大功率LED封装技术及其发展

2022-04-26 11:58分类：电子元器件阅读：

功率大的LED封裝技术性以及发展趋势

一、序言
功率大的led封装因为构造和加工工艺繁杂，并同时危害到led的性能指标和使用寿命，一直是近些年的科研网络热点，尤其是功率大的白光灯led封装也是科学研究网络热点中的网络热点。led封装的基本功能具体包含：1.机械设备维护，以增强稳定性；2.提升排热，以减少集成ic结温，提升led特性；3.电子光学操纵，提升出光高效率，提升光线遍布；4.供电系统管理方法，包含沟通交流/直流电变化，及其开关电源操纵等。

led封装方式、原材料、构造和技术的选用主要是由集成ic构造、光学/机械设备特点、实际使用和成本费等要素决策。历经40很多年的发展趋势，led封装依次经历了支撑架式(Lamp led)、帖片(SMD led)、输出功率型led(Power led)等发展趋势环节。伴随着集成ic输出功率的扩大，尤其是固体照明灯具新技术进步的要求，对led封装的电子光学、热力学、电力学和机械系统等提到了新的、高些的规定。为了更好地合理地减少封裝传热系数，提升出光高效率，务必采取最新的技术性构思来实现封裝设计方案。

二、功率大的led封装核心技术

功率大的led封装关键涉及到光、热、电、构造与技术等层面，如图所示1所显示。这种要素彼此之间既互不相关，又互相影响。在其中，仅是led封装的目地，热是重要，电、构造与加工工艺是方式，而特性是封裝水准的主要反映。从加工工艺兼容模式及减少产品成本来讲，led封装设计方案应与ic设计与此同时开展，即ic设计时就需要充分考虑封裝构造和加工工艺。不然，等芯片制造进行后，很有可能因为封裝的必须对集成ic构造实现调节，进而增加了新产品开发时间和加工工艺成本费，有时候乃至不太可能。

实际来讲，功率大的led封装的核心技术包含：

（一）低传热系数封裝加工工艺

针对目前的led特效水准来讲，因为键入电量的80％上下变化变成发热量，且led集成ic总面积小，因而，集成ic排热是led封装务必处理的至关重要的问题。关键包含集成ic布局、封裝原材料挑选基钢板原材料、热页面原材料）与加工工艺、热沉设计方案等。

led封装传热系数关键包含原材料（排热基钢板和热沉构造）內部传热系数和页面传热系数。排热基钢板的效果便是消化吸收集成ic造成的发热量，并传输到热沉上，完成与外部的热交换器。常见的排热基钢板原材料包含硅、金属材料（如铝，铜）、瓷器（如，AlN，SiC）和金属复合材料等。如Nichia企业的第三代led选用CuW做衬底，将1mm集成ic倒装句在CuW衬底上，减少了封裝传热系数，提升了发亮输出功率和高效率；Lamina Ceramics企业则制造了超低温共烧瓷器金属材料基钢板，如图2（a），并研发了相对的led封装技术性。该技术性最先制取出适合碳化物焊的功率大的led集成ic和相对应的陶瓷基板，随后将led集成ic与基钢板立即电焊焊接在一起。因为该基钢板上融合了碳化物焊层、静电保护电源电路、光耦电路及操纵赔偿电源电路，不但构造简易，并且因为原材料导热系数高，热页面少，进一步提高了排热特性，为功率大的led列阵封裝明确提出了解决方法。法国Curmilk公司研发的高传热性覆铜陶瓷纤维板，由陶瓷基板（AlN或）和导电性层（Cu）在高温下煅烧而成，沒有应用粘结剂，因而传热性能好、抗压强度高、绝缘性能强，如图2（b）所显示。在其中氮化铝（AlN）的导热系数为160W/mk，线膨胀系数为（与硅的线膨胀系数非常），进而减少了封裝内应力。

研究表明，封裝页面对传热系数危害也非常大，假如无法妥善处理页面，就难以获得优良的排热实际效果。比如，室内温度下触碰优良的页面在持续高温下很有可能存有页面空隙，基钢板的涨缩也有可能会危害键意合部分的排热。改进led封装的重点在于降低页面和页面触碰传热系数，提高排热。因而，集成ic和排热基钢板间的热页面原材料（TIM）挑选十分关键。led封装常见的TIM为导电胶和导热胶，因为导热系数较低，一般为0.5-2.5W/mK，导致页面传热系数很高。而选用超低温或碳化物焊接材料、焊锡膏或是内掺纳米颗粒的导电胶做为热页面原材料，可大幅度降低页面传热系数。

（二）高取光率封裝构造与加工工艺

在led应用全过程中，辐射源复合型造成的光量子在向外发送时造成的损害，关键包含三个层面：集成ic内部构造缺点及其材质的消化吸收；光量子在出射页面因为折光率差导致的反射面损害；及其因为倾斜角超过全反射临界角而导致的全反射损害。因而，许多光源没法从集成ic抽出射到外界。根据在集成ic表层涂上一层折光率相对性较高的透明胶带层(灌封胶)，因为该黏胶处在集成ic和气体中间，进而有效的降低了光量子在页面的损害，提升了取光高效率。除此之外，灌封胶的功效还涉及对处理器开展机械设备维护，地应力释放出来，并做为一种导光构造。因而，规定其透光度高，折光率高，耐热性好，流通性好，便于喷漆。为提升led封装的稳定性，还规定灌封胶具备低吸水性、低地应力、抗老化等特点。现阶段较常用的灌封胶包含环氧树脂胶和硅橡胶。硅橡胶因为具备透光度高，折光率大，耐热性好，地应力小，吸水性劣等特性，显著好于环氧树脂胶，在功率大的led封装中获得广泛运用，但费用较高。研究表明，提升硅橡胶折光率可合理降低折光率物理学天然屏障产生的光量子损害，提升外量子效率，但硅橡胶特性受工作温度危害很大。伴随着气温上升，硅橡胶里面的内应力增加，造成硅橡胶的折光率减少，进而危害led特效和光照强度遍布。

夜光粉的功能取决于灯色复合型，产生白光灯。其特征具体涉及粒度分布、样子、发亮高效率、变换高效率、可靠性（热和有机化学）等，在其中，发亮效果和变换速率是重要。研究表明，伴随着气温升高，夜光粉量子效率减少,出光降低，辐射源光波长也会产生变化，进而造成白光灯led色温、饱和度的转变，较高的气温还会继续加快夜光粉的脆化。缘故取决于夜光粉镀层是由环氧树脂或硅橡胶与夜光粉配制而成，排热特性较弱，当遭受紫光或紫外线的辐射源时，易产生溫度猝灭和脆化，使发亮高效率减少。除此之外，高溫下灌封胶和夜光粉的耐热性也存在的问题。因为常见夜光粉规格在1um之上，折光率大于或等于1.85，而硅橡胶折光率一般在1.5上下。因为二者间折光率的不配对，及其夜光粉颗粒物规格远高于光透射極限（30nm），因此在夜光粉颗粒物表层存有光透射，减少了出光高效率。根据在硅橡胶中掺加纳米技术夜光粉，可使折光率提升到1.8之上，减少光透射，提升led出光高效率（10％-20％），并能有效的改进灯色品质。

传统式的夜光粉涂覆方法是将夜光粉与灌封胶混和，随后点涂在集成ic上。因为不能对夜光粉的涂覆薄厚和样式开展精准操纵，造成出射光颜色不一致，发生偏高清蓝光或是偏暗光。而Lumileds企业研发的保形镀层（Conformal coaTIng）技术性可完成夜光粉的匀称涂敷，确保了灯色的匀称性，如图所示3（b）。但研究表明，当夜光粉立即涂敷在集成ic表层时，因为光透射的存有，出光高效率较低。有鉴于此，英国RenssELaer 研究室明确提出了一种光量子透射提纯加工工艺（Scattered Photon ExtracTIon method，SPE)，根据在集成ic表层布局一个对焦镜片，并将含夜光粉的玻璃镜片放置距集成ic一定部位，不但提升了元器件稳定性，并且大幅提高了特效（60％），如图所示3(c)。