大功率led的封装的研究

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1、大功率LED的封装的研究陶军磊周龙早华中科技大学连接与电子封装中心，湖北武汉4300741引言20世纪60年代，以硅材料为基础发展起来的半导体技术引发了微电子产业革命，带来了信息与通信产业的飞速发展，引领人类迈入了信息时代。从20世纪90年代末，III-V族化合物半导体材料在蓝光芯片领域的突破正孕育着一场新的产业革命—照明产业革命。这场革命的标志是以大功率发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)为光源的半导体照明技术(SolidstateLighting，SSL)。这是自1772年人类发明煤气照明、1876年发明白炽灯、193

2、8年发明荧光灯之后，人类照明史上百年来的一大飞跃。照明技术从此迈入高科技时代，并以更加灵活多变的方式改变人类生活的照明质量。LED的半导体电致发光特性使得其还具有发光效率高、显色性好、安全可靠、色彩丰富和易于维护的特点[6]。在当今环境污染日益严重，气候变暖和能源日益紧张的背景下，基于大功率LED发展起来的半导体照明技术己经被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。1LED的工作原理、结温及其产生原理发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是一种利用半导体制造技术加工的电致发光器件，利用电子-空穴的带间跃迁辐射复合来发光。

3、其机理是通过向LED的p-n结施加正向偏压，降低势垒，使少数非平衡载流子扩散进入p-n结区内，增加区内电子一空穴的复合几率，从而辐射发光。如图1.1所示，为同质结LED辐射复合的原理图。图1p-n同质结LED的带能结构图在理想情况下，电子一空穴对辐射复合的效率可以达到100%，这意味着LED的能量损失将会很小。传统的照明方式中，白炽灯、卤钨灯、高压和低压钠灯都是基于高温热辐射发光，灯丝或电极温度在2000K-5000K之间。荧光灯采用的是气体放电和激发三基色荧光粉的方式发光。高压和低压钠灯也会在灯管壁上涂覆荧光粉改善灯的显色性。热辐射发光普遍存在

4、的问题是能耗过高，而发光效率往往并不高。荧光灯中气体放电发出的光谱是紫外光，而利用紫外光激发荧光粉产生可见光将不可避免的存在较大的能量斯托克斯(Stokes)损失。这导致这些传统的照明方式在能量的利用效率上要低于LED。另一方面，在理论情况下，只要能提供持续的电流和电压，LED就可以维持无限长的寿命，而传统的照明光源尤其是白炽灯的使用寿命只有1000小时左右。对于荧光灯和高压/低压钠灯，在这些灯具使用完毕后，其灯管内填充的汞蒸气无论是散发到空气中或者渗入地下水中，都会对人类的身体产生不良影响。与此相比，LED不仅具有长寿命，而且即使损坏，也不会对

5、环境造成污染。通过表1.1的对比可以发现，多芯片合成白光的技术虽然在流明效率、显色性和颜色控制上具有较明显的优势，但是由于不同芯片之间的驱动电压不同，如红光LED的驱动电压一般为2一2.5V，蓝绿光LED的驱动电压一般为3一3.5V，从而导致总体成本较高，产品可靠性也较差。反观单芯片激发荧光粉技术，由于制造工艺简单易行，成本低廉，己经成为目前商用白光LED的主流技术。随着荧光粉材料激发效率的不断进步，单芯片激发荧光粉合成的白光在显色性和颜色控制上正在不断的改善，有望满足更加复杂的照明需求。2LED的封装结构在整个LED产业链中，封装具有最大的利润

6、。与集成电路器件封装类似，封装材料是LED封装的关键，因为器件封装和组装的产量、器件的可靠性和寿命都是由封装和组装材料的质量以及它们的制造工艺决定的。2.1小功率LED结构小功率的LED封装可以分为两类:通孔型和表面安装型。通孔型组件与径向封装相似，组件从PCB电路板的一侧安装，在另外一侧进行焊接。简单的通孔型(径向)LED封装的示意图如图2所示。通孔型LED最初是为小电流室内应用而设计的，其热阻最大为280K乃万，输入电功率限制在几百mw以内。LED芯片的侧向尺’寸为200一300林m。芯片通过环氧基粘接剂粘结在引线框架上，通过引线框架与外界实

7、现电气连接。引线框架具有反射杯的形状，以及作为LED的散热片。另一个分离的引脚通过金线与LED芯片上表面的焊盘键合连接，作为第二电极。芯片和引线框架由环氧树脂封装形成圆顶形透镜，以获得一定的辐射特性。使用环氧树脂封装，通过芯片一环氧界面和圆顶形环氧透镜，通常可以将光取出效率增大一倍。2.2大功率LED封装结构大功率LED是专为IW或更大功率设计的。功率LED结温比小功率LED的高。ED封装体必须要有能力将芯片产生的热量迅速散去。大功率的LED封装通常包括强型散热基板、金属散热底座，一般安装在主动或被动的散热器上，如图3所示。图2通孔型LED封装图

8、31500mA的封装结构3大功率LED封装技术概述1998年，美国Lumileds公司推出面向大功率LED的Luxeon支架式封装，如图