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| LED集成封裝的那些事，看這篇就懂了 |
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| 文章來源： 更新時間：2016/1/27 11:42:00 |
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多芯片LED集成封裝是實現大功率白光LED照明的方式之一。本文歸納了集成封裝的特點，從產品應用、封裝模式，散熱處理和光學設計幾個方面對其進行了介紹，并分析了集成封裝的發展趨勢，隨著大功率白光LED在照明領域的廣泛應用，集成封裝也將得到快速發展。
目前，實現大功率LED照明的方法有兩種：一是對單顆大功率LED芯片進行封裝，二是采用多芯片集成封裝。對于前者來說，隨著芯片技術的發展，尺寸增大，品質提高，可通過大電流驅動實現大功率LED，但同時會受到芯片尺寸的限制，后者具有更大的靈活性和發展潛力，可根據照度不同來改變芯片的數量，同時它具有較高的性價比，使得LED集成封裝成為LED封裝的主流方向之一。
集成封裝產品的應用
據報道，美國UOE公司于2001年推出了采用六角形鋁板作為基板的多芯片組合封裝的Norlux系列LED；Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用在公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCCM）技術封裝的大功率LED陣列；松下公司于2003年推出由64顆芯片組合封裝的大功率白光LED；億光推出的6.4W、8W、12W的COB LED系列光源，采用在MCPCB基板多芯片集成的方式，減少了熱傳遞距離，降低了結溫。
李建勝等在分析LED日光燈各種技術方案的基礎上，采用COB工藝，將小功率芯片直接固定在鋁基板上，制成高效散熱的COB LED日光燈，從2009年開始已經用45000支LED日光燈對500輛世博公交車和近4000輛城市公交車進行改裝，取代原有熒光燈，得到用戶好評，服務于上海世博會及城市交通。
楊朔利用多芯片集成封裝的LED光源模塊開發出一款LED防爆燈，采用了熱管散熱技術。這種LED防爆燈亮度高，照射距離長，可靠性高，散熱性能好，壽命長。
LED集成封裝的特點
集成封裝也稱多晶封裝，是根據所需功率的大小確定基板底座上LED芯片的數目，可組合封裝成1W、2W、3W等高亮度的大功率LED器件，最后，使用高折射率的材料按光學設計的形狀對芯片進行封裝。
集成封裝特有的封裝原理決定了它具有諸多的優點，如：（1）就我國而言大功率芯片的研發處于落后的位置，采用集成封裝不失為一種發展的捷徑，更符合我國的基本國情；（2）芯片可以設計為串聯或者并聯，靈活地適應不同的電壓和電流，便于驅動器的設計，提高光源的光效和可靠性；（3）一定面積的基板上芯片的數目可以自由控制，根據客戶的要求，可以封裝成點光源或者面光源，形式多樣；（4）芯片直接基板相連，降低了封裝熱阻，散熱問題易處理。
然而，對于集成封裝而言，同樣存在一些不足：（1）由于多芯片集成封裝在一塊基板上，導致所得的光源體積較大；（2）多顆芯片通過串并聯的方式組合在一起，相對于單顆芯片而言其可靠性較差，將導致整體光源受影響；（3）雖然多芯片封裝相對于單顆同功率大芯片來說，散熱能力強，但由于多顆芯片同時散熱，熱散失程度不同，會引起芯片間的溫度不同，影響壽命，故散熱問題的處理也很關鍵；（4）二次光學的設計問題，多芯片出光角度不同，需要在一次光學設計的基礎上進行二次光學設計，以滿足用戶的要求。
集成封裝過程中機械、熱學、光學的研究
集成封裝由于其所具有的突出優點，已經成為了LED封裝方式的主流方向，近年來引起很多企業和科研院所的關注并開展了大量的研究，申請了相關的專利，這些都在極大的促進集成封裝技術的發展。
（1）封裝結構模式
當前多芯片集成封裝的主流形式就是多顆芯片之間以串并聯的方式直接與基板相連接，然后對芯片進行獨立封裝或者是封裝于同一透鏡下面。
徐向陽等申請的專利中，將多顆芯片直接固晶在鋁基板上，涂覆熒光粉后，再在每顆LED芯片外面封蓋一個光學透鏡。工藝簡單，封裝材料精簡，同時熱阻降低，光效提高，此外還便于組裝成LED照明燈具產品，相對于同功率的單顆芯片封裝模式而言，COB模塊化LED封裝技術具有諸多優點。
李建勝根據一般集成封裝中存在的層結合面和較長的熱傳導距離問題提出了一種COB集成封裝工藝。即在鋁質PCB集成電路板上刻一些有利于芯片發光光線擴散的反光腔，將多顆芯片逐一植入腔內，同時在其周圍繪制PCB線路，將芯片電極引線焊接至此，導通電路，最后在腔周圍堆積壘成環形圍柵，在其內涂敷硅膠和熒光粉，一次形成一體化的LEDCOB組件。這種設計將芯片與散熱器直接相連，減小了結構熱阻，散熱效果遠好于普通封裝結構，提高了LED的出光率。
李炳乾等采用COB技術和陣列化互聯的方式制備出白光LED光源模塊，他們將熒光粉層涂敷在出光板上，提高了出光的均勻性和熒光粉的穩定性；同時將陣列化互連方式與電流降額使用相結合，減少了傳統串聯和并聯連接方法時一個芯片損壞對其他芯片工作狀態的影響的缺陷，提高了系統可靠性，這種封裝結構達到了簡化工藝的目的。
總體上，不同專利所描述的集成封裝的結構模式和原理都大同小異，差別主要在于所選的焊接方式、反光腔內壁的涂覆材料以及所選基板的不同，改變集成封裝的思維方式，使集成封裝在白光LED封裝中得到更廣泛的應用。
（2）散熱處理
集成封裝技術雖然是封裝的主要方向之一，但是散熱問題卻一直是集成封裝技術的瓶頸，我們知道通常LED高功率產品其光電轉換效率為20%，剩下80%的電能均轉換為熱能，處理好散熱問題，將會使LED光源的質量上一個臺階。
集成封裝的熱處理思路目前主要集中在：選擇導熱系數高的基板；縮短熱傳遞的距離；優化固晶技術等方面。蟻澤純從芯片的工作數量以及芯片的集成密度等方面分析發現集成封裝的多芯片白光LED結溫隨著集成芯片數量的增加而增長，其發光效率隨著集成芯片數量的增加呈減小趨勢，因此芯片的數量及集成密度在集成封裝技術的應用中也是一個很重要的影響因素。
在公布號為CN102042500A專利中針對光源模塊的散熱性能提出改善方案，即在基板中心位置增加一柱形導熱裝置作為散熱區，使光源模塊在發光時，各發光芯片所產生的熱可以更快速的由基板發散。
在散熱基板材料的選擇中，最被看好的是陶瓷基板，陶瓷基板具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優點，逐漸成為大功率LED散熱基板的首選材料。程治國等以陶瓷基板（氧化鋁和氮化鋁，厚度0.5～1.0mm）為散熱基板，申請了發明專利。在專利中采用陶瓷基板金屬化技術，共晶焊接技術進行LED集成封裝，導熱性能大大改善，采用集成封裝可以使光源功率達到200W。
LuqiaoYin研發出一種表層為LTCC，底層為AlNx的陶瓷基板，經集成封裝測試發現長期點亮后PN結溫度只有70.8℃，經ANSYS模擬觀察到跟陶瓷基板相連的鋁熱沉溫度只有39.3℃，當驅動電流達到500mA時，也只有41.0℃。
（3）光學設計
大功率LED照明零組件在成為照明產品前，一般要進行兩次光學設計。一次光學設計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發出的光，二次光學設計的目的則是讓整個燈具系統發出的光能滿足設計需求。集成封裝中由于存在多顆芯片，因此對于二次光學系統設計的要求更高！
為了實現道路照明所要求的矩形光斑分布，劉紅等依據光源特性和路面的光斑分布，通過折射定律建立透鏡母線的斜率方程，根據該方程設計了用于矩形光斑分布的LED路燈透鏡，采用正交優化方法，利用LightTools軟件對所設計的透鏡光學系統進行仿真比較研究，得到了一個矩形光斑分布的光學透鏡。仿真結果表明，該透鏡光學系統在高度為10m的照射條件下，照射面積為40m×10m的矩形光斑，均勻度為0.31。對有光斑尺寸要求的LED路燈透鏡來說，該方法提供了一種簡單有效的設計途徑。
宋春發等人設計出一種用于多顆芯片集成封裝的大功率LED透鏡及其燈具。透鏡包括入光面和出光面，還包括環形反射面，所述出光面與反射面相貫，所述入光面為二次曲面，其曲面系數為：K=-1.2～-1.5，R=35～41mm，所述出光面為平面，所述反射面為二次曲面，其曲面系數為：K=-0.24～-0.26，R=23～29mm。這種設計中LED中心區域的光線經出光面出射，LED邊緣的光線經環形反射面出射，可以避免由于透鏡的視場角有限而損失LED光能，從而最大限度的收集LED發出的光線，提高燈具的發光效率。
結束語
近年來，隨著世界各國政府對LED發展的政策扶持以及LED芯片、封裝、應用技術的不斷提高，LED照明產業得到長足發展。LED集成封裝雖然發展時間短，可借鑒的實際生產經驗有限，但是在實際照明工程中表現出極大的優勢，得到了市場的肯定，已經成為了封裝技術的主要趨勢之一。
對于單顆芯片而言，雖然功率會越來越大，但要用到更大功率照明還是需要集成；同時隨著科技的進步，芯片品質的提升，集成封裝將會具有更大的價格優勢，對于LED照明的推廣有著積極影響；隨著封裝技術的不斷提高以及封裝材料性能的進步，光源的光效將會逐步提高，散熱處理必將更為簡便，集成封裝技術的優勢也將愈加明顯，發展前景將越來越廣闊。 |
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