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LED封装发展历程和发展趋势

2018-03-26

技术进步和市场需求是LED产业发展的两大动力。LED封装经历了各种封装形态的传统正装封装和有引线倒装封装发展历程。随着市场需求变化、LED芯片制备技术和LED封装技术的发展,LED封装将主要朝着高功率、多芯片集成化、高光效及高可靠性、小型化的方向发展。


从中国LED封装发展历程上看,有传统正装封装用LED芯片、有引线覆晶(Flip-Chip)封装用LED芯片和无引线覆晶封装用LED芯片等几种结构,无引线覆晶LED封装技术是未来LED封装的主流技术。


  一、LED封装发展历程和发展趋势


  随着芯片技术发展和市场对更高亮度的需要,各种形态的封装产品大量产生,从早期的引脚式LED器件、贴片式印制电路板(PCB)结构、聚邻苯二酰胺(PPA)、聚对苯二甲酸己二甲醇酯(PCT)及热固性环氧树酯(EMC)结构LED器件到现今的氮化铝陶瓷结构、高功率集成板上芯片封装(ChipOnBoard,COB)、各类覆晶等不同形态的封装。


  未来LED封装将围绕照明应用,主要朝着高功率、小型化、多芯片集成化、高光效及高可靠性方向发展。为提升白光LED器件流明成本效率,解决封装器件大电流高功率工作条件下的散热、实现高光效及高可靠性等技术问题将成为新的主题。


  二、正装封装和覆晶封装优缺点


  LED封装可以简单分为正装芯片封装与覆晶封装。覆晶封装又分为有引线覆晶封装和无引线覆晶封装。覆晶封装是利用LED倒装芯片与各种封装材料通过特定的技术方案进行有效组合成产品的封装工艺。倒装芯片之所以被称为“倒装”,是相对于正装封装金属线键合(WireBonding)连接方式的工艺而言。正装封装的LED芯片电气面朝上,而LED倒装芯片的电气面朝下,相当于将前者翻转过来,故称其为“倒装芯片”,倒装LED芯片的光从蓝宝石衬底取出,不必从电流扩散层取出,不透光的电流扩散层可以加厚,增加电流密度。


  1、LED正装芯片封装


  正装芯片封装采用银胶或白胶将芯片固定在基板上,通过引线实现电气连接。银胶或白胶含环氧树脂,长期环境稳定性较差,其热阻较高,在LED长时间通电过程中粘接力逐渐变差,易导致LED寿命缩短;且引线很细,耐大电流冲击能力较差,仅能承受10g左右的作用力,当受到冷热冲击时,因各种封装材料的热失配,易导致引线断裂从而引起LED失效。

  LED正装芯片封装的优点是:①芯片制备工艺成熟;②封装工艺比较成熟。


  LED正装芯片封装的缺点是:①电极、焊点、引线遮光;②热传导途径很长:蓝宝石粘结胶支架金属基板;③热传导系数低:蓝宝石热传导率为20W/(m·K)、粘结胶热传导率为2W/(m·K);④热积累影响芯片和荧光粉可靠性。


  2、有引线覆晶封装


  有引线覆晶封装是通过导热粘结胶将LED倒装芯片固定在基板上,再利用金线进行电气连接。其中倒装芯片是通过植金球的方式将LED正装芯片倒装在硅(Si)衬底基板上,并在Si衬底上制备电极,形成倒装芯片。


  有引线覆晶封装的优点为:①蓝宝石衬底向上,无电极、焊点、引线遮光,出光效率提升;②传热效果较好,易传导。


  有引线覆晶封装的缺点为:①热传导途径较长:金属焊点→硅基板→导热粘结胶→支架热沉;②有引线连接,大电流承受能力有限,存在引线虚焊引起的可靠性问题。


  3、无引线覆晶封装


  无引线覆晶封装是通过共晶/回流焊接技术将电极接触面镀层为锡(Sn)或金(Au)-锡等合金的水平电极芯片直接焊接于镀有金或银的基板上,既可固定芯片,又可电气连接和热传导。


  无引线覆晶封装的优点为:①无电极、焊点、引线遮光;②无引线阻碍,可实现平面涂覆荧光粉及超薄封装;③电气连接为面接触,可耐大电流冲击;④热传导途径短:金锡焊点→氮化铝陶瓷/金属基板;⑤金属界面导热系数更高,热阻更小;⑥完全摆脱引线和粘结胶的束缚,表现出优异的力、热、光、电性能。


  三、未来无引线覆晶封装形式


  随着外延、芯片制备技术发展及IC芯片级微封装技术在LED中的应用,基于覆晶的无引线封装技术将成为未来引领市场的一种LED封装新技术。


  目前有芯片、封装厂商在开展无引线封装技术研发及产业化,主要有以下2种方式:一种是芯片厂商直接做成已涂布好荧光粉的LED芯片级器件,该LED芯片级器件可通过固晶回流焊工艺直接焊接到线路基板上制成光源板,如CREEXQ-E、三星LM131A、晶电16×16免封装芯片产品。


  另一种是封装厂商采用类共晶/回流焊方式将芯片厂商推出的水平电极倒装芯片封装成各种无引线封装产品。


  结语


  目前,以覆晶为基础的无引线封装技术主要应用在大功率的产品上和多芯片集成封装COB的产品上,在中小功率产品的应用上,其成本竞争力还不是很强。虽然LED无引线覆晶封装正在颠覆传统LED封装工艺,但为适应应用领域对产品结构形式要求,其他封装形式依然会存在。


  目前无引线覆晶封装工艺技术路线已经明确,相关设备、工艺都将更新,虽然封装制程成本较高,且当前亮度与传统封装相比还没有明显优势,但由于无引线覆晶封装有众多其他优点,仍将是半导体照明LED封装技术的发展趋势。各类LED无引线覆晶封装产品已在室内外照明、装饰照明及背光等领域得到应用,随着新技术出现和进步、技术应用的拓展,特别是在中小功率封装上的推广与成熟应用,无引线覆晶封装将进一步突显成本和技术优势,成为技术主流,引领行业发展。

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