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大功率LED的封装技术两家灯泡企业点亮一个电光源产业

文章来源: 上传时间:2019-10-21 浏览次数:
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本文从光学、热学、电学、可靠性等方面,详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展,并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与晶片设计同时进行,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、萤光粉、灌封胶)选择很重要,但封装结构中应尽可能减少热学和光学介面,从而降低封装热阻,提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。

一、前言

大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。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,以降低晶片结温,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封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。随着晶片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

二、大功率LED封装关键技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,如图1所示。这些因素彼此既相互独立,又相互影响。其中,光是LED封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言,LED封装设计应与晶片设计同时进行,即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则,等晶片制造完成后,可能由于封装的需要对晶片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。

具体而言,大功率LED封装的关键技术包括:

(一)低热阻封装工艺

对于现有的LED光效水平而言,由于输入电能的80%左右转变成为热量,且LED晶片面积小,因此,晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介面材料)与工艺、热沉设计等。

图1 大功率白光LED封装技术

图2 低温共烧陶瓷金属基板

LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量,并传导到热沉上,实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属(如铝,铜)、陶瓷(如Al2O3,AIN,SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底,将1mm晶片倒装在CuW衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板,如图2,并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板,然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热介面少,大大提高了散热性能,为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AIN和Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性强、如图3所示。其中氮化铝(AIN)的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当),从而降低了封装热应力。

图3 覆铜陶瓷基板截面示意图

研究表明,封装介面对热阻影响也很大,如果不能正确处理介面,就难以获得良好的散热效果。例如,室温下接触良好的介面在高温下可能存在介面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少介面和介面接触热阻,增强散热。因此,晶片和散热基板间的热介面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶,由于热导率较低,一般为0.5-2.5W/mK,致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热介面材料,可大大降低介面热阻。

(二)高取光率封装结构与工艺

在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶),由于该胶层处于晶片和空气之间,从而有效减少了光子在介面的损失,提高了取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛应用,但成本较高。研究表明,提高矽胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,矽胶内部的热应力加大,导致矽胶的折射率降低,从而影响LED光效和光强分布。

萤光粉的作用在于光色复合,形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,萤光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光LED色温、色度的变化,较高的温度还会加速萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1μm以上,折射率大于或等于1.85,而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配,以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm),因而在萤光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高LED出光效率(10%-20%),并能有效改善光色质量。

传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合,然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现萤光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图4b。但研究表明,当萤光粉直接涂覆在晶片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE),通过在晶片表面布置一个聚焦透镜,并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置,不仅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%),如图4(c)。

图4 大功率白光LED封装结构

总体而言,为提高LED的出光效率和可靠性,封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势,通过将萤光粉内掺或外涂于玻璃表面,不仅提高了萤光粉的均匀度,而且提高了封装效率。此外,减少LED出光方向的光学介面数,也是提高出光效率的有效措施。

(三)阵列封装与系统集成技术

经过40多年的发展,LED封装技术和结构先后经历了四个阶段,如图5所示。

图5 LED封装技术和结构发展

1、引脚式(Lamp)LED封装

引脚式封装就是常用的A3-5mm封装结构。一般用于电流较小(20-30mA),功率较低(小于0.1W)的LED封装。主要用于仪表显示或指示,大规模集成时也可作为显示幕。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W),寿命较短。

两家灯泡企业点亮一个电光源产业

面对全球金融危机等多种不利因素,地处德清乾元镇的省级“电光源制造工业专业区”却是机声不断,产品源源不断销往国内外。在省级电光源

基地这个金字招牌下,一个又一个相关项目纷纷前来投资落户。由清华同方控股的LED节能灯项目下个月底就可以投产,项目负责人介绍说,“招牌”效应与延伸的产业链,使他们对投资乾元充满了信心。

据乾元镇有关人士介绍,该镇的电光源企业始于上世纪80年代中期,当时全镇仅有“新明辉”和“占字光电”两家灯泡生产企业,但其家电指示灯泡产品占了国内市场的近95%。目前已经增加到了16家,去年该镇电光源块状经济工业总产值达到了5.12亿元。

2000年,一直在为开拓华东市场寻找机会的广东华宝玻璃公司下属香港五华实业公司进入德清,在接触中与正想提高产品市场竞争力的“新明辉”一拍即合,当年8月,投资6000万元人民币的“德清华宝玻璃”破土动工。作为国内供应玻璃预制棒的龙头企业,“华宝”年生产能力达2.28万吨电光源玻璃管,玻壳800万只。随后,生产照明钨丝的“文中”照明,生产节能灯灯罩的“华光”电光源……一家家与灯泡生产、玻璃配套关联度密切的企业纷至沓来,电光源产业不断延伸。供应商、生产商、客商形成了一条完整的产业链,工业区内的电光源企业渐成规模。

如今,最早进入园区的德清华宝玻璃有限公司已成为华东地区规模最大的电光源生产企业之一,工业区内电光源企业的原材料绝大部分都是由这家公司供应。2007年,“华宝玻璃”又投入3000万元新上了一个节能环保项目,企业的生产能力扩大了25%。去年,该公司玻璃管产量达到23781万吨,泡壳1.38亿只,销售收入1.47亿元,实现税利1947万元。

进入21世纪,光电产业迅猛发展,乾元镇审时度势,把发展光电产业作为抢占产业制高点的重要举措来抓,并在政策、导向上鼓励企业提高产品技术含量,做好转型升级,构筑可持续发展平台,增强光电产业的核心竞争力。同时,加快建设以企业为主体、市场为导向、产学研结合的光电产业技术创新体系,引导企业运用现代信息技术推行精细化管理,重点在光电产业方面形成更多拥有自主知识产权的技术和产品。为产业配套做好延伸服务,至今已先后引进了浙江大学三色仪器有限公司、日本美多乐株式会社等一批企业,开发生产高科技的照明电器检测设备和电光源新产品等。镇有关领导说:“作为全省唯一的电光源制造工业专业区,我们不仅要用好牌子,更要创造效益。”

去年以来,乾元镇敏捷地捕捉到全球掀起的新型节能照明光源发展态势,对初具规模的光电产业,在政策上以及目标上及时作出了抢占国内LED产业发展制高点等要求,专业区内的光电企业更是积极应对,着力研发和推广应用LED等新产品,限制淘汰高能耗落后产品,为乾元镇电光源产业链的整体提升展开有益探索。同时,镇政府抽调10名干部外派四川成都、广东番禺和杭州、上海等地开展驻点招商,重点选择机械制造和光电产业。“我们的目标是把该电光源园区建成个占地1300亩,3年内产值达到20亿元的华东地区电光源产业的‘大本营’”。

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