大功率LED封裝工藝分析

大功率LED光源光有好芯片還不夠，還必須有合理的封裝。要有高的取光效率的封裝結(jié)構(gòu)，而熱阻盡可能低，從而保證光電的性能及可靠性。

一、LED光源封裝工藝

由于LED的結(jié)構(gòu)形式不同，封裝工藝上也有一些差別，但關(guān)鍵工序相同，LED封裝主要工藝有：固晶→焊線→封膠→切腳→分級→包裝。

二、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

1、封裝技術(shù)的要求

如圖1所示，大功率LED封裝涉及到光、電、熱、結(jié)構(gòu)和工藝等方面，這些因素既獨(dú)立又影響。光是封裝的目的，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，熱是關(guān)鍵，性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。考慮到工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本，應(yīng)同時進(jìn)行LED封裝設(shè)計與芯片設(shè)計，否則，芯片制造完成后，可能因封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將可能延長產(chǎn)品研發(fā)的周期和成本，甚至?xí)荒軐?shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱技術(shù)

LED的光電轉(zhuǎn)換效率僅為20%～30%，輸入電能的70%～80%轉(zhuǎn)變成了熱量，芯片的散熱是關(guān)鍵。小功率LED封裝一般采用銀膠或絕緣膠將芯片黏接在反射杯里，通過焊接金絲(或鋁絲)完成內(nèi)外連接，最后用環(huán)氧樹脂封裝。封裝熱阻高達(dá)150～250℃/W，一般采用20mA左右的驅(qū)動電流。大功率LED的驅(qū)動電流達(dá)到350mA、700mA甚至1A，采用傳統(tǒng)直插式LED封裝工藝，會因散熱不良導(dǎo)致芯片結(jié)溫上升，再加上強(qiáng)烈的藍(lán)光照射，環(huán)氧樹脂很容易產(chǎn)生黃化現(xiàn)象，加速器件老化，甚至失效，迅速熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力造成開路而死燈。大功率LED封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)是改善散熱性能，主要包括芯片結(jié)構(gòu)形式、封裝材料(基板材料、熱界面材料)的選擇與工藝、將導(dǎo)電與導(dǎo)熱路線分開的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，比如：采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、減薄襯底或垂直芯片結(jié)構(gòu)的芯片，選用共晶焊接或高導(dǎo)熱性能的銀膠、采用COB技術(shù)將芯片直接封裝在金屬鋁基板上、增大金屬支架的表面積等方法。

3、光學(xué)設(shè)計技術(shù)

不同用途的產(chǎn)品對LED的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光強(qiáng)和光的空間分布等要求不同。為提高器件的取光效率，并實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的出光角度和配光曲線，需要對芯片反光杯與透鏡進(jìn)行光學(xué)設(shè)計。大功率LED通常是將LED芯片安裝在反射杯的熱沉、支架或基板上，反射杯一般采用鍍高反射層(鍍Ag或Al)的方式提高反射效果，大功率LED出光效率還受模具精度及工藝影響很大，如果處理不好，容易導(dǎo)致很多光線被吸收，無法按預(yù)期目標(biāo)發(fā)射出來，導(dǎo)致封裝后的大功率LED發(fā)光效率偏低。

4、灌封膠的選擇

灌封膠的作用有兩點(diǎn)：(1)對芯片、金線進(jìn)行機(jī)械保護(hù);(2)作為一種光導(dǎo)材料，將更多的光導(dǎo)出。封裝時，LED芯片產(chǎn)生的光向外發(fā)射產(chǎn)生的損失主要有：(1)光子在LED芯片出射界面由于折射率差引起的反射損失(即菲涅爾損失);(2)光學(xué)吸收;(3)全內(nèi)反射損失。因此，在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明光學(xué)材料，可以減少光子在界面的損失，提高出光效率。常用的灌封膠有環(huán)氧樹脂和硅膠。環(huán)氧樹脂黏度低、流動性好、固化速度適中，固化后無氣泡、表面平整、有很好的光澤、硬度高，防潮防水防塵性能佳，耐濕熱和大氣老化，成本較低，是LED封裝首選。硅膠具有透光率高、熱穩(wěn)定性好、折射率大、吸濕性低、應(yīng)力小等特點(diǎn)，優(yōu)于環(huán)氧樹脂，但成本較高。小功率LED一般選用環(huán)氧樹脂封裝，大功率LED內(nèi)部通常填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因照射高溫或紫外線出現(xiàn)老化變黃，也不會因溫度驟變而導(dǎo)致器件開路的現(xiàn)象，通過提高硅膠折射率，可減少菲涅爾損失，提高出光效率。

5、熒光粉涂敷量和均勻性控制技術(shù)

大功率白光LED的發(fā)光效率和光的質(zhì)量與熒光粉的選擇和工藝過程有關(guān)。熒光粉的選擇包括激發(fā)波長與芯片波長的匹配、顆粒大小與均勻度、激發(fā)效率等。熒光粉涂覆根據(jù)藍(lán)光芯片的發(fā)光分布進(jìn)行調(diào)整，使混出的白光均勻，否則會出現(xiàn)藍(lán)黃圈現(xiàn)象，嚴(yán)重的會影響光源質(zhì)量，激發(fā)效率也會大幅下降。熒光粉與膠體的混合配方及涂膠工藝是保證LED光色在空間分布均勻和一致性的關(guān)鍵。將熒光粉與膠按一定配比混合后涂到芯片上，在LED芯片上方形成半球狀。這種分布會使光色的空間分布不均勻，有黃圈或藍(lán)圈。另外，在熒光粉涂敷過程中，由于膠的黏度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于膠產(chǎn)生沉淀，使熒光粉的涂敷量控制增加了更多變數(shù)，容易導(dǎo)致白光的光色空間分布不均勻。目前，美國Lumileds公司率先研制使用的熒光粉等厚蒸鍍工藝，通過蒸鍍的方法在芯片上均勻地覆蓋一層熒光粉，可改善光色的空間分布均勻性。

三、大功率LED封裝的可靠性分析

1、靜電對LED芯片造成的損傷

瞬間的電場或電流產(chǎn)生的熱使LED局部受損傷，表現(xiàn)為漏電流迅速增加，有時雖能工作，但亮度降低或白光變色，壽命受損。當(dāng)電場或電流擊穿LED的PN結(jié)時，LED內(nèi)部完全破壞造成死燈。在LED封裝生產(chǎn)線，所有設(shè)備都要求接地，一般接地電阻為4Ω，要求高的場所接地電阻為≤2Ω。LED應(yīng)用流水線設(shè)備和人員接地不良也會造成LED損壞。按照LED使用手冊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LED引線距膠體應(yīng)不少于3～5mm進(jìn)行彎腳或焊接，但大多數(shù)應(yīng)用企業(yè)做不到，僅相隔一塊PCB板的厚度(≤2mm)進(jìn)行焊接，也會對LED造成損害。過高的焊接溫度使芯片特性變壞，降低發(fā)光效率，甚至死燈。尤其是一些小企業(yè)采用40W普通烙鐵手工焊接，無法控制焊接溫度，烙鐵溫度一般在300℃～400℃，LED引線高溫膨脹系數(shù)比150℃左右的膨脹系數(shù)高幾倍，內(nèi)部的金絲焊點(diǎn)會因熱脹冷縮將焊接點(diǎn)拉開，造成死燈。

2、LED器件內(nèi)部連接線開路

支架排的優(yōu)劣是影響LED性能的關(guān)鍵。支架排采用銅或鐵經(jīng)精密模具沖壓而成，由于銅材較貴，大多采用冷軋低碳鋼沖壓LED支架排，鐵支架排鍍銀。鍍銀的作用有兩點(diǎn)：(1)防止氧化生銹;(2)方便焊接。因為每年都有一段時間空氣濕度大，容易造成電鍍差的金屬件生銹，使LED元件失效。封裝好的LED會因鍍銀層太薄而附著力不大，焊點(diǎn)脫離支架造成死燈。另外，封裝的每道工序必須嚴(yán)格操作，任何環(huán)節(jié)的疏忽都會造成死燈。

固晶工序，膠量必須恰到好處，固晶膠點(diǎn)不能過多或過少，多點(diǎn)了膠會返到芯片金墊上造成短路，而少點(diǎn)了膠芯片黏不牢，散熱性能變差。

焊接工序，要適當(dāng)配合金絲球焊機(jī)的壓力、溫度、時間、功率參數(shù)，一般固定時間，而調(diào)節(jié)其他三個參數(shù)。應(yīng)適中調(diào)節(jié)壓力，過大易壓碎芯片，太小又易虛焊。焊接溫度一般在280℃。功率調(diào)節(jié)是指超聲波功率調(diào)節(jié)，過大過小都不好，以適中為度。金絲球焊機(jī)參數(shù)的調(diào)節(jié)，以焊接好的材料用推拉力機(jī)檢測不小于10g為合格。

3、大功率LED可靠性測試與評估

大功率LED器件與封裝結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的失效模式有光失效(如灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等)、電失效(如短路斷路)和機(jī)械失效(如引線斷裂、脫焊等)。以平均失效時間定義LED的使用壽命，一般指LED的輸出光通量衰減為初始值的70%的使用時間(用于顯示屏一般為初始值的50%)。通常采取加速環(huán)境試驗的方法進(jìn)行可靠性測試和評估，測試內(nèi)容包括高溫儲存(100℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85%，1000h)、低溫儲存(-55℃，1000h)、高低溫循環(huán)(85℃～-55℃)、冷熱沖擊、抗溶性、耐腐蝕性、機(jī)械沖擊等。

四、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求

在固態(tài)照明領(lǐng)域的應(yīng)用LED對大功率白光LED封裝提出新的挑戰(zhàn)，在提高散熱效率、驅(qū)動控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計方面也有大的提升空間。

1、進(jìn)一步提升發(fā)光效率

LED的理論發(fā)光效率達(dá)到300lm/W以上，目前試驗室大功率白光LED的發(fā)光效率超過150lm/W，而量產(chǎn)、性價比高的大功率白光LED發(fā)光效率僅在70～100lm/W左右，沒有充分發(fā)揮出節(jié)能優(yōu)勢。因此，發(fā)光芯片的效率有待提高，還要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料技術(shù)及工藝技術(shù)等方面入手，完善封裝工藝。

2、進(jìn)一步提升光譜質(zhì)量

人眼習(xí)慣于太陽發(fā)出的連續(xù)光譜的光，目前白光LED光譜的不連續(xù)性，尤其是熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED存在色溫偏高、顯色性不高等問題。開發(fā)高顯指和寬光譜的LED光源，滿足照明對光源質(zhì)量的高要求。

3、進(jìn)一步提高光色一致性

大功率白光LED需要保持良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性，不能衰減過快，也不能因為長時間使用，白光顏色發(fā)生黃變影響光色質(zhì)量。

4、進(jìn)一步降低成本

LED燈具市場化價格是關(guān)鍵。目前大功率LED室內(nèi)照明燈具光源部分占成本較大比重，初次購買成本約為傳統(tǒng)照明燈具的5～10倍。采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比，降低大功率LED的單位流明成本。

總之，LED封裝是一門涉及光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)體等多學(xué)科的研究課題。我國每年智能照明產(chǎn)品的需求超過100萬盞，目前已有“智慧城市”試點(diǎn)193個，通過與數(shù)字、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的結(jié)合，智能化照明緊隨智慧城市的建設(shè)而大放異彩。必須采用新思路、新工藝、新材料來改進(jìn)大功率白光LED的封裝，發(fā)揮出LED光源節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等優(yōu)越性，才能真正帶來一場照明產(chǎn)業(yè)革命。