大功率白光LED封装设计与研究进展

1、大功率白光LED封装设计与研究进展陈明祥摘 要：由于封装设计、材料和结构的不断创新使LED性能不断提高。本文从光学、热学、电学、机械、可靠性等方面,详细评述了大功率白光LED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，但封装工艺（界面热阻、封装应力）对LED光效和可靠性影响也很大。关键词：固态照明；大功率LED；白光LED；封装Innovative advances in packaging design and research of

2、high-power white LEDAbstracts: Innovative designs, materials and structures of packaging have led to dramatic improvements of the performance in LED technology, round breaking performance records are being reported constantly. An overview of the rapid progresses in packaging design and research of h

3、igh-power white light emitting diodes (LEDs) is presented. This article summaries the packaging designing of LED in optics, thermal, electrics, mechanics and reliability, and introduces the packaging material ands processes in details. It is proposed that packaging and chip of LED should be co-desig

4、ned, and the effect of optical, thermal, electrical and mechanical should be considered at the same time. Although it is important to choose the packaging materials (such as thermal spreading substrate, phosphors and silicone), the interface thermal resistance and thermal stress resulted in packagin

5、g processes have great affect on the optical efficiency and reliability of packaged LED.Keywords: Solid State Lighting, high-power LED, White LED, Packaging1 前言LED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，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1-2。LED封装的主要目的是确保发光芯片和电路间的电气和机械接触，并保护发光芯片不受机械、热、

6、潮湿及其它的外部影响。此外，LED的光学特性也必须通过封装来实现。LED封装方法、材料和工艺的选择主要由芯片结构、电气/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(Lead LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)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，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的要求，传统的小功率LED封装结构和工艺难以满足要求。为有效降低封装热阻，提高出光效率，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LED封装设计与研究进行了介绍。2 封装设计大功率

7、LED封装设计主要涉及光、热、电和机械（结构）等方面，如图1所示。这些因素彼此相互独立，又相互影响。其中，光是LED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，LED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。如采用低温焊料封装LED倒装芯片过程中，需要在硅衬底下表面镀一层金属膜（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。LED产品设计机 械电 学光 学热 学封装工艺与结构

8、性能（含可靠性, 加工性, 成本） 图1 大功率白光LED封装设计框图2.1 光学设计LED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。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

9、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。此外，LED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LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐候环保等特性。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99），折射率高（1.4-1.5）,热稳定性好（能耐受200高温），应力低（杨氏模量低），吸湿性低（小于0.2%）等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用3。研究表明，提高硅胶折射率可

10、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LED光效和光强分布4。LED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）等，其中，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LED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500020000K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

11、降，黄光增加，色温降低；另一个是匹配性。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95，10万小时后光转换效率衰减小于15）。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LED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1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶的折射率一般在

12、1.5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（30nm），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米荧光粉，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），并能有效改善光色质量5。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上，如图2(a)。由于无法对荧光粉的涂敷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（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性6，如图2(b)所示。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由

13、于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method，SPE)，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（60）。基于SPE技术的LED封装结构如图2(c) 所示7。反光杯透明胶层反光杯散射光掺荧光粉胶层掺荧光粉玻璃片反光杯发光芯片掺荧光粉胶层贴片胶 (a) 传统封装结构 （b）采用保形涂层的封装结构 (c) 基于SPE的封装结构图2 大功率白光LED封装结构LED封装外光学设计是指对出射光束进行会聚、整形，

14、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LED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，难以满足照明所需的高亮度要求。实际上，许多LED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8。光束整形一般采用透镜方案，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

15、其它平面器件耦合等优点，为实现大功率LED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3所示9-10。 (b) 图3 衍射微透镜阵列及其对LED的光束整形效果为提高大功率LED的光通量，可通过以下方法来实现：(1) 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；(2) 增加LED器件的工作电流，从而提高LED器件的电功率，但散热存在困难；(3) 采用大尺寸芯片或多芯片阵列。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，仍不失为一种行之有效的方法。

16、对于LED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44阵列模块，获得均匀光分布的最大芯片间距dmax为11：dmax其中，Z为芯片与目标面的距离，m为芯片常数，与芯片出光半角q1/2关，一般取为7080。图4显示了芯片间距对光强均匀性的影响。d=dmaxd=1.1dmax图4 不同芯片间距对光强均匀性的影响2.2 热学设计由于输入电能的8090转变成为热量（只有大约1020转化为光能），且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题12。好的散热系统，可以在同等输入功率下得到较低的工作温度，延长LED的使用寿命；或在同样的温度限制

17、范围内，增加输入功率或芯片密度，从而增加LED灯的亮度。结温是衡量LED封装散热性能的一个重要技术指标，由于散热不良导致的pn结温度升高，将严重影响到发光波长、光强、光效和使用寿命。LED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。对于小功率LED（如普通的5mmLED，其功率仅为0.065W），发热问题并不严重，即使热阻较高（一般高于100/W），采用普通的封装结构即可。而半导体照明用的高亮度白光LED，一般采用大功率LED芯片，其输入功率为1W或更高，芯片面积约为11mm2，因此热流密度高达100W/cm2以上。此外，对于大功率LED封装，为提高光通量

18、，一般采用阵列模块方式13，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5为一个典型的LED封装散热结构图。图5 大功率LED封装散热结构示意图对于LED封装器件而言，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（如铝、铜）、陶瓷（如Al2O3、AlN、SiC）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（CTE）和比重大，均难以满足高密度封装要求。金属基复合材料（如AlSiC）可以将

19、金属材料（Al）的高导热性和增强体材料（SiC）的低热胀系数结合起来，具有热导率高（大于200W/mK）,热膨胀系数（CTE）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LED封装中14。Lamina Ceramics公司则自行研制了低温共烧陶瓷金属基板（LTCC-M），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

20、提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案15。图6 (a)为LED封装用低温共烧陶瓷金属基板。铜层AlN基板 图6（a）低温共烧陶瓷金属基板 图6（b）覆铜陶瓷基板截面示意图德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或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6（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0106/（与硅的热膨胀系数3.2106/相当），从而降低了封装热应力。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，就难以获得良好的散热效果。例如，室温

21、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LED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（TIM）选择十分重要16。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/m.K，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LED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。

22、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（10W），集成度不高的情况。对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片风扇、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LED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。图7为台湾 NeoPac公司研制的72W高亮度LED八卦灯，采用了翅片热管的被动散热方式。图8为华中科技大学研制的200W超大功率LED

23、照明模块，采用了强制水冷的散热方案。 图7 72W高亮度LED封装模块 图8 200W超大功率LED照明模块2.3 电学设计LED封装的电学设计是指通过电路来实现对LED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、光学特性的自动反馈，甚至根据时序的变化，实现周期性控制17。控制电路作为LED封装的一部分，可有效解决LED封装和结构的难题，因此愈来愈受到重视18。如便携式LED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LED的优势要得到体现, 特别是要保证它的长寿命和

24、色彩均匀的特点, 其驱动设计至关重要。根据LED的I-V特性，其工作电流If 与正向电压Vf 呈指数关系。由于每个LED的正向电压Vf 值不同（与芯片制造工艺有关）, 且温度对Vf 影响较大，Vf 的稍微增加, If 值会急剧增大，使LED功耗和温度急剧增加，导致LED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LED本身Vf 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, LED本身的工作状态保持不变，并且由于LED光输出与If 基本成正比关系, 一定的If 对应的光输出是一定的，从而也使LED本身的发热、亮度和色度维持在恒

25、定的水平。2. 4 机械(结构)设计LED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，LED封装结构是上述光学和热学设计的具体实现。根据LED器件的不同应用要求，封装结构可以差别很大。图9为一种大功率高亮度LED封装结构，同时具有高效散热、电路控制、及对出射光束进行会聚整形等功能19。直流电源高效散热结构（翅片）发光芯片阵列复合抛物线型聚光杯电源及控制电路微透镜阵列图9 一种高亮度LED封装结构2. 5 可靠性设计与测试 LED器件的失效模式包括电失效（电流、电压过载）、热失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和封装失效（如引线断裂，脱焊等）20。LED的使用寿命

26、以平均失效时间（MTTF）来定义，一般指LED的输出光通量衰减为70（也有定义为50）的使用时间。由于LED的寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估，测试内容主要包括高温储存（100，1000h）、低温储存（55，1000h）、高温高湿（85/85，1000h）、高低温循环（8555）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。3 结语LED封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术（Technology），而且是一门基础科学（Science），良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质

27、的理解和应用。LED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，但封装工艺（如界面热阻、封装应力）对LED光效和可靠性影响也很大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。参考文献1 Robert F. Karlicek. High Power LED Packaging. Proc. of 2005 Conference on Lasers & Electro-Optics (CLEO), 2005, 337-3392 钱可元, 胡飞, 吴慧颖等. 大功率白光LED封装技术研究. 半导体光电,

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