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大功率LED亚博平台登录链接地址具,封装是关键「孙氏照明」
文章来源:亚博平台登录链接地址  作者:亚博平台登录链接地址  发布日期:2021-01-01  浏览次数:180

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原标题:大功率LED封装有哪五大关键技术?

     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:

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  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(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 ,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 )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 (与硅的热膨胀系数相当),从而降低了封装热应力。

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 二、高取光率封装结构与工艺

    在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在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。

 总体而言,为提高LED的出光效率和可靠性,封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势,通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面,不仅提高了荧光粉的均匀度,而且提高了封装效率。此外,减少LED出光方向的光学界面数,也是提高出光效率的有效措施。

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  三、阵列封装与系统集成技术

    目前,高亮度LED器件要代替白炽亚博平台登录链接地址以及高压汞亚博平台登录链接地址,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LED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。

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    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)。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),将大大降低封装制造成本。此外,晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度,防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏,提高封装成品率和可靠性,因而是一种降低封装成本的有效手段。

    此外,对于大功率LED封装,必须在芯片设计和封装设计过程中,尽可能采用工艺较少的封装形式(Package-less Packaging),同时简化封装结构,尽可能减少热学和光学界面数,以降低封装热阻,提高出光效率。

 五、封装可靠性测试与评估

 LED器件的失效模式主要包括电失效(如短路或断路)、光失效(如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等)和机械失效(如引线断裂,脱焊等),而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间(MTTF)来定义,对于照明用途,一般指LED的输出光通量衰减为初始的70%(对显示用途一般定义为初始值的50%)的使用时间。

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    由于LED寿命长,通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与*估。测试内容主要包括高温储存(100℃,1000h)、低温储存(-55℃,1000h)、高温高湿(85℃/85%,1000h)、高低温循环(85℃~-55℃)、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而,加速环境试验只是问题的一个方面,对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

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