LED封装技术及其发展趋势

LED环球在线 2012-03-30 led

一，COB封装

　　目前，LED封装方法大致可区分为透镜式(Lens-type)以及反射杯式(Reflector-type)，其中透镜的成型可以是模塑成型(Molding)或透镜黏合成型；而反射杯式芯片则多由混胶、点胶、封装成型；近年来磊晶、固晶及封装设计逐渐成熟，LED的芯片尺寸与结构逐年微小化，高功率单颗芯片功率达1~3W，甚至是3W以上，当LED功率不断提升，对于LED芯片载版及系统电路版的散热及耐热要求，便日益严苛。

鉴于绝缘、耐压、散热与耐热等综合考量，陶瓷基板成为以芯片次黏着技术的重要材料之一。其技术可分为厚膜工艺(Thickfilm)、低温共烧工艺(LTCC)与薄膜工艺(DPC)等方式制成。然而，厚膜工艺与低温共烧工艺，是利用网印技术与高温工艺烧结，易产生线路粗糙、对位不精准、与收缩比例问题，若针对线路越来越精细的高功率LED产品，或是要求对位准确的共晶或覆晶工艺生产的LED产品而言，厚膜与低温共烧的陶瓷基板，己逐渐不敷使用。

为此，高散热系数薄膜陶瓷散热基板，运用溅镀、电／化学沉积，以及黄光微影工艺而成，具备金属线路精准、材料系统稳定等特性，适用于高功率、小尺寸、高亮度的LED的发展趋势，更是解决了共晶／覆晶封装工艺对陶瓷基板金属线路解析度与精确度的严苛要求。当LED芯片以陶瓷作为载板时，此LED模组的散热瓶颈则转至系统电路板，其将热能由LED芯片传至散热鰭片及大气中，随着LED芯片功能的逐渐提升，材料亦逐渐由FR4转变至金属芯印刷电路基板(MCPCB)，但随着高功率LED的需求进展，MCPCB材质的散热系数(2~4W/mk)无法用于更高功率的产品，为此，陶瓷电路板(Ceramiccircuitboard)的需求便逐渐普及，为确保LED产品在高功率运作下的材料稳定性与光衰稳定性，以陶瓷作为散热及金属佈线基板的趋势已日渐明朗。陶瓷材料目前成本高于MCPCB，因此，如何利用陶瓷高散热系数特性下，节省材料使用面积以降低生产成本，成为陶瓷LED发展的重要指标之一。因此，近年来，以陶瓷材料COB设计整合多晶封装与系统线路亦逐渐受到各封装与系统厂商的重视。

COB，在电子制造业里并不是一项新鲜的技术，是指直接将裸外延片黏贴在电路板上，并将导线／焊线直接焊接在PCB的镀金线路上，也是俗称中的打线(Wirebonding)，再透过封胶的技术，有效的将IC制造过程中的封装步骤转移到电路板上直接组装。在LED产业中，由于现代科技产品越来越讲究轻薄与高可携性，此外，为了节省多颗LED芯片设计的系统板空间问题，在高功率LED系统需求中，便开发出直接将芯片黏贴于系统板的COB技术。

COB的优点在于：高成本效益、线路设计简单、节省系统板空间等，但亦存在着芯片整合亮度、色温调和与系统整合的技术门槛。以25W的LED为例，传统高功率25W的LED光源，须采用25颗1W的LED芯片封装成25颗LED元件，而COB封装是将25颗1W的LED芯片封装在单一芯片中，因此需要的二次光学透镜将从25片缩减为1片，有助于缩小光源面积、缩减材料、系统成本，进而可简化光源系二次光学设计并节省组装人力成本。此外，高功率COB封装仅需单颗高功率LED即可取代多颗1瓦(含)以上LED封装，促使产品体积更加轻薄短小。

目前市面上，生产COB产品仍以使用MCPCB基板为主，然而MCPCB仍有许多散热以及光源面积过大的问题须解决，故其根本之道，还是从散热材料更新为最有效的解决方案。陶瓷COB基板有以下几点好处：1.薄膜工艺，让基本上的线路更加精确、(2)量大降低成本、(3)可塑性高，可依不同需求做设计。

          现MCPCB基板COB芯片制作的LED灯泡均无法调光，而ledaladdin公司用陶瓷COB芯片组装的LED可调光灯泡已上市，有5W、6W、7W，性能更好，色温可做到2200K---8000K，流明达60LM/W以上。

          陶瓷MCOB/COB的发展，是简化系统板的一种趋势，照明灯具的实用化、亮度、散热以及成本的控管，都是重要的关键因素。

         二，高压LED

        在同样输出功率下，高压LED所需的驱动电流大大低于低压LED。如以晶元光电的高压蓝光1WLED为例，它的正向压降高达50V，也即它只需20mA驱动电流就可以输出1W功率，而普通正向压降为3V的1WLED，需要350mA驱动电流才能输出1W功率，因此同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。

　　高压LED可以大幅降低AC-DC转换效率损失。以10W输出功率为例，如果采用正向压降为50V的1W高压LED，输出端可以采取2并4串的配置，4个串联LED的正向压降为200V，也就是说只需从市电220V交流电(AC)利用桥式整流及降20V就可以了。但如果我们采用正向压降为3V的1W低压LED，即便10个串在一起正向压降也不过30V，也就是说需要从220VAC市电降压到30VDC。我们知道，输入和输出压差越低，AC到DC的转换效率就越高，可见如采用高压LED，变压器的效率就可以得到大大提高，从而可大幅降低AC-DC转换时的功率损失，这一热耗减少又可进一步降低散热外壳的成本。

因此，如采用高压LED来开发LED通用照明灯具产品，总体功耗可以大大降低，从而大幅降低对散热外壳的设计要求，如我们可用更薄更轻的铝外壳就可满足LED灯具的散热需求，由于散热铝外壳的成本是LED照明灯具的主要成本组成部分之一，铝外壳成本有效降低也意味着整体LED照明灯具成本的有效降低。由此可见，高压LED可以带来LED照明灯具成本和重量的有效降低，但其更重要的意义是大幅降低了对散热系统的设计要求，从而有力扫清了LED照明灯具进入室内照明市场的最大技术障碍。因此，高压LED将主导未来的LED通用照明灯具市场。

　　三，AC LED

　　以高效节能、绿色环保、长寿命为特点的新兴LED照明技术如今正在加速发展，应用中的新技术、新方案也不断涌现。LED照明设计可结合光源特性，如光源指向性、冷光源及色彩变化等，必将将成为照明市场主流。近年来，随着LED 在材料选取、晶粒制程、封装架构设计技术等方面的研究不断进步，一种新的交流发光二极管（ AC LED）技术应运而生，通过一种新的思路，推动了 LED照明技术的实用化。

　　传统的LED是典型的低压直流器件，无法直接在我们日常照明使用的电源是高压交流（AC100～220V）下使用，必须经过变压器或开关电源降压，然后将交流（AC）变换成直流（DC），再变换成直流恒流源，才能供LED光源使用。

　　因此在LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个变换器，不利于照明灯具的设计和小型化。而且系统经过的变换环节，能量必然有一定量的损耗，DCLED在交流、直流之间转换时约15%～30%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。变换装置的存在造成了传统LED照明产品成本较高的重要因素，也成为制约LED光源产品寿命的瓶颈，无法体现LED长寿命的特点。