大功率LED的封装技术

《大功率LED的封装技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、本文从光学、热学、电学、可靠性等方面，详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展，并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与晶片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料（散热基板、萤光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构中应尽可能减少热学和光学介面，从而降低封装热阻，提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。一、前言　　大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的

2、功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低晶片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。　　LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式（LampLED）、贴片式（SMDLED）、功率型LED（PowerLED）等发展阶段。随着晶片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光

3、效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。二、大功率LED封装关键技术　　大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。　　具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：　　（一）低热阻封装工艺　　对

4、于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择（基板材料、热介面材料）与工艺、热沉设计等。LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AIN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；

5、LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热介面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AIN和Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强、如图3所示。其中氮化铝（

6、AIN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃（与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当），从而降低了封装热应力。研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的介面在高温下可能存在介面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少介面和介面接触热阻，增强散热。因此，晶片和散热基板间的热介面材料（TIM）选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内

7、掺纳米颗粒的导电胶作为热介面材料，可大大降低介面热阻。（二）高取光率封装结构与工艺　　在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构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损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折

8、射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，