LED封裝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　近幾年，在全球節(jié)能減排的倡導和各國政府相關(guān)政策支持下，LED照明得到快速的發(fā)展。與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長、體積小、節(jié)能、高效、響應(yīng)速度快、抗震、無污染等優(yōu)點，被認為是可以進入普通照明領(lǐng)域的“綠色照明光源”，LED大規(guī)模應(yīng)用于普通照明是一個必然的趨勢。

　　作為LED產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的LED封裝，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中起著關(guān)鍵的作用。對于封裝而言，其關(guān)鍵技術(shù)歸根結(jié)底在于如何在有限的成本范圍內(nèi)盡可能多的提取芯片發(fā)出的光，同時降低封裝熱阻，提高可靠性。在封裝過程中，封裝材料和封裝方式占主要影響因素。隨著LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，對封裝的要求也越來越高，一方面LED封裝在兼顧發(fā)光角度、光色均勻性等方面時必須滿足具有足夠高的取光效率和光通量;另一方面，封裝必須滿足芯片的散熱要求。因此，芯片、熒光粉、基板、熱界面材料和等封裝材料以及相應(yīng)的封裝方式亟待發(fā)展創(chuàng)新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

　　封裝材料

　　在封裝過程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長期可靠性的關(guān)鍵。高性能封裝材料的合理選擇和使用，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長LED的使用壽命。封裝材料主要包括芯片、熒光粉、基板、熱界面材料。

　　(1)芯片結(jié)構(gòu)

　　隨著LED器件性能的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開發(fā)，芯片結(jié)構(gòu)也在不斷地改進。目前LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)主要有4種，即：正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和三維垂直結(jié)構(gòu)。

　　目前普通的LED芯片采用藍寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝比較成熟。但由于藍寶石導熱性能較差，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應(yīng)用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一，與正裝結(jié)構(gòu)相比，熱量不必經(jīng)過芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，進而通過金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中。

　　垂直結(jié)構(gòu)的藍光芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復(fù)雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個過程實現(xiàn)難度大，生產(chǎn)合格率也較低。

　　與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比，三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢在于無需打金線，使得其封裝的厚度更薄、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅(qū)動電流。

　　(2)熒光粉

　　隨著人們對LED光品質(zhì)的要求越來越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發(fā)出來，高光效、高顯色指數(shù)、長壽命熒光粉開發(fā)及其涂覆技術(shù)的研究成為關(guān)鍵。目前主流的白光實現(xiàn)形式是藍光LED芯片結(jié)合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數(shù)起到重要作用，拓寬了LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域，可以在一些對色彩還原度要求高的場合替代傳統(tǒng)的鹵素燈或金鹵燈。同時，人們也在不斷開發(fā)新型的LED用熒光粉，

　　紅色和綠色熒光粉的加入，顯著提高光源的顯色指數(shù)。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍光激發(fā)的連續(xù)光譜熒光粉的制備方法，該熒光粉采用氧化鋅、氧化鑭、碳酸鈣等原料，調(diào)節(jié)激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍光激發(fā)下發(fā)出470～700nm的連續(xù)光譜。同一基質(zhì)的熒光粉在封裝過程中會體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。

　　半導體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴，突破國外專利壁壘。同時，半導體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長可調(diào)、發(fā)光光譜寬、自吸收小等特點，在白光LED應(yīng)用中具有潛在的市場。

　　(3)散熱基板

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率越來越高，LED芯片的熱流密度更大，對封裝基板材料熱阻和膨脹系數(shù)的要求也越來越高。散熱基板發(fā)展迅速，品種也比較多，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料。

　　金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來強化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內(nèi)。這種技術(shù)能有效解決大功率器件在結(jié)構(gòu)緊湊的趨勢下所帶來的散熱問題。MCPCB熱導率可達到1～2.2W/(m·K)。

　　由于MCPCB的介電層沒有太好的熱傳導率(0.3W/(m·K))，使其成為與散熱器的散熱瓶頸。金屬基散熱板具有高的熱導率，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環(huán)氧樹脂黏接方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導率就比較高，達1.12W/(m·K)。

　　陶瓷材料封裝基板穩(wěn)定性好，可能是最有前景的研究方向。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復(fù)雜制作工藝。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術(shù)在熱處理方面與傳統(tǒng)封裝方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料，具有導熱系數(shù)高、介電常數(shù)和介電損耗低的特點，被認為是新一代半導體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導熱性能優(yōu)良的陶瓷基板，所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導熱特性，其熱導率可達24～28W/(m·K)。

　　對于LED封裝應(yīng)用而言，散熱基板除具備基本的高導熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、相匹配的膨脹系數(shù)。透明陶瓷材料技術(shù)，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數(shù)匹配等性能外，同時還有望在封裝器件的光學性能上有所突破，實現(xiàn)全空間發(fā)光LED封裝。

　　(4)熱界面材料

　　目前對于散熱的研究人們更多的注重芯片、基板、散熱器的材料和結(jié)構(gòu)，卻往往忽略了熱界面材料的影響。熱界面材料是用于兩種材料間的填充物，在熱量傳遞過程中起到橋梁的作用。LED燈具是一個多層結(jié)構(gòu)的組合體，若要快速導出芯片產(chǎn)生的熱量，盡量減小材料之間的熱阻，提高導熱率，熱界面材料的導熱性能在其中至關(guān)重要。目前用于LED封裝的熱界面材料有四種方式：導熱膠粘劑、導電銀膠、錫膏和錫金合金共晶焊接。

　　導熱膠是在基體內(nèi)部加入一些高導熱系數(shù)的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，從而提高其導熱能力。導熱膠的優(yōu)點是價格低廉、具有絕緣性能、工藝簡單，但導熱性普遍較差，熱傳導系數(shù)在0.7W/(m?K)左右。

　　導電銀漿是在環(huán)氧樹脂內(nèi)添加銀粉，其硬化溫度一般低于200℃，熱傳導系數(shù)為20W/(m?K)左右，具有良好的導熱特性，同時粘貼強度也較好，但銀漿對光的吸收比較大，導致光效下降。

　　對于小功率LED芯片發(fā)熱量少，通過導電銀膠作為粘結(jié)層完全可以滿足散熱以及可靠性問題[13]。導電錫膏的熱傳導系數(shù)約為50W/(m?K)，一般用于金屬之間焊接，導電性能也很優(yōu)異。

　　錫金合金共晶焊接利用金屬的共晶點將兩種金屬焊在一起，適合作為大功率LED芯片的粘結(jié)材料。Kim等[14]通過比較了導熱導電銀膠、Sn-Ag-Cu釬料和Au-Sn共晶釬料作為熱界面材料的散熱性能，發(fā)現(xiàn)對于SiC襯底片與Si基板的鍵合，Au/Sn共晶釬料的封裝熱阻明顯低于銀膠和Sn-Ag-Cu釬。

　　目前國內(nèi)熱界面材料遠遠落后于國外水平，隨著LED封裝集成度的提高和熱流密度的增大，需要更高導熱效率的新型熱界面材料，以提高LED封裝器件間的熱量傳遞能力，如利用石墨烯、碳納米管、納米銀線作為填料進行復(fù)合，同時利用無機官能團對基料進行修飾等制備出低熱阻新型復(fù)合熱界面材料技術(shù)。對于LED封裝應(yīng)用而言，理想的熱界面材料除了具備低熱阻外，還應(yīng)有相匹配的膨脹系數(shù)和彈性模量，以及較好的機械性能、熱變形溫度高、成本較低等要求。

　　封裝結(jié)構(gòu)

　　在LED芯片技術(shù)的快速發(fā)展下，LED產(chǎn)品的封裝形式也從單芯片封裝方式發(fā)展到多芯片封裝方式。它的封裝結(jié)構(gòu)也從Lamp封裝到SMD封裝再到COB封裝和RP封裝技術(shù)。

　　引腳式封裝(Lamp)采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的LED封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高。表面貼裝封裝(SMD)因減小了產(chǎn)品所占空間面積、降低重量、允許通過的工作電流大，尤其適合自動化貼裝生產(chǎn)，成為比較先進的一種工藝，從Lamp封裝轉(zhuǎn)SMD封裝符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢。但是在應(yīng)用中存在散熱、發(fā)光均勻性和發(fā)光效率下降等問題。

　　CoB(ChiponBoard)封裝結(jié)構(gòu)是在多芯片封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，CoB封裝是將裸露的芯片直接貼裝在電路板上，通過鍵合引線與電路板鍵合，然后進行芯片的鈍化和保護[15]。CoB的優(yōu)點在于：光線柔和、線路設(shè)計簡單、高成本效益、節(jié)省系統(tǒng)空間等[16]，但存在著芯片整合亮度、色溫調(diào)和與系統(tǒng)整合的技術(shù)問題。

　　遠程熒光封裝技術(shù)(RP)是將多顆藍光LED與熒光粉分開放置，LED發(fā)出的藍光在經(jīng)過反射器、散射器等混光后均勻的入射到熒光粉層上，最終發(fā)出均勻白光的一種LED光源形式。與其他封裝結(jié)構(gòu)相比，RP封裝技術(shù)性能更為特出：首先，是熒光粉體遠離LED芯片，熒光粉不易受PN結(jié)發(fā)熱的影響，特別是一些硅酸鹽類的熒光粉，易受高溫高濕的影響，在遠離熱源后可減少熒光粉熱猝滅幾率，延長光源的壽命。其次，熒光粉遠離芯片設(shè)計的結(jié)構(gòu)有利于光的取出，提高光源發(fā)光效率。再者，此結(jié)構(gòu)發(fā)出的光色空間分布均勻，顏色一致性高。近年來，紫外激發(fā)的遠程封裝技術(shù)引起人們的高度關(guān)注，相比傳統(tǒng)紫外光源，擁有獨一無二的優(yōu)勢，包括功耗低、發(fā)光響應(yīng)快、可靠性高、輻射效率高、壽命長、對環(huán)境無污染、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點，成為世界各大公司和研究機構(gòu)新的研究熱點之一。

　　發(fā)展趨勢

　　近年來國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和企業(yè)對LED封裝技術(shù)持續(xù)開展研究，優(yōu)良的封裝材料和高效的封裝工藝陸續(xù)被提出，高可靠性的LED照明新產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，如：LED燈絲、軟基板封裝技術(shù)等(如圖4)同時具備一定的使用性能要求。

　　在對新型材料的不斷研制下，超導電和超導熱材料相繼問世，為LED封裝技術(shù)的進一步發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)，如石墨烯。，中國科學院半導體發(fā)明了以石墨烯作為導熱層的倒裝結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，利用石墨烯優(yōu)越的導電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果[17]。

　　針對目前LED芯片采用低壓直流驅(qū)動，需要在電源驅(qū)動器中進行降壓整流處理，引起能量損耗和可靠性問題。人們分別提出采用高壓的LED芯片和交流的LED芯片進行改善。2008年9月，臺灣工研院以芯片式交流電發(fā)光二極管照明技術(shù)(OnChipAlternatingCurrentLEDLightingTechnology)獲得美國R&D100Awards肯定。ACLED(AlternatingCurrentLED)具有低能耗、高效率、使用方便等優(yōu)異性能，同時也顛覆了傳統(tǒng)LED的應(yīng)用。

　　三維封裝技術(shù)，對于LED封裝而言是一種全新的概念，它對設(shè)計思路和理念、材料特性以及封裝技術(shù)本身提出更多創(chuàng)新性的要求。三維打印技術(shù)從出現(xiàn)到今天，有了長足的提高，使LED三維封裝技術(shù)成為一種可能，但目前存在許多需要克服的難題，如材料的復(fù)合制備、材料間熱應(yīng)力平衡控制、生產(chǎn)效率等。因而可以說基于三維打印技術(shù)的LED封裝技術(shù)仍是較為遙遠的設(shè)想。

　　從長遠來看，LED封裝技術(shù)需要加快針對三維封裝的封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)以及多功能系統(tǒng)化集成的探究，按照集成電路的封裝概念，提高LED封裝的微型化，采用無鍵合金線的封裝方法，實現(xiàn)高光效光源模組器件的散熱能力，解決LED應(yīng)用中光、熱、電三者的矛盾，最終實現(xiàn)智能系統(tǒng)化的LED封裝技術(shù)，滿足日益復(fù)雜的LED應(yīng)用要求。

　　結(jié)語

　　隨著LED功率化、高效化、低成本、高可靠性的不斷發(fā)展，對封裝技術(shù)的要求將越來越苛刻，尤其是封裝材料和封裝工藝。封裝技術(shù)比較復(fù)雜，需要綜合考慮光學、熱學、電學、結(jié)構(gòu)等方面的因素，同時低熱阻、穩(wěn)定好的封裝材料和新穎優(yōu)異的封裝結(jié)構(gòu)仍是LED封裝技術(shù)的關(guān)鍵。在新的封裝材料與新的封裝結(jié)構(gòu)完美的結(jié)合下，舒適、美觀和智能化的LED照明產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)。