1、大功率LED封裝技術與發展趨勢大功率LED封裝技術與發展趨勢一、前言大功率LED封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到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，以降低芯片結溫，提高 LED性能；3.光學控制，提高出光效率，優化光束分布；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芯片結構、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封裝先后經歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率

2、型LED(Power LED)等發展階段。隨著芯片功率的增大，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，必須采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，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與芯片設計同時進行，即芯片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則,等芯片制造完成后，可能由于封裝

3、的需要對芯片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能。具體而言，大功率 LED封裝的關鍵技術包括:（一）低熱阻圭寸裝工藝對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80 %左右轉變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇（基板材料、熱界面材料）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）內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如IN，SiC）和復合材料等。女0 Nichia公司的

4、第三代LED采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2 （a），并LED芯片和相應的陶瓷基板，然后將LED開發了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德芯片與基板直接焊接在一起。由于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，而且由于材料熱導率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（ AlN或）和導電層（Cu）在高溫高壓下燒結而成，沒有使用

5、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（AIN）的熱導率為160W/于或等于1.85，而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射mk，熱膨脹系數為 （與硅的熱膨脹系數相當），從而降低了封裝熱應力。I幾，廣I產a產6廠K嚴產子：令嚴4嚴= ；亡宀占亡廣J i代C門廠1廠匚1LA13J 珈銅層Ca ）低逼具燒勻金奎工訟浜研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減

6、少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM ）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為 0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。（二）高取光率封裝結構與工藝在LED使用過程中，輻射復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：芯片內部結構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損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層

7、（灌封膠），由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好,流動性好，易于噴涂。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硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點,明顯優于環氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內

8、部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。,出光減少，輻射波長也熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性（熱和化學） 等，其中，發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低會發生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是1um以上，折射率大由環氧或硅膠與熒光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發生溫度猝滅和老化，使發 光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在極限（30nm ）,因而在熒光

9、粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射 率提高到1.8以上，降低光散射，提高 LED出光效率（10%-20 %），并能有效改善光色質量。Lumileds公司開發的保形涂層（ Conformal coat傳統的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行 精確控制，導致出射光色彩不一致，出現偏藍光或者偏黃光。而ing）技術可實現熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖Re（b）。但研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國nsselaer研究所提出了一種光子散射萃取工

10、藝（Scattered P hot on Extractio n method , SPE）,通過在芯片表面布置一個聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60 %)，如圖 3(c)。昨嵋腿透明膠層反光澤片（b）采用fiSB徐層曲封葩構（C）STSPE的封裝結構S3大功率白充LED封爰結構LED出光方總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通 過將熒光粉內摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少 向的光學界面數，也是提高出光效率的有效措施。（三）陣列

11、圭寸裝與系統集成技術經過40多年的發展，LED封裝技術和結構先后經歷了四個階段，如圖4所示。I(b) SMTCc) COB(d) SiPI、巾討蕓技術和結列:展1、引腳式（Lamp） LED封裝引腳式封裝就是常用的3 5mm封裝結構。一般用于電流較小（20 30mA），功率較低（小于0.1W）的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于封裝熱阻較大（一般高于100K/W），壽命較短。2、表面組裝（貼片）式（SMT LED）封裝表面組裝技術（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術。具體而言，就是用特定的工具或設備將芯片引腳對

12、準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB表面上，經過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點，是電子行業最流行的一種封裝技術和工藝。3、板上芯片直裝式（COB） LED封裝COB是Chip On Board （板上芯片直裝）的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到 PCB板上，再通過引線鍵合實現芯片與PCB板間電互連的封裝技術。PCB板可以是低成本的 FR- 4材料（玻璃纖維增強的環氧樹脂），也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料（如鋁基板或覆銅陶瓷基板等）。而引線鍵合可采

13、用高溫下的熱超聲鍵合（金絲球焊）和常溫下的超聲波鍵合（鋁劈刀焊接）。COB技術主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻（一般為6-12W/m.K ）。4、系統封裝式（SiP）LED封裝SiP （System in Package ）是近幾年來為適應整機的便攜式發展和系統小型化的要求，在系統芯片Systemon Chip（ SOC）基礎上發展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP LED而言，不僅可以在一個封裝內組裝多個發光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、光學微結構、傳感器等）集成在一起，構建成一個更為復雜的、完整的系統

14、。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝兼容性好（可利用已有的電子封裝材料和工藝）集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發周期短等優點。按照技術類型不同,SiP可分為四種：芯片層疊型，模組型，MCM型和三維（3D）封裝型。目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸芯片等措施來實現。而這些都會增加LED的功率密度,如散熱不良，將導致 LED芯片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能（如發光效率降低、出射光發生紅移,壽命降低等）。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案

15、,但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于發光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環境中。該方案結構簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED封裝，則必須采用主動散熱， 如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。在系統集成方面，臺灣新強光電公司采用系統封裝技術（SiP）,并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了 72W、

16、80W的高亮度白光 LED光源,如圖5 （a）。由于封裝熱阻較低（4.38 C /W）,當環境溫度為25 C時，LED結溫控制在60 C以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發光性能。而華中科技大學則采用COB封裝和微噴主動散熱技術，封裝出了220W 和1500W 的超大功率 LED白光光源，如圖 5 （b ）。（b ） 2 2 d河垃扎力411，說閣閤模訣（四）封裝大生產技術晶片鍵合（Wafer bonding ）技術是指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片（Wafer）上進行，封裝完成后再進行切割，形成單個的芯片（Chip ）;與之相對應的芯片鍵合（Die bonding ）是指芯片結構和

17、電路在晶片上完成后,即進行切割形成芯片（Die），然后對單個芯片進行封裝（類似現在的LED封裝工藝），如圖6所示。很明顯,晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此,改變現有的LED封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），將大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞，提高封裝成品率和可靠性，因而是一種降低封裝成本的有效手段。圖6晶片合與芯片鍵會封裝對比示慧圖,Q 口 Q QQ QQ Q Q Q Q Q Qn a 口 Q 口 Q2晶片覆合（騎f bondingi）芯片譴合（Die bond

18、ing）Package-le此外，對于大功率 LED封裝，必須在芯片設計和封裝設計過程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式（SS Packaging ），同時簡化封裝結構，盡可能減少熱學和光學界面數，以降低封裝熱阻，提高出光效率。（五）封裝可靠性測試與評估LED器件的失效模式主要包括電失效（如短路或斷路）、光失效（如高溫導致的灌封膠黃化、光學性能劣化等）和機械失效（如引線斷裂，脫焊等），而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間（TTF）來定義，對于照明用途，一般指 LED的輸出光通量衰減為初始的70% （對顯示用途一般定義為初始值的0%）的使用時間。由于 LED壽命長，通常

19、采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存（100 C, lOOOh ）、低溫儲存（55 C, lOOOh ）、高溫高濕（85 C /85 %, lOOOh ）、高低溫循環（LED5C55 C）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而，加速環境試驗只是問題的一個方面，對壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。三、固態照明對大功率LED封裝的要求與傳統照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實現 動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數，滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現

20、在：一）模塊化通過多個 LED 燈（或模塊）的相互連接可實現良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術，可以將多個點光源或 LED 模塊按照隨意形狀進行組合，滿足不同領域的照明要求。二）系統效率最大化為提高 LED 燈具的出光效率,除了需要合適的 LED 電源外,還必須采用高效的散熱結構和工藝,以及優化內/外光學設計，以提高整個系統效率。三）低成本LED 燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優勢（主要指初期安裝成本），而封裝在整個LED 燈具生產成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結構和技術，提高光效/ 成本比，是實現 LED 燈具商品化的關鍵。四）易于替換和維護由于 LED

21、光源壽命長,維護成本低,因此對 LED 燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED 燈具設計易于改進以適應未來效率更高的 LED 芯片封裝要求, 并且要求 LED 芯片的互換性要好, 以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。LED 燈具光源可由多個分布式點光源組成，由于芯片尺寸小，從而使封裝出的燈具重量輕，結構精巧，并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒有現成的設計標準，但同時給設計提供了充分的想象空間。此外， LED 照明控制的首要目標是供電。由于一般市電電源是高壓交流電（220V , AC）,而LED需要恒流或限流電源,因此必須使用轉換電路或嵌入式控制電路（），以實現先進的校準

22、和閉環反饋控制系統。此外，通過數字照明控制技術,對固態光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現,從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯,并且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。四、結束語LED 封裝是一個涉及到多學科（如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等）的研究課題。從某種角度而言, LED 封裝不僅是一門制造技術（ Technology ）,而且也是一門基礎科學（ Science ）,良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED 封裝設計應與芯片設計同時進行,并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中,雖然材料（散熱基板、熒光粉、灌封膠）選擇很重要,但封裝結構（如 熱學界面、 光學界面） 對 LED 光效和可靠性影響也很大, 大功率白光 LED 封裝必須采用新材料, 新工藝, 新思路。對于 LED 燈具而言,更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。參考文獻1 Mehmet Arika, Charles Beckerb, Stanton Weaverb, et al. Thermal Management of