大功率LED封装研究#

1、大功率 LED 的封装的研究陶军磊周龙早430074华中科技大学连接与电子封装中心，湖北武汉引言20 世纪 60 年代，以硅材料为基础发展起来的半导体技术引发了微电子产业革命，带 来了信息与通信产业的飞速发展，引领人类迈入了信息时代。从 20 世纪 90 年代末， III-V 族化合物半导体材料在蓝光芯片领域的突破正孕育着一场新的产业革命照明产业革命。 这场革命的标志是以大功率发光二极管 (Light-Emitting Diode， LED为光源的半导体照明技 术(Solid stateLighting ， SSL。这是自 1772年人类发明煤气照明、 1876 年发明白炽灯、 1938 年发

2、明荧光灯之后，人类照明史上百年来的一大飞跃。照明技术从此迈入高科技时代，并 以更加灵活多变的方式改变人类生活的照明质量。LED 的半导体电致发光特性使得其还具有发光效率高、显色性好、安全可靠、色彩丰富和 易于维护的特点 6 。在当今环境污染日益严重，气候变暖和能源日益紧张的背景下，基于 大功率 LED 发展起来的半导体照明技术己经被公认为是 21 世纪最具发展前景的高技术领 域之一。1 LED 的工作原理、结温及其产生原理发光二极管 (LightEmittingDiode ， LED是一种利用半导体制造技术加工的电致发光器件， 利用电子 -空穴的带间跃迁辐射复合来发光。其机理是通过向LED 的

3、 p-n 结施加正向偏压，降低势垒，使少数非平衡载流子扩散进入 p-n 结区内，增加区内电子一空穴的复合几率， 从而辐射发光。如图 1.1 所示，为同质结 LED辐射复合的原理图。图1 p-n 同质结 LED的带能结构图在理想情况下，电子一空穴对辐射复合的效率可以达到100%，这意味着 LED的能量损 失将会很小。传统的照明方式中，白炽灯、卤钨灯、高压和低压钠灯都是基于高温热辐射 发光，灯丝或电极温度在 2000K-5000K 之间。荧光灯采用的是气体放电和激发三基色荧光粉的方式发光。高压和低压钠灯也会在灯管壁上涂覆荧光粉改善灯的显色性。热辐射发光普遍存在的问题是能耗过高，而发光效率往往并不高

4、。荧光灯中气体放电发出的光谱是紫 外光，而利用紫外光激发荧光粉产生可见光将不可避免的存在较大的能量斯托克斯 (Stokes 损失。这导致这些传统的照明方式在能量的利用效率上要低于LED。另一方面，在理论情况下，只要能提供持续的电流和电压， LED 就可以维持无限长的寿命，而传统的照明光源 尤其是白炽灯的使用寿命只有 1000 小时左右。对于荧光灯和高压 / 低压钠灯，在这些灯具 使用完毕后，其灯管内填充的汞蒸气无论是散发到空气中或者渗入地下水中，都会对人类 的身体产生不良影响。与此相比， LED 不仅具有长寿命，而且即使损坏，也不会对环境造 成污染。通过表 1.1 的对比可以发现，多芯片合成白

5、光的技术虽然在流明效率、显色性和颜色 控制上具有较明显的优势，但是因为不同芯片之间的驱动电压不同，如红光 LED 的驱动电 压一般为 2 一 2.5V，蓝绿光 LED的驱动电压一般为 3 一 3.5V，从而导致总体成本较高，产 品可靠性也较差。反观单芯片激发荧光粉技术，因为制造工艺简单易行，成本低廉，己经 成为目前商用白光 LED 的主流技术。随着荧光粉材料激发效率的不断进步，单芯片激发荧 光粉合成的白光在显色性和颜色控制上正在不断的改善，有望满足更加复杂的照明需求。LED 的封装结构在整个 LED 产业链中，封装具有最大的利润。与集成电路器件封装类似，封装材料是 LED 封装的关键，因为器件

6、封装和组装的产量、器件的可靠性和寿命都是由封装和组装材 料的质量以及它们的制造工艺决定的。2.1 小功率 LED结构小功率的 LED 封装可以分为两类 :通孔型和表面安装型。通孔型组件与径向封装相似， 组件从 PCB 电路板的一侧安装，在另外一侧进行焊接。简单的通孔型（径向LED 封装的示意图如图 2 所示。通孔型 LED 最初是为小电流室内应用而设计的，其热阻最大为280K 乃万，输入电功率限制在几百 mw 以内。 LED 芯片的侧向尺寸为 200 一 300 林 m。芯片通 过环氧基粘接剂粘结在引线框架上，通过引线框架与外界实现电气连接。引线框架具有反 射杯的形状，以及作为 LED的散热片

7、。另一个分离的引脚通过金线与LED 芯片上表面的焊盘键合连接，作为第二电极。芯片和引线框架由环氧树脂封装形成圆顶形透镜，以获得一 定的辐射特性。使用环氧树脂封装，通过芯片一环氧界面和圆顶形环氧透镜，通常可以将 光取出效率增大一倍。2.2 大功率 LED封装结构大功率 LED 是专为 IW 或更大功率设计的。功率 体必须要有能力将芯片产生的热量迅速散去。大功率的LED结温比小功率 LED的高。 ED 封装LED 封装通常包括强型散热基板、3 所示。金属散热底座，一般安装在主动或被动的散热器上，如图图 2 通孔型 LED 封装图 3 1500mA 的封装结构大功率 LED 封装技术概述1998 年

8、，美国 Lumileds 公司推出面向大功率 LED 的 Luxeon 支架式封装，如图 4 所示。 Luxecon 支架式封装采用表面贴装技术，利用大尺寸的铜金属热沉 (Heat Slug作为底部材料 强化了封装对 LED芯片的散热能力，并利用热电分离的原理提高了LED 封装的可靠性。在Luxeon 式封装中，芯片一般通过合金焊料固晶键合在金属热沉上，芯片的阳极和阴极通过 金线键合到独立的引线框架上。利用聚碳酸醋(Polycarbonate ， PC制成的透镜盖在框架顶部在透镜和框架之间用柔软的硅胶材料进行填充。对于白光LED，荧光粉一般是直接涂覆在芯片表面。图 4 Luxeon 式大功率

9、LED封装形式图 5 几种常见的 LED 封装支架和透镜类型图 6 几种常见的 LED 封装形式及产品般而言，大功率 LED 封装技术涉及光学、热学、电学、力学、材料、工艺和设备等 诸多领域，如图 1.12 所示64。大功率 LED 封装的基本目的是以封装设计为基础，开发和LED 而言，高LED 封应用先进的封装材料，改进封装制造工艺，结合先进的封装设备，解决封装中存在的光热 电力等综合问题，从而实现封装性能的不断提升。因为大功率 LED 是一种发光照明器件， 光学性能是评价 LED 封装品质高低的最直接的指标。对于目前的大功率白光流明效率、高显色性、色温可控、光强分布一定、空间颜色分布均匀等

10、，是大功率图 7 大功率 LED 封装技术领域装技术研究的主要目标，也是体现LED能取代传统照明方式的优势所在。LED 封装关键技术功率型 LED 所用的外延材料采用 MOCVD 的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内 量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的 功率型 LED 的设计采用了垂直或者倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改养芯片的热特 性，并通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发 光通量。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键技术工艺有 :(1散热技术。传统的指示灯型 LED 封装结构，一般是用导电或非导电胶

11、将芯片装在小 尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻 高达 250柳一 300柳，新的功率型芯片若采用传统式的LED 封装形式，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效，甚至 因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此，对于大工作电流的功率型 LED 芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结 构是功率型 LED 器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片。在芯片下 部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热。甚至设计二次散热装置，来降低器件 的热阻。在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，

12、在硅橡胶承受的温度范围内(一般为一 40一 200 ，胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不会出现变黄现象。零件 材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。(2二次光学设计技术。为提高器件的取光效率，设计外加的反射杯与多重光学透镜。(3检测技术与标准。随着 w 级功率芯片制造技术和白光 LED工艺技术的发展， LED 产 品正逐步进入 (特种照明市场，显示或指示用的传统LED 产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器， 不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异，增加了测试应用、产品性能比 较工作的难

13、度。我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED 产品发展的需要，于 2003年发布了“发光二极管测试方法 ( 试行 ”，该测试方法增加了对 LED 色度参数的规定。但 LED 要往照明业拓展，建立 LED 照明产品标准是产业规范化的重要手段。我国照明产业虽 然制定了近百项照明产品国家标准，但是技术含量、能效标准、一与国际接轨等方面仍需 做大量的工作。(4筛选技术一与可靠性保证。因为灯具外观的限制，照明用LED 的装配空间密封且受到局限，密封且有限的空间不利于 L 印散热，这意味着照明 LED 的灯具外壳设计在光和热 方面有更多的考虑。另外，照明 LED 是处于大电流驱动下工作，这就

14、对其提出更高的可靠 性要求。在产业化生产中，针对不同的产品用途，进行适当的热老化、温度循环冲击、负 载老化工艺筛选实验，剔除早期失效品，保证产品的可靠性很有必要。(5静电防护技术。因为 GaN 是宽禁带材料，电阻率较高，该类芯片在生产过程中因 静电产生的感生电荷不易消失，累积到相当的程度，可以产生很高的静电电压。当超过材料的承受能力时，会发生击穿现象并放电。对工 nGaN/AIGaN/GaN 双异质结，工 nGaN 有 源层仅几十纳 M ，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。失效分析与可靠性分析失效，指致命性破坏或完全丧失功能，也包括功能降低方面。可靠性评述、失效模式、 寿命测试

15、是相互关联的。可靠性物理，就是从原理上(从原子、分子角度 来解释元件、材料的失效现象，以便为为器件、材料的改良、评价、分类及使用以及系统的可靠性设计提 供依据。可靠性物理分析，从微观角度观察应力及各种内外环境、时间对元件、材料的退 化和失效带来的影响，从而把所获的信息应用于设计、制造、实验、使用和维护的各个阶 段。它将失效模式、特性值、寿命分布模型通过物理、化学观测而掌握的外部信息，与失 效机理联系起来考虑，并把研究结果运用于可靠性技术上。LED 的寿命预测必须用加速寿命实验，加速实验必须保证:失效机理不变。加速过程的规律性。退化或失效模型应具有同一性或规律性。大功率LED 失效主要有材料缺陷

16、引起器件光输出的衰减，荧光粉引起的白光衰变，电极引线断裂、电极性能不稳等导致的灾变性 失效。对芯片而言，因为点、线、面缺陷对载流子具有强烈的俘获作用，在 LED 制备过程 中引入的缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心，光吸收增强，使器件发光效率降低。而 注入载流子的无辐射复合又能使能量转化为晶格振动，导致缺陷的运动与增殖。荧光粉退化原因 :热阻较大时， LED 芯片产生的热量不能及时散发出去，使LED的结温升高，过高的结温将导致覆于 LED 芯片上的荧光粉发生降解，使荧光量子效率降低，由荧 光粉转换得到的黄光成分减少，最终导致大功率 LED 光输出的减少和颜色的飘移。故寻求 高热导率材料并改进

17、LED 封装工艺以降低器件热阻，同时选择光转换效率更高、稳定性更 好的荧光材料，对提高大功率 LED的发光性能及工作寿命非常重要。过流和过热条件会加快 LED 寿命终止。 LED 工作是电流型，在恒定直流驱动下长期工 作时，相当部分能量转变为热能，芯片结温升高，甚至达100以上。这将导致许多问题发生 :温度碎灭效应产生，致使半导体发光材料(芯片 和荧光粉的发光亮度下降。工作中产生色漂移。器件相关材料劣化，如封装树脂变黄等。 LED器件使用寿命缩短等。LED 器件的一个重要考虑因素是可靠性评述。失效模式研究对评估 LED 光源的寿命十 分重要，这是制定相关技术标准的依据。对 LED 寿命相关的色

18、谱 (色温 变化后，有一个认 可其变化的范围 (Link spectral shift to LED Life 。对封装管壳而言，一些针对物理支撑作用的机械测试也必不可少。以 Luxeon LEDS 为 例，检测条件包括极限温度循环 (Temperature Cycle、热冲击 (Temperature Shock、温循实 验 (High(Low Temperature Storage 、潮湿环境 (Moisture Resistance 、机械冲击 (Shock Condition 、 Vibration Frequency Condition 、Natural Drop 、 Random

19、Vibration 等等。对电子设备的静电损害 (Electrostatic damage。 ESD可能发生在从制造到使用过程中的 任何时候。 InGaN 晶粒一般被视为是“ Class I”的设备，达到 30kV 的静电干扰电荷其实很 容易发生，而 10V 的放电就能破坏 ClassI对 ESD极敏感的设备。静电释放（electrostatic discharge 。 ESD损害和热膨胀 系数（thermal coefficient of expansion。 TCE是大功率 LED 封装要考虑的主要技术问题。次粘着基台（Submount 的进阶封装方式，是公认的一种比较好的解决方案。 Submout 封