大功率LED系統(tǒng)集成封裝技術的分析

隨著全球能源短缺趨勢日益加劇，綠色節(jié)能環(huán)保的LED備受矚目。世界各國都制訂了本國LED照明發(fā)展計劃，我國“十二五”規(guī)劃也對LED照明發(fā)展目標進行了明確描述，并將LED列為“十二五”期間重點節(jié)能工程，位列國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)和新材料產(chǎn)業(yè)。

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從LED芯片的生產(chǎn)到燈具市場，已經(jīng)形成了一條相對完善的產(chǎn)業(yè)鏈。但對于傳統(tǒng)的LED照明，從芯片、封裝、電路板一直到應用，各個環(huán)節(jié)都相對獨立。不同場所的照明需求，對LED的封裝提出了各種新的要求。如何在模組內(nèi)集成多種技術，并通過系統(tǒng)封裝的方式使LED模組封裝趨于小型化、多功能化、智能化成為了我們需要探索的問題。從技術的角度來看，LED是一種半導體器件，容易與其他半導體相關技術相結合而發(fā)展出具有更高附加值的產(chǎn)品，開拓出全新的、傳統(tǒng)照明無法觸及的市場。LED多功能系統(tǒng)三維封裝能夠整合光源、有源、無源電子器件、傳感器等元件，并將他們集成于單一微小化的系統(tǒng)之中，是極具市場潛力的一項新技術。

LED多功能封裝集成技術

目前市場上存在一些簡單的LED集成封裝產(chǎn)品，但是集成度較低，不能滿足未來LED發(fā)光模組對LED封裝產(chǎn)品的需要。芯片模組光源的發(fā)展趨勢體現(xiàn)了照明市場對技術發(fā)展的要求：便攜式產(chǎn)品需要集成度更高的光源;在商業(yè)照明、道路照明、特種照明、閃光燈等領域，集成的LED光源有很大的應用市場。與封裝級模組相比，芯片級模組體積較小，節(jié)省空間，也節(jié)省了封裝成本，并且由于光源集成度高，便于二次光學設計。

三維立體封裝是近幾年發(fā)展起來的電子封裝技術。從總體上看，加速三維集成技術應用于微電子系統(tǒng)的重要因素包括以下幾個方面：

1.系統(tǒng)的外形體積：縮小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)重量并減少引腳數(shù)量;

2.性能：提高集成密度，縮短互連長度，從而提高傳輸速度并降低功耗;

3.大批量低成本生產(chǎn)：降低工藝成本，如采用集成封裝和PCB混合使用方案;多芯片同時封裝等;

4.新應用：如超小無線傳感器等;

目前有多種不同的先進系統(tǒng)集成方法，主要包括：封裝上的封裝堆疊技術;PCB(引線鍵合和倒裝芯片)上的芯片堆疊，具有嵌入式器件的堆疊式柔性功能層;有或無嵌入式電子器件的高級印制電路板(PCB)堆疊;晶圓級芯片集成;基于穿硅通孔(TSV)的垂直系統(tǒng)集成(VSI)。三維集成封裝的優(yōu)勢包括：采用不同的技術(如CMOS、MEMS、SiGe、GaAs等)實現(xiàn)器件集成，即“混合集成”，通常采用較短的垂直互連取代很長的二維互連，從而降低了系統(tǒng)寄生效應和功耗。因此，三維系統(tǒng)集成技術在性能、功能和形狀等方面都具有較大的優(yōu)勢。近幾年來，各重點大學、研發(fā)機構都在研發(fā)不同種類的低成本的集成技術。

半導體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點實驗室針對LED系統(tǒng)集成封裝也進行了系統(tǒng)的研究。該研究針對LED筒燈，通過開發(fā)圓片級的封裝技術，計劃將部分驅動元件與LED芯片集成到同一封裝內(nèi)。其中，LED與線性恒流驅動電路所需的裸片是電路發(fā)熱的主要元件，同時體積比較小，易于集成，但由于主要發(fā)熱元件需要考慮散熱設計。其他元件體積較大，不易于集成。電感、取樣電阻與快速恢復二極管等，雖說也有一定的熱量產(chǎn)生，但不需要特殊的散熱結構。

基于以上考慮，我們對發(fā)光模組的組裝進行如下設計：

1.驅動電路裸片與LED芯片集成在封裝之內(nèi)，其余電路元件集成在PCB板上;

2.PCB電路板圍繞在集成封裝周圍便于連接;

3.PCB與集成封裝放置于熱沉之上;

該結構的優(yōu)勢在于：體積較小;主要發(fā)熱元件通過封裝直接與熱沉接觸，易于散熱;不需要特別散熱的元件，放置在普通PCB上。相比MCPCB，節(jié)省了成本;在需要時，可將元件設計在PCB板的背面，藏在熱沉的空區(qū)域中，避免元件對出光的影響。