用于仪表显示或指示, 大规模集成时也可作为显示屏。 其缺点在于封装热阻较大 (一 般高于 100K/W,寿命较短。2、表面组装(贴片式(SMT -LED 封装表面组装技术 (SMT 是一种可以直接将封装好的器件贴、 焊到 PCB 表面指定位置上的一种封装技术。 具体而言,就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上,然后直接贴 装到未钻安装孔的 PCB 表面上,经

12、过波峰焊或再流焊后,使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。 SMT 技术具有可靠性高、 高频特性好、 易于实现自动化等优点, 是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。 3、板上芯片直装式(COB LED 封装COB 是 Chip On Board (板上芯片直装 的英文缩写, 是一种通过粘胶剂或焊料将 LED 芯片直接粘贴 到 PCB 板上,再通过引线键合实现芯片与 PCB 板间电互连的封装技术。 PCB 板可以是低成本的 FR -4材 料(玻璃纤维增强的环氧树脂,也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板 等。而引线键合可采用高温下的热超声键合(金丝球焊和常温下的超声波

13、键合(铝劈刀焊接。 COB 技术主要用于大功率多芯片阵列的 LED 封装,同 SMT 相比,不仅大大提高了封装功率密度,而且降低了 封装热阻(一般为 6-12W/m.K。4、系统封装式(SiP LED 封装SiP (System in Package 是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求,在系统芯片 Sys tem on Chip (SOC 基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对 SiP -LED 而言,不仅可以在一个封装 内组装多个发光芯片,还可以将各种不同类型的器件(如电源、控制电路、光学微结构、传感器等集成 在一起,构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比,

14、SiP 具有工艺兼容性好(可利用已有 的电子封装材料和工艺,集成度高,成本低,可提供更多新功能,易于分块测试,开发周期短等优点。 按照技术类型不同, SiP 可分为四种:芯片层叠型,模组型, MCM 型和三维 (3D封装型。目前, 高亮度 LED 器件要代替白炽灯以及高压汞灯, 必须提高总的光通量, 或者说可以利用的光通量。 而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加 L ED 的功率密度,如散热不良,将导致 LED 芯片的结温升高,从而直接影响 LED 器件的性能(如发光效率 降低、出射光发生红移,寿命降低等。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的

15、一个最可行的方案,但是 LED 阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接,特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集 成,散热基板上的温度很高,必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉结构分为被动和主 动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片,通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。 该方案结构简单, 可靠性高, 但由于自然对流换热系数较低, 只适合于功率密度较低, 集成度不高的情况。 对于大功率 LED 封装,则必须采用主动散热,如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致 冷等。在系统集成方面,台湾新强光电公司采用系统封装技术 (SiP, 并通过翅片+热管的

16、方式搭配高效能散 热模块, 研制出了 72W 、 80W 的高亮度白光 LED 光源。 由于封装热阻较低 (4.38 /W , 当环境温度为 25 时, LED 结温控制在 60以下,从而确保了 LED 的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用 COB 封装和微喷主动散热技术,封装出了 220W 和 1500W 的超大功率 LED 白光光源。(四封装大生产技术晶片键合(Wafer bonding 技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片(Wafer 上进行,封装 完成后再进行切割,形成单个的芯片(Chip ;与之相对应的芯片键合(Die bonding 是指芯片结构和电 路在晶片上完成后, 即进行切割形成芯片 (Die , 然后对单个芯片进行封装 (类似现在的 LED 封装工艺 , 如图 6所示。很明显,晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在 LED 器件制造成本中占了很大比 例,因此,改变现有的 LED 封装形式(从芯片键合到晶片键合,将