LED模組封裝技術(shù)

相比于傳統(tǒng)光源(比如熒光燈和白熾燈)，led在接近于理論轉(zhuǎn)換效率時，要比傳統(tǒng)光源的光效高出5-20倍。即使是現(xiàn)階段的量產(chǎn)光效，其水平也在2-15倍之間，同時結(jié)合到其指向性的優(yōu)點(diǎn)，此差距將會更大。由于發(fā)光原理的改變，其壽命也會比傳統(tǒng)光源高出很多。此外，由于LED還具備對健康和環(huán)境無危害等一系列的優(yōu)點(diǎn)，其在現(xiàn)階段已被公認(rèn)為是下一代最為合適的光源。

　　為什么需要LED模組化封裝?

　　LED在現(xiàn)階段被用作照明產(chǎn)品，最直接和最簡單的應(yīng)用莫過于用于替代(包含球泡燈與日光燈管的替代)。這相對來說也更容易被接受。除了節(jié)能以外，產(chǎn)品的外觀和效果都沒有明顯的改變。當(dāng)然，在照明產(chǎn)品越來越個性化的今天，燈及燈具本身已經(jīng)逐漸演變成為了光的質(zhì)量指標(biāo)。不過，在LED擁有諸多優(yōu)勢的時候，其也會存在一些不易被人們廣泛接受的因素，比如眩光與成本。對于大家更為習(xí)慣的燈具結(jié)構(gòu)，由于LED在本質(zhì)上存在著與傳統(tǒng)光源的區(qū)別(比如指向性)，所以如今再用傳統(tǒng)燈具結(jié)構(gòu)與之進(jìn)行配合，其自身的特點(diǎn)將會被淹沒在對現(xiàn)有燈具的簡單取代之中。

　　舉一個簡單的例子：目前，市場上存在LED筒燈和LED球泡燈。在筒燈內(nèi)需要放置光源，而對于傳統(tǒng)的照明而言，球泡燈就已經(jīng)屬于一個光源。如果對應(yīng)于當(dāng)今的LED，球泡燈就已經(jīng)屬于一個燈具結(jié)構(gòu)。我們需要思考的問題是：當(dāng)一個LED球泡燈安裝于傳統(tǒng)燈筒內(nèi)時，安裝于LED球泡燈當(dāng)中的光源能否直接被安裝于筒燈結(jié)構(gòu)之中?答案是肯定的。而且，其成本效應(yīng)也會較LED球泡燈直接安裝方式更優(yōu)。但此類應(yīng)用的問題在于，當(dāng)一個非標(biāo)的光源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在消費(fèi)者面前時，消費(fèi)者可能無法進(jìn)行簡單的更換等。鑒于此種狀況，目前擺在光源制造企業(yè)面前的一個問題是：什么是一個標(biāo)準(zhǔn)的光源結(jié)構(gòu)?

　　我們對此問題給出的答案是：由封裝的企業(yè)對光源進(jìn)行模組化和標(biāo)準(zhǔn)化。只有將LED光源進(jìn)行模組化和標(biāo)準(zhǔn)化，并且這一工作由目前的封裝企業(yè)來完成，在整個取代過程當(dāng)中，成本才會被最優(yōu)化。以下將從幾點(diǎn)方面來簡單地描述模組LED在光源取代過程中的突出優(yōu)勢。

　　光源在可靠性方面的優(yōu)勢

　　作為LED封裝影響可靠性的前三大影響(熱影響、靜電影響、濕氣影響)之一的熱影響，是造成LED衰減的一個重要原因。以LED芯片適用的Arrhenius模型來看，LED的節(jié)溫每增加10℃，LED自身的壽命將隨之減少1半。

　　當(dāng)然，對于LED封裝來說，與壽命相關(guān)的因素還包括材料的特性。比如封裝膠材的透光率的下降，各光學(xué)材料的反射率降低等等，都會造成整體器件的光衰減。而這里影響最大的還是熱影響。

　　結(jié)合于LED封裝，溫升的重要解決方式是，降低各材料之間的熱阻和界面的熱阻。模塊化的封裝形式在結(jié)構(gòu)上可以起到減少結(jié)合層和降低整體熱阻的效果。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　將圖1(a)和圖1(b)進(jìn)行對比可以看出，當(dāng)采用LED模組光源來組裝日光燈管時，熱阻僅由三個部分組成：芯片自身的熱阻、固晶材料的熱阻和燈管散熱系統(tǒng)的熱阻;而采用貼片類產(chǎn)品來組裝燈管時，熱阻則增加至六個部分：芯片自身的熱阻、固晶材料的熱阻、導(dǎo)線框架的熱阻、焊接材料的熱阻、導(dǎo)熱基板的熱阻和燈管散熱系統(tǒng)的熱阻。由此可見，采用LED模組光源可以在很大的程度上降低系列的整體熱阻。

　　圖1：光燈管的熱阻構(gòu)成對比。

　　對于濕氣影響而言，LED模組結(jié)構(gòu)的設(shè)計變化引起裝配工藝隨之發(fā)生改變，這樣，將不再需要采用回流焊高溫制程，從而可減少回流焊過程中的高溫對封裝材質(zhì)的潛在破壞。與此同時，所使用的材質(zhì)種類也將變少，這樣可減少不同材質(zhì)介面之間的水汽滲透，從而可減少其潛在的失效比率。因此，LED模組光源可使整個系統(tǒng)的壽命更加長久。

　　模組產(chǎn)品也可以通過整體線路上的防靜電設(shè)計來降低其在靜電方面的隱患。

　　光電參數(shù)方面的優(yōu)勢

　　一般的元器件光源產(chǎn)品大都會采用LED藍(lán)光芯片去激發(fā)不同的熒光粉，以得到較為飽和的光譜，從而提高光源的演色指數(shù)。但在目前階段，由于普通紅粉對于藍(lán)光的激發(fā)效率很低，而且熒光體之間存在著相互吸收，所以在提升演色指數(shù)同時，光源的光效將會降到很低。而對于模組光源而言，在模組中植入色光芯片(比如紅光、綠光等)可使整個光源的光譜變得飽和，從而實(shí)現(xiàn)較高的演色指數(shù);另一方面，通過配合使用芯片與熒光粉，使芯片與熒光粉之間達(dá)到最佳的激發(fā)效率，可使光源的光效達(dá)到最大值(圖2)。再利用模組光源當(dāng)中的其他芯片，與最佳激發(fā)效率的白光混光，將得到在黑體線之上的純正光色。因?yàn)樯庑酒陨淼墓庑бh(yuǎn)高于熒光體受激發(fā)時的光效，所以，在消除熒光粉互相吸收的同時，可提高光源的演色性。從而，可使光源的光效與演色性同時得到提升。

目前，整個LED行業(yè)都在為降低成本而持續(xù)努力。目前大部分的應(yīng)用廠商都采用貼片LED來組裝各種燈具結(jié)構(gòu)。正如前文所述，貼片LED相比于模組光源將采用更多的材質(zhì)與制程，這些都是成本考慮的重要因素。在模組光源中，由于減少了很多貼片LED的材質(zhì)(如鋁基板、焊接材料)，以及制程當(dāng)中的費(fèi)用，從而可以大幅降低LED的應(yīng)用成本。

　　模組光源根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的燈具產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，以及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的模組光源，能夠極大地方便后端的應(yīng)用廠商。由于模組光源已經(jīng)具備了光學(xué)所需的陣列結(jié)構(gòu)和電路的排布，所以其在后端能直接為終端照明廠商省去某些關(guān)鍵的材料及設(shè)備，比如PCB、鋁基板和貼片用焊接材料(如焊錫膏)等。由于光源的模組化，貼片設(shè)備也將在將來的LED照明時代變成非主流的生產(chǎn)設(shè)備(圖3)。

　　

　　圖3：LED生產(chǎn)方式構(gòu)成對比。

　　再者，模組光源整體系統(tǒng)的低熱阻將給芯片的大電流操作提供基本的結(jié)構(gòu)保證。在貼片類燈具的組裝過程中，整體熱阻將比模組類產(chǎn)品整體熱阻高出數(shù)十?dāng)z氏度不等，這樣能將提供給模組光源的操作電流提高20%甚至30%，這也是成本下降的最關(guān)鍵的因素之一(圖4)。

　　

　　圖4：成本與操作電流的關(guān)系。

　　裝配

　　傳統(tǒng)的光源都是直接面向消費(fèi)者購買，而LED模組光源可能也將在某天直接接觸到消費(fèi)者，這就給模組產(chǎn)品提出了很多更高的要求。最終，貼片產(chǎn)品和模組光源產(chǎn)品都可以用來組裝消費(fèi)者直接使用的光源，但在成本最優(yōu)的基板上，模組光源將具有更高的性能價格比(圖5)。

　　

　　圖5：模組產(chǎn)品的簡單裝配。

　　本文小結(jié)

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