LED封裝技術(shù)發(fā)展的研究與展望

　　技術(shù)進(jìn)步和市場需求是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大動(dòng)力。LED封裝經(jīng)歷了各種封裝形態(tài)的傳統(tǒng)正裝封裝和有引線倒裝封裝發(fā)展歷程。隨著市場需求變化、LED芯片制備技術(shù)和LED封裝技術(shù)的發(fā)展，LED封裝將主要朝著高功率、多芯片集成化、高光效及高可靠性、小型化的方向發(fā)展。

　　從中國LED封裝發(fā)展歷程上看，有傳統(tǒng)正裝封裝用LED芯片、有引線覆晶(Flip-Chip)封裝用LED芯片和無引線覆晶封裝用LED芯片等幾種結(jié)構(gòu),無引線覆晶LED封裝技術(shù)是未來LED封裝的主流技術(shù)。

　　LED 封裝發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢

　　隨著芯片技術(shù)發(fā)展和市場對(duì)更高亮度的需要，各種形態(tài)的封裝產(chǎn)品大量產(chǎn)生，從早期的引腳式LED器件、貼片式印制電路板(P C B)結(jié)構(gòu)、聚鄰苯二酰胺(P P A)、聚對(duì)苯二甲酸己二甲醇酯(P C T)及熱固性環(huán)氧樹酯(E M C)結(jié)構(gòu)L E D器件到現(xiàn)今的氮化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)、高功率集成板上芯片封裝(Chip On Board，COB)、各類覆晶等不同形態(tài)的封裝。中國LED封裝形式的演變?nèi)鐖D1所示。

　　未來LED封裝將圍繞照明應(yīng)用，主要朝著高功率、小型化、多芯片集成化、高光效及高可靠性方向發(fā)展。為提升白光LED器件流明成本效率，解決封裝器件大電流高功率工作條件下的散熱、實(shí)現(xiàn)高光效及高可靠性等技術(shù)問題將成為新的主題。

　　正裝封裝和覆晶封裝優(yōu)缺點(diǎn)

　　LED封裝可以簡單分為正裝芯片封裝與覆晶封裝。覆晶封裝又分為有引線覆晶封裝和無引線覆晶封裝。覆晶封裝是利用LED倒裝芯片與各種封裝材料通過特定的技術(shù)方案進(jìn)行有效組合成產(chǎn)品的封裝工藝。倒裝芯片之所以被稱為“倒裝”，是相對(duì)于正裝封裝金屬線鍵合(Wire Bonding)連接方式的工藝而言。正裝封裝的LED芯片電氣面朝上，而LED倒裝芯片的電氣面朝下，相當(dāng)于將前者翻轉(zhuǎn)過來，故稱其為“倒裝芯片”,倒裝LED芯片的光從藍(lán)寶石襯底取出，不必從電流擴(kuò)散層取出，不透光的電流擴(kuò)散層可以加厚，增加電流密度。

　　1.LED 正裝芯片封裝

　　正裝芯片封裝采用銀膠或白膠將芯片固定在基板上，通過引線實(shí)現(xiàn)電氣連接。銀膠或白膠含環(huán)氧樹脂，長期環(huán)境穩(wěn)定性較差，其熱阻較高，在LED長時(shí)間通電過程中粘接力逐漸變差，易導(dǎo)致LED壽命縮短;且引線很細(xì)，耐大電流沖擊能力較差，僅能承受10g左右的作用力，當(dāng)受到冷熱沖擊時(shí)，因各種封裝材料的熱失配，易導(dǎo)致引線斷裂從而引起LED失效。單顆LED芯片正裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　LED正裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn)是：①芯片制備工藝成熟;②封裝工藝比較成熟。

　　LED正裝芯片封裝的缺點(diǎn)是：①電極、焊點(diǎn)、引線遮光;②熱傳導(dǎo)途徑很長：藍(lán)寶石粘結(jié)膠支架金屬基板;③熱傳導(dǎo)系數(shù)低：藍(lán)寶石熱傳導(dǎo)率為20W / (m·K)、粘結(jié)膠熱傳導(dǎo)率為2W/ (m·K);④熱積累影響芯片和熒光粉可靠性。

　　2. 有引線覆晶封裝

　　有引線覆晶封裝是通過導(dǎo)熱粘結(jié)膠將LED倒裝芯片固定在基板上，再利用金線進(jìn)行電氣連接。其中倒裝芯片是通過植金球的方式將LED正裝芯片倒裝在硅(S i)襯底基板上，并在S i襯底上制備電極，形成倒裝芯片。有引線覆晶封裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　有引線覆晶封裝的優(yōu)點(diǎn)為：①藍(lán)寶石襯底向上，無電極、焊點(diǎn)、引線遮光，出光效率提升;②傳熱效果較好，易傳導(dǎo)。

　　有引線覆晶封裝的缺點(diǎn)為：①熱傳導(dǎo)途徑較長：金屬焊點(diǎn)→硅基板→導(dǎo)熱粘結(jié)膠→支架熱沉;②有引線連接，大電流承受能力有限，存在引線虛焊引起的可靠性問題。

　　3. 無引線覆晶封裝

　　無引線覆晶封裝是通過共晶/回流焊接技術(shù)將電極接觸面鍍層為錫(Sn)或金(Au)-錫等合金的水平電極芯片直接焊接于鍍有金或銀的基板上，既可固定芯片，又可電氣連接和熱傳導(dǎo)。無引線覆晶封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　無引線覆晶封裝的優(yōu)點(diǎn)為：①無電極、焊點(diǎn)、引線遮光;②無引線阻礙，可實(shí)現(xiàn)平面涂覆熒光粉及超薄封裝;③電氣連接為面接觸，可耐大電流沖擊;④熱傳導(dǎo)途徑短：金錫焊點(diǎn)→氮化鋁陶瓷/金屬基板;⑤金屬界面導(dǎo)熱系數(shù)更高，熱阻更小;⑥完全擺脫引線和粘結(jié)膠的束縛，表現(xiàn)出優(yōu)異的力、熱、光、電性能。

　　未來無引線覆晶封裝形式

　　隨著外延、芯片制備技術(shù)發(fā)展及IC芯片級(jí)微封裝技術(shù)在LED中的應(yīng)用，基于覆晶的無引線封裝技術(shù)將成為未來引領(lǐng)市場的一種LED封裝新技術(shù)。

　　目前有芯片、封裝廠商在開展無引線封裝技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，主要有以下2種方式：一種是芯片廠商直接做成已涂布好熒光粉的LED芯片級(jí)器件，該LED芯片級(jí)器件可通過固晶回流焊工藝直接焊接到線路基板上制成光源板(如圖5)，如CREE XQ-E、三星L M131A、晶電16×16免封裝芯片產(chǎn)品。

　　另一種是封裝廠商采用類共晶/回流焊方式將芯片廠商推出的水平電極倒裝芯片封裝成各種無引線封裝產(chǎn)品(如圖6)，如晶科電子(廣州)有限公司、臺(tái)灣隆達(dá)電子股份有限公司及深圳市天電光電科技有限公司、江西省晶瑞光電有限公司等推出的陶瓷基板3535、2016、高功率C O B等功率型封裝產(chǎn)品。

　　結(jié)語

　　目前，以覆晶為基礎(chǔ)的無引線封裝技術(shù)主要應(yīng)用在大功率的產(chǎn)品上和多芯片集成封裝C O B的產(chǎn)品上，在中小功率產(chǎn)品的應(yīng)用上，其成本競爭力還不是很強(qiáng)。雖然LED無引線覆晶封裝正在顛覆傳統(tǒng)LED封裝工藝，但為適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式要求，其他封裝形式依然會(huì)存在。

　　目前無引線覆晶封裝工藝技術(shù)路線已經(jīng)明確，相關(guān)設(shè)備、工藝都將更新，雖然封裝制程成本較高，且當(dāng)前亮度與傳統(tǒng)封裝相比還沒有明顯優(yōu)勢，但由于無引線覆晶封裝有眾多其他優(yōu)點(diǎn)，仍將是半導(dǎo)體照明LED封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。各類LED無引線覆晶封裝產(chǎn)品已在室內(nèi)外照明、裝飾照明及背光等領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著新技術(shù)出現(xiàn)和進(jìn)步、技術(shù)應(yīng)用的拓展，特別是在中小功率封裝上的推廣與成熟應(yīng)用，無引線覆晶封裝將進(jìn)一步突顯成本和技術(shù)優(yōu)勢，成為技術(shù)主流，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。