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基于遠程熒光粉與白光LED封裝散熱技術研究

2019-06-24 09:10 來源:旭宇光電 關注度:8067次 字體:   原創申明 投稿
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隨著各項技術不斷改進與優化,遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術將會更加完善,綜合性能也會更進一步提升。

  摘要

  遠程熒光粉白光LED封裝散熱設計有效改善封裝技術存在色溫漂移、出光不均勻和熒光粉性能衰減快等缺陷,可用于大功率LED及COB集成封裝產品,是大功率白光LED散熱封裝設計技術的再次創新。重點研究如何將遠程熒光技術與大功率LED集成封裝技術結合制備,提升封裝整體發光效率,使LED封裝設計的自由度更大。

  關鍵詞:遠程熒光粉;大功率;白光LED;封裝;散熱

  中圖分類號:O482.7文獻標識碼:A

  引言

  大功率白光LED的封裝均采用支架與芯片+熒光粉封裝工藝,將熒光粉按一定比例與硅膠混合均勻,直接涂覆在焊線完成后的芯片表面并烘烤完成,由于工藝本身存在的缺陷,使LED容易出現色坐標漂移、出光均勻性差和失效等問題[1]。針對目前大功率白光LED的器件封裝工藝存在的問題,提出一種創新的遠程熒光型大功率白光LED散熱封裝技術,有效解決色坐標漂移和熒光粉沉淀問題,是一項極有發展潛力的工藝創新。采用遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術讓產品色溫一致性更好,通過調換遠程熒光預制板可滿足使用場所對冷暖色調的不同需求。同時,遠程熒光封裝技術有著優秀的配光設計基礎,可有效解決眩光突出問題,很大程度上提高半導體照明產品和系統設計的自由度,拓展LED照明產品的應用領域。隨著各項技術不斷改進與優化,遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術將會更加完善,綜合性能也會更進一步提升。

  1 LED傳統封裝工藝

  熒光轉換型白光LED封裝的發光原理是在LED芯片表面涂覆一層熒光粉,熒光粉在芯片發出的光的激發下產生其他顏色的光,與芯片發出的光混合而產生白光[2]。目前大功率白光LED封裝技術已經形成固有工藝模式,將熒光粉均勻混合配粉膠,直接點在已焊好線的芯片表面上,利用成熟的生產工藝來完成封裝工序。封裝方式通過多年的發展與應用優化,其半自動與全自動生產設備及工藝都相對成熟,其主要特點體現在以下幾方面。

  1.1封裝結構局限

  現有的LED在封裝工藝中,LED芯片的散熱和熒光粉層的散熱均由基板傳導完成,LED芯片與熒光粉層會產生相互加熱,并且現有的LED封裝中基座多為平面,平面基板的受熱面積小而導致散熱性能差。通常LED的光轉換效率在20%~30%左右,其余的能量被轉換為內能導致芯片溫度升高,芯片溫度升高會導致與其直接接觸的封裝膠的使用壽命縮短甚至碳化,從而影響LED的工作壽命。

  1.2光衰及色坐標漂移

  用傳統封裝技術來實現大功率白光LED的工藝是把熒光粉和膠水混合均勻后直接點在芯片的表面上。LED在工作過程芯片持續產生大量的熱能,會導致接觸芯片的熒光粉受熱后溫度上升,高溫會影響熒光粉產生光衰,從而縮短LED光源壽命。熒光粉受熱不但會產生光衰,也會讓色坐標出現偏移,讓同批次的光源色度出現變化不一致,降低產品整體的光品質[3]。

  1.3光源均勻性差

  由于熒光粉與膠水比重不同,傳統封裝工藝的點膠工序會使熒光粉有所沉淀,這是非常難避免的,因此導致同批次封裝產品的光色坐標會有較大離散性,這讓制造商難以生產出光品質完全一致的產品,按照標準分光分色后,良品率依然是制造商的出貨瓶頸,通常會把集中的良品出售給優質客戶,偏離的產品降價銷售,無形中降低了制造商的利潤。

  1.4散熱不佳導致可靠性降低

  LED芯片熱量不能及時有效散發出去,導致結溫上升,引起熱應力不均勻分布效應,降低了LED發光效率與熒光粉激發效率。有研究表明,當結溫超過120℃時,器件失效率呈指數上升。在室溫條件下結溫每上升1℃,LED發光強度則降低約1%,其安全性能則下降5%左右。所以封裝散熱技術已經成大功率LED應用的關鍵難點[4]。

  2 遠程熒光粉封裝技術

  基于遠程熒光粉技術的大功率白光LED的散熱封裝設計包含增加熒光粉層和芯片間的導熱熱阻,減小芯片和熒光粉層相互加熱的作用;以及為熒光粉層設計出專門散熱路徑,有效散發出熒光粉層的熱量[5]。

  2.1基板設計

  大功率LED的基板由鋁合金基板、銅箔電路層和絕緣介質層等部分組成。

  (1)金屬基板是選用導熱系數較高的復合材料或者金屬材料如銅、鋁或其合成體,厚度應根據LED的功率設計在1~2 mm之間,典型以1.6 mm厚度為主要應用規格。

  (2)電路層是建立電氣連接的路徑,應根據燈具控制裝置輸出電參數規格確定基板電路的并串方案,設計需求搭建LED電氣連接的線路層,使銅箔層與錫鋁合金層結合為LED提供電能,線路層厚度在10~15μm之間,確保LED能可靠工作。

  (3)絕緣介質層是金屬線路和基板間最重要部分,也是設計金屬線路板核心技術之一,它可以保證線路板穩定地工作,所以應具有較高穩定性、高導熱性能及高絕緣性,其典型結構如圖1所示。另外還應具備高強度、高平整度及高溫條件下的熱膨脹系數等特征,保證LED可靠及穩定地工作。市面上使用在大功率LED上介質絕緣層常用的絕緣黑油,是一種具有高導熱絕緣性質的油墨,其導熱率約為2 W/(m·K),絕緣介質層厚度約為15μm。

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  圖1金屬鋁基板(MCPCB)結構圖

  Fig.1 metal aluminum substrate(MCPCB)structure

  2.2 LED熒光分層與散熱設計

  現有封裝工藝中的熒光粉層一般是將熒光粉混入環氧樹脂或硅膠中制備成熒光膠,最終將熒光膠涂覆在封裝膠的表面,熒光膠中環氧樹脂或硅膠占比相對較高,因此提高了環氧樹脂或硅膠的老化概率和生產成本。遠程熒光粉型白光LED封裝的技術核心是熒光粉結構層中硅膠作為粘接材料,以空心玻璃微珠(hollow glass microspheres,HGM)填充減少了硅膠的用量,僅為現有LED封裝硅膠用量的35~40%,有效降低了制造商的生產成本。另一方面,在熒光粉出光面產生疊加的白光,以改善白光的空間色度均勻性,避免了分散光、黃斑、藍心等品質異常的發生,該工藝具有完美的球形表面,光線入射后能夠產生多角度出射光,使光更加均勻,并替代了常規工藝中添加的光擴散劑。

  (1)遠程熒光粉型白光LED封裝的技術核心是在熒光粉與LED芯片之間填充一定厚度的封裝膠,利用封裝膠隔離熒光粉與LED芯片,進而增加熒光粉與芯片的距離,提高LED的出光效率。熒光粉層散熱設計,芯片與熒光粉層的熱隔離主要是通過控制兩者間填充膠的厚度來實現。熒光粉層與芯片間的硅膠為球面。其導熱熱阻可以用以下公式表示:

  式中λ為材料熱傳導系數,r1為球面硅膠的內徑,r2為球面硅膠的外徑。

  材料熱傳導系數是可確定的,硅膠最小內徑也是可確定的,因此若要增大熱阻,則須增大硅膠層外徑,也就是增加硅膠層厚度。

  (2)遠程熒光粉型白光LED封裝在結構上分別設置了熒光粉層散熱路徑和芯片的散熱路徑,如圖2所示,基板為芯片散熱,凸臺增加了熒光粉層與基座結構層的散熱路徑有利于傳輸熱量,增加熱隔離凹槽就相當于增加了熒光粉層至基座的散熱路徑。改進之后的設計大大增厚了熒光粉層和芯片間封裝膠的厚度,并在基座上面增加熒光粉層的散熱面。芯片與熒光粉層共用散熱基座,在基座之上增加熱隔離凹槽可減少兩者的互相影響。

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  圖2遠程熒光粉型白光LED封裝結構

  Fig.2(a)optimization diagram(b)structure diagram

  (3)遠程熒光粉型白光LED封裝在芯片與基座連接處增加了反射腔體實現最佳出光效果,反射腔體最佳反射角度約是55o,反射角如果過大或者過小均會使發光強度有所降低,同時也會讓反射腔體增加熒光粉層至基座的散熱路徑如圖2所示,反射腔體的反光面經過拋光及電鍍提升芯片發光的利用效率。

  (4)封裝材料的選擇


  表1材料表

  Tab.1 Material list

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  (5)散熱路徑分析:芯片主要的散熱路徑是通過基座、熱界面材料的熱傳導作用使熱量傳導到散熱器而散出。熒光粉主要散熱路徑有向上經過透鏡向環境熱傳導及向下經過LED芯片到散熱器的熱傳導兩種途徑。封裝硅膠與硅樹脂透鏡的熱傳導系數非常低,通常情況下會忽略該路徑的熱傳導作用,可認為熒光粉熱量最主要是通過LED芯片的散熱器散發出來,因此避免不了會產生芯片與熒光粉互熱。由于透鏡和硅脂對紅外熱輻射具有一定的透射作用,所以熱輻射影響可忽略不計[6]。

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  圖3散熱路徑

  Fig.3 heat path

  3遠程熒光封裝技術特點

  遠程熒光粉型大功率白光LED散熱技術是解決白光LED封裝結構散熱差的一種創新技術,利用HGM改善白光的空間色度均勻性,減少芯片溫度上升對熒光粉層加熱作用,提高大功率白光LED發光的質量與效率。其核心技術是將熒光粉與LED芯片間填充一定厚度的封裝膠,封裝膠不單起到隔離熒光粉和芯片間的熱傳導作用,還能調節熒光粉和芯片距離,擴大芯片封裝結構設計的自由空間,在降低封裝成本的同時,還能提高芯片和熒光層的散熱效率和芯片發光的利用率。

  3.1 LED封裝參數驗證

  (1)結溫試驗:遠程熒光粉型大功率白光LED利用HGM隔離及增加熒光粉與芯片的距離,以及去除熱隔離凹槽后的模型進行分析及對比試驗,同時用仿真軟件結合分析法觀察芯片與熒光粉層溫度變化。由圖4數據可見,隨著HGM厚度的不同,芯片與熒光粉層溫度不斷上升,芯片對熒光粉層形成加熱作用,雖然芯片溫度變化較小,但芯片的熱量導致熒光粉層溫度上升,并影響芯片結溫的溫度變化,由此可以判斷,熒光粉層結構的熱傳導系數決定芯片結溫的溫度變化。結果表明,在相同邊界條件下,為達到最優的芯片與熒光粉層結構配置,對兩者間封裝膠層厚度進行優化是非常必要的。但實際應用中仍需結合光學設計進行優化與改進。

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  圖4結溫與封裝膠層厚度變化特征

  Fig.4 junction temperature and thickness variation of package adhesive layer

  (2)光學指標驗證:在進行結溫試驗的同時,針對大功率白光LED的光電性能也進行了對比測試,并按照美國標準ANSI C78.377-2008《固態照明的色品規范》中的相應要求進行判斷,在用相同的芯片及封裝膠等原材料時,表2中1-3項采用遠程熒光粉型LED封裝結構的相關色溫(CCT)更為集中在3985 K±275 K以內,表2中4-6項傳統封裝工藝制備LED的離散性更大,綜合表2光電參數值比對及后期可靠性試驗說明,遠程熒光粉封裝技術創新的結構設計優勢得到體現。

  表2 1W遠程熒光粉封裝光源的測試數據

  Tab.2 1W remote fluorescent integrated package light source test data

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  3.2新型封裝散熱特點

  遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝結構中,采用微米級新型輕質材料硼硅酸鹽制成的HGM,具有抗壓強度高、熔點高、電阻率高、熱導系數和熱收縮系數小,以及抗龜裂和再加工等特點。由熒光粉與高分子化合物聚乙烯醇水溶液混制成遠程的熒光HGM,其結構讓HGM遠離熱源芯片,使熒光粉能均勻地分布在HGM中,而現有封裝工藝中的熒光粉涂敷在芯片表面,由于長時間受熱導致LED出現光衰及色坐標偏移等問題[7]。遠程熒光粉與HGM結構層混合,使熒光粉可以相當均勻分布在HGM基體中,避免了因熒光粉沉淀而引起的同批次LED色度一致性差,且不再會隨著時間推移產生色坐標偏移,有效保證LED光源的顏色穩定性。

  另外,遠程熒光封裝技術減少了現有封裝工藝中點膠的工序,有效提高了產品一致性與封裝良品率,并降低產品成本,產生直接經濟效益。遠程熒光粉型的大功率白光LED散熱封裝技術是對現有封裝工藝的技術升級,突破封裝工藝難點,打破傳統燈具結構散熱的設計限制。

  3.3與各種照明燈具配搭

  遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術與普通封裝產品一樣,可根據應用方案需求選擇色溫與顯色指數等光電參數的規格。遠程熒光結構也可以設計成方形、長條形或圓形,以及配置一次或二次透鏡光學結構,與燈具的配光設計優化結合,讓LED光照分布更均勻,有效避免照明眩光的問題[7]。有效利用遠程熒光結構和單顆芯片及多顆芯片集成封裝技術,可滿足各種燈具方案設計的需求。采用遠程熒光結構封裝的LED具有結溫更低的優勢,可用在大功率的高棚燈、工礦燈、路燈和隧道燈等燈具產品上,有效保證可靠性。

  4結語

  遠程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術,是針對普通白光LED器件封裝工藝問題提出的一種有效優化結構新技術,有效簡化了封裝工藝的復雜性,HGM解決了普通白光LED封裝中色坐標偏移和粉膠比重不一致等工藝缺陷,以及點膠時熒光粉沉淀等問題得到有效解決。遠程熒光粉技術通過將熒光粉和芯片分離降低了熒光粉結構層的溫度,提高了熒光粉的穩定性,從封裝結構設計與工藝角度上優化熒光轉換型白光LED時的散熱結構,提高了發光效率,也改善了LED的照明品質與光效的提升。遠程熒光粉型大功率白光LED散熱設計技術在未來照明和顯示應用中具有十分重要意義,隨著封裝技術的不斷創新與發展,相信白光LED將向高性能與多功能化應用的方向發展。

  參考文獻

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  [2]蔡金蘭,陳磊,曹小兵.白光LED用氮化物熒光粉研究現狀及發展趨勢[J].中國照明電器,2018(07):1-8.

  [3]賈龍昌.熒光粉沉降導致的白光LED色溫漂移及其解決辦法[D].南京:東南大學,2015.

  [4]李樹亞,何錦華,梁超.新型熒光粉膜片封裝LED及其應用分析[J].中國照明電器,2017(6):10-12.

  [5]熊星.大功率LED芯片封裝散熱問題研究[D].南昌:南昌大學,2016.

  [6]賀軍.遠程熒光粉涂覆LED光源色溫均勻性研究[D].廣州:華南理工大學,2017.

  [7]王子明,鄒軍,張燦云,等.白光LED用熒光玻璃的制備方法及應用研究進展[J].材料導報,2018,32(S1):72-80.

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