大功率白光LED封装技术与发展趋势

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1、大功率白光LED封裝技術與發展趨勢一、前言    大功率LED封裝由於結構和工藝複雜，並直接影響到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.機械保護，以提高可靠性；2.加強散熱，以降低晶片結溫，提高LED性能；3.光學控制，提高出光效率，優化光束分佈；4.供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。    LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由晶片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展，LED封裝先後經歷了支架式（LampLED）、貼片式（SMD

2、LED）、功率型LED（PowerLED）等發展階段。隨著晶片功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須採用全新的技術思路來進行封裝設計。    二、大功率LED封裝關鍵技術    大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面，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，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水準的具體體現。從工藝相容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時進行，即晶片設計時就應該考慮

3、到封裝結構和工藝。否則，等晶片製造完成後，可能由於封裝的需要對晶片結構進行調整，從而延長了產品研發週期和工藝成本，有時甚至不可能。圖1 大功率白光LED封裝技術（一）低熱阻封裝工藝　　對於現有的LED光效水準而言，由於輸入電能的80%左右轉變成為熱量，且LED晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括晶片佈置、封裝材料選擇（基板材料、熱介面材料）與工藝、熱沉設計等。　　LED封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結構）內部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸收晶片產生的熱量，並傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬（

4、如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和複合材料等。如Nichia公司的第三代LED採用CuW做襯底，將1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研製了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），並開發了相應的LED封裝技術。該技術首先製備出適於共晶焊的大功率LED晶片和相應的陶瓷基板，然後將LED晶片與基板直接焊接在一起。由於該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路，不僅結構簡單，而且由於材料熱導率高，熱介面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Cur

5、milk公司研製的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和導電層（Cu）在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導率為160W/mk，熱膨脹係數為4.0×10-6/℃（與矽的熱膨脹係數3.2×10-6/℃相當），從而降低了封裝熱應力。圖2（b）覆銅陶瓷基板截面示意圖研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在於減少介面和介面接

6、觸熱阻，增強散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由於熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使介面熱阻很高。而採用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱介面材料，可大大降低介面熱阻。　　（二）高取光率封裝結構與工藝　　在LED使用過程中，輻射複合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要包括三個方面：晶片內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由於折射率差引起的反射損失；以及由於入射角大於全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面塗覆一層折射

7、率相對較高的透明膠層（灌封膠），由於該膠層處於晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。圖3 大功率白光LED封裝結構   此外，灌封膠的作用還包括對晶片進行機械保護，應力釋放，並作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好，流動性好，易於噴塗。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和矽膠。矽膠由於具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優於環氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理

8、屏障帶來的