大功率白光LED封装中的关键技术

1、大功率白光LED封装中的关键技术苑晓珊西安电子科技大学，西安，710071摘要：发光二极管(LED)是一类可直接将电能转化为可见光和热等辐射能的发光器件。具有一系列优异特性，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种“绿色照明光源”。目前市场上功率型LED还远达不到家庭日常照明的要求。封装技术是决定LED进入普通照明领域的关键技术之一。文章对LED芯片的最新研究成果以及封装的作用做了简单介绍，重点论述了封装的关键技术。最后指出了未来LED封装技术的发展趋势及面临的挑战。关键词：LED；封装；封装关键技术Packaging Technical Keys of High-power White LED

2、Xiaoshan Yuan Xian Electronics Science and Technology University,Xian,710071,ChinaAbstract：Packaging technique is the key for LED entering the general illuminationLatest research production about LED chips and packaging functions are introduced，technical keys of packaging are discussed，the future tr

3、ends and challenges of LED packagingtechnology are presented in the endKey words：LED；packaging；technical keys of packaging引言：发光二极管（LED）是一类可直接将电能转化为可见光和热等辐射能的发光器件，既有寿命长、体积小、发光效率高、响应时间短、光色纯、结构牢固、性能稳定、可靠性高、节能环保等一系列优异特性，被认定是最有可能进入普通照明领域的一种“绿色照明光源”。目前市场上功率型LED的最高照明效率还远达不到家庭日常照明的要求。为了提高功率型LED发光效率，一方面发光芯片的

4、效率有待提高；另一方面，功率型LED的封装技术也需要进一步提高。从结构设计、材料及工艺技术等多方面入手提高产品的封装取光效率。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，特别是大功率白光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、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支

5、架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新。面对巨大的市场机会，世界各大公司加大了对芯片及其封装技术的研发力度，以期解决两个技术关键：如何提高发光效率和提高器件总的光通量。为此对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来进行封装设计。而加速大功率LED产品用于普通照明进程更是产业界发展的主流方向。1 LED芯片1.1 LED芯片基础知识发光二极管（Light-Emitting Diode，简称L

6、ED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现而续渐发展至被用作照明。LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在

7、每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率(有效照度对用电量的比值)上仍然低于新型的荧光灯。1.2大功率LED芯片大功率高亮度半导体照明芯片的开发是半导体照明产业化工程的关键技术之一，从芯片的演变历程中发现，各大LED生产商在制造芯片技术上不断改进，如利用不同的电极设计控制电流密度、采用氧化铟锡(ITO)透明电极改变LED芯片的电流能分布均匀性等，使LED芯片在结构上尽可能多产生光子；六边形突起的蓝宝石衬底可散射更多有源层发射光，有效提高LED取光效率；利用亚光表面增

8、加光线的透出等等。LED芯片制造商不断研发出新品，进一步提高了芯片的发光效率。台湾大功率LED封装制造商艾迪森(Edison Opto)公司的Edixeon大功率KLC8系列整合了艾迪森最先进的封装技术。在lA驱动电流下光通量为250lm。350mA下光效为100lm。且寿命超过5万小时。Cree公司推出了基于EZBright 1000芯片的1601m白光大功率LED。日本LED芯片制造商日亚(Nichia)采用MOCVD法制备出的芯片光通量达106lm(350mA)，与30w白炽灯的总光通量相当。首尔半导体单芯片白光LED在350mA下典型光效为100lm。LED芯片供应商普瑞斯光电推出BS

9、V系列侧面出光LED芯片，封装后的白光LED的典型光强值为l500mcd，其领先的性能和成本效率为背光照明侧面出光法带来了新气象。2 LED芯片的封装LED封装是采用金线将LED发光芯片电极引出，同时采用多种材料将发光芯片和金线保护起来，同时完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光功能的过程。2.1LED芯片封装成发光二极管的形式LED芯片的封装形式很多，针对不同使用要求和不同的光电特性要求，有各种不同的封装形式，归纳起来有如下几种常见的形式：（1）软封装芯片直接粘结在特定的PCB印制板上，通过焊接线连接成特定的字符或陈列形式，并将LED芯片和焊线用透明树脂保护，组装在特定的外壳中。这种钦

10、封装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。（2）引脚式封装常见的有将LED芯片固定在2000系列引线框架上，焊好电极引线后，用环氧树脂包封成一定的透明形状，成为单个LED器件。这种引脚或封装按外型尺寸的不同可以分成3、5直径的封装。这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离，可以获得各种不同的出光角度：15°、30°、45°、60°、90°、120°等，也可以获得侧发光的要求，比较易于自动化生产。（3）微型封装即贴片封装将LED芯片粘结在微小型的引线框架上，焊好电极引线后，经注塑成型，出光面一般用环氧树脂包封。（4）双列直插式封装用

11、类似IC封装的铜质引线框架固定芯片，并焊接电极引线后用透明环氧包封，常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装，这种封装芯片热散失较好，热阻低，LED的输入功率可达0.1W0.5W大于引脚式器件，但成本较高。（5）功率型封装功率LED的封装形式也很多，它的特点是粘结芯片的底腔较大，且具有镜面反射能力，导热系数要高，并且有足够低的热阻，以使芯片中的热量被快速地引到器件外，使芯片与环境温度保持较低的温差。LED封装相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光。所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。当前，LED芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生

12、产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。图2-1当今主流的功率型SMD-LED的封装流程图2.2 LED封装的工艺流程芯片检验扩片点胶备胶手工刺片自动装架烧结压焊点胶封装灌胶封装模压封装固化与后固化切筋和划片测试包装2.3 LED封装的作用LED封装结构和工艺均较复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，近年来一直是研究的热点，特别是大功率白光LED封装。LED封装的主

13、要目的是为了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、潮湿及其他外部因素的影响，同时，LED的光学应用特性也必须通过封装来实现。封装工艺过程可能对MEMS器件的性能造成极大的影响，这种影响因素很多，也很复杂。机械的影响有应力、振动和冲击；化学的影响有气体、湿度和腐蚀；物理的影响有温度、压力和加速度。在设计MEMS器件时必须对这些因素进行认真的分析和研究，以便将这些因素的影响减到最小。目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到lmA甚至1A级，工作时会产生大量的热，新的LED封装设计理念是要采用低热阻封装结构及技术。例如，采用增大芯片面积，采用倒装芯片结构、选用导热性能优良

14、的基板材料、芯片凸点的硅载体直接装在热沉上、采用强制冷却的方法将产生的热量尽快地导出等。2.4 功率型封装LED封装形式、材料和工艺的选择主要由LED芯片的结构、电气，机械特性、应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了引脚式(Lead LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。引脚式封装一般只适用于功率较小的指示用LED中，随着单颗LED芯片功率的增大，特别是白光照明发展的需求，对LED封装的光学性能、热性能、电性能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，必须采用新的封装材料、结构和工艺。5W系列功

15、率型LED从2003年初开始供货，10w功率的uD芯片已开发出，管芯尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm。功率型封装的特点是粘结芯片的底腔较大且具有镜面反射能力，导热系数高，热阻小，芯片中的热量能被快速地传到器件外。Lumileds公司大功率LED封装采用低热阻、高可靠性、被称为Luxeon的封装结构。该封装结构的特点是采用散热加电分离，将AlGalnN功率型LED芯片倒装在具有凸点的硅载体上，然后再把硅载体装入带热沉的管座中。键合引线并完成后续封装。采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了发热。可在较大的电流密度

16、下稳定可靠地工作，比普通LED热阻低得多。2.5 封装关键技术随着大功率LED的发展，输入功率和发光亮度均在大幅度提高功率型LED封装时，散热提出了更高的要求，新的芯片焊接工艺随之发展起来。如芯片共晶焊和倒装焊技术。这样可提高LED封装取光效率，改善芯片的热特性，并通过先进的底板材料增加传热特性，从而保证器件的可靠性。2.5.1倒装焊技术倒装焊技术是通过芯片上的凸点直接将芯片焊点用焊料或者导电胶互连到基板上的一种工艺“倒装”是相对于引线键合芯片面朝上而言。基本工艺过程是先在基板和芯片上制作焊料凸点然后使用贴片设备进行对准、贴片和回流焊接，最后进行填充和固化。其工艺关键是基板和芯片凸点焊料的选择

17、以及凸点设计和制作。功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等。在LED封装中引入了热沉、光学透镜、柔性透明硅胶等新型材料和结构(如图2-2所示)实行LED芯片散热、加热结构，这样可以大大提高器件的散热特性和出光效率，保证器件工作时的可靠性。实现封装的小型化、轻便化，可缩小封装后器件的体积和重量。2.5.2 共晶焊技术用共晶焊技术将LED芯片焊接于散热基板或热沉上，然后再将LED芯片连同散热基板或热沉焊接于封装器件上，这样可以增强器件散热能力。常用的散热基板材料有硅、铜、陶瓷等，铝基覆铜板是新开发出的散热优良的基板材料。共晶焊接的技术关键是共晶材料的选择和焊

18、接温度的控制。InGaN LED如采用共晶焊接，芯片底表面可用纯锡或金锡合金做接触层，这样芯片即可焊接于镀有金或 图2-2 LED倒装焊结构示意图银的基板上。当基板加热到合适的共晶温度时金或银元素渗透到纯锡或金锡合金层，合金层成分比的改变，熔点也发生变化令共晶层固化并将LED芯片焊于热沉或基板上。共晶温度由芯片底表金属材料的耐热程度而定。Cree公司的XB功率型LED芯片系列。它融合了Cree公司高效率的InGaN材料和独有的碳化硅衬底。采用几何学增强和倒置电极结构以保证最大化出光效率，仅需单电极连接，芯片背面连接金属是Au80Sn20(wt)，芯片连接采用共晶焊技术，熔解温度约为282。 散

19、热技术根据Haitz定律的推论，高亮度LED的封装热流密度每隔1824个月就会增加l倍，这种趋势在过去已经持续了30年。热流增加的原因包括芯片外延技术的进步，新的封装设计以及更高的驱动电流。2006年6月日亚化学工业已经开始提供可达100lm白光LED的样品，一个0.9mm高亮度LED芯片的热流密度已经达到125。目前LED封装的研究热点集中在芯片级的热管理，以其解决LED工作时的散热问题。固态照明器件的发光效率和可靠性依赖于成功的热管理。对于一个40 lm的白光LED来说，通常有15的能量转化为可见光其余的85全部转化为热。因此封装的散热、热应力和成本成为影响其性能和应用的主要问题。温升效应

20、对LED器件的性能产生严重的影响。温升使LED光转化效率变低，正向压降变大，光波红移，色温改变，寿命缩短，可靠性降低。因此。温度是影响白光LED性能，特别是寿命和光效的最主要的因素之一，大功率LED的热管理对其长期的可靠性起着关键的作用。必须寻找导热性能优良的封装材料，在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。显然，减小LED温升效应的主要方法有两条途径，一是设法提高器件的电光转换效率；另一个是设法提高器件的散热能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。为了降低热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括热沉、粘结胶等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。其次结构设计要合理，各材

21、料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发。同时，要从工艺上确保热量按照预先设计的散热通道及时地散发出去 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芯片面积小，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（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，

22、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；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2-3，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，大大提高了散热性能，为大功率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（AlN或Al2O3）和

23、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2-4所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×106/（与硅的热膨胀系数3.2×106/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。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导

24、率较低，一般为，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面材料，可大大降低界面热阻。图2-3低温共烧陶瓷金属基板图2-4覆铜陶瓷基板截面示意图 高取光率封装结构与工艺在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，灌封胶的作用还

25、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、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效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。荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性

26、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。研究表明，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。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，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在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

27、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。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。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Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性。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Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon

28、 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）。3 封装趋势与挑战目前大功率型LED所使用的外延材料为MOCVD外延生长技术和多量子阱结构的圆片虽然现在其内量子效率并未达到最高，还有进一步提高的空间。但是研究发现，获得LED器件高光通量的最大障碍依旧是芯片的取光方式与高出光效率的封装结构设计因此未来LED封装技术将朝着以下几个方向发展。3.1 无铅化封装迄今为止，业内认定的无铅焊料在物理化学性能、工艺性能以及可靠性等诸多方面，还无法与传统的铅锡焊料相比，人们对LED封装的无

29、铅化的应用还处于探索和实验阶段，还有相当长的路要走，出于对环保的考虑，使用含铅焊料的电子、电器产品将无法进入市场，对于LED封装业来说，无铅化技术的应用已是无法避免的。3.2 高集成化封装要获得大功率的LED器件并应用于未来的照明场合，通常有两种做法：一是直接采用大功率芯片，但受制于LED芯片技术发展，否则得到的光源亮度有限；二是采用多芯片集成封装，将多个小功率芯片阵列集成于一个基板上，当然这需要采用足够低热阻的封装结构。3.3标准模块封装MEMS封装成本较高的一个重要原因是没有统一标准。为了克服这些缺点，德国FraunhoferIZM提出了标准模块(MOMEMS)封装的概念。使用标准化的外部

30、接口，适用于标准化的批量封装生产，从而降低成本缩短进入市场时间。因此，建立LED封装技术的国家、企业技术标准以满足标准模块封装要求也是未来的发展趋势。4 致谢论文的顺利完成，离不开包老师的悉心教导，离不开朋友们的互相帮助，在此感谢包老师和帮助过我的同学和朋友！参考文献：1Frank wallPauI SManinGerard HarbesHigh Power LED Package RequirementsJProccedings of SPIE，20035187：85-922Jeff Y Tsao-state lighting：lamps,chips and materials for tomorrow JIEEE CircuitsDevices，2004，20(3)： 28373关荣锋，汪学方，等MEMS封装技术及标准工艺研究J半导体技术，2005. l(30)：50-544DarIiel AsteigerwaIdJcmme CBhat，Dave CollinsMu-mination With Solid State Lighting TechologyJ.IEEE Journal on Selected