大功率LED封装常用的5种关键技术和4种结构形式

LED(light-emitting diode)已成为国际新兴战略产业界的竞争热点。在LED产业链中，上游包括衬底材料、外延、芯片设计及制造生产，中游涵盖封装工艺、装备和测试技术，下游为LED显示、照明和灯具等应用产品。目前主要采用蓝光LED 黄色荧光粉工艺来实现白光大功率LED，即通过GaN基蓝光LED一部分蓝光激发YAG(yttrium aluminum garnet)黄色荧光粉发射出黄光，另外一部分蓝光透过荧光粉发射出来，由黄色荧光粉发射的黄光与透射的蓝光混合后得到白光。蓝光LED芯片发出的蓝光透过涂覆在其周围的黄色荧光粉，荧光粉被一部分蓝光激发后发出黄光，蓝光光谱与黄光光谱互相重叠后形成白光。

大功率LED封装作为产业链中承上启下的重要一环，是推进半导体照明和显示走向实用化的核心制造技术。只有通过开发低热阻、高光效和高可靠性的LED封装和制造技术，对LED芯片进行良好的机械和电气保护，减少机械、电、热、湿和其他外部因素对芯片性能的影响，保障LED芯片稳定可靠的工作，才能提供高效持续的高性能照明和显示效果，实现LED所特有的节能长寿优势，促进整个半导体照明和显示产业链良性发展。鉴于国外相关公司出于市场利益的考虑，对相关核心技术和装备均采取封锁措施，因而发展自主的大功率LED封装技术特别是白光LED封装设备已迫在眉睫。本文将简要介绍大功率LED封装领域的研究与应用现状，分析和总结大功率LED封装过程中的关键技术问题，以期引起国内同行的注意，为实现大功率LED关键技术和装备的自主化而努力。

封装工艺技术对LED性能起着至关重要的作用。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。随着功率的增大，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。从工艺兼容性及降低生产成本的角度看，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。目前功率LED封装结构的主要发展趋势是：尺寸小型化、器件热阻最小化、平面贴片化、耐受结温最高化、单灯光通量最大化;目标是提高光通量、光效，减少光衰、失效率，提高一致性和可靠性。具体而言，大功率LED封装的关键技术主要包括：热散技术、光学设计技术、结构设计技术、荧光粉涂覆技术、共晶焊技术等。

1、散热技术

一般的LED节点温度则不能超过120℃，即便是LumiLEDs、Nichia、CREE等推出的最新器件，其最高节点温度仍不能超过1500℃。因此LED器件的热辐射效应基本可以忽略不计，热传导和对流是LED散热的主要方式。在散热设计时先从热传导方面考虑，因为热量首先从LED封装模块中传导到散热器。所以粘结材料、基板是LED散热技术的关键环节。

粘结材料主要包括导热胶、导电银浆和合金焊料三种主要方式。导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料，如SiC、A1N、A12O3、SiO2等，从而提高其导热;导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料，粘贴的硬化温度一般低于200℃，具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点，但银浆对光的吸收比较大，导致光效下降。

基板主要包括陶瓷基板、陶瓷基板和复合基板三种主要方式。陶瓷基板主要是LTCC基板和AIN基板。LTCC基板具有易于成型、工艺简单、成本低而且容易制成多种形状等诸多优点;Al和Cu都是LED封装基板的优良材料，由于金属材料的导电性，为使其表面绝缘，往往需通过阳极氧化处理，使其表面形成薄的绝缘层。金属基复合材料主要有Cu基复合材料、Al基复合材料。Occhionero等人探究了AlSiC在倒装芯片、光电器件、功率器件及大功率LED散热基板上的应用，在AlSiC中加入热解石墨还可以满足对散热要求更高的工况。未来的复合基板主要有5种：单片电路碳质材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、碳复合材料和高级金属合金。

另外，封装界面对热阻影响也很大，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选择十分重要。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。

2、光学设计技术

LED封装的光学设计包括内光学设计和外光学设计。

内光学设计的关键在于灌封胶的选择与应用。在灌封胶的选择上，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、耐温环保等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。其中，硅胶由于具有透光率高(可见光范围内透光率大于99%)、折射率高(1.4～1.5)、热稳定性好(能耐受200℃高温)、应力低(杨氏模量低)、吸湿性低(小于0.2%)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。但硅胶性能受环境温度影响较大，从而影响LED光效和光强分布，因此硅胶的制备工艺有待改善。

外光学设计是指对出射光束进行会聚、整形，以形成光强均匀分布的光场。主要包括反射聚光杯设计(一次光学)和整形透镜设计(二次光学)，对阵列模块而言，还包括芯片阵列的分布等。透镜常用的形状有凸透镜、凹透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等，透镜与大功率LED的装配方法可采用气密性封装和半气密性封装。近年来，随着研究的深入，考虑到封装后的集成要求，用于光束整形的透镜采用了微透镜阵列，微透镜阵列在光路中可发挥二维并行的会聚、整形、准直等作用，具有排列精度高、制作方便可靠、易于与其他平面器件耦合等优点，研究表明，采用衍射微透镜阵列替代普通透镜或菲涅尔微透镜，可大大改善光束质量，提高出射光强度，是大功率LED用于光束整形最有前途的新技术。

3、LED封装结构形式

LED封装技术和结构先后拥有了引脚式、功率型封装、贴片式(SMD)、板上芯片直装式(COB)四个阶段。

(1)引脚式(Lamp)LED封装

LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。常用3～5mm封装结构，一般用于电流较小(20～30mA)，功率较低(小于0.1W)的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W)，寿命较短。

(2)功率型LED封装

LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mmLED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，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达1871m，光效44.31 lm/W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管;尺寸为2.5mm X2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达2001 lm，作为固体照明光源有很大发展空间。

(3)表面组装(贴片)式(SMD)LED封装

早在2002年，表面贴装封装的LED(SMDLED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品。

SMDLED是目前LED市场占有率最高的封装结构，这种LED封装结构利用注塑工艺将金属引线框架包裹在PPA塑料之中，并形成特定形状的反射杯，金属引线框架从反射杯底部延伸至器件侧面，通过向外平展或向内折弯形成器件管脚。改进型的SMDLED结构是伴随着白光LED照明技术出现的，为了增大单个LED器件的使用功率以提高器件的亮度，工程师开始寻找降低SMDLED热阻的办法，并引入了热沉的概念。这种改进的结构降低了最初SMDLED结构的高度，金属引线框架直接置于LED器件底部，通过注入塑料围绕金属框架形成反射杯，芯片置于金属框架之上，金属框架通过锡膏，直接焊接于线路板上，形成垂直散热通道。由于材料技术的发展，SMD封装技术已经克服了散热、使用寿命等早期存在的问题，可以用于封装1～3W的大功率白光LED芯片。

(4)COB-LED封装

COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB，通过基板直接散热，不仅能减少支架的制造工艺及其成本，还具有减少热阻的散热优势。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纤维增强的环氧树脂)，也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可采用高温下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMD相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻(一般为6-12W/m·K)。

从成本和应用角度来看，COB将成为未来灯具化设计的主流方向。COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片，使用多枚芯片不仅能够提高亮度，还有助于实现LED芯片的合理配置，降低单个LED芯片的输人电流量以确保高效率。而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积，使热量更容易传导至外壳。传统的LED灯具做法是：LED光源分立器件—MCPCB光源模组—LED灯具，主要是基于没有适用的核心光源组件而采取的做法，不但耗工费时，而且成本较高。实际上，如果走“COB光源模块—LED灯具”的路线，不但可以省工省时，而且可以节省器件封装的成本。

总之，无论是单器件封装还是模组化COB封装，从小功率到大功率，LED封装结构的设计均围绕着如何降低器件热阻，改善出光效果以及提高可靠性而展开的。