詳解多芯片LED封裝特點與技術

　　多芯片LED 集成封裝是實現(xiàn)大功率白光LED 照明的方式之一。文章歸納了集成封裝的特點，從產(chǎn)品應用、封裝模式，散熱處理和光學設計幾個方面對其進行了介紹，并分析了集成封裝的發(fā)展趨勢，隨著大功率白光LED 在照明領域的廣泛應用，集成封裝也將得到快速發(fā)展。

　　目前，實現(xiàn)大功率LED 照明的方法有兩種：一是對單顆大功率LED 芯片進行封裝，二是采用多芯片集成封裝。

　　對于前者來說，隨著芯片技術的發(fā)展，尺寸增大，品質提高，可通過大電流驅動實現(xiàn)大功率LED，但同時會受到芯片尺寸的限制。

　　后者具有更大的靈活性和發(fā)展?jié)摿?，可根?jù)照度不同來改變芯片的數(shù)量，同時它具有較高的性價比，使得LED 集成封裝成為LED 封裝的主流方向之一。

　　集成封裝產(chǎn)品的應用

　　據(jù)報道，美國UOE 公司于2001 年推出了采用六角形鋁板作為基板的多芯片組合封裝的Norlux系列LED；

　　Lanina Ceramics 公司于2003 年推出了采用在公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCCM）技術封裝的大功率LED 陣列；

　　松下公司于2003年推出由64 顆芯片組合封裝的大功率白光LED；

　　億光推出的6. 4W、8W、12W 的COB LED 系列光源，采用在MCPCB 基板多芯片集成的方式，減少了熱傳遞距離，降低了結溫。

　　在分析LED 日光燈各種技術方案的基礎上，采用COB 工藝，將小功率芯片直接固定在鋁基板上，制成高效散熱的COB LED 日光燈，從2009 年開始已經(jīng)用45000 支LED 日光燈對500 輛世博公交車和近4000 輛城市公交車進行改裝，取代原有熒光燈，得到用戶好評，服務于上海世博會及城市交通。

　　利用多芯片集成封裝的LED 光源模塊開發(fā)出一款LED 防爆燈，采用了熱管散熱技術。這種LED 防爆燈亮度高，照射距離長，可靠性高，散熱性能好，壽命長。

　　LED 集成封裝的特點

　　集成封裝也稱多晶封裝，是根據(jù)所需功率的大小確定基板底座上LED 芯片的數(shù)目，可組合封裝成1W、2W、3W 等高亮度的大功率LED器件，最后，使用高折射率的材料按光學設計的形狀對芯片進行封裝。

　　集成封裝特有的封裝原理決定了它具有諸多的優(yōu)點，如：

　?。?）就我國而言大功率芯片的研發(fā)處于落后的位置，采用集成封裝不失為一種發(fā)展的捷徑，更符合我國的基本國情；

　?。?）芯片可以設計為串聯(lián)或者并聯(lián)，靈活地適應不同的電壓和電流，便于驅動器的設計，提高光源的光效和可靠性；

　　（3）一定面積的基板上芯片的數(shù)目可以自由控制，根據(jù)客戶的要求，可以封裝成點光源或者面光源，形式多樣；

　　（4）芯片直接基板相連，降低了封裝熱阻，散熱問題易處理。

　　然而，對于集成封裝而言，同樣存在一些不足：

　　（1）由于多芯片集成封裝在一塊基板上，導致所得的光源體積較大；

　?。?）多顆芯片通過串并聯(lián)的方式組合在一起，相對于單顆芯片而言其可靠性較差，將導致整體光源受影響；

　?。?）雖然多芯片封裝相對于單顆同功率大芯片來說，散熱能力強，但由于多顆芯片同時散熱，熱散失程度不同，會引起芯片間的溫度不同，影響壽命，故散熱問題的處理也很關鍵；

　?。?）二次光學的設計問題，多芯片出光角度不同，需要在一次光學設計的基礎上進行二次光學設計，以滿足用戶的要求。

　　集成封裝過程中機械、熱學、光學的研究

　　集成封裝由于其所具有的突出優(yōu)點，已經(jīng)成為了LED 封裝方式的主流方向，近年來引起很多企業(yè)和科研院所的關注并開展了大量的研究，申請了相關的專利，這些都在極大的促進集成封裝技術的發(fā)展。

　　（1）封裝結構模式

　　當前多芯片集成封裝的主流形式就是多顆芯片之間以串并聯(lián)的方式直接與基板相連接，然后對芯片進行獨立封裝或者是封裝于同一透鏡下面。

　　徐向陽等申請的專利中，將多顆芯片直接固晶在鋁基板上，涂覆熒光粉后，再在每顆LED 芯片外面封蓋一個光學透鏡。工藝簡單，封裝材料精簡，同時熱阻降低，光效提高，此外還便于組裝成LED照明燈具產(chǎn)品，相對于同功率的單顆芯片封裝模式而言，COB 模塊化LED 封裝技術具有諸多優(yōu)點。

　　李建勝根據(jù)一般集成封裝中存在的層結合面和較長的熱傳導距離問題提出了一種COB 集成封裝工藝。

　　即在鋁質PCB 集成電路板上刻一些有利于芯片發(fā)光光線擴散的反光腔，將多顆芯片逐一植入腔內，同時在其周圍繪制PCB 線路，將芯片電極引線焊接至此，導通電路，最后在腔周圍堆積壘成環(huán)形圍柵，在其內涂敷硅膠和熒光粉，一次形成一體化的LED COB 組件。

　　這種設計將芯片與散熱器直接相連，減小了結構熱阻，散熱效果遠好于普通封裝結構，提高了LED 的出光率。

　　李炳乾等采用COB 技術和陣列化互聯(lián)的方式制備出白光LED 光源模塊，他們將熒光粉層涂敷在出光板上，提高了出光的均勻性和熒光粉的穩(wěn)定性。

　　同時將陣列化互連方式與電流降額使用相結合，減少了傳統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)連接方法時一個芯片損壞對其他芯片工作狀態(tài)的影響的缺陷，提高了系統(tǒng)可靠性，這種封裝結構達到了簡化工藝的目的。

　　總體上，不同專利所描述的集成封裝的結構模式和原理都大同小異，差別主要在于所選的焊接方式、反光腔內壁的涂覆材料以及所選基板的不同，改變集成封裝的思維方式，使集成封裝在白光LED封裝中得到更廣泛的應用。

　　（2）散熱處理

　　集成封裝技術雖然是封裝的主要方向之一，但是散熱問題卻一直是集成封裝技術的瓶頸，我們知道通常LED 高功率產(chǎn)品其光電轉換效率為20%，剩下80%的電能均轉換為熱能，處理好散熱問題，將會使LED 光源的質量上一個臺階。

　　集成封裝的熱處理思路目前主要集中在：

　　選擇導熱系數(shù)高的基板；

　　縮短熱傳遞的距離；

　　優(yōu)化固晶技術等方面。

　　蟻澤純從芯片的工作數(shù)量以及芯片的集成密度等方面分析發(fā)現(xiàn)集成封裝的多芯片白光LED 結溫隨著集成芯片數(shù)量的增加而增長，其發(fā)光效率隨著集成芯片數(shù)量的增加呈減小趨勢，因此芯片的數(shù)量及集成密度在集成封裝技術的應用中也是一個很重要的影響因素。

　　在公布號為CN 102042500 A專利中針對光源模塊的散熱性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形導熱裝置作為散熱區(qū)，使光源模塊在發(fā)光時，各發(fā)光芯片所產(chǎn)生的熱可以更快速的由基板發(fā)散。

　　在散熱基板材料的選擇中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優(yōu)點，逐漸成為大功率LED 散熱基板的首選材料。程治國等以陶瓷基板（氧化鋁和氮化鋁，厚度0.5～1.0mm）為散熱基板，申請了發(fā)明專利。

　　在專利中采用陶瓷基板金屬化技術，共晶焊接技術進行LED 集成封裝，導熱性能大大改善，采用集成封裝可以使光源功率達到200W。

　　Luqiao Yin研發(fā)出一種表層為LTCC，底層為AlNx的陶瓷基板，經(jīng)集成封裝測試發(fā)現(xiàn)長期點亮后PN 結溫度只有70. 8℃，經(jīng)ANSYS 模擬觀察到跟陶瓷基板相連的鋁熱沉溫度只有39. 3℃，當驅動電流達到500 mA 時，也只有41. 0℃。

　　（3）光學設計

　　大功率LED 照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進行兩次光學設計。

　　一次光學設計的目的是盡可能多的取出LED 芯片中發(fā)出的光。

　　二次光學設計的目的則是讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設計需求。

　　集成封裝中由于存在多顆芯片，因此對于二次光學系統(tǒng)設計的要求更高！

　　為了實現(xiàn)道路照明所要求的矩形光斑分布，劉紅等依據(jù)光源特性和路面的光斑分布，通過折射定律建立透鏡母線的斜率方程，根據(jù)該方程設計了用于矩形光斑分布的LED 路燈透鏡，采用正交優(yōu)化方法，利用Light Tools 軟件對所設計的透鏡光學系統(tǒng)進行仿真比較研究，得到了一個矩形光斑分布的光學透鏡。

　　仿真結果表明，該透鏡光學系統(tǒng)在高度為10m 的照射條件下，照射面積為40m&TImes;10m 的矩形光斑，均勻度為0.31。對有光斑尺寸要求的LED路燈透鏡來說，該方法提供了一種簡單有效的設計途徑。

　　宋春發(fā)等人設計出一種用于多顆芯片集成封裝的大功率LED 透鏡及其燈具。

　　透鏡包括入光面和出光面，還包括環(huán)形反射面，所述出光面與反射面相貫，所述入光面為二次曲面，其曲面系數(shù)為：K =-1. 2～-1.5，R= 35～41mm，所述出光面為平面，所述反射面為二次曲面，其曲面系數(shù)為：K =-0. 24～-0. 26，R= 23～29mm。

　　這種設計中LED 中心區(qū)域的光線經(jīng)出光面出射，LED邊緣的光線經(jīng)環(huán)形反射面出射，可以避免由于透鏡的視場角有限而損失LED光能，從而最大限度的收集LED發(fā)出的光線，提高燈具的發(fā)光效率。