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最全解读LED COB封装关键技术

发布时间:2016-02-23 18:21 来源:修大屏 浏览次数:

 LED COB(Chip On Board)封装是指将LED芯片直接固定在印刷线路板(PCB)上,芯片与线路板间通过引线键合进行电气连接的LED封装技术。其可以在一个很小的区域 内封装几十甚至上百个芯片,最后形成面光源。与点光源封装相比,COB面光源封装技术具有价格低廉(仅为同芯片的1/3左右)、节约空间、散热容易、发光 效率提高、封装工艺技术成熟等优点

 

    由于散热性能优越及制造成本低廉,COB封装LED光源受到很多封装企业的热捧。对于大功率COB封装,散热是影响其长期可靠性的至关重要的因素。COB封装产品结点温度升高会降低LED的整体效率,降低正向电压,导致发射光红移,降低使用寿命及可靠性。

 

    LED的散热研究主要包括3个层次: 封装、基板和整体层次。在解决大功率COB封装的散热问题时,大多数研究者是先提出结构模型,并通过软件(有限元分析软件ANSYS、计算流体力学软件 CFD等)模拟一定条件下整个封装结构的散热过程及各部位的温度,再进行实验验证模拟结果。此外,影响大功率COB封装性能的一个重要因素是封装胶的性能

 

    1、大功率LED COB封装用硅胶性能

 

    目前市场上可用于大功率LED COB封装的硅胶种类繁多,其中数量较多的是国产硅胶,其主要优势是价格低廉。下表1对比了目前市场上部分硅胶的性质。

 

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    从上表1中可以看出,硅胶的折射率可分为两个主要档次:低折射率(1.42)和高折射率(1.54)。在封装过程中使用高折射率的硅胶可以有效减少光子在界面的损失,从而提高光源的光通量。

 

    另外一个影响硅胶性能的重要参数是透光率从表中看出,大部分封装硅胶的透光率都能达到98%以上,其中道康宁公司的OE-6550硅胶的透光率达到100%,且折射率达到1.543,固化条件简单,只需在150℃固化1h即可,耐温范围宽(-60~200℃),性能上具有很大优势,但缺点是价格昂贵(售价5 700~6 800/kg)。

 

    对比性能还可以看出,很多国产硅胶的性能已经接近于道康宁的这款产品。也有一些商家称其硅胶完全可以取代OE-6550硅胶用于LED的封装。

 

    2、大功率LED COB封装的研究进展

 

    COB集成式封装相对于单颗分立式封装具有更好的散热性能,主要是由于COB封装是芯片直接将热量传导到基板上再通过基板传导到外壳。而大功率COB封装中,多个大功率芯片近距离地集成在一起,散热问题还是要首先解决的问题。针对这点,国内外众多研究者在软件模拟的基础上对COB封装散热进行了研究。

 

    (1)兰海等利用有限元热仿真模拟的方法对COB封装过程中常用的金属基板和陶瓷基板进行分析,得到的结论是,利用陶瓷基板作为封装材料的热阻是金属基板热阻的1/2,并且陶瓷基板还具有更大的热管理优化空间。

 

    (2)马建设等利用TracePro软件仿真和实验在同时考虑荧光粉涂覆方式和反光杯结构的条件下分析了影响COB封装LED发光性能的主要因素,研究结果表明, 利用角度为30°、杯深略大的圆锥形反光杯进行封装,产品发光性能较好,采用荧光粉远离芯片的方式涂覆荧光粉可使其发光效率提高5%左右。

 

    (3)李伟平等提出一种新型COB自由曲面透镜封装结构(如下图1),采用TracePro对该结构进行模拟,结果表明,器件可实现特定的光学分布,并且出光效率高于90%。

 

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    (4)姜斌等提出了3种LED COB封装方法,封装结构分别为COB-Ⅰ、COB-Ⅱ和COB-Ⅲ,示意图如下图2。有限元模拟和实验测量结果表明,COB-Ⅲ的芯片结温比COB- Ⅱ、COB-Ⅰ分别低21.5℃和42.7℃,热阻分别低25.7K/W和58.8K/W,而且COB-Ⅲ光衰也更小。

 

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    (5)Hsueh-Han Wu等提出了5种不同芯片间距的大功率COB封装形式,其中最大芯片间距为2.5mm,CFD软件模拟和实验测定结果表明,芯片间距越大,结温越低、光通量和发光效率越高,并且结温最大值与最小值之间相差3.12℃。

 

    (6)Jae-Kwan Sim等提出采用低温共融陶瓷进行LED COB封装(LTC-CCOB)(封装结构模型示意图如下图3(a))以提高其热性能,在LED芯片与金属基板之间没有绝缘层,实验对比分析了它与 SMD-COB封装形式(如下图3(b))的性能参数,结果表明:LTCC-COB封装的电致发光峰值强度是SMD-COB封装的1.75倍;LTCC- COB封装及SMD-COB封装的封装表面与空气之间的热阻分别为7.3K/W和7.9K/W。

 

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    (7)2013 年Chang Keun Lee等也研究了LTCC-COB封装的散热性能,其LED封装结构是将低温共融陶瓷直接安装在金属基印刷线路板(MCPCB)上,采用有限体积数值模拟 法(主要采用嵌入商业软件Fluent V.6.3)研究了LED模组的热性能,软件模拟的结果与实验结果一致,结果表明:整个基板的热阻有49%~58%来自于MCPCB的热阻;实验建立的模 型克服了传统LTCC大功率LED模组热阻大的缺陷。

 

    (8)Yu Hui等研究了一种新型的LED晶圆级COB封装形式,该封装形式使用微玻璃泡帽和硅基片作为封装材料。系统地研究COB的封装过程,包含以下步骤:①准 备好带有引线的硅基片;②利用焊线设备将LED固定在硅基片上;③荧光粉均匀地涂覆在玻璃泡帽的内球面;④在球形玻璃泡帽内填满硅胶;⑤将固定在硅基片上 的LED封入球形玻璃泡帽内。实验结果表明:该形式的COB封装实施成功并且封装的芯片具有良好的热性能和发光性能。

 

    (9)Feng Weifeng等开发了一种能直接利用100 V交流电的大功率陶瓷COBLED模组(如下图4),该模组中有40颗LED芯片使其可直接在110 V交流电下工作。

 

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    (10)Ming-Te Lina等提出一种可用于大功率光电半导体封装的W5II型LED垂直封装结构(如下图5),对其热模拟结构、制造工艺和热性能进行了计算,用热阻的测量 值表征W5II的散热性能,同时还测定了其光电特性,结果表明:W5II优良的散热性能可以用来提高大功率LED封装的可靠性和耐热疲劳性。

 

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    (11)Ray-Hua Horng等设计了一种双层散热LED封装结构(如下图6),第1层是利用杯状薄铜片散热,通过铜片和蓝宝石直接接触以增强芯片散热,第2层是采用 AgSnCu合金焊料和高热导率的MCPCB,再用一层薄的金刚石层代替传统的绝缘层,实验结果显示:添加的复合焊料对降低LED热阻具有很好的效果,同 时避免了热量集聚的现象。

 

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    (12)Wang C.等介绍了一种LED模组封装结构的制造方法,该封装方法是将反射层和电极互相连接的硅基封装模式(如下图7),该反射层由在SU-8 2075和4620上镀Ni/Au/Ag组成阴极和通过镀Cu/Au并连接电极于一体组成,LED芯片产生的热量通过金属电镀层直接散发到硅衬底上。

 

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    (13)Yin Luqiao等设计、制造并研究了以氮化铝(AlN)、铝(Al)和氧化铝(Al2O3)为基板材料的多芯片LED模组,采用有限元法(FEM)和电试验 法评价了该LED模组的热学性能,软件模拟和实验结果均表明:以AlN为基板的LED模组热学性能优于其他两种基板材料,并且发光性能最好。

 

    3、大功率COB封装存在的问题

 

    COB技术经过一段时间的沉静,现在又逐渐被很多厂家应用,但还存在一些亟待解决的问题。

 

    (1)基板的选择:基板的散热性能对整个封装体系的散热起到关键作用。目前COB所用的基板主要有两大类:铝基板和陶瓷基板。铝基板较便宜,散热性能较差;陶瓷基板较贵,散热性能较好。此外,这两种基板还具有其他一些性能差异。封装企业选择这两种基板时需要考虑的因素较多。

 

    (2)封装胶的选择: 封装胶对于COB封装及其他LED封装形式都有很大的影响。目前性能较好的硅胶已经逐步替代原来多数厂商会用到的环氧树脂胶,尤其是大功率LED封装,有 机硅树脂已经成为众多封装厂商的首选。但是市场上硅胶种类繁多,性能、价格也有很大差异,要选择一款适合自己的封装胶需要考虑的因素也很多。

 

    (3)芯片的选择:芯片不仅与整个LED的光效有关,还与散热有很大关系。在芯片选择上,有很多企业甚至是研究人员并没有充分考虑芯片与荧光粉、封装胶的匹配、芯片与基板的匹配等问题。

 

    (4)整体散热结构的设计和运用: 从前文可知,可用于COB封装的散热结构很多,不过这些结构的设计都是根据最初所提出的散热结构改进而来的。在实际生产中要运用这些散热结构还有很多需解 决的问题,比如该结构的散热性能能否达到预期效果,散热结构加工的工艺复杂程度,散热结构的制造成本与客户的接受程度是否一致等等。

 

    4、建议和展望

 

    针对COB存在的问题,提出如下解决建议:

 

    (1)基板: 企业要根据选择的封装芯片和产品的定位来选择生产中所用到的基板。不同的芯片需要与不同的基板匹配才能有较好的散热效果。最好的做法是根据芯片类型及发热 情况定制基板。从目前企业的应用情况及研究进展来看,陶瓷基板性能比铝基板更好。如企业定位的是高端产品,可选择陶瓷基板。此外,市场上也出现了一些新型 基板,如铜基板、镜面铝基板及镀银铝基板等,也可以选择使用。

 

    (2)封装胶:首先,要进行市场调研,充分掌握市场上封装胶的性能和价格差异。再者,要对采购的封装胶进行实验,便于更好地了解胶的性质,特别是对于一些价格相对较低的胶要进行实验全面评估其性能。而且对不同批次的胶也要进行实验,以确定最佳的使用条件。

 

    (3)芯片:研究人员需要在充分掌握芯片与荧光粉、封装胶及基板的匹配性基础上,对芯片性能进行全面评估。要对拟采用的芯片进行实验,对比各类芯片在与荧光粉、封装胶及基板的匹配上是否能达到所需要的光效及散热性能。在综合评估之后才能使最终使用的芯片达到最佳的效果。

 

    (4)结构:如果企业具有水平较高的研究团队,可以尝试自己研究特殊的散热结构并申请专利。这样不仅可以防止他人仿制,还能增加自身产品的竞争优势。如果想降低成本,可以考虑使用传统的封装结构,选择适合的材料,也能保证产品质量。

 

    近年来,COB封装特别是大功率COB封装得到了长足的发展,产品在市场上占有了一定份额。只要企业在实际生产中不断改进产品性能,COB产品将会成为LED封装产品的重要组成部分。

来源:广东LED