大功率白光LED封装技术*

张寅 施丰华 徐文飞 范供齐 王海波

(1.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009;2.南京工业大学电光源材料研究所，江苏南京210015)

1 引言

随着照明技术的发展，大功率白光LED将是未来照明的核心。白光LED作为新型光源，与传统光源相比具有寿命长、体积小、节能、高效、响应速度快、抗震、无污染等优点，被认为是可以进入普通照明领域的“绿色照明光源”，尤其是大功率白光LED的诞生被业界称为“照明领域的第四次革命”，LED大规模应用于普通照明是一个必然的趋势［1～3］。

LED的产业链总体分为上、中、下游，分别是LED外延片、LED封装、LED产品应用。其中关于LED封装，特别是大功率LED封装不能再按照传统的设计理念与生产模式(传统的大功率LED封装技术存在着一些不足，如散热问题、光取出方式等等)［4～6］。大功率LED封装不仅结构和工艺复杂，而且对封装材料有一定的要求，因此，当前需要对传统的封装工艺进行研究。现在我们所面临的挑战:寻找导热性能优良的封装材料;优化封装结构;改进封装工艺。

随着照明技术的发展，为了满足普通照明的要求，大功率芯片随之诞生，这就对LED封装的热学、电学、机械提出了更高要求，传统的小功率LED封装结构和工艺难以满足要求。

2 大功率LED封装的关键技术

相对于普通白光LED，大功率LED芯片具有较大的热流率会产生大量的热量。研究发现，LED器件的光通量与芯片的取光方式和出光效率的封装设计有关，因此LED封装方式将会向以下的几个方向发展。

2.1 低热阻封装工艺

传统的照明对散热问题要求不高，白炽灯、荧光灯可以通过辐射的方式进行散热。白光LED以热传导为主进行散热，LED是由固体半导体芯片作为发光材料，采用电致发光，所以其热量仅有极少部分通过辐射散发出去［7］。对现有的LED器件而言，输入电能的80%左右转变成热能，所以芯片散热管理对LED封装意义重大。芯片散热管理主要包括芯片的位置、封装材料(散热基板、热界面材料)、封装结构(如热学界面)还有热沉设计等。

LED封装两大主要热阻内部热阻和界面热阻，热阻的封装材料散热基板。芯片所产生的热量被散热基板所吸收，并传到热沉上，通过热沉实现与外界进行热交换。常见的LED散热基板的类型有:(1) 高散热金属基板:拥有高热导性、高耐热性、电磁屏蔽等优点。不过，金属基板其缺点是金属热膨胀系数很大。(2) 陶瓷基板散热性更好，且耐高温，耐潮湿等优点，但是由于价格是普通基板的数倍，所以至今还没能成为散热型基板的理想材料。(3) 高热传导可绕基板与传统的可绕基板相同，唯独在绝缘层方面，采用软质环氧树脂充填高热传导性无机物，具有柔软可绕，高可靠性的优点［8］。以上基板的热导率如表1所示:

表1 各种基板的热导率

2.2 倒装芯片封装技术

传统的LED采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石为衬底。在传统的正装LED芯片封装方式中，由于P型GaN掺杂非常困难，现在大多数采用的方法是在P型GaN上制备金属透明电极(见图1)，使电流稳定扩散，达到均匀发光的目的。这种正装结构的PN结是通过蓝宝石衬底来进行散热，由于环氧树脂导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热阻大，导致热量传导不出去，从而影响各个器件的正常工作。

图1 传统正装LED芯片结构示意图

为了克服传统正装LED芯片的缺陷，采用了先进的倒装芯片(flip chip)技术，是在芯片的P极和N极下方用金线焊线机制作两个金丝球焊点(如图2)，作为电极的引出机构，用金线来连接芯片外侧和Si底板。这就克服正装芯片出光效率和电流问题的弊端。从芯片PN极上的热量通过金丝球焊点传到Si热沉，Si是散热的良导体，其散热效果远好于靠蓝宝石来散热。利用倒装芯片封装技术不但提高了LED的寿命，而且使LED整体散热性能有了一次飞跃［9～10］。

图2 Flip chip倒装芯片结构示意图

2.3 热学封装技术

能否成功地解决散热问题对大功率白光LED的发光效率和可靠性有很大的影响。对于单颗LED来说，热量全部来自于芯片，而芯片的尺寸很小热量不能及时的散发出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效。当温度超过一定值，器件的的失效率呈指数规律变化，数据显示:元器件温度每上升2℃，可靠性降低10%。为了保证器件的寿命，一般要求PN极的温度在110℃以下，因此芯片散热是LED封装必须解决的问题［11］。解决热的问题有两种办法:一是提高芯片内量子效率，即提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生;二是LED结构的改进，使内部的热量加快散发，有效地降低芯片的温度［12］。

封装界面对热阻的影响也是很大的，若不正确处理界面，难于获得良好的散热效果。改善LED封装的关键界面之间的空隙，增强散热。所以选择芯片和散热基板的材料十分重要，LED常用的封装材料为导热胶，导热率很低，使界面热阻很高。采用低温的锡膏作为热界面材料，界面热阻大大地降低了。为了取得更好的散热效果，引入了新的固晶工艺，即共晶焊接技术，以Si片焊接作为热沉与晶粒之间的连接材料(结构如图3)其散热效果与物理特性远好于以往使用的Ag胶(Ag胶的热阻高，采用Ag胶就等于人为地在芯片和热沉之间加上一层热阻)，取得了良好的导热效果。

图3 大功率高亮度白光LED结构示意图

3 封装技术的发展方向

LED封装技术主要是向高可靠性、高发光效率、高散热能力与薄型化发展。从芯片来看，水平式芯片最为普遍，垂直式芯片与覆晶型芯片是由一些比较有实力的厂家进行研发，水平式LED使用蓝宝石作为基板，其散热性能较差，光取出效率下降幅度较大，在高电流驱动下。垂直式芯片使发光层的材料得以充分应用，电流密度增大，LED电阻降低，热量减少，大功率白光LED倒装芯片的电流分布的均匀性和散热能力得到提升，从而有效改善倒装芯片的质量和性能。大功率白光LED的封装主流方向如下:

3.1 COB封装技术

COB封装是指直接在电路板上黏贴裸外延片，并将导线直接焊接在PCB的镀金线路上，再通过封胶技术，将IC制造过程中的封装步骤转移到电路板上直接组装。COB的优点在于:线路设计简单、高成本效益、节省系统空间等，但存在着芯片整合亮度、色温调和与系统整合的技术问题。

MCOB技术好，能够有效提高产品的稳定性，更重要的是降低成本，所以MCOB技术将是LED行业的一种主流的封装形式。这是一项基础性技术，MCOB可以有效提高产品效率。中科院提供了关键技术，成功地解决了MCOB成本和散热问题，即磁控建设技术有效地提高了反射率。基于这种技术，是将基材和芯片的直接接触，散热结构只有一层，散热基片上的热量可以直接传到基板上。由于MCOB封装的芯片可以大大降低成本，所以可以认为在不久的将来LED照明的成本可以做到比节能灯高一点或者持平。

3.2 高电压直流芯片封装

正装结构的高电压LED芯片:把一个芯片的外延层分割成数个芯片单元，并把它们串联起来，则构成高电压芯片。晶元推出正装结构的高电压直流芯片，其中红光芯片HF27A的电压为34伏，效率达到128 lm/W，白光达到135 lm/W(5000k)。

3.3 无金线封装

晶科电子最新推出的陶瓷基光源产品系列，该产品采用倒装焊技术产品基于APT专利技术，实现了单芯片及多芯片模组的无金线、无固晶胶封装，具有高亮度、高光效、高可靠性、低热阻、颜色一致性好等特点。

4 结语

封装技术关键在于优良的封装结构、良好的散热性能、低热阻和低机械应力。照明白光LED受多重因素的影响，其中色度稳定性和均匀性、散热条件对LED的性能影响比较大。LED封装设计需要对光学、热学、电学、结构等方面进行综合的考虑，使这几个方面相互达到平衡，以达到最佳效果。大功率白光LED封装只有通过不断地采用新工艺、新材料、新思路才能得以发展。

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