大功率LED封装技术与发展趋势.docx

大功率LED封装技术与发展趋势大功率LED封装技术与发展趋势一、前言大功率LED封装由于结构和工艺复杂并直接影响到LED的使用性能和寿命一直是近年来的研究热点特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护以提高可靠性；2.加强散热以降低芯片结温提高LED性能；3.光学控制提高出光效率优化光束分布；4.供电管理包括交流/直流转变以及电源控制等。LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展LED封装先后经历了支架式(LampLED)、贴片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)等发展阶段。随着芯片功率的增大特别是固态照明技术发展的需求对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻提高出光效率必须采用全新的技术思路来进行封装设计。二、大功率LED封装关键技术大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面如图1所示。这些因素彼此既相互独立又相互影响。其中光是LED封装的目的热是关键电、结构与工艺是手段而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言LED封装设计应与芯片设计同时进行即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则等芯片制造完成后可能由于封装的需要对芯片结构进行调整从而延长了产品研发周期和工艺成本有时甚至不可能。具体而言大功率LED封装的关键技术包括：（一）低热阻封装工艺对于现有的LED光效水平而言由于输入电能的80％左右转变成为热量且LED芯片面积小因此芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量并传导到热沉上实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝铜）、陶瓷（如AlNSiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底将1mm芯片倒装在CuW衬底上降低了封装热阻提高了发光功率和效率；LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板如图2（a）并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路不仅结构简单而且由于材料热导率高热界面少大大提高了散热性能为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板由陶瓷基板（AlN或）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成没有使用黏结剂因此导热性能好、强度高、绝缘性强如图2（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk热膨胀系数为（与硅的热膨胀系数相当）从而降低了封装热应力。研究表明封装界面对热阻影响也很大如果不能正确处理界面就难以获得良好的散热效果。例如室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻增强散热。因此芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶由于热导率较低一般为0.5-2.5W/mK致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料可大大降低界面热阻。（二）高取光率封装结构与工艺在LED使用过程中辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)由于该胶层处于芯片和空气之间从而有效减少了光子在界面的损失提高了取光效率。此外灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护应力释放并作为一种光导结构。因此要求其透光率高折射率高热稳定性好流动性好易于喷涂。为提高LED封装的可靠性还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高折射率大热稳定性好应力小吸湿性低等特点明显优于环氧树脂在大功率LED封装中得到广泛应用但成本较高。研究表明提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失提高外量子效率但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高硅胶内部的热应力加大导致硅胶的折射率降低从而影响LED光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等其中发光效率和转换效率是关键。研究表明随着温度上升荧光粉量子效率降低