半导体照明LED封装技术与可靠性

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LED技术

一.引言

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。虽然半导体照明事业才刚刚起步，照明用LED还有很多问题要解决，但是，随着化合物半导体技术的迅猛突破和封装技术的不断提高，LED在照明领域的应用开始形成并逐步扩大，半导体LED固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。

半导体照明产业链由衬底制备、外延生长、芯片制造、LED封装和照明应用等环节组成。LED封装处在产业链的中下游，担负着承前启后、上下沟通的重任，既要将上游提供的芯片之性能发挥到极致，又要配合下游照明应用的需要封装出最合适的产品，还要充当产业链中信息沟通和反馈的角色。封装技术对LED性能的好坏、可靠性的高低，起着至关重要的作用。LED要作为光源进入照明领域，必须比传统光源有更高的发光效率、更好的光学特性、更长的使用寿命和更低的光通量成本，传统LED的封装技术是很难达到这些要求的。照明用LED的封装有别于传统LED，必须采用更高更新的封装技术和可靠性控制手段，才能制造出符合照明应用要求的LED光源，使其顺利进入照明领域。

本文通过分析各种照明用LED封装技术的优劣和影响LED可靠性的因素，指出提高LED可靠性的途径，并探究可行的半导体照明LED封装的技术解决方案。

二.LED封装概述

2.1LED封装的一般工艺流程

LED是当一定电流通过时能发出一定颜色光的一种小型半导体器件。LED的核心是芯片，LED的基本光电特性主要取决于芯片；同时，封装对LED的最终性能也起着至关重要的作用。LED封装就是将芯片与电极引线、管座和透镜等组件通过一定的工艺技术结合在一起，使之成为可直接使用的发光器件的过程。LED封装的一般工艺流程如下：

荧光粉烘烤

透镜安装/灌胶成型

胶体烘烤半切初测

二切

测试分档

检验包装荧光粉涂布焊线

固晶烘烤固晶

图1.LED封装一般工艺流程（以白光LED为例）

基于照明领域对光源的要求，照明用LED的封装技术必须有新的变革和发展，其封装工艺流程有别于传统概念的LED。

2.2LED封装的发展过程

随着芯片性能、发光颜色、外形尺寸和安装方式的不断更新进步，以及应用需求的不断增加，LED的封装技术也在不断推陈出新。图2显示的是LED封装形式的演变和技术进步的过程。最早封装的LED直插式LED

食人鱼LED

功率形LED通用照明LED图2.LED封装形式的进程2.3LED的封装形式

常规小功率LED的封装形式主要有：直插式DIPLED、表面贴装式SMDLED、食人鱼PiranhaLED和PCB集成化封装。功率型LED是未来半导体照明的核心，LED的功率化封装是本文研究的主要内容。

目前功率型LED主要有以下封装形式：

三.功率型LED封装的关键技术

3.1照明领域对半导体LED光源的要求

传统LED的光通量与白炽灯和荧光灯等通用光源相比，距离甚远。LED要进入照明领域，首要任务是将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。由于LED芯片输入功率的不断提高，对功率型LED的封装技术提出了更高的要求。针对照明领域对光源的要求，照明用功率型LED的封装面临着以下挑战：

①

更高的发光效率；

②

更高的单灯光通量；

③

更好的光学特性（光指向性、色温、显色性等）；

④

更大的输入功率；

⑤

更高的可靠性(更低的失效率、更长的寿命等)；

⑥

更低的光通量成本。

这些挑战的要求在美国半导体照明发展蓝图中已充分体现（详见表1）。我们可以通过改善LED封装的关键技术，来逐步使之实现。

技术指标照明用LED2002照明用LED2007照明用LED2012照明用LED2020白炽灯荧光灯发光效率(lm/W)25751502001685寿命(khr)20>20>100>100110光通量(lm/lamp)252001,0001,5001,2003,400输入功率(W/lamp)12.76.77.57540每千流明成本($/klm)20020<5<20.41.5单灯成本($/lamp)54<5<30.55显色指数(CRI)7580>80>809575可渗透的照明市场低光通量要求领域白炽灯市场荧光灯市场所有照明领域

表1：美国半导体照明发展蓝图（OIDA2002.11）3.2提高LED的发光效率

3.2.1提高发光效率的途径

LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。提高LED发光效率的主要途径有：

①提高芯片的发光效率；

②将芯片发出的光有效地萃取出来；

③将萃取出来的光高效地导出LED管体外；

④提高荧光粉的激发效率（对白光而言）；

⑤降低LED的热阻。

3.2.2芯片的选择

LED的发光效率主要决定于芯片的发光效率。随着芯片制造技术的不断进步，芯片的发光效率在迅速提高。目前发光效率高的芯片主要有：HP公司的TS类芯片、CREE公司的XB类芯片、WB（waferbonding）类芯片、ITO类芯片、表面粗化芯片和倒装焊类芯片等等。我们可以根据不同的应用需求和LED封装结构特点，选择合适的高发光效率的芯片进行封装。

3.2.3出光通道的设计与材料选择

芯片选定之后，要提高LED的发光效率，能否将芯片发出的光高效地萃取和导出，就显得非常关键了。

3.2.3.1光的萃取

当光线由一种介质进入另一种介质时，入射光一部分被折射，另一部分被反射。若光线由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2），当入射角（i1）大于全反射临界角（ic）时，折射光线消失，光线全部被反射，如图21所示。ic=Sin-1n2/n1,n2＜n1，若n2与n1的数值相差越大，则全反射临界角（ic）越小，光线越容易发生全反射现象。

图21.光线在不同介质界面的折射和反射由于芯片的有源层（即发光层）的折射率较高（GaNn=2.4,GaPn=3.3），如果出光通道与芯片表面接合的物质的折射率与之相差较大（如环氧树脂为n=1.5），则会导致芯片表面的全反射临界角较小，芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用，相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部，造成萃光效率偏低，直接影响LED的发光效率。为了提高萃光效率，在选择与芯片表面接合的物质时，必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。采用高折射率的柔性硅胶作与芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。

GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）→蓝宝石（n=1.8）→环氧树脂（n=1.5）→空气（n=1）；GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）→环氧树脂（n=1.5）→空气（n=1）。采用倒装芯片封装的LED的出光通道折射率匹配比正装芯片要好，出光效率更高。

3.2.3.2光的导出

（1）设计良好的出光通道，使光能够高效地导出到LED管体外：

①反射腔体的设计；

②透镜的设计；

③出光通道中各种不同材料的接合界面设计和折射率的匹配；

④尽可能减少出光通道中不必要的光吸收和泄漏现象。

（2）出光通道材料的选择：

①高的透光率；

②匹配良好的折射率；

③抗UV、防黄变特性；

④高的温度耐受能力和良好的应力特性。

3.2.4荧光粉的使用

就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉；其次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。传统上将荧光胶全部注满反射杯的做法，不但涂布均匀性得不到保障，而且会在反射腔体中形成荧光粉的漫射分布，造成不必要的光泄漏损失，既影响光色的品质，又会使LED光效降低。如图22、23所示。

图22.荧光粉传统涂布方式

图23.荧光粉薄膜式涂布方式

3.2.5热阻的降低

LED自身的发热使芯片的结温升高，导致芯片发光效率的下降。功率型LED必须要有良好的散热结构，使LED内部的热量能尽快尽量地被导出和消散，以降低芯片的结温，提高其发光效率。

芯片结温（TJ）与环境温度（TA）、热阻（RthJA）和输入功率（PD）的关系是：

TJ=TA+RthJAPD在输入功率PD一定的情况下，热阻RthJA的大小对结温的高低有很大的影响，也就是说，热阻的高低是LED散热结构好坏的标志。采用优良的散热技术（将在本文4.3.1中详述）降低封装结构的热阻，将使LED发光效率的提高得到有效的保障。3.3改善LED的光学特性

3.3.1光强的空间分布

与传统光源相比，LED发出的光有较强的指向性，如果控制得当，可以提高整体的照明效率，使照明效果更佳。如何根据照明应用的需要，调控LED的光强空间分布呢？我们可以通过以下步骤来实现。

①清楚了解芯片发光的分布特点；

②根据芯片发光的分布特点和LED最终光强分布的要求设计出光通道：

l

反射腔体的设计；

l

透镜的设计；

l

光线在出光通道中折射和漫射的考虑；

l

出光通道各部分的几何尺寸的设计和配合。

③选择合适的出光通道材料和加工工艺。

3.3.2光色的均匀性

3.3.2.1LED白光生成的技术路线

目前最常用的LED白光生成的技术路线有如下三条：

①

蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）_白光；

②

RGB三基色芯片混色_白光，或BY双芯片互补混色_白光；

③

UV芯片+RGB荧光粉_白光。

其中第三条技术路线还未达到实用阶段。第二条技术路线由于不同颜色芯片的光衰速度不同、芯片的光电参数匹配有一定困难和驱动电路较为复杂等原因，只局限于在一些特殊场合里应用。第一条技术路线的工艺方法相对简单，效率较高，具有实用性，普遍被白光LED产业化生产所采用。

第一条技术路线的工艺方法，是将荧光粉与载体胶混合后涂布到芯片上。在操作过程中，由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而容易产生沉淀，以及涂布设备精度等因素的影响，荧光粉的涂布量和均匀性的控制有难度，导致白光颜色的不均匀。

3.3.2.2改善光色均匀性的方法

①

出光通道的设计；

②

荧光粉粒度大小的合理选择；

③

载体胶粘度特性的把握；

④

改进荧光胶调配的工艺方法，防止操作过程中荧光粉在载体胶内产生沉降；

⑤

采用高精度的荧光粉涂布设备，并改良荧光胶涂布的方法和形式（如图23所示）。

3.3.3色温与显色性

色温点是在黑体辐射轨迹上的，如果光源的色坐标（x,y）不在黑体辐射轨迹上，那光源的色温只能用相关色温来表示（如图24）。光源的色坐标越靠近黑体辐射轨迹，其光色越接近传统光源，其显色性也越好。传统光源通常是用色温来描述其光色的，对白光LED而言，最准确的光色描述应该用色坐标值（x,y）来表示。

图24.

相关色温线图白光LED色温的调控主要是通过蓝色芯片波长的选定、荧光粉受激波长的匹配和荧光粉涂布量、均匀性的控制来实现的。基于第一条LED白光生成技术路线的机理和荧光粉的特性，早期传统的白光LED在高色温区域（>5500K）里，色温的调控比较容易实现，显色性也较好（Ra>80）。而在照明应用通常要求的低色温区域（2700K～5500K）,传统白光LED的色温调控较难，显色性也不佳（Ra<80），与照明光源的要求有一定的差距。即使可以生成低色温的白光，其色坐标也偏离黑体辐射轨迹较远（通常是在轨迹上方），使其光色不正，显色性差。要解决这一问题，关键是荧光粉的改良。我们可以通过添加红色荧光粉，使LED发出的白光的色坐标尽量靠近黑体辐射轨迹，从而改善其光色和显色性。目前改善白光LED在低色温区的显色性的主要方法有：

①

尽量选用短波长的蓝色芯片（λD<460nm）；

②

分析白光LED发光谱线的缺陷，选用含有可以弥补这些缺陷的物质的合适的荧光粉；

③

改善荧光粉的涂布技术，保证荧光粉得到充分而均匀的激发；

④

采用其它具有显色性优势的白光生成技术路线。

3.4

提高LED的单灯光通量和输入功率

目前LED的单灯光通量偏小，独立应用于照明有较大的局限；其输入功率也偏小，需要较多的外围应用电路配合。LED要进入照明领域，必须提高LED的单灯光通量和输入功率。

①在输入功率一定的前提下，提高LED的发光效率是获取更大单灯光通量的最直接的途径；

②采用大面积芯片封装LED，加大工作电流，可以获得较高的单灯光通量和输入功率；

③采用多芯片高密度集成化封装功率型LED，是目前获得高单灯光通量和高输入功率的最常用方法。

在以上途径中，散热技术是关键。提高LED的散热能力，降低热阻，是提高LED的单灯光通量和输入功率得以实现的根本保障。

3.5

改善LED的可靠性

在实际应用中，人们普遍关注的LED可靠性问题主要有：死灯、光衰、色移、闪烁和寿命等等，本文将在第四点详细讨论。

3.6

降低LED的成本

价格高是半导体LED进入照明领域的最终瓶颈。就封装技术而言，LED要降低成本，必须解决以下问题：

①成熟可行的技术路线；

②简单可靠、易于产业化生产的工艺方法；

③通用化的产品设计；

④高的产品性能和可靠性；

⑤高的成品率。

四．LED的可靠性

4.1概述

LED要进入照明领域，其可靠性是人们关注的一大焦点。较之传统的LED，照明LED的输入功率更大，应用环境和条件更加恶劣和严苛，这对LED封装的可靠性提出了更高的要求。我们必须仔细研究LED的失效现象，分析其失效机理，找出影响LED可靠性的关键因素，从而采取相应的可靠性技术，解决LED的可靠性问题。

4.2

LED的失效分析

4.2.1基本概念

（1）可靠性:元器件在规定的条件和时间内，完成规定功能的能力。

（2）失效:元器件执行规定的功能的能力的终止。

元器件可靠性的高低（可靠度）可以通过其失效现象出现的频次（失效率）来描述。

（3）LED的失效类别：

①严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。

②参数失效：关键光电参数由初始值改变至超过规定的程度。

4.2.2

LED的主要失效现象如下表所列：序号失效现象失效类别1开路式短路严重失效2在正常测试条件下光输出中止严重失效3闪烁严重失效4不正常光衰（寿命变短）参数失效5色移参数失效6光指向性变坏参数失效7电参数（VF或IR）变坏参数失效8结构受损严重/参数失效表2

我们可以通过分析LED的失效模式，找出造成以上这些失效现象的原因。

4.2.3

LED的失效模式

（1）芯片失效：指芯片本身失效或其他原因造成芯片失效，从而引发LED失效。

（2）封装失效：指封装设计或生产工艺不当而引发LED失效。

（3）热过应力失效：指由于发生周期性热量变化或LED内部温度超过最大额定值而引发LED失效。

（4）电过应力失效：指由于承受了超过额定的电参数条件或过高的瞬态电流而引发LED失效。

（5）装配失效：指实际使用过程中由于装配不当而引发LED失效。

在以上五种失效模式当中，任何一种模式起作用，都会引发LED不同程度的失效，同时可能连带引发其他模式起作用，从而加剧LED的失效。元器件的可靠性由固有可靠性和应用可靠性两部份组成：固有可靠性是指出厂前的设计制造过程中决定的元器件本身具有的可靠性特性；应用可靠性是指元器件交付使用后，由于电路的工作条件、环境条件、人为因素等引发的可靠性问题的特性。芯片失效和封装失效两种模式属于固有可靠性范畴，热过应力失效、电过应力失效和装配失效更多的属于应用可靠性范畴。对LED封装业界而言，一方面要努力提高LED的固有可靠性，以最大限度地消除来自于应用端的不利因素对LED可靠性的影响；另一方面还要悉心指导应用端用好LED，以提高LED的应用可靠性。

4.2.4影响LED可靠性的主要因素LED在实际使用过程中，芯片不良会导致LED直接失效。环境温度的变化和LED发热在封装结构中产生的机械应力会破坏芯片、金线和电极引脚之间的连接，造成裂痕、机械性脱落或金线断裂，导致LED失效。热过应力产生的高温还会导致芯片发光效率降低，光衰加快、色移等严重后果，是LED可靠性中需重点关注的问题。电过应力产生的冲击有可能直接损坏芯片，或造成金线熔断等现象，致使LED失效。由此可见，影响LED可靠性的因素主要有：芯片的可靠性、机械应力、热应力和电应力等。要提高LED的可靠性，就必须采取相应的可靠性技术，使LED的封装结构尽可能消除或减少这些因素的影响，或提高抵御这些因素影响的能力。4.3

改善LED可靠性的关键技术

4.3.1散热技术

在LED芯片耗散的能量当中，只有小部分（<15%）转化成光，绝大部分（>85%）变成热。如果不及时将芯片的发热导出并消散，大量的热量将积聚在LED内部，芯片的结温将严重升高，发光效率将急剧下降，可靠性（如寿命、色移等）将变坏。同时高温高热将使LED封装结构内部产生机械应力，可能引发一系列的可靠性问题。所以，解决散热问题是改善LED可靠性的重中之重。下面以L公司的Lxx封装S型产品为例，分析LED热量消耗的路径，找出散热技术的关键点。

4.3.1.1LED的散热路径

与传统LED不同，Lxx封装S型产品的散热设计的特点是将电流通道和主散热通道分离。LED芯片有源层（发光区）产生的热量，通过以下三条路径消散：

①

芯片→荧光粉胶层→灌封硅胶→透镜/管体→环境

②

芯片→金线→电极引脚/管体→环境

③

芯片→固晶胶→热沉→粘合胶→铝板→环境

其中第1、2条路径消散的热量有限，大部分的热量是通过第3条路径消散的，它是LED散热的主要路径。

4.3.1.2散热通道分析

（1）好的散热通道应该具备以下条件：

①

通道尽可能短，环节尽可能少；

②

通道材料具有较高的热传导能力，即热传导系数较高；

③

通道物质的热传导能力连续匹配，避免在通道中形成散热瓶颈；

④

与环境接触的材料热消散速度快。

（2）在第1条散热路径中，荧光粉胶层对散热的影响最大，故在满足光学特性的前提下，应尽量选择导热率高的载体胶，并尽可能将荧光粉胶层减薄。在选择灌封胶、透镜和管体材料的时候，除了考虑其光学特性、应力变化特性（热膨胀系数的匹配）外，应更多的考虑其导散热能力。

（3）第2条散热路径实际上也是LED的电流通道，故除了考虑通道的电流承受能力外，应更多地考虑材料的导热能力。采用大线径的金线和高导热的引脚材料是不错的选择。

（4）在主散热通道中，除了考虑选择导热良好的材料外，还应考虑其装配工艺技术实现的可能性。目前蓝宝石衬底的InGaN芯片主要有正装和倒装（flipchip）两种形式。倒装芯片的散热效果要优于正装芯片。

表3是Lxx封装S型产品主散热通道各种材料的导热能力对比（参图18所示）。名称芯片有源层倒装焊球衬底固晶胶热沉粘合胶散热板材料InGaNPbSnSi银胶Cu导热胶Al导热系数（W/mK）170501461.5～254010.5～2.0237表3.主散热通道材料的导热能力分析从上表可以看出，虽然Lxx封装S型产品大功率LED整体的散热能力良好，Rth<15K/W，但其主散热通道仍存在瓶颈，还有改善的空间。

①倒装焊球采用的是PbSn材料，导热率为50W/mK，熔点较低（<170℃）,在装配焊接过程中容易因高温使焊球变形，造成短路或开路，使LED失效，既不便于实际应用操作，又存在环保问题（含铅Pb）。目前倒装芯片的焊球普遍改用金材料