大功率LED封装技术与发展趋势.doc

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1、大功率LED封装技术与发展趋势人功率LED封装技术与发展趋势摘要：木文从光学、热学、电学、可靠性等方面，详细评述了人功率□光LED封装的设计和研究进展，并对人功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与芯片设计同时进行,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、荧光粉、灌封胶)选择很重要，但封装结构屮应尽可能减少热学和光学界面，从而降低封装热阻，提高出光效率。文屮最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。■AZ.•、刖吞人功率LED封装由于结构和T艺复杂，并肓

2、接影响到LED的使用性能和寿命，一肓是近年來的研究热点，特别是人功率□光LED封装更是研究热点小的热点。LED封装的功能主要包括：1•机械保护，以提高可靠性;2.加强散热，以降低芯片结温，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芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成木等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经丿力了支架式(LampLED)、贴片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)

3、等发展阶段。随着芯片功率的增大,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，提高出光效率，必须采用全新的技术思路來进行封装设计。二、人功率LED封装关键技术人功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方血，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封装的日的，热是关键，电、结构与T艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计吋就应该考虑到封

4、装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成木，有时甚至不可能。图1人功率口光LED封装技术具体而言，人功率LED封装的关键技术包括：(%1)低热阻封装工艺对于现有的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芯片血积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择(基板材料、热界血材料)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)内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收

5、芯片产生的热量，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硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如A1203,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芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2(a),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人功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯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

6、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，热界血•少，人人提高了散热性能，为人功率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(A1N或A1203)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2(b)所示。其小氮化铝(A1N)的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.OX10-6/°C(与硅的热膨胀系数3.2X10-6/°C相当)，从而降低了封装热应力。性能(含可靠性•加工性•成本)

7、图2(b)覆铜陶瓷基

8、板截面示意图研究表明，封装界面对热阻影响也很人，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界血在高温下可能存在界面间隙，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界血和界血接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界血•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,致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界血材料，可人人降低界血热阻。(%1)高取光率封装

9、结构与T艺在LED使用过程小，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方血：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界血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，很多光线无法从芯片屮出射到外部。通过在芯片表血涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。