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LED半导体照明封装及应用技术的最新进展(二)

2013-05-30 10:48
kumsing
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  2.LED封装是材料学、电学、光学、热学综合课题

  LED封装技术是随着LED管芯技术进步以及半导体照明需求的发展而逐渐演化过来。由于LED属于利用半导体材料能带进行电致发光,因而其本质上有别于传统照明工具,属于冷光源,并且器件的发光效率随工作温度的增加而下降,因此散热技术或称为热管理技术成为LED封装所要解决的首要问题。其次,由于LED具有体积小、光通量大的特点,在实际应用中,尽可能高效的利用光能同时避免眩光导致用户不适,是充分体现半导体照明高效、节能优势的必要条件,因此光学管理在LED封装中同样具有重要意义。第三,随着芯片外延技术的提升,LED性能不断优化,导致封装器件失效的主要原因已经从芯片本身转变为由于封装材料的老化、腐蚀、断裂等因素,因此对于封装材料提出了更高要求。最后,随着半导体照明对大功率、高光通量器件的需求的增加,多芯片封装、高压驱动封装、超高功率封装等方案不断出现,而这些新方案对于静电保护、电气拓扑等电学性能提出了更高要求。同样,上述热学、光学、电学方面的技术进步必然要求具有更优良热学性能、光学性能以及电学性能的高性能、新型封装材料的出现。而作为具体的应用方案,也要求人们提出更好、更优、更具有创新精神的新的封装格式。可以说LED封装技术的进步,必须综合考虑相关领域材料特性、结构性能以及彼此影响,是材料学、电学、光学、热学的交叉领域研究课题。

  3.三维封装和多功能系统集成封装技术的探索和开发

  LED封装格式直接影响LED器件及下游产品的性能。由于外延衬底及外延技术的特性,LED芯片多采用共面电极方式,而封装时多采用平面电气互联方案,采用键合金线引出。为了绝缘等需求,封装时,电气层与封装热沉之间增加绝缘层或直接采用绝缘陶瓷作为热沉,封装器件的散热受绝缘层的导热系数限制。特别是正面出光封装方案,由于外延衬底(如蓝宝石)的导热系数低,散热性能受到极大限制。

  随着LED芯片的功率密度越来越大,多芯片、大功率封装需求进一步增加,对LED封装方案的散热性能提出了更高要求。高压驱动、交流驱动等新型技术的出现,也令传统平面式电气互联封装方案面临窘境。而越来越广的应用场合,对LED封装提出了更多更细的要求,对LED器件的集成度、系统化要求也越来越高,功能化要求日益突出。

  借鉴传统IT行业封装概念,已有包括倒装LED、垂直结构LED等封装方案为行业采用,但应用范围相对较小。基于倒装方案,利用金属焊点进行传热,可以有效降低芯片与封装热沉之间的热阻,但其散热性能受焊点金属材质、焊点面积等因素影响,其工艺成本也为之增加。而垂直结构的封装方案,由于剥离了低导热系数的外延衬底或采用导电材料作为外延衬底,并可以实现大面积金属共晶焊技术增加导热通道面积,因此具有最优异的散热性能,但受限于透明电极材料并且其成本也是最高。

  三维封装技术,对设计思路和理念、材料特性以及封装技术本身提出更多创新性要求。作为三维封装技术的一种可能,三维打印技术从出现到今天,有了长足进步,并在制造复杂结构零件、艺术创意设计等领域有了应用,其基于塑料喷射、粉末融合等方案的设备已经有了商业化应用,但从进行工业化大批量生产的角度而言,仍存在许多需要克服的缺点,如多材料复合制备、材料间热应力平衡控制、制备速度和生产效率等。可以说直接实现基于三维打印的封装技术,对于LED产业而言仍是较为遥远的设想。但基于三维打印概念,我们可以探索LED封装新设计方案以及制备工艺,如新的热电分离封装技术、基于分层制造的封装结构设计等。

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