大功率照明级LED的封装技术

大功率照明级LED的封装技术
2011-5-17 11:02:34 电子工程世界行业分类:封装浏览

　　大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率，给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。

　　从实际应用的角度来看，安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求，但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流、电压关系，必须设计复杂的供电电路。相比之下，大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。所以说，大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率，给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。

1、大功率LED芯片

　　要想得到大功率LED器件，就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种：

　　① 加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流均匀分布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。

　　② 硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理，既考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的生产方式。

　　美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层；经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm，P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。

　　③ 陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热效果非常理想，价格又相对较低，所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。

　　④ 蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后，将蓝宝石衬底切除，再连接上传统的四元材料，制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。

　　⑤ AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AlGaInN LED发展的另一主流产品。

2、功率型封装

　　功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED，该公司于1994年推出的改进型的“Snap LED”有两种工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍，热阻降为原来的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器件的核心部分，所以世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。

　　LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比φ5mm LED大10~20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装是其关键技术，目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场，白光LED的光输出达187lm，光效为44.3lm/W。目前正开发出可承受10W功率的LED，采用大面积管芯，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm。

　　Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中，键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。

　　在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度型LED，PCB板作为器件电极连接的布线使用，铝芯夹层则可作为热衬使用，以获得较高的光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD-LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

　　超高亮度LED作为信号灯和其他辅助照明光源应用时，一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或标准灯座上，使用寿命可达到10万小时。2000年已有研究指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光强已降至原来的一半。事实上，采用Φ5mm白光LED阵列的发光装置，其寿命可能只有5000h。不同颜色的LED的光衰减速度不同，其中红色最慢，蓝、绿色居中，白色最快。由于Φ5mm封装的LED原来仅用于指示灯，其封装热阻高达300℃/W，不能充分地散热，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外，环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题，管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类，一类为单芯片功率型封装，另一类为多芯片功率型封装。

　　（1）功率型LED的单芯片封装

　　1998年美国Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构，这种功率型单芯片LED封装结构与常规的Φ5mm LED封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将背面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上，然后再将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的，其主要特点有：

　　① 热阻低。传统环氧封装具有很高的高热阻，而这种新型封装结构的热阻一般仅为14℃/W，可减小至常规LED的1/20。

　　② 可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在40~120℃时，不会因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象，金属引线框架也不会因氧化而脏污。

　　③ 反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控，光学效率最高。在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板（铝芯PCB板）上，电路板作为器件电极连接的布线用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。这样不仅可获得较高的光通量，而且还具有较高的光电转换效率。

　　单芯片瓦级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。OSRAM公司于2003年推出单芯片的Golden Dragon系列LED，其结构特点是热衬与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。

　　（2）功率型LED的多芯片组合封装

　　六角形铝衬底的直径为3.175cm(1.25英寸)，发光区位于其中央部位，直径约为0.9525cm（0.375英寸），可容纳40个LED芯片。用铝板作为热衬，并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目，组合封装的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）、白色（由RGB三基色合成或由蓝色和黄色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还能够使芯片和键合的引线得到保护。由40个AlGaInP(AS)芯片组合封装的LED的流明效率为20lm/W。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块，当混色比为0：43（R）0：48（G）：0.009(B)时，光通量的典型值为100lm，CCT标准色温为4420K，色坐标x为0.3612，y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以达到较高的亮度水平，具有热阻低、可在大电流下工作和光输出功率高等特点。

　　多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多。美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED，其结构是采用六角形铝板作为衬底。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列。松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，白光LED模块的发光效率达33lm/W。我国台湾UEC（国联）公司采用金属键合（Metal Bonding）技术封装的MB系列大功率LED的特点是，用Si代替GaAs衬底，散热效果好，并以金属粘结层作为光反射层，提高了光输出。

　　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，因此，功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。大功率LED封装中主要需考虑的问题有：

　　① 散热。散热对于功率型LED器件来说是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时地散出，保持PN结的结温在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

　　在常用的散热材料中银的导热率最高，但是银的成本较高，不适宜作通用型散热器。铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本最低，有利于大规模制造。

　　经过实验对比发现较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上，采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同特点的散热器结合在一起，做到高效散热并使成本控制合理化。

　　应注意的是：连接铜基热衬与芯片的材料的选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发现，银胶的热阻为10~25W/(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/（m·K）]，可以获得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

　　② 出光。传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能，由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片内部经多次反射而被吸收，这是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的50%光能加以利用，是设计出光系数的关键。

　　通过芯片的倒装技术（Flip Chip）可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果说不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8%的光损失，所以在底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料，以改善芯片出光的折射率。

　　经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。

　　常用的透镜形状有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的理想装配方法是采取气密性封装，如果受透镜形状所限，也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。

3、功率型LED的进展

　　功率型LED的研制起始于20世纪60年代中期的GaAs红外光源，由于其可靠性高、体积小、重量轻，可在低电压下工作，因此被首先用于军用夜视仪，以取代原有的白炽灯，20世纪80年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器，以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。这种红外光源的直流工作电流可达1A，脉冲工作电流可达24A。红外光源虽属早期的功率型LED，但它一直发展至今，产品不断更新换代，应用更加广泛，并成为当今可光功率型LED发展可继承的技术基础。

　　1991年，红、橙、黄色AlGaInP功率型LED的实用化，使LED的应用从室内走向室外，成功地用于各种交通信号灯，汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝、绿色AlGaInN超高亮度LED的相继研制成功，实现了LED的超高亮度全色化，然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为LED发展目标。因此，功率型LED的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率和每一器件（组件）的光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了传统的指示灯型LED封装结构，工作电流一般被限定为20mA。按照这种常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高效率和高光通量的要求。为了提高可见光功率型LED的发光效率和光通量，必须采用新的设计理念，一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率，另一方面通过增大芯片面积、加大工作电流、采用低热阻的封装结构来提高器件的光电转换效率。因此，设计和制作新型芯片和封装结构，不断提高器件的取光效率和光电转换效率，一直是功率型LED发展中至关重要的课题。

　　功率型LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主要有汽车内外灯和各种交通信号灯，包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光LED作为专用照明光源已开始用于汽车和飞机内的阅读灯，在便携式照明光源（如钥匙灯、手电筒）、背光源及矿工灯等应用方面也得到越来越多的应用。白光除了由三基色合成外，还可通过将一种特制的磷光体涂敷在GaN蓝色或紫外波长的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品相比显示出了它独有的特点。使用功率型RGB三基色LED，可制成结构紧凑、发光效率比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源，配合计算机控制技术，可得到极其丰富多彩的发光效果。功率型LED所具有的低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种固体光源。

　　功率型LED结构的进步，取光和热衬的优化设计使其发光效率和光通量不断提高，由多个5mm LED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所取代。从1970年至2000年的最近30年以来，光通量每18~24个月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED问世后，光通量的增加趋势则更快。

　　随着功率型LED性能的改进，LED照明光源引起了照明领域的更大的关注。普通照明市场的需求是巨大的，功率型LED白光技术将更能适应普通照明的应用。只要LED产业能持续这一开发方向，则LED固体照明在未来5~10年将会取得重大的市场突破。

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