提高取光效率降熱阻功率型LED封裝技術

　　超高亮度LED的應用麵不斷擴大 ，首先進入特種照明的市場領域 ，並向普通照明市場邁進 。由於LED芯片輸入功率的不斷提高 ，對這些功率型LED的封裝技術提出了更高的要求 。功率型LED封裝技術主要應滿足以下兩點要求 ：一是封裝結構要有高的取光效率 ，其二是熱阻要盡可能低 ，這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性 。

　　半導體LED若要作為照明光源 ，常規產品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比 ，距離甚遠 。因此，LED要在照明領域發展 ，關鍵是要將其發光效率 、光通量提高至現有照明光源的等級 。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構 ，雖然其內量子效率還需進一步提高 ，但獲得高發光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低 。現有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率 ，改善芯片的熱特性 ，並通過增大芯片麵積 ，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率 ，從而獲得較高的發光通量 。除了芯片外 ，器件的封裝技術也舉足輕重 。關鍵的封裝技術工藝有 ：

　　散熱技術

　　傳統的指示燈型LED封裝結構 ，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片台上 ，由金絲完成器件的內外連接後用環氧樹脂封裝而成 ，其熱阻高達250℃/W~300℃/W,新的功率型芯片若采用傳統式的LED封裝形式 ，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環氧碳化變黃 ，從而造成器件的加速光衰直至失效 ，甚至因為迅速的熱膨脹所產生的應力造成開路而失效 。

　　因此 ，對於大工作電流的功率型LED芯片 ，低熱阻 、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED器件的技術關鍵 。可采用低阻率 、高導熱性能的材料粘結芯片;在芯片下部加銅或鋁質熱沉 ，並采用半包封結構 ，加速散熱;甚至設計二次散熱裝置 ，來降低器件的熱阻 。在器件的內部 ，填充透明度高的柔性矽橡膠 ，在矽橡膠承受的溫度範圍內(一般為-40℃~200℃) ，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路 ，也不會出現變黃現象 。零件材料也應充分考慮其導熱 、散熱特性 ，以獲得良好的整體熱特性 。

　　二次光學設計技術

　　為提高器件的取光效率 ，設計外加的反射杯與多重光學透鏡 。

　　功率型LED白光技術

　　常見的實現白光的工藝方法有如下三種 ：

　　(1)藍色芯片上塗上YAG熒光粉 ，芯片的藍色光激發熒光粉發出540nm~560nm的黃綠光 ，黃綠光與藍色光合成白光 。該方法製備相對簡單 ，效率高 ，具有實用性 。缺點是布膠量一致性較差 、熒光粉易沉澱導致出光麵均勻性差 、色調一致性不好;色溫偏高;顯色性不夠理想 。

　　(2)RGB三基色多個芯片或多個器件發光混色成白光 ，或者用藍+黃綠色雙芯片補色產生白光 。隻要散熱得法 ，該方法產生的白光較前一種方法穩定 ，但驅動較複雜 ，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度 。

　　(3)在紫外光芯片上塗RGB熒光粉 ，利用紫光激發熒光粉產生三基色光混色形成白光 。由於目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低 ，仍未達到實用階段 。

　　ub8認為 ，照明用W級功率LED產品要實現產業化還必須解決如下技術問題 ：

　　1 、粉塗布量控製 ：LED芯片+熒光粉工藝采用的塗膠方法 ，通常是將熒光粉與膠混合後用分配器將其塗到芯片上 。在操作過程中 ，由於載體膠的粘度是動態參數 、熒光粉比重大於載體膠而產生沉澱以及分配器精度等因素的影響 ，此工藝熒光粉的塗布量均勻性的控製有難度 ，導致了白光顏色的不均勻 。

　　2 、片光電參數配合 ：半導體工藝的特點 ，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(如波長 、光強)和電學(如正向電壓)參數差異 。RGB三基色芯片更是這樣 ，對於白光色度參數影響很大 。這是產業化必須要解決的關鍵技術之一 。

　　3 、根據應用要求產生的光色度參數控製 ：不同用途的產品 ，對白光LED的色坐標 、色溫 、顯色性 、光功率(或光強)和光的空間分布等要求不同 。上述參數的控製涉及產品結構 、工藝方法 、材料等多方麵因素的配合 。在產業化生產中 ，對上述因素進行控製 ，得到符合應用要求 、一致性好的產品十分重要 。

　　檢測技術與標準

　　隨著W級功率芯片製造技術和白光LED工藝技術的發展 ，LED產品正逐步進入(特種)照明市場 ，顯示或指示用的傳統LED產品參數檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要 。國內外的半導體設備儀器生產企業也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件 、標準存在一定的差異 ，增加了測試應用 、產品性能比較工作的難度和問題複雜化 。

　　我國光學光電子行業協會光電子器件分會行業協會根據LED產品發展的需要 ，於2003年發布了“發光二極管測試方法(試行)”,該測試方法增加了對LED色度參數的規定 。但LED要往照明業拓展 ，建立LED照明產品標準是產業規範化的重要手段 。

　　篩選技術與可靠性保證

　　由於燈具外觀的限製 ，照明用LED的裝配空間密封且受到局限 ，密封且有限的空間不利於LED散熱 ，這意味著照明LED的使用環境要劣於傳統顯示 、指示用LED產品 。另外 ，照明LED是處於大電流驅動下工作 ，這就對其提出更高的可靠性要求 。在產業化生產中 ，針對不同的產品用途 ，進行適當的熱老化 、溫度循環衝擊 、負載老化工藝篩選試驗 ，剔除早期失效品 ，保證產品的可靠性很有必要 。

　　電防護技術

　　由於GaN是寬禁帶材料 ，電阻率較高 ，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失 ，累積到相當的程度 ，可以產生很高的靜電電壓 。當超過材料的承受能力時 ，會發生擊穿現象並放電 。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位於芯片上麵 ，間距很小;對於InGaN/AlGaN/GaN雙異質結 ，InGaN活化薄層僅幾十納米 ，對靜電的承受能力很小 ，極易被靜電擊穿 ，使器件失效 。

　　因此 ，在產業化生產中 ，靜電的防範是否得當 ，直接影響到產品的成品率 、可靠性和經濟效益 。靜電的防範技術有如下幾種 ：

　　1 、對生產 、使用場所從人體 、台 、地 、空間及產品傳輸 、堆放等方麵實施防範 ，手段有防靜電服裝 、手套 、手環 、鞋 、墊 、盒 、離子風扇 、檢測儀器等 。

　　2 、芯片上設計靜電保護線路 。

　　3 、LED上裝配保護器件 。

　　功率型LED封裝技術現狀

　　功率型LED分為功率LED和W級功率LED兩種 。功率LED的輸入功率小於1W(幾十毫瓦功率LED除外);W級功率LED的輸入功率等於或大於1W.

　　國外功率型LED封裝技術

　　(1)功率LED

　　最早有HP公司於20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的LED,並於1994年推出改進型的“SnapLED”,有兩種工作電流 ，分別為70mA和150mA,輸入功率可達0.3W.接著OSRAM公司推出“PowerTOPLED”.之後一些公司推出多種功率LED的封裝結構 。這些結構的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍 ，熱阻降為幾分之一 。

　　(2)W級功率LED

　　W級功率LED是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量 ，對W級功率LED的封裝技術進行研究開發 。

　　單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司於1998年推出的LUXEONLED,該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式 ，將倒裝芯片用矽載體直接焊接在熱沉上 ，並采用反射杯 、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料 ，現可提供單芯片1W 、3W和5W的大功率LED.OSRAM公司於2003年推出單芯片的“GoldenDragon”係列LED,其結構特點是熱沉與金屬線路板直接接觸 ，具有很好的散熱性能 ，而輸入功率可達1W.

　　多芯片組合封裝的大功率LED,其結構和封裝形式較多 。美國UOE公司於2001年推出多芯片組合封裝的Norlux係列LED,其結構是采用六角形鋁板作為襯底。LaninaCeramics公司於2003年推出了采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷(LTCC-M)技術封裝的大功率LED陣列 。鬆下公司於2003年推出由64隻芯片組合封裝的大功率白光LED.日亞公司於2003年推出號稱是全世界最亮的白光LED,其光通量可達600lm,輸出光束為1000lm時 ，耗電量為30W,最大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED模塊發光效率達33lm/W.

　　有關多芯片組合的大功率LED,許多公司根據實際市場需求 ，不斷開發出很多新結構封裝的新產品 ，其開發研製的速度非常快 。

　　國內功率型LED封裝技術

　　國內LED封裝產品的品種較齊全 ，據初步估計 ，全國LED封裝廠超過200家 ，封裝能力超過200億隻/年 ，封裝的配套能力也很強 。但是很多封裝廠為私營企業 ，規模偏小 。但我國台灣UEC公司(國聯)采用金屬鍵合(MetalBonding)技術封裝的MB係列大功率LED的特點是 ，用Si代替GaAs襯底 ，散熱好 ，並以金屬黏結層作光反射層 ，提高光輸出 。

　　對於大功率LED封裝技術的研究開發 ，目前國家尚未正式支持投入 ，國內研究單位很少介入 ，封裝企業投入研發的力度(人力和財力)還很不夠 ，形成國內對封裝技術的開發力量薄弱的局麵 ，封裝的技術水平與國外相比還有相當的差距 。