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【推荐】李世玮汽车照明所需要的关键LED封装技术

2022-10-02 来源:西宁机械信息网

在今年广州国际照明展期间,佛山市香港科技大学的LED-FPD工程技术研究开发中心主任李世玮先生在2017阿拉丁论坛-LED汽车照明与应用的技术峰会上,围绕“汽车照明所需要的关键LED封装技术”这一主题发表了精彩演讲。笔者整理了李世玮先生的演讲内容,分享给正在或计划在汽车照明之路行驶的照明人们。

汽车照明市场现状

现今的汽车照明已应用在各方面,如车头灯、尾灯、信号灯、装饰灯、指示灯等。但基本上分成两档,一档是车头灯,另外一档是其他,其他包括车厢内的照明以及部分车体外照明。而车头灯目前的渗透率还是相当有限,所以最主要的挑战集中在车头灯方面。

目前在其他方面的应用,各个厂家都有不同的渗透率,但在车头灯方面基本上只是在高端车,尤其在欧洲车的渗透较快。据统计,目前在欧洲,LED在车头灯的渗透率大概在20——30%左右,而在国内的渗透率低于5%,开拓空间仍广阔。

同时,LED在汽车上的应用还分成前装和后装两个阶段。前装则是原厂,即在制造车辆时直接安装上去,后装则最主要是更换零件。众所周知,汽车零件较昂贵,很多人在修车的时候并不选用原厂,因此后装市场还是相当庞大。

车头灯的三大挑战

车头灯市场空间虽广阔,但是企业想在此大蛋糕分一杯羹,并非易事,众所周知,车灯的技术门槛远高于通用照明,对车头大灯的要求尤为严苛。李世玮先生分析,在车头灯方面的挑战基本上可归纳为三类:

第一是热管理,车头灯的功率很高,但安装空间有限,在这个有限的空间使用大功率,热管理必然是其中的重要议题。

第二是可靠性和寿命。汽车是一个长期使用的工具,用户都期望保质期达到5——10年,车灯属于其中关键零部件,它的寿命及可靠性非常重要。

第三是光形或光斑,即光学设计。这是一种有法规要求的照明应用,若不合要求,一方面影响车检;另一方面如果肇事,生产厂商责任重大。如果零部件供应商,供应的车灯光形形状各异,则整批车辆都要召回,重新修正,损失重大。

当然,我们可以选择比较传统的方式制作车灯。如类似早期的球泡灯置换,虽然理论上是可以实现,但事实上很难达到要求,一是在热管理上会有问题,因为原来的结构并不适合做LED车灯的热管理;二是光形、光斑都很难达到要求。这种情况一般只出现在杂牌车上。

一般LED封装的标准制作流程,也是刚才讲的Z类的置换性模组元器件的来源。但这种传统型的灯珠封装、各种内置的器件,只能作暂时“止渴”,不能根本解决问题。

怎样才能根本解决问题?关键需要保证汽车头灯的均匀性,即生产的产品控制在一个极其精准的范围内,否则,一旦遇到汽车召回则牵涉到巨大的商业损失。如果想灯具或光源模组最后能够达到比较均匀的光型数据,那么从基底上需要一种技术能够保证它的均匀性,而传统的灯珠封装难以保证这一点。

所谓单芯片或多芯片的封装是传统的封装形式。一般封装出来的产品,即使是同一批材料、芯片,同样工艺或封装材料,到最后还是要分bin。因为生产出来的产品本身并不稳定,而是在一个范围内,所以同一批次的灯珠元器件要分不同的bin区。虽然目前我们对bin的掌控更加精准,但基本上还是脱离不了这样的一种格局。这就是芯片封装的一种基本的限制。

如何提高封装器件的均匀性?

“LED封装的前景如何?”“我们技术的路线图应该怎样走?”对于此类问题,我的典型答案是:想知道LED封装的后世,就去看它的前身。因为LED封装的大部分观念,其实都是从IC封装借鉴而来,LED封装的路线就应该大致追寻过去IC封装的轨迹和路径。IC封装经过约40年的发展,也从芯片级封装进入到晶圆级封装,这几乎是大家普遍公认的一个历史轨迹。

从此观点来看,我个人认为,LED封装在若干年后也势必从单个或多个芯片的封装,进入到晶圆级封装,这是一个历史的经验总结。

所以,若是晶圆级封装,不如在支架上面做封装,我们是在一个硅衬底或其他衬底上进行封装,然后整批量的封装,再做切割,变成单一的,甚至切割的时候不需要单一,可以变成2×2,或3×3,4×4,或多×多这一类形式,这就是LED晶圆级封装的特色。

晶圆级封装事实上还可以分为两类概念:一是全晶圆级封装,二是半晶圆级封装。全晶圆级封装比较困难,它的概念是把两个或多个晶圆堆列在一起,完成封装工艺后直接做划片即可。半晶圆级封装相对简单一点,它是先把蓝宝石衬底切开,再布局在一个硅衬底晶圆上,然后对此进行封装。

香港科大关键性的工艺

香港科大在晶圆级做的一种荧光粉的涂覆技术,即用漏网就可以把荧光粉涂覆上去,并能得到均匀的LED果冻型阵列。在晶圆级也可以进行点胶,不需要用模,直接点胶,我们有一个特殊的结构设计,它会自动形成一个半圆形的球。此球,一方面可以用作保护,另一方面可以实现二次光学,在晶圆上可变成果冻型的阵列。

两种工艺结合一起,容易实现晶圆级阵列,且光型相当均匀。在互联的时候需要一些焊球涂点,这些工艺基本是从IC工艺直接引进,因为这跟光学无关,跟电解热有关。

另外,可在硅衬底上做一些“石窠”,我们称为“埋坑”,这个坑的目的是用来安置LED芯片,产出超薄的LED的元器件,其中还有硅铜和混硅铜的镀铜,镀铜一方面可做互联,另一方面可做热管理,因此我们称之为“埋坑铜孔”的结构。这个埋坑铜孔很薄,同时又有铜孔传热,所以热阻非常低,容易实现每瓦5度以下。同时,这个“埋坑”可安置多芯片,无论是单色白光或者RGB,都容易控制。

在硅衬底上实现晶圆级封装,最大的好处是可跟其他的器件做集成,就是所谓的Silicone Integration,即把光源与驱动电源、控制器全部集成在一起,变成一个非常小的模组,所以这是一个高度集成的三维的封装结构。

总的来说,晶圆级封装最大的好处是可以得到非常均匀的模组阵列,且热阻非常低,当大量生产之后,单位成本也可以下降。

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