LED封裝的研究現狀及發(fā)展趨勢

　　近幾年，在全球節能減排的倡導和各國政府相關(guān)政策支持下，LED照明得到快速的發(fā)展。與傳統光源相比具有壽命長(cháng)、體積小、節能、高效、響應速度快、抗震、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被認為是可以進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的“綠色照明光源”，LED大規模應用于普通照明是一個(gè)必然的趨勢。

　　作為LED產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的LED封裝，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中起著(zhù)關(guān)鍵的作用。對于封裝而言，其關(guān)鍵技術(shù)歸根結底在于如何在有限的成本范圍內盡可能多的提取芯片發(fā)出的光，同時(shí)降低封裝熱阻，提高可靠性。在封裝過(guò)程中，封裝材料和封裝方式占主要影響因素。隨著(zhù)LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，對封裝的要求也越來(lái)越高，一方面LED封裝在兼顧發(fā)光角度、光色均勻性等方面時(shí)必須滿(mǎn)足具有足夠高的取光效率和光通量;另一方面，封裝必須滿(mǎn)足芯片的散熱要求。因此，芯片、熒光粉、基板、熱界面材料和等封裝材料以及相應的封裝方式亟待發(fā)展創(chuàng )新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

　　封裝材料

　　在封裝過(guò)程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長(cháng)期可靠性的關(guān)鍵。高性能封裝材料的合理選擇和使用，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長(cháng)LED的使用壽命。封裝材料主要包括芯片、熒光粉、基板、熱界面材料。

　　(1)芯片結構

　　隨著(zhù)LED器件性能的不斷發(fā)展和應用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開(kāi)發(fā)，芯片結構也在不斷地改進(jìn)。目前LED芯片的封裝結構主要有4種，即：正裝結構、倒裝結構、垂直結構和三維垂直結構。

　　目前普通的LED芯片采用藍寶石襯底的正裝結構，該結構簡(jiǎn)單，制作工藝比較成熟。但由于藍寶石導熱性能較差，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一，與正裝結構相比，熱量不必經(jīng)過(guò)芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，進(jìn)而通過(guò)金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中。

　　垂直結構的藍光芯片是在正裝的基礎上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統藍寶石襯底的芯片倒過(guò)來(lái)鍵合在導熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結構的芯片解決了散熱瓶頸問(wèn)題，但工藝復雜，特別是襯底轉換這個(gè)過(guò)程實(shí)現難度大，生產(chǎn)合格率也較低。

　　與垂直結構LED芯片相比，三維垂直結構LED芯片的主要優(yōu)勢在于無(wú)需打金線(xiàn)，使得其封裝的厚度更薄、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅動(dòng)電流。

　　(2)熒光粉

　　隨著(zhù)人們對LED光品質(zhì)的要求越來(lái)越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開(kāi)發(fā)出來(lái)，高光效、高顯色指數、長(cháng)壽命熒光粉開(kāi)發(fā)及其涂覆技術(shù)的研究成為關(guān)鍵。目前主流的白光實(shí)現形式是藍光LED芯片結合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應用。

　　多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數起到重要作用，拓寬了LED光源的應用領(lǐng)域，可以在一些對色彩還原度要求高的場(chǎng)合替代傳統的鹵素燈或金鹵燈。同時(shí)，人們也在不斷開(kāi)發(fā)新型的LED用熒光粉，

　　紅色和綠色熒光粉的加入，顯著(zhù)提高光源的顯色指數。ZL201210264610.3[11]公開(kāi)了一種藍光激發(fā)的連續光譜熒光粉的制備方法，該熒光粉采用氧化鋅、氧化鑭、碳酸鈣等原料，調節激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍光激發(fā)下發(fā)出470～700nm的連續光譜。同一基質(zhì)的熒光粉在封裝過(guò)程中會(huì )體現出更多的優(yōu)勢。

　　半導體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門(mén)的一個(gè)方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴(lài)，突破國外專(zhuān)利壁壘。同時(shí)，半導體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長(cháng)可調、發(fā)光光譜寬、自吸收小等特點(diǎn)，在白光LED應用中具有潛在的市場(chǎng)。

　　(3)散熱基板

　　隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展，功率越來(lái)越高，LED芯片的熱流密度更大，對封裝基板材料熱阻和膨脹系數的要求也越來(lái)越高。散熱基板發(fā)展迅速，品種也比較多，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料。

　　金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來(lái)強化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內。這種技術(shù)能有效解決大功率器件在結構緊湊的趨勢下所帶來(lái)的散熱問(wèn)題。MCPCB熱導率可達到1～2.2W/(m·K)。

　　由于MCPCB的介電層沒(méi)有太好的熱傳導率(0.3W/(m·K))，使其成為與散熱器的散熱瓶頸。金屬基散熱板具有高的熱導率，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環(huán)氧樹(shù)脂黏接方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導率就比較高，達1.12W/(m·K)。

　　陶瓷材料封裝基板穩定性好，可能是最有前景的研究方向。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復雜制作工藝。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術(shù)在熱處理方面與傳統封裝方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料，具有導熱系數高、介電常數和介電損耗低的特點(diǎn)，被認為是新一代半導體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導熱性能優(yōu)良的陶瓷基板，所制成的超薄復合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導熱特性，其熱導率可達24～28W/(m·K)。

　　對于LED封裝應用而言，散熱基板除具備基本的高導熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、相匹配的膨脹系數。透明陶瓷材料技術(shù)，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數匹配等性能外，同時(shí)還有望在封裝器件的光學(xué)性能上有所突破，實(shí)現全空間發(fā)光LED封裝。

　　(4)熱界面材料

　　目前對于散熱的研究人們更多的注重芯片、基板、散熱器的材料和結構，卻往往忽略了熱界面材料的影響。熱界面材料是用于兩種材料間的填充物，在熱量傳遞過(guò)程中起到橋梁的作用。LED燈具是一個(gè)多層結構的組合體，若要快速導出芯片產(chǎn)生的熱量，盡量減小材料之間的熱阻，提高導熱率，熱界面材料的導熱性能在其中至關(guān)重要。目前用于LED封裝的熱界面材料有四種方式：導熱膠粘劑、導電銀膠、錫膏和錫金合金共晶焊接。

　　導熱膠是在基體內部加入一些高導熱系數的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，從而提高其導熱能力。導熱膠的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、具有絕緣性能、工藝簡(jiǎn)單，但導熱性普遍較差，熱傳導系數在0.7W/(m?K)左右。

　　導電銀漿是在環(huán)氧樹(shù)脂內添加銀粉，其硬化溫度一般低于200℃，熱傳導系數為20W/(m?K)左右，具有良好的導熱特性，同時(shí)粘貼強度也較好，但銀漿對光的吸收比較大，導致光效下降。

　　對于小功率LED芯片發(fā)熱量少，通過(guò)導電銀膠作為粘結層完全可以滿(mǎn)足散熱以及可靠性問(wèn)題[13]。導電錫膏的熱傳導系數約為50W/(m?K)，一般用于金屬之間焊接，導電性能也很優(yōu)異。

　　錫金合金共晶焊接利用金屬的共晶點(diǎn)將兩種金屬焊在一起，適合作為大功率LED芯片的粘結材料。Kim等[14]通過(guò)比較了導熱導電銀膠、Sn-Ag-Cu釬料和Au-Sn共晶釬料作為熱界面材料的散熱性能，發(fā)現對于SiC襯底片與Si基板的鍵合，Au/Sn共晶釬料的封裝熱阻明顯低于銀膠和Sn-Ag-Cu釬。

　　目前國內熱界面材料遠遠落后于國外水平，隨著(zhù)LED封裝集成度的提高和熱流密度的增大，需要更高導熱效率的新型熱界面材料，以提高LED封裝器件間的熱量傳遞能力，如利用石墨烯、碳納米管、納米銀線(xiàn)作為填料進(jìn)行復合，同時(shí)利用無(wú)機官能團對基料進(jìn)行修飾等制備出低熱阻新型復合熱界面材料技術(shù)。對于LED封裝應用而言，理想的熱界面材料除了具備低熱阻外，還應有相匹配的膨脹系數和彈性模量，以及較好的機械性能、熱變形溫度高、成本較低等要求。

　　封裝結構

　　在LED芯片技術(shù)的快速發(fā)展下，LED產(chǎn)品的封裝形式也從單芯片封裝方式發(fā)展到多芯片封裝方式。它的封裝結構也從Lamp封裝到SMD封裝再到COB封裝和RP封裝技術(shù)。

　　引腳式封裝(Lamp)采用引線(xiàn)架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場(chǎng)的LED封裝結構，品種數量繁多，技術(shù)成熟度較高。表面貼裝封裝(SMD)因減小了產(chǎn)品所占空間面積、降低重量、允許通過(guò)的工作電流大，尤其適合自動(dòng)化貼裝生產(chǎn)，成為比較先進(jìn)的一種工藝，從Lamp封裝轉SMD封裝符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢。但是在應用中存在散熱、發(fā)光均勻性和發(fā)光效率下降等問(wèn)題。

　　CoB(ChiponBoard)封裝結構是在多芯片封裝技術(shù)的基礎上發(fā)展而來(lái)，CoB封裝是將裸露的芯片直接貼裝在電路板上，通過(guò)鍵合引線(xiàn)與電路板鍵合，然后進(jìn)行芯片的鈍化和保護[15]。CoB的優(yōu)點(diǎn)在于：光線(xiàn)柔和、線(xiàn)路設計簡(jiǎn)單、高成本效益、節省系統空間等[16]，但存在著(zhù)芯片整合亮度、色溫調和與系統整合的技術(shù)問(wèn)題。

　　遠程熒光封裝技術(shù)(RP)是將多顆藍光LED與熒光粉分開(kāi)放置，LED發(fā)出的藍光在經(jīng)過(guò)反射器、散射器等混光后均勻的入射到熒光粉層上，最終發(fā)出均勻白光的一種LED光源形式。與其他封裝結構相比，RP封裝技術(shù)性能更為特出：首先，是熒光粉體遠離LED芯片，熒光粉不易受PN結發(fā)熱的影響，特別是一些硅酸鹽類(lèi)的熒光粉，易受高溫高濕的影響，在遠離熱源后可減少熒光粉熱猝滅幾率，延長(cháng)光源的壽命。其次，熒光粉遠離芯片設計的結構有利于光的取出，提高光源發(fā)光效率。再者，此結構發(fā)出的光色空間分布均勻，顏色一致性高。近年來(lái)，紫外激發(fā)的遠程封裝技術(shù)引起人們的高度關(guān)注，相比傳統紫外光源，擁有獨一無(wú)二的優(yōu)勢，包括功耗低、發(fā)光響應快、可靠性高、輻射效率高、壽命長(cháng)、對環(huán)境無(wú)污染、結構緊湊等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為世界各大公司和研究機構新的研究熱點(diǎn)之一。

　　發(fā)展趨勢

　　近年來(lái)國內外眾多科研機構和企業(yè)對LED封裝技術(shù)持續開(kāi)展研究，優(yōu)良的封裝材料和高效的封裝工藝陸續被提出，高可靠性的LED照明新產(chǎn)品相繼出現，如：LED燈絲、軟基板封裝技術(shù)等(如圖4)同時(shí)具備一定的使用性能要求。

　　在對新型材料的不斷研制下，超導電和超導熱材料相繼問(wèn)世，為L(cháng)ED封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅實(shí)的基礎，如石墨烯。，中國科學(xué)院半導體發(fā)明了以石墨烯作為導熱層的倒裝結構發(fā)光二極管，利用石墨烯優(yōu)越的導電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果[17]。

　　針對目前LED芯片采用低壓直流驅動(dòng)，需要在電源驅動(dòng)器中進(jìn)行降壓整流處理，引起能量損耗和可靠性問(wèn)題。人們分別提出采用高壓的LED芯片和交流的LED芯片進(jìn)行改善。2008年9月，臺灣工研院以芯片式交流電發(fā)光二極管照明技術(shù)(OnChipAlternatingCurrentLEDLightingTechnology)獲得美國R&D100Awards肯定。ACLED(AlternatingCurrentLED)具有低能耗、高效率、使用方便等優(yōu)異性能，同時(shí)也顛覆了傳統LED的應用。

　　三維封裝技術(shù)，對于LED封裝而言是一種全新的概念，它對設計思路和理念、材料特性以及封裝技術(shù)本身提出更多創(chuàng )新性的要求。三維打印技術(shù)從出現到今天，有了長(cháng)足的提高，使LED三維封裝技術(shù)成為一種可能，但目前存在許多需要克服的難題，如材料的復合制備、材料間熱應力平衡控制、生產(chǎn)效率等。因而可以說(shuō)基于三維打印技術(shù)的LED封裝技術(shù)仍是較為遙遠的設想。

　　從長(cháng)遠來(lái)看，LED封裝技術(shù)需要加快針對三維封裝的封裝材料、封裝結構以及多功能系統化集成的探究，按照集成電路的封裝概念，提高LED封裝的微型化，采用無(wú)鍵合金線(xiàn)的封裝方法，實(shí)現高光效光源模組器件的散熱能力，解決LED應用中光、熱、電三者的矛盾，最終實(shí)現智能系統化的LED封裝技術(shù)，滿(mǎn)足日益復雜的LED應用要求。

　　結語(yǔ)

　　隨著(zhù)LED功率化、高效化、低成本、高可靠性的不斷發(fā)展，對封裝技術(shù)的要求將越來(lái)越苛刻，尤其是封裝材料和封裝工藝。封裝技術(shù)比較復雜，需要綜合考慮光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、結構等方面的因素，同時(shí)低熱阻、穩定好的封裝材料和新穎優(yōu)異的封裝結構仍是LED封裝技術(shù)的關(guān)鍵。在新的封裝材料與新的封裝結構完美的結合下，舒適、美觀(guān)和智能化的LED照明產(chǎn)品將不斷涌現。