大功率LED封裝技術(shù)及其發(fā)展要點

1、大功率 LED 封裝技術(shù)及其發(fā)展一、前言大功率 led 封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜， 并直接影響到 led 的使用性能和壽命， 一直是近年來的研究熱點， 特別是大功率白光 led 封裝更是研究熱點中的熱點。 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。經(jīng)過40 多年的發(fā)展， led 封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp led) 、

2、貼片式 (SMD led) 、功率型 led(Power led) 等發(fā)展階段。 隨著芯片功率的增大， 特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對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。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計。二、大功率led 封裝關(guān)鍵技術(shù)大功率 led 封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖 1所示。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是 led 封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言， led 封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進(jìn)行，即芯片設(shè)計時就應(yīng)該考

3、慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整， 從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。性能（含可靠性，加工性，成本）圖1大功率白光LE 口封裝技術(shù)具體而言，大功率led封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：（一）低熱阻封裝工藝對于現(xiàn)有的led光效水平而言，由于輸入電能的 80 %左右轉(zhuǎn)變成為 熱量，且led芯片面積小，因此，芯片散熱是led封裝必須解決的關(guān) 鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇基板材料、熱界面材料）與工藝、熱沉設(shè)計等。led封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實現(xiàn)與外

4、界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、 陶瓷（如，AlN, SiC）和復(fù)合材料等。如Nichia公司的第三代led 采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝 熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低 溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2 （a）,并開發(fā)了相應(yīng)的led封裝技術(shù)。 該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率led芯片和相應(yīng)的陶瓷基板， 然后將led芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊 層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且 由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率 led 陣列封

5、裝提出了解決方案。德國 Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅 陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié) 而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖2 （b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導(dǎo)率為160W/mk ,熱膨脹系 數(shù)為（與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng)力。圖2（a ）悵溫共燒陽建金屬基板研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。 改善led 封裝的關(guān)鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，芯片和散熱基

6、板間的熱界面材料（ TIM ）選擇十分重要。 led 封裝常用的 TIM 為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為 0.5-2.5W/mK,致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。（二）高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝在 led 使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面： 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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損失； 以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層（灌封膠 ） ， 由于該膠層處

7、于芯片和空氣之間， 從而有效減少了光子在界面的損失， 提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高 led 封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應(yīng)力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率led 封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失， 提高外量子效率， 但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力

8、加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響led 光效和光強(qiáng)分布。熒光粉的作用在于光色復(fù)合， 形成白光。 其特性主要包括粒度、 形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低, 出光減少，輻射波長也會發(fā)生變化，從而引起白光 led 色溫、色度的變化， 較高的溫度還會加速熒光粉的老化。 原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成， 散熱性能較差， 當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在 1um以上，折射率大于或等于 1.85

9、，而硅膠折射率一般在1.5 左右。由于兩者間折射率的不匹配， 以及熒光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限（ 30nm ），因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉， 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 ），并能有效改善光色質(zhì)量。傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。 由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制， 導(dǎo)致出射光色彩不一致， 出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。 而 Lumileds 公司開發(fā)的保形涂層（ Conformal coating ）技術(shù)可實現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖 3 （ b ）。但研究表明，當(dāng)熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國 RenssELaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝 (Scattered Phot on Extraction method , SPE),通過在芯片表面布置一個聚焦透 鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%),如圖3(c)。<b)采用保形涂層的封裝結(jié)構(gòu)(c)基于SPE的封喇圖3大功率白光LE口封裝結(jié)構(gòu)總體而言，為提高led的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折 射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將熒光粉內(nèi)摻