读懂大功率LED封装技术

大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。

LED封装的功能主要包括：1、机械保护，以提高可靠性;2、加强散热，以降低晶片结温，提高LED性能;3、光学控制，提高出光效率，优化光束分布;4、供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。

LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、裸芯型LED(COB LED)等发展阶段。

大功率LED封装关键技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。

低热阻封装工艺

对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介面材料)与工艺、热沉设计等。

LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将 1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热介面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝(AIN)的热导率为 160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当)，从而降低了封装热应力。

研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面，就难以获得良好的散热效果。

高取光率封装结构与工艺

在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高矽胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，矽胶内部的热应力加大，导致矽胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。

萤光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，萤光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm)，因而在萤光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色质量。

传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)。

近些年来，LED芯片逐渐成为显示行业的宠儿，凭借着高亮度、自发光、全彩色的优势，不断进入各类显示场所，而SMD封装和COB封装正是推动这一发展的主要因素。

表贴三合一(SMD)LED于2002年兴起，并逐渐占据LED显示屏器件的市场份额，从引脚式封装转向SMD。表贴封装是将单个或多个LED芯片粘焊在带有塑胶“杯形”外框的金属支架上(支架外引脚分别连接LED芯片的P、N极)，再往塑胶外框内灌封液态封装胶，然后高温烘烤成型，最后切割分离成单个表贴封装器件。由于可以采用表面贴装技术(SMT)，自动化程度较高。与引脚式封装技术相比，SMD LED的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面表现都良好。

SMD封装的技术优势：

1、技术成熟、相关生产设备工艺完备，供应体系健全。

2、应用广泛、显示控制兼容配套成熟、稳定性高。

3、灯珠一次通过率高，品质稳定，质量高。

SMD封装微间距LED显示屏实例

正是凭借技术成熟稳定、散热效果好、维修方便、无缝拼接、低亮高灰等优点，SMD封装LED显示屏产品迅速获得了市场的认可，一路高歌猛进，在LED应用市场占据了较大份额。如今LED显示屏在指挥室、控制室、会议室等应用场合获得了广泛应用，在政府应急指挥、智能指挥控制、公安交警指挥、通用会议决策、能源调度中心、军队武警指挥等领域均完成了一系列备受瞩目的重大项目，使得SMD封装LED显示屏的影响力不断扩大。

而COB是一种多灯珠集成化无支架封装技术，直接将发光芯片封装在PCB板上，省却了繁琐的表贴工艺，没有了支架的焊接脚，每一个像素的 LED芯片和焊接导线都被环氧树脂胶体紧密严实地包封在胶体内，没有任何裸露在外的元素，为LED芯片提供了保护，可以解决外界因素对像素点造成损害的问题，长期使用过程中像素失效率极低，因此COB封装技术为微间距LED显示屏提供了超高的稳定性，无需修灯。

2013年最早推出微间距LED高清显示系统应用于信息化前沿，同时不断专研革新，潜心研究Micro LED技术并结合COB封装工艺，在2017年有效推动COB小间距LED进入信息化领域。在产品领域，卓华光电科技集团有限公司以SMD及COB两种工艺微间距LED显示单元为主要主营业务，以多样化处理系统为控制中枢，通过自主研发的可视化控制管理软件、流媒体解码处理软件、高分辨率图像处理软件、数据可视化软件、大数据分析处理软件为友好操作界面，为信息化客户提供智能拼接大屏幕解决方案，可针对政府应急指挥、智能指挥控制、公安交警指挥、通用会议决策、能源调度中心、军队武警指挥等行业应用提供更贴切的一体化解决方案，极大的满足了市场需求，从而为客户创造更多的价值，为行业变革积蓄力量。

COB封装采用的类面发光，因此视角更广，使得Voury卓华COB封装LED显示屏具备垂直及水平双向170°超宽视角，任何角度观看都是中心视角，任何角度确保颜色、亮度一致，具有更优秀的光学漫散色浑光效果，显示覆盖面积更大，确保任意角度观看无死角、不偏色，图像始终都能完美显示。

另外，COB封装技术将像素点封装在PCB板上，实现PCB 电路板、晶体颗粒、焊脚和引线等全面密封，表面光滑无裸露元件，达到IP65 的完全防护能力，像素点表面光滑而坚硬，具有防磕、防撞击、防震、抗压、防水、防潮、防尘、防油污、防氧化、防静电等性能，高稳定易维护，日常清洁维护可直接用湿布擦除表面污渍。

同时，COB封装微间距LED显示屏采用高品质超黑面板，使得黑色在整个屏幕中所占的比例提高到了99%以上，从而将显示屏的对比度提升到了10000:1，取得了质的飞跃，保证了画面的色彩表现能力，呈现精美绝伦的高画质影像。

Vury卓华不仅从技术难度上的突破，更注重客户体验赢得客户，不断提供更高阶技术标准的产品，Voury卓华相继获得“COB小间距优秀品牌”、“LED小间距十大品牌”、“小间距LED品牌”、“LED显示屏优秀品牌奖”等，为政府、司法、交通、军警、能源等行业客户提供技术最先进、最完善的大屏幕拼接整体解决方案，为各行业领域的信息可视化管理提供技术领先的完整的解决方案，提高分析决策的效率，为客户提供最合理的整体解决方案不断前行。