大功率白光LED的封装工艺研究.pdf

1绪论

1.1概述

发光二极管Lightemittingdiode，简称(LED)是在半导体p－n结的地方施加正向电流
时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。多年来人类一直在寻找和开发固体
发光光源(SolidStateLighting,SSL)，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，在
芯片生长过程中引入了分布式布拉格反射(DBR)的结构、光学微腔(RC)、以及量子阱结
构(QW)等，使得半导体照明用的发光二极管发光效率不断提高[1]，如图1.1所示。随着
对Ⅲ-V族化合物材料的深入研究、金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)生长技术的日趋
成熟、超高亮发光二极管(HB-LED)和GaN半导体材料工艺的完善，工业界开发了光电转
换效率非常高的发光二极管，特别是采用氮化物半导体InGaN的蓝色LED的实用化，将
10cd以上的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG：添加Ce的钇、铝石榴石)组合

在一起[2]，开发出光效达20lm/W以上的白色LED。

图1.1.1LED发光效率的发展以及与其它光源发光效率的比较

1

白光LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件，从表
1.1.1中可以看出，LED光源与白炽钨丝灯泡及荧光灯等传统光源相比[3]，其最吸引世界
目光的就是节能和环保的特性，与白炽灯相比，白光LED照明可节电80%～90%、与荧
光灯相比可节省50%的电能；寿命可达8~10万小时，是白炽灯的20～30倍，是荧光灯
的10倍，特别是它与太阳能电池、电磁感应电池联合使用后[4]，更是一种极具竞争力的
绿色光源，有望在未来的10～20年内成为新一代理想的固态节能照明光源[5]，为人类照
明史谱写新的篇章。

表1.1.1白光LED与其他光源特性的比较

照明方式特点
具有省电节能，环保(无汞金属等污染)，寿命长(十万小时)，抗震、抗冲
白光LED
击能力强，反应速度快，体积小等优点

荧光灯荧光灯省电，寿命5,000小时但废弃物有汞污染、易碎等问题。
白炽钨丝灯泡低效率、高耗电、寿命短（1,000小时）、易碎。

半导体照明是21世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点,涉及到材料、器件结构、
光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配等多技术领域[6]。LED
的研发和产业化将成为今后光电子、材料、能源、半导体行业等发展另一重要方向。迄
今，美、日及西欧竞相投资开发白光LED绿色光源。我国自“八五”期间就十分关注LED
发展，通过“863”科技攻关、高技术创新、产业化资金重点支持，已取得研发成果和诸
多专利，但白光LED核心技术研发及产业化情况与发达国家相比尚有一定差距。

1.2国内外技术发展

随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度LED器件的需求是
巨大的[7]。用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统照明光源已成为本世纪的未来发展
目标。白光LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略，因此
受到各个国家、地区的重视和大力支持[8]。日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出
国家半导体照明计划，并投入巨资进行研发，如表2.2.1所示。

2

表1.2.1各地区、国家LED光源计划之比较

国家/
中国台湾美国欧盟日本
地区

专案中国国家半导体白光照明光源业下一代21世纪照明
彩虹计划
计划照明工程界科专计划照明计划计划

时间
2003～20202002～20052002～20202000～1998～2020
阶段

100lm/W(2010)
发光
40lm/W（2005）－
效率160-200lm/W200lm/W120lm/W
(2020)

HB-LED是未来照明的核心部分，面对巨大的市场机会，世界各大公司加大了对
HB-LED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(lm/
W)；如何提高每一器件(组件)总的光通量[9]-[11]。
美国在“下一代照明计划”中宣称，将在2020年达到发光效率200lm/W的目标，
主要投入的LED厂商有Lumileds、Cree、Aglient，Gelore等国际大企业。Lumileds
Lighting[12]公司生产了一系列大功率LED，显示了照明业的潜力，其封装技术的特点在
于采用倒装焊技术以及保形涂粉工艺，最新产品是可以发出120lm白光的5W封装的单
管，这种光输出和15W白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白炽灯的1%，功耗
仅为1/3。12个120lm的器件足以制成一只用于汽车用的前灯。最近又有报导美国Agilient
实验室已研制开发成功光效为100lm/W的有色LED