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LED半导体照明封装及应用技术的最新进展

来源:恒洋资讯网
  
在LED产业结构中,封装和应用位于产业链中下游,完成将LED产品由芯片(Chip)向管芯(Diode)及器件(Device or Components)转变并最终实现照明应用产品,是LED产品作为半导体照明光源真正进入市场并取代传统照明光源的直接环节。   由于发展起始时间相对落后,我国的LED半导体照明在封装及应用领域产业也受到了高性能辅料等外国专利或产品的制约。相比于上游由于在芯片外研、原材料、生长设备等方面先发技术及核心知识产权缺失并受外国技术封锁,中下游的自主创新及专利申请情况则与国外处于同一起跑线。由于我国作为传统照明产品输出大国以及相关产业集中的先天特点,在LED封装及应用领域的产业规模处于国际领先水平。据统计,我国LED照明应用产品的产量占全球60 %以上,业已成为LED照明产品的全球制造基地。   但作为LED产业中下游,一方面仍然受上游及材料领域国外核心产品及专利限制,另一方面企业规模偏小,产业集中度低,重复低水平投资建设现象也较为严重,市场竞争无序。同时,相关行业标准、检测和认证体系建设仍待加强,服务支撑体系尚需完善。   作为新型照明技术,半导体照明仍处于不断发展的上升期,技术水平和指标仍在不断被刷新。在这样的大背景下,必须要坚持技术创新,突破国外专利封锁,加强新技术、新材料、新产品开发,培育具有自主知识产权和较强竞争力的核心产品,优化产业结构,建立以市场需求为导向、以行业龙头企业为骨干的LED产业,加强产业发展宏观指导,形成有利于产业发展的政策及配套环境,充分发挥市场配置资源的基础作用,规范市场竞争行为,实现我国LED照明产品质量达到国际先进水平,真正实现LED半导体照明的美好蓝图。   2. 封装   2.1. 概述   LED封装技术借鉴了分立器件封装技术,并有很大的特殊性,即除了常规的电气互连和机械性保护以确保管芯正常工作的同时,更强调光学、热学方面的设计创新和技术要求。特别是随着技术的日趋成熟,LED功率化、多应用领域的趋势日趋显著,对于封装技术的要求也日趋严格。   LED封装格式从早期小功率插件式(through-hole)封装,逐渐发展出表贴式器件(surface mounting device,SMD)封装、功率型(high power)封装以及多芯片(multi chips on board,M)封装等格式。根据芯片封装时的位置也可以分为正装、倒装(flip chip)、垂直结构等封装格式。LED封装材料涉及支架、基板、荧光粉、硅胶、固晶胶、透镜、键合金线(合金线)、散热热沉等。   随着LED的大功率化,特别是大功率白光应用的需求,LED封装需要达到的功能更为清晰和明确:1、管芯保护,提高芯片和器件运行的可靠性,增强防静电冲击,抗机械震动能力;2、加强散热,降低芯片结温,延长芯片、荧光粉寿命;3、光学优化,通过涂敷荧光粉实现光谱,提高出光效率同时优化并实现特定出光分布;4、电学管理,优化并完成多芯片串并连,甚至实现交直流转变或电源控制。   2.2. LED封装是材料学、电学、光学、热学综合课题   LED封装技术是随着LED管芯技术进步以及半导体照明需求的发展而逐渐演化过来。由于LED属于利用半导体材料能带进行电致发光,因而其本质上有别于传统照明工具,属于冷光源,并且器件的发光效率随工作温度的增加而下降,因此散热技术或称为热管理技术成为LED封装所要解决的首要问题。其次,由于LED具有体积小、光通量大的特点,在实际应用中,尽可能高效的利用光能同时避免眩光导致用户不适,是充分体现半导体照明高效、节能优势的必要条件,因此光学管理在LED封装中同样具有重要意义。第三,随着芯片外延技术的提升,LED性能不断优化,导致封装器件失效的主要原因已经从芯片本身转变为由于封装材料的老化、腐蚀、断裂等因素,因此对于封装材料提出了更高要求。最后,随着半导体照明对大功率、高光通量器件的需求的增加,多芯片封装、高压驱动封装、超高功率封装等方案不断出现,而这些新方案对于静电保护、电气拓扑等电学性能提出了更高要求。同样,上述热学、光学、电学方面的技术进步必然要求具有更优良热学性能、光学性能以及电学性能的高性能、新型封装材料的出现。而作为具体的应用方案,也要求人们提出更好、更优、更具有创新精神的新的封装格式。可以说LED封装技术的进步,必须综合考虑相关领域材料特性、结构性能以及彼此影响,是材料学、电学、光学、热学的交叉领域研究课题。   2.3. 三维封装和多功能系统集成封装技术的探索和开发   LED封装格式直接影响LED器件及下游产品的性能。由于外延衬底及外延技术的特性,LED芯片多采用共面电极方式,而封装时多采用平面电气互联方案,采用键合金线引出。为了绝缘等需求,封装时,电气层与封装热沉之间增加绝缘层或直接采用绝缘陶瓷作为热沉,封装器件的散热受绝缘层的导热系数限制。特别是正面出光封装方案,由于外延衬底(如蓝宝石)的导热系数低,散热性能受到极大限制。   随着LED芯片的功率密度越来越大,多芯片、大功率封装需求进一步增加,对LED封装方案的散热性能提出了更高要求。高压驱动、交流驱动等新型技术的出现,也令传统平面式电气互联封装方案面临窘境。而越来越广的应用场合,对LED封装提出了更多更细的要求,对LED器件的集成度、系统化要求也越来越高,功能化要求日益突出。   借鉴传统IT行业封装概念,已有包括倒装LED、垂直结构LED等封装方案为行业采用,但应用范围相对较小。基于倒装方案,利用金属焊点进行传热,可以有效降低芯片与封装热沉之间的热阻,但其散热性能受焊点金属材质、焊点面积等因素影响,其工艺成本也为之增加。而垂直结构的封装方案,由于剥离了低导热系数的外延衬底或采用导电材料作为外延衬底,并可以实现大面积金属共晶焊技术增加导热通道面积,因此具有最优异的散热性能,但受限于透明电极材料并且其成本也是最高。   三维封装技术,对设计思路和理念、材料特性以及封装技术本身提出更多创新性要求。作为三维封装技术的一种可能,三维打印技术从出现到今天,有了长足进步,并在制造复杂结构零件、艺术创意设计等领域有了应用,其基于塑料喷射、粉末融合等方案的设备已经有了商业化应用,但从进行工业化大批量生产的角度而言,仍存在许多需要克服的缺点,如多材料复合制备、材料间热应力平衡控制、制备速度和生产效率等。可以说直接实现基于三维打印的封装技术,对于LED产业而言仍是较为遥远的设想。但基于三维打印概念,我们可以探索LED封装新设计方案以及制备工艺,如新的热电分离封装技术、基于分层制造的封装结构设计等。   作为最为成熟并有望应用于实际工业生产的三维打印技术,基于纳米导电材料的三维电极打印技术在实现复杂多层曲面线路制备方面已经在某些电子工业中开始探索并得到应用。相比与传统电子线路制备方法,基于三维打印的电路制备方案,可以实现零材料损耗、避免光刻腐蚀、减少模版制备等等,从而减少污染、节约成本,更能通过计算机辅助实现设计、修改、制备的快速实现。而利用快速自固化打印材料,可以实现悬空电路,甚至实现传统键合金线相同功能但无法实现且更为复杂、性能更优的立体电路。也可以利用高粘性打印材料在复杂曲面衬底以及垂壁上进行零距离、贴合表面的电路加工制备,克服传统键合金线机械性能缺陷,也弥补传统光刻制备工艺的难题。   基于三维打印的电路制备技术,尚需要解决许多问题,如:   高性能打印电极材料。探索适用于打印的高性能导电材料,快速可控自固化辅助材料、高附着力辅助材料以及高绝缘性能材料,探索各种材料自身性能、打印控制参数,探索不同材料之间混合后打印材料性能以及包括应力消除在内的控制方法和参数。实现室温适用、高性能、多适应性打印电极材料以及打印方案,建立健全材料性能数据库、混合材料性能数据库。   高精度打印系统。包括高精度定位平移系统、高精度打印喷头、高精度反馈伺服系统,实现微米级加工精度、快速高效打印速率。   快速衬底探测、建模技术。基于三维打印概念实现复杂衬底表面制备,一般需要事先输入衬底模型以进行电路设计和打印控制。因此,可以进行快速衬底探测、建模的辅助系统有助于实现更有效的三维打印电路制备,或进行伺服反馈。   多喷头联动技术。目前三维打印的重要瓶颈是打印速率导致的生产效率相对较低。基于多喷头联动的三维打印技术,是提高三维打印速率特别是大面积产品上生产效率较为理想的解决方案之一。实现多喷头联动,需要利用计算机技术对模型进行快速有效的分解和喷头之间功能划分,同时,规划好机械系统的运动伺服动作以及反馈控制。设计并探索合理的并行联动方案或流水联动方案,需要在高精度打印系统的基础上,进一步探索并实现高精度、多喷头打印技术,并制备打印系统。   从长远来看,加快针对三维封装的封装结构、封装材料以及系统化集成方案的探索和研究,减少或实现无键合金线的封装方法,采用类似集成电路的封装概念,有助于实现更优良的器件散热能力,解决电、热传输矛盾,实现更小封装尺寸,并有望实现多功能系统级封装(system in package,SiP)LED,满足日益复杂的LED应用要求。   2.4. 高光效、高显色指数、长寿命荧光粉开发及其涂覆技术研究   1997年,日本日亚(Nichia)公司首先采用GaN基蓝光芯片结合YAG:Ce黄光荧光粉产生二元白光的作为白光照明方案,并申请了专利。该技术路线也成为半导体白光照明的主流技术路线。   2013年2月美国科锐()公司已经实现了276 lm/W的实验室芯片效率,其量产瓦级芯片的效率也以达到200 lm/W以上水平,远远超过了传统光源的发光效率。作为不可或缺的部分,高效荧光粉成为实现高效半导体照明的重要保障。   基于钇铝石榴石(YAG)的荧光粉技术,在红光部分性能较差,难以满足低色温照明需求,其与蓝光芯片结合的二元白光技术也难以满足高显色指数照明需求。同时其相关核心专利大部分集中在国外公司手中,对我国荧光粉产业的自主化也产生了较强的技术壁垒。   为克服YAG荧光粉的不足,实现更高品质半导体照明方案,新型荧光粉方案、特别是高效红光荧光粉技术也不断被开发出来。如基于硅酸盐的荧光粉,可以实现更宽的激发谱、更丰富的荧光范围,并可通过改变或调整掺杂元素实现较好的激发效率,也可满足不同色温需求,但其发光效率、热稳定性以及耐湿性等性能也有待进一步提升。 1 … …
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