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大功率LED封装技术及发展趋势
发布时间:2021-08-12
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本文摘要:一、前言 大功率LEDPCB由于结构和工艺简单,并直接影响到LED的使用性能和寿命,仍然是近年来的研究热点,尤其是大功率白光LEDPCB堪称研究热点中的热点。LEDPCB的功能主要还包括:1.机械维护,以提升可靠性;2.强化风扇,以减少芯片结温,提升LED性能;3.光学掌控,提升出光效率,优化光束产于;4.供电管理,还包括交流/直流改变,以及电源掌控等。 LEDPCB方法、材料、结构和工艺的自由选择主要由芯片结构、光电/机械特性、明确应用于和成本等因素要求。

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一、前言  大功率LEDPCB由于结构和工艺简单,并直接影响到LED的使用性能和寿命,仍然是近年来的研究热点,尤其是大功率白光LEDPCB堪称研究热点中的热点。LEDPCB的功能主要还包括:1.机械维护,以提升可靠性;2.强化风扇,以减少芯片结温,提升LED性能;3.光学掌控,提升出光效率,优化光束产于;4.供电管理,还包括交流/直流改变,以及电源掌控等。  LEDPCB方法、材料、结构和工艺的自由选择主要由芯片结构、光电/机械特性、明确应用于和成本等因素要求。

经过40多年的发展,LEDPCB先后经历了支架式(LampLED)、贴片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)等发展阶段。随着芯片功率的减小,尤其是固态灯光技术发展的市场需求,对LEDPCB的光学、热学、电学和机械结构等明确提出了新的、更高的拒绝。

为了有效地减少PCB热阻,提升出光效率,必需使用全新的技术思路来展开PCB设计。  二、大功率LEDPCB关键技术  大功率LEDPCB主要牵涉到光、热、电、结构与工艺等方面,如图1右图。这些因素彼此既互相独立国家,又相互影响。

其中,光是LEDPCB的目的,冷是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是PCB水平的明确反映。从工艺兼容性及降低生产成本而言,LEDPCB设计不应与芯片设计同时展开,即芯片设计时就应当考虑到PCB结构和工艺。否则,等芯片生产已完成后,有可能由于PCB的必须对芯片结构展开调整,从而缩短了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不有可能。    明确而言,大功率LEDPCB的关键技术还包括:  (一)较低热阻PCB工艺  对于现有的LED光效水平而言,由于输出电能的80%左右改变沦为热量,且LED芯片面积小,因此,芯片风扇是LEDPCB必需解决问题的关键问题。

主要还包括芯片布置、PCB材料自由选择(基板材料、热界面材料)与工艺、热沉设计等。  LEDPCB热阻主要还包括材料(风扇基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。风扇基板的起到就是吸取芯片产生的热量,并传导到热沉上,构建与外界的传热。

常用的风扇基板材料还包括硅、金属(如铝,铜)、陶瓷(如Al2O3,AlN,SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED使用CuW做到衬底,将1mm芯片倒装在CuW衬底上,减少了PCB热阻,提升了闪烁功率和效率;LaminaCeramics公司则研制了低温共计火烧陶瓷金属基板,如图2(a),并研发了适当的LEDPCB技术。该技术首先制取出有适合于共晶焊接的大功率LED芯片和适当的陶瓷基板,然后将LED芯片与基板必要焊在一起。

由于该基板上构建了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及掌控补偿电路,不仅结构非常简单,而且由于材料热导率低,热界面较少,大大提高了风扇性能,为大功率LED阵列PCB明确提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下工件而出,没用于黏结剂,因此导热性能好、强度低、绝缘性强劲,如图2(b)右图。

其中氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.010-6/℃(与硅的热膨胀系数3.210-6/℃非常),从而减少了PCB热应力。    研究指出,PCB界面临热阻影响也相当大,如果无法正确处理界面,就难以获得较好的风扇效果。例如,室温下认识较好的界面在高温下有可能不存在界面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的风扇。

提高LEDPCB的关键在于增加界面和界面认识热阻,强化风扇。因此,芯片和风扇基板间的热界面材料(TIM)自由选择十分最重要。

LEDPCB常用的TIM为导电胶和导电胶,由于热导率较低,一般为0.5-2.5W/mK,导致界面热阻很高。而使用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺入纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。


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