大功率LED封装技术与发展趋势

1、大功率LLED封封装技术术与发展展趋势大功率LLED封封装技术术与发展展趋势一、前言言大功率LLED封封装由于于结构和和工艺复复杂，并并直接影影响到LLED的的使用性性能和寿寿命，一一直是近近年来的的研究热热点，特特别是大大功率白白光LEED封装装更是研研究热点点中的热热点。LLED封封装的功功能主要要包括：1.机机械保护护，以提提高可靠靠性；22.加强强散热，以降低低芯片结结温，提提高LEED性能能；3.光学控控制，提提高出光光效率，优化光光束分布布；4.供电管管理，包包括交流流/直流流转变，以及电电源控制制等。LED封封装方法法、材料料、结构构和工艺艺的选择择主要由由芯片结结构、光光电/机

2、机械特性性、具体体应用和和成本等等因素决决定。经经过400多年的的发展，LEDD封装先先后经历历了支架架式(LLampp LEED)、贴片式式(SMMD LLED)、功率率型LEED(PPoweer LLED)等发展展阶段。随着芯芯片功率率的增大大，特别别是固态态照明技技术发展展的需求求，对LLED封封装的光光学、热热学、电电学和机机械结构构等提出出了新的的、更高高的要求求。为了了有效地地降低封封装热阻阻，提高高出光效效率，必必须采用用全新的的技术思思路来进进行封装装设计。二、大功功率LEED封装装关键技技术大功率LLED封封装主要要涉及光光、热、电、结结构与工工艺等方方面，如如图1所所示。这

3、这些因素素彼此既既相互独独立，又又相互影影响。其其中，光光是LEED封装装的目的的，热是是关键，电、结结构与工工艺是手手段，而而性能是是封装水水平的具具体体现现。从工工艺兼容容性及降降低生产产成本而而言，LLED封封装设计计应与芯芯片设计计同时进进行，即即芯片设设计时就就应该考考虑到封封装结构构和工艺艺。否则则，等芯芯片制造造完成后后，可能能由于封封装的需需要对芯芯片结构构进行调调整，从从而延长长了产品品研发周周期和工工艺成本本，有时时甚至不不可能。具体而言言，大功功率LEED封装装的关键键技术包包括：（一）低低热阻封封装工艺艺对于现有有的LEED光效效水平而而言，由由于输入入电能的的80左右

4、转转变成为为热量，且LEED芯片片面积小小，因此此，芯片片散热是是LEDD封装必必须解决决的关键键问题。主要包包括芯片片布置、封装材材料选择择（基板板材料、热界面面材料）与工艺艺、热沉沉设计等等。LED封封装热阻阻主要包包括材料料（散热热基板和和热沉结结构）内内部热阻阻和界面面热阻。散热基基板的作作用就是是吸收芯芯片产生生的热量量，并传传导到热热沉上，实现与与外界的的热交换换。常用用的散热热基板材材料包括括硅、金金属（如如铝，铜铜）、陶陶瓷（如如 ，AAlN，SiCC）和复复合材料料等。如如Nicchiaa公司的的第三代代LEDD采用CCuW做做衬底，将1mmm芯片片倒装在在CuWW衬底上上，

5、降低低了封装装热阻，提高了了发光功功率和效效率；LLamiina Cerramiics公公司则研研制了低低温共烧烧陶瓷金金属基板板，如图图2（aa），并并开发了了相应的的LEDD封装技技术。该该技术首首先制备备出适于于共晶焊焊的大功功率LEED芯片片和相应应的陶瓷瓷基板，然后将将LEDD芯片与与基板直直接焊接接在一起起。由于于该基板板上集成成了共晶晶焊层、静电保保护电路路、驱动动电路及及控制补补偿电路路，不仅仅结构简简单，而而且由于于材料热热导率高高，热界界面少，大大提提高了散散热性能能，为大大功率LLED阵阵列封装装提出了了解决方方案。德德国Cuurmiilk公公司研制制的高导导热性覆覆铜陶

6、瓷瓷板，由由陶瓷基基板（AAlN或或 ）和和导电层层（Cuu）在高高温高压压下烧结结而成，没有使使用黏结结剂，因因此导热热性能好好、强度度高、绝绝缘性强强，如图图2（bb）所示示。其中中氮化铝铝（AllN）的的热导率率为1660W/mk，热膨胀胀系数为为 （与与硅的热热膨胀系系数相当当），从从而降低低了封装装热应力力。研究表明明，封装装界面对对热阻影影响也很很大，如如果不能能正确处处理界面面，就难难以获得得良好的的散热效效果。例例如，室室温下接接触良好好的界面面在高温温下可能能存在界界面间隙隙，基板板的翘曲曲也可能能会影响响键合和和局部的的散热。改善LLED封封装的关关键在于于减少界界面和界界

7、面接触触热阻，增强散散热。因因此，芯芯片和散散热基板板间的热热界面材材料（TTIM）选择十十分重要要。LEED封装装常用的的TIMM为导电电胶和导导热胶，由于热热导率较较低，一一般为00.5-2.55W/mmK，致致使界面面热阻很很高。而而采用低低温或共共晶焊料料、焊膏膏或者内内掺纳米米颗粒的的导电胶胶作为热热界面材材料，可可大大降降低界面面热阻。（二）高高取光率率封装结结构与工工艺在LEDD使用过过程中，辐射复复合产生生的光子子在向外外发射时时产生的的损失，主要包包括三个个方面：芯片内内部结构构缺陷以以及材料料的吸收收；光子子在出射射界面由由于折射射率差引引起的反反射损失失；以及及由于入入射

8、角大大于全反反射临界界角而引引起的全全反射损损失。因因此，很很多光线线无法从从芯片中中出射到到外部。通过在在芯片表表面涂覆覆一层折折射率相相对较高高的透明明胶层(灌封胶胶)，由由于该胶胶层处于于芯片和和空气之之间，从从而有效效减少了了光子在在界面的的损失，提高了了取光效效率。此此外，灌灌封胶的的作用还还包括对对芯片进进行机械械保护，应力释释放，并并作为一一种光导导结构。因此，要求其其透光率率高，折折射率高高，热稳稳定性好好，流动动性好，易于喷喷涂。为为提高LLED封封装的可可靠性，还要求求灌封胶胶具有低低吸湿性性、低应应力、耐耐老化等等特性。目前常常用的灌灌封胶包包括环氧氧树脂和和硅胶。硅胶由

9、由于具有有透光率率高，折折射率大大，热稳稳定性好好，应力力小，吸吸湿性低低等特点点，明显显优于环环氧树脂脂，在大大功率LLED封封装中得得到广泛泛应用，但成本本较高。研究表表明，提提高硅胶胶折射率率可有效效减少折折射率物物理屏障障带来的的光子损损失，提提高外量量子效率率，但硅硅胶性能能受环境境温度影影响较大大。随着着温度升升高，硅硅胶内部部的热应应力加大大，导致致硅胶的的折射率率降低，从而影影响LEED光效效和光强强分布。荧光粉的的作用在在于光色色复合，形成白白光。其其特性主主要包括括粒度、形状、发光效效率、转转换效率率、稳定定性（热热和化学学）等，其中，发光效效率和转转换效率率是关键键。研究

10、究表明，随着温温度上升升，荧光光粉量子子效率降降低,出出光减少少，辐射射波长也也会发生生变化，从而引引起白光光LEDD色温、色度的的变化，较高的的温度还还会加速速荧光粉粉的老化化。原因因在于荧荧光粉涂涂层是由由环氧或或硅胶与与荧光粉粉调配而而成，散散热性能能较差，当受到到紫光或或紫外光光的辐射射时，易易发生温温度猝灭灭和老化化，使发发光效率率降低。此外，高温下下灌封胶胶和荧光光粉的热热稳定性性也存在在问题。由于常常用荧光光粉尺寸寸在1uum以上上，折射射率大于于或等于于1.885，而而硅胶折折射率一一般在11.5左左右。由由于两者者间折射射率的不不匹配，以及荧荧光粉颗颗粒尺寸寸远大于于光散射射

11、极限（30nnm），因而在在荧光粉粉颗粒表表面存在在光散射射，降低低了出光光效率。通过在在硅胶中中掺入纳纳米荧光光粉，可可使折射射率提高高到1.8以上上，降低低光散射射，提高高LEDD出光效效率（110-20），并并能有效效改善光光色质量量。传统的荧荧光粉涂涂敷方式式是将荧荧光粉与与灌封胶胶混合，然后点点涂在芯芯片上。由于无无法对荧荧光粉的的涂敷厚厚度和形形状进行行精确控控制，导导致出射射光色彩彩不一致致，出现现偏蓝光光或者偏偏黄光。而Luumilledss公司开开发的保保形涂层层（Coonfoormaal ccoattingg）技术术可实现现荧光粉粉的均匀匀涂覆，保障了了光色的的均匀性性，如

12、图图3（b）。但研究究表明，当荧光光粉直接接涂覆在在芯片表表面时，由于光光散射的的存在，出光效效率较低低。有鉴鉴于此，美国RRensssellaerr 研究究所提出出了一种种光子散散射萃取取工艺（Scaatteeredd Phhotoon EExtrracttionn meethood，SSPE)，通过过在芯片片表面布布置一个个聚焦透透镜，并并将含荧荧光粉的的玻璃片片置于距距芯片一一定位置置，不仅仅提高了了器件可可靠性，而且大大大提高高了光效效（600），如图33(c)。总体而言言，为提提高LEED的出出光效率率和可靠靠性，封封装胶层层有逐渐渐被高折折射率透透明玻璃璃或微晶晶玻璃等等取代的的趋

13、势，通过将将荧光粉粉内掺或或外涂于于玻璃表表面，不不仅提高高了荧光光粉的均均匀度，而且提提高了封封装效率率。此外外，减少少LEDD出光方方向的光光学界面面数，也也是提高高出光效效率的有有效措施施。（三）阵阵列封装装与系统统集成技技术经过400多年的的发展，LEDD封装技技术和结结构先后后经历了了四个阶阶段，如如图4所所示。1、引脚脚式（LLampp）LEED封装装引引脚式封封装就是是常用的的 35mmm封装结结构。一一般用于于电流较较小（220330mAA），功功率较低低（小于于0.11W）的的LEDD封装。主要用用于仪表表显示或或指示，大规模模集成时时也可作作为显示示屏。其其缺点在在于封装装

14、热阻较较大（一一般高于于1000K/WW），寿寿命较短短。2、表面面组装（贴片）式（SSMTLEDD）封装装表表面组装装技术（SMTT）是一一种可以以直接将将封装好好的器件件贴、焊焊到PCCB表面面指定位位置上的的一种封封装技术术。具体体而言，就是用用特定的的工具或或设备将将芯片引引脚对准准预先涂涂覆了粘粘接剂和和焊膏的的焊盘图图形上，然后直直接贴装装到未钻钻安装孔孔的PCCB 表表面上，经过波波峰焊或或再流焊焊后，使使器件和和电路之之间建立立可靠的的机械和和电气连连接。SSMT技技术具有有可靠性性高、高高频特性性好、易易于实现现自动化化等优点点，是电电子行业业最流行行的一种种封装技技术和工工

15、艺。3、板上上芯片直直装式（COBB）LEED封装装CCOB是是Chiip OOn BBoarrd（板板上芯片片直装）的英文文缩写，是一种种通过粘粘胶剂或或焊料将将LEDD芯片直直接粘贴贴到PCCB板上上，再通通过引线线键合实实现芯片片与PCCB板间间电互连连的封装装技术。PCBB板可以以是低成成本的FFR44材料（玻璃纤纤维增强强的环氧氧树脂），也可可以是高高热导的的金属基基或陶瓷瓷基复合合材料（如铝基基板或覆覆铜陶瓷瓷基板等等）。而而引线键键合可采采用高温温下的热热超声键键合（金金丝球焊焊）和常常温下的的超声波波键合（铝劈刀刀焊接）。COOB技术术主要用用于大功功率多芯芯片阵列列的LEED

16、封装装，同SSMT相相比，不不仅大大大提高了了封装功功率密度度，而且且降低了了封装热热阻（一一般为66-122W/mm.K）。4、系统统封装式式（SiiP）LLED封封装SiPP（Syysteem iin PPackkagee）是近近几年来来为适应应整机的的便携式式发展和和系统小小型化的的要求，在系统统芯片SSysttem on Chiip（SSOC）基础上上发展起起来的一一种新型型封装集集成方式式。对SSiPLEDD而言，不仅可可以在一一个封装装内组装装多个发发光芯片片，还可可以将各各种不同同类型的的器件（如电源源、控制制电路、光学微微结构、传感器器等）集集成在一一起，构构建成一一个更为为复

17、杂的的、完整整的系统统。同其其他封装装结构相相比，SSiP具具有工艺艺兼容性性好（可可利用已已有的电电子封装装材料和和工艺），集成成度高，成本低低，可提提供更多多新功能能，易于于分块测测试，开开发周期期短等优优点。按按照技术术类型不不同，SSiP可可分为四四种：芯芯片层叠叠型，模模组型，MCMM型和三三维(33D)封封装型。目前，高高亮度LLED器器件要代代替白炽炽灯以及及高压汞汞灯，必必须提高高总的光光通量，或者说说可以利利用的光光通量。而光通通量的增增加可以以通过提提高集成成度、加加大电流流密度、使用大大尺寸芯芯片等措措施来实实现。而而这些都都会增加加LEDD的功率率密度，如散热热不良，将

18、导致致LEDD芯片的的结温升升高，从从而直接接影响LLED器器件的性性能（如如发光效效率降低低、出射射光发生生红移，寿命降降低等）。多芯芯片阵列列封装是是目前获获得高光光通量的的一个最最可行的的方案，但是LLED阵阵列封装装的密度度受限于于价格、可用的的空间、电气连连接，特特别是散散热等问问题。由由于发光光芯片的的高密度度集成，散热基基板上的的温度很很高，必必须采用用有效的的热沉结结构和合合适的封封装工艺艺。常用用的热沉沉结构分分为被动动和主动动散热。被动散散热一般般选用具具有高肋肋化系数数的翅片片，通过过翅片和和空气间间的自然然对流将将热量耗耗散到环环境中。该方案案结构简简单，可可靠性高高，

19、但由由于自然然对流换换热系数数较低，只适合合于功率率密度较较低，集集成度不不高的情情况。对对于大功功率LEED封装装，则必必须采用用主动散散热，如如翅片风扇、热管、液体强强迫对流流、微通通道致冷冷、相变变致冷等等。在系统集集成方面面，台湾湾新强光光电公司司采用系系统封装装技术(SiPP), 并通过过翅片热管的的方式搭搭配高效效能散热热模块，研制出出了722W、880W的的高亮度度白光LLED光光源，如如图5（a）。由于封封装热阻阻较低（4.338/W）,当环环境温度度为255时，LLED结结温控制制在600以下，从而确确保了LLED的的使用寿寿命和良良好的发发光性能能。而华华中科技技大学则则采

20、用CCOB封封装和微微喷主动动散热技技术，封封装出了了2200W和115000W的超超大功率率LEDD白光光光源，如如图5（b）。（四）封封装大生生产技术术晶片键合合（Waaferr boondiing）技术是是指芯片片结构和和电路的的制作、封装都都在晶片片（Waaferr）上进进行，封封装完成成后再进进行切割割，形成成单个的的芯片（Chiip）；与之相相对应的的芯片键键合（DDie bonndinng）是是指芯片片结构和和电路在在晶片上上完成后后，即进进行切割割形成芯芯片（DDie），然后后对单个个芯片进进行封装装（类似似现在的的LEDD封装工工艺），如图66所示。很明显显，晶片片键合封封装

21、的效效率和质质量更高高。由于于封装费费用在LLED器器件制造造成本中中占了很很大比例例，因此此，改变变现有的的LEDD封装形形式（从从芯片键键合到晶晶片键合合），将将大大降降低封装装制造成成本。此此外，晶晶片键合合封装还还可以提提高LEED器件件生产的的洁净度度，防止止键合前前的划片片、分片片工艺对对器件结结构的破破坏，提提高封装装成品率率和可靠靠性，因因而是一一种降低低封装成成本的有有效手段段。此外，对对于大功功率LEED封装装，必须须在芯片片设计和和封装设设计过程程中，尽尽可能采采用工艺艺较少的的封装形形式（PPackkagee-leess Pacckaggingg），同同时简化化封装结结

22、构，尽尽可能减减少热学学和光学学界面数数，以降降低封装装热阻，提高出出光效率率。（五）封封装可靠靠性测试试与评估估LED器器件的失失效模式式主要包包括电失失效（如如短路或或断路）、光失失效（如如高温导导致的灌灌封胶黄黄化、光光学性能能劣化等等）和机机械失效效（如引引线断裂裂，脱焊焊等），而这些些因素都都与封装装结构和和工艺有有关。LLED的的使用寿寿命以平平均失效效时间（MTTTF）来来定义，对于照照明用途途，一般般指LEED的输输出光通通量衰减减为初始始的700（对对显示用用途一般般定义为为初始值值的500）的的使用时时间。由由于LEED寿命命长，通通常采取取加速环环境试验验的方法法进行可可

23、靠性测测试与评评估。测测试内容容主要包包括高温温储存（1000，10000hh）、低低温储存存（555，10000hh）、高高温高湿湿（855/855，110000h）、高低温温循环（85555）、热热冲击、耐腐蚀蚀性、抗抗溶性、机械冲冲击等。然而，加速环环境试验验只是问问题的一一个方面面，对LLED寿寿命的预预测机理理和方法法的研究究仍是有有待研究究的难题题。三、固态态照明对对大功率率LEDD封装的的要求与传统照照明灯具具相比，LEDD灯具不不需要使使用滤光光镜或滤滤光片来来产生有有色光，不仅效效率高、光色纯纯，而且且可以实实现动态态或渐变变的色彩彩变化。在改变变色温的的同时保保持具有有高的

24、显显色指数数，满足足不同的的应用需需要。但但对其封封装也提提出了新新的要求求，具体体体现在在：（一）模模块化通过多个个LEDD灯（或或模块）的相互互连接可可实现良良好的流流明输出出叠加，满足高高亮度照照明的要要求。通通过模块块化技术术，可以以将多个个点光源源或LEED模块块按照随随意形状状进行组组合，满满足不同同领域的的照明要要求。（二）系系统效率率最大化化为提高LLED灯灯具的出出光效率率，除了了需要合合适的LLED电电源外，还必须须采用高高效的散散热结构构和工艺艺，以及及优化内内/外光光学设计计，以提提高整个个系统效效率。（三）低低成本LED灯灯具要走走向市场场，必须须在成本本上具备备竞争

25、优优势（主主要指初初期安装装成本），而封封装在整整个LEED灯具具生产成成本中占占了很大大部分，因此，采用新新型封装装结构和和技术，提高光光效/成成本比，是实现现LEDD灯具商商品化的的关键。（四）易易于替换换和维护护由于LEED光源源寿命长长，维护护成本低低，因此此对LEED灯具具的封装装可靠性性提出了了较高的的要求。要求LLED灯灯具设计计易于改改进以适适应未来来效率更更高的LLED芯芯片封装装要求，并且要要求LEED芯片片的互换换性要好好，以便便于灯具具厂商自自己选择择采用何何种芯片片。LED灯灯具光源源可由多多个分布布式点光光源组成成，由于于芯片尺尺寸小，从而使使封装出出的灯具具重量轻

26、轻，结构构精巧，并可满满足各种种形状和和不同集集成度的的需求。唯一的的不足在在于没有有现成的的设计标标准，但但同时给给设计提提供了充充分的想想象空间间。此外外，LEED照明明控制的的首要目目标是供供电。由由于一般般市电电电源是高高压交流流电（2220VV，ACC），而而LEDD需要恒恒流或限限流电源源，因此此必须使使用转换换电路或或嵌入式式控制电电路（ ），以以实现先先进的校校准和闭闭环反馈馈控制系系统。此此外，通通过数字字照明控控制技术术，对固固态光源源的使用用和控制制主要依依靠智能能控制和和管理软软件来实实现，从从而在用用户、信信息与光光源间建建立了新新的关联联，并且且可以充充分发挥挥设计

27、者者和消费费者的想想象力。四、结束束语LED封封装是一一个涉及及到多学学科（如如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体体等）的的研究课课题。从从某种角角度而言言，LEED封装装不仅是是一门制制造技术术（Teechnnoloogy），而且且也是一一门基础础科学（Sciiencce），良好的的封装需需要对热热学、光光学、材材料和工工艺力学学等物理理本质的的理解和和应用。LEDD封装设设计应与与芯片设设计同时时进行，并且需需要对光光、热、电、结结构等性性能统一一考虑。在封装装过程中中，虽然然材料（散热基基板、荧荧光粉、灌封胶胶）选择择很重要要，但封封装结构构（如热热学界面面、光学学界面）对LEED光效效和可靠靠性影响响也很大大，大功功率白光光LEDD封装必必须采用用新材料料，新工工艺，新新思路。对于LLED灯灯具而言言，更是是需要将将光源、散热、供电和和灯具等等集成考考虑。参考考文献1 Mehhmett Arrikaa, CCharrless Beeckeerb, Sttantton Weaaverrb, et al. TTherrmall Maanaggemeent of LEDDs: Pacckagge