干貨滿滿：多芯片LED封裝的產(chǎn)品應(yīng)用和光學(xué)設(shè)計(jì) - 全文

　　多芯片LED 集成封裝是實(shí)現(xiàn)大功率白光LED 照明的方式之一。本文歸納了集成封裝的特點(diǎn)，從產(chǎn)品應(yīng)用、封裝模式，散熱處理和光學(xué)設(shè)計(jì)幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了介紹，并分析了集成封裝的發(fā)展趨勢(shì)，隨著大功率白光LED 在照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，集成封裝也將得到快速發(fā)展。

　　目前，實(shí)現(xiàn)大功率LED 照明的方法有兩種：一是對(duì)單顆大功率LED 芯片進(jìn)行封裝，二是采用多芯片集成封裝。對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，尺寸增大，品質(zhì)提高，可通過(guò)大電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大功率LED，但同時(shí)會(huì)受到芯片尺寸的限制，后者具有更大的靈活性和發(fā)展?jié)摿?，可根?jù)照度不同來(lái)改變芯片的數(shù)量，同時(shí)它具有較高的性價(jià)比，使得LED 集成封裝成為L(zhǎng)ED 封裝的主流方向之一。

　　集成封裝產(chǎn)品的應(yīng)用

　　據(jù)報(bào)道，美國(guó)UOE 公司于2001 年推出了采用六角形鋁板作為基板的多芯片組合封裝的Norlux系列LED；Lanina Ceramics 公司于2003 年推出了采用在公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCCM）技術(shù)封裝的大功率LED 陣列；松下公司于2003年推出由64 顆芯片組合封裝的大功率白光LED；億光推出的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，減少了熱傳遞距離，降低了結(jié)溫。

　　李建勝等在分析LED 日光燈各種技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用COB 工藝，將小功率芯片直接固定在鋁基板上，制成高效散熱的COB LED 日光燈，從2009 年開(kāi)始已經(jīng)用45000 支LED 日光燈對(duì)500 輛世博公交車和近4000 輛城市公交車進(jìn)行改裝，取代原有熒光燈，得到用戶好評(píng)，服務(wù)于上海世博會(huì)及城市交通。

　　楊朔利用多芯片集成封裝的LED 光源模塊開(kāi)發(fā)出一款LED 防爆燈，采用了熱管散熱技術(shù)。這種LED 防爆燈亮度高，照射距離長(zhǎng)，可靠性高，散熱性能好，壽命長(zhǎng)。

　　LED 集成封裝的特點(diǎn)

　　集成封裝也稱多晶封裝，是根據(jù)所需功率的大小確定基板底座上LED 芯片的數(shù)目，可組合封裝成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學(xué)設(shè)計(jì)的形狀對(duì)芯片進(jìn)行封裝。

　　集成封裝特有的封裝原理決定了它具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如：（1）就我國(guó)而言大功率芯片的研發(fā)處于落后的位置，采用集成封裝不失為一種發(fā)展的捷徑，更符合我國(guó)的基本國(guó)情；（2）芯片可以設(shè)計(jì)為串聯(lián)或者并聯(lián)，靈活地適應(yīng)不同的電壓和電流，便于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，提高光源的光效和可靠性；（3）一定面積的基板上芯片的數(shù)目可以自由控制，根據(jù)客戶的要求，可以封裝成點(diǎn)光源或者面光源，形式多樣；（4）芯片直接基板相連，降低了封裝熱阻，散熱問(wèn)題易處理。

　　然而，對(duì)于集成封裝而言，同樣存在一些不足：（1）由于多芯片集成封裝在一塊基板上，導(dǎo)致所得的光源體積較大；（2）多顆芯片通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，相對(duì)于單顆芯片而言其可靠性較差，將導(dǎo)致整體光源受影響；（3）雖然多芯片封裝相對(duì)于單顆同功率大芯片來(lái)說(shuō)，散熱能力強(qiáng)，但由于多顆芯片同時(shí)散熱，熱散失程度不同，會(huì)引起芯片間的溫度不同，影響壽命，故散熱問(wèn)題的處理也很關(guān)鍵；（4）二次光學(xué)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，多芯片出光角度不同，需要在一次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，以滿足用戶的要求。

　　集成封裝過(guò)程中機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)的研究

　　集成封裝由于其所具有的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了LED 封裝方式的主流方向，近年來(lái)引起很多企業(yè)和科研院所的關(guān)注并開(kāi)展了大量的研究，申請(qǐng)了相關(guān)的專利，這些都在極大的促進(jìn)集成封裝技術(shù)的發(fā)展。

　?。?）封裝結(jié)構(gòu)模式

　　當(dāng)前多芯片集成封裝的主流形式就是多顆芯片之間以串并聯(lián)的方式直接與基板相連接，然后對(duì)芯片進(jìn)行獨(dú)立封裝或者是封裝于同一透鏡下面。

　　徐向陽(yáng)等申請(qǐng)的專利中，將多顆芯片直接固晶在鋁基板上，涂覆熒光粉后，再在每顆LED 芯片外面封蓋一個(gè)光學(xué)透鏡。工藝簡(jiǎn)單，封裝材料精簡(jiǎn)，同時(shí)熱阻降低，光效提高，此外還便于組裝成LED照明燈具產(chǎn)品，相對(duì)于同功率的單顆芯片封裝模式而言，COB 模塊化LED 封裝技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　李建勝根據(jù)一般集成封裝中存在的層結(jié)合面和較長(zhǎng)的熱傳導(dǎo)距離問(wèn)題提出了一種COB 集成封裝工藝。即在鋁質(zhì)PCB 集成電路板上刻一些有利于芯片發(fā)光光線擴(kuò)散的反光腔，將多顆芯片逐一植入腔內(nèi)，同時(shí)在其周圍繪制PCB 線路，將芯片電極引線焊接至此，導(dǎo)通電路，最后在腔周圍堆積壘成環(huán)形圍柵，在其內(nèi)涂敷硅膠和熒光粉，一次形成一體化的LED COB 組件。這種設(shè)計(jì)將芯片與散熱器直接相連，減小了結(jié)構(gòu)熱阻，散熱效果遠(yuǎn)好于普通封裝結(jié)構(gòu)，提高了LED 的出光率。

　　李炳乾等采用COB 技術(shù)和陣列化互聯(lián)的方式制備出白光LED 光源模塊，他們將熒光粉層涂敷在出光板上，提高了出光的均勻性和熒光粉的穩(wěn)定性；同時(shí)將陣列化互連方式與電流降額使用相結(jié)合，減少了傳統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)連接方法時(shí)一個(gè)芯片損壞對(duì)其他芯片工作狀態(tài)的影響的缺陷，提高了系統(tǒng)可靠性，這種封裝結(jié)構(gòu)達(dá)到了簡(jiǎn)化工藝的目的。

　　總體上，不同專利所描述的集成封裝的結(jié)構(gòu)模式和原理都大同小異，差別主要在于所選的焊接方式、反光腔內(nèi)壁的涂覆材料以及所選基板的不同，改變集成封裝的思維方式，使集成封裝在白光LED封裝中得到更廣泛的應(yīng)用。

　　（2）散熱處理

　　集成封裝技術(shù)雖然是封裝的主要方向之一，但是散熱問(wèn)題卻一直是集成封裝技術(shù)的瓶頸，我們知道通常LED 高功率產(chǎn)品其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，剩下80%的電能均轉(zhuǎn)換為熱能，處理好散熱問(wèn)題，將會(huì)使LED 光源的質(zhì)量上一個(gè)臺(tái)階。

　　集成封裝的熱處理思路目前主要集中在：選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的基板；縮短熱傳遞的距離；優(yōu)化固晶技術(shù)等方面。蟻澤純從芯片的工作數(shù)量以及芯片的集成密度等方面分析發(fā)現(xiàn)集成封裝的多芯片白光LED 結(jié)溫隨著集成芯片數(shù)量的增加而增長(zhǎng)，其發(fā)光效率隨著集成芯片數(shù)量的增加呈減小趨勢(shì)，因此芯片的數(shù)量及集成密度在集成封裝技術(shù)的應(yīng)用中也是一個(gè)很重要的影響因素。

　　在公布號(hào)為CN 102042500 A專利中針對(duì)光源模塊的散熱性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形導(dǎo)熱裝置作為散熱區(qū)，使光源模塊在發(fā)光時(shí)，各發(fā)光芯片所產(chǎn)生的熱可以更快速的由基板發(fā)散。

　　在散熱基板材料的選擇中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大功率LED 散熱基板的首選材料。程治國(guó)等以陶瓷基板（氧化鋁和氮化鋁，厚度0.5～1.0mm）為散熱基板，申請(qǐng)了發(fā)明專利。在專利中采用陶瓷基板金屬化技術(shù)，共晶焊接技術(shù)進(jìn)行LED 集成封裝，導(dǎo)熱性能大大改善，采用集成封裝可以使光源功率達(dá)到200W。

　　Luqiao Yin研發(fā)出一種表層為L(zhǎng)TCC，底層為AlNx的陶瓷基板，經(jīng)集成封裝測(cè)試發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期點(diǎn)亮后PN 結(jié)溫度只有70. 8℃，經(jīng)ANSYS 模擬觀察到跟陶瓷基板相連的鋁熱沉溫度只有39. 3℃，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到500 mA 時(shí)，也只有41. 0℃。

　?。?）光學(xué)設(shè)計(jì)

　　大功率LED 照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進(jìn)行兩次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的是盡可能多的取出LED 芯片中發(fā)出的光，二次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的則是讓整個(gè)燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設(shè)計(jì)需求。集成封裝中由于存在多顆芯片，因此對(duì)于二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求更高！

　　為了實(shí)現(xiàn)道路照明所要求的矩形光斑分布，劉紅等依據(jù)光源特性和路面的光斑分布，通過(guò)折射定律建立透鏡母線的斜率方程，根據(jù)該方程設(shè)計(jì)了用于矩形光斑分布的LED 路燈透鏡，采用正交優(yōu)化方法，利用Light Tools 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的透鏡光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較研究，得到了一個(gè)矩形光斑分布的光學(xué)透鏡。仿真結(jié)果表明，該透鏡光學(xué)系統(tǒng)在高度為10m 的照射條件下，照射面積為40m×10m 的矩形光斑，均勻度為0.31。對(duì)有光斑尺寸要求的LED路燈透鏡來(lái)說(shuō)，該方法提供了一種簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)途徑。

　　宋春發(fā)等人設(shè)計(jì)出一種用于多顆芯片集成封裝的大功率LED 透鏡及其燈具。透鏡包括入光面和出光面，還包括環(huán)形反射面，所述出光面與反射面相貫，所述入光面為二次曲面，其曲面系數(shù)為：K =-1. 2～-1.5，R= 35～41mm，所述出光面為平面，所述反射面為二次曲面，其曲面系數(shù)為：K =-0. 24～-0. 26，R= 23～29mm。這種設(shè)計(jì)中LED 中心區(qū)域的光線經(jīng)出光面出射，LED邊緣的光線經(jīng)環(huán)形反射面出射，可以避免由于透鏡的視場(chǎng)角有限而損失LED光能，從而最大限度的收集LED發(fā)出的光線，提高燈具的發(fā)光效率。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　近年來(lái)，隨著世界各國(guó)政府對(duì)LED 發(fā)展的政策扶持以及LED 芯片、封裝、應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，LED 照明產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。LED 集成封裝雖然發(fā)展時(shí)間短，可借鑒的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)有限，但是在實(shí)際照明工程中表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，得到了市場(chǎng)的肯定，已經(jīng)成為了封裝技術(shù)的主要趨勢(shì)之一。

　　對(duì)于單顆芯片而言，雖然功率會(huì)越來(lái)越大，但要用到更大功率照明還是需要集成；同時(shí)隨著科技的進(jìn)步，芯片品質(zhì)的提升，集成封裝將會(huì)具有更大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，對(duì)于LED 照明的推廣有著積極影響；隨著封裝技術(shù)的不斷提高以及封裝材料性能的進(jìn)步，光源的光效將會(huì)逐步提高，散熱處理必將更為簡(jiǎn)便，集成封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也將愈加明顯，發(fā)展前景將越來(lái)越廣闊。