大功率白光LED封装设计与研究进展.doc

大功率白光LED封装设计与研究进展大功率白光LED封装设计与研究进展.txt只要你要，只要我有，你还外边转什么阿老实在我身边待着就行了。听我的就是,问那么多干嘛，我在你身边,你还走错路!跟着我!不能给你幸福是我的错，但谁让你不幸福，我TMD去砍了他 本文由saransiki贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 半导体光电 !# 年 *! 月第 !W 卷第 # 期 陈明祥 等： 大功率白光 -./ 封装设计与研究进展 ! 动态综述 大功率白光 !# 封装设计与研究进展 陈明祥*，! ，罗小兵! ，马泽涛* ，刘 胜*，! （$% 华中科技大学 微系统研究中心，湖北 武汉 &()&； 武汉光电国家实验室微光机电系统部，湖北 武汉 &()&） *% 摘 要： 封装设计、 材料和结构的不断创新使发光二极管 -./） （ 性能不断提高。从光学、 热 学、 电学、 机械、 可靠性等方面， 详细评述了大功率白光 -./ 封装的设计和研究进展， 并对封装材料 和工艺进行了具体介绍。提出 -./ 的封装设计应与芯片设计同时进行， 并且需要对光、 电、 热、 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， 但封装工 艺 界面热阻、 （ 封装应力） -./ 光效和可靠性影响也很大。 对 关键词： 固态照明；大功率 -./；白光 -./；封装 中图分类号：01+(& 2, 文献标识码：) 文章编号：* $ (%#% !#） $ #(+ $ # （ # +,-./012 3/ 4.05.63/6 #1236/ ./, 7121.809 :/ ;36918 ?931 !# ! ! 34.1 56789:6;78*， ，-6;?9678! ，5) AB9C;?* ，-D:8,2： I?L6H IC;CB L68FC678；F68F9P?SBK -./；SF6CB -./；P;NQ;8678 * 引言 发光二极管 -./） （ 制造流程一般分为前道工序 （ 芯片制作） 和后道工序 封装） （ 。其中， -./ 封装， 特别是大功率白光 -./ 封装由于结构和工艺复杂， 并直接影响到 -./ 的使用性能和寿命， 一直是近年 *， 来的研究热点 !。-./ 封装的主要目的是确保发 片不受机械、 潮湿及其他外部影响。此外， 热、 -./ 的光学特性也必须通过封装来实现。 -./ 封装方法、 材料和工艺的选择主要由芯片 具体应用和成本等因素决定。 结构、 电气 U 机械特性、 经过 , 多年的发展， -./ 封装先后经历了支架式 （ -B;H -./ ） 贴 片 式 E5/ -./ ） 功 率 型 -./ 、 （ 和 （ V?SBK -./） 等发展阶段。随着芯片功率的增大， 特别是白光照明发展的需求， -./ 封装的光学、 对 热学、 电学和机械结构等提出了新的要求， 传统的小 功率 -./ 封装结构和工艺难以满足要求。为有效 #(+? 光芯片和电路间的电气和机械接触， 并保护发光芯 收稿日期： !# $ % $ !#& 基金项目： 北 省 !( 年 科 技 攻 关 计 划 招 标 项 目 湖 （!#)*+),） & %&()*+,-).*/ *0.*&1&)./*+()%$ 234 !5 +3 6 ,78 !996 ! 降低封装热阻， 提高发光效率， 必须采用全新的设计 思路。基于我们前期的研究工作和理解， 本文对大 功率白光 !# 封装设计与研究进行了介绍。 处于芯片和空气之间， 从而能有效减少光子在界面 !# 灌封胶的作 的损失， 提高了取光效率。此外， 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， 要求其透光率高， 折射率高， 热 稳定性好， 流动性好， 易于喷涂。为提高 !# 封装 的可靠性， 还要求灌封胶具有低吸湿性、 低应力、 耐 大功率 !# 封装设计主要涉及光、 电和机 热、 械 结构） （ 等方面， 如图 & 所示。这些因素彼此相互 独立， 又相互影响。其中， 光是 !# 封装的目的， 热 是关键， 电和机械是手段， 而性能是具体体现。从工 艺兼容性及降低生产成本而言， !# 封装设计应与 芯片设计同时进行， 即芯片设计时就应该考虑到封 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 研发周期和工艺成本， 有时甚至不可能。如采用低 需要在硅衬底下 温焊料封装 !# 倒装芯片过程中， 表面镀一层金属膜 如金） 该工艺一般在划片前的 （ ， 圆片上进行， 否则等到芯片切割后， 根本无法进行金 属的沉积。 温环保等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和 硅胶。其中， 硅胶由于具有透光率高 可见光范围 （ 内透光率大于 ( ） 折射率高 ， （&) * + &) ,） 热稳定 ， 性好 能耐受 $- . 高温） 应力低 杨氏模量低） （ ， （ ， 吸湿性低 小于 -) $( ） （ 等特点， 明显优于环氧树脂， / 在大功率 !# 封装中得到广泛应用 。研究表明， $% 封装设计 提高硅胶折射率可减少折射率物理屏障带来的光子 损失， 提高外量子效率， 但硅胶性能受环境温度影响 较大。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， 从而影响 !# 光效和光强分 * 布 。 !# 封装荧光粉的作用在于光色复合， 形成白 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） 其中， （ 等， 发光效率和转换效 率是关键。荧光粉的选择必须满足两个条件： 一是 互补性， 即荧光粉材料本身的发射光谱， 必须能与芯 片的发射光谱混合成白光。荧光粉发光特性直接影 响 !# 的色温和显色指数， 通过调节荧光粉含量和 涂层厚度， 色温可在 , + $- 0 变化， 而荧光 粉浓度增加会降低发光效率， 且随着荧光粉涂层厚 度加大， 蓝色发光峰下降， 黄光增加， 色温降低； 另一 图 &% 大功率白光 !# 封装设计框图 个是匹配性。由于荧光粉的转换效率与波长有关， 因此， 荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波 长相匹配， 这样才能获得较高的光转换效率 一般 （ 要求荧光粉转换效率大于 ,( ， 万小时后光转换 &效率衰减小于 &,( ） 。此外， 有研究表明， 温度对荧 光粉的性能影响很大。随着温度上升， 荧光粉量子 效率降低， 出光减少， 辐射波长也会发生变化， 从而 引起白光 !# 色温、 色度的变化， 较高的温度还会 加速荧光粉的老化。其原因在于荧光粉涂层是由环 氧或硅胶与荧光粉调配而成， 散热性能较差， 当受到 紫光或紫外光的辐射时， 易老化， 使发光效率降低。 常用荧光粉尺寸在 & !1 以上， 折射率大于或 等于 &) 2,， 而硅胶的折射率一般在 &) , 左右。由于 两者间折射率的不匹配， 以及荧光粉颗粒尺寸远大 于光散射极限 （/- 31） 因而在荧光粉颗粒表面存 ， 在光散射， 降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳 ! #$ 光学设计 !# 封装的光学设计包括内光学和外光学设 计。内光学设计是指灌封胶和荧光粉设计， 用以提 高光通量、 光效和光色。由于光通量与光效有关， 而 光效则取决于内量子效率以及荧光粉转换效率等， 因此， 内光学设计的关键在于灌封胶和荧光粉的选 择与应用。 辐射复合产生的光子在向 在 !# 使用过程中， 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 法从芯片中出射到外部。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 （ ， 4,*? 半导体光电 *- 年 !* 月第 *8 卷第 - 期 陈明祥 等： 大功率白光 $%& 封装设计与研究进展 9 ! 米荧光粉， 可使折射率提高到 ! # 以上， 降低光散 射， 提高 $%& 出光效率 （!( ) *( ） 并能有效改 ， + 善光色质量 。 满足照明所需的高亮度要求。实际上， 许多 $%& 应 用中都需要对芯片发出的朗伯分布光进行会聚， 使 之变为高斯光分布， 并具有特定的发散角。分析表 明， 具有复合抛物线形状的反光杯的会聚效果最好， # 可以形成均匀的远场光分布 。光束整形一般采 传统的荧光粉涂覆方式是将荧光粉与灌封胶混 合， 然后点涂在芯片上， 如图 * ,） （ 。由于无法对荧 光粉的涂覆厚度和形状进行精确控制， 导致出射光 色彩不一致， 出现偏蓝光或者偏黄光。而基于喷涂 工艺的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆， 保 障了光色的均匀性 - 用透镜方案， 考虑到封装后的集成要求， 用于光束整 形的透镜必须微型化。微透镜阵列在光路中可以发 挥二维并行的会聚、 整形、 准直等作用， 具有排列精 度高， 制作方便可靠， 易于与其他平面器件耦合等优 点， 为实现大功率 $%& 的光束整形提供了很好的解 决方案。研究表明， 采用衍射微透镜阵列取代普通 透镜或菲涅尔微透镜， 可大大改善光束质量， 提高出 ;， 射光强度， 如图 : 所示 !。 ， 如图 * .） （ 所示。但研究表 明， 当荧光粉直接涂覆在芯片表面时， 由于光散射的 存在， 出光效率较低。有鉴于此， 美国 /012203,04 研 究所提出了一种光子散射萃取工艺 56%） 通过在 （ ， 芯片表面布置一个聚焦透镜， 并将含荧光粉的玻璃 片置于距芯片一定位置， 不仅提高了器件可靠性， 而 且大大提高了光效 （-( ） 。基于 56% 技术的 $%& 8 封装结构如图 * 7）所示 。 （ （ ,） 传统封装结构 9 （ .） 采用保形涂层的封装结构 9 图 :9 衍射微透镜阵列及其对 $%& 的光束整形效果 为提高大功率 $%& 的光通量， 可通过以下方法 来实现： !）提高内量子效率， （ 减少热功率密度， 由 于技术所限， 实现起来有一定难度； * ）增加 $%& （ 器件的工作电流， 从而提高 $%& 器件的电功率， 但 散热存在困难； :）采用大尺寸芯片或多芯片阵列。 （ （ 7） 基于 56% 的封装结构 9 图 *9 大功率白光 $%& 封装结构 其中， 采用大功率芯片会降低光效， 而多芯片阵列集 成虽然受限于价格、 空间、 电气连接、 散热等问题， 但 仍不失为一种行之有效的方法。对于 $%& 多芯片 阵列封装模块， 发光均匀性主要取决于封装密度、 芯 片间距以及芯片与目标面的距离。对于 = ,? 为 $%& 封装外光学设计是指对出射光束进行会 聚、 整形， 以形成光强均匀分布的光场。主要包括反 射聚光杯设计 一次光学） （ 和整形透镜设计 二次光 （ 学） 对阵列模块而言， ， 还包括芯片阵列的分布等。 由于 $%& 光源是朗伯分布的， 出射光束发散角 大， 光强分布不均匀， 如果不对光束进行会聚， 难以 ! ,? ! % # $* -+? $%&()*+,(-). )/-)%0%(-.)*($# 123 !4 *2 5 +67 !885 ! 式中， 为芯片与目标面的距离， 为芯片常数， ! 与 芯片出光半角 ! # 有关， 一般取 #$ % &$。图 示出 了芯片间距对光强均匀性的影响。 （ 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、 属 如 铝， 、 瓷 如 :; ?） 和复合材料等。其中， 硅和陶瓷材料加工困难， 成本高， 金属材料的热膨胀系数 A,） （ 和比重大， 均 难于满 足 高 密 度 封 装 要 求。金 属 基 复 合 材 料 如 （ :;?） 可以将金属材料 :;） （ 的高导热性和增强体材 的低热胀系数结合起来， 具有热导率高 大 （ 料 ?） （ 于 $ 4 6 1B） 热膨胀系数 A,） ， （ 可调， 比重小， 强 度和硬度高， 制造成本低等优点， 在微电子、 微波电 子、 光电子等功率型半导体封装中得到广泛应用， 并 ! 已开始应用于大功率 +,- 封装中 。 +C1?/C DEC1?8F 公司则自 行 研 制 了 低 温 共 烧 陶瓷金属基板 +AGH） 并开发了相应的 +,- 封 （ ， 装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率 +,- 芯片和相应的陶瓷基板， 然后将 +,- 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， 大大 提高了散热性能， 为大功率 +,- 阵列封装提出了解 !0 决方案 。图 3 为 +,- 封装用低温共烧陶瓷金属 基板。 图 ( 不同芯片间距对光强均匀性的影响 ! !# 热学设计 由于输入电能的 &$) % *$) 转变成为热量， 只 有大约 !$) % $) 转化为光能， +,- 芯片面积 且 小， 因此， 芯片散热是 +,- 封装必须解决的关键问 ! 题 。好的散热系统， 可以在同等输入功率下得到 或在同样 较低的工作温度， 延长 +,- 的使用寿命； 的温度限制范围内， 增加输入功率或芯片密度， 从而 增加 +,- 灯的亮度。结温是衡量 +,- 封装散热性 能的一个重要技术指标， 由于散热不良导致的 ./ 结 温度升高， 将严重影响到发光波长、 光强、 光效和使 用寿命。+,- 封装散热设计的重点在于芯片布置、 材料选择 键合材料、 （ 基板材料） 与工艺、 热沉设计 等。 （ 其功 对于小功率 +,- 如普通的 0 11 +,-， 率仅为 $2 $30 4） 发热问题并不严重， ， 即使热阻较 高 一般高于 !$ 5 6 4） 采用普通的封装结构即 （ ， 一般采用 可。而半导体照明用的高亮度白光 +,-， 其输入功率为 ! 4 或更高， 芯片 大功率 +,- 芯片， 面积约为 ! 11 7 ! 11， 因此热流密度高达 !$ 4 6 81 以上。此外， 对于大功率 +,- 封装， 为提高光通 !9 量， 一般采用阵列模块方式 。由于发光芯片的高 密度集成， 散热基板上的温度很高， 必须采用热导率 较高的基板材料和合适的封装工艺， 以降低封装热 阻。图 0 为一个典型的 +,- 封装散热结构图。 图 3( 低温共烧陶瓷金属基板 德国 IE1?;J 公 司 研 制 的 高 导 热 性 覆 铜 陶 瓷 板， 由陶瓷基板 :;= 或 :; 9 ） （ 和导电层 I） （ 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、 缘 性 强， 图 # 所 示。其 中 氮 化 铝 绝 如 （ :;=） 的热导率为 !3$ 4 6 1J， 热膨胀系数为 2 $ 7 !$ K 3 6 5 与硅的热膨胀系数 92 7 !$ K 3 6 5 相当） （ ， 从而降低了封装热应力。 图 0( 大功率 +,- 封装散热结构示意图 对于 +,- 封装器件而言， 热阻主要包括材料 303? 图 #( 覆铜陶瓷基板截面示意图 半导体光电 -)( 年 - 月第 -9 卷第 ( 期 陈明祥 等： 大功率白光 !# 封装设计与研究进展 : ! 研究表明， 封装界面对热阻影响也很大， 如果不 能正确处理界面， 就难于获得良好的散热效果。例 如， 室温下接触良好的界面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 !# 封装的关键在于减少界面和界面接触热 阻， 增强散热。因此， 芯片和散热基板间的热界面材 料 $%&） （ 选择十分重要 ( 亮度 !# 八卦灯， 采用了翅片加热管的被动散热方 式。图 ; 为华中科技大学研制的 -) . 超大功率 !# 照明模块， 采用了强制水冷的散热方案。 ! #$ 电学设计 !# 封装的电学设计是指通过电路来实现对 !# 的控制， 包括电源驱动， 色彩和亮度等性能的 变化， 以及使用过程中的电流、 温度、 光学特性的自 9 动反馈， 甚至根据时序的变化， 实现周期性控制 。 。!# 封装常用的 $%& 为导电胶和导热胶， 由于热导率较低， 一般为 )* + , -* + .（ 0?1） 致使界面热阻很高。而采用低温 / ， 焊片、 焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面 材料， 可大大降低界面热阻。 除选用高热导率散热基板和热界面材料外， 如 何将 !# 器件产生的热量有效耗散到环境中也是 一个关键。常用的热沉结构分为被动和主动散热。 被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片， 通过翅 片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方 案结构简单， 可靠性高， 但由于自然对流换热系数较 低， 只适合于芯片功率较低 小于 ) .） 集成度不 （ ， 高的情况。对于大功率 !# 封装， 则必须采用主动 散热， 如翅片加风扇、 热管、 液体强迫对流、 微通道致 冷、 相变致冷等， 根据不同的应用需要选用不同的方 案。比如在功率密度不高、 成本要求较低的情况下， 优先采用翅片加风扇的散热方法； 对于成本要求不 高、 功率密度中等、 封装尺寸小的应用， 则采用热管 比较合适； 而对于功率密度较高， 要求 !# 器件温 度较低的场合， 采用液体强迫对流和微通道致冷比 较 可 行。 2 为 台 湾 345678 公 司 研 制 的 9- . 高 图 控制电路作为 !# 封装的一部分， 可有效解决 !# 2 封装和结构的难题， 因此越来越受到重视 。如便 携式 !# 器件的电源电压会随着使用时间的延长 而降低， 通过调压电路的电压自动补偿功能， 可保证 电源的工作稳定， 从而提高光源的稳定性和有效使 用寿命。 大功率白光 !# 的优势要得到体现，特别是 要保证它的长寿命和色彩均匀的特点， 其驱动设计 至关重要。根据 !# 的 !# 特性， 其工作电流 ! 与 正向电压 # 呈指数关系。由于每个 !# 的正向电 压 # 值不同 与芯片制造工艺有关） （ ，且温度对 # 影响较大， 的稍微增加， 值会急剧增大， !# # ! 使 功耗和温度急剧增加， 导致 !# 的破坏性使用。因 此， 恒压驱动方式虽然结构简单， 但可靠性差。而恒 流驱动正相反， 即使 !# 本身 # 值有所偏差， 或者 温度发生变化， 或者电源电压发生一定的波动， 由于 恒流源的存在， !# 本身的工作状态仍保持不变； 且由于 !# 光输出与 ! 基本成正比关系， 一定的 ! 对应的光输出是一定的， 从而也使 !# 本身的发 热、 亮度和色度维持在恒定的水平。 ! %$ 机械 结构） （ 设计 !# 封装的机械设计包括结构尺寸， 可加工性 及制造成本等。从某种程度而言， !# 封装结构是 上述光学和热学设计的具体实现。根据 !# 器件 的不同应用要求， 封装结构可以差别很大。图 ) 为 一种大功率高亮度 !# 封装结构， 同时具有高效散 图 2: 9- . 高亮度 !# 封装模块 图 ;: -) . 超大功率 !# 照明模块 图 ): 一种高亮度 !# 封装结构 ? (+9? +%,-./012.3/4 /53/%6%.34/0-.+$ 78* !9 08 : 1; !=: Y;TWE9LCE DLA JC; ;5AL=AEC;C5 O Y$ O X;=LS )CB=J =L:CE ，&，/ &） （ ： 6!M6& + P9:ES:9E P YWB:CVS B:IC:W9E= CI DA #$% O 7 &-， 1!： !M2 G:C= XGY$， / R:T?;9=AWCES LA ;WL9LJ：CBLWE5 A5A :JJ #$% B:IC:W9E= 9 =CWB:AEJ JJLWJ SJJ ) 3 (，HA9?W9?:L;: % O，L 9; #$% 7 ;TWE9LCE =CEL:C; 9ES =C;C: WZE5 DE5:S &-， -6： !66M!1 S:J O G:C= XGY$， ! 3CJJ ( (=:CMCBL TJ CI #$%J :J 5CCSJ O #$%J (959， &-： &+M& ! (C:EC Y， )CE=AV 3 Y $II=LJ CE ;TWE9LCE 7 TE LC S;TLCE CE 9:9J CI #$%J O G:C= XGY$， &-， -&： &2/M&+- !& F:=?: H， Q9V: X， L 9; )A:W9; 7 W9E95WEL CI #$%J：G9=?95 LC JJLW O G:C= &1， !/+： 21M+- XGY$， !6 4JT O )，49E Q 8，HAE H，L 9; %J5E CI WT;LM 7 =A IC: ;5ALE5 9BB;=9LCE O G:C= XGY$， &， +2： 1 &2M66 !1 bA9E5 8，c:W9; 7 :I9= W9L:9; DJ 9ES =9:CE ;9=? E A5AM:JJ #$% B9=?95E5 DLA I;=AEC;C5 F G:C= CI &- $H)H !- bT?9TJ?9J F， d9?9TJ?9J 3， YV9E9TJ?9J * 7 T9S:=A:CW9L= DA JC; ;9WB DLA S5S9=? 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