功率型LED封装技术(精)

研究生课程小论文

课程名称:新型电子器件封装

论文题目 : 功率型 LED 封装技术论文评语 :

成绩 : 任课教师 : 评阅日期 :

目录

摘要 (1)

Abstract . ................................................................................................................ 1 1 绪论 ................................................................................................................... 2 1.1 LED 芯片结构 . ....................................................................................... 2 1.1.1 水平结

构 ....................................................................................... 2 1.1.2 垂直结

构 ....................................................................................... 3 1.1.3 倒装结

构 ....................................................................................... 3 1.2 LED 的封装材

料 . ................................................................................... 3 1.2.1 基板材

料 ....................................................................................... 3 1.2.2 粘接材

料 (4)

1.2.3 封装胶 (4)

2 LED封装方式和工艺 (5)

2.1 LED 封装方式 . ....................................................................................... 5 2.1.1 引脚式封装 ................................................................................... 5 2.1.2 表面贴装式

( SMT . ...................................................................... 5 2.1.3 板上芯片直装式

( COB . .............................................................. 5 2.1.4 系统封装式

( SiP (6)

2.2 LED 封装工艺 . (6)

3 LED封装的关键技术 (7)

3.1 提高芯片的发光效率 ............................................................................. 7 3.2 出光通道的设计与材料选择 ................................................................. 8 3.2.1 光的萃

取 ....................................................................................... 8 3.2.2 光的导

出 ....................................................................................... 9 3.3 荧光粉的使

用 ......................................................................................... 9 3.4 散热设

计 ............................................................................................... 10 3.5 小

结 ..................................................................................................... 10结

论 ................................................................................................................... 11 参考文

献 (12)

功率型 LED 封装技术

摘要 :随着 LED 在各方面应用的不断发展,对 LED 封装要求也随之提高。通过阅读这方面的相关文献,从芯片结构、封装材料、封装方式、封装工艺以及封装关键技术等方面对 LED 封装技术作了介绍。阐述了引脚式封装、表面贴装式(SMT 、板上芯片直装式 (COB和系统封装式 (SIP封装结构和封装所需的基板材料、粘接材料及封装胶。同时对封装要考虑的四个关键技术:1芯片的发光效率; 2出光通道的设计与材料选择; 3荧光粉的使用; 4散热设计进行了讨论。最后对功率型 LED 封装技术的发展进行了展望。

关键字:LED 封装、封装方式、 LED 工艺、封装材料、关键技术

Abstract :With the development of LED application in all aspects, the requirement of LED packaging increases. The Packaging technologies of LED is introduced in the paper , including LED chip configuration, packaging materials, package

structure,packaging process and key technology of the LED packaging. The lamp LED,surface mounted technology(SMT,chip on board (COBand system in

package(SiPpackage structure,and sustrate materials, adhesive materials and packaging adhesive used in power white LED are introduced.At the same time, combining with the

literature to discuss four key techniques: 1 chip light-emitting efficiency;2 design of optical channel and material selection;3 the use of the phosphor powder;4 thermal design.Finally, the future of LED packaging technology is looked to.

Key words: LED encapsulation、 package structure、 LED process、 packaging materials、 key technology

1 绪论

LED 具有节能、结构牢固、寿命长、发光响应速度快等特点 [1],已成为一种发展潜力巨大的新型照明光源。功率型 LED 的研发和产业化是未来 LED 产业发展的重要方向之一。目前, 已实现商业化应用的白光 LED 光效可达到 120 lm/W。

1.1 LED 芯片结构

芯片作为 LED 器件的大脑,其光学特性决定了最终整个封装模型的性能, 为提高发光效率并解决散热等问题, LED 芯片结构的发展可主要概括为水平结构、倒装结构、垂直结构等几个阶段,包含各种尺寸,大功率和小功率芯片在尺寸方面差别较大 [2]。

1.1.1 水平结构

LED

(c flip-chip structure

Fig.1.1 Three kinds of typical structure of LED chip[3].

极均位于芯片顶部, 由于顶部是芯片的出光面, 所以水平电极的存在会阻碍光的出射,出光效果较低。

1.1.2 垂直结构

垂直结构即顶部与底部各为一电极,顶部只有一个电极(负极 ,出光效果也要较水平电极好, 而且芯片中的垂直电极使内部电子在垂直方向运动, 大大提高电子空穴对的复合速率及有源层的利用率。当前, 在保证一定的发光效率的情况下, 向单个垂直结构的芯片内注入较大的电流以提高光通量已经逐渐成为 LED 芯片发展的方向 [4]。 2007年, Lumileds 公司上市了三维垂直结构的蓝光 LED 芯片封装

( Rebel 。

1.1.3 倒装结构

倒装芯片结构如 1.1(c所示。倒装芯片即将水平电极结构芯片倒转,将其电极面作为反射面(电极图形往往涂满整个面提高反射效果 ,衬底作为出光面, 此时没有电极等因素阻碍光的输出, 出光效果较水平结构好。另一方面, 此时由于电极的覆盖使得电流的扩散较均匀,提高了有源层的利用率。与正装结构的 LED 相比,倒装焊芯片结构使产生热量由焊接层传导至硅衬底,再经硅衬底和粘结材料传导至金属底座[5]。由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻。但是目前的衬底材料、工艺以及焊接材料、技术等因素,制约了其传热性能的进一步提高。

1.2 LED 的封装材料

通过选取适当的封装材料可以有效地提高发光效率, 降低系统的热阻, 以利于散热。主要的封装材料包括基板材料、粘结材料及封装胶等。

1.2.1 基板材料

在 LED 器件中,封装基板是承载芯片的重要组成部分,因此,作为基板材料, 其必须有高稳定性和高热导率, 其热膨胀系数要与芯片相匹配; 材料要有足够的强度和刚度, 对芯片起到支撑和保护的作用; 材料的成本要尽可能低, 以满足大规模商业化应用的要求 [6]。目前常用的 LED 封装基板可分为:金属芯印制电路板 ( MCPCB、金属基复合材料基板和陶瓷基板。

(1金属芯印制电路板:MCPCB 应用的基本原理是将早期的 PCB 板粘接到热导率更高的金属上, 利用金属的高导热性能将 LED 芯片所产生的热量导出。典型MCPCB 的金属材料为铝、铜、钼、钨或合。

(2金属基复合材料基板:金属基复合材料基板主要是在金属基体中加入

功能相,在保持金属材料高导热的基础上,调节金属的热膨胀系数与 LED 芯片匹配, 克服了单一金属的缺点, 提高封装的可靠性。因此, 近年来得到快速发展。目前具有代表性的有 Al 基和 Cu 基复合基板 [7]。

(3陶瓷基板:与金属相比,陶瓷材料有很多优点 : 耐蚀性好、机械强度高、热导率高,其块体的加工工艺简单,化学稳定性好,绝缘性能高,与芯片热膨胀系数一致,封装稳定性好、可靠性高 [8]。作为 LED 封装基板,陶瓷表面需要金属化,根据金属化工艺的区别,陶瓷基板 [9]可分为直接敷铜 ( direct bond copper,DBC 陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷基板以及低温多层共烧基板 ( low temperature co-fired ceramic,LTCC 或高温多层共烧基板 ( high temperature co-fired ceramic,HTCC 。

这些材料各具优势, 但出于经济的考虑, 金属基复合基板选用了铝板和铜板这些最佳的热沉材料,它们将是未来功率型 LED 封装发展的主力军。

1.2.2 粘接材料

粘接材料的导热系数较小, 也会对器件的散热性能产生较大影响, 通常有导热胶、银胶、绝缘胶和合金焊料等。其中导热胶、导电银浆适合于小功率 LED 封装,

合金焊料具有较高的热导率和粘接强度,适合于大功率 LED 封装。银胶跟绝缘胶相比来说,其热阻低。热阻的大小,决定了 LED 的出光效率。同样, 银胶还具有另外一种特色,那就是导热性能好。一般 LED 的连接材料为银胶, 但因于 Ag 导热系数在10~25 W/(m·K , 其热阻较高, 若边接材料直接采用 Ag , 就相当于在热沉与芯片之间加上了一层热阻。在这种情况下, 引入共晶焊接技术这种新的固晶工艺,连接热沉与晶粒之间的材料使用 Sn 片焊接,其中 Sn 的导热系数为 67W/(m·K ,其物理特性与散热效果比 Ag 胶具有更多的优势,并且导热效果比较理想。 Au-Sn 共晶温度较低, 只有 280℃, 比较适合作为功率型 LED 的粘接材料。

1.2.3 封装胶

环氧树脂作为低功率 LED 的封装材料, 它具有优良的电绝缘性、介电性能、机械性能、透明性好、与基材的粘接力强、配方灵活等特点 [10]。但是在功率型LED 封装上,它很容易产生黄变现象,由于环氧树脂中存在可以吸收紫外线的芳香环结构, 它们在吸收紫外线或受热时很容易被氧化产生羰基而形成发色基团使树脂变色, 进而导致环氧树脂在近紫外波长范围内的透光率下降, 影响出光效率。为了解决以上诸多问题, 众多研究者从多方面对其改性。比如引入硫元素来

提高折射率, 添加紫外光吸收剂来提高抗紫外老化能力 [11], 加入无机粒子来提高耐热性。由于硅树脂材料抗热和抗紫外线能力较强, 耐冷热冲击, 具备高透光性、低吸湿性和绝缘性。目前,已用有机硅树脂代替环氧树脂作为大功率 LED 理想的封装材料,以进一步提高 LED 寿命。

2 LED封装方式和工艺

2.1 LED 封装方式

LED 的封装结构经历了引脚式封装、表面贴装式 (SMT、板上芯片直装式(COB以及系统封装式 (SIP四个阶段 [12]。

2.1.1 引脚式封装

引脚式封装方式是早期应用的封装结构。采用引线框架作为封装外型的引脚, 品种繁多, 并且内部结构也在不断改变。普通的发光二极管基本都是采用引脚式封装。主要针对 0.5W 以下的小功率芯片封装, 最初用在仪表指示等。引脚式 LED 封装热量是由负极的引脚架散发至 PCB 板上,散热问题也比较好的解决 [13]。但是也存在着一定的缺点,那就是热阻较大, LED 的使用寿命短,达到 250 K/W以上,不能用于大功率 LED 的封装 [14]。

2.1.2 表面贴装式 ( SMT

表面组装贴片式封装 (SMT 是当今电子行业中最流行的一种贴片式封装工艺,是将已经封装好的 LED 器件焊接到 PCB 板上的一种封装方式。 SMT 封装技术的优点是可靠性强、易于自动化实现、高频特性好 [15-17]。

2.1.3 板上芯片直装式 ( COB

板上芯片直装式 (COBLED封装技术是一种直接贴装技术, 如图 2.1所示 [18], 技术传统做法是将 LED 芯片装配于引线框架进行封装成分立的器件,再将 LED 器件焊接于印刷电路板(PCB 上,然后进行引线的缝合,最后使用有机胶将芯片和引线包装保护的工艺。这种做法的缺点主要有三方面:一是 LED 芯片 PN 结发出的热在流经引线框架后,还需经过焊接层(如锡层或导热胶层等、 PCB 层,才能到达散热器,而锡层或导热胶层以及普通 FR4 PCB 或铝基板绝缘层的导热系数相对较低, 导致整个模组的热阻非常高, 无法及时将 PN 结的热散出去。第二是还需经过组装焊接这道工序, 增加了工艺难度及成本。另外一个缺点是这种形式的光源集成度无法做得很高 [19-21]。目前, COB LED是直接将单颗或多颗 LED 芯片装配于基板上的集成封装产品,它可以较好的解决上述传统做法的几个缺点。 COB 工艺主要应用于大功率 LED 阵列。具有较高的集成度。

Fig.2.1 LED WLP process flow with integrated phosphor printing for color tuning and moldless dispensing for encapsulation[18].

2.1.4 系统封装式 ( SiP

系统封装式(SIP LED 封装技术是近年在系统芯片的基础上发展起来的新型集成封装方式。跟其他 LED 封装相比, SIP 封装的集成度最高,成本相对较低。可以在一个封装内组装多个 LED 芯片。它主要是符合了系统便携式以及系统小型化的要求 [22]。其最大的优势和特点是适应整机系统封装 ( 包括电源、控制电路、光学微结构、传感器等与器件小型化便携式发展,集成化程度高,系统更为完整,是未来大功率 LED 封装的方向。

2.2 LED 封装工艺

LED 的封装是一门多学科的工艺技术。涉及到光学、热学、电学、机械学、材料、半导体等研究内容。所以大功率 LED 的封装技术是一门比较复杂的综合性学科 [23]。良好的 LED 封装需要把各个学科的因素考虑进去。下面就 LED 封装工艺流程作一个简单的介绍。其流程如图 2.2所示 [24]。 LED 的发光体是晶片, 不同的晶片价格不一,形态大小也不一。晶片形态大小都不相同,这对 LED 封装带来了一定的困难。在对支架的选择方面也提出了考验。支架与外形塑料模具的选择决定了 LED 封装成品的外形尺寸。支架承载着 LED 芯片, 所以在支架的选择方面要根据实际的 LED 晶片边长的大小。

固晶胶的选择主要是考虑其粘结力, 其颗粒大小。同样所涂覆的固晶胶的薄厚程度决定了封装的 LED 的热阻 [25-26]。焊线过程可以采用机械焊线和人工焊线, 在高倍显微镜下, 将芯片的正负极使用金线焊接到支架的两个引脚角上。焊接过程要耐心小心。

图 2.2 大功率 LED 封装工艺流程 [24]

.

Fig.2.2 packaging process of High power LED. 3 LED封装的关键技术 LED 封装技术直接影响着 LED 的使用寿命。所以在功率型 LED 封装过程中, 要考虑到光、

热、电、机械等诸多因素。光学方面要考虑到大功率 LED 芯片的发光和光衰问题、热学方面要考虑到 LED 的散热问题、电学方面要考虑到大功率 LED 的驱动电源的设计、机械方面要考虑到封装过程中 LED 的封装形式及结构等 [27-29]。

对于 LED 封装来说,其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能高的提取芯片发出的光,同时降低封装热阻,提高封装可靠性 [30]。

3.1 提高芯片的发光效率

LED 的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。而芯片作为 LED 器件的大脑,其光学特性决定了最终整个封装模型的性能,芯片的结构有水平、倒装和垂直结构, 包含各种尺寸, 大功率和小功率芯片在尺寸方面差别较大。目前发光效率高的芯片主要有 HP 公司的 TS

类芯片、 CREE 公司的 XB 类芯片、 WB (wafer bonding 类芯片、 ITO 类芯片、表面粗化芯片和倒装焊类芯片等等。如图 3.1所示 [31],两种不同的 LED 封装设计。其中, (a

中芯片是水平结构, 且磷光和硅树脂的混合物充满整个反光杯。 (b 中选取垂直结构的芯片,磷光只是涂抹在 led 芯片上方。由图 3.2可知,设计 B 的性能要好于 A 的。

Fig.3.1 Schematic of (a Design A and (b Design B LED components[31].

Fig.3.2 Optical spectrum of Design A and Design B[31].

芯片结构的不同, 采用的制造工艺和封装设计方法也不同, 特定的效果有时需要特定的芯片进行封装, 否则, 再怎么改进封装方式, 也不能达到所预期的目标,芯片是封装模型的开始。可以根据不同的应用需求和 LED 封装结构特点, 选择合适的高发光效率的芯片进行封装。

3.2 出光通道的设计与材料选择

芯片选定之后,要提高 LED 的发光效率,能否将芯片发出的光高效地萃取和导出,就显得非常关键了。

3.2.1 光的萃取

由于芯片发光层的折射率较高(GaN n=2.4, GaP n=3.3 ,如果出光通道与芯片表面接合的物质的折射率与之相差较大 (如环氧树脂为 n=1.5 。

则会导致芯

片表面的全反射临界角较小, 芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用, 相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部, 造成萃光效率偏低, 直接影响LED 的发光效率 [32]。为了提高萃光效率,在选择与芯片表面接合的物质时,必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。采用高折射率的柔性硅胶

作与芯片表面接合的材料, 既可以提高萃光效率, 又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。

3.2.2 光的导出

LED 封装时要设计良好的出光通道,使光能够高效地导出到 LED 管体外。主要包括四个方面:①反射腔体的设计;②透镜的设计 [33];③出光通道中各种不同材料的接合界面设计和折射率的匹配; ④尽可能减少出光通道中不必要的光吸收和泄漏现象。同时,出光通道材料应具有高的透光率、匹配良好的折射率、抗 UV 、防黄变特及高的温度耐受能力和良好的应力特性 [34]。如图 3.3所示 [35], 作者为了得到更高质量的白光, 将传统的半球型的 led 经过一系列的数值模拟 [36], 得到了具有3.3(b 所示的不规则外形的 led ,通过对各自的相关色温和光谱的测量,发现具有不规则外形的 LED 的效率更好。

Figure.3.3 Schematic of the light outputs of (a the traditional LED packaging and (b the novel LED packaging. (c detailed encapsulation structure of the novel LED packaging[35].

3.3 荧光粉的使用

就白光 LED 而言,荧光粉的使用是否合理,对其发光效率影响较大 [37-38]

。

传统上将荧光胶全部注满反射杯的做法不但涂布均匀性得不到保障, 而且会在反射腔体中形成荧光粉的漫射分布, 造成不必要的光泄漏损失, 既影响光色的品质, 又会使 LED 光效降低。为了解决这一问题,首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉; 其次是选用合适的载体胶调配荧光粉, 并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周,以达到最佳的激发效果。 Kwak 等人 [39]在对 LED 进行封装时,设计了两种结构,一种直接将红色量子点、磷光剂和硅树脂

混乱混合填充于凹槽中, 。另一种是将量子点和磷光剂分层放置,在 LED 芯片上方先加一层磷光物质,再在其上添加量子点。最终得出的结果是分层结构的 LED 性能好。

3.4 散热设计

LED 自身的发热使芯片的结温升高,导致芯片发光效率的下降。因此,功率型LED 必须要有良好的散热结构,使 LED 内部的热量能尽快尽量地被导出和消散,以降低芯片的结温,提高其发光效率 [40]。

LED 散热主要从三个方面着手:第一,从芯片到基板的连接材料的选取; 第二, 基板材料的选取; 第三, 基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取。普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的热阻很高, 而且银胶固化后的内部结构是:环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构, 这样的结构热阻极高, 对器件的散热与物理特性稳定极为不利, 因此选择的粘接的物质是锡膏。而对于基板材料,由之前的讨论可知,银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高但银、纯

铜、黄金价格高,为了取得很好的性价比,因此基板大多采用的是铜或铝材料。采用优良的散热技术降低封装结构的热阻,可提高 LED 发光效率。最常用的是将功率器件装在散热器上, 利用散热器将热量散到周围空间, 它的主要热流方向是由芯片传到器件的底下,经散热器将热量散到周围空间 [41]。传统制冷方法有:空气制冷、水冷、热管制冷、帕尔贴效应元件制冷 (半导体制冷等。现在有些新方法也被陆续提出来,比如超声制冷、超导制冷、以及将多种制冷方法有效集成在一个器件之中。

3.5小结

LED 的封装主要是为了保护芯片,完成电气互连,提高发光效率,它的封装必须要实现可输入电信号,保护芯片正常工作,输出可见光。为了提高 LED 的整体效率, 封装时可以从芯片结构和封装结构设计、使用的材料以及改善工艺流程三方面来考虑,以此得到我们想要的 LED 。

结论

LED 的发展是以高功率、高亮度、小尺寸 LED 产品为其发展重点,良好的封装结构与散热性能是功率型 LED 封装技术的关键。特别是大功率白光 LED 的出现和发展, 封装结构从最初的引脚式发展到系统式封装。封装时必须要充分考虑到光、电、热、半导体、材料、机械等综合因素。封装过程当中,材料(散热基板、荧光粉、封装胶、粘接材料的选择非常重要,要选择合适的材料。随着 LED 产业的发展,采用系统化的封装方式,金属基复合材料以及陶瓷作为大功率 LED 的基板材料,有着广阔的市场前景。要注重于芯片的选择、热处理工艺的改善,寻求更好的 LED 散热的方式,减少 LED 的热阻。还要继续研究开发新的封装结构和新的封装材料,以进一步提高功率型 LED 的封装技术,推动 LED 光源向通用照明迈进。

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