功率型LED的封裝技術(shù)

March 28, 2019

一 引言

　　 半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡稱LED, 從上世紀(jì)六十年代研制出來并逐步走向市場化,其封裝技術(shù)也是不斷改進(jìn)和發(fā)展。LED 由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝和表面貼裝式封裝，使得小功率LED 獲得廣泛的應(yīng)用。從上世紀(jì)九十年代開始，由于LED 外延芯片技術(shù)上的突破，使超高亮四元系A(chǔ)lGaInP 和GaN 基的LED 既能發(fā)射可見光波長的光可組合各種顏色和白光，又在器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W 大功率LED 已產(chǎn)業(yè)化，3W、 5W， 甚至10W 的單芯片大功率LED 也已推出，并部分走向市場。這使得超高亮度LED 的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，首先進(jìn)入特種照明的市場領(lǐng)域，并向普通照明市場邁進(jìn)。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED 的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型LED 封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下二點要求：一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率，其二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED 的光電性能和可靠性。所以本文將重點對功率型LED的封裝技術(shù)作介紹和論述。

二 功率型LED 封裝技術(shù)現(xiàn)狀

　　 由于功率型LED 的應(yīng)用面非常廣，不同應(yīng)用場合下對功率LED 的要求不一樣。一般功率型LED 分為功率LED 和W 級功率LED 二種。當(dāng)輸入功率小于1W 的LED 幾十mW功率LED 除外叫做功率LED ，當(dāng)輸入功率等于或大于1W 的LED 叫做W 級功率LED。而W 級功率LED 常見的有二種結(jié)構(gòu)形式，一種是單芯片W 級功率LED ，另一種是多芯片組合的W 級功率LED。

一、國外功率型LED 封裝技術(shù)：按功率LED 和W 級功率LED 分別描述

功率LED

　　根據(jù)報導(dǎo)，最早是由HP 公司于1993 年推出食人魚封裝結(jié)構(gòu)的LED， 稱“Super flux LED“， 并于1994 年推出改進(jìn)型“的Snap LED” 其外形如圖1 所示。有二種典型的工作電流，分別為70mA 和150mA 150mA ，輸入功率可達(dá)0.3W 。接著Osram 公司推出“Power TOP LED”， 是采用金屬框架的PLCC 封裝結(jié)構(gòu)，其外形圖如圖2 所示。之后一些公司推出多種功率LED 的封裝結(jié)構(gòu)，其中一種PLCC-4 結(jié)構(gòu)封裝形式，其功率約200~300mW， 這些結(jié)構(gòu)的熱阻一般為75~125 /W。 總之這些結(jié)構(gòu)的功率LED比原支架式封裝的LED 輸入功率提高幾倍，熱阻下降幾倍。
 

 

圖1. Super flux LED and Snap LED 
 

 

圖2. Osram “Power Top LED”
 

W 級功率LED

　　W 級功率LED 是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量對W級功率封裝技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，并均已將所得的新結(jié)構(gòu)新技術(shù)等申請各種專利。單芯片W 級功率LED最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的“Luxeon LED”其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，根據(jù)報導(dǎo)，該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，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，具有較高的取光效率，并在較大的電流密度下可達(dá)到很低的熱阻，一般為14~17 /W ?，F(xiàn)可提供單芯片1W、 3W 和5W 的大功率LED 。該公司近期還報導(dǎo)推出Luxeon III LED 產(chǎn)品，由于對封裝和芯片進(jìn)行改善可在更高的驅(qū)動電流下工作，在700mA 電流工作50000 小時后仍能保持70%的流明，在1A 電流工作20000 小時能保持50%的流明。
 

 

Osram 公司于2003 年推出單芯片的Golden Dragon 系列LED ，如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)特點是熱沉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
 

 

圖4. Osram “Golden Dragon LED”

　　我國臺灣UEC 公司（國聯(lián)）采用金屬鍵合（Metal Bonding） 技術(shù)封裝的MB 系列大功率LED，其特點是用Si 代替GaAs 襯底，散熱好，并以金屬黏結(jié)層作光反射層，提高光輸出?，F(xiàn)有LED 單芯片面積分別為0.3×0.3mm2 、1×1mm2 和2.5×2.5mm2的芯片，其輸入功率分別有0.3W、 1W 和10W， 其中2.5×2.5mm2 芯片光通量可達(dá)200lm， 0.3W 和1W 產(chǎn)品正推向市場。

　　德國Baoberlin 公司近期開發(fā)一種高功率LED，其芯片面積為2.8×3.2mm2 ，電流可達(dá)600mA。目前主要提供0.25×0.25mm2 及1×1 mm2 規(guī)格產(chǎn)品，其功耗為1.5W。主要用于機(jī)場照明系統(tǒng)、室內(nèi)外照明、汽車指示燈及建筑物顯示器等。

　　多芯片組合封裝的大功率LED 其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多，這里介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)封裝形式：

1、美國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，如圖5 所示，鋁層導(dǎo)熱好，中央發(fā)光區(qū)部分可裝配40 只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據(jù)實際需求布置芯片數(shù)和金線焊接方式，該封裝的大功率LED 其光通量效率為20lm/W， 發(fā)光通量為100lm。
 

 

圖5. UOE “Norlux LED”

2、Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨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。有二種產(chǎn)品：一種為7 元LED 陣列，光通量為840lm ，功率為21W； 另一種是134 元LED 陣列，光通量為5360lm， 功率134W 。由于LTCC-M技術(shù)是將LED 芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上，因此工作溫度可達(dá)250C

3、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 ，光通量可達(dá)120lm，采用散熱性能優(yōu)良的襯底，把這些芯片封裝在2cm2 的面積中，其驅(qū)動電流可達(dá)8W， 這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2C。

4、日亞公司于2003 年推出號稱是全世界最亮的白光LED ，其光通量可達(dá)600lm， 輸出光束為1000lm，時耗電量為30W， 最大輸入功率為50W。 提供展覽的白光LED 模塊發(fā)光效率達(dá)33lm/W ，如圖六所示：

 

 

5、LED Tronics 公司發(fā)布一種新型的G25-style Décor LED 型燈泡，是組合功率LED， 其基座為Edison螺旋型，可直接替代白熾燈，其功耗為1.0~1.7W，使用壽命長達(dá)11 年，現(xiàn)可提供產(chǎn)品的發(fā)光顏色包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)和白，用戶可自定制選項。霧化彩色燈泡和多色燈泡主要用于裝飾性照明。

　　有關(guān)多芯片組合的大功率LED ，許多公司根據(jù)實際市場需求，不斷開發(fā)很多新結(jié)構(gòu)封裝的新產(chǎn)品，其開發(fā)研制的速度是非?？臁?/p>

國內(nèi)功率型LED 封裝技術(shù)

　　 國內(nèi)LED 普通產(chǎn)品的后工序封裝能力應(yīng)該是很強(qiáng)的，封裝產(chǎn)品的品種較齊全。據(jù)初步估計，全國LED 封裝廠超過200 家，封裝能力超過200 億只/年。封裝的配套能力也是很強(qiáng)的，但是很多封裝廠為私營企業(yè)，目前來看規(guī)模偏小。

　　 國內(nèi)功率型LED 的封裝早在上世紀(jì)九十年代就開始，一些有實力的后封裝企業(yè)當(dāng)時就開始開發(fā)并批量生產(chǎn)如“食人魚”功率型LED 。國內(nèi)的大學(xué)、研究所很少對大功率LED 封裝技術(shù)開展研究。信息產(chǎn)業(yè)部第13 研究所對功率型LED 封裝技術(shù)開展研究工作，并取得很好的研究成果，具體開發(fā)出功率LED 產(chǎn)品。國內(nèi)有實力的LED封裝企業(yè)（外商投資除外），如佛山國星、廈門華聯(lián)等幾個企業(yè)很早就開展功率型LED的研發(fā)工作，并取得較好的效果，如食人魚和PLCC 封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品均可批量生產(chǎn)，并已研制出單芯片1W 級的大功率LED 封裝的樣品，而且還進(jìn)行多芯片或多器件組合的大功率LED 研制開發(fā)，并可提供部分樣品供試用。

　　 對大功率LED 封裝技術(shù)的研究開發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內(nèi)研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度、人力和財力還很不夠，形成國內(nèi)對封裝技術(shù)的開發(fā)力量薄弱的局面。其封裝的技術(shù)水平與國外相比還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>

三 功率型LED 產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的封裝技術(shù)

　　 半導(dǎo)體LED 要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比距離甚遠(yuǎn)，因此LED 要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其外量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型LED 的設(shè)計采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積加大工作電流來提高器件的光功率，從而獲得較高的發(fā)光通量，除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵的封裝技術(shù)工藝有：

散熱技術(shù)：

傳統(tǒng)的指示燈型LED， 封裝結(jié)構(gòu)一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后，用環(huán)氧樹脂封裝而成。其熱阻高達(dá)250~300 /W ，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED 封裝形式將會因為散熱不良而導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃從而造成器件的加速光衰，直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。因此對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵。采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片，在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)加速散熱，甚至設(shè)計二次散熱裝置來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)（一般為-40 ~200） ,膠體不會因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路,也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象，零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱散熱特性以獲得良好的整體熱特性。

二次光學(xué)設(shè)計技術(shù) 

為提高器件的取光效率，設(shè)計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。

功率型LED 白光技術(shù) 

　　常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種：

藍(lán)色芯片上涂上YAG 熒光粉。芯片的藍(lán)色光激發(fā)熒光粉發(fā)出典型值為500nm~560nm 的黃綠光，黃綠光與藍(lán)色光合成白光。該方法制備相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差。熒光粉易沉淀，導(dǎo)致出光面均勻性差，色調(diào)一致性不好，色溫偏高，顯色性不夠理想。 

RGB 三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光，或者用藍(lán)+黃綠色雙芯片補(bǔ)色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定，但驅(qū)動較復(fù)雜，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。

在紫外光芯片上涂RGB 熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低，環(huán)氧樹脂在紫外光照射下易分解老化。

　　我司目前已采用方法1） 和2） 進(jìn)行白光LED 產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，并已進(jìn)行了W 級功率LED 的樣品試制，積累了一定的經(jīng)驗和體會。我們認(rèn)為照明用W 級功率LED 產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問題：

A、粉涂布量控制：LED 芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后，用分配器將其涂到芯片上，在操作過程中由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)，熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度導(dǎo)致了白光顏色的不均勻

B、芯片光電參數(shù)：配合半導(dǎo)體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數(shù)（如波長、光強(qiáng)）和電學(xué)（如正向電壓）參數(shù)差異，RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一

C、根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對白光LED 的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光功率或光強(qiáng)和光的空間分布等要求就不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方法、材料等多方面因素的配合，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中對上述因素進(jìn)行控制，得到符合應(yīng)用要求一致性好的產(chǎn)品十分重要。

4 測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

　　 隨著W 級功率芯片制造技術(shù)和白光LED 工藝技術(shù)的發(fā)展，LED 產(chǎn)品正逐步進(jìn)入特種照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)LED 產(chǎn)品參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)及測試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要，國內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測試應(yīng)用產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復(fù)雜化。

　　 我國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會光電子器件分會行業(yè)協(xié)會根據(jù)LED 產(chǎn)品發(fā)展的需要，于2003 年發(fā)布了發(fā)光二極管測試方法（試行），該測試方法增加了LED 色度參數(shù)的規(guī)定，但LED 要往照明業(yè)拓展，建立LED 照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。

5 篩選技術(shù)與可靠性保證

　　 由于燈具外觀的限制，照明用LED 的裝配空間密封，且受到局限密封，且有限的空間不利于LED 散熱，這意味著照明LED 的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED 產(chǎn)品，另外照明LED 處于大電流驅(qū)動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中針對不同的產(chǎn)品用途，制定適當(dāng)?shù)臒崂匣?、溫度循環(huán)沖擊、負(fù)載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

6 靜電防護(hù)技術(shù)

　　 藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片，其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很??；對于InGaN/AlGaN/GaN 雙異質(zhì)結(jié)，InGaN 活化簿層僅幾十nm， 對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效，因此在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中靜電的防范是否得當(dāng)，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。靜電的防范技術(shù)有如下幾種：

生產(chǎn)使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等實施防范手段，有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風(fēng)扇、檢測儀器等 

芯片上設(shè)計靜電保護(hù)線路

LED 上裝配保護(hù)器件 

　　目前在功率LED 方面已具備食人魚PLCC、 功率型LED 產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。目前已有三基色芯片的PLCC 功率型LED 用于室外裝飾應(yīng)用產(chǎn)品出口歐美市場。在多芯片混色白光技術(shù)應(yīng)用方面，已有彩色顯示模塊出口，W 級功率型LED 已經(jīng)研制出紅、黃、綠、藍(lán)、白色，兩種外形樣品。

四 結(jié)束語

    我國LED 封裝產(chǎn)品主要是普通小功率LED， 同時還具有一定的功率型LED 封裝技術(shù)和水品。但由于多種原因，我國大功率LED 封裝技術(shù)水平總體來說與國際水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?。為了加快發(fā)展LED 封裝技術(shù)水平，我們建議：

    國家要重點支持LED 前工序外延芯片有實力的重點研究單位大學(xué)和企業(yè)集中優(yōu)勢重點突破前工序的關(guān)鍵技術(shù)難點盡快開發(fā)并生產(chǎn)有自主產(chǎn)權(quán)的1W 3W 5W 和10W 等大功率LED 芯片只有這樣才能確保我國大功率LED 的順利發(fā)展。

    國家要重點扶植幾家有實力的大功率LED 封裝企業(yè)研發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的LED 封裝產(chǎn)品并要達(dá)到規(guī)?；纳a(chǎn)程度參與國際市場競爭。 

    要重視熒光粉封裝環(huán)氧等基礎(chǔ)材料的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。

    根據(jù)市場要求開發(fā)適應(yīng)市場的各種功率型LED 產(chǎn)品首先瞄準(zhǔn)特種照明應(yīng)用的市場并逐步向普通照明燈源市場邁進(jìn)。

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