LED集成封装的那些事

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资料介绍

多芯片LED集成封装是实现大功率白光LED照明的方式之一。本文归纳了集成封装的特点，从产品应用、封装模式，散热处理和光学设计几个方面对其进行了介绍，并分析了集成封装的发展趋势，随着大功率白光LED在照明领域的广泛应用，集成封装也将得到快速发展。
　　目前，实现大功率LED照明的方法有两种：一是对单颗大功率LED芯片进行封装，二是采用多芯片集成封装。对于前者来说，随着芯片技术的发展，尺寸增大，品质提高，可通过大电流驱动实现大功率LED，但同时会受到芯片尺寸的限制，后者具有更大的灵活性和发展潜力，可根据照度不同来改变芯片的数量，同时它具有较高的性价比，使得LED集成封装成为LED封装的主流方向之一。
　　集成封装产品的应用
　　据报道，美国UOE公司于2001年推出了采用六角形铝板作为基板的多芯片组合封装的Norlux系列LED；Lanina Ceram ics公司于2003年推出了采用在公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCCM）技术封装的大功率LED阵列；松下公司于2003年推出由64颗芯片组合封装的大功率白光LED；亿光推出的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，减少了热传递距离，降低了结温。
　　李建胜等在分析LED日光灯各种技术方案的基础上，采用COB工艺，将小功率芯片直接固定在铝基板上，制成高效散热的COB LED日光灯，从2009年开始已经用45000支LED日光灯对500辆世博公交车和近4000辆城市公交车进行改装，取代原有荧光灯，得到用户好评，服务于上海世博会及城市交通。
　　杨朔利用多芯片集成封装的LED光源模块开发出一款LED防爆灯，采用了热管散热技术。这种LED防爆灯亮度高，照射距离长，可靠性高，散热性能好，寿命长。
　　LED集成封装的特点
　　集成封装也称多晶封装，是根据所需功率的大小确定基板底座上LED芯片的数目，可组合封装成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学设计的形状对芯片进行封装。
　　集成封装特有的封装原理决定了它具有诸多的优点，如：（1）就我国而言大功率芯片的研发处于落后的位置，采用集成封装不失为一种发展的捷径，更符合我国的基本国情；（2）芯片可以设计为串联或者并联，灵活地适应不同的电压和电流，便于驱动器的设计，提高光源的光效和可靠性；（3）一定面积的基板上芯片的数目可以自由控制，根据客户的要求，可以封装成点光源或者面光源，形式多样；（4）芯片直接基板相连，降低了封装热阻，散热问题易处理。
　　然而，对于集成封装而言，同样存在一些不足：（1）由于多芯片集成封装在一块基板上，导致所得的光源体积较大；（2）多颗芯片通过串并联的方式组合在一起，相对于单颗芯片而言其可靠性较差，将导致整体光源受影响；（3）虽然多芯片封装相对于单颗同功率大芯片来说，散热能力强，但由于多颗芯片同时散热，热散失程度不同，会引起芯片间的温度不同，影响寿命，故散热问题的处理也很关键；（4）二次光学的设计问题，多芯片出光角度不同，需要在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，以满足用户的要求。
　　集成封装过程中机械、热学、光学的研究
　　集成封装由于其所具有的突出优点，已经成为了LED封装方式的主流方向，近年来引起很多企业和科研院所的关注并开展了大量的研究，申请了相关的专利，这些都在极大的促进集成封装技术的发展。
　　（1）封装结构模式
　　当前多芯片集成封装的主流形式就是多颗芯片之间以串并联的方式直接与基板相连接，然后对芯片进行独立封装或者是封装于同一透镜下面。
　　徐向阳等申请的专利中，将多颗芯片直接固晶在铝基板上，涂覆荧光粉后，再在每颗LED芯片外面封盖一个光学透镜。工艺简单，封装材料精简，同时热阻降低，光效提高，此外还便于组装成LED照明灯具产品，相对于同功率的单颗芯片封装模式而言，COB模块化LED封装技术具有诸多优点。
　　李建胜根据一般集成封装中存在的层结合面和较长的热传导距离问题提出了一种COB集成封装工艺。即在铝质PCB集成电路板上刻一些有利于芯片发光光线扩散的反光腔，将多颗芯片逐一植入腔内，同时在其周围绘制PCB线路，将芯片电极引线焊接至此，导通电路，最后在腔周围堆积垒成环形围栅，在其内涂敷硅胶和荧光粉，一次形成一体化的LEDCOB组件。这种设计将芯片与散热器直接相连，减小了结构热阻，散热效果远好于普通封装结构，提高了LED的出光率。
　　李炳乾等采用COB技术和阵列化互联的方式制备出白光LED光源模块，他们将荧光粉层涂敷在出光板上，提高了出光的均匀性和荧光粉的稳定性；同时将阵列化互连方式与电流降额使用相结合，减少了传统串联和并联连接方法时一个芯片损坏对其他芯片工作状态的影响的缺陷，提高了系统可靠性，这种封装结构达到了简化工艺的目的。
　　总体上，不同专利所描述的集成封装的结构模式和原理都大同小异，差别主要在于所选的焊接方式、反光腔内壁的涂覆材料以及所选基板的不同，改变集成封装的思维方式，使集成封装在白光LED封装中得到更广泛的应用。
　　（2）散热处理
　　集成封装技术虽然是封装的主要方向之一，但是散热问题却一直是集成封装技术的瓶颈，我们知道通常LED高功率产品其光电转换效率为20%，剩下80%的电能均转换为热能，处理好散热问题，将会使LED光源的质量上一个台阶。
　　集成封装的热处理思路目前主要集中在：选择导热系数高的基板；缩短热传递的距离；优化固晶技术等方面。蚁泽纯从芯片的工作数量以及芯片的集成密度等方面分析发现集成封装的多芯片白光LED结温随着集成芯片数量的增加而增长，其发光效率随着集成芯片数量的增加呈减小趋势，因此芯片的数量及集成密度在集成封装技术的应用中也是一个很重要的影响因素。
　　在公布号为CN102042500A专利中针对光源模块的散热性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形导热装置作为散热区，使光源模块在发光时，各发光芯片所产生的热可以更快速的由基板发散。
　　在散热基板材料的选择中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散热性佳、耐高温与耐潮湿等优点，逐渐成为大功率LED散热基板的首选材料。程治国等以陶瓷基板（氧化铝和氮化铝，厚度0.5～1.0mm）为散热基板，申请了发明专利。在专利中采用陶瓷基板金属化技术，共晶焊接技术进行LED集成封装，导热性能大大改善，采用集成封装可以使光源功率达到200W。
　　LuqiaoYin研发出一种表层为LTCC，底层为AlNx的陶瓷基板，经集成封装测试发现长期点亮后PN结温度只有70.8℃，经ANSYSvwin 观察到跟陶瓷基板相连的铝热沉温度只有39.3℃，当驱动电流达到500mA时，也只有41.0℃。
　　（3）光学设计
　　大功率LED照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光，二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求。集成封装中由于存在多颗芯片，因此对于二次光学系统设计的要求更高！
　　为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布，刘红等依据光源特性和路面的光斑分布，通过折射定律建立透镜母线的斜率方程，根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜，采用正交优化方法，利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究，得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明，该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下，照射面积为40m×10m的矩形光斑，均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说，该方法提供了一种简单有效的设计途径。
　　宋春发等人设计出一种用于多颗芯片集成封装的大功率LED透镜及其灯具。透镜包括入光面和出光面，还包括环形反射面，所述出光面与反射面相贯，所述入光面为二次曲面，其曲面系数为：K=-1.2～-1.5，R=35～41mm，所述出光面为平面，所述反射面为二次曲面，其曲面系数为：K=-0.24～-0.26，R=23～29mm。这种设计中LED中心区域的光线经出光面出射，LED边缘的光线经环形反射面出射，可以避免由于透镜的视场角有限而损失LED光能，从而最大限度的收集LED发出的光线，提高灯具的发光效率。
　　结束语
　　近年来，随着世界各国政府对LED发展的政策扶持以及LED芯片、封装、应用技术的不断提高，LED照明产业得到长足发展。LED集成封装虽然发展时间短，可借鉴的实际生产经验有限，但是在实际照明工程中表现出极大的优势，得到了市场的肯定，已经成为了封装技术的主要趋势之一。
　　对于单颗芯片而言，虽然功率会越来越大，但要用到更大功率照明还是需要集成；同时随着科技的进步，芯片品质的提升，集成封装将会具有更大的价格优势，对于LED照明的推广有着积极影响；随着封装技术的不断提高以及封装材料性能的进步，光源的光效将会逐步提高，散热处理必将更为简便，集成封装技术的优势也将愈加明显，发展前景将越来越广阔。