圖文詳解:大功率白光LED封裝技術及發展趨勢
上傳人:陳輝 上傳時間: 2011-06-04 瀏覽次數: 208 |
在系統集成方面,臺灣新強光電公司采用系統封裝技術(SiP), 并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模塊,研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源,如圖5(a)。由于封裝熱阻較低(4.38℃/W),當環境溫度為25℃時,LED結溫控制在60℃以下,從而確保了LED的使用壽命和良好的發光性能。而華中科技大學則采用COB 封裝和微噴主動散熱技術,封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源,如圖5(b)。

LED照明模塊
(四)封裝大生產技術
晶片鍵合(Wafer bonding)技術是指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片(Wafer)上進行,封裝完成后再進行切割,形成單個的芯片(Chip);與之相對應的芯片鍵合(Die bonding)是指芯片結構和電路在晶片上完成后,即進行切割形成芯片(Die),然后對單個芯片進行封裝(類似現在的LED封裝工藝),如圖6所示。很明顯,晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例,因此,改變現有的LED封裝形式(從芯片鍵合到晶片鍵合),將大大降低封裝制造成本。此外,晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔凈度,防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞,提高封裝成品率和可靠性,因而是一種降低封裝成本的有效手段。

晶片鍵合與芯片鍵合
此外,對于大功率LED封裝,必須在芯片設計和封裝設計過程中,盡可能采用工藝較少的封裝形式(Package-less Packaging),同時簡化封裝結構,盡可能減少熱學和光學界面數,以降低封裝熱阻,提高出光效率。
(五)封裝可靠性測試與評估
LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導致的灌封膠黃化、光學性能劣化等)和機械失效(如引線斷裂,脫焊等),而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間(MTTF)來定義,對于照明用途,一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70%(對顯示用途一般定義為初始值的50%)的使用時間。由于LED 壽命長,通常采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存(100℃,1000h)、低溫儲存(-55℃,1000h)、高溫高濕(85℃/85%,1000h)、高低溫循環(85℃~-55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而,加速環境試驗只是問題的一個方面,對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。
三、固態照明對大功率LED封裝的要求
與傳統照明燈具相比,LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光,不僅效率高、光色純,而且可以實現動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數,滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求,具體體現在:
(一)模塊化
通過多個LED燈(或模塊)的相互連接可實現良好的流明輸出疊加,滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術,可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合,滿足不同領域的照明要求。
(二)系統效率最大化
為提高LED燈具的出光效率,除了需要合適的LED電源外,還必須采用高效的散熱結構和工藝,以及優化內/外光學設計,以提高整個系統效率。
(三)低成本
LED燈具要走向市場,必須在成本上具備競爭優勢(主要指初期安裝成本),而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分,因此,采用新型封裝結構和技術,提高光效/成本比,是實現LED燈具商品化的關鍵。
(四)易于替換和維護
由于LED光源壽命長,維護成本低,因此對LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設計易于改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求,并且要求LED芯片的互換性要好,以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。
LED燈具光源可由多個分布式點光源組成,由于芯片尺寸小,從而使封裝出的燈具重量輕,結構精巧,并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒有現成的設計標準,但同時給設計提供了充分的想象空間。此外,LED照明控制的首要目標是供電。由于一般市電電源是高壓交流電(220V,AC),而 LED需要恒流或限流電源,因此必須使用轉換電路或嵌入式控制電路(ASICs),以實現先進的校準和閉環反饋控制系統。此外,通過數字照明控制技術,對固態光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現,從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯,并且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。
四、結束語
LED封裝是一個涉及到多學科(如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等)的研究課題。從某種角度而言,LED封裝不僅是一門制造技術 (Technology),而且也是一門基礎科學(Science),良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時進行,并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中,雖然材料(散熱基板、熒光粉、灌封膠)選擇很重要,但封裝結構(如熱學界面、光學界面)對LED光效和可靠性影響也很大,大功率白光LED封裝必須采用新材料,新工藝,新思路。對于LED燈具而言,更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。
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