功率LED封装技术与发展趋势

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1、功率LED封装技术与发展趋势一、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，特别是人功率口光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保扩「，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(Pow

2、erLED)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。为了冇效地降低封装热阻，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。这些因索彼此既相互独立，乂相互影响。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。从工艺兼容性及降低生产成木而言，LED封装设计应与芯片设计同吋进行，即芯片设计吋就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的

3、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，冇时甚至不可能。性能(含可謝生.加工性.成本)

4、图1大功率白光LED封装技术具体而言，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芯片而积小，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)内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，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

5、铝,铜)、陶瓷(如A12O3,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芯片和札I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，热界面少，人人提高了散热性能，为人功率LED阵列封装捉岀了解决方案。徳国Curmilk公司

6、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，没有使丿IJ黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2(b)所示。具屮氮化铝(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。图2(a)低温共烧陶瓷金属基板图2(b)覆铜陶瓷基板截而示意图在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:芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由丁折射率差引起的反射损失；以及由于入射角人于全反射临界角而引起的全反射损

7、失。因此，很多光线无法从芯片屮岀射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光了在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求具透光率高，折射率高,热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，述要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括坏氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高,折射率人，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在人功率LED封装屮得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射

8、率可有效减少折射率物理屏障带來的光了损失，提高外量了效率，但硅胶性能受环境温度影响较人。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而彫响LED光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合，形成口光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等，其屮，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低，岀光减少，辐射波长也会发牛变化，从而引起口光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，