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LED集成封装的特点与关键技术

2016-01-12 11:42
黯影冰风
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  多芯片LED集成封装是实现大功率白光LED照明的方式之一。本文归纳了集成封装的特点,从产品应用、封装模式,散热处理和光学设计几个方面对其进行了介绍,并分析了集成封装的发展趋势,随着大功率白光LED在照明领域的广泛应用,集成封装也将得到快速发展。

  目前,实现大功率LED照明的方法有两种:一是对单颗大功率LED芯片进行封装,二是采用多芯片集成封装。对于前者来说,随着芯片技术的发展,尺寸增大,品质提高,可通过大电流驱动实现大功率LED,但同时会受到芯片尺寸的限制,后者具有更大的灵活性和发展潜力,可根据照度不同来改变芯片的数量,同时它具有较高的性价比,使得LED集成封装成为LED封装的主流方向之一。

  集成封装产品的应用

  据报道,美国UOE公司于2001年推出了采用六角形铝板作为基板的多芯片组合封装的Norlux系列LED;Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用在公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCCM)技术封装的大功率LED阵列;松下公司于2003年推出由64颗芯片组合封装的大功率白光LED;亿光推出的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,减少了热传递距离,降低了结温。

  李建胜等在分析LED日光灯各种技术方案的基础上,采用COB工艺,将小功率芯片直接固定在铝基板上,制成高效散热的COB LED日光灯,从2009年开始已经用45000支LED日光灯对500辆世博公交车和近4000辆城市公交车进行改装,取代原有荧光灯,得到用户好评,服务于上海世博会及城市交通。

  杨朔利用多芯片集成封装的LED光源模块开发出一款LED防爆灯,采用了热管散热技术。这种LED防爆灯亮度高,照射距离长,可靠性高,散热性能好,寿命长。

  LED集成封装的特点

  集成封装也称多晶封装,是根据所需功率的大小确定基板底座上LED芯片的数目,可组合封装成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学设计的形状对芯片进行封装。

  集成封装特有的封装原理决定了它具有诸多的优点,如:(1)就我国而言大功率芯片的研发处于落后的位置,采用集成封装不失为一种发展的捷径,更符合我国的基本国情;(2)芯片可以设计为串联或者并联,灵活地适应不同的电压和电流,便于驱动器的设计,提高光源的光效和可靠性;(3)一定面积的基板上芯片的数目可以自由控制,根据客户的要求,可以封装成点光源或者面光源,形式多样;(4)芯片直接基板相连,降低了封装热阻,散热问题易处理。

  然而,对于集成封装而言,同样存在一些不足:(1)由于多芯片集成封装在一块基板上,导致所得的光源体积较大;(2)多颗芯片通过串并联的方式组合在一起,相对于单颗芯片而言其可靠性较差,将导致整体光源受影响;(3)虽然多芯片封装相对于单颗同功率大芯片来说,散热能力强,但由于多颗芯片同时散热,热散失程度不同,会引起芯片间的温度不同,影响寿命,故散热问题的处理也很关键;(4)二次光学的设计问题,多芯片出光角度不同,需要在一次光学设计的基础上进行二次光学设计,以满足用户的要求。

  集成封装过程中机械、热学、光学的研究

  集成封装由于其所具有的突出优点,已经成为了LED封装方式的主流方向,近年来引起很多企业和科研院所的关注并开展了大量的研究,申请了相关的专利,这些都在极大的促进集成封装技术的发展。

  (1)封装结构模式

  当前多芯片集成封装的主流形式就是多颗芯片之间以串并联的方式直接与基板相连接,然后对芯片进行独立封装或者是封装于同一透镜下面。

  徐向阳等申请的专利中,将多颗芯片直接固晶在铝基板上,涂覆荧光粉后,再在每颗LED芯片外面封盖一个光学透镜。工艺简单,封装材料精简,同时热阻降低,光效提高,此外还便于组装成LED照明灯具产品,相对于同功率的单颗芯片封装模式而言,COB模块化LED封装技术具有诸多优点。

  李建胜根据一般集成封装中存在的层结合面和较长的热传导距离问题提出了一种COB集成封装工艺。即在铝质PCB集成电路板上刻一些有利于芯片发光光线扩散的反光腔,将多颗芯片逐一植入腔内,同时在其周围绘制PCB线路,将芯片电极引线焊接至此,导通电路,最后在腔周围堆积垒成环形围栅,在其内涂敷硅胶和荧光粉,一次形成一体化的LEDCOB组件。这种设计将芯片与散热器直接相连,减小了结构热阻,散热效果远好于普通封装结构,提高了LED的出光率。

  李炳乾等采用COB技术和阵列化互联的方式制备出白光LED光源模块,他们将荧光粉层涂敷在出光板上,提高了出光的均匀性和荧光粉的稳定性;同时将阵列化互连方式与电流降额使用相结合,减少了传统串联和并联连接方法时一个芯片损坏对其他芯片工作状态的影响的缺陷,提高了系统可靠性,这种封装结构达到了简化工艺的目的。

  总体上,不同专利所描述的集成封装的结构模式和原理都大同小异,差别主要在于所选的焊接方式、反光腔内壁的涂覆材料以及所选基板的不同,改变集成封装的思维方式,使集成封装在白光LED封装中得到更广泛的应用。

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