LED封裝的功能主要包括:
1. 機(jī)械保護(hù), 以提高可靠性; 2. 加強(qiáng)散熱, 以降低芯片結(jié)溫, 提高LED性能; 3. 光學(xué)控制, 提高出光效率, 優(yōu)化光束分布; 4. 供電管理, 包括交流/ 直流轉(zhuǎn)變, 以及電源控制等。
LED封裝是一個(gè)涉及到多學(xué)科( 如光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)體等) 的技術(shù)。（如圖1所示）從某種角度而言,LED封裝不僅是一門制造技術(shù)(Technology), 而且也是一門基礎(chǔ)科學(xué)(Science), 優(yōu)秀的封裝工程師需要對(duì)熱學(xué)、光學(xué)、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)有深刻的理解。最近芯片級(jí)封裝CSP吸引了大家的目光，所以現(xiàn)在與未來(lái)的LED封裝技術(shù)，更需要在LED封裝設(shè)計(jì)上與芯片設(shè)計(jì)上同時(shí)進(jìn)行, 并且需要對(duì)光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮。在封裝過(guò)程中, 雖然材料( 散熱基板、熒光粉、灌封膠) 選擇很重要, 但封裝結(jié)構(gòu)( 如熱學(xué)界面、光學(xué)界面) 對(duì)LED光效和可靠性影響也很大, 大功率白光LED封裝必須采用新材料, 新工藝, 新思路。小間距或Mini LED的封裝技術(shù)需要對(duì)倒裝芯片與回流焊或共晶倒裝封裝制程更深刻的理解。對(duì)于LED的技術(shù)從業(yè)者而言, 成本光效與可靠度之外，更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。本篇白皮書(shū)針對(duì)LED封裝技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)做探討，進(jìn)而分析未來(lái)LED封裝的技術(shù)與產(chǎn)品趨勢(shì)。
圖1 LED 封裝的組成要素。
LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電/ 機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定的。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(LampLED)、貼片式(S MD LED)、功率型LED(Power LED)與COB等發(fā)展階段。如圖2 所示。
圖2 LED 封裝不同發(fā)展階段的封裝形式
發(fā)展到今天，往后會(huì)走向何方？SMD? EMC? COB?還是CSP? 什么是倒裝焊與無(wú)封裝？到底LED的封裝會(huì)走那個(gè)方向，目前還是眾說(shuō)紛紜。不過(guò)從歷史趨勢(shì)來(lái)看，如圖3所示，封裝材料越來(lái)越少，材料導(dǎo)熱性越來(lái)越好，功率密度越來(lái)越大，封裝制程步驟來(lái)越精簡(jiǎn)與器件越來(lái)越少是未來(lái)的趨勢(shì)，當(dāng)然這離開(kāi)不了芯片技術(shù)的進(jìn)步。
圖3 封裝制程步驟的精簡(jiǎn)趨勢(shì)
表1是科技部半導(dǎo)體照明中心的中國(guó)LED的技術(shù)藍(lán)圖，從2004年開(kāi)始到現(xiàn)在，中國(guó)一直往這個(gè)藍(lán)圖方向走，預(yù)計(jì)到未來(lái)的2022年將達(dá)到300流明瓦的目標(biāo)，單燈成本將小于10塊錢，這對(duì)封裝技術(shù)而言是一項(xiàng)非常大的挑戰(zhàn)，技術(shù)進(jìn)步，成本降低，海茲定律未來(lái)會(huì)繼續(xù)主導(dǎo)LED的方向，尤其是LED照明產(chǎn)業(yè)。過(guò)去十年，LED芯片效率的提升將使芯片的面積不斷減小，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了LED封裝革命，如表2所示。
表1
表2 LED芯片效率的提升將使芯片的面積不斷減小
未來(lái)芯片技術(shù)將會(huì)以提高效率降低成本為主，瑩光粉技術(shù)將以提高效率穩(wěn)定性與演色指數(shù)為進(jìn)步方向，LED芯片效率的提升將以階段性成長(zhǎng)為主, 從10lm/w~80lm/w、80lm/w~100lm/w、100lm/w~150lm/w、150lm/w~200lm/w…… 當(dāng)技術(shù)進(jìn)步到300lm/w時(shí)對(duì)比現(xiàn)有的芯片效率提升了1.5~2倍，芯片的發(fā)熱量將大幅度減少( 指同體積同面積比較)，這將導(dǎo)致目前各種封裝技術(shù)進(jìn)行大比拼，所有的技術(shù)路線趨勢(shì)將會(huì)更分化與多元，什么產(chǎn)品使用什么封裝工藝將會(huì)更固定。LED將迎來(lái)主流中有多元，多元分化但離開(kāi)主流卻不遠(yuǎn)。
隨著芯片功率密度的不斷增大, 特別是半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展的需求, 對(duì)LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了新的、更高的要求。
由前文所敘述得知，高光效技術(shù)的發(fā)展路線可以預(yù)見(jiàn)現(xiàn)有的封裝工藝與封裝材料并不能適用于未來(lái)的封裝要求。由于芯片內(nèi)量子效率的提升所以產(chǎn)生的熱量會(huì)減少，芯片有源層的有效電流密度會(huì)大幅度上升。芯片整體發(fā)熱量減少了,所以對(duì)于封裝形式的散熱面積要求也會(huì)減少, 目前采用的厚重散熱的封裝結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生大的變化，所以LED芯片效率提高使芯片面積大幅度減小，從而改變封裝的方式，使單一器件的光輸出大大增加，現(xiàn)在，單顆高效率LED芯片面積大幅度減?。?50mil2=60LM）。發(fā)熱變少與應(yīng)用上對(duì)單一LED光源的高光通量需求使集成化封裝成為主流。集成化封裝LED器件的熱聚集效應(yīng)使LED器件的整體導(dǎo)熱效率變得極為重要。能夠大幅度減低熱阻的封裝技術(shù)可能成為L(zhǎng)ED芯片封裝技術(shù)的主流，倒裝的回流焊技術(shù)只要解決芯片良率與成本問(wèn)題，這將會(huì)革命性的減低封裝的成本，會(huì)使非金線焊接技術(shù)的倒裝封裝技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)然仿PC硬度的硅膠成型技術(shù)、非球面的二次光學(xué)透鏡技術(shù)等出光技術(shù)都將成為L(zhǎng)ED封裝技術(shù)的基礎(chǔ)。定向定量點(diǎn)膠工藝、圖形化涂膠工藝、二次靜電噴瑩光粉工藝、膜層壓法三基色熒光粉涂布工藝、芯片沉積加壓法等白光工藝都將應(yīng)用在LED封裝工藝中，將會(huì)改善LED器件的出光效率與光色分布。
1.SMD的發(fā)展趨勢(shì)
SMD封裝， 是Surface Mounted Devices的縮寫(xiě)， 意為：表面貼裝器件， 它是SMT(Surface Mount Technology 中文: 表面黏著技術(shù)) 元器件中的一種。目前SMD是封裝技術(shù)的最大宗產(chǎn)品，尤其是2835型的封裝型式目前幾乎占據(jù)了主流照明市場(chǎng)，預(yù)測(cè)未來(lái)五年內(nèi)SMD還會(huì)是LED的主流，但是會(huì)逐步降低比率，但是維持半壁江山還是有機(jī)會(huì)的，未來(lái)SMD會(huì)有下列趨勢(shì)迎接其它技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)：
a) 中功率成為主流封裝方式。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品多為大功率LED產(chǎn)品或是小功率LED產(chǎn)品，它們雖各有優(yōu)點(diǎn)，但也有著無(wú)法克服的缺陷。而結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的中功率LED產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，成為主流封裝方式。
b) 新材料在封裝中的應(yīng)用。由于耐高溫、抗紫外以及低吸水率等更高更好的環(huán)境耐受性， 熱固型材料EMC(Epoxy Molding Compound)、熱塑性PCT、改性PPA以及類陶瓷塑料等材料將會(huì)被廣泛應(yīng)用。
c) 相較于PPA或是陶瓷基板，EMC封裝方案為采用環(huán)氧樹(shù)脂材料為主，更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量大生產(chǎn)需求，透過(guò)量的擴(kuò)增進(jìn)一步壓縮制造成本，另外環(huán)氧樹(shù)脂材料應(yīng)用更為彈性，不僅尺寸可以輕易重新設(shè)計(jì)，加上材料更小、更容易進(jìn)行切割處理，終端產(chǎn)品元器件的設(shè)計(jì)更為靈活、彈性，所制成的終端光源組件可在小體積上驅(qū)動(dòng)高瓦數(shù)，尤其在0.2W~2W左右的光源產(chǎn)品極具競(jìng)爭(zhēng)力。
目前COB應(yīng)用逐漸得到普及，憑借低熱阻、光型好、免焊接以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)，COB應(yīng)用在今后將會(huì)繼續(xù)滲透。COB封裝工藝有非常多的優(yōu)勢(shì)，甩掉了支架表貼焊接這個(gè)環(huán)節(jié)，COB封裝工藝是直接將LED裸芯片固定到焊盤上，所以散熱面積相對(duì)傳統(tǒng)封裝工藝要大，材料綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)也高，散熱性好。這也是保證COB封裝高可靠性因素中權(quán)重最高的一個(gè)因素。COB封裝省去了燈珠面過(guò)回流焊工藝，不再造成傳統(tǒng)封裝工藝回流焊爐內(nèi)高溫對(duì)LED芯片和焊線失效。另外可以跟其它元器件集成封裝式的光引擎也是COB的很大優(yōu)勢(shì)，集成封裝式光引擎也許會(huì)是未來(lái)COB技術(shù)的主流之一。
SIP(System in Package) 是近幾年來(lái)為適應(yīng)整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求, 在系統(tǒng)芯片 System on Chip(SOC) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型封裝集成方式。對(duì)SIP-LED而言, 不僅可以在一個(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)發(fā)光芯片,還可以將各種不同類型的器件( 如電源、控制電路、光學(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等) 集成在一起, 構(gòu)建成一個(gè)更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)相比,SIP具有工藝兼容性好( 可利用已有的電子封裝材料和工藝), 集成度高, 成本低, 可提供更多新功能, 易于分塊測(cè)試, 開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然COB在光效與發(fā)光密度的參數(shù)也是大家比較關(guān)注的焦點(diǎn)，根據(jù)報(bào)導(dǎo)，在Ra>80，R9>0的高光色質(zhì)量下，目前國(guó)內(nèi)COB最高光效的數(shù)據(jù)高達(dá)162lm/W，最高流明密度可以到達(dá)88lm/mm2，但是在105lm/W的光效之下，流明密度更可以達(dá)到220lm/mm2，與美國(guó)的cree的280lm/mm2還是有不小的差距，但是已經(jīng)接近國(guó)際大廠的水平。
3.CSP 的發(fā)展趨勢(shì)
CSP的全名是芯片級(jí)封裝（Chip Scale Package）,就是目前封裝業(yè)界最怕的無(wú)封裝制程，如圖4 所示，CSP無(wú)需支架、金線等傳統(tǒng)封裝工藝中必須的主要部件材料及固晶、焊金線等封裝主要裝備。CSP的技術(shù)定義為將封裝體積和LED芯片一致、或是封裝體積應(yīng)不大于LED芯片20%，且LED仍能具備完整功能的封裝器件，而CSP技術(shù)所追求的是在器件體積盡可能微縮、減小，卻仍須維持相同芯片所應(yīng)有的光效，而關(guān)鍵器件體積減小后最直接的特點(diǎn)就能實(shí)踐低成本、小發(fā)光面積、更長(zhǎng)組件使用壽命的設(shè)計(jì)目的，再加上小體積器件也表示二次光學(xué)的相關(guān)光學(xué)處理優(yōu)化彈性更高、處理成本更低，制成的燈具產(chǎn)品能在極小光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)踐最高亮度與最大發(fā)光角度。
圖4
CSP發(fā)展到現(xiàn)在，如圖5所示，技術(shù)路線始終有兩個(gè)方向，單面發(fā)光與五面發(fā)光，三星LED發(fā)展CSP之初，是為了大尺寸背光用途，使用技術(shù)比較簡(jiǎn)單的五面發(fā)光技術(shù)，同樣的技術(shù)路線是首爾半導(dǎo)體的WICOP，用來(lái)應(yīng)用于通用照明市場(chǎng)。單面發(fā)光技術(shù)有日亞與亮銳的CSP產(chǎn)品，由于是單面發(fā)光，所以工藝比較復(fù)雜，需要在器件的側(cè)面鍍反射膜，成本會(huì)比較高，但是此產(chǎn)品可以用于高階的應(yīng)用例如汽車照明與手機(jī)照相的閃光燈，所以目前是CSP技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)。
圖5
如圖6所示，目前日亞化學(xué)在單面發(fā)光CSP技術(shù)處于領(lǐng)先地位，單面發(fā)光技術(shù)相對(duì)與SMD，除了價(jià)格目前比較高以外，有非常絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可以用在特殊照明的市場(chǎng)應(yīng)用，例如電子產(chǎn)品的手機(jī)照相機(jī)閃光燈與液晶背光，汽車大燈，戶外照明的路燈隧道燈與投光燈，以及高密度COB產(chǎn)品都可以使用。未來(lái)隨著大批量CSP制造技術(shù)成熟，CSP會(huì)持續(xù)滲透到更多的照明應(yīng)用。
圖6
目前國(guó)內(nèi)廠商的CSP的亮度表現(xiàn)已經(jīng)接近日韓水平，市面上可以量產(chǎn)1W級(jí)的光效可以到達(dá)205lm / W（350mA，cRI 80+，5000K），3W級(jí)的產(chǎn)品也可以達(dá)到190lm/ W（750mA，cRI 70+，5000K） 的光效，5W封裝技術(shù)可以到達(dá)170lm/ W（1200mA，CRI70+，5000K）的光效。性價(jià)比更是甩開(kāi)日韓相關(guān)產(chǎn)品，但是由于品牌與專利的關(guān)系，目前主流應(yīng)用例如汽車照明或閃光燈市場(chǎng)還是很難進(jìn)入。
1) 芯片超電流密度會(huì)繼續(xù)增加。
今后芯片超電流密度，將由0.5mA/mil2 發(fā)展為1mA/mil2，甚至更高。而芯片需求電壓將會(huì)更低，更平滑的VI曲線( 發(fā)熱量低)，以及ESD 與VF 兼顧。
2) 適用于情景照明的多色LED光源。
情景照明將是LED照明的核心競(jìng)爭(zhēng)力，而未來(lái)LED照明的第二次起飛則需要依靠情景照明來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3) 光效需求相對(duì)降低，性價(jià)比成為封裝廠制勝法寶。
今后室內(nèi)照明不會(huì)太關(guān)注光效，而會(huì)更注重光的品質(zhì)。而隨著封裝技術(shù)提高，LED燈具成本降低成為替代傳統(tǒng)照明源的動(dòng)。
4) 去電源方案( 高壓LED)。
今后室內(nèi)照明將更關(guān)注品質(zhì)，而在成本因素驅(qū)動(dòng)下，去電源方案逐步會(huì)成為可接受的產(chǎn)品，而高壓LED充分迎合了去電源方案，但其需要解決的是芯片可靠性需要加強(qiáng)。
5) 國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善。
相信隨著LED封裝技術(shù)的不斷精進(jìn)，國(guó)內(nèi)國(guó)際上對(duì)于LED產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)不斷完善。
6) 更高光品質(zhì)的需求。
主要是針對(duì)室內(nèi)照明，企業(yè)會(huì)以LED室內(nèi)照明產(chǎn)品RA達(dá)到80為標(biāo)準(zhǔn)，以RA達(dá)到90為目標(biāo)，盡量使照明產(chǎn)品的光色接近普蘭克曲線，這樣的光才能夠均勻、無(wú)眩光。
顯示屏未來(lái)的封裝大趨勢(shì)
過(guò)去顯示屏的封裝有直插式、SMD 與COB三個(gè)主流方向，但是隨著小間距的要求越來(lái)越多，COB會(huì)越來(lái)越是未來(lái)的主流。直插式與SMD封裝工藝在固晶焊線方面與COB封裝沒(méi)有區(qū)別，它最大的區(qū)別在于使用了支架。
大家都知道，支架一般有四個(gè)焊腿，需要通過(guò)SMT焊接到PCB板上。因此COB封裝工藝相比直插式和SMD封裝工藝最大的不同之處在于單燈省去了一個(gè)支架，因此也就節(jié)省了燈珠面過(guò)回流焊機(jī)的表貼焊接處理工藝。為什么COB會(huì)是未來(lái)技術(shù)的主流呢？以下是顯示屏用的COB優(yōu)勢(shì)：
1）超輕薄：可根據(jù)客戶的實(shí)際需求，采用厚度從0.4-1.2mm厚度的PCB板，使重量最少降低到原來(lái)傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/3，可為客戶顯著降低結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸和工程成本。 2）防撞抗壓：COB產(chǎn)品是直接將LED芯片封裝在PCB板的凹形燈位內(nèi)，然后用環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝固化，燈點(diǎn)表面凸起成球面，光滑而堅(jiān)硬，耐撞耐磨。 3）大視角：COB封裝采用的是淺井球面發(fā)光，視角大于175度，接近180度，而且具有更優(yōu)秀的光學(xué)漫散色渾光效果。 4）可彎曲：可彎曲能力是COB封裝所獨(dú)有的特性，PCB的彎曲不會(huì)對(duì)封裝好的LED芯片造成破壞，因此使用COB模塊可方便地制作LED弧形屏，圓形屏，波浪形屏。是酒吧、夜總會(huì)個(gè)性化造型屏的理想基材?？勺龅綗o(wú)縫隙拼接，制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柔性線路板和傳統(tǒng)顯示屏模塊制作的LED異形屏。 5）散熱能力強(qiáng)：COB產(chǎn)品是把燈封裝在PCB板上，通過(guò)PCB板上的銅箔快速將燈芯的熱量傳出，而且PCB板的銅箔厚度都有嚴(yán)格的工藝要求，加上沉金工藝，幾乎不會(huì)造成嚴(yán)重的光衰減。所以很少死燈，大大延長(zhǎng)了LED顯示屏的壽命。 6）耐磨、易清潔：燈點(diǎn)表面凸起成球面，光滑而堅(jiān)硬，耐撞耐磨；出現(xiàn)壞點(diǎn)，可以逐點(diǎn)維修；沒(méi)有面罩，有灰塵用水或布即可清潔。 7）全天候優(yōu)良特性：采用三重防護(hù)處理，防水、潮、腐、塵、靜電、氧化、紫外效果突出；滿足全天候工作條件，零下30度到零上80度的溫差環(huán)境仍可正常使用。由上面的趨勢(shì)來(lái)看，由于SMD需要解決焊腳問(wèn)題，一個(gè)燈珠有四個(gè)焊腳，那么隨著顯示屏的密度更高，單位平方米中所使用的燈珠將會(huì)更多，焊腳將會(huì)越來(lái)越密，這個(gè)問(wèn)題不解決，對(duì)于表貼來(lái)說(shuō)小型化是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，COB把支架這一部分略過(guò)，幾百萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)的難題全部被拋之腦后，小型化做起來(lái)更輕松。所以未來(lái)的顯示屏技術(shù)會(huì)往COB方向走是毋庸置疑的，COB封裝最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是直接在PCB板上進(jìn)行封裝，不受燈珠的限制，所以，對(duì)于COB來(lái)說(shuō)點(diǎn)間距這個(gè)說(shuō)法并不科學(xué)，理論上來(lái)說(shuō)，COB封裝想要達(dá)到高密，是非常容易的，借用行業(yè)人士一句話來(lái)說(shuō)，COB封裝就是為小間距量身打造的，如果RGB的倒裝芯片逐漸往小芯片技術(shù)方向走，甚至未來(lái)的Mini LED甚至Micro LED都會(huì)往這個(gè)技術(shù)趨勢(shì)做顯示產(chǎn)品。
Mini LED與Micro LED
Mini LED是指芯片尺寸約在100微米左右的LED，Mini LED的尺寸介于傳統(tǒng)LED與Micro LED之間，目前主要應(yīng)用在超小間距顯示屏與傳統(tǒng)LED背光基礎(chǔ)上的改良版本的mini LED背光。而Micro LED是LED微縮化和矩陣化技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將LED背光源進(jìn)行薄膜化、微小化、陣列化，可以讓LED發(fā)光單元像素小于100微米，每個(gè)RGB次像素發(fā)光單元在20微米到30微米之間，與OLED一樣能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)圖元單獨(dú)定制，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)光的自發(fā)光顯示技術(shù)。如果從結(jié)構(gòu)原理上來(lái)看， Micro LED結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，但是它最大的難題就是眾所周知的巨量轉(zhuǎn)移，而LED的微小化技術(shù)也是難題之二，當(dāng)然如何保證良率接近100%更是Micro LED最大的挑戰(zhàn)，比方說(shuō)， 4K級(jí)別的Micro LED中尺寸顯示器，需要2,488萬(wàn)個(gè)以上的RGB三色Micro LED高度集成，而且不能有壞點(diǎn)，難度可想而知，短期內(nèi)要量產(chǎn)還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。從工藝制程上看，Mini LED相較于Micro LED來(lái)說(shuō)，工藝更接近目前的一般LED，良率更好控制，在顯示屏應(yīng)用上，可以做出解析度非常高的電影屏幕，背光應(yīng)用上可以搭配軟性基板達(dá)成高曲面背光的形式，采用局部調(diào)光設(shè)計(jì)，擁有更好的演色性與對(duì)比度，能帶給液晶面板更為精細(xì)的畫(huà)面，且厚度也趨近OLED，同時(shí)具有省電功能。所以，很可能mini LED在未來(lái)兩到三年會(huì)支撐LCD對(duì)抗OLED技術(shù)，但是隨著OLED良率提升與柔性O(shè)LED技術(shù)的成熟，mini LED背光將會(huì)節(jié)節(jié)敗退，而在這三年左右的緩沖期中，Micro LED能否突破技術(shù)瓶頸，將良率與成本進(jìn)行革命性的突破，將關(guān)系到LED與OLED最終的勝負(fù)，人類的終極顯示技術(shù)，誰(shuí)會(huì)是最終王者，也許三年后就會(huì)有最終的答案。