聯(lián)誠發(fā)

大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED顯示屏的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。接下來，聯(lián)誠發(fā)小編就給大家詳細介紹一下什么是大功率LED封裝技術(shù)？

LED封裝的功能主要包括：

1、機械保護，以提高可靠性；

2、加強散熱，以降低晶片結(jié)溫，提高LED性能；

3、光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；

4、供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。

LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由晶片結(jié)構(gòu)、光電/機械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、裸芯型LED(COB LED)等發(fā)展階段。

大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝相容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進行，即晶片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。

低熱阻封裝工藝

對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問題。主要包括晶片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱介面材料)與工藝、熱沉設(shè)計等。

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和復(fù)合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將 1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，并開發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將LED晶片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅(qū)動電路及控制補償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱介面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和導(dǎo)電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強度高、絕緣性強。其中氮化鋁(AIN)的熱導(dǎo)率為 160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.0×10-6/℃(與矽的熱膨脹系數(shù)3.2×10-6/℃相當)，從而降低了封裝熱應(yīng)力。

研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。

高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝

在LED使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：晶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對晶片進行機械保護，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應(yīng)力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和矽膠。矽膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。

螢光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉涂層是由環(huán)氧或矽膠與螢光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和螢光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用螢光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及螢光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在螢光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米螢光粉，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%)，并能有效改善光色質(zhì)量。

傳統(tǒng)的螢光粉涂敷方式是將螢光粉與灌封膠混合，然后點涂在晶片上。由于無法對螢光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformal coating)技術(shù)可實現(xiàn)螢光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖4b。但研究表明，當螢光粉直接涂覆在晶片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通過在晶片表面布置一個聚焦透鏡，并將含螢光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)。

近些年來，LED芯片逐漸成為顯示行業(yè)的寵兒，憑借著高亮度、自發(fā)光、全彩色的優(yōu)勢，不斷進入各類顯示場所，而SMD封裝和COB封裝正是推動這一發(fā)展的主要因素。

表貼三合一(SMD)LED于2002年興起，并逐漸占據(jù)LED顯示屏器件的市場份額，從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD。表貼封裝是將單個或多個LED芯片粘焊在帶有塑膠“杯形”外框的金屬支架上(支架外引腳分別連接LED芯片的P、N極)，再往塑膠外框內(nèi)灌封液態(tài)封裝膠，然后高溫烘烤成型，最后切割分離成單個表貼封裝器件。由于可以采用表面貼裝技術(shù)(SMT)，自動化程度較高。與引腳式封裝技術(shù)相比，SMD LED的亮度、一致性、可靠性、視角、外觀等方面表現(xiàn)都良好。

SMD封裝的技術(shù)優(yōu)勢：

1.技術(shù)成熟、相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備工藝完備，供應(yīng)體系健全。

2.應(yīng)用廣泛、顯示控制兼容配套成熟、穩(wěn)定性高。

3.燈珠一次通過率高，品質(zhì)穩(wěn)定，質(zhì)量高。

SMD封裝微間距LED顯示屏實例

正是憑借技術(shù)成熟穩(wěn)定、散熱效果好、維修方便、無縫拼接、低亮高灰等優(yōu)點，SMD封裝LED顯示屏產(chǎn)品迅速獲得了市場的認可，一路高歌猛進，在LED應(yīng)用市場占據(jù)了較大份額。如今LED顯示屏在指揮室、控制室、會議室等應(yīng)用場合獲得了廣泛應(yīng)用，在政府應(yīng)急指揮、智能指揮控制、公安交警指揮、通用會議決策、能源調(diào)度中心、軍隊武警指揮等領(lǐng)域均完成了一系列備受矚目的重大項目，使得SMD封裝LED顯示屏的影響力不斷擴大。

而COB是一種多燈珠集成化無支架封裝技術(shù)，直接將發(fā)光芯片封裝在PCB板上，省卻了繁瑣的表貼工藝，沒有了支架的焊接腳，每一個像素的 LED芯片和焊接導(dǎo)線都被環(huán)氧樹脂膠體緊密嚴實地包封在膠體內(nèi)，沒有任何裸露在外的元素，為LED芯片提供了保護，可以解決外界因素對像素點造成損害的問題，長期使用過程中像素失效率極低，因此COB封裝技術(shù)為微間距LED顯示屏提供了超高的穩(wěn)定性，無需修燈。

2013年最早推出微間距LED高清顯示系統(tǒng)應(yīng)用于信息化前沿，同時不斷專研革新，潛心研究Micro LED技術(shù)并結(jié)合COB封裝工藝，在2017年有效推動COB小間距LED進入信息化領(lǐng)域。COB封裝采用的類面發(fā)光，因此視角更廣，使得COB封裝LED顯示屏具備垂直及水平雙向170°超寬視角，任何角度觀看都是中心視角，任何角度確保顏色、亮度一致，具有更優(yōu)秀的光學(xué)漫散色渾光效果，顯示覆蓋面積更大，確保任意角度觀看無死角、不偏色，圖像始終都能完美顯示。

另外，COB封裝技術(shù)將像素點封裝在PCB板上，實現(xiàn)PCB 電路板、晶體顆粒、焊腳和引線等全面密封，表面光滑無裸露元件，達到IP65 的完全防護能力，像素點表面光滑而堅硬，具有防磕、防撞擊、防震、抗壓、防水、防潮、防塵、防油污、防氧化、防靜電等性能，高穩(wěn)定易維護，日常清潔維護可直接用濕布擦除表面污漬。

同時，COB封裝微間距LED顯示屏采用高品質(zhì)超黑面板，使得黑色在整個屏幕中所占的比例提高到了99%以上，從而將顯示屏的對比度提升到了10000:1，取得了質(zhì)的飛躍，保證了畫面的色彩表現(xiàn)能力，呈現(xiàn)精美絕倫的高畫質(zhì)影像。

來源：投影時代