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图文详解:大功率白光LED封装技术及发展趋势

上传人:陈辉

上传时间: 2011-06-04

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  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,如图5(a)。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,如图5(b)。

  


  LED照明模块

  (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),如图6所示。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。

  


  晶片键合与芯片键合

  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。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评估。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。

  三、固态照明对大功率LED封装的要求

  与传统照明灯具相比,LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光,不仅效率高、光色纯,而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数,满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求,具体体现在:

  (一)模块化

  通过多个LED灯(或模块)的相互连接可实现良好的流明输出叠加,满足高亮度照明的要求。通过模块化技术,可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合,满足不同领域的照明要求。

  (二)系统效率最大化

  为提高LED灯具的出光效率,除了需要合适的LED电源外,还必须采用高效的散热结构和工艺,以及优化内/外光学设计,以提高整个系统效率。

  (三)低成本

  LED灯具要走向市场,必须在成本上具备竞争优势(主要指初期安装成本),而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分,因此,采用新型封装结构和技术,提高光效/成本比,是实现LED灯具商品化的关键。

  (四)易于替换和维护

  由于LED光源寿命长,维护成本低,因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求,并且要求LED芯片的互换性要好,以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。

  LED灯具光源可由多个分布式点光源组成,由于芯片尺寸小,从而使封装出的灯具重量轻,结构精巧,并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准,但同时给设计提供了充分的想象空间。此外,LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电(220V,AC),而 LED需要恒流或限流电源,因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路(ASICs),以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外,通过数字照明控制技术,对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现,从而在用户、信息与光源间建立了新的关联,并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。

  四、结束语

  LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。从某种角度而言,LED封装不仅是一门制造技术 (Technology),而且也是一门基础科学(Science),良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行,并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中,虽然材料(散热基板、荧光粉、灌封胶)选择很重要,但封装结构(如热学界面、光学界面)对LED光效和可靠性影响也很大,大功率白光LED封装必须采用新材料,新工艺,新思路。对于LED灯具而言,更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。

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