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LED封装的研讨现状及展开趋势

发布时间:2022-02-03 17:10:12 来源:米乐m6官网

  照明得到快速的展开。与传统光源比较具有寿数长、体积小、节能、高效、呼应速度快、抗震、无污染等长处,被认为是能够进入一般照明范畴的“绿色照明光源”,

  作为LED产业链中承上启下的LED封装,在整个产业链中起着要害的作用。关于封装而言,其要害技能归根到底在于怎么在有限的本钱规模内尽或许多的提取芯片宣布的光,一起下降封装热阻,进步牢靠性。在封装进程中,封装资料和封装办法占首要影响要素。跟着LED高光效化、功率化、高牢靠性和低本钱的不断展开,对封装的要求也越来越高,一方面LED封装在统筹发光视点、光色均匀性等方面时有必要满意具有足够高的取光功率和光通量;另一方面,封装有必要满意芯片的散热要求。因此,芯片、荧光粉、基板、热界面资料和等封装资料以及相应的封装办法亟待展开立异,以进步LED的散热才能和出光功率。

  在封装进程中,封装资料功用的好坏是决议LED长时间牢靠性的要害。高功用封装资料的合理挑选和运用,能够有用地进步LED的散热作用,大大延伸LED的运用寿数。封装资料首要包含芯片、荧光粉、基板、热界面资料。

  跟着LED器材功用的不断展开和使用规模的不断拓展,特别是单颗大功率LED的开发,芯片结构也在不断地改进。现在LED芯片的封装结构首要有4种,即:正装结构、倒装结构、笔直结构和三维笔直结构。

  现在一般的LED芯片选用蓝宝石衬底的正装结构,该结构简略,制造工艺比较老练。但因为蓝宝石导热功用较差,芯片发生的热量很难传递到热沉上,在功率化LED使用中受到了约束。

  倒装芯片封装是现在的展开方向之一,与正装结构比较,热量不用通过芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,然后通过金属底座宣布到外界环境中。

  笔直结构的蓝光芯片是在正装的根底上发生的,这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热才能较好的硅衬底或金属等衬底上,再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片处理了散热瓶颈问题,但工艺杂乱,特别是衬底转化这个进程完成难度大,出产合格率也较低。

  与笔直结构LED芯片比较,三维笔直结构LED芯片的首要优势在于无需打金线,使得其封装的厚度更薄、散热作用更好,而且更简略引进较大的驱动电流。

  跟着人们对LED光质量的要求越来越高,不同色彩、不同体系的LED用荧光粉逐渐被开宣布来,高光效、高显色指数、长寿数荧光粉开发及其涂覆技能的研讨成为要害。现在干流的白光完成办法是蓝光LED芯片结合黄色YAG荧光粉,但为了得到更好的照明作用,氮化物/氮氧化物赤色荧光粉、硅酸盐橙色和绿色荧光粉也得到了广泛的使用。

  多色荧光粉的掺入对进步光源显色指数起到重要作用,拓展了LED光源的使用范畴,能够在一些对色彩复原度要求高的场合代替传统的卤素灯或金卤灯。一起,人们也在不断开发新式的LED用荧光粉,

  赤色和绿色荧光粉的参加,显着进步光源的显色指数。ZL0.3[11]公开了一种蓝光激起的连续光谱荧光粉的制备办法,该荧光粉选用氧化锌、氧化镧、碳酸钙等质料,调理激活离子Ce3+、Eu3+的含量,能够得到在蓝光激起下宣布470~700nm的连续光谱。同一基质的荧光粉在封装进程中会体现出更多的优势。

  半导体纳米晶荧光粉也是近年研讨比较抢手的一个方向,因其有望改动现在LED对稀土资料的依靠,打破国外专利壁垒。一起,半导体纳米晶荧光粉具有尺度小、波长可调、发光光谱宽、自吸收小等特色,在白光LED使用中具有潜在的商场。

  跟着LED技能的展开,功率越来越高,LED芯片的暖流密度更大,对封装基板资料热阻和膨胀系数的要求也越来越高。散热基板展开迅速,种类也比较多,现在首要由金属芯印刷电路板、金属基复合资料、陶瓷基复合资料。

  金属芯印刷电路板(MCPCB)是将原有的印刷电路板(PCB)附贴在别的一种热传导作用更好的金属(铝、铜)上,以此来强化散热作用,而这片金属坐落印刷电路板内。这种技能能有用处理大功率器材在结构紧凑的趋势下所带来的散热问题。MCPCB热导率可到达1~2.2W/(mK)。

  因为MCPCB的介电层没有太好的热传导率(0.3W/(mK)),使其成为与散热器的散热瓶颈。金属基散热板具有高的热导率,能为器材供给杰出的散热才能。将高分子绝缘层及铜箔电路与环氧树脂黏接办法直接与铝、铜板接合,然后再将LED装备在绝缘基板上,此绝缘基板的热导率就比较高,达1.12W/(mK)。

  陶瓷资料封装基板稳定性好,或许是最有远景的研讨方向。与金属资料封装基板比较,其省去绝缘层的杂乱制造工艺。多层陶瓷金属封装(MLCMP)技能在热处理方面与传统封装办法比较有大幅度的改进。新式的AlN陶瓷资料,具有导热系数高、介电常数和介电损耗低的特色,被认为是新一代半导体封装的抱负资料。陶瓷覆铜板(DBC)[12]也是一种导热功用优秀的陶瓷基板,所制成的超薄复合基板具有优秀电绝缘功用,高导热特性,其热导率可达24~28W/(mK)。

  关于LED封装使用而言,散热基板除具有根本的高导热和安置电路功用外,还要求具有必定的绝缘、耐热、相匹配的膨胀系数。通明陶瓷资料技能,不只具有高散热功率、耐热电、膨胀系数匹配等功用外,一起还有望在封装器材的光学功用上有所打破,完成全空间发光LED封装。

  现在关于散热的研讨人们更多的重视芯片、基板、散热器的资料和结构,却往往疏忽了热界面资料的影响。热界面资料是用于两种资料间的填充物,在热量传递进程中起到桥梁的作用。LED灯具是一个多层结构的组合体,若要快速导出芯片发生的热量,尽量减小资料之间的热阻,进步导热率,热界面资料的导热功用在其间至关重要。现在用于LED封装的热界面资料有四种办法:导热胶粘剂、导电银胶、锡膏和锡金合金共晶焊接。

  导热胶是在基体内部参加一些高导热系数的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等,然后进步其导热才能。导热胶的长处是价格低廉、具有绝缘功用、工艺简略,但导热性遍及较差,热传导系数在0.7W/(m?K)左右。

  导电银浆是在环氧树脂内增加银粉,其硬化温度一般低于200℃,热传导系数为20W/(m?K)左右,具有杰出的导热特性,一起张贴强度也较好,但银浆对光的吸收比较大,导致光效下降。

  关于小功率LED芯片发热量少,通过导电银胶作为粘结层完全能够满意散热以及牢靠性问题[13]。导电锡膏的热传导系数约为50W/(m?K),一般用于金属之间焊接,导电功用也很优异。

  锡金合金共晶焊接使用金属的共晶点将两种金属焊在一起,合适作为大功率LED芯片的粘结资料。Kim等[14]通过比较了导热导电银胶、Sn-Ag-Cu钎料和Au-Sn共晶钎料作为热界面资料的散热功用,发现关于SiC衬底片与Si基板的键合,Au/Sn共晶钎料的封装热阻显着低于银胶和Sn-Ag-Cu钎。

  现在国内热界面资料远远落后于国外水平,跟着LED封装集成度的进步和暖流密度的增大,需求更高导热功率的新式热界面资料,以进步LED封装器材间的热量传递才能,如使用石墨烯、碳纳米管、纳米银线作为填料进行复合,一起使用无机官能团对基料进行润饰等制备出低热阻新式复合热界面资料技能。关于LED封装使用而言,抱负的热界面资料除了具有低热阻外,还应有相匹配的膨胀系数和弹性模量,以及较好的机械功用、热变形温度高、本钱较低一级要求。

  在LED芯片技能的快速展开下,LED产品的封装办法也从单芯片封装办法展开到多芯片封装办法。它的封装结构也从Lamp封装到SMD封装再到COB封装和RP封装技能。

  引脚式封装(Lamp)选用引线架作各种封装外型的引脚,是最早研发成功投放商场的LED封装结构,种类数量繁复,技能老练度较高。外表贴装封装(SMD)因减小了产品所占空间面积、下降分量、答应通过的作业电流大,特别合适自动化贴装出产,成为比较先进的一种工艺,从Lamp封装转SMD封装契合整个电子职业展开大趋势。但是在使用中存在散热、发光均匀性和发光功率下降等问题。

  CoB(ChiponBoard)封装结构是在多芯片封装技能的根底上展开而来,CoB封装是将暴露的芯片直接贴装在电路板上,通过键合引线与电路板键合,然后进行芯片的钝化和维护[15]。CoB的长处在于:光线柔软、线路规划简略、高本钱效益、节约体系空间等[16],但存在着芯片整合亮度、色温谐和与体系整合的技能问题。

  长途荧光封装技能(RP)是将多颗蓝光LED与荧光粉分隔放置,LED宣布的蓝光在通过反射器、散射器等混光后均匀的入射到荧光粉层上,终究宣布均匀白光的一种LED光源办法。与其他封装结构比较,RP封装技能功用更为彪炳:首要,是荧光粉体远离LED芯片,荧光粉不易受PN结发热的影响,特别是一些硅酸盐类的荧光粉,易受高温高湿的影响,在远离热源后可削减荧光粉热猝灭几率,延伸光源的寿数。其次,荧光粉远离芯片规划的结构有利于光的取出,进步光源发光功率。再者,此结构宣布的光色空间散布均匀,色彩一致性高。近年来,紫外激起的长途封装技能引起人们的高度重视,比较传统紫外光源,具有绝无仅有的优势,包含功耗低、发光呼应快、牢靠性高、辐射功率高、寿数长、对环境无污染、结构紧凑等许多长处,成为国际各大公司和研讨机构新的研讨热门之一。

  近年来国内外很多科研机构和企业对LED封装技能继续展开研讨,优秀的封装资料和高效的封装工艺连续被提出,高牢靠性的LED照明新产品相继呈现,如:LED灯丝、软基板封装技能等(如图4)一起具有必定的运用功用要求。

  在对新式资料的不断研发下,超导电和超导热资料相继问世,为LED封装技能的进一步展开供给了坚实的根底,如石墨烯。,中国科学院半导体发明晰以石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管,使用石墨烯优胜的导电功用,使得部分热量能够经由石墨烯导热层传递到衬底上,增加了器材的导热通道,进步了散热作用[17]。

  针对现在LED芯片选用低压直流驱动,需求在电源驱动器中进行降压整流处理,引起能量损耗和牢靠性问题。人们别离提出选用高压的LED芯片和沟通的LED芯片进行改进。2008年9月,台湾工研院以芯片式沟通电发光二极管照明技能(OnChipAlternatingCurrentLEDLightingTechnology)取得美国R&D100Awards必定。ACLED(AlternatingCurrentLED)具有低能耗、高功率、运用方便等优异功用,一起也推翻了传统LED的使用。

  三维封装技能,关于LED封装而言是一种全新的概念,它对规划思路和理念、资料特性以及封装技能自身提出更多立异性的要求。三维打印技能从呈现到今日,有了长足的进步,使LED三维封装技能成为一种或许,但现在存在许多需求战胜的难题,如资料的复合制备、资料间热应力平衡操控、出产功率等。因此能够说根据三维打印技能的LED封装技能仍是较为悠远的想象。

  从长远来看,LED封装技能需求加速针对三维封装的封装资料、封装结构以及多功用体系化集成的探求,依照集成电路的封装概念,进步LED封装的微型化,选用无键合金线的封装办法,完成高光效光源模组器材的散热才能,处理LED使用中光、热、电三者的对立,终究完成智能体系化的LED封装技能,满意日益杂乱的LED使用要求。

  跟着LED功率化、高效化、低本钱、高牢靠性的不断展开,对封装技能的要求将越来越严苛,特别是封装资料和封装工艺。封装技能比较杂乱,需求归纳考虑光学、热学、电学、结构等方面的要素,一起低热阻、稳定好的封装资料和新颖优异的封装结构仍是LED封装技能的要害。在新的封装资料与新的封装结构完美的结合下,舒适、漂亮和智能化的LED照明产品将不断涌现。