1、1,2020/6/19,蘇永道 教授,濟南大學 理學院,2,2020/6/19,5.1 大功率LED封裝技術(shù),5.1.1 大功率LED和普通LED技術(shù)工藝上有什么不同？,大功率LED是LED節(jié)能燈的一種，相對于小功率LED來說，大功率LED單顆功率更高，亮度更亮，價格更高。 小功率LED額定電流都是20mA，前些年規(guī)定大于20mA算作大功率。功率數(shù)有0.25W、0.5W、1W、3W、5W、8W、10W，20W500W等，目前學者提出1W以上的稱為W級LED。 主要亮度單位為lm(流明)，小功率的亮度單位一般為mcd。兩單位無法換算。 目前LED做為一個新興的綠色、環(huán)保、節(jié)能光源被廣泛應(yīng)用于手電

2、筒、景觀照明、街道照明、汽車前燈、各種燈具。專家預(yù)測2010年LED開始進入家庭的綠色照明。,3,2020/6/19,4,2020/6/19,大功率LED的分類標準目前有三種：,第一種是按功率大小分為：封裝成型后功率不同而不同。 第二種可以按封裝工藝不同分為：大尺寸環(huán)氧樹脂(或硅膠)封裝、仿食人魚式環(huán)氧樹脂(或硅膠)封裝、鋁基板(MCPCB)式封裝、TO封裝、功率型SMD封裝、MCPCB集成化封裝等。 第三種是根據(jù)光衰程度不同分為：低光衰大功率產(chǎn)品和非低光衰大功率產(chǎn)品。,大功率LED的主要技術(shù)指標： 功率、光效、光強分布、色溫分布、熱阻及顯色性等。,顯色性是大功率白光LED的重要指標，用于照明

3、的白光LED的顯色性必須在80以上。,5,2020/6/19,5.1.2 大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù),大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝，這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。 光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。 從工藝相容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進行，即晶片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。,6,2020/6/19,散熱主要考慮因素：晶片布置、封裝材料選擇（基板材料、熱介面材料）與工藝、熱沉設(shè)計等。,散熱基板的作用就是吸收晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散 熱基板材料包括硅、金屬(如

4、鋁, 銅)、 陶瓷 (如Al2O3, AlN, SiC) 和復(fù)合材料 等。,有的公司研發(fā)出低溫共燒陶瓷金屬基板。 還有的公司采用CuW做襯底，將1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率。,7,2020/6/19,高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板 (AlN和Al2O3) 和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強度高、絕緣性強, 如下圖示。其中氮化鋁 (AlN) 的熱導(dǎo)率為160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.010-6/ (與硅的熱膨脹系數(shù)3.210-6/相當) ，從而降低了封裝熱應(yīng)力。但是制作難度 大，價格偏高，目前采用AlN基板進行封裝的很少

5、。,8,2020/6/19,銅有很好的導(dǎo)熱傳熱性能，故在銅基板上封裝LED電路，能迅速將大功率LED所產(chǎn)品的熱量，迅速的傳導(dǎo)出去。,山東臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司，在2009年研制成功的Film DCB(超薄陶瓷基板)，具有絕緣性能優(yōu)良、低熱阻、優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度的特點，并像PCB板一樣蝕刻出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，F(xiàn)ilm DCB已成為我國自主研發(fā)，并大批量生產(chǎn)的大功率LED封裝基板材料。,9,2020/6/19,封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。 舉例： 室溫下接觸良好的介面, 而在高溫下可能存在介面間隙, 基板的翹曲也可能會影

6、響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關(guān)鍵在于減少介面和介面接觸熱阻，增強散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為0.52.5W/ mK，致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱介面材料, 可大大降低介面熱阻。,10,2020/6/19,二、大功率LED封裝電極形式和襯底減薄技術(shù),對大功率LED，其大的耗散功率，大的發(fā)熱量，高的出光效率給封裝工藝、封裝設(shè)備和封裝材料提出了更高的要求?？刹捎萌缦麓胧?加大芯片尺寸法； 硅襯底倒裝法； 陶瓷基板倒裝法； 藍寶石襯底倒裝法； AlG

7、aInN/碳化硅(SiC)背面出光法。,11,2020/6/19,12,2020/6/19,1. 氮化鎵基電極形式 氮化鎵基LED的電極有兩種結(jié)構(gòu)：橫向結(jié)構(gòu)(Lateral)和垂直結(jié)構(gòu)(Vertical)。Lateral和Vertical分別簡稱L型電極和V型電極。L型電極的兩個電極在LED的同一側(cè)，電流在n-類型GaN層中橫向流動不等的距離，由于n型GaN層具有電阻，產(chǎn)生熱量，如下頁圖示。 另外，藍寶石晶片的導(dǎo)熱性能低。因此，大功率橫向結(jié)構(gòu)氮化鎵基藍光LED需要解決下述問題： 散熱效率低； 發(fā)光效率仍需提高。 上述問題在很大程度上取決于LED的結(jié)構(gòu)和生長襯底。,13,2020/6/19,14

8、,2020/6/19,15,2020/6/19,（1）倒裝藍寶石襯底的機械研磨/拋光減薄方法 機械研磨/拋光的方法是最早采用的方法，基本工藝包括下述步驟：在生長氮化鎵基外延層之前，機械研磨/拋光藍寶石生長襯底使其厚度的均勻性小于1m。 在藍寶石生長襯底上生長中間媒介層和氮化鎵基外延層(氮化鎵基第一類型限制層、發(fā)光層、氮化鎵基第二類型限制層等），其中，中間媒介層和生長于其上的第一類型限制層的總厚度大于機械研磨/拋光工藝引進的不均勻性的總和。,16,2020/6/19,（2）激光剝離的方法（LLO） 是利用激光能量分解GaN/藍寶石介面處的GaN緩沖層，從而實現(xiàn)LED外延片從藍寶石襯底分離。技術(shù)優(yōu)

9、點是外延片轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率的熱沉上，能夠改善大尺寸晶片中電流擴展。n型面為出光面：發(fā)光面積增大，電極擋光小，便于制備微結(jié)構(gòu)，并且減少刻蝕、磨片、劃片。更重要的是藍寶石襯底可以重復(fù)運用。,17,2020/6/19,（3）豐田方法 豐田合成公司(TG)報告一種剝離的方法?；竟に嚢ㄏ率霾襟E：在藍寶石生長襯底上生長一金屬層（例如，銦、金、鈦等），在金屬層上生長中間媒介層和氮,化鎵基外延層(包括氮化鎵基 第一類型限制層、發(fā)光層、氮化鎵基第二類型限制層等)。在氮化鎵基第二類型限制層上鍵合一導(dǎo)電支持襯底，加溫至金屬層熔化，分離藍寶石生長襯底和氮化鎵基結(jié)構(gòu)的LED，如圖5.8所示。,18,2020/6/19

10、,三、陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù),1. LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展過程 經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個階段，如下圖所示。,19,2020/6/19,下圖是典型陣列封裝結(jié)構(gòu)。圖 (a) 的封裝結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底，鋁層導(dǎo)熱好，中央發(fā)光區(qū)部分可裝配40只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據(jù)實際需求布置芯片數(shù)和金線焊接方式。圖 (b) 在同一基板上封裝了64只芯片，功率達到220W，實現(xiàn)了超大功率封裝。,20,2020/6/19,2. 板上晶片直裝式（COB）LED封裝 COB（Chip On Board）板上晶片直裝技術(shù)，是一種通過粘膠劑或焊料將LED晶片直接粘貼到PC

11、B板上，再通過引線鍵合實現(xiàn)晶片與PCB板間電互連的封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂)，也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)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(shù)主要用于大功率多晶片陣列的 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612W/mK)。下頁圖是板上晶片直裝方式。,21,2020/6/19,板上晶片直裝式（COB）LED封裝的注意事項： （1）散熱考慮,22,2020/6/19, 晶片排列面積：要考慮散熱。 晶片間距：考慮

12、熱的串擾。 晶片耐高溫性：考慮晶片內(nèi)部溫度對光衰的影響。,（2）光學設(shè)計 一次光學設(shè)計：需考慮晶片排列，封裝及打線。 二次光學設(shè)計： 光源為面光源排列，增加了二次光學設(shè)計困難度。 （3）可靠性 上百顆晶片封裝于同一片基板上，線路設(shè)計上必須考慮單一晶片損壞，不會影響其他晶片。,23,2020/6/19,3. 系統(tǒng)封裝式(SiP)LED封裝 SiP (System in Package)是近幾年來為適應(yīng)整機的攜帶型發(fā)展和小型化的要求,SiP-LED不僅可以在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光晶片，還可以將各種不同類型的器件(如電源、控制電路、光學微結(jié)構(gòu)、感測器等)集成在一起，構(gòu)建成一個更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。

13、 同其他封裝結(jié)構(gòu)相比，SiP具有工藝相容性好 (可利用已有的電子裝裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發(fā)周期短等優(yōu)點。按照技術(shù)類型不同，SiP可分為四種：晶片層疊型、模組型、MCM型和三維(3D)封裝型。,24,2020/6/19,SiP LED封裝的核心技術(shù)為： 超低熱阻基材； 嵌入式被動組建設(shè)計及制作。以往做法消除靜電,多晶片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于紫光晶片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主

14、動散熱。,被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED封裝，則必須采用主動散熱，如翅片+風扇、熱 管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。,25,2020/6/19,3.陶瓷可變電阻基板新型封裝技術(shù),2010年2月26日高工LED新聞中心消息：日本TDK公司的電子零件制造和銷售子公司TDK-EPC公司，開發(fā)出能將LED芯片尺寸控制在傳統(tǒng)封裝尺寸的2/3左右，“可變電阻基板”類似變阻器，它以陶瓷材料制成，具有電容器性質(zhì)，可以防止接上高電壓時LED

15、零件被破壞。,26,2020/6/19,一旦提高電壓,電阻就會產(chǎn)生很大的變化,使接地側(cè)有大量電流流過, 于是具有可避免短路的特性。圖左是傳統(tǒng)氧化鋁基板封裝結(jié)構(gòu)演變到“可變電阻基板”的新型封裝結(jié)構(gòu)。,變阻器同時具有去除靜電的功能，因此基板上不須另外裝設(shè)解決靜電用的二極管零組件，每個LED零件封裝所需的面積可控制在原面積的2/3。提高了封裝密度，可在相同面積下實現(xiàn)更高的亮度。再者，由于零組件的構(gòu)造變得單純，制造每個芯片花費的時間也減半。,27,2020/6/19,可變電阻基板與一般LED用的氧化鋁基板相比, 熱傳導(dǎo)效率較高, 也可望發(fā)揮吸收熱能的作用。 因為冷卻效果一旦提升，亮度就會提高，也與LE

16、D性能的提升有所關(guān)聯(lián)。與氧化鋁基板相比, 該種新基板雖被成本較高, 但有縮短封裝時間的效果。 因為陶瓷可變電阻基板有利于高密度陣列封裝，所以用陶瓷可變電阻基板構(gòu)成的百瓦乃至千瓦超大功率LED是今后大功率綠色光源的發(fā)展趨勢。,28,2020/6/19,5.1.3 大功率LED封裝工藝流程,大功率LED封裝工藝流程見下表,29,2020/6/19,30,2020/6/19,5.1.4 大功率LED的晶片裝架,一、裝架基礎(chǔ) 1. 目的 用銀膠將芯片固定在支架的載片區(qū)上，使芯片和支架形成良好的接觸。 2. 技術(shù)要求 2.1 膠量要求 芯片必須四面包膠，銀膠高度不得超過芯片高度的1/3。 2.2 芯片的表觀要求 芯片要求放置平整、無缺膠、粘膠、裝反(電極)、芯片無損傷，沾污。,31,2020/6/19,3. 工藝要求 材料使用保存條件： 下表是封裝材料的使用條件。,32,2020/