功率型LED封裝技術(shù)探討

摘 要：LED作為第四代光源，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理對(duì)于日常生活照明與資源高效利用具有重要意義。近年來LED芯片功率呈現(xiàn)出逐漸增高的發(fā)展趨勢(shì)，這就對(duì)于LED燈管的發(fā)熱量控制與出光率提出了更高的要求，也為當(dāng)今LED的封裝技術(shù)帶來了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文將在對(duì)功率型LED的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)其關(guān)鍵封裝技術(shù)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：功率型LED；結(jié)構(gòu)，封裝技術(shù)；技術(shù)探討

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.120

0 引言

當(dāng)前，由于LED所具有的使用壽命長(zhǎng)、能源利用率高、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固以及發(fā)光速度更快等優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今社會(huì)的主流照明方式。對(duì)于LED發(fā)光技術(shù)的研究與推廣運(yùn)用，對(duì)于能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)具有重要意義。所以對(duì)于功率型LED發(fā)展技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)前業(yè)界重要的研究課題。

1 功率型LED的主要結(jié)構(gòu)以及封裝方式

1.1 功率型LED的主要結(jié)構(gòu)形態(tài)

LED （Light Emitting Diode），即發(fā)光二極管，其本質(zhì)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED一般主要由氮元素、磷以及砷元素的化合物構(gòu)成，其核心結(jié)構(gòu)目前主要有三種形式，即正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)。

正裝結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)LED芯片的工作效率造成一定影響，但也能夠通過藍(lán)寶石襯底將發(fā)光過程中產(chǎn)生的熱量發(fā)散出去。正裝結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于其導(dǎo)熱路徑較長(zhǎng)，而且導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差，這將對(duì)于LED芯片的工作效率產(chǎn)生消極影響，并且其中的附件將降低光源亮度。

倒裝結(jié)構(gòu)是由Lu mi Eds Lighting 公司所發(fā)明，此種結(jié)構(gòu)的主要原理是在較大尺寸的LED核心芯片以及對(duì)應(yīng)尺寸的硅底板之上進(jìn)行導(dǎo)電層的刻鍍工作，最后再利用專業(yè)的焊接設(shè)備將其進(jìn)行完整連接。倒裝結(jié)構(gòu)相對(duì)于正裝結(jié)構(gòu)，其發(fā)光過程中的熱源發(fā)散效率更高，對(duì)于芯片工作效率的影響相對(duì)較小，但是其對(duì)于焊接技術(shù)與襯底材料的材料工藝要求更高。

垂直結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形態(tài)就是將兩個(gè)相異電極分別布置在外延片的兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是它能夠使得電流能夠保持較高效率基礎(chǔ)上徑直通過LED燈管的外延層，最大限度減低了發(fā)光過程中的電流阻塞。目前，在垂直結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行較大功率的發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為L(zhǎng)ED行業(yè)發(fā)展的主流方向[1]。

1.2 功率型LED的封裝方式

目前業(yè)內(nèi)對(duì)于功率型LED的封裝方式主要包括兩種，即人工封裝方式與自動(dòng)封裝方式。人工封裝方式是指利用人力勞動(dòng)完成LED的整個(gè)組裝過程，這種封裝方式主要適用于新型LED燈管的樣品制作以及小規(guī)模的生產(chǎn)制作。而自動(dòng)封裝方式是指利用專業(yè)的機(jī)械設(shè)備或完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，完成LED的全部組裝工作。這種方式效率較高，適用于技術(shù)成熟，能夠大規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)用的LED產(chǎn)品的封裝。

2 功率型LED封裝過程中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 散熱技術(shù)

由于LED發(fā)光的主要原理是利用電子在不同能帶之間進(jìn)行躍遷進(jìn)而散發(fā)出光，且這種光源較為獨(dú)特，其中不含紅外成分，所以其發(fā)光過程中產(chǎn)生的熱量并不能依靠輻射散發(fā)出去。這種熱量在外界電場(chǎng)的影響下，會(huì)將發(fā)光過程中多余的能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行釋放。但是結(jié)合目前LED的發(fā)光效率看來，一般也只能達(dá)到20%左右，這就意味著其余將近80%的能量將直接轉(zhuǎn)化為熱能，這對(duì)于提高LED發(fā)光效率，促進(jìn)能源節(jié)約無疑是非常不利的。并且在LED的發(fā)光過程中，如果不能將芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)有效的散發(fā)出去，將會(huì)直接導(dǎo)致LED中熒光粉取光效率降低，縮短相關(guān)元器件的使用壽命[2]。

在當(dāng)今主流的封裝結(jié)構(gòu)中，散熱方式一般是在外層使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行覆蓋，襯底以藍(lán)寶石作為導(dǎo)熱材料，但是環(huán)氧樹脂與藍(lán)寶石本身的導(dǎo)熱性能并不突出，這就使得LED封裝結(jié)構(gòu)目前的導(dǎo)熱性能整體低下，這對(duì)于LED發(fā)光過程的穩(wěn)定性造成了較大影響。為滿足LED散熱的需要，業(yè)界對(duì)于新型的散熱基礎(chǔ)材料進(jìn)行的深入研究，其中主要研究成果包括低溫共燒陶瓷金屬基板、高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板、金屬基復(fù)合材料以及復(fù)合材料等這些材料在通過Colombo軟件做熱分析的過程中，其散熱性能較之當(dāng)前材料都有較大進(jìn)步。

2.2 取光技術(shù)

當(dāng)電能通過LED燈管時(shí)，除去發(fā)光之外多余的能量將產(chǎn)生大量的光子，但是這些光子并不能全部進(jìn)入到空氣之中，這主要是因?yàn)檎凵涠傻淖饔靡约碍h(huán)氧樹脂等材料透光性能的低下，這對(duì)于LED的發(fā)光效率將會(huì)產(chǎn)生直接影響。

在目前LED封裝技術(shù)中，對(duì)于發(fā)光芯片采用倒裝焊接技術(shù)能夠一定程度上提高LED的發(fā)光效率。這主要是因?yàn)閷?duì)藍(lán)寶石進(jìn)行倒裝焊接后使其成為發(fā)光媒介，這將大大減少電子對(duì)于各個(gè)方位進(jìn)行光源散發(fā)的影響。但是這種技術(shù)要求在芯片主要的發(fā)光電極之下增加高反光率的反射層對(duì)光源進(jìn)行反射，否則還是將會(huì)造成光源的浪費(fèi)。所以在進(jìn)行功率型LED封裝過程中，對(duì)于底板的安裝必須對(duì)于反射層進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，對(duì)于發(fā)光芯片的各個(gè)側(cè)面也應(yīng)該設(shè)置發(fā)光面以有效提高LED的整體發(fā)光效率。在進(jìn)行反光面的設(shè)計(jì)過程中，可以采用CAD建模的方式進(jìn)行各種方案的發(fā)光效果評(píng)估，再進(jìn)行全面對(duì)比，采用最為高效的方案進(jìn)行反光面的設(shè)置。

在正裝結(jié)構(gòu)LED的封裝過程中，應(yīng)該在其藍(lán)寶石襯底以及環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱層的結(jié)合處使用硅膠材料進(jìn)行覆蓋，這能夠大大改善正裝結(jié)構(gòu)LED的發(fā)光效率。此外，在功率型LED的封裝過程中，對(duì)于其頂部透鏡的設(shè)計(jì)對(duì)于LED的整體取光效果也會(huì)產(chǎn)生直接影響。在當(dāng)前LED的組裝過程主要有凸透鏡、凹透鏡、球型鏡以及菲涅爾透鏡等幾種主要透鏡形式，但是這些透鏡的封裝方式對(duì)于LED的整體采光效能的提高各有所限制。所以在近年來LED取光技術(shù)的研究運(yùn)用過程中，已經(jīng)逐漸開始采用微透鏡陣列的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡形式的使用。這種新型的透鏡不僅排列精度更高、制作成本更低，而且能夠有效提高LED的整體取光效率[3]。

2.3 熒光粉涂裝技術(shù)

在LED的封裝過程中，對(duì)于熒光粉的涂裝技術(shù)要求較高。這主要是因?yàn)闊晒夥墼贚ED的光源散發(fā)過程中能夠?qū)馍M(jìn)行調(diào)和，使得LED的光源更加均勻柔和。如果熒光粉的涂裝技術(shù)達(dá)不到要求，使得熒光粉的涂裝LED燈管上出現(xiàn)粉體厚度不均勻的現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致LED在光源散發(fā)的過程中出現(xiàn)局部偏色的現(xiàn)象，影響LED光源的美觀效果與整體運(yùn)作性能。

以往的在LED封裝過程中，對(duì)于熒光粉的涂裝方式一般是先將熒光粉與專用膠體按照一定比例進(jìn)行調(diào)和，然后直接將這兩者的混合物涂裝在LED 芯片的表層位置。但是使用這種涂裝工藝進(jìn)行熒光粉的涂裝容易形成熒光粉涂層的不規(guī)則彎曲，對(duì)LED的光源散發(fā)造成不利影響，使其出現(xiàn)在發(fā)光過程中發(fā)散出不規(guī)則的黃光或者藍(lán)光。

目前，美國相關(guān)企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出保形熒光粉涂裝技術(shù)，這種新型

（下轉(zhuǎn)第123頁）

（上接第139頁）

的涂裝技術(shù)能夠使得熒光的涂裝更為均勻，能夠保證LED光源散發(fā)符合設(shè)計(jì)需求。保形熒光粉涂裝技術(shù)主要是通過增強(qiáng)膠體的感光性，通過膠體的對(duì)于LED光源的感應(yīng)完成熒光粉的均勻涂裝，并且通過其中芯片的控制，能夠在涂裝過程中對(duì)其涂裝形狀進(jìn)行精確控制。這種涂裝方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于LED光源色度與均勻性的更好控制，但是其技術(shù)要求較高，國內(nèi)對(duì)于此種技術(shù)更是知之甚少。所以國內(nèi)當(dāng)前一般是采用粉漿法進(jìn)行熒光粉的涂裝，具體方式也是將熒光粉與感光膠相調(diào)和，再利用其感光性在LED表面形成一層均勻的熒光粉層。這種方式技術(shù)難度較低，但也同樣能夠克服當(dāng)前LED熒光粉涂裝技術(shù)產(chǎn)生的弊端，實(shí)現(xiàn)對(duì)于光源均勻度、色度的有效控制。

3 CAD模塊在電子封裝中的應(yīng)用

在電子封裝領(lǐng)域，CAD技術(shù)得到了良好的應(yīng)用，作為一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，CAD模塊極大的提高了封裝的效率和智能化。功率型LED的封裝具有一定的難度，而CAD模塊的設(shè)計(jì)初期就具有同步系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)同步仿真設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)封裝驗(yàn)證、仿真和版圖設(shè)計(jì)的一體化。當(dāng)前智能CAD已經(jīng)能夠適應(yīng)新一代封裝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，運(yùn)用超變量幾何技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)三維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

LED照明技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力，其對(duì)于照明方式的進(jìn)步與資源利用效率的提高都存在積極意義。在當(dāng)前功率型LED當(dāng)中主要有正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)以及垂直解結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式。在功率型LED封裝過程的關(guān)鍵技術(shù)中，應(yīng)該對(duì)于LED的散熱技術(shù)與取光技術(shù)著重進(jìn)行研究。這些關(guān)鍵技術(shù)的突破對(duì)于提高LED發(fā)光效率，延長(zhǎng)元器件的使用壽命具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳明祥，羅小兵.大功率白光LED封裝設(shè)計(jì)研究[J].半導(dǎo)體光電，

2016，27（06）：53-58.

[2]董波，楊利營.有機(jī)電致發(fā)光器件的封裝技術(shù)[J].液晶與顯示， 2014，22（02）：176-183.

[3]劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，19（01）：69-72.

作者簡(jiǎn)介：張繼海（1983-），男，廣西桂林人，本科，初級(jí)，研究方向：LED封裝。