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LED封装结构、工艺发展现状及趋势

1. 前言

LED封装的功能主要包括:

1. 机械保护, 以提高可靠性;

2. 加强散热, 以降低芯片结温, 提高LED性能;

3. 光学控制, 提高出光效率, 优化光束分布;

4. 供电管理, 包括交流/ 直流转变, 以及电源控制等。

LED封装是一个涉及到多学科( 如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等) 的技术。(如图1所示)从某种角度而言,LED封装不仅是一门制造技术(Technology), 而且也是一门基础科学(Science), 优秀的封装工程师需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质有深刻的理解。最近芯片级封装CSP吸引了大家的目光,所以现在与未来的LED封装技术,更需要在LED封装设计上与芯片设计上同时进行, 并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中, 虽然材料( 散热基板、荧光粉、灌封胶) 选择很重要, 但封装结构( 如热学界面、光学界面) 对LED光效和可靠性影响也很大, 大功率白光LED封装必须采用新材料, 新工艺, 新思路。小间距或Mini LED的封装技术需要对倒装芯片与回流焊或共晶倒装封装制程更深刻的理解。对于LED的技术从业者而言, 成本光效与可靠度之外,更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。本篇白皮书针对LED封装技术的现状与未来做探讨,进而分析未来LED封装的技术与产品趋势。

图1 LED 封装的组成要素。

2.LED技术发展大趋势

LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/ 机械特性、具体应用和成本等因素决定的。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(LampLED)、贴片式(S MD LED)、功率型LED(Power LED)与COB等发展阶段。如图2 所示。

图2 LED 封装不同发展阶段的封装形式

发展到今天,往后会走向何方?SMD? EMC? COB?还是CSP? 什么是倒装焊与无封装?到底LED的封装会走那个方向,目前还是众说纷纭。不过从历史趋势来看,如图3所示,封装材料越来越少,材料导热性越来越好,功率密度越来越大,封装制程步骤来越精简与器件越来越少是未来的趋势,当然这离开不了芯片技术的进步。

图3 封装制程步骤的精简趋势

表1是科技部半导体照明中心的中国LED的技术蓝图,从2004年开始到现在,中国一直往这个蓝图方向走,预计到未来的2022年将达到300流明瓦的目标,单灯成本将小于10块钱,这对封装技术而言是一项非常大的挑战,技术进步,成本降低,海兹定律未来会继续主导LED的方向,尤其是LED照明产业。过去十年,LED芯片效率的提升将使芯片的面积不断减小,进而驱动了LED封装革命,如表2所示。

表1

表2 LED芯片效率的提升将使芯片的面积不断减小

未来芯片技术将会以提高效率降低成本为主,莹光粉技术将以提高效率稳定性与演色指数为进步方向,LED芯片效率的提升将以阶段性成长为主, 从10lm/w~80lm/w、80lm/w~100lm/w、100lm/w~150lm/w、150lm/w~200lm/w…… 当技术进步到300lm/w时对比现有的芯片效率提升了1.5~2倍,芯片的发热量将大幅度减少( 指同体积同面积比较),这将导致目前各种封装技术进行大比拼,所有的技术路线趋势将会更分化与多元,什么产品使用什么封装工艺将会更固定。LED将迎来主流中有多元,多元分化但离开主流却不远。

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