大功率照明級(jí)LED的封裝技術(shù)、材料詳解

相比之下，大功率單體LED的功率遠(yuǎn)大于若干個(gè)小功率LED的功率總和，供電線路相對(duì)簡(jiǎn)單，散熱結(jié)構(gòu)完善，物理特性穩(wěn)定。所以說，大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡(jiǎn)單地套用傳統(tǒng)的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發(fā)熱量以及高的出光效率，給LED封裝工藝、封裝設(shè)備和封裝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，就必須制備合適的大功率LED芯片。國(guó)際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種：

　?、偌哟蟪叽绶āＭㄟ^增大單體LED的有效發(fā)光面積和尺寸，促使流經(jīng)TCL層的電流均勻分布，以達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單地增大發(fā)光面積無法解決散熱問題和出光問題，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。

　?、诠璧装宓寡b法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層（超聲金絲球焊點(diǎn)），再利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，既考慮了出光問題又考慮到了散熱問題，這是目前主流的大功率LED的生產(chǎn)方式。

　　美國(guó)LumiLEDs公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FCLED）結(jié)構(gòu)，其制造流程是：首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層，露出N型層；經(jīng)淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層，芯片尺寸為1mm×1mm，P型歐姆接觸為正方形，N型歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴(kuò)展距離，把擴(kuò)展電阻降至最?。蝗缓髮⒔饘倩裹c(diǎn)的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管（ESD）的硅載體上。

　?、厶沾傻装宓寡b法。先利用LED晶片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層，然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)既考慮了出光問題也考慮到了散熱問題，并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)熱陶瓷板，散熱效果非常理想，價(jià)格又相對(duì)較低，所以為目前較為適宜的底板材料，并可為將來的集成電路一體化封裝預(yù)留空間。

④藍(lán)寶石襯底過渡法。按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出PN結(jié)后，將藍(lán)寶石襯底切除，再連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。

　　⑤AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美國(guó)Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來其生產(chǎn)的AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AlGaInNLED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。

　　2、功率型封裝

　　功率LED最早始于HP公司于20世紀(jì)90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED，該公司于1994年推出的改進(jìn)型的“SnapLED”有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達(dá)0.3W。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率提高了幾倍，熱阻降為原來的幾分之一。瓦級(jí)功率LED是未來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對(duì)瓦級(jí)功率LED的封裝技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

　　LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比φ5mmLED大10~20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝是其關(guān)鍵技術(shù)，目前能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白色、綠色、藍(lán)綠色、藍(lán)色的功率型LED從2003年年初開始推向市場(chǎng)，白光LED的光輸出達(dá)187lm，光效為44.3lm/W。目前正開發(fā)出可承受10W功率的LED，采用大面積管芯，尺寸為2.5mm×2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達(dá)200lm。

　　Luxeon系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱襯與管殼中，鍵合引線進(jìn)行封裝。這種封裝的取光效率、散熱性能以及加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。

　　在應(yīng)用中，可將已封裝產(chǎn)品組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形成功率密度型LED，PCB板作為器件電極連接的布線使用，鋁芯夾層則可作為熱襯使用，以獲得較高的光通量和光電轉(zhuǎn)換效率。此外，封裝好的SMD-LED體積很小，可靈活地組合起來，構(gòu)成模塊型、導(dǎo)光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

　　超高亮度LED作為信號(hào)燈和其他輔助照明光源應(yīng)用時(shí)，一般是將多個(gè)Φ5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個(gè)燈盤或標(biāo)準(zhǔn)燈座上，使用壽命可達(dá)到10萬小時(shí)。2000年已有研究指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光強(qiáng)已降至原來的一半。事實(shí)上，采用Φ5mm白光LED陣列的發(fā)光裝置，其壽命可能只有5000h。不同顏色的LED的光衰減速度不同，其中紅色最慢，藍(lán)、綠色居中，白色最快。由于Φ5mm封裝的LED原來僅用于指示燈，其封裝熱阻高達(dá)300℃/W，不能充分地散熱，致使LED芯片的溫度升高，造成器件光衰減加快。此外，環(huán)氧樹脂變黃也將使光輸出降低。大功率LED在大電流下產(chǎn)生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因此必須通過有效的散熱設(shè)計(jì)和采用不劣化的封裝材料來解決光衰問題，管殼及封裝已成為研制大功率LED的關(guān)鍵技術(shù)之一。全新的LED功率型封裝設(shè)計(jì)理念主要?dú)w為兩類，一類為單芯片功率型封裝，另一類為多芯片功率型封裝。

（1）功率型LED的單芯片封裝

　　1998年美國(guó)LumiLEDs公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結(jié)構(gòu)，這種功率型單芯片LED封裝結(jié)構(gòu)與常規(guī)的Φ5mmLED封裝結(jié)構(gòu)全然不同，它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上，或?qū)⒈趁娉龉獾腖ED芯片先倒裝在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后再將其焊接在熱襯上，使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對(duì)于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的，其主要特點(diǎn)有：

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　　傳統(tǒng)環(huán)氧封裝具有很高的高熱阻，而這種新型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻一般僅為14℃/W，可減小至常規(guī)LED的1/20。

　　②可靠性高。內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在40~120℃時(shí)，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使金絲和框架引線斷開。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料，不會(huì)出現(xiàn)普通光學(xué)環(huán)氧樹脂那樣的變黃現(xiàn)象，金屬引線框架也不會(huì)因氧化而臟污。

　　③反射杯和透鏡的最佳設(shè)計(jì)使輻射可控，光學(xué)效率最高。在應(yīng)用中可將它們組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的電路板（鋁芯PCB板）上，電路板作為器件電極連接的布線用，鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。這樣不僅可獲得較高的光通量，而且還具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

　　單芯片瓦級(jí)功率LED最早是由LumiLEDs公司于1998年推出的LuxeonLED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的GoldenDragon系列LED，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱襯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(dá)1W。

　　（2）功率型LED的多芯片組合封裝

　　六角形鋁襯底的直徑為3.175cm(1.25英寸)，發(fā)光區(qū)位于其中央部位，直徑約為0.9525cm（0.375英寸），可容納40個(gè)LED芯片。用鋁板作為熱襯，并使芯片的鍵合引線通過在襯底上做成的兩個(gè)接觸點(diǎn)與正極和負(fù)極連接。根據(jù)所需輸出光功率的大小來確定襯底上排列管芯的數(shù)目，組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）、白色（由RGB三基色合成或由藍(lán)色和黃色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光學(xué)設(shè)計(jì)形狀進(jìn)行封裝，不僅取光效率高，而且還能夠使芯片和鍵合的引線得到保護(hù)。由40個(gè)AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊，當(dāng)混色比為0：43（R）0：48（G）：0.009(B)時(shí)，光通量的典型值為100lm，CCT標(biāo)準(zhǔn)色溫為4420K，色坐標(biāo)x為0.3612，y為0.3529。由此可見，這種采用常規(guī)芯片進(jìn)行高密度組合封裝的功率型LED可以達(dá)到較高的亮度水平，具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點(diǎn)。

　　多芯片組合封裝的大功率LED，其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多。美國(guó)UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED，其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底。LaninaCeramics公司于2003年推出了采用公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCC-M）技術(shù)封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。日亞公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可達(dá)600lm，輸出光束為1000lm時(shí)，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，白光LED模塊的發(fā)光效率達(dá)33lm/W。我國(guó)臺(tái)灣UEC（國(guó)聯(lián)）公司采用金屬鍵合（MetalBonding）技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點(diǎn)是，用Si代替GaAs襯底，散熱效果好，并以金屬粘結(jié)層作為光反射層，提高了光輸出。

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長(zhǎng)、使用壽命等，因此，功率型LED芯片的封裝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)顯得尤為重要。

　　大功率LED封裝中主要需考慮的問題有：

　　①散熱。散熱對(duì)于功率型LED器件來說是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，將無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。

　　在常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率最高，但是銀的成本較高，不適宜作通用型散熱器。銅的導(dǎo)熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導(dǎo)熱率雖然低于銅，但其綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)較為合適的做法是：連接芯片部分采用銅基或銀基熱襯，再將該熱襯連接在鋁基散熱器上，采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器，再通過鋁基散熱器將熱量散出（通過風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出）。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器的性價(jià)比，將不同特點(diǎn)的散熱器結(jié)合在一起，做到高效散熱并使成本控制合理化。

　　應(yīng)注意的是：連接銅基熱襯與芯片的材料的選擇是十分重要的，LED行業(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，銀膠的熱阻為10~25W/(mmiddot;K)，如果采用銀膠作為連接材料，就等于人為地在芯片與熱襯之間加上一道熱阻。另外，銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為環(huán)氧樹脂骨架+銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的熱阻極高且TG點(diǎn)較低，對(duì)器件的散熱與物理特性的穩(wěn)定極為不利。解決此問題的做法是：以錫片焊作為晶粒與熱襯之間的連接材料[錫的導(dǎo)熱系數(shù)為67W/（m·K）]，可以獲得較為理想的導(dǎo)熱效果（熱阻約為16℃/W）。錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。

　?、诔龉狻鹘y(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能，由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧樹脂的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小，有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，這是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內(nèi)部不同材料間折射、反射消耗的50%光能加以利用，是設(shè)計(jì)出光系數(shù)的關(guān)鍵。

　　通過芯片的倒裝技術(shù)（FlipChip）可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。但是，如果說不在芯片的發(fā)光層與電極下方增加反射層來反射出浪費(fèi)的光能，則會(huì)造成約8%的光損失，所以在底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底部分與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面上應(yīng)加上一層硅膠材料，以改善芯片出光的折射率。

　　經(jīng)過上述光學(xué)封裝技術(shù)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器件頂部透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)也是十分重要的，通常的做法是：在進(jìn)行光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮最終照明器具的光學(xué)設(shè)計(jì)要求，盡量配合應(yīng)用照明器具的光學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　常用的透鏡形狀有：凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的理想裝配方法是采取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限，也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應(yīng)選擇高透光率的玻璃或亞克力等合成材料，也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂模組式封裝，加上二次散熱設(shè)計(jì)也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。

3、功率型LED的進(jìn)展

　　功率型LED的研制起始于20世紀(jì)60年代中期的GaAs紅外光源，由于其可靠性高、體積小、重量輕，可在低電壓下工作，因此被首先用于軍用夜視儀，以取代原有的白熾燈，20世紀(jì)80年代InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)紅外光源被用于一些專用的測(cè)試儀器，以取代原有的體積大、壽命短的氙燈。

　　這種紅外光源的直流工作電流可達(dá)1A，脈沖工作電流可達(dá)24A。紅外光源雖屬早期的功率型LED，但它一直發(fā)展至今，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，應(yīng)用更加廣泛，并成為當(dāng)今可光功率型LED發(fā)展可繼承的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1991年，紅、橙、黃色AlGaInP功率型LED的實(shí)用化，使LED的應(yīng)用從室內(nèi)走向室外，成功地用于各種交通信號(hào)燈，汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。藍(lán)、綠色AlGaInN超高亮度LED的相繼研制成功，實(shí)現(xiàn)了LED的超高亮度全色化，然而用于照明則是超高亮度LED拓展的又一全新領(lǐng)域，用LED固體燈取代白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)玻殼照明光源已成為L(zhǎng)ED發(fā)展目標(biāo)。因此，功率型LED的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化將成為今后發(fā)展的另一重要方向，其技術(shù)關(guān)鍵是不斷提高發(fā)光效率和每一器件（組件）的光通量。

功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結(jié)構(gòu)，工作電流一般被限定為20mA。按照這種常規(guī)理念設(shè)計(jì)和制作的功率型LED根本無法達(dá)到高效率和高光通量的要求。為了提高可見光功率型LED的發(fā)光效率和光通量，必須采用新的設(shè)計(jì)理念，一方面通過設(shè)計(jì)新型芯片結(jié)構(gòu)來提高取光效率，另一方面通過增大芯片面積、加大工作電流、采用低熱阻的封裝結(jié)構(gòu)來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，設(shè)計(jì)和制作新型芯片和封裝結(jié)構(gòu)，不斷提高器件的取光效率和光電轉(zhuǎn)換效率，一直是功率型LED發(fā)展中至關(guān)重要的課題。

功率型LED大大擴(kuò)展了LED在各種信號(hào)顯示和照明光源領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要有汽車內(nèi)外燈和各種交通信號(hào)燈，包括城市交通、鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、海港燈塔、安全警示燈等。功率型白光LED作為專用照明光源已開始用于汽車和飛機(jī)內(nèi)的閱讀燈，在便攜式照明光源（如鑰匙燈、手電筒）、背光源及礦工燈等應(yīng)用方面也得到越來越多的應(yīng)用。白光除了由三基色合成外，還可通過將一種特制的磷光體涂敷在GaN藍(lán)色或紫外波長(zhǎng)的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物裝飾光源、舞臺(tái)燈光、商場(chǎng)櫥窗照明、廣告燈箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面與其同類產(chǎn)品相比顯示出了它獨(dú)有的特點(diǎn)。使用功率型RGB三基色LED，可制成結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)光效率比傳統(tǒng)白熾燈光源高的數(shù)字式調(diào)色調(diào)光光源，配合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，可得到極其豐富多彩的發(fā)光效果。功率型LED所具有的低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事上還可作為野戰(zhàn)、潛水、航天、航空所需的特種固體光源。

　　功率型LED結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，取光和熱襯的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其發(fā)光效率和光通量不斷提高，由多個(gè)5mmLED組裝的燈盤和燈頭將被由功率型LED組裝的燈芯所取代。從1970年至2000年的最近30年以來，光通量每18~24個(gè)月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED問世后，光通量的增加趨勢(shì)則更快。

　　隨著功率型LED性能的改進(jìn)，LED照明光源引起了照明領(lǐng)域的更大的關(guān)注。普通照明市場(chǎng)的需求是巨大的，功率型LED白光技術(shù)將更能適應(yīng)普通照明的應(yīng)用。只要LED產(chǎn)業(yè)能持續(xù)這一開發(fā)方向，則LED固體照明在未來5~10年將會(huì)取得重大的市場(chǎng)突破。